DE4414030C1 - Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur
Messung der Dicke einer von einem Substrat getragenen dünnen
Schicht durch Auswertung eines Ultraschallsignals, welches
aus zwei Ultraschall-Reflexsignalen hervorgegangen ist, von
denen ein erstes bei Reflexion eines sich im Substrat aus
breitenden Ultraschallimpulses an der gemeinsamen Grenzfläche
von Substrat und Schicht und ein zweites bei Reflexion des
nichtreflektierten Anteils des Ultraschallimpulses an der von
der Grenzfläche abgewandten Oberfläche der Schicht gebildet
wird.
Die Dicke einer auf einem Substrat angeordneten Schicht kann
mittels Ultraschall aus der schallgeschwindigkeitsabhängigen
Laufzeitdifferenz zweier reflektierter Ultraschallsignale
ermittelt werden. Ein erstes dieser beiden Signale wird hier
bei durch Reflexion eines von einem Prüfkopf in das Substrat
eingekoppelten Ultraschallimpulses an der gemeinsamen Grenz
fläche von Substrat und Schicht und ein zweites bei Reflexion
des nichtreflektierten Anteils des Ultraschallimpulses an der
von der Grenzfläche abgewandten Oberfläche der Schicht gebil
det. Dieses Verfahren kann aber bei der Messung dünner
Schichten die beiden Ultraschallsignale nicht mehr vonein
ander unterscheiden, da sich die beiden reflektierten Ultra
schallsignale aufgrund der kurzen Laufzeit des in der Schicht
geführten Ultraschallsignals zu einem einzigen Ultraschall
signal überdecken und dann mit einfachen Mitteln nicht mehr
aufgelöst werden können.
Ein Verfahren nach der Gattung von Patentanspruch 1 ist im
JP-Abstr. 4-242109(A) in Patent Abstracts of Japan, P-1467,
Jan. 11, 1993, Vol. 17/No. 14 beschrieben. Dieses Verfahren
dient der Messung der Dicke einer auf der Innenseite eines
gußeisernen Rohrs befindlichen Keramikbeschichtung mit Hilfe
eines von außen ins Rohr eingekoppelten Ultraschallsignals.
Bei der Ausführung des Verfahrens wird die Zeitdifferenz
zwischen einer an der gemeinsamen Fläche von Rohr und
Keramikbeschichtung reflektierten ersten Ultraschallwelle und
einer an der freiliegenden Fläche der Keramikbeschichtung
reflektierten zweiten Ultraschallwelle ermittelt. Hieraus und
aus der Geschwindigkeit der Ultraschallwellen in der
Keramikbeschichtung wird dann die Schichtdicke errechnet.
Aus DE 40 40 190 C2, insbesondere Fig. 8a bis 8c, und DE 26 20 835 A1,
insbesondere Fig. 5, ist es bekannt, bei einem
Verfahren zur Laufzeitmessung von Ultraschall mit der Impuls-
Reflexionsmethode verschiedene ausgezeichnete Punkte der
Reflexionsimpulse, wie etwa die Zeitpunkte bestimmter
Schwellwertüberschreitungen und des jeweiligen Spitzenwertes,
zu erfassen. Hieraus können Aussagen über die Form, wie
insbesondere die Breite, der Impulse getroffen werden
(DE 40 40 190 C2, Spalte 5, Zeilen 59 bis 67). Aus zwei oder
mehr aufeinanderfolgenden Reflexionsimpulsen wird dann die
Dickeninformation gewonnen.
Es sind ferner Verfahren zur Bestimmung der Dicken dünner
Schichten durch Auswertung der Frequenzspektren reflektierter
Ultraschallsignale bekannt, bei denen davon ausgegangen wird,
daß es bei der Reflexion von breitbandigen Ultraschallimpul
sen in Abhängigkeit von der Schichtdicke zu Interferenzen
bestimmter Frequenzanteile kommt. Daher können im Frequenz
spektrum Intensitätsmaxima beobachtet werden, aus deren
Anordnung und Lage im Frequenzspektrum auf die Schichtdicke
geschlossen werden kann. Dieses Verfahren läßt sich jedoch
nur unter Einsatz beträchtlicher Mittel ausführen. Dies ist
vor allem dadurch bedingt, daß bei der Verarbeitung des
detektierten Ultraschallsignals infolge von Digitalisierung
und Fouriertransformation ein ganz erheblicher Arbeitsaufwand
anfällt.
