DE102006025356A1

DE102006025356A1 - Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen Substrat

Info

Publication number: DE102006025356A1
Application number: DE102006025356A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans; Sergej Scheiermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-12-06
Also published as: EP2027430A1; CN101460808A; RU2008152770A; WO2007137997A1; JP2009539086A; US20090251137A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (52), die auf einem elektrisch leitfähigen Substrat (50) eines Prüfgegenstands aufgebracht ist. Zuerst wird die induzierte Spannung (U(Luft, omega)) eines Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz (omega) eines Erregerfeldes erfasst. Eine Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände wird bereitgestellt, die jeweils ein Substrat und eine Beschichtung aus den gleichen Materialien wie das Substrat (50) und die Beschichtung (52) des Prüfgegenstands umfassen. Die Referenzgegenstände weisen unterschiedliche bekannte Schichtdicken auf. Eine Referenzspannung (U(x,omega)) für jeden Referenzgegenstand wird als Funktion der Frequenz (omega) des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst. Anschließend wird eine materialinduzierte Spannung (Umat(x)) aus der Referenzspannung (U(x,omega)) und der induzierten Spannung (U(Luft, omega) des Wirbelstromsensors an der Luft für jeden Referenzgegenstand bestimmt. Danach wird eine normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung (Umat(x)) für jeden Referenzgegenstand gebildet. Daraus wird eine Kalibrierkurve erstellt, die die normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung (Umat(x)) als Funktion der Schichtdicke (d1) der Beschichtung (52) darstellt. Die normierte Amplitude wird auf gleiche Weise auch für den Prüfgegenstand bestimmt. Daraus wird die Schichtdicke (d1) der Beschichtung (52) des Prüfgegenstands mit der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, die auf einem elektrisch leitfähigen Substrat eines Prüfgegenstands aufgebracht ist.
Für zahlreiche Materialprüfungen sind zerstörungsfreie Verfahren erforderlich. Beispielsweise sind die Oberflächen von metallenen Teilen oftmals einer Umgebung ausgesetzt, die eine Korrosion, Oxidation, Diffusion und weitere Alterungsprozesse bewirkt. Die trifft zum Beispiel auch für ein Schaufelrad einer Gasturbine zu, das der Korrosion aufgrund der mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt ist.
Um diese Korrosionsgefahren zu verhindern oder zu verringern, werden die Oberflächen eines solchen Substrats mit einer oder mehreren Schutzschichten versehen. Die Schutzschichten sind ebenfalls, wenn auch im verringerten Umfang, den äußeren Einflüssen ausgesetzt. Aber auch innere Einflüsse können Alterungsprozesse auslösen. In den Grenzschichten zwischen dem Substrat und der Beschichtung finden physikalische und chemische Reaktionen, wie zum Beispiel Diffusion und Oxidation statt, durch die die Qualität der Beschichtung sich ändert.
Um regelmäßig den aktuellen Zustand solcher beschichteter Substrate überprüfen zu können, werden zerstörungsfreie Prüfverfahren benötigt.
Aus der US 6,377,039 B1 ist ein System zum Bestimmen von Eigenschaften eines beschichteten Substrats bekannt. Dabei wird der Prüfgegenstand einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einstellbarer Frequenz ausgesetzt. Dadurch werden Wirbelströme im Prüfgegenstand induziert. Das von den Wirbelströmen er zeugte elektromagnetische Feld bzw. dessen induzierte Spannung wird erfasst. Insbesondere wird das Frequenzspektrum der induzierten Spannung bestimmt. Um die Schichtdicke ermitteln zu können, wird dem Benutzer die Schichtdicke als Funktion der messbaren Größen zur Verfügung gestellt, so dass die Schichtdicke indirekt bestimmbar ist.
Dieses System benötigt jedoch für jeden Prüfgegenstand einen umfangreichen Datensatz mit detaillierten Informationen über die physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Prüfgegenstands. Unter Verwendung der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Feldberechnung und mit Benutzung besonders ausgestalteter planarer Wirbelstromsonden wird der Datensatz mit den Impedanzen bzw. durch das Material induzierten Spannungen in der Wirbelstromsonde in Abhängigkeit von Frequenz, Schichtdicke und elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Schichten erweitert. Die Impedanzen bzw. Spannungen werden in der komplexen Ebene als so genannte Gitterstrukturen dargestellt. Die Gitterstrukturen entstehen dabei aus zwei sich in etwa senkrecht schneidenden Kurvenscharen. Eine Kurve entsteht dabei durch die Variation eines ersten Parameters mit festen Werten für alle anderen Parameter. Die Kurvenschar entsteht durch jeweils einen anderen Wert eines zweiten Parameters. Das Gitter entsteht nun durch das Verbinden der Impedanzen bzw. Spannungen für einen gegebenen Wert des ersten Parameters und einen variablen Wert des zweiten Parameters.
