DE102021211836A1 - Messeinrichtung - Google Patents

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DE102021211836A1
DE102021211836A1 DE102021211836.4A DE102021211836A DE102021211836A1 DE 102021211836 A1 DE102021211836 A1 DE 102021211836A1 DE 102021211836 A DE102021211836 A DE 102021211836A DE 102021211836 A1 DE102021211836 A1 DE 102021211836A1
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung (10) mit einem Gehäuse (14) und mindestens einer in diesem aufgenommenen elastischen Messspule (20). Die elastische Messspule (20) ist Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (48), die eine um komplexe Brückenergänzungen (56) komplettierte Vollbrücke darstellt. Die elastische Messspule (20) ist mit einem Frequenzgemisch unterschiedlicher Frequenzen oder mit sequentiellen Frequenzen angesteuert. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Messeinrichtung (10) zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings (62) und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke (68) einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus (66).

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung mit einem Gehäuse und mindestens einer in diesem aufgenommenen elastischen Messspule. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Messeinrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus.
  • Stand der Technik
  • Um Bauteile mit bestimmten chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften zu versehen, werden diese oft mit Beschichtungen versehen oder es werden solche aus einem Grundmaterial erzeugt. Je nach Zusammensetzung hinsichtlich einer Elementzusammensetzung oder einer inhomogenen Zusammensetzung oder Vorliegen mehrerer Phasen und einer bestimmten Dicke dieser Schichten können nicht immer konventionelle zerstörungsfreie Methoden, wie zum Beispiel Röntgen oder Fluoreszenzanalyse, herangezogen werden. Die Bestimmung der Dicke solcher Schichten erfolgt dann auf zerstörendem Weg durch Herstellung und Vermessung im Querschliff.
  • DE 197 02950 A1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen der Schichtdicke an zylindrischen Kleinteilen, so zum Beispiel Schrauben, Stiften oder dergleichen nach dem magnetinduktiven Wirbelstromverfahren mit einer Messsonde. Ein Messpol der Messsonde wird mit einer vorbestimmten Messstelle mit dem Kleinteil in Kontakt gebracht, wobei die Messsonde in einer Aufnahme positioniert und das Kleinteil in einem zumindest die Messstelle an dessen Umfang oder Stirnfläche exponierenden und gegenüber der Messsonde positionierenden Adapter eingesetzt wird. Messsonde und Adapter werden zwangsgeführt bis zum Kontakt von Messpol und Messstelle relativ zueinander bewegt.
  • DE 43 25 767 A1 hat eine Schichtdickenmessvorrichtung zum Gegenstand zur Messung der Dicke nicht-magnetischer Schichten auf ferromagnetischem Grundwerkstoff oder nicht-metallischer Schichten auf leitendem Grundwerkstoff nach dem Wirbelstromverfahren mittels einer auf die zu messende Schicht aufzusetzenden Sonde. Diese umfasst einen Messpol für die Durchführung magnetinduktiver Messungen beziehungsweise für die Durchführung des Wirbelstromverfahrens eine entsprechend ausgelegte Spule. Es wird eine Kombinationssonde vorgeschlagen, die sowohl mittels einer Spule für die Durchführung des Wirbelstromverfahrens versehen ist als auch mindestens eine Spule aufweist, die für die dynamisch-magnetinduktive Messung ausgelegt ist.
