DE102006022882B4

DE102006022882B4 - Vorrichtung zum Messen der Dicke dünner Schichten mit einer Messsonde

Info

Publication number: DE102006022882B4
Application number: DE102006022882.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Immobiliengesellschaft Helmut Fischer GmbH and Co KG
Current assignee: Immobiliengesellschaft Helmut Fischer GmbH and Co KG
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: FR2903181A1; US7690243B2; US20070289361A1; FR2903181B1; GB2438944B; CN101074864B; JP2007309935A; GB0709051D0; JP5395334B2; GB2438944A; DE102006022882A1; CN101074864A

Abstract

Messsonde zur Messung der Dicke dünner Schichten, mit einem Gehäuse (14), welches zumindest ein Sensorelement (17) aufnimmt, dessen Längsachse in einer Längsachse (16) des Gehäuses (14) liegt, wobei die Messsonde (11) eine Zuführöffnung (21) aufweist, an welcher ein Anschluss (22) zum Zuführen von einem gasförmigen Medium anbringbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung (26) aufweist, welche an einer zu einer Messoberfläche (28) weisenden Stirnseite (29) der Messsonde (11) vorhanden ist und wenigstens einen Verbindungskanal (24) umfasst, der die zumindest eine Zuführöffnung (21) mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen (26) verbindet und die Messsonde (11) durch das aus der Austrittsöffnung (26) ausströmende gasförmige Medium zumindest während des Messvorgangs schwebend zur Messoberfläche (28) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (26) in der Längsachse (16) des Gehäuses (14) vorgesehen und das Sensorelement (17) konzentrisch zur Austrittsöffnung (26) angeordnet ist und die Austrittsöffnung (26) an einem kalottenförmigen Vorsprung (36) an einer Stirnfläche (29) des Sensorelementes (17) vorhanden ist, wodurch sich benachbart dazu eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Messsonde (11) und der Messoberfläche (28) ergibt, so dass ein Unterdruckbereich geschaffen ist, der sich an die Austrittsöffnung (26) anschließt und an dem Gehäuse (14) ein sich in radialer Richtung erstreckender Tragring (38) vorhanden ist, der mehrere zur Messoberfläche (29) weisende Austrittsöffnungen (52) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten mit einer Messsonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 41 19 903 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten bekannt geworden, bei der eine zerstörungsfreie Schichtdickenmessung durchgeführt wird. Dabei ist ein Sensorelement vorgesehen, welches über eine Aufsetzkalotte auf der Messoberfläche aufgesetzt wird, um im Anschluss daran eine Messung durchzuführen, die auf dem Wirbelstromprinzip beruht. Alternativ können in Abhängigkeit der zu prüfenden Materialien auch magnetinduktive Messverfahren eingesetzt werden.
Bei solchen taktilen Messverfahren liegt die Aufsetzkalotte auf der Messoberfläche auf. Dadurch ist ein definierter Abstand zur Messoberfläche gegeben. Dazu ist erforderlich, dass eine saubere Schicht vorhanden ist, die eine gewisse Mindesthärte aufweist, um die Messung durchzuführen. Es sind jedoch weitere Anwendungsbereiche bekannt, bei welchen die Messung einer Schicht mit einer weichen Oberfläche als auch mit einer feuchten oder nur teils gereinigten Oberfläche der Schicht zu prüfen ist.
Aus der US 6,318,153 B1 ist ein Sensor zur berührungsfreien Messung der Materialdicke von insbesondere durch Blasen hergestellten Folien bekannt, bei dem ein Sensorkopf an einem Ende eines rohrförmigen Trägerelements angeordnet ist, welches verschiebbar innerhalb eines Führungsrohres eines Gehäuses des Sensors vorgesehen ist. Dieser verschiebbare Sensorkopf ist durch ein Sensorelement und einer daran angebrachten Platte gebildet. Diese Platte weist mehrere zur Messoberfläche gerichtete Austrittsöffnungen auf. Über das Trägerelement wird Druckluft zu den Austrittsöffnungen geleitet, so dass das ausströmende Medium ein Luftpolster ausbildet, welches den gesamten Sensorkopf während der Messung schwebend über der Folie hält.