Da die Feldberechnungen aus Differentialgleichungen, nämlich den Maxwell-Gleichungen erfolgen, werden die Absolutwerte der Spannung und der Impedanz nur durch eine Fittprozedur mit Messdaten erhalten. Deswegen sind für die Erstellung des kompletten Datensatzes vorab zahlreiche Messungen an Testproben erforderlich. Für die Auswertung sind eine spezielle Software und Hardware erforderlich. Die Software und Hardware müssen an den Prüfgegenstand und die zu erfassenden Größen angepasst sein. Die Software und die Hardware werden üblicherweise vom Systemanbieter bereitgestellt. Für eine angepasste Software und Hardware muss der Hersteller und/oder Entwickler des Prüfgegenstands vorab Informationen an den Systemanbieter weitergeben. Es ist jedoch aus Sicht des Herstellers bzw. Entwicklers unerwünscht, vertrauliche technische Daten, insbesondere in der Entwicklungsphase weitergeben zu müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen Substrat bereitzustellen, das mit einem verhältnismäßig geringen messtechnischen und konstruktiven Aufwand durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Das Verfahren gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:

a) Erfassen der induzierten Spannung in einem Wirbelstromsensor an der Luft als Funktion der Frequenz eines Erregerfeldes,
b) Bereitstellen einer Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände, die jeweils ein Substrat und eine Beschichtung aus den gleichen Materialien wie das Substrat und die Beschichtung des Prüfgegenstands umfassen, wobei die Referenzgegenstände unterschiedliche bekannte Schichtdicken aufweisen,
c) Erfassen einer Referenzspannung als Funktion der Frequenz des Erregerfeldes für jeden Referenzgegenstand mit dem Wirbelstromsensor,
d) Bestimmen einer materialinduzierten Spannung aus der Referenzspannung und der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz für jeden Referenzgegenstand,
e) Bilden einer normierten Amplitude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Frequenz für jeden Referenzgegenstand,
f) Erstellen einer Kalibrierkurve, die die normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Schichtdicke der Beschichtung darstellt,
g) Durchführen der Schritte c) bis e) mit dem Prüfgegenstand, und
h) Bestimmen der Schichtdicke der Beschichtung des Prüfgegenstands aus der normierten Amplitude mit der Kalibrierkurve.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass einerseits durch das Erfassen der Referenzspannung in Schritt c) und andererseits durch die Normierung der materialinduzierten Spannung in Schritt e) solche Eigenschaften, die beispielsweise von den Eigenschaften des Wirbelstromsensors oder vom Erregerstrom abhängen, eliminiert werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer konstruktiv einfachen Messvorrichtung. Es können Wirbelstromsensoren verwendet werden, die aus handelsüblichen Bauelementen aufgebaut sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die materialinduzierte Spannung der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der Referenzspannung und dem Vektor der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft ist. Dadurch werden insbesondere Einflüsse des Wirbelstromsensors eliminiert. Anschließend kann von der komplexen materialinduzierten Spannung die Amplitude und/oder die Phase bestimmt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein unbeschichteter Referenzgegenstand bereitgestellt wird, von dem eine weitere Referenzspannung als Funktion der Frequenz des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst wird. Dadurch lassen sich Einflüsse kompensieren, die auf das Substrat zurückzuführen sind.
Insbesondere wird von dem unbeschichteten Referenzgegenstand eine weitere materialinduzierte Spannung aus der weiteren Referenzspannung und der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft bestimmt. Somit werden auch für den unbeschichteten Referenzgegenstand die Einflüsse des Wirbelstromsensors eliminiert.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die materialinduzierte Spannung des unbeschichteten Referenzgegenstands der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der weiteren Referenzspannung und dem Vektor der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft ist. Damit wird für den unbeschichteten Referenzgegenstand das gleiche Messverfahren wie bei den beschichteten Referenzgegenständen angewandt.