  • DE 101 09 568 A1 hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kombinierten Wand- und Schichtdickenmessung zum Gegenstand. Eine Messsonde umfasst sowohl einen als Ultraschallprüfkopf wirkenden Ultraschallsensor als auch einen Sensor für die Schichtdickenbestimmung nach dem magnetinduktiven oder dem Wirbelstromverfahren. Die Mittelachsen beider Sensoren und deren Messstellen fallen zusammen. Der Schichtdickensensor kann aus einer zylindrischen Spule bestehen, wobei der Ultraschallprüfkopf aus zwei koaxial innerhalb der Spule angeordneten, halbzylindrischen Schwingerträgern mit darauf befestigten piezoelektrischen Schwingern gebildet ist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Messeinrichtung mit einem Gehäuse vorgeschlagen und mindestens einer in dem Gehäuse aufgenommenen elastischen Messspule. Die elastische Messspule ist Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, die eine um komplexe Brückenergänzungen komplettierte Vollbrücke darstellt, wobei die elastische Messspule mit einem Frequenzgemisch unterschiedlicher Frequenzen oder mit sequentiellen Frequenzen angesteuert ist. Der Einsatz einer Messeinrichtung mit einer Wheatstoneschen Brückenschaltung ermöglicht die Messung von Schichtdicken < 0,1 µm, wobei eine relativ kleine Messfläche von nur einigen wenigen Quadratmillimetern erforderlich ist. Mithin ergibt sich die Möglichkeit, auch kleinste beschichtete Bauteile zu untersuchen bzw. auf Materialeigenschaften zu prüfen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung ist die elastische Messspule als einlagige Spiralwicklung ausgeführt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, auch sphärische oder zylinderförmige Konturen mit der elastischen Messspule zu untersuchen, da aufgrund der einlagigen Spiralwicklung sich diese in optimaler Weise an die Kontur des Prüflings anzuschmiegen in der Lage ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung ist die elastische Messspule auf eine dünne Folie aufgebracht, deren Dicke beispielsweise im Bereich zwischen 10 µm und 200 µm liegt.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Messeinrichtung umfasst die elastische Messspule, die auf einem elastischen Trägermaterial aufgebracht ist, welches die Kontur eines Prüflings invers abbildet. Dies bedeutet, dass die elastische Messspule sich aufgrund ihrer geringen Dicke in optimaler Weise an die Kontur des zu untersuchenden Prüflings anpasst.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung kann die Kontur des zu vermessenden Prüflings eben, zylindrisch, sphärisch oder beliebig gekrümmt sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung weist die elastische Messspule einen Durchmesser auf, der zwischen 3 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 5 mm und 9 mm liegt.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Messeinrichtung ist hinsichtlich der Anordnung der wheatstoneschen Brückenschaltung mit komplexen Brückenergänzungen versehen, die Widerstände (R), Spulen (L) und/oder Kondensatoren (C) umfassen.
  • Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur zerstörungsfreien Messung einer Schichtdicke eines Prüflings oder von Schichtdicken einzelner Schichten eines Schichtaufbaus eines Prüflings mit einer Messvorrichtung und mindestens nachfolgenden Verfahrensschritten:
    1. a) Aufsetzen der elastischen Messspule der Messeinrichtung auf den Prüfling,
    2. b) Aufbringen einer definierten Kraft auf die Messeinrichtung und Anschmiegen der elastischen Messspule an eine Kontur des Prüflings und
    3. c) Vorgabe von Frequenzen eines Frequenzgemischs oder der sequentiellen Frequenzen zur Ansteuerung der elastischen Messspule basierend auf einer Schichtdicke einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus des Prüflings.
  • Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird ein Weg zur zerstörungsfreien Messung von Schichtdicken einer Beschichtung eines Prüflings, ob die Schichtdicke einer Einzelschicht oder die Schichtdicke von Einzelschichten innerhalb eines Schichtverbunds, angegeben.
  • In vorteilhafter Weise kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine Mindestgröße des Messkopfs der Messeinrichtung so gestaltet werden, dass diese abhängig ist von einer ausreichend großen Anzahl von Windungen der elastischen Messspule einerseits und von der Stärke der Inhomogenitäten einer Schicht und/oder des Grundmaterials andererseits.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden inhomogene Materialeigenschaften einer Einzelschicht oder eines Schichtaufbaus durch eine Messfläche ermittelt, deren Größe im Bereich zwischen d > 500 µm bis 5 mm liegt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden elektrisch leitende und/oder elektrisch nicht-leitende Schichten auf elektrisch leitfähige Materialien geprüft oder es erfolgt eine Vermessung elektrisch leitender Schichten mit nicht-leitenden Untergrundmaterialien.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens werden magnetische oder ferromagnetische Grundmaterialien und Beschichtungen vermessen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden Einzelschichten einer Schicht von < 10 µm auf Konturen, die eben sind, auf Konturen, die zylindrisch sind und auf Konturen, die sphärisch sind mit einer Genauigkeit besser 0,1 µm vermessen.
  • Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, Gefüge, Leitfähigkeit und andere Materialeigenschaften, wie Gefügeänderungen durch Wärmebehandlungen oder Eigenspannungen eines Prüflings zu vermessen.
  • Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Schichtdicke von leitfähigen Schichten auf leitfähigem Grundmaterial über eine Ansteuerung der Messspule mit einem Frequenzgemisch aus Frequenzen im MHz-Bereich eines Prüflings vermessen oder es erfolgt eine sequentielle Messung mit unterschiedlichen Frequenzen im MHz-Bereich am Prüfling.
  • Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Messeinrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus auf einem Prüfling.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können eine Prüfung sowie eine Vermessung von elektrisch nicht-leitenden oder auch elektrisch leitenden Schichten auf elektrisch leitfähigen Materialien oder auch die Vermessung elektrisch leitender Schichten auf nicht-leitenden Untergrundmaterialien erreicht werden. Die Grundmaterialien sowie die Materialien der Beschichtung können sowohl aus nicht-magnetischen wie auch aus ferromagnetischen Materialien gefertigt sein. Durch die Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist insbesondere eine Prüfung und Vermessung dünner Schichten mit einer Schichtdicke ≤ 10 µm auf gekrümmten Oberflächen und auch auf inhomogenen Materialien, wie zum Beispiel Knetlegierungen, mit einer Genauigkeit besser als 0,1 µm möglich. Die Schicht kann dabei ebenfalls inhomogen sein oder auch aus mehreren Phasen bestehen.
  • Des Weiteren können durch die Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung auch Gefügeleitfähigkeit und weitere Materialeigenschaften, wie Gefügeänderungen durch Wärmebehandlungen oder Eigenspannungen an Prüflingen überwacht werden. Bei Anwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können aufgrund der einlagigen Ausbildung der schneckenförmig gewundenen Messspule ebene Konturen, zylindrische Formen oder auch sphärische Konturen oder eine Mischform verschiedener Krümmungen untersucht werden. Ist die elastische Messspule insbesondere als Folienspule gestaltet, können entsprechend der Prüflingsform angepasste elastische Messspulen eingesetzt werden, die auch auf einem elastischen Trägermaterial aufgebracht sein können. Wird ein elastisches Trägermaterial eingesetzt, können Unterschiede in den Krümmungen der Prüflinge in gewissen Grenzen ausgeglichen werden.
  • Die elastische Messspule wird auf den Prüfling mit einer definierten Prüfkraft aufgesetzt und schmiegt sich somit an die Kontur des Prüflings an. Auf der Basis der zu erwartenden Schichtdicke wird der Frequenzbereich, mit dem die vorzugsweise einlagig in Spiralform ausgebildete Messspule beaufschlagt wird, ausgewählt. Inhomogene Materialeigenschaften werden über eine ausreichend große Messfläche (d ≥ 500 µm bis mehrere Millimeter) gemittelt. Zur Verbesserung der Messempfindlichkeit und zur Erreichung einer Genauigkeit von ≤ 0,1 µm wird die Messeinrichtung insbesondere als Wheatstonesche Brückenschaltung ausgeführt. Bei dieser kann eine Wheatstonesche Brücke um komplexe Ergänzungen zu einer Vollbrücke ausgebaut werden. Dadurch weist die wheatstonesche Brückenschaltung auch bei unterschiedlichen Frequenzen eine sehr gute Sensitivität auf. Durch die Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können bei nicht-leitenden Schichten auf leitfähigem Untergrund bereits bei einer Messfrequenz sehr gute Messergebnisse erreicht werden. Um die Dicke von leitfähigen Schichten auf leitfähigem Material bestimmen zu können, ist es durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung möglich, die Messeinrichtung entweder mit einem Frequenzgemisch anzusteuern oder nacheinander, d. h. sequentiell, Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen an ein und demselben Prüfling durchzuführen. Damit können bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung unterschiedliche Leitfähigkeiten der Schichten unterschieden werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Ansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung,
    • 2 eine elastische Messspule, dargestellt in einem vergrößerten Maßstab, ausgebildet als Folienspule, aufgebracht auf einem elastischen Trägermaterial in einlagiger Spiralausbildung,
    • 3 die schematische Darstellung einer Wheatstoneschen Brückenschaltung mit komplexen Ergänzungen zur Vollbrücke und
    • 4 Ausführungsvarianten von Oberflächengeometrien von Prüflingen verschiedener Kontur.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine Messeinrichtung 10, insbesondere ausgebildet als eine stiftförmige Wirbelstromsonde 12. Die Messeinrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 14, in welches ein Anschlusskabel 16 hineinragt. An einem mit Bezugszeichen 18 bezeichneten Messkopf ist eine elastische Messspule 20 (vgl. 2) aufgenommen, die in der perspektivischen Ansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10 gemäß 1 nicht gezeigt ist.