Die US 4,854,156 A offenbart eine Vorrichtung, durch die eine Messsode in einem definierten Abstand zu einer Messoberfläche gehalten wird, um eine berührungsfreie Messung durchzuführen. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, an dem ein Anschluss für ein gasförmiges Medium vorgesehen ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein längsverschiebbarer Kolben angeordnet, der zwei durch eine Öffnung verbundene Druckkammern sowie eine zur Messoberfläche gerichtete Austrittsöffnung aufweist. Die beiden Öffnungen besitzen unterschiedliche Durchmesser, so dass sich ein Druckverhältnis in den Druckkammern einstellt, welches den Austrittsmassenstrom aus der Austrittsöffnung definiert, wodurch der Abstand der Messsonde und der Messoberfläche bestimmt ist.
Aus der US 2003/0000286 A1 , der US 3,884,076 A und der GB 839 996 A sind Messvorrichtungen zur berührungsfreien Messung einer Messoberfläche bekannt, bei denen eine Messsonde axial verschiebbar an einem Kolben in einem Gehäuse angeordnet ist. Diese Gehäuse weisen einen Anschluss für Druckluft auf, welche über den Kolben zur Messsonde strömt, um durch eine auf das Messobjekt gerichtete Austrittsöffnung wieder auszutreten. Die ausströmende Luft bildet ein Luftpolster, durch welches die Messsonde in einem Abstand schwebend über der Messoberfläche gehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten mit einer Messsonde zu schaffen, welche die Messoberfläche nicht beeinträchtigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messsonde gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, bei welcher eine Austrittsöffnung in einer Längsachse eines Gehäuses vorgesehen ist und ein Sensorelement konzentrisch zur Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei die Austrittsöffnung an einem kalottenförmigen Vorsprung an einer Stirnfläche des Sensorelementes vorgesehen ist, wodurch sich benachbart dazu eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Austrittsöffnung und einer Messoberfläche ergibt, so dass ein Unterdruckbereich geschaffen wird, der sich an die Austrittsöffnung anschließt und an dem Gehäuse ein sich in radialer Richtung erstreckender Tragring vorgesehen ist, der mehrere zur Messoberfläche weisende Austrittsöffnungen aufweist. Durch diese Anordnung kann die Messsonde schwebend über der Messoberfläche gehalten werden und gleichzeitig ohne nachteilige Einwirkung auf die Messoberfläche aufgrund der schwebenden Anordnung eine Messung der Dicke dünner Schichten durchgeführt werden. Die in der Längsachse angeordnete Austrittsöffnung ermöglicht einen zentralen Austritt des Massenstromes an dem gasförmigen Medium zur Messoberfläche, so dass das austretende Medium gleichmäßig in radialer Richtung entlang der Messoberfläche abströmt. Dadurch kann ein einfacher Aufbau ermöglicht werden, wobei die zumeist rotationssymmetrisch ausgebildeten Messsonden in ihrer Geometrie und Symmetrie erhalten bleiben können. Zudem vergrößert sich durch den kalottenförmigen Vorsprung unmittelbar an die Austrittsöffnung anschließend ein Abstand zur Messoberfläche, so dass ein Unterdruck erzeugt wird, welcher der Abstoßkraft des ausströmenden Massenstromes entgegen wirkt. Der Tragring realisiert zusätzlich eine separate Ausströmung von Massenströmen, um die Messsonde schwebend zur Messoberfläche anzuordnen. Insbesondere bei großen oder schweren Messsonden oder sehr empfindlichen Messoberflächen kann hier ein Luftpolster ausgebildet werden, um die Messsonde, insbesondere unabhängig von dem Sensorelement, in einem stabilen Arbeitspunkt zu positionieren.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Verbindungskanal von der Austrittsöffnung einen ins Gehäuseinnere gerichteten ersten Bohrungsabschnitt aufweist, dessen Länge zumindest der Höhe des Sensorelementes entspricht. Somit kann die Funktionsweise des Sensorelementes aufrecht erhalten bleiben sowie der bisherige Aufbau mit Ausnahme der Einbringung einer solchen Bohrungsabschnittes. Beispielsweise werden Topfkerne verwendet, welche Spulenkörper aufnehmen und diese nach außen hin abschirmen. Dabei ist der Innenpol des Topfkerns mit dem Bohrungsabschnitt versehen, wobei das am Innenpol austretende Magnetfeld durch diesen Bohrungsabschnitt nicht beeinflusst wird.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der erste Bohrungsabschnitt im Sensorelement mit einer Querbohrung, die an das Sensorelement angrenzt oder außerhalb des Sensorelementes liegt, und mit einem Ringkanal oder Stichbohrung in Verbindung steht, welche an die zumindest eine Zuführöffnung anschließen. Dadurch kann ein einfacher Aufbau ermöglicht werden, der eine kompakte Bauweise der Messsonde ermöglicht.
