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Die Erfindung betrifft ein Erfassen des Übergangs von zwei miteinander verklebten Einzelschichten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
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Die Erfassung von Schichtdicken mittels eines Dickensensors ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
DE 60 2005 003 020 T2 die Messung dünner Filmdicken unter Verwendung eines Mehrkanalinfrarotsensors. Alternativen dazu können z.B. Ultraschallwellen, (Laser-)Licht, Kapazitäten oder dergleichen verwenden.
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Daneben spielen in der Qualitätssicherung auch andere optische Verfahren eine Rolle, welche Bilder erfassen, z.B. mit wenigstens einer Kamera und diese dann auswerten. Bei der Herstellung von dünnschichtigen Verbünden, beispielsweise bei der Herstellung einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle ist es beispielsweise aus der
DE 10 2017 000 960 A1 bekannt, dass die Qualität des hergestellten Verbundes aus Gasdiffusionslagen, eines Rahmens und einer katalytisch beschichteten Membran und Elektroden, die sogenannte Membranelektrodenanordnung mittels optischer Verfahren beurteilt wird. Der Rahmen wirkt in diesen Anordnungen häufig als Träger- und Isolationsschicht.
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In der Praxis kommt es nun häufig vor, dass zwei Einzelschichten bewusst nicht bündig sondern überlappend miteinander verbunden, z.B. verklebt, verschweißt, über eine Zwischenschicht oder bei geeigneten Oberflächen auch über Van-der Waals Kräfte verbunden werden. Sobald diese dann weiterverarbeitet werden, beispielsweise indem sie mit einer transparenten Deckschicht zu einem Verbund zusammengefügt werden, ist es schwierig, den Übergang zwischen den beiden Einzelschichten zu erfassen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden Einzelschichten ohne oder nur mit geringem optischen Kontrast zueinander ausgebildet sind. Sind beispielsweise beide der Einzelschichten schwarz, dann kann unter dem Verbund trotz der transparenten Deckschicht der Übergang zwischen den beiden sich überlappend verbundenen Schichten kaum mehr festgestellt werden. Dies kann in der Praxis, beispielsweise für die Qualitätssicherung äußerst kritisch sein, da ohne eine Zerstörung des Produkts der Übergang nicht sicher und reproduzierbar erfasst werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Erfassen eines solchen Übergangs anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 8 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass ein Dickensensor oder Abstandssensor entlang des Verbunds bewegt wird, wobei über eine Messung mittels des Sensors ein Dickensprung bzw. Höhensprung erfasst wird. In dem Bereich, in dem die Schichten einander überlappen, erfasst er dabei eine andere Dicke bzw. einen anderen Abstand als in dem Bereich, in dem jeweils nur die untere der beiden Schichten einzeln vorliegt. Dieser Dicken- bzw. Höhensprung kann nun, insbesondere auch ohne optischen Kontrast der Einzelschichten zueinander, genutzt werden, um den Übergang zwischen den beiden Schichten zu messen. Die Position des Übergangs kann so ermittelt werden.
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Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Erfassung unter einer transparenten Deckschicht erfolgt. Die erfindungsgemäße Art der Messung eignet sich insbesondere auch dafür Sie wird dann von der Seite der transparenten Deckschicht aus unter dieser durchgeführt. Transparent im Sinne der hier vorliegenden Erfindung bedeutet dabei zumindest transparent für den Sensor. Die transparente Deckschicht stellt dem Sensor also keinen nennenswerten Widerstand entgegen, sodass er durch sie hindurch die Dicke bzw. Lage in Bezug auf den Sensor der darunter befindlichen Einzelschichten erfassen kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Bewegung des Dicken- oder Abstandssensors linear erfolgt. Ein solche lineare Bewegung ist besonders einfach und führt schnell zu guten Ergebnissen, insbesondere wenn es gemäß einer günstigen Weiterbildung hiervon vorgesehen ist, dass die lineare Bewegung quer, insbesondere in etwa senkrecht, zum erwarteten Übergang ausgeführt wird. Dadurch lässt sich einfach, schnell und effizient der Dicken- bzw. Höhensprung erfassen und damit die Position des Übergangs ermitteln.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es ferner vor, dass mehrere lineare Bewegungen parallel zueinander ausgeführt werden, wonach die Ergebnisse der Einzelmessungen gemittelt und/oder gefiltert werden. Dies erlaubt einerseits die Erfassung des Dicken- bzw. Höhensprungs als Verlauf, insbesondere als typischerweise linearer Verlauf, auf einer Fläche und erlaubt andererseits durch die Mehrzahl von Messungen und die Möglichkeiten, Mittelwerte zu bilden und/oder die Ergebnisse zu filtern, eine Verminderung von potentiellen Messfehlern und einem Rauschen in den Daten, sodass bessere Ergebnisse für den Übergang, insbesondere für den Verlauf des Übergangs in der Fläche möglich werden.