Vorteilhafterweise wird in Schritt a) weiterhin festgestellt, bei welcher Frequenz oder bei welchen Frequenzen in dem Wirbelstromsensor eine Resonanz bzw. Resonanzen auftreten. Auf diese Weise kann festgestellt werden, bei welchen Frequenzen der Wirbelstromsensor sich linear verhält und somit für das Verfahren geeignet ist.
Zweckmäßigerweise wird die Kalibrierkurve für eine solche Frequenz erstellt, bei der keine Resonanzen in dem Wirbelstromsensor auftreten. Dadurch wird gewährleistet, dass der Wirbelstromsensor sich linear bezüglich der relevanten Größen verhält.
Beispielsweise werden für das Verfahren ausschließlich baugleiche Wirbelstromsensoren verwendet. Dadurch wird der Einfluss der Eigenschaften des Wirbelstromsensors reduziert.
Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn für das Verfahren stets derselbe Wirbelstromsensor verwendet wird. Auf diese Weise wird der Einfluss der charakteristischen Größen des Wirbelstromsensors eliminiert.
Vorzugsweise umfasst der verwendete Wirbelstromsensor ein flexibles Flächenstück und wenigstens eine Spule. Durch das flexible Flächenstück kann der Wirbelstromsensor an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden. Es wird dadurch sichergestellt, dass der Abstand zwischen den Beschichtungen und dem Wirbelstromsensor stets gleich groß ist.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine Spule aufweist, die sowohl als Erregerspule als auch als Detektorspule verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise.
Alternativ dazu kann der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine separate Erregerspule und wenigstens eine separate Detektorspule aufweisen. Dabei ist der Einfluss des Erregerstroms auf die Messung geringer.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die wenigstens eine Spule als flache Leiterbahn ausgebildet ist, die auf dem flexiblen Flächenstück aufgebracht ist. Dadurch kann der Wirbelstromsensor mit hoher Genauigkeit an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden.
Beispielsweise ist bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule spiralförmig ausgebildet. Damit lässt sich ein besonders starkes Magnetfeld erzeugen.
Alternativ dazu kann bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule auch mäanderförmig ausgebildet sein. Dabei können die Anschlussklemmen außerhalb der Spule angeordnet sein, so dass sich zwischen Spule und Beschichtung kein störendes Teil befindet.
Schließlich ist vorgesehen, dass das Substrat des Referenzgegenstands mit dem Substrat des Prüfgegenstands identisch ist. Damit wird der Einfluss des Substrats vermindert. Gleichzeitig erhöht sich dadurch der Einfluss der Beschichtung auf die Messung.
Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren,
2 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren,
3 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform des Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren,
4 eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform des Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren,
5 ein Diagramm der Phase einer komplexen Spannung als Funktion der Frequenz,
6 eine schematische Darstellung von Differenzvektoren in der Ebene der komplexen Spannung,
7 ein Diagramm einer normierten Amplitude einer materialinduzierten Spannung als Funktion der Frequenz,
8 ein Diagramm einer Kalibrierkurve, die die normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Schichtdicke darstellt,
9 das Diagramm der Kalibrierkurve aus 8, bei der ein Messwert eingezeichnet und daraus die Schichtdicke graphisch bestimmt wird, und
10 ein Ersatzschaltbild und eine schematische Schnittabsicht des Wirbelstromsensors und des Prüfgegenstands.
1 zeigt eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Wirbelstromsensors, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbar ist. Der Wirbelstromsensor umfasst ein flexibles Flächenstück 10, auf dem eine Spule 12 aufgebracht ist. Die Spule 12 ist als spiralförmige Leiterbahn ausgebildet. Auf dem Flächenstück 10 befindet sich außerhalb der Spule 12 an einem Ende der Leiterbahn eine erste Anschlussklemme 14. Innerhalb der Spule 12 befindet sich am anderen Ende der Leiterbahn eine zweite Anschlussklemme 16. Die Spule 12 ist als Erregerspule und auch als Detektorspule vorgesehen.
In 2 ist eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des Wirbelstromsensors dargestellt. Auch die zweite Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ein flexibles Flächenstück 10, auf dem eine Spule 18 aufgebracht ist. Die Spule 18 ist als mäanderförmige Leiterbahn ausgebildet. Die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschlussklemme 16 befinden sich jeweils an den beiden Enden der mäanderförmigen Leiterbahn der Spule 18. Die Anschlussklemmen 14 und 16 sind von den Windungen der Spule 18 beabstandet. Dies hat den Vorteil, dass der Wirbelstromsensor an einem Prüfgegenstand so angeordnet werden kann, dass die Anschlussklemmen 14 und 16 mit dem Prüfgegenstand keine Berührung haben. Auch die Spule 18 ist sowohl als Erregerspule als auch als Detektorspule vorgesehen.