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist,
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zu schaffen, welches die Dickenmessung einer
schwer zugänglichen dünnen Schicht in rascher und einfacher
Weise ermöglicht, und gleichzeitig Mittel zur Durchführung
dieses Verfahren anzugeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus,
daß während eines Meßvorganges aufwendige Verfahrensschrit
te, wie insbesondere Digitalisieren und Fouriertransformie
ren, vollständig entfallen. Vielmehr werden bei diesem
Verfahren mit äußerst einfach auszuführenden Verfahrens
schritten, wie Kalibrieren, Speichern, Zeitmessen und Signal
vergleich, in kostengünstiger und zugleich sicherer Weise
zuverlässige Meßdaten ermittelt. Da zudem vor der Durch
führung einer Messung die erforderlichen Kalibrierparameter
aus Voruntersuchungen ermittelt und gespeichert werden,
beschränkt sich der eigentliche Meßvorgang auf sehr einfach
und rasch auszuführende Verfahrensschritte, wie insbesondere
Zeitmessen und Signalvergleichen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist einfach und robust aufgebaut und zeichnet sich
dennoch durch eine große Meßgenauigkeit aus. Dies ist vor
allein eine Folge der leichten Umsetzbarkeit der beim
erfindungsgemäßen Verfahren zu verarbeitenden Signale in
einer in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehenen
Auswerteelektronik.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und die
damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine als Blockschaltbild dargestellte Ausführungs
form einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein Meßdiagramm, in dem die Intensität I eines
Ultraschallsignals, welches durch Reflexion eines
Ultraschallimpulses an einer zu vermessenden dünnen
Schicht ermittelt wurde, in Funktion der Meßzeit
t[µs] aufgetragen ist, und
Fig. 3 eine aus Vorversuchen ermittelte und in der
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gespeicherte Korrelation zwischen der
Anstiegszeit τ[µs] des Ultraschallsignal gemäß
Fig. 2 und der Dicke D[mm] der zu vermessenden
Schicht.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens enthält einen Prüfkopf 1 und
eine wahlweise auf den Prüfkopf 1 wirkende oder vom Prüfkopf
1 mit Signalen beaufschlagte Steuer- und Auswertevorrichtung
2. Der Prüfkopf 1 ist mit Vorteil ein Breitband - Prüfkopf.
Der Prüfkopf 1 liegt unter Bildung einer kreis
förmigen Auflagefläche 3 mit einem Durchmesser von beispiels
weise 12,7 mm auf einem Teil der Oberfläche eines Substrates
4 auf. Auf der von der Auflagefläche 3 abgewandten Seite
trägt das Substrat 4 eine dünne Schicht 5, welche mit dem
Substrat 4 eine gemeinsame Grenzfläche 6 bildet.
Das Substrat 4 ist vorzugsweise ein in eine gekapselte und
mit einem Isoliergas gefüllte Hochspannungsanlage eingebauter
und zum Tragen von stromführenden Teilen vorgesehener Hoch
spannungsisolator. Dieser Isolator weist eine von außen
zugängliche Auflagefläche 3 auf sowie eine dem Isoliergas
ausgesetzten Oberfläche. Bei Betrieb der Hochspannungsanlage
bildet sich auf der Oberfläche unter der Wirkung elektrischer
Entladungen aufgrund von Korrosionsvorgängen eine Schicht 5.
Diese Schicht ist besonders ausgeprägt, wenn das Substrat ein
quarzmehlgefülltes Polymer - etwa auf der Basis eines Epoxids
- ist, und wenn als Isoliergas Schwefelhexafluorid von einem
oder mehreren Bar Druck verwendet wird. Die zwischen
Auflagefläche 3 und Schicht 5 vorgesehene Dicke des
Substrates 4 kann beispielsweise 55 mm betragen. Eine
typische Dicke der Schicht 5 beträgt beispielsweise 0,3 mm.
Das Substrat 4 kann mit Vorteil auch ein Rohr einer Versor
gungsleitung sein, in dessen schwer zugänglichem Inneren ein
Transportmedium, wie etwa Wasser, Öl oder Gas, infolge von
Ablagerung und/oder Korrosion die dünne Schicht 5 bildet.
