CN103890536B - 用于通过感应磁场来测量涂覆层的厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量部件（P）的涂覆层（Rev）的厚度的方法，所述涂覆层形成于所述部件的衬底（Sub）上。该方法包括：使用AC电信号（S）向感应装置（Mind）提供动力以便在所述部件（P）中感生磁场；测量至少一个物理特性（Z_n），所述特性基于在所述部件（P）中感生的磁场（B）而改变；确定指示符的第一和第二值，这些值是从当所述电信号具有第一和第二给定频率时所产生的所述物理特性的测量中分别确定的，并且随后计算在所述指示符的第一和第二值之间的差值，并根据所述差值和预定数据确定所述涂覆层的厚度，所述预定数据将所述指示符的值之间的差值与所述涂覆层的厚度的对应值相关起来。

Description

用于通过感应磁场来测量涂覆层的厚度的方法

发明背景

已知有几种用于测量由衬底所支撑的涂层的厚度的方法。这些方法中的一些使用了：

测量在将涂层应用到衬底之前和之后工件的形状；或者

借助放置在涂层上且因此与衬底间隔开的探针来测量衬底的导磁率，其中探针与衬底隔开对应于涂层的厚度的距离（作为磁路间隙并且有时被称为“剥离（lift-off）”）；或者

倘若涂层是不导电的而衬底本身是导电的，则使用在衬底中生成的涡流来执行所述测量。

然而，这些方法存在缺陷。第一种上述方法不能精确地测量圆柱形表面上所承载的涂层的厚度，例如，当该衬底是诸如用于飞机起落架的导管之类的回转体（body of revolution）的形式。测量涂覆的圆柱体的直径给出了关于在圆柱体的相对侧上的涂层的厚度的总和的启示，但是这还是无法知道这些厚度中的每个厚度的各个值。利用这种方法，不可能保证在圆柱形衬底上形成的涂层真正具有标准所需的最小厚度。

当涂覆诸如放置在是导电的但非磁性的衬底（例如钛）上的碳化钨(WC-Co-Cr)之类的导电的材料时，最后两种方法中的任一一种都无法令人满意。

当衬底是非磁性的时，不能使用所述第二种方法，因为在测量导磁率时使用的磁场不能被钛扰乱。因此，不可能检测到磁场中作为探针离衬底的距离的函数的任何变化，因此，不可能从中推导出涂覆层的厚度。

使用涡流来检测在也导电的衬底上承载的导电涂层的厚度缺少精确度，并且期望改善这种精确度。

发明目的

本发明的一个目的在于提供使得通过以非接触式方式执行测量以估计衬底所支撑的涂层的厚度成为可能的方法和/或设备，应该理解，所述涂层和衬底都是导电的，并且衬底优选为非磁性的。

形成衬底的非磁性材料通常是钛合金，例如：

以商品名Ti5553为人所知的合金，它包含Ti，少于5%Al、5%Mo、5%V、3%Cr和0.5%Fe；或

以商品名Ti10-2-3为人所知的合金，它包含在82.855%到86.8%范围内的Ti、在9.00%到11.0%范围内的V、优选为在1.60%到2.20%（最好2%）范围内的Fe、在2.60%到3.40%（最好3%）范围内的Al、少于或等于0.0500%的C、少于或等于0.0150%的H、少于或等于0.0500%的N、少于或等于0.300%的其他元素、少于或等于0.130%的O（这些百分比与元素在合金中的重量成比例）。

形成要被测量的厚度的涂层的材料是导电合金，通常是诸如碳化钨(WC)、二硅化钴和铬之类的碳化物。

发明内容

本发明本质上涉及一种用于测量在工件的衬底上形成的工件的涂覆层的厚度的方法。涂层和衬底分别由第一和第二相互不同的导电材料构成。所述方法还包括步骤：

相对于涂覆层定位感应装置并且向所述感应装置馈送探针交变电信号以感应在工件中取决于所述探针电信号的磁场；

测量作为在工件中所感应的磁场的函数而变化的至少一个物理特性；

确定指示符的第一和第二值，所述指示符至少部分取决于第一材料的导电性和探针电信号的频率。作为示例，该指示符是所感应的磁场所通过的工件的部分的导电性。

第一指示符的值是从当电信号具有第一给定频率时所取得的所述至少一个物理特性的测量中确定的，而第二指示符是从当电信号具有不同于第一频率的第二给定频率时所取得的所述至少一个物理特性的测量中确定的

