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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zum elektrischen
Vermessen der Oberfläche eines
Prüflings
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine
derartige Messeinrichtung ist in der
EP 0 209 476 A2 beschrieben. Bei dieser bekannten Messeinrichtung,
die als Zweileiter-Messeinrichtung ausgebildet ist, wird insbesondere
eine Rissbildung auf Oberflächen
erfasst, wobei auf die Oberfläche des
Objektes eine leitende Schicht mit Stromeinspeisekontakteinheiten
und separaten Messkontakten aufgelegt wird. Eine Messung von Oberflächenwiderständen findet
dort nicht statt.
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Eine
weitere Vorrichtung zum Messen von Oberflächenwiderständen ist in der WO 01/90730
A2 und ähnlich
auch in der WO 01/90749 A2 und der WO 91/19972 angegeben. Bei dieser
bekannten Vorrichtung, die auf einer indirekten Kontaktiermethode zur
Messung und Analyse von Oberflächeneigenschaften
von Leitern, Halbleitern, physikalischen und chemischen Flächen beruht,
wird eine Kontaktmodulanordnung einer Messsonde mit den üblichen
vier Kelvin-Kontakten indirekt der Messfläche zugeordnet, wobei eine
oszilierende Kondensatorplatte verwendet wird, deren Ladungsverschiebung
einen Wechseletrom durch den Prüfling
treibt. Die Wechselwirkung zwischen Kondensator, Prüfling und
Luftabstand ergibt ein Kontaktpotential als Maß des Oberflächenwiderstandes,
das in einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung weiterverarbeitet
wird. Die auf einem in x-y-Richtung verfahrbaren Tisch befindliche
Messfläche
wird mittels einer von einer Steureinrichtung gesteuerten Positioniervorrichtung relativ
zu den Kontakten der Messsonde in die einzelnen Messpositionen verfahren,
so dass sich relativ lange Messzeigen ergeben. Bei dem vorgeschlagenen
Messprinzip ist außerdem
schwierig, genaue Messergebnisse sicherzustellen, da die Messungen empfindlich
gegenüber
Erschütterungen,
Störfeldern, Temperatur,
Feuchte und ähnlichen
Umgebungsbedingungen sind.
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In
der
DE 34 01 058 A1 ist
eine Kelvin-Messeinrichtung zur Widerstandsmessung auf der Oberfläche von
Walzstählen
vorgeschlagen, bei der die Spitzen der bei der Kelvin-Methode verwendeten
vier Anschlusselektroden unter Anwendung von Druckkraft auf der
Messfläche
gehalten werden, wobei zwischen den gegenüberliegenden äußeren Anschlusselektroden
ein Strom niedriger Frequenz hindurchgeleitet wird und die Potentialdifferenz
zwischen den beiden anderen, innenliegenden Anschlusselektroden
festgestellt wird, um daraus den Widerstandswert zu bestimmen. Auch
mit einer solchen Vorgehensweise ist es aufwändig, größere Messflächen zuverlässig zu vermessen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung bereitzustellen,
mit der zuverlässige,
reproduzierbare Widerstandesmessungen von Oberflächen eines Prüflings schnell
und mit möglichst
wenig Aufwand durchführbar
sind.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Durch
diesen Aufbau mit der Matrixanordnung der Kontakteinheiten und daran
enthaltenen Kontakte sind bei der Messung stets eindeutige Positionen
vorgegeben, so dass die Wiederstandsmessungen über eindeutig definierte Messabstände gewährleistet
sind. Alle Kontakte können
während
der Messung auf der Oberfläche
in Berührung
gebracht werden und auf dieser vorbleiben, während die Abtastung elektronisch
innerhalb kurzer Zeit abläuft.
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Ein
vorteilhafter Aufbau mit relativ geringem Verdrahtungsaufwand ergibt
sich dadurch, dass die Zuordnungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung in
einer gemeinsamen Steuerelektronik ausgebildet sind und dass jede
Kelvin-Messeinheit eine von der Zuordnungseinrichtung ansteuerbare
Schaltelementeanordnung aufweist, mit denen die Kontakteinheiten
zeitsequentiell über
vier Terminals an ein Kelvin-Messgerät anschaltbar
sind. Zwischen den vier Terminals und dem Kelvin-Messgerät sind lediglich vier
Anschlussleitungen erforderlich.
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Eine
eindeutige Steuerung zum Erfassen der Messwerte pro Kontaktmodul
bei einfachem, übersichtlichem
Aufbau wird dadurch erreicht, dass das Kelvin-Messgerät an die
Steuerelektronik angeschlossen ist und von der Zuordnungseinrichtung zeitsynchron
mit der Schaltelementeanordnung zum Erfassen von Widerstandsmesswerten
pro Kontakteinheit ansteuerbar ist.
