DE1040263B

DE1040263B - Method and apparatus for measuring the thickness of thin insulating layers

Info

Publication number: DE1040263B
Application number: DEV13782A
Authority: DE
Inventors: Ragnar Veimo
Original assignee: RAGNAR VEIMO
Current assignee: RAGNAR VEIMO
Priority date: 1957-02-06
Filing date: 1958-01-30
Publication date: 1958-10-02

Description

Verfahren und Apparat zur Messung der Dicke von dünnen isolierenden Schichten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und. eine Vorrichtung zur Messung der Stärke von dünnen isolierenden Schichten auf Metallen. Für die Durchführung solcher Messungen sind viele Verfahren bekannt, deren Wirkung auf einem mikroskopischen, mechanischen, chemischen oder elektrochemischen. elektrischen oder elektromagnetischen oder auch elektronenoptischen Effekt beruht. Method and apparatus for measuring the thickness of thin insulating Layers The invention relates to a method and. a device for measuring the strength of thin insulating layers on metals. For the implementation Many methods of such measurements are known, the effect of which on a microscopic, mechanical, chemical or electrochemical. electrical or electromagnetic or electron-optical effect is based.

Die Wahl des in den einzelnen besonderen Fällen zu verwendenden Verfahrens hängt von der Natur der Schicht und von der Art und Form des Trägermetalls ab. Ferner ist die Wahl des Verfahrens auch davon abhängig. ob die Messung als laufende Kontrolle eines Herstellungsprozesses oder ob sie als Laboratoriumsuntersuchung durchgeführt werden soll. Für die laufende Kontrolle ist es wünschenswert, eine einfache und schnelle Methode zu haben, die auch vorzugsweise von einer solchen Art sein sollte, daß das Material nicht zerstört wird. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, daß keine der vorhandenen Methoden Ergebnisse mit zufriedenstellender Genauigkeit liefert, wenn sie in Verbindung mit sehr dünnen Schichten im Bereich unterhalb etwa 15 u verwendet werden. The choice of procedure to be used in each particular case depends on the nature of the layer and on the type and shape of the carrier metal. Further the choice of the procedure also depends on it. whether the measurement as an ongoing control a manufacturing process or whether it is carried out as a laboratory test shall be. For ongoing control it is desirable to have a simple and to have a fast method, which should also preferably be of the kind that the material is not destroyed. However, it has been found in practice that none of the existing methods results with satisfactory accuracy when used in conjunction with very thin layers in the range below about 15 u can be used.

Die Erfindung bezweckt, schnelle und zuverlässige Messungen von dünnen isolierenden Schichten auf Metallen auch nach einem an sich bekannten Prinzip nämlich dem der Kapazitätsmessung, zu ermöglichen. The invention aims to provide quick and reliable measurements of thin insulating layers on metals also according to a principle known per se that of the capacitance measurement.

Dieses Prinzip hat sich bisher als nicht zufriedenstellend erwiesen, vor allem deshalb, weil es an einer praktisch verwendbaren Ausstattung für die laufenden Messungen fehlte.This principle has so far proven to be unsatisfactory, mainly because there is practical equipment for running Measurements were missing.

Mit der Anordnung nach der Erfindung ist es dagegen möglich, die Stärke von dünnen isolierenden Schichten auf Metallen mit größerer Genauigkeit zu bestimmen als es mit allen anderen bekannten, schnelle Messungen zulassenden Niethoden einer Art. bei der das Material nicht zerstört wird, möglich war. With the arrangement according to the invention, however, it is possible that Thickness of thin insulating layers on metals with greater accuracy than any other known testicle that allows rapid measurements a way in which the material is not destroyed was possible.

Als den Verwendungsbereich kennzeichnendes Beispiel sei z. B. die Lackierung von metallischen Materialien und Erzeugnissen, die als Verpacloung für Nahrungsmittel verwendet werden, genannt, bei denen es erforderlich ist, das Metall gegen Korrosion zu schützen. Die verwendeten Lackschichten weisen itl diesem Fall ein Stärke von etwa 1,0 his 20 µ auf. Dieses Beispiel ist jedoch nicht als eine Begrenzung des Verwendungsgebietes der vorliegenden Erfindung zu verstehen. As an example characterizing the area of use, z. B. the Painting of metallic materials and products used as packaging for Foods used are called, which require the metal to protect against corrosion. The lacquer layers used show itl in this case a thickness of about 1.0 to 20 µ. However, this example is not considered one Limitation of the field of use of the present invention to be understood.