此后，本发明的方法包括以下步骤：

计算在指示符的第一和第二值之间的差值并确定作为该差值和相关于下述项的预定的数据的函数的涂覆层的厚度：

所述指示符值之间的差值；以及

涂覆层的厚度的对应的值。

通过在具有正好相同的第一和第二材料对但彼此之间的层厚度各不相同的不同的工件上执行多种测量，并通过使用相同的感应装置和相同的探针电信号，可以发现在涂覆层的厚度中的变化是一个对所测量的物理特性有影响的参数，该参数特别地是作为在工件中所感应的磁场的函数而变化的阻抗Z。这样，在层的厚度和通过所述层的磁场的特性之间就需要一种连接。然而，通过执行许多测试，已经发现要定义在涂覆层的厚度中的变化和在所测量的磁场的物理特性中的变化之间的相关性并不容易。

综上所述，在本发明的方法中，由作为在工件中感应到的磁场的函数而变化的物理特性来构成第一和第二测量。随后，当向感应装置馈送具有第一频率的探针信号时执行物理特性的第一测量，而当向感应装置馈送具有不同于第一频率的第二频率的探针信号时执行第二物理特性的测量。

使用第一测量的结果，确定由指示符获得的第一值。

使用第二测量的结果，确定由指示符获得的第二值。

具体而言，从所测量的物理特性中估计出的指示符优选为工件中磁场所通过的所述部分的导电性。这样，在下面的示例中，第一指示符的值是工件中在探针信号具有第一频率F₁的情况下所生成的磁场所通过的部分的导电性，而第二指示符的值是工件中在探针信号具有第二频率F₂的情况下所生成的磁场所通过的部分的导电性。

本发明的一个重要方面在于使用在指示符的这些第一和第二值之间的差值以便确定涂覆层的厚度。已经发现通过使用在由不同的探针频率所测量的指示符的这些第一和第二值之间的差值所确定的涂覆层的厚度要比如果使用从由具有相同频率的探针信号所执行的磁场的特性的两种测量中所获得的值来确定的厚度更加精确。

而且，这种差值的使用使得在相对精确地估计涂覆层的厚度的同时大大简化计算成为可能，如下将解释的那样。

估计涂覆层的这种方法的一个优点在于它需要很少的计算，具体而言，可能只是一个简单的减法。这样，用于执行本发明的该方法的厚度估计设备可以包括简单且便宜的计算装置。

附图说明

从以下通过非限定性指示并参照附图做出的描述中可以清楚发现本发明的其它特征和优点，附图中：

图1示出允许执行本发明的方法的设备。

图2是示出在由导电衬底和导电涂覆层制成的工件中的磁场的穿透深度作为感应该场的信号的频率F_n的函数而如何变化的图示。

图3是允许执行本发明的测量方法以构造工件的图谱以便详述在工件上的不同的位置处的层的厚度的设备的图表。

图4是允许执行本发明的测量方法的本发明的另一设备的图表，其目的在于当它被制造时测量一个层，并因此使得对应用该层材料的装置进行管控成为可能。

图5是示出在一系列校准测试工件上以频率F₁和F₂执行导电性差值测量的图示，所述校准测试工件具有沿横坐标绘出的各种厚度和使用所述测量并将导电性差值与涂覆厚度关联所获得的双射多项式回归曲线。

具体实施方式

图1、3和4是各个工件P的截面图，每个工件包括由第二材料的衬底Sub所承载的第一材料的涂覆层Rev。这些第一和第二材料都是导电的，并且至少衬底的材料是非磁性的。具体而言，衬底是由钛构成，而涂覆材料由WC构成。

在图1和2中，涂覆层Rev仅在衬底Sub的一个面上制成，然而，在图4中，衬底是圆柱形元件而该层制成为完全围绕衬底Sub的环形。

为了执行测量涂覆层Rev的厚度δ_lim或e_r的方法，使用特定连接到用于生成探针交变电信号S的生成器G的感应装置Mind。在每个时刻n，该信号S具有给定的电压U_n、电流I_n和频率F_n。在图1、3和4的每个中，感应装置Mind使用线圈L1构成。还使用用于测量作为由感应装置Mind所感应到的在工件P中的场B的函数而变化的物理参数的装置。这些测量装置M_mes包括测量电子装置M，并且在图1、3和4中，它们包括线圈L2，线圈L2具有作为在每个时刻n在工件P中所感应的磁场B_n的函数而变化的阻抗Z_n。

应该观察到，这些测量装置M_mes还可以使用测量电子装置M来构成，该测量电子装置M直接连接到线圈L1以便测量作为由生成器G所传送的信号S的函数和在工件P中感应的磁场的函数的线圈L1的阻抗中的变化。在这样的环境下，不需要线圈L2，因为线圈L1就足够了。