Das Sensorelement ist bevorzugt durch eine Luftlagerung in dem Gehäuse der Messsonde aufgenommen. Durch eine solche Luftlagerung kann eine verkippungs- und verkantungsfreie Anordnung zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse vorgesehen sein, wobei ermöglicht wird, dass sich der für die Messung geeignete und erforderliche Abstand zur Messoberfläche gering gehalten ist und die Messsonde selbsthaltend zur Messoberfläche vorgesehen ist. Dadurch kann eine exakte Messung durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Messsonde sieht vor, dass der sich in radialer Richtung erstreckende Tragring, mehrere zur Messoberfläche weisende Austrittsöffnungen aufweist, die über einen ringförmigen Verbindungskanal mit einer oder mehreren Zuführöffnungen verbunden sind. Dadurch kann der Tragring ein Außensystem bilden, welches mit einem separaten Massenstrom zum Innensystem versorgt wird, welches durch das luftgelagerte Sensorelement im Gehäuse ausgebildet ist. Somit wird die gesamte Messsonde schwebend über der Messoberfläche gehalten, wobei das Sensorelement unabhängig vom Abstand des Tragringes zur Messoberfläche relativ verschiebbar im Gehäuse gehalten ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Messsonde ist vorgesehen, dass mehrere konzentrisch zur Längsachse des Gehäuses angeordnete Austrittsöffnungen vorgesehen sind. Diese Austrittsöffnungen sind bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt vorgesehen, so dass eine gleichmäßige Ausströmung zur Erzielung des stabilen Arbeitspunktes ermöglicht ist. Solche Austrittsöffnungen können derart ausgebildet sein, dass die Ausströmrichtung des Massenstromes senkrecht zur Messoberfläche ausgerichtet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Austrittsrichtung des Massenstromes in einem Winkel abweichend von 90° zur Messoberfläche erfolgt. Beispielsweise können alle Austrittsöffnungen zum äußeren Randbereicht geneigt vorgesehen sein, so dass der Winkel zwischen der Austrittsrichtung des Massenstroms aus der Austrittsrichtung und der Abströmrichtung des Massenstroms in radialer Richtung nach dem Auftreffen auf der Messoberfläche größer 90° ist.
