DE69922205T2 - Verfahren und vorrichtung zur oberflächenprüfung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächenprüfvorrichtung sowie ein Verfahren zum Messen von Oberflächeneigenschaften wie z.B. Oberflächenzähigkeit und Haftung zwischen Oberflächen wie z.B. zwischen einer Folie und einem Substrat. Der hierin verwendete Begriff „Oberflächenzähigkeit" bedeutet die Oberflächenbruchbeständigkeit bei wiederholten Kollisionen, wie sie beispielsweise dann auftreten, wenn eine Oberfläche mehrere Kollisionen oder erosiven Verschleiß erfährt.
  • Es wird gewöhnlich eine Reihe von Techniken angewendet, um die mechanischen Eigenschaften von verschleißbeständigen Beschichtungen und Oberflächen zu messen. Dazu gehören beispielsweise Kratzprüfungen, Eindruckprüfungen sowie Pin-on-Disk-Verschleißversuche. Es ist jedoch häufig schwierig oder sogar unmöglich, eine Korrelation der bei solchen Versuchen erhaltenen Ergebnisse mit der eigentlichen Produktleistung herzustellen.
  • Messungen der Haftung einer dünnen Folie auf einem Substrat werden häufig mit Hilfe eines Kratzversuchs durchgeführt. Bei dieser Technik wird eine Sonde wie z.B. ein Diamantstift entweder unter einer konstanten Last oder unter einer progressiv zunehmenden Last langsam über die Oberfläche eines Prüflings gezogen, bis die Grenzfläche versagt. Ein Versagen wird mit mehreren Methoden festgestellt, z.B. (i) durch Erfassen einer abrupten Änderung der Reibungskraft zwischen Diamant und Substrat; (ii) durch Beobachten der so genannten Verschleißspur unter einem Mikroskop; oder (iii) durch Erfassen eines Bündels an freigesetzter akustischer Energie.
  • Bei einem Kratzversuch entsteht eine elastische und plastische Verformung um die Sondenspitze. Die Einzelheiten einer solchen Verformung sind im Allgemeinen äußerst komplex und es werden dabei gewöhnlich sowohl die Folie als auch das Substrat betroffen. Die kritische Last für den Folienausfall ist nicht nur von der Grenzflächenhaftung, sondern auch von den mechanischen Eigenschaften der Materialien von Folie und Substrat abhängig. Es ist daher gewöhnlich nicht möglich, Kratzversuchsdaten in absolute Haftenergiewerte umzuwandeln. Darüber hinaus kann die beaufschlagte Kraft in einigen Fällen sogar eine Neuhaftung der Folie bewirken.
  • In einigen Fällen kann ein Haftversagen auch durch einfache Eindruckmessungen erkannt werden. Grundsätzlich wird ein scharfer Diamant so in die Oberfläche gedrückt, dass er durch Folie und Substrat dringt. Schließlich kann die erzeugte Belastung ausreichen, um ein Grenzflächenversagen zu verursachen, das durch Überwachen akustischer Emissionen oder der Diamantverschiebung erfasst werden kann.
  • Die SU 1714447 offenbart eine Prüfvorrichtung zum Messen der elastischen Eigenschaften harter Materialien, die einen Eindringkörper an einem Pendel aufweist, der bei einem Selbstschwingvorgang auf den Prüfling aufschlägt. Ein Elektromagnet legt einen Impuls an den Eindringkörper an, um Energieverluste während der Kollision zu kompensieren. Die Vorrichtung besitzt auch einen Bewegungssensor für den Eindringkörper, von dem Signale durch einen Verstärker zum Elektromagnet passieren und einen Impuls erzeugen. Der Bewegungssensor hat auch die Aufgabe, die Anzahl der Schwingungen über eine festgelegte Zeit zu zählen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Oberflächenprüfvorrichtung sowie Verfahren bereitzustellen, die zum Messen einer Oberflächeneigenschaft wie z.B. Oberflächenzähigkeit oder Haftung zwischen Oberflächen geeignet sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Oberflächenprüfvorrichtung vorgeschlagen, umfassend einen Halter, um einen Prüfling in einer vorbestimmten Lage zu halten; eine Prüfsonde, die für eine Rückprallbewegung von der vorbestimmten Lage weg in einer vorbestimmten Richtung montiert ist; Mittel, um die Prüfsonde in Richtung auf die vorbestimmte Lage zu drängen; und Mittel, um entweder den Halter oder die Prüfsonde hin und her zu bewegen, um beim Gebrauch wiederholte Kollisionen zwischen der Prüfsonde und einem Prüfling zu verursachen; und Mittel zum kontinuierlichen Überwachen der Position der Prüfsonde.