测量装置M_mes将信号Szn传递给校准单元Uc，其信号表示由在通过线圈L2的阻抗Z_n的示例中构造的测量装置所测量的物理特性。如在图3和4中所见，计算单元Uc被连接到人/机接口，包括：

用作例如允许用户编程或设定用于测量设备Disp的参数，例如，以便执行确定频率F₁和F₂所需的操作的控制装置Cde；以及

诸如屏幕Scr之类的信息显示装置，例如，用作显示测量所述厚度e_r（也被写作δ_lim）的结果。

图3和4的设备Disp还具有用于检测感应装置Mind相对于工件P的位置R的检测器装置，该装置将信号Spos传递给计算单元Uc，其信号表示位置R。

计算单元Uc存储感应装置Mind相对于工件P的位置R，并且它将至少一些所存储的位置R与对应的测量的厚度值e_r、δ_lim相关联。本发明的设备Disp随后可以被用于通过为一系列位置R指定对应的测量的层的厚度来生成示出在层Rev的厚度e_r中的变化的文件。

计算对应Uc还被连接到感应装置，特别是用于生成信号S的生成器G，以便例如通过确定生成器要传递到线圈L1的信号S的频率F_n来发送用于控制该信号的控制信号ScdeF。

设备Disp还具有将涂层Rev扩散到涂层衬底Sub上的喷嘴，该喷嘴B被连接到用于控制喷嘴B相对于工件P的移动的装置Mot。在图4的实施例中，工件P被旋转地安置在承载喷嘴B的车床上，并使得其借助由计算单元Uc经由移动控制信号S CdeMVT所控制的电机Mot相对于工件P来移动。计算单元还被连接到馈送喷嘴B的喷射装置，以便控制喷嘴B所喷射的材料的条件。这种连接允许单元Uc来发送用于控制喷嘴的条件的控制信号ScdeB。

移动控制装置Mot还可以包括用于测量喷嘴相对于工件的位置的装置。

在图4的实施例中，感应装置Mind被附加到喷嘴B以便在其移动期间对其进行跟踪，从而在涂层被沉积之后的很短时间就测量该涂层的厚度e_r。

理想地，当使用本发明的方法测量厚度时，确保了在工件P和感应装置Mind之间的相对移动受到限制，以便获得测量的厚度和位置R的精确的指示。

这样，在本发明的方法的一个实现中，定位装置Mot防止了感应装置Mind相对于工件P移动，至少是在测量导电性的时刻。在这种实现中，如果期望测量加工期间的厚度，至少在测量所需的时间周期内，可以安排独立于感应装置来移动工具B并防止感应装置Mind相对于工件移动，但不停止工具相对于工件的移动。具体而言，如果工具是喷射喷嘴B，那么，连续执行喷射，并且在执行测量同时，感应装置相对于工件瞬时保持固定。

或者，可以接受在感应装置Mind相对于工件P移动的同时执行测量，由于测量所需的计算是简单且相对很少的，因而导致执行厚度测量所需的时间减少，所以，对于本发明的方法来说上述测量也是可接受的。这种实现被用于，例如，当期望在加工期间在工件P正相对于感应装置Mind移动的同时执行测量的情况。

图4的实施例中，计算单元Uc可以实现反馈回路，该回路在于使用信号ScdeB来控制作为以下的函数来喷射涂层的条件：

由本发明的方法所测量的厚度；以及

涂覆层的预定厚度设定点，每个设定点可能取决于被讨论的工件P的位置而正在变化。

当正在制造层时，本发明的设备使得确保层与设定点相符合成为可能。

随后描述了如何执行本发明的的厚度测量方法。

本发明的方法的实现

参考图2，它标绘了作为馈送给感应装置Mind的探针信号S的频率F_n的函数在工件中的磁场B的穿透深度中的变化，可以发现，位于从最小频率F_min（例如10千赫（kHz））到最大频率F_max（例如960kHz）延伸的给定频率范围内的探针信号S来说，频率F_n越高，场B进入工件P的穿透深度越小，反之亦然。这种现象与工件P的表面效应相关联。这样，在这种相同的给定频率范围F_min-F_max中，其中F_min小于F_max，频率F_n越高，形成层Rev的材料的导电性σ_Rev对测量的磁场B的特性Z_n的影响越大，并且，形成衬底Sub的材料的导电性σ_Sub对测量的场B的特性的影响越小。