Vorteilhafterweise ist bei beiden vorgenannten Ausführungsformen der Messsonde vorgesehen, dass das Sensorelement fest in dem Gehäuse angeordnet ist.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement über ein Luftpolster schwimmend zum Gehäuse gelagert ist. Dies ermöglicht, dass die im Arbeitspunkt zu haltende Masse geringer ist als dies bei einem fest im Gehäuse angeordneten Sensorelement der Fall ist. Darüber hinaus können zusätzlich selbständig Toleranzen bei der Positionierung des Gehäuses zur Messoberfläche durch die schwimmende Lagerung des Sensorelementes ausgeglichen werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Messsonde ist vorgesehen, dass an einer zur Messoberfläche weisenden Stirnfläche des Gehäuses oder des Gleitschuhs ein äußerer Randbereich vorgesehen ist, der nach außen hin zur Vergrößerung des Abstandes zwischen der Stirnfläche und der Messoberfläche ausgebildet ist. Ein solcher äußerer Randbereich kann durch eine Gerade, eine Rundung oder eine Krümmung mit einer Funktion zweiten oder dritten Grades ausgebildet sein. Dieser äußere Randbereich dient zur Erzeugung eines Unterdruckes, der entgegen der Ausströmkraft des Massenstromes aus der oder den Austrittsöffnungen wirkt und vorzugsweise zur Erhöhung des stabilen Gleichgewichtes wirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Positionierung des Sensorelementes an einer Messstelle der Messoberfläche eine Wippe, vorzugsweise mit einer Wirbelstrombremse, vorgesehen ist, an dessen freien Arm die Messsonde aufgenommen wird. Dadurch kann ein sanftes und ruckfreies Positionieren der Messsonde zur Messoberfläche vorgesehen sein, wobei gleichzeitig eine selbständige Positionierung der Messsonde im stabilen Arbeitspunkt ermöglicht ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination angewandt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform zu 1,
3 eine schematische Ansicht von oben gemäß der Ausführungsform in 2,
4 eine schematische Ansicht von unten gemäß der Ausführungsform in 2,
5 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform,
6 eine Ansicht von unten gemäß der Ausführungsform in 5 und
7 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform.
In 1 ist eine Messsonde 11 dargestellt, welche über eine Verbindungsleitung 12 mit einer Vorrichtung 13 zur Messung der Dicke dünner Schichten sowie zur Auswertung der Messdaten verbunden ist. Die Messsonde 11 kann alternativ Teil dieser Vorrichtung 13 in Form eines stationären Gerätes oder eines Handgerätes sein. Diese Messsonde 11 wird zur zerstörungsfreien und berührungslosen Schichtdickenmessung eingesetzt.
Die Messsonde 11 weist ein Gehäuse 14 auf, welches insbesondere zylindrisch ausgebildet ist. In einer Längsachse 16 des Gehäuses 14 ist zumindest ein Sensorelement 17 angeordnet. Dieses Sensorelement 17 ist im Ausführungsbeispiel in 1 fest mit dem Gehäuse 14 verbunden.
Das Sensorelement 17 ist beispielsweise durch eine Primär- und eine Sekundärspule mit einem Magneten oder als nicht abgeschirmter Dipol ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist ein Topfkern 18 mit zumindest einer Spule auf einen Innenpol 19 vorgesehen. Ein solches Sensorelement 17 ermöglicht eine Messung nach dem magnetinduktiven Verfahren. Das magnetinduktive Messverfahren eignet sich zur Messung von nichteisenmetallischen Schichten, wie beispielsweise Chrom, Kupfer, Zink oder dergleichen auf magnetisierbaren Grundwerkstoffen, wie beispielsweise Stahl und Eisen, als auch für Farb-, Lack- und Kunststoffschichten auf magnetisierbaren Grundwerkstoff, wie beispielsweise Stahl und Eisen. Der Messbereich liegt beispielsweise bis zu einer Schichtdicke bis zu 1.800 μm, wobei bevorzugt eine Frequenz von weniger als 300 Hertz verwendet wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Sensorelement 17 eine Spule umfasst. Durch ein solches Sensorelement 17 ist die Durchführung nach dem Wirbelstromverfahren ermöglicht, das heißt, dass die Messung der Dicke von elektrisch nicht leitenden Schichten auf Nichteisenmetallen, wie beispielsweise Farben, Lacken, Kunststoffen, auf Aluminium, Messing oder Edelstahl oder anderen anodisierten Schichten auf einem hochfrequenten Wechselfeld ermöglicht ist. Der Messbereich kann ebenfalls bis zu einer Schichtdicke von bis zu 1.800 μm liegen.