  • 2 zeigt die elastische Messspule 20, hier ausgebildet als eine Folienspule 22. Die elastische Messspule 20 ist auf einer Folie 24 oder einem elastischen Trägermaterial 26 aufgenommen. Die Folie 24 beziehungsweise das elastische Trägermaterial 26 der elastischen Messspule 20 weist den Vorzug auf, dass sich eine dergestalt beschaffene elastische Messspule 20 in vorteilhafter Weise an eine Kontur 28 eines Prüflings 62 anschmiegt. Wird die im Bereich des Messkopfs 18 in die Messeinrichtung 10 integrierte elastische Messspule 20 auf die Kontur 28 eines Prüflings 62 aufgesetzt, so erfolgt eine inverse der Kontur 28 des Prüflings 62. Dies bedeutet, dass sich die elastische Messspule 20 hinsichtlich ihrer Geometrie an die Kontur 28 des zu vermessenden Prüflings 62 anpasst. Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die elastische Messspule 20 eine Windungszahl 32 aufweist, welche schlussendlich die Größe einer Messfläche 34 bestimmt. Die Messfläche 34, die sich im Bereich des Messkopfs 18 der Messeinrichtung 10 gemäß 1 ergibt, liegt in der Größenordnung von d ≥ 500 µm bis zu mehreren Millimetern.
  • Aus der Draufsicht auf die elastische Messspule 20 gemäß 2 ergibt sich ferner, dass der Spulendraht der elastischen Messspule 20 einen ersten Anschluss 36 sowie einen zweiten Anschluss 38 aufweist. Zur Verbesserung des Anschmiegens an die Kontur 28 des Prüflings 62 ist die elastische Messspule 20 insbesondere als einlagige Spiralwicklung 42 ausgebildet. Ein Randbereich ist mit Position 44 bezeichnet, während ein zentraler Bereich, der von der einlagigen Spiralwicklung 42 definiert wird, mit Bezugszeichen 46 versehen ist. Ein Durchmesser der elastischen Messspule 20 ist mit Bezugszeichen 40 bezeichnet. Der Durchmesser 40 der elastischen Messspule 20 liegt zwischen 3 mm bis 12 mm, bevorzugt zwischen 5 mm und 9 mm.
  • 3 zeigt eine Wheatstonesche Brückenschaltung 48, die im Bereich des Messkopfs 18 der in 1 dargestellten Messeinrichtung 10 aufgenommen ist. Die Wheatstonesche Brückenschaltung 48 ist als Vollbrücke ausgebildet und umfasst neben der elastischen Messspule 20, ausgebildet als Folienspule 22, komplexe Brückenergänzungen 56, bestehend aus Widerständen (R), Spulen (L) und/oder Kondensatoren (C).
  • Sondenkabel 50, 52 verbinden die Wheatstonesche Brückenschaltung 48 mit einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit. Ein Abgriff einer Batteriespannung ist mit Position 54 bezeichnet. Signalabgriffe zur Weiterleitung des Messsignals sind mit Bezugszeichen 58, 60 bezeichnet.
  • 4 zeigt verschiedene Ausführungsvarianten eines mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10 zu untersuchenden Prüflings 62. Der Prüfling 62 kann beispielsweise eine ebene Kontur 72 aufweisen. Die ebene Kontur 72 ist beispielsweise durch einen Schichtaufbau 66 gegeben, mit einer ersten Einzelschicht und einer darüber liegenden zweiten Einzelschicht, die jeweils die Schichtdicke 68 aufweisen. Eine Oberfläche des Prüflings 62 ist durch Bezugszeichen 64 identifiziert. Im Gegensatz dazu ist in einer weiteren schematischen Skizze dargestellt, wie eine elastische Messspule 20 im Bereich des Messkopfs 18 der Messeinrichtung 10 auf die Oberfläche 64 eines Prüflings 62 aufgesetzt ist, der eine sphärische Kontur 74 aufweist. Aufgrund der Ausbildung der elastischen Messspule 20 als einlagige Spiralwicklung 42 ist diese verformbar und bei Aufbringen einer definierten Aufpresskraft auf die Oberfläche 64 des Prüflings 62 schmiegt sich die elastische Messspule 20 in optimaler Weise an die jeweilige Kontur, hier die sphärische Kontur 74, des Prüflings 62 an. Aus der Darstellung gemäß 4 mit dem Prüfling 62 in sphärischer Kontur 74 geht hervor, dass dessen Oberfläche 64 von der verformten, d. h. eine inverse der zu prüfenden Oberfläche 64 verdeckenden elastischen Messspule 20 abgedeckt ist. Mit den Bezugszeichen 36, 38 sind die Anschlüsse der einlagigen Spiralwicklung 42 angedeutet. Der unterhalb der Oberfläche 64 liegende Schichtaufbau 66 kann ein oder mehrere Schichtdicken 68 einer geringen Schichtdicke ≤ 10 µm aufweisen, die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10 zerstörungsfrei auf Schichtdicke 68 und Zusammensetzung untersucht werden können.