在这种给定频率范围中，存在频率F_lim，它是场B穿过层Rev的整个厚度并在层Rev和衬底Sub之间的分界面处停止的理论频率。在第一频率范围F_lim-F_max上，磁场进入工件的穿透深度是这样的：磁场B贯穿第一材料的涂覆层Rev，但是不能穿透入第二材料的衬底Sub。这样，在该第一频率范围F_lim-F_max上，作为磁场B的函数变化的所测量的物理特性不取决于衬底的材料的导电性σ_Sub，但单独地取决于层的材料的导电性σ_Rev。相对地，在第二频率范围F_min-F_lim上，磁场B_n进入工件P的穿透深度δ_n是这样的：磁场贯穿第一材料的涂覆层Rev，并穿透入第二材料的衬底Sub。这样，在该第二频率范围F_min-F_lim上，作为磁场的函数变化的所测量的物理特性Z_n不仅取决于涂覆材料的导电性σ_Rev，而且还取决于衬底材料的导电性σ_Sub。

换句话说，在范围F_min-F_lim中，探针信号S的频率越低，导电性σ_Sub对测量的特性Z_n的影响越大，并且导电性σ_Rev对测量的特性Z_n的影响越小。为了使用本发明的方法测量涂层的厚度δ_lim，期望对磁场B进入工件P的穿透度进行表征，并且为了这样做，测量作为磁场的函数变化的物理特性。

作为示例，该测量的作为磁场的函数变化的物理特性可以是：

感应装置Mind的阻抗Z_n；和/或

作为在工件P中感应到的磁场B_n的函数变化的测量电路M_mes的阻抗Z_n；和/或

磁场B_n的强度；和/或

磁场B_n到工件内的穿透深度；和/或

磁场B所穿过的工件P的部分的导电性σ_n；和/或

磁场B_n所穿过的工件的部分的电阻率。

应该观察到磁场所穿过的工件的该部分的导电性σ_n或电阻率取决于该场进入工件的穿透深度，穿透深度又取决于探针信号S的频率F_n。导电性σ_n或电阻率通常通过测量电阻Z_n来测量。

在测量所述物理特性Z_n之后，至少取决于第一材料的导电性σ_Rev的指示符的值被从其中导出，其中所述指示符可以是例如所述磁场所穿过的工件的该部分的导电性σ_n，可以理解，该导电性如下变化：

首先作为构成所述层的第一材料的导电性σ_Rev和构成所述衬底的第二材料的导电性σ_Sub的函数；以及

随后作为在涂覆层Rev的厚度和磁场进入衬底Sub的穿透深度之间的比率的函数。

总之，在本发明的该特定实现中，对于给定的探针频率F_n，对作为阻抗Z_n的物理特性测量一个值，并且从其中导出指示符的值，具体而言是磁场B_n穿过的工件P的部分的导电性σ_n和/或电阻率。

在本发明的方法中，馈送给感应装置Mind的交变电信号S被选择为随时间采用多个预定给定频率F₁和F₂。如何选择这些频率F₁和F₂将在下面预校准测量的开头处进行解释。

当信号S处于稳定条件下时（即当电信号的频率等于预定频率F₁和F₂到±5%范围之内时），对作为涂覆层的测量的导电性σ_Rev的频率F_n的函数并随后作为在工件P中所感应到的磁场B的函数而变化的物理特性进行测量。

这样，对于物理参数Z_n获得两个各自的测量Z₁和Z₂，一个是当频率等于F₁时获得的，而另一个是当频率等于F₂时获得的。

从这些各自的阻抗测量Z₁和Z₂中，可以为指示符σ_n计算值σ₁和σ₂，该指示符由磁场B_n穿过的工件的部分的导电性来构成。

为了此目的，使用具有通常形式σ_n=f(Z_n,F_n,I_n,U_n)的预定计算公式，其中，Z_n是测量的阻抗，它表示在工件P中由被馈送了频率为F_n、电流I_n和电压U_n的探针信号S的感应装置所感应到的涡流。

在计算了由指示符获得的各自值σ₁和σ₂之后，使用下述公式来获得σ₁和σ₂之间的差值：

差值＝|σ₁-σ₂|。

最终，通过使用在测量装置的校准期间预定的数据（参见下面的开头校准），处于与感应装置相对准的涂覆层的厚度是作为在各自频率F₁和F₂处测量的指示符值σ_n之间的所测量的差值的函数来计算的。

这种预定数据与指示符值σ_n和涂覆层的厚度e_r的对应值之间的可能差值相关。该数据可以被记录在将预定差值与预定层厚度相关联的数据库中。或者，预记录数据可以是具有下述形式的函数的形式：

层厚度值＝f(所述指示符值之间的差值).