Die Messsonde 11 weist am Gehäuse 14 eine Zuführöffnung 21 auf, an welcher ein Anschluss 22 angebracht ist. Dieser nimmt eine nicht näher dargestellte Schlauchleitung auf, über welche ein gasförmiges Medium von einer nicht näher dargestellten Versorgungsquelle der Zuführöffnung 21 zugeführt wird. Als gasförmiges Medium wird bevorzugt Luft eingesetzt, die insbesondere staubfrei und/oder entölt ist. Alternativ können auch weitere nicht explosive Gase verwendet werden. Die Zuführöffnung 21 ist über einen Verbindungskanal 24 mit einer Austrittsöffnung 26 verbunden, welche an einer zur Messoberfläche 28 angeordneten Stirnseite 29 der Messsonde 11, insbesondere des Sensorelementes 17, vorgesehen ist. Der sich an die Zuführöffnung 21 anschließende Verbindungskanal 24 ist als Ringkanal 31 ausgebildet, der in eine Querbohrung 32 übergeht, damit ein erster Bohrungsabschnitt 33 mit einem Massenstrom des gasförmigen Mediums versorgt wird. Dieser erste Bohrungsabschnitt 33 liegt in der Längsachse 16 des Sensorelementes 17 beziehungsweise des Gehäuses 14 und ermöglicht einen zentralen Austritt des Massenstromes über den Innenpol 19 aus der Messsonde 11. Der erste Bohrungsabschnitt 33 weist im unteren Bereich eine düsenförmige Verjüngung 34 auf, die in die Austrittsöffnung 26 übergeht. Der Massenstrom tritt aus der Austrittsöffnung 26 aus und strömt radial entlang der Messoberfläche 28 ab.
Die Austrittsöffnung 26 ist an einem kalottenförmigen Vorsprung 36 vorgesehen, wodurch sich benachbart dazu eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Austrittsöffnung 26 und der Messoberfläche 28 ergibt, so dass ein Unterdruckbereich geschaffen wird, der sich an die Austrittsöffnung 26 anschließt.
Über den Druck des ausströmenden und auf die Messoberfläche 28 gerichteten Massenstromes wird der Abstand zwischen dem zum Gehäuse 14 schwimmend oder durch eine zentrische Luftlagerung angeordneten Sensorelement 17 und der Messoberfläche 28 eingestellt, wobei ein Gleichgewicht zwischen der Gewichtsmasse der Messsonde 11 und dem wirkenden Unterdruck aufgrund des abströmenden Massenstromes einerseits und einer Rückstellkraft des Massenstromes andererseits, die aus dem auf der Messoberfläche 28 auftreffenden Massenstrom resultiert, geschaffen wird.
In dem stabilen Arbeitspunkt ist eine berührungslose Messung der Dicke der Schicht in einem definierten Abstand zur Messoberfläche 28 ermöglicht. Dadurch wirken sich verschmutzte Oberflächen, wie beispielsweise ölige oder schmierige Oberflächen als auch nasse oder feuchte Oberflächen, nicht nachteilig auf die Schichtdickenmessung aus. Darüber hinaus können auch weiche Beschichtungen ohne mechanische Deformationen der Messoberfläche 28 erfasst werden. Ebenso können noch nicht vollständig ausgehärtete Schichten gemessen werden.
Am unteren Gehäuserand des Gehäuses 14 ist ein Tragring 38 bevorzugt als separates Außensystem zu dem das Innensystem umfassende Sensorelement 17 vorgesehen, welcher im mittleren oder äußeren Randbereich Austrittsöffnungen 52 umfasst, die zur Messoberfläche 28 weisend an einer Unterseite des Tragrings 38 angeordnet sind. Über eine Zuführöffnung 51 wird ein Massenstrom des gasförmigen Mediums dem Tragring 38 zugeführt, de über einen als Verbindungskanal 24 ausgebildeten Ringspalt mehrere Austrittsöffnungen 52 versorgt, die bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Beispielsweise genügt eine Zuführöffnung 51 zum Beaufschlagen von mehreren Austrittsöffnungen 52 über den Ringspalt mit einem Massenstrom. Sofern ein erhöhter Massenstrom benötigt wird, können auch mehrere Zuführöffnungen 51 vorgesehen sein, um das gasförmige Medium in den oder die Verbindungskanäle 24 einzuspeisen.
