BR0103696B1 - Aparelho para medição da espessura de camadas finas - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO PARA MEDIÇÃO DA ESPESSURA DE CAMADAS FINAS". A invenção refere-se a um aparelho para a medição não- destrutiva da espessura de camadas finas com uma sonda de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

As superfícies curvas e revestidas podem ser encontradas em particular na construção de aeronaves, nos automóveis, nas peças molda- das, na área de artigos domésticos, na construção de tubulação, nas vene- zianas e no caso de muitos outros objetos de medição revestidos. Na área de energia nuclear, igualmente, camadas de óxido nos tubos trocadores de calor de zircônio, na faixa de 20 pm nos tubos aproximadamente de 12 mm em diâmetro, devem ser medidas. Métodos de medição táteis conhecidos, que são baseados, por exemplo, no princípio de corrente parasita, são influenciados muito fortemen- te pela configuração do objeto de medição. Por tal razão, quando existem diferentes curvaturas, uma calibração deve ocorrer, que é consumidor de tempo e pode conduzir a erros, em particular porque as mudanças na curva- tura não são levadas em conta. A Patente Alemã 4119903 A1 apresenta um método e um apare- lho para a medição de camadas finas, tornando possível que a dependência indesejada do valor medido na configuração geométrica do objeto de medi- ção possa ser eliminada em uma faixa ampla. Isto significa que é tornado possível que camadas finas sejam medidas mesmo nas superfícies curvas dos objetos de medição. Estas são espessuras de camada de apenas al- guns pm a vários 100 pm. Esta medição da espessura da camada não- destrutiva conta com o princípio de corrente parasita, que é baseado nas mudanças de um campo eletromagnético de média freqüência ou alta fre- qüência na dependência de uma camada aplicada ao objeto de medição.

Para fazer face a isto existe um aparelho que possui um primeiro dispositivo de bobina em um núcleo de ferrita. Uma luva externa, que circunda o primei- ro dispositivo de bobina, recebe um segundo dispositivo de bobina, que se assenta no exterior. O núcleo que recebe o primeiro dispositivo de bobina tem na sua extremidade externa uma calota de colocação de material resis- tente a abrasão.

Para determinar a camada, a sonda é colocada no objeto de medição. Os dois dispositivos de bobina são excitados com freqüências que são diferentes ao mesmo tempo e conseqüentemente emitem dois sinais de diferentes freqüências durante a medição, que são avaliados por um circuito apropriado a fim de calcular a espessura da camada. A espessura da cama- da é determinada de acordo com as equações especificadas na Patente A- lemã 4119903 A1. A partir do documento DE 19841325 é conhecido um dispositivo para a determinação não destrutiva da posição e do percurso de corpos de procura metálicos, bem como a espessura de coberturas não metálicas e não magnéticas desses corpos de procura. Para isso, é previsto que duas bobinas sejam dispostas ao longo de um eixo comum em um alojamento de sonda. As bobinas são ativadas deslocadas no tempo independente uma da outra. O efeito de resposta dos corpos de procura metálicos sobre a respec- tiva bobina ativada é medido e capturado por uma unidade de avaliação, através do que é calculada, por um lado, uma medida para a espessura da cobertura e, por outro lado, uma medida para a dimensão geométrica do corpo de medição. A invenção é assim baseada no objeto de aperfeiçoamento da qualidade dos valores da espessura da camada determinada na medição não-destrutiva da espessura de camadas finas.

Através do circuito formado para o dispositivo de acordo com a invenção, é possibilitada uma ativação seqüencial de pelo menos dois dis- positivos de bobina, para prever uma emissão livre de ruídos dos sinais de medição dos dispositivos de bobina para uma unidade de avaliação. Com isso, uma diafonia ou uma sobreoscilação sobre o dispositivo de bobina vizi- nho é evitada. Além disso, a atribuição de um respectivo circuito para um primeiro e um segundo dispositivo de bobina apresenta a vantagem, que o primeiro dispositivo de bobina mais interno é configurado sensível à espes- sura da camada, enquanto o segundo dispositivo de bobina mais externo é configurado sensível à curvatura. Assim, a curvatura da superfície é elimi- nada como parâmetro de ruído. Por meio da configuração de um circuito respectivo com pelo menos um capacitor, um transistor e um compensador, é obtido um oscilador que permite que a condutividade elétrica como outro parâmetro de ruído para a transmissão de sinais de medição seja aproxima- damente completamente eliminada. Através do compensador, as posições de fase dos sinais de freqüência podem ser de tal maneira ajustadas, que a grandeza de ruído não desejada, ou seja, a condutividade elétrica do materi- al de base seja inibida.