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Für die Erfassung
und eine Weiterverarbeitung der Widerstandsmesswerte sind weiterhin
die Maßnahmen
vorteilhaft, dass die Messwerte unter jeweiliger örtlicher
Zuordnung pro Kontakteinheit in dem Kelvin-Messgerät und/oder
in einer dieses angeschlossenen Speichereinrichtung der Steuerelektronik
speicherbar sind.
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Dabei
bestehen vorteilhafte alternative Ausgestaltungen darin, dass die
Widerstandsmesswerte in dem Kelvin-Messgerät und/oder der Auswerteeinrichtung
weiterverarbeitbar sind.
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Verschiedene
günstige
Ausführungsmöglichkeiten
bestehen darin, dass an vier Terminals alle oder eine Gruppe von
Kontakteinheiten über
ihre jeweilige Schaltelementeanordnung angeschlossen sind/ist.
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Ist
vorgesehen, dass die Steuerelektronik zur Datenweitergabe und/oder
zum Anschluss an eine weitere Steuereinrichtung eine Schnittstelle
aufweist, so können
die Daten an weitere Verarbeitungseinrichtungen, wie z. B. eine übergeordnete
Prozesssteuerung in einer Fertigungslinie übertragen werden und auch Einfluss
auf die Durchführung
der Messungen genommen werden.
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Bei
relativ einfachem, übersichtlichem
Aufbau werden zuverlässige
Messergebnisse dadurch sichergestellt, dass die Terminals aus massivem
Metall bestehen und jeweils von einem Anschlusspunkt über eine
wiederstandsgleiche Messleitung mit dem Messgerät verbunden sind und, dass
die Kontakteinheiten jeweils über
eine widerstandsgleiche Messleitung mit dem Kelvin-Messgerät verbunden
sind und dass die Kontakteinheiten jeweils über wiederstandsgleiche Verbindungsleitungen über die
Schaltelementeanordnung mit ihren entsprechenden Kontakten an die
Terminals an von dem Anschlusspunkt widerstandsgleich entfernten.
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Anschlussstellen
angeschlossen sind. Als Terminals sind insbesondere Metallblöcke aus
Kupfer geeignet, wobei die Anschlussstellen z. B. alle gleich weit
von dem Anschlusspunkt zum Messgerät angeordnet sind.
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Ein
vorteilhafter Aufbau wird dadurch erreicht, dass die vier Kontakte
einer Kontakteinheit in einem gemeinsamen Kontaktmodul oder zu je
zwei in zwei getrennten, einander zugeordneten Kontaktmodulen in
einem Isolierkörper
eingebettet sind.
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Für eine einfache,
eindeutige Anordnung der Kontaktmodule ist vorteilhaft vorgesehen,
dass die Kontaktmodule in einer x-Richtung entlang einer Trägerschienenanordnung
mit mindestens einer Trägerschiene
aufgereiht sind.
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Dabei
wird eine parallele Anordnung der Reihen von Kontaktmodulen dadurch
einfach ermöglicht,
dass eine Trägerschiene
oder mehrere in y-Richtung zueinander parallel versetzte Trägerschienen
an einem Trägergestell
gelagert ist/sind. Dabei kann der Aufbau derart sein, dass sowohl
der Abstand innerhalb der Reihen als auch zwischen den Reihen verstellbar
und festlegbar ist.
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Ein
geringer Platzbedarf und eine sichere, störungsfreie Kontaktgabe werden
dadurch erreicht, dass die Schaltelementanordnug als Schaltelemente Reedrelais
aufweist.
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Mit
den angegebenen Maßnahmen
werden sowohl integrale Widerstandsmessungen als auch Einzelpunktmessungen
unter entsprechender Programmierung der Steuerelektronik durchführbar, wobei
auch das Messraster über
die Steuerelektronik geeignet wählbar
ausgelegt werden kann. Mittels der integralen Flächenwiderstandsbestimmung können z.
B. die Homogenität
leitender Flächen,
Folien, Solarzellen, Membranen oder Filter untersucht werden. Mittels
der Steuerelektronik und eines angeschlossenen Sichtgeräts können die
Messergebnisse über
die Fläche
dreidimensional angezeigt oder mittels Zahlenangaben dargestellt
werden. Es lassen sich statistische Auswertungen, beispielsweise
eine Gut-Schlecht-Beurteilung vornehmen und ein Herstellungsprozess
entsprechend steuern.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung einer Kelvin-Messeinrichtung,
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2 ein
Kontaktmodul der Messeinrichtung in perspektivischer Darstellung,
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3 mehrere
aneinandergereihte Kontaktmodule in perspektivischer Darstellung,
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4 zwei
nebeneinander liegende Reihen von Kontaktmodulen in perspektivischer
Darstellung und
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5 eine
Matrix mit in x-y-Anordnung positionierten Kontaktmodulen.