校准：确定将指示符值的差值与厚度值相关的数据

为了获得该预定的数据，使用一系列的校准测试片A、B、C、D、E、F、G、H和I，每个包括由所述第二材料制成的衬底和由所述第一材料制成的层，每个校准测试片具有已知厚度的涂覆层。

此后，对于每个校准测试片，采用至少一系列的测量，包括相对于校准测试片层定位电磁场感应装置，或可能的其他类似感应装置，并且估计第一和第二校准值，所述第一和第二校准值是由所述指示符σ_n（具体而言在本示例中是导电性值σ_n）获得的值。为物理特性Z的至少一次测量确定第一校准值，所述物理特性具体而言是在向校准感应装置馈送等于所述第一频率的频率F₁的第一校准信号S_eta时获得的阻抗Z_et1。以相同的方式，为物理特性的至少一次测量确定第二校准值，所述物理特性具体而言是在向校准感应装置馈送等于所述第二频率的频率F₂的第二校准信号S_eta时获得的阻抗Z_et2。优选地做出配置以便以下述方式来存储校准信号的特性：在测量工件P上的层的厚度的时刻所生成的探针信号S具有与校准信号S_eta相同的特性。这样，对于每个由与校准测试片相同的测量制成的且具有基本上相同的层厚度的工件P来说，施加以下：

在用于校准的频率F₁处的S_eta基本上等于在用于工件P上的测量的频率F₁处的探针信号S。

在用于校准的频率F₂处的S_eta基本上等于在用于工件P上的测量的频率F₂处的探针信号S。

还是出于确保校准条件尽可能接近在工件P上执行的测量条件的目的，这确保了在使用与用于在工件P上执行测量所使用的相同测量装置M_mes的校准期间执行物理特性（即阻抗）的测量。在降级模式中，如果当在工件上执行测量时所使用的测量装置M_mes不同于在校准测试片上执行测量时所使用的测量装置，那么，应该采取预防措施来确保它们具有相同的电气特性（相同的电阻率、相同的电感）。

在计算了探针频率F₁和F₂处的由指示符获得的第一和第二值之后，为每个测试片计算在与其相关联的第一和第二值之间的差值。

作为示例，在下面的表格中给出了该系列的校准测试片的由导电性指示符σ₁andσ₂所获得的值中的差值。

这些读数在图5中标绘出。

给定在该系列测试片A-I的厚度和在σ₁与σ₂中的对应变化中的增加，可以发现，各个测试片C和I应该具有比各个测试片B和H的值σ₂更大的值σ₂，但由于在测试片B和H上构造涂覆层的条件而使得并非如此。

然而，令人惊讶的是，使用在第一和第二值σ₁和σ₂之间的差值的事实使得获得一致的静态序列成为可能，如在图5中的曲线中所见那样，该曲线再现了表格中的数据，所述静态序列真正将厚度与差值相关，并且即使在各个序列σ₁和σ₂之间的相关性程度较低也将其应用。

这样，使用与厚度e_r相关的指示符值σ₁和σ₂之间的差值的本发明的方法使得测量具有改善精确度的厚度成为可能。应该观察到在优选实现中，每个测试片的厚度值σ₁和σ₂是从多个成功的测量中获得的平均，因此，限制了在差值和厚度相关的预定数据中的出错风险。已经发现，本发明的方法对于处于25μm到150μm范围内的碳化层来说允许要被测量的层的厚度具有±10微米（μm）容差。

以在测试片A-I上所测量的校准数据为基础，将多项式回归用于定义在给定厚度范围上将每个厚度值与导电性指示符的值σ₁和σ₂之间的差值相关联的曲线或双射函数。借助于曲线和/或借助于数学函数的这种相关关系被存储在存储器中，并且随后用于在工件P上进行测量。

如下所述，将频率F₁和F₂作为工件的第一和第二材料的函数进行选择，在该工件上将要进行层厚度的测量。这样，对于在具有与层厚度的相关性基本上等于在工件上进行的导电性测量之间的相关性的校准测试片上进行的导电性测量来说，期望测试片的衬底厚度成为这样：场穿透入少于一半且优选地少于三分之一的测试片衬底的厚度中。在下面的测量的开头预校准中给出了计算在探针信号的给定频率上的场的穿透深度的公式。

测量的预校准

在这个开头处，解释了如何根据本发明的方法选择用于在工件P上和在校准测试片上执行测量的第一和第二频率F₁和F₂。

该对用于交变探针电信号的频率F₁和F₂必须适用于感应在工件P中的场B，例如使得获得在指示符差值和在要被测量的衬底上的涂覆层的厚度之间的相关性成为可能。

为了这个目的，准备一系列预校准测试片A-I，在其中衬底的材料和涂覆层的材料与要测量其上的涂层厚度的工件的衬底材料和涂覆层材料分别相同。在下面的示例，预校准测试片与校准测试片是相同的，然而，使用与该系列校准测试片不同的一系列预校准测试片也是可能的。