  • Hierzu wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, wonach zur zerstörungsfreien Messung einer Schichtdicke 68 eines Prüflings 62 oder von Schichtdicken 68 mehrerer Schichten eines Schichtaufbaus 66 eines Prüflings 62 mit der Messeinrichtung 10 nachfolgende Verfahrensschritte durchlaufen werden:
    1. a) Aufsetzen der elastischen Messspule 20 der Messeinrichtung 10 auf die Kontur 28, 70, 72, 74 des Prüflings 62,
    2. b) Aufbringen einer definierten Kraft auf die Messeinrichtung 10 und Anschmiegen der elastischen Messspule 20 an die Kontur 28, 70, 72, 74 des Prüflings 62 und
    3. c) Vorgabe von Frequenzen eines Frequenzgemischs oder der sequentiellen Frequenzen zur Ansteuerung der elastischen Messspule 20, basierend auf einer Schichtdicke 68 einer Einzelschicht oder eines Schichtaufbaus 66 mit mehreren Einzelschichten des Prüflings 62.
  • Alternativ kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren anstelle der Ansteuerung der elastischen Messspule 20 mit einem Frequenzgemisch aus Frequenzen im MHz-Bereich auch eine sequentielle Messung derart durchgeführt werden, dass unterschiedliche Frequenzen sequentiell, auch im MHz-Bereich am Prüfling 62 angelegt werden.
  • Im vorliegenden Zusammenhang ist unter einem Frequenzgemisch eine Überlagerung von Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen mit unterschiedlichen Amplituden zu verstehen. Beispielsweise wird einer Grundfrequenz von 1 MHz eine Frequenz von 5 MHz überlagert. Damit wird es möglich, die unterschiedlichen Eindringtiefen der Wirbelströme bei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig auszuwerten, anstatt unterschiedliche Frequenzen nacheinander durchschalten zu müssen, was jedoch ebenfalls möglich ist. Die Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens unter Benutzung des Frequenzgemischs spart Taktzeit, geht jedoch mit einer komplexeren Auswertung einher.
  • Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich demnach dahingehend verwenden, elektrisch leitende und/oder elektrisch nicht-leitende Schichten auf elektrisch leitfähige Materialien zu prüfen oder eine Vermessung elektrisch leitender Schichten auf nicht-leitenden Untergrundmaterialien durchzuführen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung gestattet ferner eine Verwendung des Verfahrens dahingehend, nicht-magnetische oder ferromagnetische Grundmaterialien und Beschichtungen zu vermessen.
  • Die Frequenzen liegen meist im Bereich zwischen 20 kHz und 20 MHz. Die Wahl der Frequenz hängt im Wesentlichen ab von Leitfähigkeiten und Schichtdicken 68 der einzelnen Schichten innerhalb eines Schichtverbunds. Die Erzeugung des Messsignals erfolgt insbesondere durch den Einsatz eines Signalgenerators, der in die Messeinrichtung 10 integriert ist. Innerhalb der Messeinrichtung 10 erfolgt dann die Analyse der Amplituden und der Phasenlage der einzelnen Messsignale bei den jeweils unterschiedlichen Frequenzen. Üblicherweise werden ein bis drei Frequenzen ausgewählt. Durch die Auswahl dreier Frequenzen kann bereits ein Eindringtiefenbereich abgedeckt werden, der es in vorteilhafter Weise erlaubt, die unterschiedlichen Schichtdicken 68 zu vermessen. Bei Vielfachbeschichtungen kann es erforderlich sein, mehr als drei Frequenzen einzusetzen. Die Erzeugung der jeweiligen Frequenzen und deren Auswertung erfolgt innerhalb der Messeinrichtung 10, die einen entsprechenden Signalgenerator beinhaltet. Mithilfe eines integrierten Messdatenerfassungssystems können die Messdaten zudem analysiert werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19702950 A1 [0003]
    • DE 4325767 A1 [0004]
    • DE 10109568 A1 [0005]

Claims (17)

  1. Messeinrichtung (10) mit einem Gehäuse (14) und mindestens einer in diesem aufgenommenen elastischen Messspule (20), dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Messspule (20) Teil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung (48) ist, die eine um komplexe Brückenergänzungen (56) komplettierte Vollbrücke darstellt, und die elastische Messspule (20) mit einem Frequenzgemisch unterschiedlicher Frequenzen oder mit sequentiellen Frequenzen angesteuert ist.