Die Steuer- und Auswertevorrichtung 2 weist eine Zeiterfas
sungsvorrichtung 7, einen Generator 8 zur Erzeugung von
Ultraschallimpulen, einen von der Zeiterfassungsvorrichtung 7
beaufschlagten und auf den Generator 8 wirkenden Rechner 9
sowie eine vom Rechner 9 angesteuerte Umschaltvorrichtung 10
auf, welche in einer Position a den Generator 8 mit dem
Prüfkopf 1 und in einer Position b den Prüfkopf 1 mit der
Zeiterfassungsvorrichtung 7 in Wirkverbindung bringt.
Die Zeiterfassungsvorrichtung 7 enthält einen Verstärker 11,
der in der Position b der Umschaltvorrichtung 10 Signale
empfängt, die vom Prüfkopf 1 abgegeben werden. Der Ausgang
des Verstärkers 11 ist einerseits an den Eingang eines als
Schwellwertdetektor ausgebildeten Grenzwertdetektors 12 und
andererseits an einen der zwei Eingänge eines UND-Glied 13
geführt. An den zweiten Eingang des UND-Gliedes 13 ist einer
von zwei Ausgängen des Grenzwertdetektors 12 geführt. Der
Ausgang des UND-Gliedes 13 wirkt auf einen vorzugsweise als
Maximum-(Peak)-Detektor ausgebildeten zweiten Grenzwertdetektor 14.
Die Ausgangssignale der beiden Grenzwertdetektoren 12, 14 werden
jeweils einem von zwei Eingängen eines Zeitmessers 15
zugeführt, an dessen Ausgang ein auf den Rechner 9 wirkendes
Zeitsignal ansteht.
Der Rechner 9 wirkt auf eine Anzeigeeinheit 16. Über eine
Eingabeeinheit 17 können Daten in den Rechner 9 eingegeben
werden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt
der Rechner 9 Steuerimpulse ab. Diese Steuerimpulse wirken
einerseits auf den Generator 8 und andererseits auf die
Umschaltvorrichtung 10. Im Generator 8 werden elektrische
Impulse erzeugt, welche über die nun in die Position a
gebrachte Umschaltvorrichtung 10 an den Prüfkopf 1 geführt
werden. Durch die elektrischen Impulse wird im Prüfkopf 1 ein
Ultraschallimpuls erzeugt, welcher in Richtung des in der
Fig. 1 dargestellten Pfeils in das Substrat 4 eingekoppelt
wird.
Der in das Substrat 4 eingekoppelte Ultraschallimpuls wird an
der gemeinsamen Grenzfläche 6 von Substrat 4 und Schicht 5
reflektiert. Der nichtreflektierte Teil des Ultraschallimpul
ses dringt in die Schicht 5 ein und wird an der von der
Grenzfläche 6 abgewandten Oberfläche der Schicht 5 reflek
tiert. Die beiden solchermaßen gebildeten Ultraschall-
Reflexsignale werden von Prüfkopf 1 als ein nicht auflösbares
Ultraschallsignal detektiert. Der Verlauf eines typischen
Ultraschallsignals ist aus dem Meßdiagramm gemäß Fig. 2
entnehmbar.
Die Umschaltvorrichtung 10 wird über einen vom Rechner 9
abgegebenen Steuerimpuls in die Position b gebracht. Das vom
Prüfkopf 1 detektierte Ultraschallsignal gelangt über die
Umschaltvorrichtung 10 in den Verstärker 11. Das am Ausgang
des Verstärkers 11 anstehende verstärkte Ultraschallsignal
wirkt auf den Grenzwertdetektor 12 und das UND-Glied 13.
Sobald das verstärkte Ultraschallsignal einen vorher festge
legten Schwellwert IS überschreitet, startet der Grenzwert
detektor 12 den Zeitmesser 15 und aktiviert den Grenzwert
detektor 14 über das UND-Glied 13. Der Zeitmesser 15 wird
gestoppt, sobald der aktivierte Grenzwertdetektor 14 das
Maximum Imax des Ultraschallsignals feststellt. Durch die
logische Verknüpfung des vom Grenzwertdetektor 12 abgegebenen
Ausgangssignals mit dem vom Verstärker 11 abgegebenen
Ausgangssignal ist hierbei sichergestellt, daß der als
Peakdetektor wirkende Grenzwertdetektor 14 nur bei aktivem
Grenzwertdetektor 12 arbeitet.
