DE19946292C1 - Temperaturkompensierter Arbeitstisch für mikrosystemtechnische Komponenten - Google Patents

Abstract

Ein Arbeitstisch wird mit einer Temperiervorrichtung und einer Temperaturregelung versehen. Die Temperiervorrichtung besteht aus einem Wärmeübertrager, einer Kühldose und einer Heizkartuschenaufnahme, in der eine Heizkartusche angebracht werden kann. Der Wärmeübertrager verfügt über eine Ausnehmung, in die ein Tiegel eingesetzt wird. Der Tiegel enthält in einer Kalotte die Materialprobe, deren Materialeigenschaften zu bestimmen sind. Die Temperiervorrichtung ist an der Arbeitstischplatte angebracht. Die Temperiervorrichtung verfügt über eine thermische Isolierung, die ebenfalls an der Arbeitstischplatte befestigt ist. Zwischen Temperiervorrichtung und thermischer Isolierung befindet sich ein Dehnungsspalt, der eine Wärmedehnung der Temperiervorrichtung ermöglicht. Auf diese Weise ist der Arbeitstisch temperaturkompensiert. Die hängende Anordnung der Temperiervorrichtung verhindert zusammen mit den Dehnungsspalten, daß sich die Wärmedehnung der Temperiervorrichtung auf die Materialprobe überträgt. Ein Wärmekonvektionsraum zwischen der thermischen Isolierung der Temperiervorrichtung und der Gehäusewand sowie Grundplatte des Arbeitstisches verhindert, daß sich die Temperaturänderung der Temperiervorrichtung auf die Gehäusewand oder die Grundplatte des Arbeitstisches übertragen kann. Damit ist auch bei lange andauernden Messungen sichergestellt, daß die Prüfeinrichtung, die den Arbeitstisch enthält, nicht erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Bei sogenannten kommerziellen Mikrometerhärtetestern wird ein Eindringkörper mit einer definierten Kraft in das zu prüfende Werkstück eingedrückt. Dabei wird die Eindringtiefe kontinuierlich gemessen. Aus den aufgenommenen Verformungskurven wird dann anhand von verschiedenen Verfahren die Härte des Werkstücks bestimmt. Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Materialhärte sind z. B. die Vickershärte, die Rockwellhärte oder die Brinellhärte. Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren arbeiten vornehmlich bei der jeweiligen Umgebungstemperatur.

Derzeitige Forschungsaktivitäten in den Materialwissenschaften befassen sich verstärkt mit theoretischen Modellbildungen. Hierbei wird mit rechnerbasierten Finite Elementen Methoden ein Materialmodell erstellt und die Materialeigenschaften und das Materialverhalten von Werkstoffen simuliert. Derartige Simulationen ermöglichen z. B. die Berechnung des Werkstoffverhaltens bei Temperaturänderungen. Die Verifizierung der Materialmodelle erfolgt durch Kontrollmessungen. Bei diesen Kontollmessungen ist es u. a. erforderlich die Materialhärte des Werkstoffs bei sehr unterschiedlichen Temperaturen zu messen.