Das Verfahren nach der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß als die rille El'ektrode hei der Kapazitätsmessung eine Metallfolie verwendet wird, die an die zu messende Schicht angepreßt wird und die selbst mittels eines plastisch oder elastisch deformierbaren Mediums derart unterstützt wird, daß sie gezwungen wird, sich der Oberfläche der Schicht anzupassen, wodurch diese Folie, der sogenannte Fühler, sich derart an allen Stellen der Schicht anlegt, daß ein genauer Abdruck der Oberfläche derselben gebildet wird. The method according to the invention is essentially characterized in that that a metal foil is used as the groove electrode in the capacitance measurement which is pressed against the layer to be measured and which itself by means of a plastically or elastically deformable medium is supported in such a way that it is forced to adapt to the surface of the layer, whereby this film, the so-called sensor, is applied to all points of the layer in such a way that a exact replica of the surface thereof is formed.

Da man gefunden hat, daß die Genauigkeit des Meßergebnisses vom verwendeten Flächendruck alihängt, wird das Verfahren zweckmäßig unter Verwendung von steuerbarem Druck ausgeführt. Since it has been found that the accuracy of the measurement result depends on the used Depending on surface pressure, the method is expediently using controllable Pressure carried out.

Eine Schwierigkeit bei der Anwendung der Kapazitätsmessung für die Feststellung der Stärke von dünnen isolierenden Schichten besteht darin, daß solche Schichten oft kleine Fehlstellen in der Form von Poren. Rissen oder anderen Defekten aufweisen. One difficulty in applying capacitance measurement to the Establishing the strength of thin insulating layers is that such Layers often have small imperfections in the form of pores. Cracks or other defects exhibit.

Dadurch werden sehr häufig Streuströme oder Kurzschlüsse in dem zu messenden Kondensator verursacht, worin die Schicht eingeht. Diese Sdiwierigkeit wird erfindungsgemäß dadurch beholfen, daß auf den Fiihler eine dünne isolierende Schicht aufgetragen wird.As a result, stray currents or short circuits in the too are very frequent measuring capacitor causes, into which the layer goes. This difficulty is helped according to the invention that a thin insulating Layer is applied.

Selbst wenn die zwei isolierenden Schichten, die zusammengepreßt werden, jede für sich kleine Fehlstellen aufweisen, ist die Wahrscheinlichkeit sehr klein, daß solche Fehlstellen zusammenfallen.Even if the two insulating layers that are pressed together each have small flaws, the probability is very small that such defects coincide.

Die praktische Meßausrüstung zur Ausübung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann so verschiedenartig ausgeführt werden, wie es die verschiedenen zufriedenzustellenden Bedürfnisse erforderlich erscheinen lassen. Zweckmäßig wird aller das Gerät als Presse ausgebildet, deren Preßplatten als Elektroden ausgeführt sind und dazu eingerichtet sind, unter oder zwischen sich ein zu prüfendes Proliestück aufzunehmen. Die Preßplatte. die zum Atil i geh auf der zu messenden Schicht eingerichtet ist, ist dabei zweckmäßig mit einer plastischen oder elastischen Unterlage versehen, deren Oberfläche leitend ist und die vorzugsweise mit einem isolierenden Belag auf der freien Oberfläche ausgestattet ist. The practical measuring equipment for practicing the procedure according to the The present invention can be embodied as variously as the various ones Make satisfactory needs appear necessary. Will be expedient all the device designed as a press, the press plates designed as electrodes are and are set up, under or between them a Proliestück to be tested to record. The press plate. who go to Atil i on the to be measured Layer is set up, is expedient with a plastic or elastic Provided base, the surface of which is conductive and preferably with a insulating covering is fitted on the free surface.

Um die Vorrichtung für die Messung von isolierenden Schichten auf sich bewegenden Materialbahnen geeignet zu machen. kann die Presse derart eingerichtet sein. daß sie sich mit der Materialbahn bewegt. To the device for the measurement of insulating layers on to make moving material webs suitable. can set up the press like this be. that it moves with the web of material.

An Hand der Zeichnung ist an einem Beispiel heschrieben, wie eine Vorrichtung nach der Erfindung ausgeführt werden kann für die Messung der Stärke von dünnen Lackschichten auf platten- oder bandförmigem Material. Ausschnitten von Tulxn. Dosen u. dgl. On the basis of the drawing, an example is written about how one Device according to the invention can be carried out for the measurement of strength of thin layers of lacquer on plate or tape-shaped material. Excerpts from Tulxn. Cans and the like

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Presse mit elektrischem Meßinstrument: Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die untere Druckplatte; Fig. 3 zeigt einen Grundriß der unteren Druckplatte nach Fig. 1. Fig. 1 is a schematic side view of a press with electric Measuring instrument: Fig. 2 shows a vertical section through the lower pressure plate; FIG. 3 shows a plan view of the lower pressure plate according to FIG. 1.