  • Die Prüfvorrichtung kann auch für Oberflächenzähigkeitstests oder Haftungstests je nach dem Charakter des Prüflings und der Betriebsart des Gerätes verwendet werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Oberflächeneigenschaften eines Prüflings vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • (a) Montieren des Prüflings in einem Halter;
    • (b) Drängen einer Prüfsonde, die eine Rückprallbewegung von dem Prüfling weg ausführen kann, in Kontakt mit dem Prüfling;
    • (c) Hin- und Herbewegen des Prüflingshalters oder der Prüfsonde, um wiederholte Kollisionen zwischen dem Prüfling und der Prüfsonde zu verursachen; und
    • (d) Überwachen der Position der Prüfsonde, während der Prüfling oder die Prüfsonde hin und her bewegt wird.
  • Es ist zu verstehen, dass es möglich ist, Oberflächenschäden durch Rückprall und nachfolgende Kollision zwischen Sonde und Prüfling zu erzeugen und die Entstehung und den Fortschritt solcher Schäden durch kontinuierliches Überwachen der Änderung der Position der Prüfsonde zu erfassen. Ferner kann anhand des Ausmaßes des Rückpralls die an der Kontaktstelle absorbierte Energie zwischen Prüfling und aufschlagender Prüfsonde ermittelt werden. Somit ist das Verfahren besonders zum Messen der Oberflächenzähigkeit geeignet.
  • Mit diesem Verfahren kann der Einfluss eines wiederholten Kontakts zwischen der Sonde und einer Stelle auf dem Prüfling beurteilt werden. Es ist jedoch möglich, die Effekte der Kollision an einer oder mehreren Stelle(n) neben einer vorherigen Kollisionsstelle zu messen, indem eine relative Bewegung zwischen Halter und Sonde in einer Richtung quer (z.B. lotrecht) zu der der Hin- und Herbewegung bewirkt wird, die auf Prüflingshalter oder Prüfsonde angewendet wird. So kann der Einfluss großflächiger Schäden ermittelt werden, die von einer Kollisionsstelle ausgehen. Eine solche Technik ist beim Beurteilen vieler Typen von Oberflächen- oder Beschichtungsausfallsituationen nützlich, z.B. bei Beschichtungen auf Werkzeugeinsätzen, die aufgrund von Vibrationen immer an einer etwas anderen Stelle auf ein Werkstück auftreffen.
  • Bei spröden Beschichtungen erzeugt eine solche transversale Bewegung radiale Schäden, die von jeder Kollisionsstelle ausgehen, die wiederum weitere Aufschläge erfährt. Für einige Beschichtungen führen individuelle Kollisionen zu symmetrischen lokalisierten Grenzflächenspannungen und Versagen zwischen Grenzflächen, was ein Entfernen der Folie aufgrund der zugrunde liegenden ständigen Last relativ leicht macht. Bei einigen anderen Beschichtungen erleichtert das Erzeugen von Eindrücken in Verbindung mit einer Translationsbewegung des Prüflings das Entfernen, da der Beschichtungsquerschnitt nach dem Erzeugen des Eindrucks mit einer Abblätterungskraft beaufschlagt wird. Wenn also der Prüfling eine Folie und ein Substrat umfasst, dann ist diese Technik besonders für Haftversuche geeignet (z.B. Messen der Haftung der Folie auf dem Substrat).
  • Die genannten Hin- und Herbewegungsmittel sind vorzugsweise zum Hin- und Herbewegen des Prüflingshalters angeordnet.