De acordo com uma modalidade mais vantajosa do aparelho, provê-se que as bobinas sejam excitadas com alta freqüência. Como resul- tado, mudanças do campo eletromagnético alternante quando uma cabeça de sonda aborda objeto de medição podem ser utilizadas como um efeito de medição para a medição. Quando campos de alta freqüência são usados, as camadas a serem medidas são eletricamente não-condutivas, tais como tin- ta, por exemplo, ou fracamente condutivas, tais como cromo ou similar, por exemplo.

De acordo com uma outra modalidade vantajosa do aparelho, provê-se que os transistores de efeito de campo limitem a duração da emis- são de sinais dos sinais de freqüência que vem do primeiro e pelo menos segundo dispositivo de bobina, que são emitidos a tempos separados um do outro. Como resultado, uma separação entre o sinal de freqüência emitido do primeiro dispositivo de bobina e pelo menos do segundo dispositivo de bobina pode ser assegurada, pelo que um registro e atribuição dos sinais de medição podem ser conseguidos. Como resultado, a influência mútua ou sobreposição pode ser evitada, mesmo durante a transmissão dos sinais à unidade de avaliação. A ativação dos dispositivos de bobina e dos transisto- res de efeito de campo, através dos quais os sinais de medição são passa- dos para uma unidade de avaliação, pode ocorrer em uma janela de tempo definida, pelo que a atribuição dos sinais de medição é também tornada possível.

De acordo com uma outra modalidade preferida da invenção, é previsto que os subcircuitos do circuito eletrônico apresentem um mesmo condutor de fonte de tensão. Assim, uma construção mais simples é possibi- litada. Para isso, podem ser usadas seções transversais de condutores mais estreitas, por meio do que o circuito pode ser previsto tanto dentro da sonda como fora da sonda. Além disso, essa configuração apresenta a vantagem que nenhuma irradiação de ruído é gerada e a compatibilidade eletromagné- tica é alcançada. Por meio do condutor comum, podem ser realizados, por um lado, o fornecimento de energia e, por outro lado, a transmissão de si- nais.

Além disso, também é vantajosamente previsto que o circuito se- ja provido em uma porção menor em diâmetro na cabeça da sonda, ao qual está associada uma primeira porção. Com isso, pode ser alcançada uma construção compacta. Através da disposição do circuito perto do dispositivo de bobina ocorre, diretamente após a detecção dos sinais de medição, uma avaliação. Assim, através dos condutores comuns, os sinais captados po- dem ser enviados um após o outro.

De acordo com uma outra modalidade vantajosa do aparelho, provê-se que os sinais emitidos pelos dispositivos de bobina sejam avaliados indépendentemente um do outro. Por exemplo, um sinal que substancial- mente determina a espessura da camada pode ser registrado por um primei- ro dispositivo de bobina , enquanto, por exemplo, um sinal que determina a curvatura do objeto de medição pode ser registrado por um outro dispositivo de bobina. A avaliação separada permite um cálculo exato de duas variáveis de medição a serem obtidas, pelo que a subseqüente determinação do valor medido pode ocorrer pelas fórmulas como reveladas por Patente Alemã 4119903 A1-com um grau maior de precisão. A separação dos sinais dos dispositivos de bobina permite van- tajosamente a excitação dos dispositivos de bobina a ocorrer com a mesma freqüência, pelo que uma outra simplificação da colocação estrutural do sis- tema de controle pode ser conseguida.

