DE4443025C2

DE4443025C2 - Verfahren und Einrichtung zur Rastermagnetmikroskopie

Info

Publication number: DE4443025C2
Application number: DE4443025A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wimmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2014-12-03
Also published as: DE4443025A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines an der Oberfläche eines Prüflings herrschenden permanenten Magnetfel des sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Messung der Feldstärke werden z. B. Vibrationsmagnetometer verwendet, bei denen eine oder mehrere Meßpulen über dem Prüf ling schwingen. So gibt die DE-AS 12 94 550 ein Vibrationsmag netometer mit zwei in einer oder in parallelen Ebenen liegen den schwingenden Meßspulen an, wobei das den Meßspulen abge nommene Signal eine Komponente enthält, die proportional der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke in dem Punkt ist, um welchen die Meßspulen schwingen.

Weiterhin ist aus der DE 43 43 225 C2 ein Verfahren zur zer störungsfreien Werkstoffprüfung bekannt, bei dem ein Prüfling mit einem periodisch wechselnden Magnetfeld sowie Schallwellen beaufschlagt wird, wobei die Ummagnetisierungsvorgänge mit ei nem induktiven Sensor erfaßt werden, der in einer Ebene paral lel zum Prüfling angeordnet ist.

Ferner geben Y. Honda et al ein Magnetkraftmikroskop an, bei dem eine in Schwingungen versetzte magnetische Spitze aus Cobalt an einem Hebelarm befestigt ist und dieser mittels ei nes xyz-Scanners über einen Prüfling linienförmig bewegt wird, wobei durch die magnetische Anziehungskraft des Prüflings die Frequenz der Schwingung verändert wird und so zur Messung der magnetischen Feldstärke verwendet werden kann.

Mit allen bisher bekannten Verfahren läßt sich jedoch prinzi piell nur die tangentiale Komponente des Magnetfeldes messen, das an der Oberfläche des Prüflings herrscht, ob nun permanent oder diesem zur Materialuntersuchung periodisch eingeprägt. Der magnetische Kreis wird dabei zu einem großen Teil durch die Luft geführt, was zu Streuverlusten und -fehlern führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrich tung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der orthogo nalen Komponente der magnetischen Feldstärke, die an der Ober fläche eines Prüflings auftritt, anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch eine Einrichtung mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Besondere Ausführungs arten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Neben der Anwendung in der allgemeinen Werkstoffprüfung und Qualitätssicherung ist dieses Verfahren zum Einsatz im For schungs- und Entwicklungsbereich prädestiniert, z. B. bei Ma gnetbubblespeichern.

Demgemäß ist beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich, daß die Probe zu ihrer Relativbewegung in x-y-Richtung bzw. rotierend bzw. rotierend-verschoben zusätzlich in hochfrequente Schwingungen ver setzt wird, die in beliebiger Richtung erfolgen können, vorzugs weise jedoch orthogonal zum Bewegungsvektor, d. h. in z- bzw. x- oder y-Richtung. Diese Zusatzbewegung, die der Rasterbewegung ü berlagert wird, führt zu einer virtuellen Relativgeschwindigkeit von über drei Metern/Sekunde bei einer Frequenz von 10 Kilohertz und einer Amplitude von 100 Mikrometern.

In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, den Magnetkreis durch die Probe zu schließen, wobei neben den be kannten Meßverfahren such Messungen mittels eingeprägter magneti scher Wechselfelder veränderbarer Frequenz und Amplitude vorge nommen werden können. Auf diese Weise läßt sich z. B. die Koerzi tivfeldstärke eines Weißschen Bezirks messen oder deren Einfluß auf Wechselfelder, deren Stärke unterhalb des Remanenzpunktes liegt. Ebenso können gezielt Informationen auf die Probe geschrie ben werden.

Eine Prüfspitze wird vorteilhafterweise aus einem dünnen Platin draht gefertigt, auf den zwei weichmagnetische Schichten z. B. aus Eisen durch eine un- oder diamagnetische Schicht, etwa aus Wismut, getrennt werden, wobei diese Schichten elektrolytisch aufgetragen werden.

Weiterhin läßt sich eine Prüfspitze durch Ausziehen eines Drahts anfertigen, der aus in un- oder diamagnetischem Werkstoff einge betteten weichmagnetischen Sonden- und Abschirmdraht oder -drähten besteht.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Einrichtung ist neben dem pie zomechanischen Schwingungserreger die Sonde, die aus einer Prüf- und Versorgungsspitze besteht. Diese Spitzen sind einzeln auswech selbar und über den Versorgungsbereich magnetisch miteinander ver bunden. Da sowohl ein Lese- als auch ein Schreibbetrieb möglich ist, kann es vorteilhaft sein, die Spule und/oder einzelne Meßspu len magnetisch kurzzuschließen oder zu überbrücken. Durch die mag netische Abschirmung der Prüfspitze und Messung des Sonden- und/o der Abschirmkreises läßt sich eine Auflösung etwa in Größe des Sondendrahtdurchmessers erreichen. Durch Aufteilung des Abschirm kreises und getrennte Messungen lassen sich dabei zusätzliche In formationen gewinnen. Ebenso ist eine Abstandsänderung von Prüf- und/oder Sondenspitze und deren Auswertung denkbar.

Von Vorteil ist auch die Anordnung mehrerer Prüfspitzen in einer oder mehreren, vorzugsweise zueinander versetzten Reihen zu einer Lesezeile, mit einer entsprechend ausgeformten Versorgungsleiste. Das Schreiben erfolgt durch Einprägung eines magnetischen Feldes in den jeweils gewünschten Sondenkreis.

