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"Verfahren zur Messung der Schichtdicke eines Metallbelages auf einer
Isolierstoffbahn Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Messung der
Schichtdicke eines auf eine Isolierstoffbahn kontinuierlich aufgebrachten Metallbelages.
Indirekte bzw. berührungslose Verfahren zur Messung von Schichtdicken sind hinreichend
bekannt. Sie dienen im allgemeinen als Ersatz für mechanische IiReßverfahren, d.h.
für solche Meßverfahren, bei denen die sicke eines Bandes, einer Bahn oder einer
Platte durch einen Meßfühler direkt bestimmt wird. Für kontinuierlich bewegte Materialien
scheidet eine mechanische Schichtdickenmessung meist schon aus dem Grunde aus, weil
die Relativbewegung zwischen dem zu messenden Gut und den Meßwerkzeug eine exakte
erfassung des Meßwertes unmöglich macht. Ausserdem setzen der unver!neidbare Verschleiß
des flesswerkzeugs und/oder des zu messenden Gutes einem solchen Meßverfahren enge
Grenzen.
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In Erkenntnis dieser Tatsache hat man auch schon versucht, direkte
Meßverfahren durch indirekte, wie beispielsweise optische, rsdioaktive und elektrische
Meßverfahren zu ersetzen Die optischen Meßverfahren sind nur bei ganz oder teilweise
licht-durchlässigen Werkstoffen anwendbar. Radioaktive Meßverfahren sind relativ
ungenau bei extrem dünnen Schichten, bedingen aufwendige Meßvorrichtungen und zusätzliche
Sicherheitsnahmen zum Schutze des Bedienun0:s2ersonals.
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Unter den elektrischen Verfa'nren zur Messung ton Schichtdicken sind
in erster Linie die kapazitativen Meßverfahren zu nennen. Lurch die deutsche Patentschri$t
571 752 ist es
beispielsweise he:tannt, ein hinsichtlich seiner
Dicke zu messendes Dielektrikum zwischen zwei Kondensatorplatten hindurchzuführen,
die in einem Zweig einer Brückenschaltung liegen, wobei im anderen Brückenzweig
ein den Sollwert vorgebender Vergleichskondensator liegt. Die Brücke wird mit Wechseltrom
gespeist, und ihre Ausgangsspannung dient als Stellwert für das die Schichtdicke
regelnde Stellglied. Eine solche Anordnung ist zwar geeignet, die Schichtdicke eines
Dielektrikums messen, auch wenn das Dielektrikum aus mehreren Schichten unterschiedlicher
Dielektrizitätskonstanten besteht, sie müsste jedoch versagen, wenn eine der Schichten
hinsichtlich ihrer Dicke im Mikrometerbereich liegt und ausserdem aus Metall besteht.
Selbst relativ grosse Schwankungen der Dicke der etallschicht hätten nur geringe
Veränderungen der Kapazität zwischen den Kondensatorplatten zur Folge, die auch
dann als Meßwert oder Regelsignal nicht brauchbar sind, wenn sie verstärkt werden.
Geringfügige, aber unvermeidliche Dickenschwankungen des Trägers der Metallachicht
würden die Veränderung der Kapazität aufgrund der Dickenänderung der Metallschicht
überdecken. Durch die deutsche Patentschrift 1 001 494 ist es auch schon bekannt,
eine Führungrnalze anstelle der einen Kondensatorplatte zu verwenden. Dies ändert
jedoch nicht an dem prinzipiellen elektrischen MufRau der Meßstrecke im Sinne der
vorstehenden Ausführungen, so daß auch diese bekannt Einrichtung zur Messung von
auf isolierstoffbahnen aufgebrachten Metallschichten unbrauchbar ist.
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Die eingangs gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Isolierstoffbahn auf der dem Metallbelag abgewandten Seite über 2 im Abstand
voneinander befindliche isolierte, metallische Führungskörper bewegt wird9 die an
eine vorzugsweise hocafrequente Wechselspannung angelegt sind, und daß der aus den
hierdurch gebildeten kapazitiven Widerständen und dem ohm'schen Widerstand des Metallbelages
gebildeten Widerstand als i4aß für die Whichtdicke des Metallbelages dient.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist bevorzugt dafür geeignet, die
Schichtdicken von im Vakuum auf Isolierstoffbahnen aufgebrachte Metallbelägen zu
messen und bei Einspeisung des eßwertes in eine Regelvorrichtung auch zu regeln.