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Bei
einer in 1 gezeigten Kelvin-Messeinrichtung
sind mehrere Kontakte 1 eines Kontaktarrays bzw. einer
Kontaktanordnung 6 von Kelvin-Messeinheiten auf einer Messfläche in Form
einer Oberfläche
aufgesetzt, um zwischen Kelvin-Kontakteinheiten
mit jeweils vier Kontakten 1 vorhandene Widerstände R1...
Rn zu messen. Die äußeren Kontakte 1.1,
auch als Source-Kontakte oder Drive- oder Forcing-Kontakte bezeichnet, dienen
zum Einleiten eines Konstantstroms in den Prüfling. Die inneren Kontakte 1.2,
auch als Sensing-Kontakte bezeichnet, dienen dem Abgriff der abfallenden
Messspannung am Prüfling,
die einem hochohmigen Voltmeter in einem Kelvin-Messgerät 10,
zugeführt
wird. Hierbei ist der Spannungsabfall an dem Sense-Kontaktwiderstand
vernachlässigbar,
weil der Messstrom, bedingt durch den hochohmigen Innenwiderstand
des Voltmeters ebenfalls vernachlässigbar ist. Kontaktübergangswiderstand
und Zuleitungen im Source-Kreis werden hierbei kompensiert. Somit
wird bei direkter Kontaktierung am Prüfling der wahre Ohmwert des Widerstands
R gemessen.
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Die
Kontakte 1 sind vorzugsweise direkt mittels Verbindungsleitungen 3,
beispielsweise abgeschirmten Koaxialkabeln mit Schaltelementen einer Schaltelementeanordnung 8 verbunden
und von dort über
weitere Verbindungsleitungen 3 an Kelvin-Terminals 7 angeschlossen.
Die Verbindungsleitungen 3 besitzen möglichst gleiche Widerstände, die
Schaltelemente sind beispielsweise Reedkontakte, die leicht und
störungsfrei
ansteuerbar sind.
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Die
aus massivem gut leitfähigem
Metall, insbesondere Kupfer bestehenden Terminals 7 sind über z. B.
koaxiale, widerstandsgleiche Messleitungen 9 an Messeingänge des
Kelvin-Messgeräts 10 angeschlossen.
Die Anschlussstellen der Verbindungsleitungen 3 an den
Terminals 7 sind gleich weit von dem Anschlusspunkt der
Messleitung an dem entsprechenden Terminal 7 zum Gewährleisten
eines gleichen Widerstands angeschlossen.
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Das
Kelvin-Messgerät 10 und
die Schaltelemente der Schalteranordnung 8 werden zeitsynchron mittels
einer Zuordnungseinrichtung 11.3 einer Steuerelektronik 11 zur
Aufnahme des Widerstands-Messwerts angesteuert, wobei der Messwert in
dem Messgerät 10 gespeichert
werden kann und/oder über
eine entsprechende Anschlussleitung in eine Speichereinrichtung 11.1 der
Steuerelektronik 11 übertragen
und dort zur Weiterverarbeitung mittels einer Auswerteeinrichtung 11.4 der
Steuerelektronik 11 abgelegt werden kann. Die Steuerelektronik 11 besitzt
des Weiteren eine Schnittstelle 11.2, über die sie Daten an eine oder
von einer weiteren Steuereinrichtung, beispielsweise einer übergeordneten
Prozesssteuerung ausgeben bzw. empfangen kann.
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Bei
der vorliegenden Kelvin-Messeinrichtung sind eine Anzahl von Kontaktmodulen 2 mit
jeweils zwei in einem Isolierkörper
aufgenommenen Kontakten 1 matrixartig positioniert. Zwei
nebeneinander liegende oder sich gegenüberliegende Kontaktmodulen 2 bilden
eine Kelvin-Anordnung mit einer Kontakteinheit aus Kontakten 1.