Durch die Trennung zwischen dem Außensystem und dem Innensystem kann erzielt werden, dass durch das Außensystem durch die Messsonde 11 schwebend über der Messoberfläche 28 gehalten wird und das Sensorelement 17 unabhängig davon eine selbsthaltende Messposition einnehmen kann, bei der der Abstand zur Messoberfläche wesentlich geringer ist als bei einer Unterseite des Tragringes 38 des Außensystems. Dadurch wird das Magnetfeld über den Innenpol 19 dicht an die Messoberfläche des Messgegenstandes herangeführt, wodurch eine gute Auflösung zur Erhöhung der Messgenauigkeit gegeben ist. Die zentrische Zuführung des Massenstromes über die Bohrungsabschnitte 33 und 26 im Innenpol 19 beeinflussen dabei das Magnetfeld nicht oder in vernachlässigender Weise.
Ein äußerer Randbereich 39 des Tragringes 38, der zur Messoberfläche 28 weist, ist derart ausgebildet, dass ein Abstand zur Messoberfläche 28 nach außen hin vergrößert wird. Dadurch kann ein Unterdruck erzeugt werden, der unterstützend für die Einnahme des stabilen Arbeitspunktes dienen kann.
Eine nicht näher dargestellte alternative Ausführungsform zu 1 kann zusätzlich zum ersten Bohrungsabschnitt 33 oder alternativ zum ersten Bohrungsabschnitt 33 ein oder mehrere parallel verlaufende Bohrungsabschnitte im äußeren Randbereich zwischen dem Gehäuse 14 und dem Sensorelement 17 oder dem äußeren Randbereich des Sensorelementes 17 aufweisen, so dass über den Ringkanal 31 weitere zur Messoberfläche 28 weisende Austrittsöffnungen 26 mit einem Massenstrom versorgt werden.
Eine ebenfalls nicht näher dargestellte alternative Ausführungsform zu 1 kann dahingehend vorgesehen sein, dass anstelle der schwimmend gelagerten Sensorelemente 17 eine feste Anordnung des Sensorelementes 17 zum Gehäuse 14 vorgesehen ist, wobei dann die Zuführung des Massenstromes über die Zuführöffnung 21 am Anschluss 22 als auch der Zuführöffnung 51 aufeinander abgestimmt werden, damit ein optimaler Messabstand in selbsthaltender Weise eingenommen und das Sensorelement 17 berührungslos zur Messoberfläche 28 gehalten wird.
In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zu 1 dargestellt. Die 3 zeigt eine Ansicht von oben. Bei dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 17 ebenfalls fest in dem Gehäuse 14 vorgesehen. Anstelle eines zentralen Austrittes eines Massenstromes in der Längsachse 16 des Gehäuses 14 ist alternativ vorgesehen, dass konzentrisch zur Längsachse 16 des Gehäuses mehrere Austrittsöffnungen 26 vorgesehen sind, die annähernd, insbesondere idealerweise, einen ringförmigen Austritt des gasförmigen Mediums bilden. An dem Gehäuse 14 ist zumindest eine Zuführöffnung 21 vorgesehen, welche über den Verbindungskanal 24 den Massenstrom zu einem Ringspalt 42 führt. Dieser Ringspalt 42 kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem Gleitschuh 41 vorgesehen sein, der mit dem Gehäuse 14 verschraubt, verklebt, verclipst oder verrastet ist oder unmittelbar an einer Unterseite des Gehäuses 14 integriert ist. In dem Gleitschuh 41 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang beabstandet mehrere Austrittsöffnungen 26 vorgesehen, wie dies beispielsweise in 4 dargestellt ist. Diese Austrittsöffnungen 26 werden durch den Ringkanal 40 versorgt. Zur gleichmäßigeren Versorgung der Messsonde 11 mit gasförmigem Medium ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 eine zweite Zuführöffnung 21 mit einem zweiten Verbindungskanal 24 vorgesehen, der separat zum ersten Verbindungskanal 24 verläuft. Die Austrittsöffnungen 26 münden in einen Ringspalt 40, der gleich groß oder bevorzugt größer als der Durchmesser der Austrittsöffnungen 26 ausgebildet ist. Dadurch entstehen zusätzliche Verwirbelungen. Gleichzeitig kann die Bildung eines ringförmigen Luftpolsters oder Luftaustritts begünstigt werden.
