DE102008053184B4 - Measuring device for E-field measurement in the near field - Google Patents
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Abstract
Messeinrichtung zur indirekten, nicht galvanisch kontaktierenden Messung und Erfassung von Ladungsverteilungen und Ladungsverschiebungen innerhalb eines Prüflings infolge eigener Inhomogenitäten und unterschiedlicher Verteilung der elektrisch leitenden, halbleitenden und/oder isolierenden Materialkomponenten, Beschichtungen, Legierungen, Gemischen, Ausformungen, Verdichtungen, Verformungen und anderer physikalischer oder chemischer Behandlungen des Prüflings, die sich mit adäquaten physikalisch unterschiedlichen relativen Permittivitäten im Prüfling darstellen, wobei der Prüfling (3) in ein konstantes, homogenes elektrisches Nah-E-Feld, erzeugt mittels eines Frequenzgenerators (2), zwischen zwei Kondensatorplatten (1), eingebracht wird und gleichzeitig über oder unter dem Prüfling (3) eine indirekt messende E-Feld-Messsonde (4) oder ein E-Feld-Messsondenarray, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelmesssonden (4) in definiertem Abstand beliebig positioniert wird, wobei die beiden Kondensatorplatten (2) aus elektrisch gut leitendem Material bestehen, exakt flach und plan ausgeführt sind und planparallel, exakt übereinander, ohne Versatz, in einem definierten Abstand zueinander fest fixiert sind, wobei eine erste dünne Trägerplatte (10) aus einem elektrisch isolierenden Material mit sehr niedriger...Measuring device for indirect, non-galvanic contacting measurement and detection of charge distributions and charge shifts within a DUT due to their own inhomogeneities and different distribution of electrically conductive, semiconducting and / or insulating material components, coatings, alloys, mixtures, formations, densifications, deformations and other physical or chemical Treatments of the specimen presenting themselves with adequate physically different relative permittivities in the specimen, the specimen (3) being introduced into a constant, homogeneous electric near-E field generated by means of a frequency generator (2) between two capacitor plates (1) is simultaneously positioned above or below the specimen (3) an indirectly measuring E-field probe (4) or an E-field probe array, consisting of a plurality of individual probes (4) at a defined distance, wherein the at the capacitor plates (2) consist of electrically good conductive material, are designed to be exactly flat and flat and plane-parallel, exactly one above the other, fixed without offset, at a defined distance from each other, with a first thin support plate (10) made of an electrically insulating material very low ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Messeinrichtung mit einem E-Feld-Messverfahren, zur Analyse, Messung und Lokalisierung von Fehlstellen, Inhomogenitäten, Rissen, Blasen, Lunkern etc. innerhalb von flachen oder voluminösen, leitenden, halbleitenden oder isolierenden Körpern, Platten, Schichten, Beschichtungen, Folien oder ähnlichen physikalischen oder biologischen Körpern.The The invention relates to the construction of a measuring device an E-field measuring method, for the analysis, measurement and localization of defects, inhomogeneities, cracks, Bubbles, voids etc. within flat or voluminous, conductive, semiconducting or insulating bodies, plates, layers, Coatings, films or the like physical or biological bodies.
Hierbei kann der Prüfling entweder indirekt einem konstanten, homogenen E-Feld im Nahbereich ausgesetzt oder direkt, galvanisch kontaktierend mit einem Konstantstrom beaufschlagt werden. Analog zu den im Prüflingskörper geometrisch verteilten Teiladmittanzen, mit ihren entsprechenden spezifischen Teilpermittivitäten stellen sich bei einem indirekt aufgeprägten homogenem E-Feldeinfluss oder einem direkt eingeprägtem Konstantstrom adäquate ortsaufgelöste Feld-, Ladungs- und Stromverteilungen mit entsprechenden Felddichteveränderungen ein.in this connection can the examinee either indirectly a constant, homogeneous E-field in the near range exposed or direct, galvanic contacting with a constant current be charged. Analogous to the geometrically distributed in the specimen body Subaddresses, with their corresponding specific Teilpermittivitäten place in an indirectly imprinted homogeneous E-field influence or a directly impressed constant current adequate spatially resolved Field, charge and current distributions with corresponding field density changes one.
