CN1508513A - 测量薄层厚度的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了采用一个发射射向待测量层的X射线的X射线管(12)、依靠X射线测量薄层厚度的一个设备，设备具有至少一个设在X射线管(12)和待测量层之间的孔径装置(17)，孔径装置(17)包括一个吸收X射线的区域(26)和具有一个孔径开口(28)，其中在孔径装置(17)中至少一个孔径开口(28)具有一个几何形状，沿光线方向看，它投射一个至少在几处与待测量层几何形状相配合的区域(相关附图为图2)。
Description
本发明涉及了一个依靠X射线辐照来测量薄层厚度的设备。
从DE 32 39 379 C2已知这种通用类型的设备，根据X射线荧光原理用于测量薄层厚度。设备具有一个发射X射线的X射线管，射向一个测量物体上的待测量层。在离开测量物体或离开待测量层的可变距离上，一个孔径装置设在测量物体和X射线管之间，并且限制了到待测量层上测量点的X射线辐照。从被照射测量物体发射的荧光射线被一个检测器检测和估计。在孔径装置和X射线管之间的光线路径中设有一个半反射偏置镜，容许X射线辐照通过，并且容许测量测量物体和层的图像。
这种设备的孔径装置具有两个或更多通孔，它们设在相互固定的距离上，并且具有不同的尺寸。可以选择这些通孔来适应测量任务，由此可以检测能精确确定的小测量点或测量带。这种设备容许精确确定待测量层上个别极小的区域。为此需要高的强度，并作用在测量物体上。测量时间愈长，可以检测的测量精度愈高。
也可以对大量生产件进行薄层厚度测量。例如，在喷射泵的阀件情形中，需要检测由电化镀层过程涂复的层厚。生产几百万件的这些零件。确定薄层厚度的测量过程必须仅花很短测量时间。
因此本发明基于开发这种通用类型设备的目的，从而容许在极短测量时间内精确测量薄层的厚度。
由权利要求1的特征达到了这个目的。在其他权利要求中规定了另外的有利改进方式和发展。
提供一个孔径装置来达到要检测涂层厚度的大量生产件的短测量时间，孔径装置具有一个孔径开口，沿着光线方向看，其几何形状投射一个至少在几处与待测量层几何形状配合的区域。这容许待测量层的表面被均匀照射，使得整个测量表面可以仅在一次测量过程中记录。这个孔径开口与待测量层几何形状的至少部分配合容许缩短大量生产件的测量时间。这具有重要的经济意义。缩短测量时间容许更高的零件生产率。这容许进行100％的测试，并且降低质量测试的成本。这个本发明孔径装置的改进方式容许采用X射线进行大量生产件的无接触测量，仅有极短的测量时间。
本发明有利的改进方式为孔径装置的孔径开口提供了一个环绕孔径开口的吸收区，至少一个吸收区设在孔径开口之内或至少部分地靠近它。这个改进方式容许X射线与许多几何形状配合，并且投射到测量表面上。在孔径开口内的至少一个吸收区设置成容许投射在表面上光线的次要区域在待测量层上被遮掩。这容许引导光线与测量物体或与待测量层表面相配合。
按照一个优选实施例，设在孔径开口内的至少一个穿透开口具有间隙宽度和/或间隙长度，它沿着光线方向把一个区域投射到待测量层表面，它与待测量层区域的尺寸相同或较小。因此可以在一个测量过程内采用孔径装置来照射待测量层的整个表面。至少一个穿透开口的供选择的长宽几何形状容许同时测量这些与质量测试有关的区域，并且容许其他区域被遮掩。因此可以把孔径装置与一个具体测量任务相配合。
孔径装置有利地具有至少一个为间隙形式的穿透开口，位于至少一个孔径开口和在它之内或靠近它的吸收区之间。这容许形成金属丝结构和线的形式或区域，辐照通过它射到待测量层的表面。这个至少一个穿透开口为间隙形式的改进方式容许测量以高度金属丝方式覆盖的均匀区域以及表面范围可变的区域。
最好提供形成环形间隙的至少一个穿透开口。这容许提供一个通常说的环形孔径或环形准直仪，特别用于测量旋转对称零件上的涂层。这些旋转对称零件可以具有一个或几个涂了涂层和层厚待测量的圆形或环形区。