  2. Messeinrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Messspule (20) als einlagige Spiralwicklung (42) ausgeführt ist.
  3. Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Messspule (20) auf eine dünne Folie (24) aufgebracht ist, deren Dicke zwischen 10 µm und 200 µm liegt.
  4. Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Messspule (20) auf ein elastisches Trägermaterial (26) aufgebracht ist, welches die Kontur (28, 70, 72, 74) eines Prüflings (62) invers abbildet.
  5. Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (28, 70, 72, 74) des Prüflings (62) eben, zylindrisch, sphärisch oder beliebig gekrümmt ausgebildet ist.
  6. Messeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Messspule (20) einen Durchmesser (40) aufweist, der zwischen 3 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 5 mm und 9 mm liegt.
  7. Messeinrichtung (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die komplexen Brückenergänzungen (56) Widerstände (R), Spulen (L) und Kondensatoren (C) umfassen.
  8. Verfahren zur zerstörungsfreien Messung einer Schichtdicke (68) eines Prüflings (62) oder von Schichtdicken (68) einzelner Schichten eines Schichtaufbaus (66) eines Prüflings (62) mit einer Messeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und mit mindestens nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aufsetzen der elastischen Messspule (20) der Messeinrichtung (10) auf den Prüfling (62), b) Aufbringen einer definierten Kraft auf die Messeinrichtung (10) und Anschmiegen der elastischen Messspule (20) an die Kontur (28, 70, 72, 74) des Prüflings (62), c) Vorgabe von Frequenzen eines Frequenzgemischs oder von sequentiellen Frequenzen zur Ansteuerung der elastischen Messspule (20), basierend auf einer Schichtdicke (68) einer Einzelschicht oder eines Schichtaufbaus (66) des Prüflings (62).
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestgröße eines Messkopfs (18) der Messeinrichtung (10) abhängig ist von einer ausreichend großen Anzahl von Windungen der elastischen Messspule (20) und von einer Stärke der Inhomogenität einer Schicht und/oder des Rundmaterials.
  10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass inhomogene Materialeigenschaften einer Einzelschicht oder eines Schichtaufbaus (66) durch eine Messfläche (34) ermittelt werden, die im Bereich zwischen d ≥ 500 µm bis 5 mm liegt.
  11. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelschichten einer Schichtdicke (68) < 10 µm auf Konturen (72), die eben sind, auf Konturen (70), die zylindrisch sind und auf Konturen (74), die sphärisch sind, mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 µm vermessen werden.
  12. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Gefüge, Leitfähigkeit und andere Materialeigenschaften, wie Gefügeänderungen durch Wärmebehandlungen oder Eigenspannungen eines Prüflings (62) vermessen werden.
  13. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke (68) von leitfähigen Schichten auf leitfähigem Grundmaterial über eine Ansteuerung der elastischen Messspule (20) mit einem Frequenzgemisch aus Frequenzen im MHz-Bereich am Prüfling (62) oder sequentiellen Messungen mit verschiedenen Frequenzen im MHz-Bereich am Prüfling (62) erfolgen.
  14. Verwendung der Messeinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings (62) und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke (68) einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus (66).
  15. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 zur zerstörungsfreien Prüfung einer Einzelschicht eines Prüflings (62) und/oder zur Vermessung einer Schichtdicke (68) einer Einzelschicht oder von Einzelschichten eines Schichtaufbaus (66).
  16. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende und/oder elektrisch nicht-leitende Schichten auf elektrisch leitfähige Materialien geprüft werden oder eine Vermessung elektrisch leitender Schichten auf nicht-leitende Untergrundmaterialien erfolgt.
  17. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nicht-magnetische oder ferromagnetische Grundmaterialien und Beschichtungen vermessen werden.
DE102021211836.4A 2021-09-30 2021-10-20 Messeinrichtung Pending DE102021211836A1 (de)

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