De acordo com uma outra modalidade vantajosa do aparelho, provê-se que, para realizar uma medição, um primeiro dispositivo de bobina é excitado por um primeiro circuito e um segundo dispositivo de bobina é excitado em um segundo circuito um após o outro, por meio de um circuito "flip-flop". Os transistores de efeito de campo vantajosamente providos tor- nam possível assegurar pela circuição usada que a ativação em seqüência do dispositivo de bobina seja tornada possível para a emissão de sinais de freqüência. Vantajúsamente provê-se que os circuitos dos dispositivos de bobina sejam identicamente projetados. Como resultado, a colocação do circuito pode ser de um arranjo simples.

Uma concretização preferida da sonda de medição e de um cir- cuito para realizar o método de acordo com a invenção será explicada em maiores detalhes na seguinte descrição. Nas Figuras: Figura 1: mostra uma vista em perspectiva de uma sonda de medição, Figura 2: mostra uma seção transversal esquemática de uma cabeça de sonda da sonda de medição, Figura 3: mostra uma vista tomada de baixo da cabeça de medi- ção, de acordo com a Figura 2, Figura 4: mostra uma representação esquemática de componen- tes da sonda de medição que podem ser dispostos um dentro do outro, Figura 5: mostra uma representação esquemática da sonda de medição na medição em uma superfície curva, Figura 6: mostra uma representação esquemática do circuito pa- ra realizar o método de medição e Figura 7: mostra um diagrama de uma curva característica que mostra uma comparação de valores medidos determinados em um modo de acordo com a técnica anterior de acordo com a invenção.

Um dispositivo projetado como uma sonda de medição 11 é re- presentado perspectivamente na Figura 1. A sonda de medição 11 pode ser conectada via um cabo 12 e um plugue de conexão 13 a um dispositivo de avaliação (não-representado em quaisquer maiores detalhes). A sonda de medição 11 possui uma cabeça de sonda 14, que é circundada por uma luva 16. A cabeça de sonda 14 é disposta de modo axialmente móvel com rela- ção a luva guia 17. Isto é mostrado em maiores detalhes abaixo na Figura 4.

Uma seção transversal esquemática da cabeça de sonda 14 é representada de modo ampliado na Figura 2. A vista de baixo corresponden- te é representada na Figura 3. A cabeça de sonda 14 tem um invólucro 18, em que um sistema de medição é embutido em uma composição de prefe- rência não-magnética 19. O sistema de medição compreende um núcleo tipo taça 21, que tem pino central 23 em um eixo geométrico 22. Um primeiro ou interno dispositivo de núcleo 24 é provido concentricamente com relação ao pino central 23. Provido na face da extremidade do núcleo tipo taça 21 é, por exemplo, um disco isolante 26. O núcleo tipo taça tem em uma face da ex- tremidade do pino central 23 uma calota de colocação 27, que é formada de um material resistente a abrasão, tal como por exemplo, um rubi e pelo me- nos um material não-magnético. A superfície de colocação da calota de co- locação 27 é de um desenho encurvado, o ponto mais profundo do que resi- de no eixo geométrico 22. O núcleo similar a taça 21 tem de preferência fen- das diametricamente opostas 28, através do que as linhas de conexão do dispositivo de bobina interna 24 são conduzidas em uma região posterior da cabeça de sonda 14, que por sua vez é conectada a um circuito eletrônico 50. Disposto numa casca externa 29 do núcleo tipo taça 21 está um segundo ou externo dispositivo de bobina 31. Os dispositivos de bobina 24, 31 são imóveis no núcleo tipo taça 21, por exemplo, fundido firmemente no local, de modo que a cabeça de sonda 14 é projetada como uma unidade sólida. As faces da extremidade dos dispositivos de bobina 24, 31 apontando para o objeto de medição são dispostas em um plano comum. Similarmente, a face da extremidade do alojamento 18 assenta-se vantajosamente neste plano. A sonda de medição 11 tem dimensionalmente, por exemplo, um diâmetro típi- co de uma caneta esfereográfica, em que o sistema de medição real com um diâmetro de aproximadamente 2 mm é movelmente ajustado.