Die vom Zeitmesser 15 zwischen dem Starten und Stoppen
ermittelte Zeitspanne ist ein Maß für die Anstiegszeit τ des
vom Prüfkopf 1 gemessenen Ultraschallsignals. Die Anstiegs
zeit τ wird dem Rechner 9 zugeführt und dort mit einer zuvor
ermittelten und im Rechner 9 gespeicherten Korrelation von
Anstiegszeit τ des Ultraschallsignales und Dicke D der
Schicht 5 verglichen. Die Korrelation wurde wie folgt
ermittelt:
Es wurden für ein vorgegebenes definiertes Substrat 4, beispielsweise den zuvor erwähnten Isolator, und einen vorgegebenen definierten Ultraschallimpuls, wie er beispiels weise vom vorstehend beschriebenen Prüfkopf 1 abgegeben wird, die Anstiegszeiten der durch Reflexion gebildeten und vom Prüfkopf 1 detektierten Ultraschallsignale von Schichten verschiedener Dicke gemessen. Die Dicken dieser entsprechend der zu vermessenden Schicht angeordneten und aufgebauten Schichten wurden zuvor mit Hilfe eines anderen Dickenmeß verfahrens, beispielsweise mittels eines Interferometers, bestimmt.
Es wurden für ein vorgegebenes definiertes Substrat 4, beispielsweise den zuvor erwähnten Isolator, und einen vorgegebenen definierten Ultraschallimpuls, wie er beispiels weise vom vorstehend beschriebenen Prüfkopf 1 abgegeben wird, die Anstiegszeiten der durch Reflexion gebildeten und vom Prüfkopf 1 detektierten Ultraschallsignale von Schichten verschiedener Dicke gemessen. Die Dicken dieser entsprechend der zu vermessenden Schicht angeordneten und aufgebauten Schichten wurden zuvor mit Hilfe eines anderen Dickenmeß verfahrens, beispielsweise mittels eines Interferometers, bestimmt.
Aus Fig. 3 ist eine über die Eingabeeinheit 17 in den Rechner
9 eingegebene und dort in einem Speicher abgelegte Korrela
tion zwischen der Anstiegszeit τ und der Dicke D der zu
vermessenden Schicht 5 entnehmbar. Ersichtlich ist diese
Korrelation als Gerade ausgebildet. Durch Vergleich der vom
Zeitmesser 15 bestimmten Anstiegszeit τ des Ultraschallsigna
les der zu vermessenden Schicht 5 mit der gespeicherten
Korrelation ermittelt nun der Rechner 9 sehr rasch die Dicke
D der zu vermessenden Schicht und zeigt den zugeordneten
Zahlenwert auf der Anzeigeeinheit 16 an.
Bezugszeichenliste
1 Prüfkopf
2 Steuer- und Auswertevorrichtung
3 Auflagefläche
4 Substrat
5 Schicht
6 Grenzfläche
7 Zeiterfassungsvorrichtung
8 Generator
9 Rechner
10 Umschaltvorrichtung
11 Verstärker
12 Grenzwertdetektor
13 UND-Glied
14 Grenzwertdetektor
15 Zeitmesser
16 Anzeigeeinheit
17 Eingabeeinheit
τ Anstiegszeit
D Dicke der Schicht 5
IS, Imax Grenzwerte
2 Steuer- und Auswertevorrichtung
3 Auflagefläche
4 Substrat
5 Schicht
6 Grenzfläche
7 Zeiterfassungsvorrichtung
8 Generator
9 Rechner
10 Umschaltvorrichtung
11 Verstärker
12 Grenzwertdetektor
13 UND-Glied
14 Grenzwertdetektor
15 Zeitmesser
16 Anzeigeeinheit
17 Eingabeeinheit
τ Anstiegszeit
D Dicke der Schicht 5
IS, Imax Grenzwerte
Claims (10)
1. Verfahren zur Messung der Dicke (D) einer von einem
Substrat (4) getragenen dünnen Schicht (5) durch
Auswertung eines Ultraschallsignals, welches aus zwei
Ultraschall-Reflexsignalen hervorgegangen ist, von denen
ein erstes bei Reflexion eines sich im Substrat (4)
ausbreitenden Ultraschallimpulses an der gemeinsamen
Grenzfläche (6) von Substrat (4) und Schicht (5) und ein
zweites bei Reflexion des nichtreflektierten Anteils des
Ultraschallimpulses an der von der Grenzfläche (6)
abgewandten Oberfläche der Schicht (5) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß für ein vorgegebenes definiertes Substrat und für einen vorgegebenen definierten Ultraschall impuls die Anstiegszeiten von Ultraschallsignalen von Schichten verschiedener Dicke gemessen werden, welche entsprechend der zu vermessenden Schicht (5) angeordnet und aufgebaut sind,