Als Amsendungsgebiet kommt beispielsweise die Herstellung von Folien für elektrische
Kondensatoren in Frage, bei denen die Dicke des au -gedampften Metallbelages zwischen
10 6 und 10-4 -4 mm liegt. Als zu steuernde oder zu regelnde Parameter kommen die
Verdampfungsrate des aufzubringenden Metalls und/oder die Bandgeschwindigkeit der
Isolierstoffbahn in Frage. Aber auch für die Anwendung bei der Steuerung oder Regelung
von Prozessen mit Kathodenzerstäubung und bei anderen Beischichtungsverfahren einschliesslich
galvanischer Verfahren ist das erfindungsgemässe Verfahren vorteilhaft anwendbar.
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Fur die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann eine Meßeinrichtung
dienen, bei der die nicht metallisierte Seite der Isolierstoffbahn auf zwei mit
Abstand voneinander angeordneten und gegeneinander isolierten, metallischen Fuhrungskörpern
aufliegt, an denen eine Wechselspannung anliegt, und daß die Führungskörper mit
einem lIe3gerät zur Erfassung des Spannungsabfalls zwischen den Führungskörpern
in elektrisch leitender Verbindung stehen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Neßeinrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fünrungskörper mit der metallisierten Isolierstoffbann
in einen Zweig einer Brückenschaltung liegen, daß im begeniberliegenden Zweig eine
Kapazität C2 angeordnet ist, die der Gesamtkapazität der Anordnung aus Führungskörpern
und Metallbelag entspricht, sowie ein vorzugsweise einstellbarer ohmscher iiiderstand
R2 der dem ohm'schen Widerstand des lietallbelages entspricht beziehungsweise entsprechend
einstellbar ist, und daß die Diagonalspannung der Brücke einem ile£gerät zugeführt
wird. Bei Verwendung eines einstellbarsn, ohmschen widerstandes wird zweckmässigerweise
die Verstellvorrichtung mit erer Skalenteilung versenden. wird jetzt die Diagolalspannung
der
Brücke durch Veränderung des Xiiderstand2s auf Null abgeglichen, so entspricht die
räumliche Lage der Verstellvorrichtung bei gegebener Stärke der Isolierstoffbahn
einer ganz bestimmten Stärke des Metallbelages. Die Skalenteilung der Verstellvorrichtung
läßt sich auf unterschiedliche Dicken und Metallbeläge eichen.
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Die Meßeinrichtung gemäss der Erfindung läßt sich zu einer Regeleinrichtung
erweitern, wenn die Diagonalspannung der Brücke hinsichtlich ihrer Phasenlage einem
Stellglied zuge- -führt wird, daß auf einen oder mehrere Parameter des Beschichtungsverfahrens
einwirkt. Bei Herstellungsverfahren mit hoher Geschwindigkeit der Isolierstoffbahn
empfiehlt es sich ferner, die metallischen Führungskörper als rotierende Walzen
auszubilden, so daß die Reibung zwischen Führungskörper und Isolierstoffbahn ausgeschaltet
ist.
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Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Vorrichtungen und ihrer Wirkungsweise
seien nachfolgend an Hand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert. EB zeigen: Fig. 1
und 2 den prinzipiellen mechanischen Aufbau der Meßvorrichtung, Fig. 3 das elektrische
Ersatzbild hierzu, Fig. 4 und 5 die Anordnung der Meßeinrichtung gemäss Fig.
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1 bis 3 in einer Brückenschaltung, Fig. 6 Zeigerdiagramme der Teilspannungen
an den kapazitiven und ohm-'schen Widerständen und Fig. 7 ein Blockschaltbild der
Erweiterung der Meßeinrichtung zu einer Regelvorrichtung.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Isolierstoffbahn bezeichnet, die sich aus
einer nicht eargestellten Beampfungsvorrichtung kommend, in Pfeilrichtung be-.segt.
Die Isolierstoffbahn wird dabei über zwei gegeneinander isolierte elektrisch leitende
Fuhrungskörper 2 und 3 in 1orm von rotierenden Walzen geführt, die in Transportrichtung
der Isolierstoffbahn hintereinander liegen.