So ist es Ziel der Erfindung diese Felddichteänderungen ortsaufgelöst auf dem Prüflingskörper indirekt mittels einer Messsonde punktuell oder mittels eines Sondenarrays als Fläche zu erfassen, mit dem Ziel, eine einfache, indirekte, besonders preiswerte, für eine 100%-Fertigungsprüfung online-fähige, gefahrlose, nicht störende Messeinrichtung bereitzustellen mit einer Partikelerkennung und Auflösung bis 0,2 mm, mit Messzeiten < 2 sec, für Messflächen bis 5 000 mm2.Thus, it is an object of the invention, these field density changes spatially resolved on the specimen body indirectly by means of a probe to detect selectively or by means of a probe array as an area, with the aim of a simple, indirect, very inexpensive, for a 100% -supplier test online-enabled, safe, Non-interfering measuring device to provide with a particle detection and resolution up to 0.2 mm, with measuring times <2 sec, for measuring surfaces up to 5 000 mm 2 .
Bekannte Verfahren zur Materialanalyse, wie Röntgen, Computertomographie, Ultraschall, Wirbelstrom sind alle nicht kontaktierende Verfahren, jedoch entweder sehr kostenaufwendig, störempfindlich, störend oder oft nicht online-fähig.Known Method for material analysis, such as X-ray, computed tomography, Ultrasound, eddy current are all non-contacting methods, However, either very expensive, susceptible to interference, or often not online-enabled.
Um Impedanz- oder Admittanzwerte von Prüflingen, Flächen oder Volumina ortsaufgelöst zu erfassen, ist es notwendig auch diese entsprechend geometrisch verteilt zu kontaktieren. Das bedeutet, bei einem direkt messenden Verfahren müssen je nach Raster und Fläche bis zu 100 federnde mechanische Kontakte gleichzeitig oder nacheinander am Prüfling ansetzen, mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,0x mm. Dies erfordert eine sehr hohe Anforderung an Lebensdauer, Mechanik, Reibung, Abrieb und Betriebssicherheit.Around To record impedance or admittance values of test objects, areas or volumes with spatial resolution, It is also necessary to distribute them geometrically to contact. That means in a direct measuring process have to depending on grid and area up to 100 springy mechanical contacts simultaneously or consecutively on the test object apply, with a repeat accuracy of 0.0x mm. This requires a very high requirement on service life, mechanics, friction, abrasion and Operational reliability.
Direkt
kontaktierende Verfahren wie in
In
der
In
der
Eine
weitere Vorrichtung zum Messen von Oberflächenwiderständen ist in der
Die
Die
In
der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung bereitzustellen, die mittels eines indirekten, nicht kontaktierenden Messverfahrens die Impedanz- oder Admittanzgradienten und deren Verteilung innerhalb eines Prüflings erfasst und darstellt.Of the Invention is based on the object of providing a measuring device, by means of an indirect, non-contacting measuring method the impedance or admittance gradients and their distribution within of a test object captured and represented.