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Eine besonders einfach und effiziente Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorsehen, dass der Dicken- oder Abstandssensor als wellenbasierter Sensor, insbesondere als Infrarotsensor, ausgebildet ist. Wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt, ist ein solcher Sensor gängig und leicht zu nutzen, zu kalibrieren und hinsichtlich der Ergebnisse zu beherrschen. Dies garantiert qualitativ hochwertige Ergebnisse bei einem minimalen finanziellen Aufwand, da solche Sensoren einfach am Markt verfügbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dabei bei jeder Art von derartigen Übergängen anwenden, es ist von besonderem Vorteil, wenn die beiden Einzelschichten ohne oder ohne starken optischen Kontrast zueinander ausgebildet sind, da dann eine Erfassung beispielsweise über wenigstens eine Kamera mit nachfolgender Bildverarbeitung weitgehend ausscheidet.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt dieses zum Erfassen des Übergangs zwischen einer Gasdiffusionslage und einer katalytisch beschichteten Membran einer Membranelektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle. Dabei geht es darum, durch einen Rahmen der Membranelektrodenanordnung hindurch, welcher häufig als transparenter PEN-Rahmen ausgebildet wird, den Übergang zwischen der Gasdiffusionslage und der katalytisch beschichteten Membran zu erfassen. Da beide in etwa dieselbe Farbe aufweisen, ist diese Erfassung mit klassischen optischen Methoden quasi nicht möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren hilft nun, indem durch die transparente Deckschicht, also durch den Rahmen hindurch, mittels des Sensors der Dicken- bzw. Höhensprung, welcher am Ende der auf die Gasdiffusionslage aufgeklebten katalytisch beschichteten Membran entsteht, direkt oder mittelbar über eine diese verbindende Schicht, z.B. aus transparentem Kleber, Silikon oder dergleichen, erfasst werden kann. Damit lässt sich einfach und effizient der Übergang zwischen der Gasdiffusionslage und der katalytisch beschichteten Membran erfassen. Letztlich geht es darum, die Grenze der katalytisch beschichteten Membran unter dem Rahmen zu lokalisieren. Das Verfahren lässt sich dabei anwenden, solange die zweite Gasdiffusionslage den Übergang nicht verdeckt. Tut sie dies müsste sie ganz oder zumindest teilweise entfernt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Verbund aus zwei Einzelschichten, einer transparenten Verbindungsschicht und einer transparenten Deckschicht zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Darstellung der Figur ist oben ein Dicken- oder Abstandssensor 1, hier beispielhaft in Form eines Infrarotsensors, in zwei verschiedenen Positionen einer linearen Bewegung entlang des unterhalb dargestellten Schnitts durch einen Verbund 2 aus mehreren Schichten dargestellt. Unterhalb ist ein Diagramm der über den Sensor 1 erfassten Schichtdicke d über dessen Weg s entlang des Verbunds 2 dargestellt. Bei den Dickenmessungen kommt es nicht darauf an, dass eine exakte Dicke bestimmt wird, sondern nur darauf, dass es einen Sprung bzw. eine identifizierbare Veränderung gibt. Die Bestimmung der exakten Dicke wird dadurch erschwert, dass z.B. für einen Sensor 1, welcher mittel optischer oder infraroter wellenlängen misst, der exakte Brechungsindex der gemessenen Materialien bekannt sein müsste. Dies kann aus verschiedenen Gründen, inklusive z.B. einer Materialinhomogenität schwierig sein. Die Verbindungsschicht D kann z.B. auch aus verschiedenen Materialien bestehen. Ähnliche Effekte können auch bei Abstandsmessungen Messungen des exakten Abstandes, mittels des Senors 1 als Abstandssensor, beeinflussen. Der Verbund 2 selbst besteht aus einer ersten Einzelschicht A, welche auf eine zweite Einzelschicht B entsprechend aufgeklebt ist. Beide der Einzelschichten A, B sind über eine transparente Deckschicht C abgedeckt. Der ganze Verbund 2 ist über eine transparente Verbindungsschicht D, z.B. Kleber, Silikon oder dergleichen miteinander verbunden.