Bei den Wirbelstromsensoren in 1 und 2 ist der konstruktive Aufwand gering, da jeweils nur eine Spule erforderlich ist, die zwei Funktionen innehat, nämlich als Erregerspule und als Detektorspule.
3 zeigt eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform des Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren. Die dritte Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ebenfalls ein flexibles Flächenstück 10. Auf dem Flächenstück 10 ist eine Erregerspule 20 und eine Detektorspule 22 aufgebracht. Die Erregerspule 20 und die Detektorspule 22 sind als spiralförmige Leiterbahnen ausgebildet. Die Detektorspule 22 befindet sich innerhalb der Erregerspule 20. An den beiden Enden der Leiterbahn der Erregerspule 20 befinden sich die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschluss klemme 16. An den Enden der Leiterbahn der Detektorspule 22 befinden sich eine dritte Anschlussklemme 24 und eine vierte Anschlussklemme 26.
In 4 ist eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform des Wirbelstromsensors dargestellt. Auch die vierte Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ein flexibles Flächenstück 10. Auf dem Flächenstück 10 ist eine Erregerspule 28 und eine Detektorspule 30 aufgebracht. Die Erregerspule 28 und die Detektorspule 30 sind als mäanderförmige Leiterbahnen ausgebildet. Die Erregerspule 30 befindet sich innerhalb der Detektorspule 28. An den beiden Enden der Leiterbahn der Erregerspule 28 befinden sich die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschlussklemme 16. An den Enden der Leiterbahn der Detektorspule 30 befinden sich die dritte Anschlussklemme 24 und die vierte Anschlussklemme 26. Die Anschlussklemmen 14, 16, 24 und 26 sind von den Windungen der Spulen 28 und 30 beabstandet. Dadurch kann der Wirbelstromsensor an dem Prüfgegenstand so angeordnet werden, dass die Anschlussklemmen 14, 16, 24 und 26 keine Berührung mit dem Prüfgegenstand haben.
Alle vier in 1 bis 4 dargestellten Wirbelstromsensoren sind vorzugsweise als Planarspulen ausgebildet. Das Flächenstück 10 ist bei allen vier Ausführungsformen flexibel, so dass die Wirbelstromsensoren an die Oberfläche des Prüfgegenstands geometrisch anpassbar sind. Die Leiterbahnen der Spulen 12, 18, 20, 22, 28 und 30 sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Das Flächenstück 10 ist beispielsweise aus Kaptonfolie hergestellt.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Wirbelstromsensor ausgewählt, der für einen Prüfgegenstand geeignet ist. Anschließend wird die Spannung U(Luft, ω) an der Spule 12 oder 18 bzw. an der Detektorspule 22 oder 30 als Funktion der Frequenz ω erfasst, wenn sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet. Dabei werden auch diejenigen Frequenzen ermittelt, bei denen Resonanzen auftreten.
Diese Frequenzen werden bei der späteren Analyse nicht verwendet, da sich der Wirbelstromsensor bei diesen Frequenzen nicht linear verhält.
5 zeigt ein Diagramm, in dem die Phase der erfassten komplexen Spannung als Funktion der Frequenz dargestellt ist. Der Funktionswert entspricht der Tangensfunktion der Phase. Eine erste Kennlinie 32 betrifft eine Messung, bei der sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet. Eine zweite Kennlinie 34 bezieht sich auf eine Messung, bei der sich der Wirbelstromsensor an einer Speziallegierung angeordnet ist. Eine dritte Kennlinie 36 stellt eine Messung dar, bei der sich der Wirbelstromsensor an einer Aluminiumprobe befindet. In diesem Beispiel treten an zwei Stellen Resonanzen auf. Der Frequenzbereich zwischen 4 MHz und 6 MHz ist dagegen frei von Resonanzen, so dass dieser Frequenzbereich besonders geeignet ist.