Der Gleitschuh 41 weist bevorzugt einen äußeren Randbereich in Analogie zu dem des Tragringes 38 auf.
In dem Gehäusedeckel ist eine Durchbrechung 43 vorgesehen, durch welche die Anschlussleitungen beziehungsweise Verbindungsleitungen 12 zwischen dem Sensorelement 17 und der Vorrichtung 13 aus dem Gehäuse 14 herausgeführt werden.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Sensorelement 17 in einem separaten Aufnahmeraum des Gehäuses 14 vorgesehen ist und eine einfache Herausführung der Versorgungsleitung 12 ermöglicht wird.
In den 5 und 6 ist eine alternative Ausführungsform einer Messsonde 11 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 17 schwimmend über eine Luftlagerung zum Gehäuse 14 angeordnet. Das Sensorelement 17 weist ein ins Gehäuseinnere ragende Führungselement 44 auf, welches in einer Gehäusebohrung 46 geführt ist. Am unteren Ende des Führungselementes 44 ist das Sensorelement 17 angeordnet. Zwischen dem Führungselement 44 und der Gehäusebohrung 46 ist ein Luftspalt gebildet, so dass eine reibungsfreie Bewegung des Sensorelementes 17 relativ zum Gehäuse 14 ermöglicht ist. Am Sensorelement 17 angrenzend sind Austrittsöffnungen 26 vorgesehen, welche als randoffene Schlitze ausgebildet sind, die in einem Ringkanal 48 münden. Dieser Ringkanal 48 wird mit gasförmigem Medium über den Luftspalt zwischen dem Führungselement 44 und der Gehäusebohrung 46 versorgt und bildet mit diesem zusammen den Verbindungskanal 24. Aufgrund der Volumenerweiterung im Ringkanal 48 gegenüber dem Luftspalt und der Querschnittsverengung der Austrittsöffnungen 26 entsteht in diesem Bereich ein Unterdruck, wodurch das Sensorelement 17 im Gehäuse 14 gehalten wird. Gleichzeitig wird durch den auf die Messoberfläche 24 auftreffenden Massenstrom eine Rückstellkraft auf die Stirnfläche 29 des Sensorelementes 17 erzielt, so dass dieses Sensorelement 17 schwebend zur Messoberfläche 28 gehalten wird.
Die randoffenen Austrittsöffnungen 26 am Sensorelement 17 können alternativ auch als Bohrungen ausgebildet sein, die randoffen oder geschlossen sind. Sowohl die Anzahl, die Ausrichtung als auch die Geometrie der Austrittsöffnungen 26 werden an den erforderlichen Massenstrom angepasst, damit das Sensorelement 17 einen stabilen Arbeitspunkt zur Messoberfläche 28 einnehmen kann.
In 7 ist eine alternative Ausführungsform zu 5 und 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 17 ebenfalls verschiebbar beziehungsweise schwimmend gelagert zum Gehäuse 14 aufgenommen. Eine Zuführöffnung 21 versorgt einen Verbindungskanal 24 mit gasförmigem Medium, der in einem ersten Abschnitt durch einen Ringkanal 31 ausgebildet ist, von welchem aus mehrere Bohrungsabschnitte 33 abzweigen, die zu den Austrittsöffnungen 26 führen. Diese Austrittsöffnungen 26 umgeben vorzugsweise im gleichmäßigen Abstand das innenliegende Sensorelement 17, welches in der Längsachse 16 des Gehäuses 14 angeordnet ist.