在准备了该系列预校准测试片A-I之后，它们各自的层的厚度被测量并记录（这些厚度在上面的表格中给出）。

选择馈送给感应装置Mind的探针电信号S的频率F_n，以便在工件中由感应装置生成的磁场B_n不能正好贯穿衬底Sub。这就减少了对测量的干扰，否则，这些干扰会由于磁场B_n被衬底Sub的外侧面Fext反射而出现。

以这种方式限制电磁场B_n的穿透深度用于当测量阻抗时避免考虑衬底Sub的厚度e_s的任何需求。应该观察到工件的衬底厚度通常是公知的，因为在制造衬底并应用涂层之前其就被确定。

所感应的场的标准穿透深度δ由以下公式给出：

δ=503/(√σ×μ_r×F_n)

其中：

δ是以米为单位的深度；

Σ是感应场B_n所贯穿的材料Sub的每米西门子(S/m)的导电性；

μ_r是该材料导磁率（当该材料是非磁性时，例如钛、铝或这些金属的合金，μ_r=1，其中μ_r是无量纲的）；以及

F_n是以赫兹为单位的用于在材料Sub中生成感应场B_n的探针信号的频率。

为了确定高频，F₂，期望在频率F₂处生成的磁场B贯穿要被测量的层的厚度的至少三分之一。以这种方式，测量的物理特性Z是真正的层的厚度的函数。

总之，在大致了解衬底的厚度e_s和构成衬底Sub的材料的导电性σ_n的情况下，这确保了由在所选频率F₁和F₂处的信号所感应的每个场真正具有各自的穿透深度δ₁和δ₂，这些穿透深度小于衬底Sub的厚度e_s的三分之一。选择较低的频率F₁以具有大于要测量的层的厚度的场穿透深度。选择较高的频率F₂，以便场穿透入涂覆层的厚度的至少三分之一。

由通过高速率喷射（使用诸如高速率羟基氧燃料(HVOF)涂覆之类已知类型的技术）沉积的碳化钨WC制成的涂层Rev具有导电性σ_WC≈0.8兆西门子/米(MS/m)的导电性，WC-Cr-Co涂层具有0.8MS/m的导电性，而钛具有处于0.6MS/m<σ_Ti<0.8MS/m的σ_Ti导电性。Ti10.2.3钛合金的导电性为σ_Ti10.2.3≈0.74MS/m，而Ti5.5.5.3合金的导电性为σ_Ti5.5.5.3=0.61MS/m。

使用上述公式和导电值，材料中的场B_n的穿透深度δ_n被作为频率F_n的函数来确定。

这样，获得了如下值：

在频率F_n=10kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈1690μm，而碳化钨涂层为δ_n≈110μm;

在频率F_n=60kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈690μm，而碳化钨涂层为δ_n≈46μm;

在频率F_n=120kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈480μm，而碳化钨涂层为δ_n≈30μm;

在频率F_n=240kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈344μm，而碳化钨涂层为δ_n≈23μm;

在频率F_n=480kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈240μm，而碳化钨涂层为δ_n≈16μm;以及

在频率F_n=960kHz上的感应信号的情况下：钛衬底为δ_n≈170μm，而碳化钨涂层为δ_n≈11μm。

这样，就不能使用低频F_n=10kHz，除非钛衬底Sub的厚度大于3×δ_n=5070μm。

如果钛衬底Sub的厚度大于3×δ_n=2070μm，则只能使用低频F_n=60kHz来执行测量。

如果钛衬底Sub的厚度大于3×δ_n=1400μm，则只能使用低频F_n=120kHz来执行测量。

为了确定第一和第二频率F₁和F₂的值，在已经知晓在其上的涂覆层的厚度的每个预校准测试片上执行一系列的预校准测量，以预定的一系列的预校准频率中的各种频率来执行这些测量。在当前描述的示例中的预定系列的预校准频率处于60kHz到960kHz的范围中。

执行在该系列测量中的每个预校准测量：

通过相对于预校准测试片的层定位电磁场感应装置，并通过向感应装置Mind馈送预校准的交变电信号S_et，以便在预校准测试片中感生取决于所述预校准电信号的磁场B；以及