Ausgehend von der physikalischen Proportionalität zwischen der komplexen elektrischen Admittanz mit Leitwert Gx und der Kapazität Cx eines Mediums zu der komplexen relativen Permittivität wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass entweder mittels eines Frequenzgenerators ein homogenes E-Feld (AC oder DC) in einem Plattenkondensator erzeugt wird, mit konstanter Frequenz und einstellbar von 0 Hz ... 1 MHz, und der Prüfling in das homogene E-Feld eingelegt wird. Entsprechend der Verteilung der Teilimpedanzen/Teiladmittanzen des Prüflings stellt sich, verursacht durch die elektrische Polarisationswirkung eine entsprechende Verteilung der Feldliniendichte partiell im Prüfling dar. Oder als Variante zur indirekten Einprägung eines äußeren E-Feldes kann dem Prüfling mittels direkter Kontaktierung ein Konstantstrom (AC oder DC) aufgeprägt werden, der eine identische, wie oben beschriebene Feldlinienverteilung hervorruft.outgoing from the physical proportionality between the complex electrical Admittance with conductance Gx and the capacity Cx of a medium to the complex relative permittivity This object is achieved with the features of claim 1. in this connection is provided that either by means of a frequency generator a homogeneous E-field (AC or DC) is generated in a plate capacitor, with constant frequency and adjustable from 0 Hz ... 1 MHz, and the examinee is inserted into the homogeneous electric field. According to the distribution of Partial impedances / partial admittances of the device under test arises by the electrical polarization effect a corresponding distribution the field line density partially in the test specimen. Or as a variant for indirect impression an outer E-field can the candidate be impressed by direct contacting a constant current (AC or DC), the produces an identical field line distribution as described above.
Diese Feldverteilung kann erfasst werden, indem in einem definierten Abstand über/unter dem Prüfling eine E-Feldsonde/E-Feld-Array eingeführt wird.These Field distribution can be captured by moving at a defined distance above / below the examinee an E-field probe / E-field array is introduced.
Die E-Feldsonde besteht aus einem kleinen miniaturisierten Kondensator der ortsaufgelöst in x und y-Richtung innerhalb der Elektrodenplatten geometrisch variabel verstellt werden kann.The E-field probe consists of a small miniaturized capacitor the spatially resolved in the x and y direction within the electrode plates geometric can be variably adjusted.
Erfindungsgemäß besonders vorteilhaft ist eine Sondenanordnung als E-Feld-Messsondenarray, bestehend aus n × m Einzel-E-Feldsonden, die je nach Prüflingsgeometrie und -Bauform veränderbar ausgestaltet werden kann. Hierbei können beliebige Einzelmesssonden/Kondensatorplatten im Raster bis 3 mm und kleiner im Array angeordnet werden. Jeder Einzelmesssonde ist ein eigener Verstärker zugeordnet. Damit ist eine gleichzeitige, synchrone Messung einer Feldfläche des Prüflings möglich. Gemäß der geometrischen Anordnung der Einzelelektroden ist eine ortsaufgelöste Erfassung der Feldstärkegradienten gewährleistet. Jede Einzelmesssonde des Arrays ist mit einer Auswerte- und Verstärkereinheit verbunden und kann parallel und/oder seriell ausgelesen werden. So sind Messzeiten von < 2 sec. möglich.Particularly according to the invention advantageous is a probe arrangement as an E-field probe array, consisting of n × m single-E field probes, depending on the specimen geometry and design changeable designed can be. Here you can Any individual probes / capacitor plates in a grid up to 3 mm and smaller in the array. Every single measuring probe is a separate amplifier assigned. This is a simultaneous, synchronous measurement of a field area of the test piece possible. According to the geometric Arrangement of the individual electrodes is a spatially resolved detection the field strength gradients guaranteed. Each individual measuring probe of the array is connected to an evaluation and amplifier unit and can be read in parallel and / or serially. That's how measuring times are of <2 sec. possible.
Wegen der starken Empfindlichkeit von E-Feldern, besonders im Nahbereich, sowie der geringen Sendeleistung des Störfeldes und der sehr geringen Messspannung der Einzelmesssonden ist eine Schirmung unbedingt notwendig. Ebenso sind Sende- und Messleitungen, sowie die Verstärkereinheiten zu schirmen und störsicher auszuführen.Because of the strong sensitivity of e-fields, especially at close range, as well as the low transmission power of the interference field and the very low Measuring voltage of the individual probes shielding is absolutely necessary. Similarly, send and Test leads, as well as the amplifier units to shield and interference-proof perform.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will now be described with reference to exemplary embodiments with reference closer to the drawings explained. Show it:
Eine
Abschirmung
Für die eigentliche
Messeinheit, den Frequenzgenerator
Gegenüber
In
In
In
In
Zusammengefasst ergibt die Erfindung folgende Vorteile:
- 1. Messsondenarray: Es gibt keine Kontakt/Positionsfehler bei jeder Messung, da der Array-Körper massiv, als Einheit mit fest einander zugeordneten Einzelmesselementen ausgeführt ist.