Neben einer relativ hohen Scangeschwindigkeit zeichnet sich das Verfahren durch einen einfachen und robusten Aufbau aus, mit dem sich auch reproduzierbare Meßergebnisse erzielen lassen.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin dungsgemäße Einrichtung unter Bezug auf die Zeichnung näher erläu tert.

Es zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung der Sonde,

Fig. 2: einen Schnitt durch die Prüfspitze längs der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Magnetkreise.

In Fig. 1 ist eine Sonde 1 für die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt, die aus zwei magnetischen Leitern 2 gebildet wird. Die Probe 3 wird zwischen der Prüfspitze 4 und der Versorgungs spitze 5, in x-y-Richtung oder kreisend bzw. kreisend verschoben bewegt. Prüfspitze 4 und Versorgungsspitze 5 können in gleichem oder verschiedenem Maße spitz zulaufend ausgeführt sein.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Prüfspitze im Querschnitt. Um den Sondendraht 7 sind Abschirmdrähte 6 angeord net, wobei die aus magnetisch leitendem Material bestehenden Drähte 7, 6 in diamagnetisches Wismut 8 eingebettet sind.

Fig. 3 stellt den Verlauf der einzelnen Magnetkreise dar, die von der Spule 19 ausgehen. Der Kalibrierkreis 11 dient zur Kalibrie rung der Einrichtung, die zur Erhöhung der Meßgenauigkeit auch während des Betriebs erfolgen kann, wobei die Werte der Meßspule 9 als Bezugsgröße verwendet werden. An den Arbeitskreis 12 wird mit tels Schrauben 18 dor Versorgungskreis 13 bzw. durch Kontaktfedern 17 der Abschirm- 15 und Sondenkreis 16 angeschlossen. Der Proben tisch 14 mit entsprechenden Antriebsvorrichtungen befindet sich zwischen der an den Versorgungskreis 13 angeschlossenen Versor gungsspitze 5 und der Prüfspitze 4, in der der Abschirm- 15 und Sondenkreis 16 verläuft. Die Auflösung kann durch die Auswechslung der Spitzen 4, 5, durch Wahl des Spitzendurchmessers und Abstand der Spitzen 4, 5 zueinander geändert werden. Die Meßspulen 9 im Versorgungs- 13 und Abschirmkreis 15 liefern z. B. durch Differenz bildung den Meßwert, evtl. mit Einbeziehung des Meßwertes der Meß spule 9 des Kalibierkreises 11 als Referenzgröße.

Bezugszeichenliste

1.

Sonde

2.

magnetischer Leiter

3.

Probe

4.

Prüfspitze

5.

Versorgungsspitze

6.

Abschirmdraht

7.

Sondendraht

8.

Wismut

9.

Meßspule

10.

-

11.

Kalibrierkreis

12.

Arbeitskreis

13.

Versorgungskreis

14.

Probentisch

15.

Abschirmkreis

16.

Sondenkreis

17.

Kontaktfedern

18.

Schrauben

19.

Spule

Claims

1. Verfahren zur Messung eines an der Oberfläche eines Prüflings herrschenden permanenten Magnetfeldes mittels einer magnetisch leitfähigen Prüfspitze, die linienför mig über die Oberfläche des Prüflings bewegt wird, wo bei jedem Meßpunkt auf der Oberfläche neben einem dem zu messenden Magnetfeld proportionalen Meßwert ein Ab standswert der Prüfspitze zur Oberfläche zugeordnet wird oder durch Verschiebung der Prüfspitze ein kon stanter Abstand aufrecherhalten wird, wobei aus dem Meß- und dem Abstandswert gebildete Wertetupel zur Bilderzeugung für Rastermikroskopieverfahren verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß über die Prüfspitze (4), die über einen magneti schen Leiter (13) mit einer magnetisch leitenden Versor gungsspitze (5) verbunden ist, ein Magnetkreis von der Oberfläche zu der dieser gegenüberliegenden Unterseite des Prüflings (3) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (3) orthogonal zu der linienförmigen Bewegung der Prüfspitze (4) mit einer mechanischen Schwingung veränderbarer Amplitude und Frequenz beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling (3) über den aus Prüfspitze (4), magnetischen Leiter (13) und Ver sorgungsspitze (5) gebildeten Magnetkreis mit einem magnetischen Feld veränderbarer Amplitude und Frequenz beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die magnetische Be aufschlagung des Prüflings (3) analoge oder digitale Informationen in diesem gespeichert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis in der Prüfspitze (4) aus einem Abschirm- (15) und einem Son denkreis (16) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld, mit dem der Prüfling (3) beaufschlagt wird, in einem parallelen Ka librierkreis (11) gemessen wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Prüfspitze (4) mindestens einen Magnetkreis ausbildet,
2. daß der bzw. die Magnetkreise über einen bzw. mehrere magnetische Leiter (13) und eine Versorgungsspitze (5) fortgeführt werden,
3. daß an oder in mindestens einem Magnetkreis ein Sen sor (9) zur Messung des magnetischen Flusses oder der magnetischen Feldstärke angeordnet ist, und
4. daß zumindest die Prüfspitze (4) in der z-Achse bzw. im Abstand zur Oberfläche des Prüflings (3) verstellbar ist.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Prüfspitze (4) ein xy-Tisch und ein piezomechanischer Schwinger ange ordnet sind.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüf- (4) und/oder Ver sorgungsspitzen (5) am Magnetkreis lösbar befestigt sind.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anordnung von Prüfspitzen (4) in einer oder mehreren, zueinander ver setzten Reihen eine Lese- und/oder Schreibzeile aufge baut wird.