In den gattungsbildenden Druckschriften IBM Techn. Disclosure Bull., Vol 17, No. 2, S. 432-433, Juli 1974; "App. for hightemperature micro indentation studies" und US 3,738,160 hat man deshalb jeweils vorgeschlagen den Arbeitstisch, bzw. die Probenaufnahme beheizbar zu machen. Bei den gattungsbildenden Mikrohärtetestern besteht die Gefahr, daß sich die Beheizung der Probenaufnahme bei lang andauernden Messungen, wie z. B. Kriechversuchen, schließlich trotz thermischer Isolierungen auf den mechanischen Aufbau der Gesamtapparatur überträgt und durch die damit verbundenen Längendehnungen in der Apparatur die Mikrohärtemessung verfälscht.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist daher, die kommerziellen Mikrohärtetester derart zu erweitern, daß mit den Mikrohärtetestern auch Kriechversuche bei vorbestimmbaren Temperaturen durchgeführt werden können. Hierbei muß unbedingt vermieden werden, daß mit der Temperaturänderung verbundene Wärmedehnungen die Messung beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ein Arbeitstisch wird mit einer Temperiervorrichtung und einer Temperaturregelung verse­ hen. Die Temperiervorrichtung besteht aus einem Wärmeübertrager, einer Kühldose und ei­ ner Heizkartuschenaufnahme, in der eine Heizkartusche angebracht werden kann. Der Wär­ meübertrager verfügt über eine Ausnehmung, in die ein Tiegel eingesetzt wird. Der Tiegel enthält in einer Kalotte die Materialprobe, deren Materialeigenschaften zu bestimmen sind. Die Temperiervorrichtung ist an der Arbeitstischplatte angebracht. Die Temperiervorrichtung verfügt über eine thermische Isolierung, die ebenfalls an der Arbeitstischpaltte befestigt ist. Zwischen Temperiervorrichtung und thermischer Isolierung befindet sich ein Dehnungsspalt, der eine Wärmedehnung der Temperiervorrichtung ermöglicht. Auf diese Weise ist der Ar­ beitstisch temperaturkompensiert. Die hängende Anordnung der Temperiervorrichtung ver­ hindert zusammen mit den Dehnungsspalten, daß sich die Wärmedehnung der Temperiervor­ richtung auf die Materialprobe überträgt. Ein Wärmekonvektionsraum zwischen der thermi­ schen Isolierung der Temperiervorrichtung und der Gehäusewand sowie Grundplatte des Ar­ beitstisches verhindert, daß sich die Temperaturänderung der Temperiervorrichtung auf die Gehäusewand oder die Grundplatte des Arbeitstisches übertragen kann. Damit ist auch bei lange andauernden Messungen sichergestellt, daß die Prüfeinrichtung, die den Arbeitstisch enthält, nicht erwärmt wird.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:

Der erfindungsgemäße Arbeitstisch ermöglicht Härtemessungen und Kriechversuche in ei­ nem weiten Temperaturbereich. Die Temperatur der Probenaufnahme sowie der Materialpro­ be ist veränderbar und regelbar. Durch die hängende Anbringung der Temperiervorrichtung wird im Zusammenwirken mit Dehnungsspalten verhindert, daß Wärmedehnungen auf die Materialprobe übertragen werden. Weiterhin wird mit dem Wärmekonvektionsraum in vor­ teilhafterweise eine Erwärmung der gesamten Prüfeinrichtung bei lange andauernden Mes­ sungen verhindert.

Der erfindungsgemäße Arbeitstisch ermöglicht mit Vorteil Messungen in einem Temperatur­ bereich von Minus 50°C bis 150°C bei einer Temperaturkonstanz von +/-2 K. Die Temperatur der der Probenaufnahme sowie der Materialprobe kann hierbei im gesamten Tempera­ turbereich für mindestens 30 min konstantgehalten werden, ohne daß ein Temperatureinfluß auf die den Arbeitstisch umgebende Prüfeinrichtung zu beobachten ist.

Der Arbeitstisch ist besonders vorteilhaft zur Verwendung in Mikrohärtetestern. Er ermög­ licht Belastungen der Materilaproben im Bereich von 10 mN bis 1000 mN und eine nomi­ nelle Auflösung in der Verformung bis zu 2 nm (Nanometer).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Arbeitstisch

Fig. 2 eine dreidimensionale Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Arbeitstisches