In dem Sensorelement 17 sind zwei parallel zueinander beabstandete Ringkanäle 49 vorgesehen, deren Abstand im Wesentlichen dem Durchmesser der Zuführöffnung 21 entspricht, so dass beide Ringkanäle 49 mit gasförmigem Medium beaufschlagt werden und ein Gleichgewicht sich einstellt.
Das Sensorelement 17 weist in Analogie zum Tragring 38 einen äußeren Randbereich 39 auf, um dieselbe Wirkung und Vorteile zu erzielen.

Claims

Messsonde zur Messung der Dicke dünner Schichten, mit einem Gehäuse (14), welches zumindest ein Sensorelement (17) aufnimmt, dessen Längsachse in einer Längsachse (16) des Gehäuses (14) liegt, wobei die Messsonde (11) eine Zuführöffnung (21) aufweist, an welcher ein Anschluss (22) zum Zuführen von einem gasförmigen Medium anbringbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung (26) aufweist, welche an einer zu einer Messoberfläche (28) weisenden Stirnseite (29) der Messsonde (11) vorhanden ist und wenigstens einen Verbindungskanal (24) umfasst, der die zumindest eine Zuführöffnung (21) mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen (26) verbindet und die Messsonde (11) durch das aus der Austrittsöffnung (26) ausströmende gasförmige Medium zumindest während des Messvorgangs schwebend zur Messoberfläche (28) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (26) in der Längsachse (16) des Gehäuses (14) vorgesehen und das Sensorelement (17) konzentrisch zur Austrittsöffnung (26) angeordnet ist und die Austrittsöffnung (26) an einem kalottenförmigen Vorsprung (36) an einer Stirnfläche (29) des Sensorelementes (17) vorhanden ist, wodurch sich benachbart dazu eine Vergrößerung des Abstandes zwischen der Messsonde (11) und der Messoberfläche (28) ergibt, so dass ein Unterdruckbereich geschaffen ist, der sich an die Austrittsöffnung (26) anschließt und an dem Gehäuse (14) ein sich in radialer Richtung erstreckender Tragring (38) vorhanden ist, der mehrere zur Messoberfläche (29) weisende Austrittsöffnungen (52) aufweist.
Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (24) einen von der Austrittsöffnung (26) ins Gehäuseinnere gerichteten ersten Bohrungsabschnitt (33) aufweist, dessen Länge zumindest der Höhe des Sensorelementes (17) entspricht, welches vorzugsweise als Topfkern (18) mit zylindrischem Innenpol (19) ausgebildet ist, wobei der Innenpol (19) einen Bohrungsabschnitt (33) aufweist.
Messsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bohrungsabschnitt (33) in eine Querbohrung (32) mündet und mit einem Ringkanal (31) zur Bildung eines Verbindungskanals (24) in Verbindung steht oder dass der erste Bohrungsabschnitt (33) mit einer Stichbohrung in Verbindung steht, die in die Zuführöffnung (21) mündet.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (17) in dem Gehäuse (14) durch eine zentrische Luftlagerung längsverschieblich angeordnet ist.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in radialer Richtung erstreckende Tragring (38) mehrere zur Messoberfläche (29) weisende Austrittsöffnungen (26) aufweist, die über einen ringförmigen Verbindungskanal (24) mit einer oder mehreren Zuführöffnungen (51) verbunden sind.
Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, konzentrisch zur Längsachse (16) des Gehäuses (14) angeordnete Austrittsöffnungen (26) an einer Stirnseite (29) der Messsonde (11) vorhanden sind.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (17) fest an dem Gehäuse (14) angeordnet ist.
Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (17) durch ein Polster mit gasförmigem Medium schwimmend zum Gehäuse (14) gelagert ist.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer zur Messoberfläche (28) weisenden Stirnfläche (29) des Tragringes (38) ein äußerer Randbereich (39) ausgebildet ist, der nach außen hin verlaufend seinen Abstand zur Messoberfläche (28) vergrößert.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Positionieren des Sensorelementes (17) an einer Messstelle der Messoberfläche (28) eine Wippe, vorzugsweise mit einer Wirbelstrombremse, vorhanden ist, an dessen freien Arm die Messsonde (11) aufgenommen ist.