As espessuras de camada de interesse principalmente ficam na faixa de vários pm a 100 μιτι. Todavia, revestimentos mais espessos que atingem a faixa de mm podem também ser registrados. A instalação da sonda de medição 11 é representada na Figura 4 em um tipo de representação expandida. A cabeça de sonda 14 tem uma primeira porção cilíndrica 33, que funde com uma segunda porção 34 de um diâmetro menor. A porção cilíndrica 34 tem vantajosamente um degrau, de modo que um modo fácil de ajustar o mesmo com relação a luva intermediá- ria 36 é obtido. Nesta porção fica um painel de circuito impresso, no qual o circuito 50 de acordo com a invenção, representado na Figura 6, é provido.

Esta unidade estrutural é recebida por uma luva intermediária 36, cuja parte é recebida por uma luva guia 17 em uma maneira resilientemente corres- pondente por meio de uma mola de preferência helicoidal 37. A luva guia 17 tem uma porção receptora 38, na qual a luva 16 pode ser ajustada. A mon- tagem resiliente da luva intermediária 36 na luva guia 17 permite a cabeça de sonda 14, que está em uma posição de partida, projetar-se da face da extremidade da luva 16, para se mover para a luva. Isto também serve ao propósito que a calota de colocação 27 faça o contato de colocação na ex- tensão dos eixos geométricos 22, como mostrado abaixo na Figura 5. A luva intermediária 36 é guiada axialmente e de modo móvel na luva guia 17. Além disso, um meio antitorsão é provido, tal como, por exem- plo, uma conexão de lingüeta-e-sulco ou um elemento de mola 37, que é disposto e fixado contra a luva intermediária 36 e que corre em um sulco de luva guia 17. As linhas de conexão a luva guia 17 são fixadas por meio de uma peça intermediária 39. Ao mesmo tempo, isto pode formar uma descar- ga de tensões. A mola 37, disposta entre a luva intermediária 36 e a luva guia 17, é pelo menos ligeiramente influenciada, de maneira que durante a medi- ção da superfície curva, a cabeça de sonda 14 permanece com uma força que ligeiramente pressiona a superfície na camada a ser medida. Todavia, esta força é menor em relação a dureza da camada, de modo que não há impressões ou danos após a medição da espessura da camada. A medição de uma espessura da camada ou uma superfície cur- va é representada por meio de exemplo na Figura 5. A luva 16 tem na sua face da extremidade um recesso de preferência prismático 41, permitindo que o efeito seja conseguido que, quando a sonda de medição 11 é coloca- da na superfície encurvada, um contato seguro e definido da sonda de medi- ção 11 possa ser criado com relação a superfície. O tamanho e a natureza do recesso 41 pode ser adaptado para diferentes objetos de medição. Isto também permite a sonda de medição 11a ser centralizada na superfície ci- líndrica ou encurvada, pelo que uma medição controlada pode ser realizada. A cabeça de sonda 14 está neste caso retraída para a luva 16 a partir de sua posição de partida, quando representada, por exemplo, na Figura 1, ao lon- go do eixo geométrico 22. A calota de colocação 27 é mantida pelo menos sob uma pressão na superfície 42 do objeto de medição pela mola helicoidal 37. Imediatamente após a sonda de medição 11 foi colocada sobre o objeto de medida, e medidas da espessura de finas camadas podem ser realiza- das.