- 2. Die Messsonde oder das Messsondenarray kann etwa mittels
Passstifte in definierter Position zum Prüfling
3 fixiert werden. Somit sind reproduzierbare Messungen möglich. Die verschiedenen Prüflinge haben immer die gleichen geometrischen Positionen und können ohne Fehler verglichen werden. - 3. Prüflinge werden nicht beschädigt oder verletzt durch indirekte berührungslose Messung.
- 4. Es gibt keine Kontaktprobleme, etwa durch Korrosion, Alterung, Beschädigung, Abrieb, Toleranz- und Positionsveränderung, Bruch der Federkontakte, Reibung oder Klemmung. Direkt kontaktierende Messeinheiten besitzen bis zu 50 ... 100 verschiedene federnde Messkontakte.
- 5. Messzeiten von < 1 sec für eine Gesamtfläche oder Teilfläche eines Prüflings sind mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Messsonden-Array möglich.
- 6. Partikelerkennung, Fehler- und Inhomogenitäten: eine Partikel- und Risserkennung von 0,1 × 3 mm wurde an Versuchsobjekten nachgewiesen.
- 7. Die Lebensdauer der Messeinrichtung ist sehr hoch und wird durch keine mechanisch bewegten Teile begrenzt, sondern durch die Lebensdauer der elektrischen und elektronischen Bauelemente.
- 8. Ausfall, Störung, Redundanz: Durch Bereitstellung redundant verfügbarer Ersatzmodule ist bei Störung und Ausfall ein Bauteilwechsel in Minuten gewährleistet.
- 9. On-line-Fähigkeit für Fertigungsbetrieb: Infolge der Messfähigkeit zur Erkennung kleinster Risse von 0,1 mm, der extrem kurzen Messzeit von << 1 sec, des nicht störenden, störsicheren und preiswerten Aufbaus ist die Messeinrichtung für einen On-line-Fertigungseinsatz geeignet.
- 1. Probe array: There are no contact / position errors in each measurement, as the array body is solid, designed as a unit with dedicated single measurement elements.
- 2. The measuring probe or the probe array can be approximately by means of dowel pins in a defined position to the DUT
3 be fixed. Thus, reproducible measurements are possible. The different test pieces always have the same geometric positions and can be compared without errors. - 3. DUTs are not damaged or injured by indirect non-contact measurement.
- 4. There are no contact problems, such as corrosion, aging, damage, abrasion, tolerance and position change, breakage of the spring contacts, friction or clamping. Direct contacting measuring units have up to 50 ... 100 different spring-loaded measuring contacts.
- 5. Measuring times of <1 sec for a total area or partial area of a test object are possible with a measuring probe array constructed according to the invention.
- 6. Particle detection, error and inhomogeneities: a particle and crack detection of 0.1 × 3 mm was detected on test objects.
- 7. The life of the measuring device is very high and is limited by no mechanical moving parts, but by the life of the electrical and electronic components.
- 8. Failure, malfunction, redundancy: By providing redundantly available replacement modules, a component change in minutes is ensured in the event of failure and failure.
- 9. On-line capability for manufacturing operation: Due to the measuring ability for the detection of smallest cracks of 0.1 mm, the extremely short measuring time of << 1 sec, the non-interfering, interference-free and inexpensive construction, the measuring device for an on-line Suitable for production use.
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Effective date: 20140501 |