  • Die Mittel zum Drängen der Prüfsonde in Richtung auf die vorbestimmte Lage können durch derartiges Montieren der Prüfsonde bereitgestellt werden, dass diese durch Schwerkraft in Richtung auf die genannte Stelle (unbelastet) gedrängt wird, oder es können andere Kraftbeaufschlagungsmittel vorgesehen werden (vorbelastet). Die Prüfsonde kann auf einem Pendelarm für eine Bewegung zu dem Prüflingshalter hin und von diesem weg frei montiert werden, auf den ein Kraftbeaufschlagungsmittel wie z.B. eine Spulen- und Magnetbaugruppe wirken kann, die auf den Arm wirkt, um die Sonde beim Gebrauch in Richtung auf den Prüfling zu drängen.
  • Das Mittel zum Hin- und Herbewegen des Halters oder der Prüfsonde kann Mittel umfassen, um den Prüfling beim Gebrauch mit elastischen Wellen zu beaufschlagen, und kann beispielsweise (i) eine Schallwellenquelle (z.B. ein Lautsprecher und ein damit verbundener Signalgenerator), (ii) ein mit einem Signalgenerator verbundener piezoelektrischer Aktuator oder (iii) für höhere Lastkollisionen ein Solenoid mit einem Stößel oder eine Masse an einem Pendel sein, der/die beim Gebrauch periodisch mit dem Prüflingshalter in der Rückprallrichtung Kontakt erhält. Im letzten Beispiel, (iii), können Prüfsondenverschiebungsdaten für eine Zeit nach jeder Kollision bis zur nächsten Kollision gesammelt werden. Einige Anordnungen arbeiten möglicherweise nicht mit elastischen Wellen, so kann z.B. die Hin- und Herbewegung des Prüflings bei niedrigen Frequenzen erfolgen, so dass die Prüfsonde einfach von der Oberfläche weg beschleunigt wird.
  • Die Aufprallenergie zwischen Sonde und Prüfling wird anhand von Amplitude und Frequenz der Hin- und Herbewegung ermittelt und ihre Wirkung ist unter anderem von der zugrunde liegenden Last abhängig, die durch das Drängmittel auf die Prüfsonde aufgebracht wird, sowie von der Natur des Prüflings. Wenn beispielsweise die beaufschlagte Last relativ hoch und/oder die Amplitude der Hin- und Herbewegungen relativ niedrig ist, dann kann, je nach der Natur des Prüflings, die Oberfläche des Prüflings so verbogen werden, dass ein Kontakt zwischen Prüfling und Prüfsonde zwischen Kollisionen bestehen bleibt. Ein solches Verbiegen ist zum Untersuchen der Haftung (und insbesondere von Ermüdungsversagen) in mehrlagigen Prüflingen wie z.B. geschichteten Polymerstoffen nützlich. Alternativ können, wenn die beaufschlagte Last relativ niedrig ist (z.B. nur Schwerkraft) und/oder die Amplitude von Hin- und Herbewegungen relativ hoch ist, Prüfling und Prüfsonde zwischen Kollisionen auseinanderspringen.
  • Amplitude, Frequenz und zugrunde liegende Last der Hin- und Herbewegung können unabhängig voneinander variiert werden.
  • In einem besonders bevorzugten Haftprüfverfahren wird die auf die Prüfsonde aufgebrachte Last linear erhöht, während eine relative Bewegung zwischen Prüfsonde und Prüflingshalter in einer Richtung quer zu der Hin- und Herbewegung stattfindet.
  • Die Position der Prüfsonde kann kapazitiv überwacht werden, indem eine feste Kondensatorplatte vorgesehen wird, die auf der gegenüberliegenden Seite der Prüfsonde zum Prüflingshalter beabstandet ist, und eine weitere Kondensatorplatte für die Bewegung mit der Prüfsonde montiert wird, so dass die Bewegung der Sonde von einer Kapazitätsänderung begleitet wird.
  • Es ist auch möglich, Positionsdaten der Sonde vor und nach der Betätigung des Hin- und Herbewegungsmittels zu sammeln. So können Daten über die Position der Sonde in Kontakt mit dem Prüfling sowohl vor als auch nach einer wiederholten Kollision gesammelt werden. Dies ermöglicht die Beurteilung von Differenzen zwischen spröden und nicht spröden Materialien und ermöglicht auch den Erhalt von Lebensdauerdaten der Oberfläche für spröde Materialien. In dieser Hinsicht ist zu verstehen, dass die Oberfläche bei spröden Materialien aufbrechen und so verursachen kann, dass die Prüfsonde nach einer wiederholten Kollision weiter vom Halter entfernt ist als am erzeugt. Im Gegensatz dazu zeigen duktile Prüflinge möglicherweise nur ein Eindruckverhalten.
  • Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht einer grundsätzlichen Pendelanordnung, auf die die Lehren der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, so dass sich ein erfindungsgemäßes Prüfgerät ergibt,
  • 2 eine Ansicht einer Ausgestaltung von Prüfgeräten gemäß der vorliegenden Erfindung mit der grundsätzlichen Pendelanordnung von 1,
  • 3 einen Chart, der Kollisionsdaten über einen Prüfling mit einer Quarzglasoberfläche zeigt, die mit dem Gerät von 2 gesammelt wurden,
  • 4 eine zweite Ausgestaltung der Prüfgeräte gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • 5 einen Chart, der Kollisionsdaten über einen Prüfling mit einer Titannitridbeschichtung auf einem Siliciumsubstrat zeigt.
  • Nun mit Bezug auf 1 der Zeichnungen, die grundsätzliche Pendelanordnung umfasst eine Prüfsonde 10, die von einem Sondenhalter 12 auf einem Pendelarm 14 getragen wird, der auf einem im Wesentlichen reibungslosen Drehzapfen 16 montiert ist. Der Pendelarm 14 verläuft über den Drehzapfen 16 hinaus und trägt an seinem oberen Ende eine Spule 18, die neben einem Magnet 20 angeordnet ist. Ein Begrenzungsanschlag 22 verhütet eine zu starke Bewegung der Spule 18 in Richtung auf den Magnet 20, wenn Erstere erregt wird.
  • Der Sondenhalter 12 trägt eine leitende Platte 24, die einen parallelen Plattenkondensator 26 mit einer festen Platte 28 bildet. Der Kondensator 26 ist in einer Kapazitätsbrückenschaltung (nicht dargestellt) montiert. Man wird verstehen, dass eine Bewegung der Platte 24 relativ zur Platte 28 von einer Kapazitätsänderung begleitet wird, die von der Kapazitätsbrückenschaltung erfasst werden kann. Auf diese Weise können tatsächliche Verschiebungen der Prüfsonde 10 kapazitiv gemessen werden.
  • In dieser Ausgestaltung ist die Prüfsonde 10 ein sphärischer Diamant mit einem Radius von 25 μm. Es kann jedoch eine breite Palette von Sondengeometrien zum Einsatz kommen.
  • Die Anordnung umfasst ferner eine Prüflingshalterbaugruppe 30, an der ein Prüfling S (in dieser Ausgestaltung ein Quarzglasprüfling) starr befestigt ist, z.B. mit einem Sofortklebemittel (z.B. einem gewöhnlich „Superglue" genannten Cyanoacrylatklebstoff). Bei einer solchen starren Befestigung kommt es zu keinem unnötigen Nachgeben beim Kollisionsversuch.
  • In einer alternativen Ausgestaltung (nicht dargestellt) wurden die Magnet- und Spulenanordnung weggelassen und die Prüfsonde wird beim Gebrauch lediglich von der auf den Pendelarm wirkenden Schwerkraft auf der Prüflingsoberfläche gehalten.
  • Gemäß der Erfindung, und wie in 2 illustriert, ist die oben mit Bezug auf 1 beschriebene grundsätzliche Pendelanordnung dadurch modifiziert, dass eine hin- und herbeweglichen Halterbaugruppe 30 vorgesehen ist. Die Halterbaugruppe 30 ist für eine Bewegung auf 3 Achsen montiert, so dass die Halterbaugruppe 30 und der Prüfling in ihrer Position in zwei zueinander lotrechten Richtungen justiert werden können, die wiederum im Wesentlichen lotrecht zur Bewegungsrichtung der Prüfsonde 10 um die Drehachse 16 sind. Die dritte Bewegungsachse der Halterbaugruppe 30 ist zur Prüfsonde 10 hin und von ihr weg. Führungen, von denen nur zwei bei 32 und 34 dargestellt sind, sind zum Führen des Hauptkörpers 36 der Halterbaugruppe 30 entlang der drei zueinander lotrechten Achsen vorgesehen.