Tal medição é descrita abaixo na base do circuito 50 de acordo com a Figura 6. O circuito 50 compreende dois circuitos oscilantes virtualmente idênticos 51 e 52. A modalidade da operação é descrita por meio de exem- plo com referência ao circuito 51, que é atribuído ao enrolamento interno ou ao dispositivo de bobina 24. O circuito oscilante em série, compreendendo um capacitor 53 deste dispositivo de bobina 24, forma em conexão com um transistor de efeito de campo de porta dual 54 um circuito de ressonância em série ativo. Isto é possível porque, no caso da ressonância em série, uma sobretensão distinta ocorre no dispositivo de bobina 24 em comparação com a tensão de alta freqüência que é reproduzida em um resistor 56. Isto satis- faz a condição de ressonância. O dispositivo de bobina 24 está em um po- tencial a terra em um lado. A tensão produzida no dispositivo de bobina 24 é alimentada via um resistor 57 e um resistor variável 58 para a porta 2 do transistor 54. O resistor variável 58 pode ser usado em conexão com o ca- pacitor para realizar uma rotação em fase em tal modo que a dependência indesejada do valor medido na condutividade do material de base é suprimi- da quase completamente. Um capacitor 59 determina a realimentação e é selecionado de tal modo que uma tensão senoidal com um teor harmônico muito pequeno é produzido no resistor 56. Isto torna possível que a irradia- ção espúria seja amplamente suprimida. Se a porta 1 do transistor 54 for comutada para baixo, a condição de ressonância não é mais satisfeita e a oscilação decai muito rapidamente. Se a cabeça de sonda 14 for trazida pa- ra o material de base metálico, as correntes parasitas são geradas aí, des- sintonizando o circuito oscilante 51. A aproximação do dispositivo de bobina 24 corresponde ao efeito de medição da espessura da camada. O efeito de medição é articulado na espessura da camada por uma função não-linear. A camada é geralmente eletricamente isolante, de modo que as correntes pa- rasitas são geradas apenas no material de base. Todavia, com o circuito 50, uma medição é também possível, de acordo com a invenção, quando uma camada não-magnética, fracamente condutiva, por exemplo, cromo, é eletro- liticamente depositada no material de base não-magnético, por exemplo, alumínio, que tem uma condutividade distintamente melhor. O circuito 52 opera em um modo análogo ao circuito 51. Todavi- a, o dispositivo de bobina 31, que é de preferência excitado com a mesma freqüência que o dispositivo de bobina 24 reage substancialmente apenas à curvatura, a freqüência de mudança de curvatura induzida servindo para compensar a influência da curvatura em um modo correspondente a Patente Alemã 4119903 A1. As freqüências de excitação dos dispositivos de bobina 24, 31 ficam, por exemplo, na faixa de 5 a 30 MHz. Providos em uma linha de entrada de sinal 56 estão dois inversores 62, 63, que asseguram que a- penas um transistor 54 de um circuito 51, 52 seja capacitado para oscilação.

Se o ponto de comutação 64 estiver em alto(1), apenas o circuito 51 é pos- sibilitado para oscilação. Se o ponto de comutação 64 estiver em baixo (0),apenas o circuito 52 é capacitado. Os dois transistores de efeito de cam- po de porta dual 54 são conectados via uma linha 60 a uma tensão da fonte de cc idêntica de, por exemplo, 5 V, que é alimentada via uma pequena in- dutância 66, a fim de ativar o último. Alternativamente, é possível dispensar com a porta 1 dos transistores de efeito de campo 54 e para os transistores 54 serem alternadamente comutadas ON-OFF por duas linhas intermitente- mente comutadas. Este tipo de comutação é possível por meio das chaves semicondutoras de alta velocidade. A ressonância dos dois transistores 54 conectados em seqüên- cia tem o efeito que a respectiva freqüência ressonante “fmess” pode ser captada pelo circuito 51 e 52 no resistor 68 via a inductância 66, que forma um circuito oscilante em série 65 com um capacitor 67. Isto permite os sinais dos respectivos dispositivos de bobina 24, 31 serem detectados e captados, registrados e avaliados pelo circuito em série a jusante 65 via um ponto de comutação 70. Os sinais de alta freqüência são sobrepostos na linha de fon- te de tensão de cc 61. Para a avaliação, uma mudança entre os dispositivos de bobina 24, 31 ocorre, por exemplo 10 vezes a cada segundo, de modo que pelo menos 100.000 oscilações são disponíveis para formar o valor me- dido. Um número menor também bastaria.

Em conexão com o estado de comutação no ponto de comuta- ção 64, a ressonância é exclusivamente definida pelos circuitos 51 e 52, de modo que os dois sinais dos circuitos 51, 52 podem ser trazidos juntos, co- mo descritos em Patente Alemã 4119903 A1, em um circuito a jusante. O circuito mostrado pode ser construído usando tecnologia de SMD e ser inte- grado diretamente na sonda 11, como mostrado na Figura 4.