Die zwei einander zugeordneten Kontaktmodule 2 sind über vier
Verbindungsleitungen 3 und Schaltelemente der Schaltelementanordnung 8 mit
den vier mit dem Kelvin-Messgerät 10 verbundenen
Terminals 7 verbunden. Mittels der Zuordnungseinrichtung 11.3 werden
die einzelnen Kelvin-Kontakteinheiten über die
jeweils zugeordnete Schaltelementeanordnung 8 über die
vier Terminals 7 durch zeitsequenzielle Ansteuerung der
jeweiligen Schaltelementeanordnung 8 an das Messgerät 10 angelegt,
wobei die Messwerte bereits in dem Messgerät 10 oder aber erst
in der Steuerelektronik 11 mit den entsprechenden Adressen
der Kontaktmodule 2 oder betreffenden Kelvin-Kontakteinheiten
bzw. der Messpositionen in der Messmatrix belegt werden. Die jeweiligen
Schaltelemente werden ebenfalls über entsprechende
Adressen angesteuert. Nach Ende einer Messfolge, die entsprechend
programmiert werden kann und z. B. nicht alle durch die Matrix mit
den Kontaktmodulen 2 oder Kontakteinheiten vorgegebenen
Messpositionen umfassen muss, können
die Messwerte nach entsprechender Auswertung und grafischer Aufbereitung
durch die Messwerteeinrichtung 11.4 mittels einer angeschlossenen
Anzeigevorrichtung dargestellt werden.
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Wie 2 zeigt,
sind in einem Isolierkörper eines
Kontaktmoduls 2 zwei parallele Kontakte 1 angeordnet.
Der obere Teil des Kontaktmoduls 2 ermöglicht die Kontaktierung der
Verbindungsleitungen 3a; alternativ können die Kontakte 1 aus
dem oberen Abschnitt seitlich herausgeführt und an seitliche Verbindungsleitungen 3b angeschlossen
sein. Eine durchgehende Ausnehmung im oberen Abschnitt der Kontaktmodule 2 dient
zum Durchführen
einer Trägerschiene 4,
die beispielsweise auch aus zwei Teilschienen bestehen kann. Die
Kontaktmodule 2 können
aneinanderliegend oder unter Abstand in gewünschter Anzahl und Auslegung
der Messeinrichtung auf der Trägerschienenanordnung 4 angeordnet und
fixiert werden.
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Um
die vier Kontakte, zwei Source-Kontakte 1.1 und zwei Sense-Kontakte 1.2,
zu erhalten, können
zwei Kontaktmodule 2 sich gegenüberliegend auf zwei Trägerschienenanordnungen 4 angeordnet werden,
um die Messanordnung nach 1 zu erhalten.
Es ist aber auch denkbar, alle vier Kontakte einer Kelvin-Messeinheit bzw.
Kontakteinheit in demselben Kontaktmodul 2 unterzubringen
oder zwei auf einer Trägerschiene
nebeneinanderliegende Kontaktmodule 2 mit je zwei Kontakten 1.1, 1.2 zu
einer Kelvin-Kontakteinheit miteinander zu kombinieren und auch
in der Steuerelektronik einander zuzuordnen.
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Wie
in 4 gezeigt, können
mehrere in x-Richtung aufgereihte Kontaktmodule 2 einer
ersten Trägerschiene 4.1 parallel
zu in y-Richtung beabstandeten, auf einer zweiten Trägerschiene 4.2 oder weiteren
Trägerschienen
aufgereihten Kontaktmodulen 2 angeordnet werden, um eine
flächige
Anordnung von Kontaktmodulen 2 zu erhalten. Die Trägerschienenanordnung 4 ist
auf einem Trägergestell 5 in Form
eines Gestellrahmens angeordnet, so dass die Trägerschienen 4.1, 4.2 auch
in unterschiedlichem Abstand zueinander positioniert und fixiert
werden können.
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5 zeigt
eine flächenartige
Anordnung von Kontaktmodulen 2 mit ihren Kontakten 1. Über die
Schaltelementeanordnung 8 mit den Reedrelais können somit
die einzelnen Kontakteinheiten als Kontaktarrays wahlfrei angesteuert
werden.
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Mit
dem beschriebenen Aufbau lässt
sich eine integrale Widerstandsmessung entsprechend der Größe der Matrixanordnung
in kurzer Zeit, beispielsweise im Sekundenbereich zuverlässig durchführen, wobei
sich z. B. Flächen
der Größe von 200 × 200 mm
bis 30 × 30
mm in der beschriebenen Weise vermessen lassen. Die Kelvin-Messmethode
ergibt dabei genaue Messwerte insbesondere im Ohm-Bereich und Milliohm-Bereich
und lässt
damit Rückschlüsse auf
die Beschaffenheit der Oberfläche, wie
z. B. einer leitenden Lackschicht, einer galvanischen Beschichtung
oder anderen Oberflächenschichten
oder des Innenwiderstandes von Solarzellen, Membranen, Filtern oder
Folien zu.