In der Zeichnung ist 1 die Presse, die für Druckluftantrieb mit nicht gezeigtem Steuerventil, Reduktionsventil für die Einstellung des Druckes sowie Druckmesser ausgerüstet sein kann. Die Presse 1 ist mit einer oberen und unteren Druckplatte 2 bzw. 3 augerüstet, von denen jede einen Isolator 4 enthält, so daß die Teile der Druckplatten. die einander gegenüberliegen, von der übrigen Presse elektrisch isoliert sind und als Elektroden in einem Kondensator unter Verwendung eines Meßinstrumentes 5 dienen können. In the drawing, 1 is the press that is not used for compressed air drive shown control valve, reduction valve for setting the pressure and pressure gauge can be equipped. The press 1 is provided with an upper and a lower pressure plate 2 and 3 equipped, each of which contains an insulator 4, so that the parts of the Printing plates. facing each other, electrically isolated from the rest of the press and as electrodes in a capacitor using a measuring instrument 5 can serve.

L)ie untere Druckplatte 3 ist. wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, mit einer zentralen Unterlage 6 aus Gummi oder einem ähnlichen elastisch oder plastisch deformierbaren Material versehen, wobei die Unterlage mit einer Metallfolie 7 bedeckt ist. die eiiien oder mehrere Kontaktvorsprünge 8 aufweist und mit einem isolierenden Belag 9 bedeckt ist. 10 ist das Probestück, das auf seiner Unterseite den Belag trfigt, dessen Stärke zu messen ist.L) he lower pressure plate 3 is. as shown in Figs. 2 and 3, with a central pad 6 made of rubber or a similar elastic or plastic Deformable material provided, the base covered with a metal foil 7 is. which has one or more contact projections 8 and with an insulating Deck 9 is covered. 10 is the test piece that has the covering on its underside whose strength is to be measured.

Unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante des für die isolierende Schicht verwendeten Materials. ein Faktor. der ein fiir allemal für die verschiedenen in Betracht kommenden Materialien festgelegt sein kann, hängt der am Instrument 5 abgelesene Kapazitätswert nur von der Stärke der Schicht ab, weiiil die Konstante der Vorrichtung, darunter der Flächeninhalt des Probestückes, festgelegt ist. Taking into account the dielectric constant of the for the insulating Layer of material used. a factor. once and for all for the different The materials that can be considered depends on the instrument The capacitance value read off only depends on the thickness of the layer, because the constant of the device, including the surface area of the test piece, is determined.

Die Vorrichtuiig ist somit fiir ciii laufende Kontrolle eines Herstellungsprozesses geeignet. Es ist aber zu bemerken, daß der gemessene Kapazitätswert mit steigendem Flächendruck zunimmt, und es ist deshalb notwendig, einen möglichst konstanten Druck in der Presse während einer Messungsreihe aufrechtzuerhalten. The device is thus for continuous control of a manufacturing process suitable. It should be noted, however, that the measured capacitance value increases with increasing Surface pressure increases, and it is therefore necessary to keep the pressure as constant as possible in the press during a series of measurements.

An Stelle der in der Zeichnung gezeigten ebenen Druckflächen können sell>stverständlich auch Flächen irgendwelcher anderer Formen verwendet werden, je nach der Form der zur Messung vorliegenden Probestücke. Instead of the flat pressure surfaces shown in the drawing, you can sell> of course also areas any other forms are used, depending on the shape of the test pieces to be measured.

I)a eine Kapazitätsmessung grundsätzlich im Laufe einer sehr kurzeii Zeit vorgenommen werden kann. ist es ohne weiteres möglich, die Vorrichtung auch für eine halbkontinuierliche oder automatische Kontrolle von sich bewegenden Materialien vorzusehen, indem z. B. die Druckplatten oder die ganze Presse derart eiiigerichtet sind, daß das Material während einer kurze Zeit begleitet wird. I) a capacitance measurement basically in the course of a very short ii Time can be made. it is easily possible, the device too for semi-continuous or automatic control of moving materials to be provided by z. B. the printing plates or the whole press in such a way are that the material is accompanied for a short time.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Method of measuring strength of thin electrically insulating layers on metals by measuring capacitance, the layer to be measured being under pressure between the electrodes of a capacitor is held, characterized in that as the one electrode in the capacitance measurement a WIetal foil is used, which is against the layer to be measured using a plastically or elastically deformable medium is pressed with such a pressure is that the film is forced to conform to the surface of the layer.

2. The method according to claim 1, characterized. that the pressure with which the foil electrode is placed against the layer to be measured, controlled will.

3. The method nadi claim 1 and 2, characterized in that between the foil electrode and the layer to be measured an electrically insulating 5 layer is arranged.

4, device for carrying out the method according to claim 1 to 3, characterized. that it comprises a press (t) whose pressure plates (2 hzw. 3) as electrodes holding a specimen to be examined between them are trained.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the pressure plate (3), which rests against the layer whose thickness is to be measured, with a plastic or an elastically deformable base (6> provided with a conductive surface (7)) is.

6. Apparatus according to claim 4 and 5, characterized in that the conductive surface of the deformable substrate as a conductive film insulating covering (9) is carried out.

7. Apparatus according to claim 4 to 6, characterized. that the pressure between the pressure plates of the press is controllable and controllable.

8. Apparatus according to claim 3 to 7, characterized in that set up the press for movement in the horizontal direction during the measurement is.