Als nächstes werden mehrere Referenzgegenstände bereitgestellt, die ein Substrat aufweisen, das mit dem Substrat des Prüfgegenstands identisch ist. Die Referenzgegenstände weisen jeweils eine Beschichtung mit unterschiedlichen Schichtdicken auf. Die Schichtdicken können beispielsweise optisch gemessen werden und sind somit bekannt. Wenigstens ein Referenzgegenstand ist unbeschichtet. Die Beschichtung der Referenzgegenstände ist aus dem gleichen Material hergestellt wie die Beschichtung des Prüfgegenstands. Von jedem Referenzgegenstand wird mit dem Wirbelstromsensor eine Referenzspannung U(x, ω) als Funktion der Frequenz erfasst. Zwischen der Referenzspannung U(x, ω) und derjenigen Spannung U(Luft, ω), bei der sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet, wird der Differenzvektor in der Ebene der komplexen Spannung bestimmt. Dieser Differenzvektor entspricht einer komplexen materialinduzierten Spannung U_mat(x). Von dieser materialinduzierten Spannung U_mat(x) werden die Amplitude |U_mat(x)| und die Phase φ_mat ermittelt.
In 6 ist eine schematische Darstellung der betreffenden Spannungsvektoren in der Ebene der komplexen Spannung dargestellt. Die beiden kartesischen Koordinaten entsprechen dem Realteil bzw. dem Imaginärteil der Spannung. Ein Vektor U(Luft, ω) entspricht der Spannung, bei der sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet. Die Referenzspannung U(x, ω) ist ebenfalls als Vektor dargestellt. Der Differenzvektor der beiden vorgenannten Vektoren entspricht der materialinduzierten Spannung U_mat(x).
Von dem unbeschichteten Referenzgegenstand wird ebenfalls eine Referenzspannung U(b, ω) gemessen, ein Differenzvektor U_mat(b) gebildet und daraus die Amplitude |U_mat(b)| bestimmt.
In einem nächsten Schritt wird die normierte Amplitude für die materialinduzierte Spannung gebildet. Dazu wird die Amplitude |U_mat(x)| bezüglich der Amplitude |U_mat(b)| normiert. Dadurch werden Frequenzabhängigkeiten der materialinduzierten Spannung, die von den Eigenschaften der Spulen abhängen, eliminiert.
7 zeigt die normierte Amplitude |U_mat(x)|/|U_mat(b)| für die materialinduzierte Spannung als Funktion der Frequenz. Jede Kennlinie entspricht dabei einer bestimmten Schichtdicke der Beschichtung des Referenzgegenstands. Die unterste Kennlinie entspricht dem unbeschichteten Referenzgegenstand.
In einem weiteren Schritt werden eine oder mehrere Kalibrierkurven erstellt. Die Kalibrierkurven stellen die normierten Amplituden für die materialinduzierte Spannung als Funktion der Schichtdicke dar. Die Kalibrierkurven werden aus dem Kennlinienfeld gemäß 7 bestimmt. Dazu wird eine bestimmte Frequenz ausgewählt, die außerhalb des Resonanzbereichs liegt. Die Funktionswerte bei dieser Frequenz werden den bekannten Schichtdicken zugeordnet.
In 8 ist ein Beispiel für die Kalibrierkurve dargestellt. Diese Kalibrierkurve ergibt sich aus 7, wenn die Funktionswerte für 4 MHz verwendet werden. 8 verdeutlicht, dass zwischen der normierten Amplitude und der Schichtdicke ein linearer Zusammenhang besteht.
Bei der eigentlichen Messung wird ein Prüfgegenstand mit unbekannter Schichtdicke untersucht. Bei dem Prüfgegenstand sind sowohl das Substrat 50 als auch die Beschichtung aus den gleichen Materialien hergestellt wie bei den Referenzgegenständen. Die Messung erfolgt analog zur den Messungen der Referenzgegenstände. Es wird zunächst mit demselben Wirbelstromsensor die komplexe Spannung gemessen und anschließend der Differenzvektor bestimmt. Der Differenzvektor entspricht der materialinduzierten Spannung. Davon wird die Amplitude gebildet und bezüglich der Amplitude |U_mat(b)| des unbeschichteten Referenzgegenstands normiert. Aus der normierten Amplitude lässt sich mit der Kalibrierkurve die Schichtdicke der Beschichtung 52 des Prüfgegenstands ermitteln.