  • Auf der Rückseite der Halterbaugruppe 30 (d.h. auf der dem Prüfling S gegenüberliegenden Seite der Halterbaugruppe 30) ist ein Verschiebungsaktuator 38 vorgesehen, der so angeordnet ist, dass er die Halterbaugruppe 30 hin und her bewegt, wie der Doppelkopfpfeil O in 2 andeutet. In dieser Ausgestaltung umfasst der Verschiebungsaktuator 38 einen Lautsprecher und einen damit verbundenen Signalgenerator und hat die Aufgabe, elastische Wellen in der Baugruppe 30 und somit im Prüfling S zu erzeugen.
  • Beim Gebrauch wird der Prüfling S mit der Prüfsonde 10 in Kontakt gebracht, indem die Halterbaugruppe 30 relativ zur Führung 32 bewegt wird. Dann wird mit Hilfe des Magnets 20 und der Spule 18, die sich am oberen Ende des Pendelarms 14 befindet (1), eine feste normal gerichtete Last zwischen Prüfsonde 10 und Prüfling S aufgebracht. In dieser Phase kann die tatsächliche Position der Diamantsonde 10 Kapazität mit Hilfe der kapazitiven Brückenschaltung 26 gemessen werden.
  • Der Verschiebungsaktuator 38 wird dann erregt, um elastische Wellen zeitlich so gesteuert zu erzeugen, dass wiederholt Rückprallen der Prüfsonde 10 und Kollisionen zwischen Sonde und Oberfläche des Prüflings S stattfinden. Man wird verstehen, dass in anderen Ausgestaltungen die mit dem Magnet 20 und der Spule 18 aufgebrachte Last während des Betriebs des Verschiebungsaktuators erhöht werden kann (Last und Änderungsgeschwindigkeit können von einem Computer gesteuert werden). Nach einer bestimmten Periode stoppt das Rückprallen der Sonde 10 abrupt trotz der Tatsache, dass der Verschiebungsaktuator 18 weiter elastische Wellen erzeugt. Dies wird als Energieabsorption aufgrund von Oberflächenschäden an der spröden Quarzfläche des Prüflings S interpretiert, die beim Rückprallen des Pendels und der Kollision zwischen Sonde 10 und Prüfling S erzeugt werden.
  • Schließlich wird der Verschiebungsaktuator 38 abgeschaltet, so dass die Sonde 10 auf der Oberfläche des Prüflings S stehen bleibt. Die Oberflächenposition der Sonde 10 wird jedoch aufgrund des finiten Volumens der erzeugten Oberflächenschäden als geringfügig höher als die Startposition erfasst. Die Position der Sonde 10 vor der Erregung, während der Erregung und nach der Erregung des Verschiebungsaktuators 38 wird mit einem Instrument zur kontinuierlichen Tiefenaufzeichnung gemessen und ist in 3 illustriert, wo die Position der Sonde 10 durch die „Tiefe"-Achse angedeutet ist. Die Phase, in der der Rückprall der Sonde stoppt, ist in 3 deutlich sichtbar.
  • Auf diese Weise können Daten über die Oberflächenfrakturbeständigkeit einer Reihe verschiedener Prüflinge erzeugt werden, wobei solche Daten eine Anzeige über die tatsächliche Produktleistung geben.
  • Abgesehen vom Einfluss von Oberflächenschäden auf den Rückprall der Prüfsonde können beim Aufprall auftretende Frakturereignisse mit einem Schallemissionsdetektor überwacht werden.
  • Mit Bezug auf 4 ist die Ausrüstung von 2 so modifiziert, dass der Verschiebungsaktuator 38, der mit der Rückseite des Hauptkörpers 36 der Halterbaugruppe 30 verbunden ist, durch einen piezoelektrischen Aktuator 40 zwischen Halterbaugruppe 30 und Prüfling S ersetzt ist, auf dem sich eine zu prüfende Folie befindet. Andere Teile der Ausrüstung erhielten dieselben Bezugsziffern wie in 2.
  • In einem besonderen Verfahren zum Anwenden der in 4 gezeigten Ausrüstung wird der Prüfling S mit dem mit einem Signalgenerator verbundenen piezoelektrischen Aktuator 40 hin und her bewegt, so dass die Prüfsonde 10 veranlasst wird, auf der Oberfläche der Folie des Prüflings S „zu springen".