在一个优选实施例中，至少一个穿透开口之间设有至少一个辐条，穿透开口为间隙形式并且相对于一个环形间隙设置，这个辐条定位了设在孔径开口内的吸收区。与相邻的穿透开有关，辐条有利地设计成很窄，因此造成待测量层表面实际上为均匀照射或辐照。
或者是，可以提供许多辐条，例如提供由相互隔开的细丝组成的辐条。细丝可以设在孔径装置一侧，或者作为孔径装置内的一层。
按照本发明另一个有利的改进方式，设在孔径开口内的吸收区可以设在孔径开口平面之外。例如，沿着朝着光源方向移动内部吸收区，可以达到减小穿透开口的间隙宽度。这容许减小测量平面中的辐照投射区域。
例如，这使得可以为孔径装置选择较薄的材料，从而可易于加工。孔径装置最好由有机或无机玻璃形成，它最好是透明的。采用铅玻璃特别适合。与辐照所需的能量成分有关，可以减小铅玻璃的厚度，以便仍然达到X射线辐照的吸收率。因为大面积辐照用于测量，较低辐照强度足以进行测量。
孔径开口中的穿透开口最好与孔径装置表面形成直角。沿着光线方向看，这些穿透开口至少也可以稍微变宽。
本发明另一个有利的实施例提供了把孔径装置设计成使得它可以转动。例如，从水平设置或从平行设置到测量平面的偏置，容许采用具有环形间隙的孔径装置来提供投射椭圆区的穿透开口。因此一个孔径装置可以与待测量物体表面的许多几何形状相配合。
在本发明另一个替代实施例中，在孔径开口内或至少部分与它靠近的至少一个区域可以设置成使它相对于孔径开口可以转动。例如，在环形孔径情形中，可以把内部吸收区设置成使它可以转动来容许建立一个其透射率可变的孔径装置。
参照在附图中说明的例子，在以下正文中将更详细地描述和阐明本发明和其他有利的实施例及其发展。按照本发明，可以个别有效地或者以任何希望的组合形式利用在描述和附图中得出的特性。在这些图中：
图1表示了一个依靠X射线辐照来测量薄层的设备示意图，
图2表示了光线路径的示意图，采用了按照本发明的孔径装置，
图3表示了图2所示孔径装置的示意平面图，
图4a和4b表示了示意剖视图，说明在层厚测量时一个测量物体处于不同的测量位置，
图5a和5b表示了孔径装置的一个替代实施例的示意图，以及
图6表示了光线路径的示意图，采用了对图2所示孔径装置的一个替代实施例。
图1表示了一个依靠X射线辐照，特别是依靠X射线荧光辐照测量薄层厚度的设备11。这个设备11具有一个X射线管12，用于在一个外壳13中产生X射线。X射线通过外壳13中的一个开口射出，射到测量物体16的表面14上。依靠一个孔径装置17把X射线的一个规定表面区投射到测量物体16的表面14，孔径装置17设置在离开测量物体16表面14的确定距离上。一个正比靶管18或检测器检测由测量物体发射的荧光辐照或二次辐照，藉助数据处理系统来估计这个辐照。
设备11具有一个半反射镜21，设置在X射线的光线路径中，容许通过光学系统看到测量物体16表面14的图像，用一个电子指示器22记录，并通过一个监测器输出。
图2以透视方式，放大而不成比例地表示了从X射线管到测量物体16的光线路径。孔径装置17具有一个吸收区26，例如，它夹在一个调整机构27中，通过调整机构27可以调整到测量物体16表面14的距离。孔径装置17具有一个与外部吸收区26靠近的孔径开口28。一个内部吸收区29设置在孔径开口28内，通过它为孔径开口28形成一个环形间隙31。采用在图3所示平面视图中更详细说明的辐条32，相对于孔径开口28定位了内部吸收区29。按照实施例，由三个穿透的开口33形成了环形间隙31，使得X射线可能投射一个环形区36到测量物体16表面14上。这个环形区36相应于一个测量区，它在测量物体上的层厚由这个设备11来确定。
按照实施例，测量物体16是一个旋转对称零件，用于电动车辆的喷射泵中。在优选采用的电化镀层过程中，涂层38涂敷在端面37上，并且至少在几处延伸到侧边。例如，这个镀层38为层厚待测量的铬镀层。
这些举例说明的测量物体16为大量生产件，必须进行100％的测试。此时的目的是测试端面37的层厚，以保证涂层38至少具有所需的层厚。
孔径装置17的改进方式如图2和3所示，它也称为环形准直仪，使得可以在几秒，例如在一秒的测量时间内记录环形区36的层厚。孔径装置1 7容许X射线均匀地达到表面14。设在其中的辐条32设计成比较薄，从而其阴影可以忽略。