9 zeigt die Kalibrierkurve gemäß 8, die zusätzlich einen ermittelten numerischen Wert 40 der normierten Amplitude für den Prüfgegenstand 50 aufweist. Der Prüfgegenstand 50 weist eine Beschichtung 52 mit unbekannter Schichtdicke auf. In diesem Beispiel beträgt der numerische Wert 40 für die normierte Amplitude etwa 1,017. Mit der Kalibrierkurve lässt sich daraus die Schichtdicke der Beschichtung 52 graphisch bestimmten. In diesem konkreten Beispiel beträgt die Schichtdicke 123 μm. Die Kalibrierkurve und die zugrunde liegenden Messwerte können in einer EDV-Anlage gespeichert werden, so dass mittels eines geeigneten EDV-Programms die Schichtdicke nach Eingabe der Amplitude berechnet und ausgegeben werden kann.
In 10 ist ein Ersatzschaltbild und eine schematische Schnittabsicht des Wirbelstromsensors und des Prüfgegenstands dargestellt. Das Ersatzschaltbild umfasst eine Induktivität L₀, eine Wechselspannungsquelle U₀ und einen Widerstand R₀, die in Reihe geschaltet sind und einen Erregerkreis bilden. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 52 ist durch einen Wi derstand R₁ und eine Induktivität L₁ darstellbar, die in Reihe geschaltet sind. Das Substrat 50 ist durch einen Widerstand R_b und eine Induktivität L_b darstellbar, die in Reihe geschaltet sind.
Die materialinduzierte Spannung ist bei Vernachlässigung der Kapazitäten gegeben durch: Umat(x) = jωM1I1 + jωM2I2, (1)wobei M₁ die Gegeninduktivität in der Beschichtung 52, M₂ die Gegeninduktivität in dem beschichteten Substrat 50, I₁ der Strom in der Beschichtung 52 und I₂ der Strom in dem Substrat 50 ist.
Die materialinduzierte Spannung kann auch mit dem Erregerstrom I_Err angegeben werden: Umat(x) = Ierr(M1ω)2/(jωL1 + R1) + Ierr(M2ω)2/(jωLb + Rb).(1a)
Für metallene Materialien gilt im Frequenzbereich von einigen Megahertz: ω L << R, (2)so dass sich der Ausdruck für die materialinduzierte Spannung vereinfacht: Umat(x) = Ierr(ω2M1 2/R1 + ω2M2 2/Rb). (1b)
Für das Substrat 50 ohne Beschichtung 52 gilt: Umat(b) = Ierrω2M3 2/Rb, (3)wobei M₃ die Gegeninduktivität in dem unbeschichteten Substrat 50 ist. Da das unbeschichtete Substrat 50 aus dem gleichen Material besteht wie das unbeschichtete Substrat 50, können auch die materialabhängigen Größen L_b und R_b verwendet werden. Die Gegeninduktivität M₃ des unbeschichteten Substrats 50 unterscheidet sich von der Gegeninduktivität M₂ des beschichteten Substrats 50 aufgrund der unterschiedlichen Abstände zwischen dem Substrat 50 und dem Wirbelstromsensor. Wenn die Materialien des Substrats 50 und der Beschichtung 52 ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen, dann unterscheiden sich die Gegeninduktivitäten M₁ und M₃ nur geringfügig.
Aus Gleichung (1b) und Gleichung (3) ergibt sich für die normierte materialinduzierte Spannung: Umat(x)/UMat(b) = (M1 2/M3 2)(Rb/R1) + M2 2/M3 2 (4)
Die Gegeninduktivitäten M₁, M₂ und M₃ hängen vom Abstand zwischen dem Wirbelstromkreis und dem Wirbelstromsensor ab. Daher sind die Verhältnisse zwischen den Gegeninduktivitäten in Gleichung (4) nicht gleich Eins. Außerdem hängen die Gegeninduktivitäten von den technischen Daten der Spulen ab, so dass die Kalibrierkurve und die eigentlichen Messung mit dem selben Wirbelstromsensor durchgeführt werden muss.
Für die Widerstandswerte gilt: R1 = bρ1/(wd1), (5) R2 = bρb/(wλb), (6)wobei ρ₁ der spezifische Widerstand der Beschichtung 52, ρ_b der spezifische Widerstand des Substrats 50, b die Länge der Leiterbahn, w die Breite der Spule, d₁ die gesuchte Schichtdicke der Beschichtung 52 und λ_b die Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Substrat 50 sind. Für die normierte Spannungsamplitude ergibt sich somit: Umat(x)/UMat(b) = (M1 2/M3 2)(ρbd1/ρ1λb) + M2 2/M3 2 (7)
Die Gleichung (7) verdeutlicht, dass die normierte Spannungsamplitude in erster Näherung proportional zu der Schichtdicke d₁ ist. Daher ist auch die Kalibrierkurve linear für ein bestimmtes Material.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine besonders einfache und schnelle Methode. Der konstruktive Aufwand zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist verhältnismäßig gering.