  • Die Kollisionsenergie wird anhand von Amplitude und Frequenz der Hin- und Herbewegung sowie der zugrunde liegenden aufgebrachten Last ermittelt. Ein Versagen der Folie wird durch Überwachen von Änderungen der Sondenverschiebung erfasst, wenn der Prüfling S unterhalb der Sonde 10 gescannt wird. In einigen Fällen kommt es im Falle eines katastrophalen Versagens der Folie zu einer abrupten und leicht erkennbaren Verschiebung der durchschnittlichen Sondenposition.
  • Vor Messbeginn wird der Prüfling S mit der Prüfsonde in Kontakt gebracht, indem die Halterbaugruppe 30 relativ zur Führung 32 bewegt wird. Eine geringe normal gerichtete Last wird dann mittels der Magnet- und Spulenbelastungsbaugruppe aufgebracht, die sich am oberen Ende des Pendelarms 14 befindet. Dann wird eine Prüflingsbewegung im rechten Winkel zur Sondenachse gestartet. (In anderen Oberflächenprüfungen ist es möglicherweise wünschenswert, den Prüfling S in einem anderen Winkel, z.B. 45°, zur Probenachse zu bewegen, so dass der Prüfling S in Richtung auf die Probe 10 bewegt wird). Nach einer anfänglichen konstanten Lastkontaktperiode ohne Hin- und Herbewegung des Prüflings, damit die anfängliche Oberflächenposition identifiziert werden kann, wird die gewünschte normal gerichtete Hintergrundlast aufgebracht und gleichzeitig die Kollisionserregung gestartet. Während des gesamten Vorgangs werden Prüfsondenverschiebungsdaten gesammelt. Ein Beispiel ist in 5 dargestellt, wo die Sondenposition gegenüber der Prüflingsposition für eine Rechteckwellenoszillation mit einer festen Frequenz von 80 Hz und einer festen Amplitude geplottet wird. Der Prüfling bestand aus einem mit Titannitrid beschichteten Siliciumsubstrat. Die schrittweise Änderung der mittleren Sondenposition ist für ein Entfernen der Folie indikativ. Die Prüfsonde war ein sphärischer Diamant mit einem Radius von 25 μm, die Prüflingsgeschwindigkeit betrug 100 nm/s.
  • In einer geringfügigen Modifikation der obigen Ausgestaltung wird die Hintergrundlast während der Bewegung des Prüflings linear erhöht.

Claims (17)

  1. Oberflächenprüfvorrichtung, umfassend einen Halter (30), um einen Prüfling (S) in einer vorbestimmten Lage zu halten; eine Prüfsonde (10), die für eine Rückprallbewegung von der vorbestimmten Lage weg in einer vorbestimmten Richtung montiert ist; Mittel (18, 20), um die Prüfsonde (10) in Richtung auf die vorbestimmte Lage zu drängen; und Mittel (38, 40), um entweder den Halter (30) oder die Prüfsonde (10) hin und her zu bewegen, um beim Gebrauch wiederholte Kollisionen zwischen der Prüfsonde (10) und einem Prüfling (S) zu verursachen; dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum kontinuierlichen Überwachen der Position der Prüfsonde vorgesehen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mittel (32, 34) zum Bewirken einer relativen Bewegung zwischen dem Halter (30) und der Sonde (10) in einer Richtung quer zur Hin- und Herbewegungsrichtung des Halters (30) oder der Sonde (10) beim Gebrauch vorgesehen sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Hin- und Herbewegungsmittel (38) so angeordnet ist, dass es den Prüflingshalter (30) hin und her bewegt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prüfsonde (10) für eine Bewegung in Richtung auf den Prüflingshalter (30) hin und von diesem weg frei auf einem Pendelarm (14) montiert ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Drängmittel eine Baugruppe aus einer Spule (18) und einem Magnet (20) umfasst, die auf den Arm (14) wirkt, um die Sonde beim Gebrauch in Richtung auf den Prüfling (S) zu drängen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Hin- und Herbewegungsmittel (38, 40) die Aufgabe hat, den Prüfling (S) beim Gebrauch mit elastischen Wellen zu beaufschlagen.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Hin- und Herbewegungsmittel (38, 40) entweder (i) eine Schallwellenquelle oder (ii) ein mit einem Signalgenerator verbundener piezoelektrischer Aktuator oder (iii) ein Solenoid mit einem Stößel oder eine Masse an einem Pendel ist.