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Die Walzen sind mit Schleifkontakten 4 und 5 versehen, dio zu den
Anschlußklemmen 6 und 7 hochfrequenten Spannungsquelle führen. Die Isolierstoffbahn
1 ist auf der den Walzen 2 und 3 abgekehrten Seite mit einem im Vakuum aufgedampften
Metallbelag 8 versehen. Dieser Metallbelag bildet zusammen mit den Walzen 2 und
3 im Bereich des Umschlingunswinkels d einen Kondensator, bei dem die Isolierstoffbahn
als Dielektrikwm wirkt. Die angelegte, hochfrequente Spannung läßt einen Strom von
der Anschlußklemme 6 Aber den Schleifkontakt 4 zur Walze 2 und von hier durch das
Dielektrikum zum Metallbelag 8 fliessen Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des
Metallbelages fließ der Strom entlang des Belages bis zum Führungskörper 3 und von
hier über den Schleifkontakt 5 zur Anschlußklemme 7. Ss ist ersichtlich, daß der
Strom auf diesem Wege zu Spannungsabfällen führt. Die Spannungsabfälle im Dielektrikum
sind nur Mittel zum Zweck, sie ermöglichen aber einen berührungslosen Stromübergang
auf den mit der Isolierstoffbahn 1 bewegten Metallbelages 8. Durch den Spannungsabfall
im t4etallbelag kann man auf elektrischem Wege, da sich aus dem ohmschen Widerstand
des Metallbelages bei gegebenem Querschnitt und bekanntem Leitwert auf seine Stärke
eindeutig schliessen läßt, die Schichtdicke des Metallbelages bestimmen. Die kapazitiven
Widerstände im Dielektrikum sind rechnerisch erfassbare, konstante Werte, die man
bei der Auswertung des Meßergebnisses berücksichtigen kann. Zum Zwecke der Messung
wird der durch di gesamte Vorrichtung fliessende Strom mittels eines Amperemeters
9 und der gesamte Spannungsabfall zwischen den Anschlußklemmen 6 und 7 mittels eines
Spannungsmessers 10 ermittelt.
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Aus den Messwerten läßt sich der Scheinwiderstand berechnen, aus dem
sich bei gegebener Frequenz der ohm'sche Widerstand des Metallbelages bestimmen
läßt. Bei einer Eichung der Vorrichtung ist diese 1maßnahme überflüssig, da der
Scheinwiderstand in jedem Balle oin EXB für die Schichtdicke des Metallbelages ist.
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Fig. 2 zeigt eine Variante der Ausführung nach Fig. 1, bei der beide
Führungskörper baulich vereint sind. Die Baugruppe hat die Form eines Zylinders
der in Längsrichtung unterteilt ist und aus zwei metallischen bzw. leitfähigen Führungskörpern2
und 3 und einem isolierenden Zwischensttick 22 sämtlich in Form von Walzen gleichen
Durchmessers besteht. Im Gegensatz zu der Einrichtung nach Fig. 1, bei der die Widerstandsmessung
des Metallbelages in Längsrichtung der Isolierstoffbahn erfolgt, wird bei der Einrichtung
nach Fig. 2 der Widerstand in Querrichtung gemessen. Die Anordnung besitzt den zusätzlichen
Vorteil kleinerer Abmessungen.
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Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzbild bei den Anordnungen gemäß
Fig. 1 und 2. Die v:n den Führungskörpern 2 bzw. 3 mit dem Metallbelag 8 gebildeten
Kapazitäten sind hier mit C1 bzw.
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C; bezeichnet und als Kondensatoren dargestellt. Der Ifetallbelag
8 selbst ist durch den ohm'schen Widerstand R1 verkörpert.
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Die Anordnung der Meßgeräte 9 und 1o ist identisch mit der in Fig.
1 bzw. 2.
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In Fig. 4 ist die Reihenschaltung von kapazitiven und ohmschen Widerständen
gemäß Fig. 1, 2 und 3 mit 11 bezeichnet (gestrlchelt umrandet) und in einem Zweig
einer Meßbrücke angeordnet. Der gegenüberliegende Zweig der Meßbrücke enthalt eine
elektrisch gleichwertige Reihenschaltung aus einem Kondensator C2 und einem ohm'schen
Widerstand R2. Die beiden anderen Zweige der Brücke sind mit den ohm'schen Widerständen
R3 und R4 versehen. Die Meßbrücke wird über die Anschlußklemme 6 und 7 an eine hochfrequente
Wechselspannung angeschloßen. Die Diagonalspannung wird an den Klemmen 12 und 13
abgegriffen.