通过测量所述物理特性（即作为在所述预校准测试片中感生的磁场的函数而变化的阻抗Z_eta）；并且随后

通过使用该测量的结果来推导出由导电性指示符所表示的值（这种导电性取决于第一材料层的导电性和在测量时的预校准信号的频率F_n）。

在对所有的预校准测试片以各种频率执行了所有的测量之后，由导电性指示符所表示的所有的值被记录，并且分析该数据以标识使得实现在指示符值的差值和预校准测试片的对应的厚度值之间的最佳相关性成为可能的该对频率F₁和F₂。

用于确定该对F₁和F₂的分析包括：

对于已知在其上的层的厚度的每个预校准测试片来说，计算在所确定的指示符值和该预校准测试片之间的所有可能的差值；并且随后

将以这种方式计算出的每个差值与用于确定指示符的这些值的各自的频率对相关联。

此后，计算一系列的相关性系数，以便为了测量厚度的目的来估计这些可能的频率对中每个的合适性。

在上述的示例中，可能的频率对是第一对60kHz和120kHz、第二对60kHz和480kHz、第三对60kHz和960kHz、第四对120kHz和480kHz、第五对120kHz和960kHz和第六对480kHz和960kHz。

通过使用针对每个对所获得的数据，对于每个对来说可能计算表示在下述项之间的相关性的对应的相关性系数R²：

在以该对频率获得的该系列导电性差值；以及

该系列预校准测试片的厚度。

例如，通过以上述频率在一系列钛测试片（每个具有碳化钨层）上执行测量，所计算的最小的相关性系数是使用120kHz和960kHz的频率对时获得的系数，其中R²=0.7162，而最大的相关性系数是使用60kHz和480kHz的频率对时获得的系数，其中R²=0.9595。

为了测量在具有系统的衬底和层材料的工件P上的厚度，从可能的频率对中选出的该频率对是60kHz和480kHz的频率对，因为其提供了最佳的相关性。

换句话说，通过从各种频率对中选择至少一个对来确定所述第一和第二频率F₁和F₂，所述至少一个频率对允许在下述项之间获得至少预定的最小相关性级别：

为该系列预校准测试片中的所述测试片确定的指示符值；以及

预校准测试片的涂覆层的厚度；

利用由所述各自的第一和第二频率所构成的所选对的频率。

应该观察到，预定的最小相关性级别被选择为不小于0.90，因为，这考虑到，在低于这个值时，差值和厚度之间的相关性不足以获得具有满意的容限的层厚度测量。

本发明不局限于上述的示例，并且它可以包括其他未描述的实现。

特别地，本发明还涉及一种制造工件的方法，在所述工件中涂层被研磨和/或调整,并且在所述工件中所述研磨和/或调整工具的移动是作为使用本发明的测量方法所执行的涂覆层厚度的测量的函数来受控的。所述厚度优选地在所述研磨和/或调整操作的同时被测量。通过使用所测量的涂覆层的厚度控制工具使得移动工具以便促使涂覆层的厚度趋向于预定厚度成为可能。在这种实现中，图4中的喷嘴B被研磨和/或调整工具所替代，并且管理在工具和工件之间的距离以便确定匹配的深度并因此确定层的厚度。

Claims (10)

1.一种测量工件(P)的涂覆层(Rev)的厚度的方法，所述涂覆层(Rev)形成在所述工件(P)的衬底(Sub)上，所述涂覆层(Rev)和所述衬底(Sub)分别由彼此不同的第一和第二导电材料构成，所述方法包括：

相对于所述涂覆层(Rev)定位感应装置(Mind)并且向所述感应装置(Mind)馈送探针交变电信号(S)以感应在所述工件(P)中取决于所述探针电信号(S)的磁场(B)；

测量作为在所述工件(P)中所感应的磁场(B)的函数而变化的至少一个物理特性(Z_n)；

确定指示符的第一和第二值(σ₁,σ₂)，该指示符(σ_n)至少取决于所述第一材料的导电性(σ_Rev)和所述探针信号(S)的频率(F_n)，所述第一指示符值(σ₁)是从当所述电信号(S)具有第一给定频率(F₁)时执行的所述至少一个物理特性(Z₁)的测量中确定的，而所述第二指示符值(σ₂)是从当所述电信号(S)具有与所述第一频率(F₁)不同的第二给定频率(F₂)时执行的所述至少一个物理特性(Z₂)的测量中确定的；并且随后