图4a表示了测量物体16的示意截面图。当测量物体16相对于光线路径处于一个理想对准位置时，环形区36投射到端面37的涂层38上，如图4a所示。这个环形区36最好位于中心区。
这些零件具有涂层38从内向外增加的特征。提供环形区36与此配合，使得其趋势更靠近周向表面的外边区而不是内边区。环形区36的宽度与测量区宽度或与测量物体16端面37配合。依靠一个估计设备，从环形区发射的二次辐照积分所确定的数据，以确定层厚。
这个环形孔径装置具有对偏差不敏感的优点。例如，图4b表示了相对于光线轴线具有横向偏移的测量物体16。从环形区36相对于涂层38的位置可以看出，在右侧辐照的涂层截面比在左侧的厚。平均化地确定在整个环形区上的积分值，因此得到更真实的值。
环形区中这个完整的或基本上完整的辐照容许在短时间内进行大量生产件的100％测试。这在敏感表面情形中特别有利。与常规的点测量相比，孔径装置提供的较大测量区造成更多的初次辐照，从而得到比一个检测器可记录的更多的二次辐照。由此可以达到更短的测量时间。在实施例描述的测量物体情形下，例如，可以达到一秒或更少的测量时间。这容许采用X射线荧光甚至在短周期内进行无接触测量。
原则上，可以以许多方式来改变孔径装置17的构形，并且可以与测量物体16表面14或测量物体16表面区的相关几何形状相配合。例如，环形区36可以在旋转对称零件的整个壁厚上延伸，如图4a和4b所示。环形区36的环宽可以供选择地调整。个别环形段的形状和轮廓也可以改变。例如，辐条32可以覆盖环形区的很大部分。另外，如图3所示，替代一个或几个与吸收区相同材料组成的辐条，例如可以提供金属丝来相对于外区26定位内区29。例如，可以把丝或丝网浇铸在由铅玻璃形成的孔径装置17中。
另外，或者是，例如可以为所说明的内部吸收区29提供一个依靠可转动轴保持的圆盘形式。这容许转动内部吸收区29来达到可变化的透射率，作为所希望测量区的函数。内部吸收区29可以具有封闭的位置，其中孔径开口28为封闭。例如，通过几度角度稍微打开孔径开口28，可以释放两个镰刀形的区域，在测量物体16表面14上投射相应的区域。转动90°也可以得到实际上完整的辐照。
孔径装置17由有机或无机玻璃形成。最好采用透明的铅玻璃，以便通过一个指示器22看到测量物体。用于达到X射线辐照吸收率的玻璃厚度与X射线辐照的光线质量有关。例如，可以采用壁厚小于8mm的铅玻璃，最好为1到4mm。孔径装置17可以具有已处理的上、下面。也可以提供如金属的镀层。
孔径开口28可以在区域26中具有任何希望的几何形状，也可以用相对于开口28的任何方式设置内部吸收区29。可以提供具有涂层和需测量厚度的任何几何结构的测量物体16。例如，可以形成U形或V形穿透开口。也可以形成三叶草结构、或者相互设置在一个圆上的许多环形结构。通孔33的宽度和长度及其数目和尺寸，以及内部吸收区29的数目是可变的，并且可以按许多方式组合。
例如，表示为一个环形准直仪的孔径装置17可以绕一条水平轴线转动而成像为一个椭圆环形区36。这个绕转动轴线的倾斜位置可以具有叠加在其上面的至少绕另一条转动轴线的倾斜位置。
图5a和5b表示了孔径装置17的另一个替代实施例。在这个改进方式中，内部吸收区29由一个盖片形成，它可以转动，并且设置成可以绕着一条轴线40转动到平面以外。这条轴线可以与一个驱动装置连接，因此使得可以为内部吸收区29设定可变化的位置。这个驱动装置可以容许极精细的角度位置调整。
例如，如位置41所示，内部吸收区29设在与外部区26相同的平面中。在这个设置中，产生的投射区域用编号41′代表，如图5b所示。
在这个实施例中，提供了一个环形开口33，它在图5b中也成像为一个环形区33。或者是，可以提供内部区域29在位置41上紧靠外部区26，由此有效地造成没有X射线辐照的路径。
如果轴线转动几度角度，例如内部区域29移到位置42。这造成一个被覆盖的投射区42′，除此之外，造成射到测量物体上的光线。