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Die Einzelschichten A, B sind weitgehend ohne optischen Kontrast zueinander ausgebildet, beispielsweise können beide schwarz sein. Um nun die Position des Übergangs von der Schicht A in die Schicht B zu erfassen, also letztlich die Kante der Schicht A, wird der Sensor 1, wie es im Bereich des Übergangs angedeutet ist, linear entlang des Verbunds 2 verfahren. Er erfasst dabei die Dicke bzw. Lage d der entsprechenden Schichten, welche hier beispielsweise als der Abstand zwischen dem Sensor 1 und der Oberfläche der ersten nichttransparenten Schicht, hier also der Schicht A in der ersten links dargestellten Position s1 gezeigt ist. Im weiteren Verlauf wird dieser Wert d nun kontinuierlich erfasst. Der Wert d kann sich bei einer Dickenmessung auf jeden möglichen Materialübergang beziehen, z.B. Ober- oder Unterkante der Deckschicht C oder auch auf die Oberkante der Verbindungsschicht D.
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In der zweiten dargestellten Position s2 des Sensors 1 misst dieser eine entsprechend größeren Wert d, da nun der Abstand zwischen dem Sensor 1 in der Position s2 zu der Oberfläche der Schicht B erfasst wird. Zwischen den beiden Positionen s1 und s2 lässt sich so ein Dicken- bzw. Höhensprung von einem Wert d1 auf einen Wert d2 erfassen. Diese Position sx im Diagramm in der Darstellung der Figur unten ist somit die Position des Dicken- bzw. Höhensprungs. Diese korreliert entsprechend mit der Position des Übergangs zwischen den Schichten A und B, letztlich also mit der Kante der Schicht A. Die Kante der Schicht A lässt sich so, auch ohne optischen Kontrast zwischen den Schichten A und B einfach und effizient über den hier schematisch dargestellten Aufbau mittels des Sensors 1 erfassen. Dafür ist es nicht notwendig, dass der Sensor 1 die Schichten C und D explizit erfasst. Vielmehr lässt sich die Messung auch durchführen, wenn beide dieser Schichten für den Dickensensor 1 als eine Schicht erfasst werden.
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Dazu ist es lediglich notwendig, dass die sonstige Variation der Dicke der Verbindungsschicht D geringer ist, als der Dicken- bzw. Höhensprung.
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Die Messung lässt sich vergleichbar auch durchführen, wenn die Schicht B für den Sensor 1 transparent ist. Dann ergibt sich in der Position sx quasi ein Dicken- bzw. Höhensprung hin zu „unendlich“, falls ein Abstandsensor 1 eingesetzt wird, und die unterste Schichtkante nicht reflektiert, Bei einem Dickensensor 1 kann diese Kante in jedem Fall als Dickenreferenz wirken. Die Deckschicht C könnte selbstverständlich auch weggelassen werden, ohne das Messprinzip verändern zu müssen, da Sie ja ohnehin für den Sensor 1 transparent ist. Auch die Schicht A könnte prinzipiell transparent sein, sodass es also ausreicht, wenn eine der Schichten A, B nicht transparent ist. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, dass ein entsprechender Kontrast für den Sensor 1 in vorhanden ist, sodass dieser den Übergang entsprechend erfassen kann. Dies lässt sich beispielsweise für einen wellenbasierten Sensor 1 dadurch realisieren, dass ein Unterschied in der Geschwindigkeit der Wellen genutzt wird. Dann könnte eine der Schichten, beispielsweise die Schicht A, auch ein Luftspalt sein. Entscheidend ist damit also nur, dass es einen Dicken- bzw. Höhensprung für den Snesor 1 an der Kante der Einzelschicht A gibt.
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Auch für den Fall, dass der Verbund 2 entsprechend verpresst ist und das Material D im Bereich des Übergangs lediglich ein Dreieck ausbildet, lässt sich auf diese Art die Kante der Schicht A ermitteln. Zwar kann es dann ggf. keinen so deutlichen Dicken- bzw. Höhensprung in der Position sx, wie in der Figur dargestellt, ergeben, allerdings ergibt sich in jedem Fall ein Peak des Werts d, welcher das Dreieck anzeigt und somit ausreicht, um den Übergang zu lokalisieren.
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Als Sensor 1 lässt sich dabei neben dem hier beispielhaft verwendeten Infrarotsensor auch jeder andere wellenbasierte Sensor verwenden, welcher beispielsweise weißes Licht, Laserlicht, Ultraschallwellen oder andere elektromagnetische oder akustische Wellen nutzt, um die Dicke des Materials oder den Abstand zu dem Material zu erfassen. Relevant ist es hier nur, dass die Materialien der Schicht C und D in jedem Fall transparent für die ausgesandten Wellen des entsprechenden Sensors sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602005003020 T2 [0002]
- DE 102017000960 A1 [0003]