  8. Verfahren zum Messen von Oberflächeneigenschaften eines Prüflings (S), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (d) Montieren des Prüflings in einem Halter (30); (e) Drängen einer Prüfsonde (10), die eine Rückprallbewegung von dem Prüfling (S) weg ausführen kann, in Kontakt mit dem Prüfling (S); (f) Hin- und Herbewegen des Prüflingshalters (30) oder der Prüfsonde (10), um wiederholte Kollisionen zwischen dem Prüfling (S) und der Prüfsonde (10) zu verursachen; und (g) Überwachen der Position der Prüfsonde (10), während der Prüfling (S) oder die Prüfsonde (10) hin und her bewegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Schritt (c) durch Hin- und Herbewegen des Prüflingshalters (30) ausgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Kontakt zwischen dem Prüflingshalter (30) und der Prüfsonde (10) zwischen Kollisionen in Schritt (c) erhalten bleibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zwischen Kollisionen in Schritt (c) eine Trennung zwischen der Prüfsonde (10) und dem Prüflingshalter (30) besteht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die in Schritt (c) auf die Prüfsonde (10) aufgebrachte Kraft konstant ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die in Schritt (c) auf die Prüfsonde (10) aufgebrachte Kraft linear erhöht wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei eine relative Bewegung zwischen dem Prüflingshalter (30) und der Prüfsonde (10) in einer Richtung quer zu der Hin- und Herbewegung erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die relative Bewegung eine kontinuierliche relative Bewegung ist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die Position der Prüfsonde (10) kapazitiv überwacht wird, indem eine feste Kondensatorplatte (28) vorgesehen wird, die auf der gegenüberliegenden Seite der Prüfsonde (10) von dem Prüflingshalter (30) beabstandet ist, und indem eine weitere Kondensatorplatte (24) für eine Bewegung mit der Prüfsonde (10) montiert wird, so dass eine Bewegung der Sonde (10) von einer Kapazitätsänderung begleitet wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Sondenpositionsdaten vor und nach Schritt (c) gesammelt werden.
DE69922205T 1998-07-15 1999-07-15 Verfahren und vorrichtung zur oberflächenprüfung Expired - Lifetime DE69922205T2 (de)

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GB9815260 1998-07-15
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GB9818196 1998-08-21
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PCT/GB1999/002145 WO2000004368A1 (en) 1998-07-15 1999-07-15 Surface testing equipment and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69922205D1 DE69922205D1 (de) 2004-12-30
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2475683B (en) * 2009-11-25 2011-10-19 Micro Materials Ltd Apparatus and method for testing materials
GB2478134B (en) * 2010-02-25 2012-01-11 Micro Materials Ltd Heating in material testing apparatus
GB201012895D0 (en) * 2010-08-02 2010-09-15 Micro Materials Ltd Apparatus and method for testing materials
CN102809514B (zh) * 2012-07-06 2014-03-26 中国地质大学(北京) 一种类金刚石薄膜韧性的表征方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE424455B (sv) * 1980-11-26 1982-07-19 Thurner Geodynamik Ab Forfarande och anordning for metning av den packningsgrad, som uppnas vid packning av ett underlag med ett packningsredskap
FR2533030B1 (fr) * 1982-09-09 1986-04-25 Adhout Hertsel Balistometre pour la mesure des proprietes elastiques de la peau
SU1067407A1 (ru) * 1982-10-06 1984-01-15 Институт Прикладной Физики Ан Бсср Способ определени физико-механических характеристик материалов
DK157327C (da) * 1987-06-18 1990-05-07 Terpa Poultry Bv Fremgangsmaade til undersoegelse af aeg for tilstedevaerelse af revner eller huller i aegskallen ved undersoegelse af elasticiteten i denne, og apparat til udoevelse af fremgangsmaaden
SU1714447A1 (ru) * 1989-02-27 1992-02-23 Uchaev Yurij F Устройство дл определени упругих свойств твердых материалов
US5450745A (en) * 1994-07-29 1995-09-19 Flaherty; Frank Edge strength tester

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