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An diesen Klemmen liegt ein Spannungsmesser 14.
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Die Wirkungsweise einer solchen Anordnung soll an dem nachstehenden
Beispiel näher erläutert werden: Über zwei alten von 100 ma 0 und 300 mm Länge,
die in einem Abstand von 300 ma angeordnet waren, wurde ein mit Aluminium bedampftes
Band aus Polyester geführt. Das Band hatte eine
Stärke von 5 . 10-3
mm, der Metallbelag eine solche von 3n10 6 mm. Bei einem Umschlingungswinkel des
Bandes um die Walzen von α = 86° ergab sich aus der Geometrie der Walzen und
des Metallbelages sowie der Dielektrizitätskonstanten Je eine Kapazität von C1 =
Ci = 90 nF. Da dieser Wert im gegenüberliegenden Brtlckenzweig kompensiert werden
sollte, erhielt der Kondensator C2 eine Kapazität von 45 nF. Der vorgeschriebenen
Schichtdicke des Aluminiumbelages entsprach bei gegebenem Leitwert und gegebener
Bandbreite ein ohm'scher Widerstand R1 5 10 Ohm. Demsufolge wurde der im gegentlberliegenden
Brückenzweig angeordnete ohm'sche Widerstand R2 ebenfalls mit 10 Ohm ausgelegt.
Aus Symmetriegründen erhielten auch die übrigen Widerstände R3 und R4 je 10 Ohm.
Die Frequenz lag bei 350 kH. Entsprach die Schichtdicke des Aluainiumbelages dem
vorgeschriebenen Wert von 3.10-6 mm so herrschte in der Meßbrücke völlige Symmetrie
und der Zeiger des Spannungsmessers 14 zeigte auf den Wert 0.
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Sobald Jedoch die Dicke des Metallbelages nach unten oder oben abwich,
zeigte auch der Zeiger des Meßgerätes 14 bei Zwischenschaltung eines phasenabhängigen
Gleichrichters einen Ausschlag des Zeigers nach der einen oder anderen Seite. Infolge
entßprechender Eichung desSpaanungsmessers 14 konnte aus der Grösse des Zeigeraussohlages
auf die Stärke der Abweichung der Schichtdicke des Metallbelages geschlossen werden,
so daß es möglich war, die Verfahrensparameter in Richtung auf eine Wiederherstellung
des alten Zustandes zu steuern.
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Fig. 5 zeigt eine Variante der Meßeinrichtung gemäss Figur 4, bei
der der Widerstand R2 variabel ausgebildet ist. Der Verstellvorrichtung, beispielsweise
dem Drehknopf des Regelwiderstandes R2, ist eine Skælenteilunb 15 zugeordnet, die
mittels mehrerer Musterfolien mit unterschiedlichen Belagstärken geeicht ist. Die
eichung geschieht dadurch, daß bei jeder Folie der Widerstand R2 solange verändert
ird, bis der Sannungsmesser 14 auf 0 zeigt, d.h., die Brücke abgeglichen ist. Auf
diese Weise erhält nan zu jedes Skalenstrich eine bestimmte
Belagastärke.
Beim kontinuierlichen Betrieb einer solchen Anlage braucht man jetzt nur den Spannungsmesser
i4 auf 0 zu regulieren, um die jeweilige Belagstärke zu erhalten. Abweichungen nach
oben oder nach unten vom vorgegebenen Sollwert kann man, wie zuvor beschrieben,
zu Steuerhandlungen heranziehen. Es ist natürlich auch möglich, den Widerstand R2
auf einen vorgegebenen Wert einzustellen und die sich bei Abweichung in der Dicke
des Metallbelages an den Klemmen 12, 13 ergebene Potentialdifferenz hinsichtlich
Phasenlage und Grösse zu erfassen und einer Regeleinrichtung aufzuschalten, die
ihrer seits nun eine Regelung der geeigneten Parameter übernimmt.
