DE10235124B4 - Messeinrichtung zum elektrischen Vermessen der Oberfläche eines Prüflings - Google Patents

Messeinrichtung zum elektrischen Vermessen der Oberfläche eines Prüflings Download PDF

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Abstract

Messeinrichtung zum elektrischen Vermessen der Oberfläche eines Prüflings mit mindestens einer Messeinheit, die eine Kontakteinheit aufweist mit mehreren der Oberfläche zuordenbaren Kontakten (1), einer Zuordnungseinrichtung (11.3), in der die Position der Kontakteinheiten gespeichert oder speicherbar ist, sowie einer Auswerteeinrichtung (11.4),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung als Kelvin-Messeinrichtung zum Messen von Flächenwiderständen ausgebildet ist, die mehrere Kelvin-Messeinheiten mit jeweils vier zur direkten Kontaktierung der Oberfläche angeordnete Kontakte (1) aufweist, von denen vier als Kontakteinheit in einem gemeinsamen Kontaktmodul (2) oder je zwei in zwei getrennten, einander zugeordneten Kontaktmodulen (2) angeordnet sind, und
dass die Kelvin-Messeinrichtung mehrer in einer Matrix angeordnete Kontakteinheiten aufweist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zum elektrischen Vermessen der Oberfläche eines Prüflings nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dabei bestehen vorteilhafte alternative Ausgestaltungen darin, dass die Widerstandsmesswerte in dem Kelvin-Messgerät und/oder der Auswerteeinrichtung weiterverarbeitbar sind.
  • Verschiedene günstige Ausführungsmöglichkeiten bestehen darin, dass an vier Terminals alle oder eine Gruppe von Kontakteinheiten über ihre jeweilige Schaltelementeanordnung angeschlossen sind/ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein geringer Platzbedarf und eine sichere, störungsfreie Kontaktgabe werden dadurch erreicht, dass die Schaltelementanordnug als Schaltelemente Reedrelais aufweist.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Blockdarstellung einer Kelvin-Messeinrichtung,
  • 2 ein Kontaktmodul der Messeinrichtung in perspektivischer Darstellung,
  • 3 mehrere aneinandergereihte Kontaktmodule in perspektivischer Darstellung,
  • 4 zwei nebeneinander liegende Reihen von Kontaktmodulen in perspektivischer Darstellung und
  • 5 eine Matrix mit in x-y-Anordnung positionierten Kontaktmodulen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Messeinrichtung zum elektrischen Vermessen der Oberfläche eines Prüflings mit mindestens einer Messeinheit, die eine Kontakteinheit aufweist mit mehreren der Oberfläche zuordenbaren Kontakten (1), einer Zuordnungseinrichtung (11.3), in der die Position der Kontakteinheiten gespeichert oder speicherbar ist, sowie einer Auswerteeinrichtung (11.4), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung als Kelvin-Messeinrichtung zum Messen von Flächenwiderständen ausgebildet ist, die mehrere Kelvin-Messeinheiten mit jeweils vier zur direkten Kontaktierung der Oberfläche angeordnete Kontakte (1) aufweist, von denen vier als Kontakteinheit in einem gemeinsamen Kontaktmodul (2) oder je zwei in zwei getrennten, einander zugeordneten Kontaktmodulen (2) angeordnet sind, und dass die Kelvin-Messeinrichtung mehrer in einer Matrix angeordnete Kontakteinheiten aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungseinrichtung (11.3) und die Auswerteeinrichtung (11.4) in einer gemeinsamen Steuerelektronik (11) augebildet sind und dass jede Kelvin-Messeinheit eine von der Zuordnungseinrichtung (11.3) ansteuerbare Schaltelementeanordnung (8) aufweist, mit denen die Kontakteinheiten zeitsequentiell über vier Terminals (7) an ein Kelvin-Messgerät (10) anschaltbar sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kelvin-Messgerät (10) an die Steuerelektronik (11) angeschlossen ist und von der Zuordnungseinrichtung (11.3) zeitsynchron mit der Schaltelementeanordnung (8) zum Erfassen von Wiederstandsmesswerten pro Kontakteinheit ansteuerbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederstands-Messwerte unter jeweiliger örtlicher Zuordnung pro Kontakteinheit in dem Kelvin-Messgerät (10) und/oder in einer an dieses angeschlossenen Speichereinrichtung (11.1) der Steuerelektronik (11) speicherbar sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederstands-Messwerte in dem Kelvin-Messgerät (10) und/oder der Auswerteeinrichtung (11.4) weiterverarbeitbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an vier Terminals (7) alle oder eine Gruppe von Kontakteinheiten über ihre jeweilige Schaltelementeanordnung (8) angeschlossen sind/ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (11) zur Datenweitergabe und/oder zum Anschluss an eine weitere Steuereinrichtung eine Schnittstelle (11.2) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Terminals (7) aus massivem Metall bestehen und jeweils von einem Anschlusspunkt über eine widerstandsgleiche Messleitung (9) mit dem Kelvin- Messgerät (10) verbunden sind, und dass die Kontakteinheiten jeweils über eine widerstandsgleich Messleitung (9) mit dem Kelvin-Messgerät (10) verbunden sind und dass die Kontakteinheiten jeweils über widerstandsgleiche Verbindungsleitungen (3) übet die Schaltelementeanordnung (8) mit ihren entsprechenden Kontakten (1) an die Terminals (7) an von dem Anschlusspunkt widerstandsgleich entfernten Anschlussstellen angeschlossen sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Kontakte (1) einer Kontakteinheit in einem gemeinsamen Kontaktmodul oder zu je zwei in zwei getrennten, einander zugeordneten Kontaktmodulen (2) in einem Isolierkörper eingebettet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmodule (2) in einer x-Richtung entlang einer Trägerschienenanordnung (4) mit mindestens einer Trägerschiene (4.1, 4.2) aufgereiht sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerschiene (4.1) oder mehrere in y-Richtung zueinander parallel versetzte Trägerschienen (4.1, 4.2) an einem Trägesgestell (5) gelagert sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelementeanordnung (8) als Schaltelemente Reedrelais aufweist.
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