Es können Prototypen modifizierter Substrate 50 und/oder Beschichtungen innerhalb kurzer Zeit getestet werden. Es ist nicht erforderlich, dass vorab firmeninterne Informationen an externe Firmen weitergegeben werden müssen, damit eine spezielle Software und/oder Hardware bereitgestellt werden kann. Somit ist der Hersteller oder Entwickler des Prüfgegenstands in der Lage, das erfindungsgemäße Verfahren firmenintern durchzuführen, so dass keine vertraulichen Informationen an externe Firmen gegeben werden müssen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (52), die auf einem elektrisch leitfähigen Substrat (50) eines Prüfgegenstands aufgebracht ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: i) Erfassen der induzierten Spannung (U(Luft, ω)) in einem Wirbelstromsensor an der Luft als Funktion der Frequenz (ω) eines Erregerfeldes, j) Bereitstellen einer Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände, die jeweils ein Substrat und eine Beschichtung aus den gleichen Materialien wie das Substrat (50) und die Beschichtung (52) des Prüfgegenstands umfassen, wobei die Referenzgegenstände unterschiedliche bekannte Schichtdicken aufweisen, k) Erfassen einer Referenzspannung (U(x, ω)) als Funktion der Frequenz (ω) des Erregerfeldes für jeden Referenzgegenstand mit dem Wirbelstromsensor, l) Bestimmen einer materialinduzierten Spannung (Umat(x)) aus der Referenzspannung (U(x, ω)) und der induzierten Spannung (U (Luft, ω)) des Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz (ω) für jeden Referenzgegenstand, m) Bilden einer normierten Amplitude der materialinduzierten Spannung (U_mat(x)) als Funktion der Frequenz (ω) für jeden Referenzgegenstand, n) Erstellen einer Kalibrierkurve, die die normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung (U_mat(x)) als Funktion der Schichtdicke (d₁) der Beschichtung (52) darstellt, o) Durchführen der Schritte c) bis e) mit dem Prüfgegenstand, und p) Bestimmen der Schichtdicke (d₁) der Beschichtung (52) des Prüfgegenstands aus der normierten Amplitude mit der Kalibrierkurve.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die materialinduzierte Spannung (U_mat(x)) der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der Referenzspannung (U(x, ω)) und dem Vektor der induzierten Spannung (U(Luft, ω)) des Wirbelstromsensors an der Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der komplexen materialinduzierten Spannung (Umat(x)) die Amplitude (|U_mat(x)|) und/oder die Phase (φ_mat) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein unbeschichteter Referenzgegenstand bereitgestellt wird, von dem eine weitere Referenzspannung (U(b, ω)) als Funktion der Frequenz (ω) des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dem unbeschichteten Referenzgegenstand eine weitere materialinduzierte Spannung (U_mat(b)) aus der weiteren Referenzspannung (U(b, ω)) und der induzierten Spannung (U(Luft, ω)) des Wirbelstromsensors an der Luft bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die materialinduzierte Spannung (U_mat(x)) des unbeschichteten Referenzgegenstands der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der weiteren Referenzspannung (U(b, ω)) und dem Vektor der induzierten Spannung (U(Luft, ω)) des Wirbelstromsensors an der Luft ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) festgestellt wird, bei welcher Frequenz oder bei welchen Frequenzen in dem Wirbelstromsensor eine Resonanz bzw. Resonanzen auftreten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierkurve für eine solche Frequenz erstellt wird, bei der keine Resonanzen in dem Wirbelstromsensor auftreten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren ausschließlich baugleiche Wirbelstromsensoren verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren stets derselbe Wirbelstromsensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor ein flexibles Flächenstück (10) und wenigstens eine Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine Spule (12, 18) aufweist, die sowohl als Erregerspule als auch als Detektorspule verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine separate Erregerspule (20, 28) und wenigstens eine separate Detektorspule (22, 30) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die wenigstens eine Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) als flache Leiterbahn ausgebildet ist, die auf dem flexiblen Flächenstück (10) aufgebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) spiralförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) mäanderförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat des Referenzgegenstands mit dem Substrat (50) des Prüfgegenstands identisch ist.