例如所示的另一个位置43形成更小的区域43′，使得入射的辐照区变得更大。在最大的90°上，内部区域29的转动可以遮挡可忽略的最小区域。优选采用逐步调整的过程来容许移到各个位置。所表示的内部区域29或可转动盖片的几何形状仅为举例方式，而并不受此限制。
图6表示了孔径装置17另一个替代的改进方式。这个改进方式提供内部吸收区29移到外部区26平面之外，例如设置成沿朝着光源方向为偏置，虽然也可以沿相反方向移动。这容许改变间隙的宽度，而保持穿透开口33的基本几何形状。此外，可以同时设置区域26和区域29，使得可以绕着至少一条转动轴线相互独立地调整它们。内部区域29可以设置成与区域26分开，采用金属丝或其他适当的方式保持在那里，以容许它与外部区域26分开设置。
显然，可以提供三角形、方形、多角形、椭圆形或者其他开口圆形或波线形等来替代环形间隙，特别是把待测量层的表面几何形状设置成一部分测量物体表面被遮掩了X射线辐照或遮掩了投射到测量物体表面的区域。
Claims (14)
1.一种测量薄层厚度的设备，采用一个发射射向待测量层的X射线的X射线管(12)，依靠X射线进行测量，该设备具有至少一个设在X射线管(12)和待测量层之间的孔径装置(17)，孔径装置(17)包括一个吸收X射线的区域(26)和具有一个孔径开口(28)，特征在于：在孔径装置(17)中至少一个孔径开口(28)具有一个几何形状，沿光线方向看，它投射一个至少在几处与待测量层几何形状相配合的区域。
2.按照权利要求1的设备，特征在于：孔径装置(17)具有一个环绕至少一个孔径开口(28)的吸收区(26)，和至少一个内部吸收区(29)设在至少一个孔径开口(28)之内或者至少部分地靠近它，由此至少一个穿透开口(33)形成在孔径开口(28)中。
3.按照权利要求1或2的设备，特征在于：至少一个穿透开口(33)具有长度和宽度，它沿光线方向把一个区域投射在待测量层上，其尺寸相同于或小于待测量层的几何形状。
4.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：至少一个为间隙形式的穿透开口(33)形成在孔径开口(28)和内部吸收区(29)之间。
5.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：至少一个穿透开口(33)为环形间隙形式。
6.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：间隙形式的穿透开口(33)设置成形成一个被至少一个辐条(32)断开的环形间隙。
7.按照权利要求6的设备，特征在于：提供了许多辐条(32)，并且相互隔开。
8.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：在孔径开口(28)之内或至少部分地靠近它的吸收区(29)可以定位在孔径开口(28)之外的平面中。
9.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：孔径装置(17)由有机或无机玻璃，特别是由铅玻璃形成。
10.按照权利要求9的设备，特征在于：孔径装置(17)由透明玻璃形成。
11.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：至少一个穿透开口(33)形成为与孔径装置(17)表面成直角。
12.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：孔径装置(17)设置成使它可以绕至少一条轴线转动。
13.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：设在孔径开口(28)中的至少一个吸收区(29)安装成使它可以转动。
14.按照以上权利要求之一的设备，特征在于：由孔径装置(17)用X射线投射的区域把二次辐照发射到待测量层上，从二次辐照可以确定相对于层厚的积分值。
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