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Die Wirkungsweise einer Meßeinrichtung gemäss Fig. 4 sei an Hand des
Zeigerdiagramms in Fig. 6 näher erläutert. An den Anschlußklemmen 6 und 7 der Meßbrücke
liegt die hochfrequente Spannung U6/7 an. Die Spannungsabfälle an den Kapazitäten
C1 und C1 sowie am ohm'schen Widerstand R1 sind mit Ucj ozw.Uc1 und UR1 bezeichnet.
Das gleiche gilt sinngemäß für die Spannung -abfälle an der Kapazität C2 und an
den ohm'schen Widerständen R2, R3 und R4 die mit UC2,UR2 UR3 und U1R4 bezeichnet
sind.
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Infolge der Beaufschlagung der Meßbrücke mit Wechselstrom ergibt sich
zwischen den Spannungen an den Kapazitäten und an den ohm'schen Widerständen eine
Phasenverschiebung von 900, die aus dem Zeigerdiagramm nach Fig. 6 ersichtlich ist.
Bei einem Abgleich der Brücke bzw. bei einer Übereinstimmung der etallbelagstärke
mit dem Sollwert ist die Potentialdifferenz an den Klemmen 12, 13 Null. In diesem
Falle ist das Zeigerdiagramm am Punkte 12/13 geschlossen (ausgezogene Linien).
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Nimmt die Dicke des Metallbelages jetzt aus irgendeinem Grunde ab,
so erhöht sich der Widerstand R1 und damit der an ihm gemessene Spannungsabfall.
Die Brücke ist jetzt verstimmt und an den Klemmen 12/13 tritt eine gewisse Potentialdifferenz
au!j die mit 4U12/13 bezeichnet ist. Dieses, nun nicht mehr geschlossene Vektordiagramm,
ist in Fig. 6 durch gestrichelte Linien dargestellt. Nimmt umgekehrt die Schichtdicke
des Me- -tallbelages zu, so ergibt sich ebenfalls eine Potentialdifferenz an den
Klemmen 12/13, aber mit entgegengesetzter Phasenlage.
Ein solches
Zeigerdiagramm ist in Fig. 6 punktiert dargestellt. Die jeweiligen Potentidaldifferenzen
sind in Abhängigkeit vom Grösse und Phasenlage durch zwei entgegengesetzte Pfeile
ausgehend vom Punkt 12/13, dargestellt. Diese Potentialdifferenzen A U12/13 können
nur zur Anzeige oder aber auch als Eingangsgrössen für eine Regelvorrichtung verwendet
werden.
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Eine solche vollautomatische Regelvorrichtung mit Anzeigegerät ist
in Fig. 7 schematisch dargestellt. Dort ist mit 16 ein Hochfrequenzgenerator bezeichnet,
dessen Spannung einer Brücke 17 gemäss Figur 4 oder 5 zugeführt wird. Die Diagonalspannung
dieser Brücke wird einem Verstärker 18 aufgeschaltet, von wo aus sie einem phasenabhängigen
Gleichrichter 19 zugeführt wird, in dem die Phasenlage der Diagonalspannung mit
der des Hochfrequenzgenerators 16 verglichen wird. Die von diesem Gleichrichter
ausgehenden Stellgrössen, die sich entweder nur nach dem Vorzeichen oder nach Vorzeichen
und Grösse unterscheiden, werden einem Stellglied 20 und/oder einem hnzeigegerät
21 zugeführt. Das Stellglied beeinflußt beispielsweise die Transportgeschwindigkeit
der Isolierstoffbahn und/oder die Verdampfungsrate der Aufda.pfvorrichtung etc.
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Um Dickenunterschiede der Isolierstoffbahn, die das Meßergebnis geringfügig
verfälschen könnten, auszuschalten, ist es erforderlich, die Dicke der Folie, die
einen einfluß auf die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C1 hat, zu erfassen und
den im gegenüberliegenden Zweig der Brückenschaltung liegenden Eondensator C entsprechend
zu verstellen. 3s kann beispielsweise auch daran gedacht werden, an Stelle des Kondensators
C2 eine kapazitive Meßanordnung vorsusehen, durch die die Isolierstoffbahn hindurchgeführt
wird. Veränderungen in der Dicke der Isolierstoffbahn werden hierbei automatisch
kompensiert.
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5 Patentansprüche 7 Figuren