- - daß eine hierbei auftretende Korrelation von Anstiegszeit (τ) des Ultraschallsignales und Schichtdicke (D) gespeichert wird,
- - daß die Anstiegszeit (τ) des Ultraschallsignales der zu vermessenden Schicht (5) ermittelt wird, und
- - daß durch Vergleich der Anstiegszeit (τ) des Ultraschallsignales der zu vermessenden Schicht (5) mit der gespeicherten Korrelation die Dicke (D) der zu vermessenden Schicht (5) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anstiegszeit (τ) aus der Differenz zweier Zeitpunkte
bestimmt wird, von denen ein erster Zeitpunkt beim Über
schreiten eines vorgegebenen ersten Grenzwertes (IS) und
ein nachfolgender zweiter Zeitpunkt beim Überschreiten
eines gegenüber dem ersten Grenzwert (IS) höheren
zweiten Grenzwertes (Imax) des Ultraschallsignals
ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Grenzwert (Imax) durch das den Anstieg des
Ultraschallsignals beendende Signalmaximum bestimmt
wird.
4. Verfahren nach einem der der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Grenzwert (IS) durch den
Beginn des Anstiegs des Ultraschallsignals bestimmt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korrelation in Form einer
Geraden gespeichert wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 mit einem den Ultraschallimpuls in das
Substrat (4) einkoppelnden und den durch Reflexion an
der zu vermessenden Schicht (5) detektierenden Prüfkopf
(1) und einer dem Prüfkopf (1) nachschaltbaren Steuer -
und Auswertevorrichtung (2), dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer - und Auswertevorrichtung (2) zumindest
einen die Anstiegszeit (τ) ermittelnden Zeitmesser (15)
und zwei auf den Zeitmesser (15) wirkende Grenzwert
detektoren (12, 14) aufweist, von denen ein erster (12)
den Zeitmesser (15) bei einem ersten Grenzwert (IS) des
Ultraschallsignals startet und ein zweiter (14) den
Zeitmesser (14) bei einem nachfolgenden zweiten
Grenzwert (Imax) des Ultraschallsignals stoppt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Grenzwertdetektor (12) zwei Ausgänge
aufweist, von denen ein erster auf den Zeitmesser (15)
und ein zweiter über ein UND-Glied (13) auf den zweiten
Grenzwertdetektor (14) wirkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Grenzwertdetektor (12) als Schwellwert
detektor und der zweite Grenzwertdetektor (14) als
Peakdetektor ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer - und Auswertevorrich
tung (2) einen vom Zeitmesser (15) ansteuerbaren und die
Korrelation speichernden Rechner (9) aufweist, welcher
den Vergleich der vom Zeitmesser (15) ermittelten
Anstiegszeit (τ) mit der Korrelation durchführt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (9) auf eine Umschaltvorrichtung (10)
wirkt, über welche entweder ein den Ultraschallimpuls
anregender Generator (8) mit dem Prüfkopf (1) oder der
Prüfkopf (1) bei Detektion des Ultraschallsignals mit
der Steuer- und Auswertevorrichtung (2) in Wirkverbin
dung bringbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944414030 DE4414030C1 (de) | 1994-04-22 | 1994-04-22 | Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944414030 DE4414030C1 (de) | 1994-04-22 | 1994-04-22 | Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4414030C1 true DE4414030C1 (de) | 1995-08-10 |
Family
ID=6516130
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944414030 Expired - Fee Related DE4414030C1 (de) | 1994-04-22 | 1994-04-22 | Verfahren zur Messung der Dicke einer Schicht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4414030C1 (de) |
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-
1994
- 1994-04-22 DE DE19944414030 patent/DE4414030C1/de not_active Expired - Fee Related
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