Representado na Figura 7 está um diagrama de uma curva ca- racterística, que representa a porcentagem considerada pela curvatura na dependência do diâmetro da superfície encurvada na qual uma medição da espessura da camada tem ocorrido. A curva característica 81 representa os valores medidos que tem até agora sido determinados pela medição das sondas e circuitos conhecidos da técnica anterior. Pode ser visto daí que o erro da curvatura previamente compõe uma porcentagem considerável, par- ticularmente no caso de diâmetros muito pequenos. O aparelho de acordo com a invenção e o método de acordo com a invenção determinam os valo- res medidos de acordo com a curva característica 82, o erro da curvatura em porcentagem do qual é reduzido a uma considerável extensão. Isto torna claro a que extensão um aperfeiçoamento sobre a técnica anterior tem sido conseguida. Isto é de grande importância para o usuário. Por exemplo, per- mite-se um substancial aumento na medição da precisão a ser conseguida no controle da qualidade.

Claims (16)

1. Aparelho para a medição da espessura de camadas finas com uma sonda (11), que tem uma cabeça de sonda (14) com um primeiro dispo- sitivo de bobina (24) e um segundo dispositivo de bobina (31), que estão associados a um núcleo tipo taça (21), sendo que o primeiro e o segundo dispositivos de bobina (24, 31) estão dispostos sobre um eixo geométrico comum (22), e com uma calota de colocação (27) disposto no eixo geométri- co comum (22), sendo que um circuito eletrônico (50) é provido, que possui para o primeiro e o segundo dispositivos de bobina (24, 31) respectivamente um circuito (51, 52) separado, caracterizado pelo fato de que cada circuito (51, 52) possui pelo menos um capacitor (53), um transistor (54) e um com- pensador (58).

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de bobina (24, 31) são excitáveis com alta fre- qüência.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os sinais de frequência, que são emitidos em tempos separados um do outro, são controlados pelo período para emissão dos sinais de fre- qüência de cada dispositivo de bobina (24, 31) por meio do transistor (54).

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os circuitos (51, 52) do circuito eletrônico (50) apresentam um condutor de fonte de tensão comum (61).

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cabeça de sonda (14) apresenta uma primeira porção (33) e possui uma segunda porção (34) disposta na mesma, com diâmetro menor, sendo que o circuito (50) é disposto na segunda porção (34).

6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é prevista uma avaliação independente dos sinais emitidos pelos dispositivos de bobina (24, 31) por um circuito oscilador em série (65).

7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de bobina (24, 31) são excitados com a mesma freqüência.

8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro dispositivo de bobina (24) é excitado com uma fre- qüência entre 8 e 20 MHz, e em que o outro dispositivo de bobina (31) é ex- citado com uma freqüência entre 4 e 12 MHz.

9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos primeiro e o segundo circuitos (51, 52) possui um circuito "flip-flop" (62, 63) que comuta os transistores (54) dependentemente do tempo.

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que a quantidade de enrolamentos do primeiro dispositivo de bobi- na (24) é igual a ou menor que aquela do segundo dispositivo de bobina (31).

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que os primeiro e segundo dispositivos de bobina (24, 31) são dis- postos fixamente em relação um ao outro e são de preferência engastados em uma composição de fundição.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que os primeiro e segundo dispositivos de bobina (24, 31) são dis- postos em um plano com relação a face da extremidade da cabeça de sonda (14).

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que a cabeça de sonda (14) é montada de tal modo que ela pode ser axialmente deslocada em uma luva guia (17) e retraída com relação a uma luva protetora (16) disposta fixamente em relação a luva guia (17).

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a luva protetora (16) tem um recesso (41), que é prismati- camente formado em uma face da extremidade apontando-se para a cabeça de sonda (14).

15.

Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a cabeça de sonda (14) é retraível para a luva protetora (16) contra a força da mola e em que um elemento de mola (37) é disposto com pelo menos uma ligeira inclinação com relação à luva guia (17).