计算在所述指示符的所述第一和第二值(σ₁,σ₂)之间的差值并确定作为该差值和预定的数据的函数的所述涂覆层的厚度(e_r)，所述预定的数据相关于：

所述指示符值(σ₁,σ₂)之间的差值；以及

所述涂覆层(Rev)的厚度的对应的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少取决于所述第一材料的导电性(σ_Rev)和所述探针信号(S)的频率(F_n)的所述指示符(σ_n)是所述工件(P)上所述磁场(B_n)所贯穿的部分的导电性(σ_n)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，为了获得所述预定数据，执行下述步骤：

使用一系列的校准测试片(A、B、C、D、E、F、G、H、I)，每个包括由所述第二材料制成的衬底(Sub)和由所述第一材料制成的涂覆层(Rev)，每个校准测试片具有已知的涂覆层的厚度；

对于每个校准测试片，执行至少一系列测量，包括相对于所述校准测试片的所述层定位磁场感应装置(Mind)，并估计第一和第二校准值，所述校准值是由所述指示符所表示的值，第一校准值是从当所述感应装置(Mind)被馈送了频率等于第一频率(F₁)的第一校准信号(S_eta)时所执行的所述至少一个物理特性(Z_eta1)的至少一个测量中确定的，而第二校准值是从当所述感应装置(Mind)被馈送了频率等于第二频率(F₂)的第二校准信号(S_eta)时所执行的所述至少一个物理特性(Z_eta2)的至少一个测量中确定的；以及

对于每个校准测试片，记录将所述其涂覆层(Rev)的已知的厚度(δ_lim)与所述第一和第二频率(F₁和F₂)以及所述第一和第二校准值相关的数据。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和第二校准值是被作为在所述校准测试片上执行的阻抗(Z_eta)的测量的函数来计算出的各个导电性值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，选择所述第一和第二频率(F₁和F₂)，以使由所述感应装置(Mind)所生成的电磁场(B)具有进入所述第二材料的穿透深度(δ_n)，所述穿透深度小于所述衬底(Sub)的所述厚度的四分之三。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述穿透深度(δ_n)小于所述衬底的厚度的一半。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述穿透深度(δ_n)小于所述衬底的厚度的三分之一。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，电磁场在所述第二材料中的所述穿透深度的值，被称为材料中的“标准”穿透深度δ_n，是由下述公式给出的：

${\mathrm{\&delta;}}_n=503/(\sqrt{\mathrm{\&sigma;}}\&times;{\mathrm{\&mu;}}_r\&times;F_n)$

其中：

δ_n是以米为单位的穿透深度；

σ是感应场所贯穿的材料的导电性(S/m)；

μ_r是感应场所贯穿的材料的导磁率；以及

F_n是用于在材料中生成电磁场(B_n)的馈送给所述感应装置(Mind)的探针信号(S)的以赫兹为单位的频率。

9.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，为了确定所述第一和第二频率(F₁和F₂)的值，执行下述步骤：

A)在具有不同的且已知的涂覆层厚度的一组预校准测试片(A、B、C、D、E、F、G、H、I)中的每个测试片上，以预定系列的预校准频率中的各种频率(F_n)执行一系列预校准测量，在该系列的测量中的每个预校准测量包括：

相对于所述预校准测试片的涂覆层(Rev)定位电磁场感应装置(Mind)，并将预校准探针交变电信号馈送给所述感应装置以在所述预校准测试片中感生磁场(B)，该场取决于所述预校准的电信号；以及

测量物理特性(Z_n)，所述物理特性作为在所述预校准测试片中感生的所述磁场(B)的函数而变化，并使用所述物理特性(Z_n)的该测量来推导出由指示符(σ_n)表示的值，该指示符至少取决于所述预校准测试片的所述涂覆层的所述第一材料的导电性(σ_Rev)以及在执行测量的时刻所述预校准信号的频率(F_n)；随后

B)对于其层厚度已知的每个预校准测试片来说，计算通过所述预校准测试片所确定的所述指示符的值之间的所有可能的差值，并将以这种方式所计算的每个差值与分别被用于确定所述指示符的这些值的频率对相关联；以及

C)通过从各种频率对中进行选择来确定所述第一和第二频率(F₁和F₂)，至少一个频率对允许在下述项之间获得预定的最小相关性级别：

为该系列预校准测试片中的所述测试片所确定的指示符(σ_n)的不同值；以及

所述预校准测试片的所述涂覆层(Rev)的厚度；

利用由所述第一和第二频率(F₁和F₂)所构成的所选对的频率。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，作为在所述预校准测试片中感生的所述磁场(B)的函数而变化的所述物理特性(Z_n)是阻抗(Z_n)，并且至少取决于所述预校准测试片的所述涂覆层的所述第一材料的导电性的所述指示符是所述预校准测试片的一部分的导电性(σ_n)。