In Fig. 1 ist mit Ziffer 1 allgemein ein Arbeitstisch bezeichnet. Der Arbeitstisch besteht aus einer Arbeitstischplatte 2, einer Grundplatte 3 und einer zylinderförmigen Gehäusewand 4. Arbeitstisch, Grundplatte und Gehäusewand sind mit Gewindebohrungen 5 miteinander zu einem festen zylinderförmigen Aufbau verbindbar. An der Arbeitstischplatte ist mit einer Aufhängung 6 die Temperiervorrichtung 7 befestigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Temperiervorrichtung aus einem Wärmeübertrager 8, einer Kühldose 9, die ihrer­ seits aus einem Kühldosenoberteil 10 und einem Kühldosenunterteil 11 zusammengesetzt ist. Die Kühldose enthält Fluidkanäle 12, durch die ein Kühlmedium fließt. Weiterhin enthält die Temperiervorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel eine Heizkartuschenaufnahme 13, in die bei Bedarf eine hier nicht gezeigte Heizkartusche eingebracht werden kann. Die Tempe­ riervorrichtung 9 ist mit einer thermischen Isolierung 14 umgeben, die ebenfalls mit einer Aufhängung 15 an der Unterseite der Arbeitstischplatte 2 befestigt ist. Die Isolierung umgibt die Temperiervorrichtung an ihren zylindrischen Mantelseiten und an ihrer kreisförmigen Unterseite. An der Oberseite der Temperiervorrichtung übernimmt die Arbeitstischplatte die Isolierung. Zwischen der hängenden Isolierung 14 und der Temperiervorrichtung 7 befindet sich eine Dehnungsspalte 16, die eine Wärmedehnung der Temperiervorrichtung nach unten und zur Seite ermöglicht, so daß auf die Arbeitstischplatte und die Probenaufnahme 17 keine Wärmedehnung übertragen wird. Die Probenaufnahme 17 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen die Wärme gut leitenden Material und wird durch eine Ausnehmung in der Arbeitsplatte in eine zylinderförmige Vertiefung im Wärmeübertrager eingelassen. Über Bohrungen 18, kann die Probenaufnahme 17 mit dem Wärmeübertrager 8 verschraubt wer­ den. Die Probenaufnahme 17 enthält eine Kalotte 19, in die die zu untersuchende Material­ probe z. B. in flüssiger Form eingegossen werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Metalle oder Metallverbindungen untersucht werden sollen. In diesem Fall können die Me­ talle in die Kalotte eingegossen werden und in der Kalotte erstarren. Zwischen der an der Arbeitsplatte aufgehängten Isolierung 14 und der Gehäusewand 4 sowie der Grundplatte 3 befindet sich ein Wärmekonvektionraum 20, der über Durchführungen 22 mit der Umgebung verbunden ist. Der Wärmekonvektionsraum verhindert, daß bei lange andauernden Versuchen Wärme von der Isolierung 14 auf die Gehäusewand 4 oder die Grundplatte 3 übertragen wird. Falls die natürliche Wärmekonvektion hierzu nicht ausreicht, kann an den Durchführungen 22 zu Kühlungszwecken ein Luftschlauch mit einer Pumpe angeschlossen werden und eine Zwangskonvektion im Wärmekonvektionsraum 20 erzwungen werden. Vorteilhafterweise werden durch die Durchführungen 22 ebenfalls die Kühlmittelanschlüsse 21 durchgeführt. Die Kühlmittelanschlüsse 21 sind mit der Kühldose 9 verbunden und versorgen die Kühldose mit Kühlflüssigkeit. Zwischen Wärmeübertrager 8 und Kühldose 9 ist ein Folienthermoele­ ment 23 angebracht, mit dessen Hilfe die Temperatur des Wärmeübertragers überwacht wird. Hierzu ist das Folienthermoelement über die Durchführung 24 an eine nicht gezeigte Tempe­ raturregelung angeschlossen.

Zur Temperaturregelung kommen zwei voneinander unabhängige Regelungen zum Einsatz. Das Kühlen wird von einer Flüssig-Stickstoffkühlung übernommen. Hierbei wird der flüssige Stickstoff in der Kühldose 9 verdampft. Eine Temperaturregelung, die durch Volumenstro­ mänderung des über die Kühlmittelanschlüsse zugeführten Stickstoffs die Kühlleistung der Kühldose 9 variiert, regelt die Temperatur der Probenaufnahme auf die jeweils gewünschte Temperatur und hält sie für eine bestimmte Zeit konstant.

Das Heizen wird von einem Heizelement bzw. einer Heizkartusche übernommen, die in der Heizkartuschenaufnahme 13 angeordnet ist. Die Heizleistung des Heizelementes wird in an sich bekannter Weise mit einem PID-Regler geregelt. Sowohl für das Kühlen als auch für das Heizen wird als Temperatursensor ein PT 100 Element in Form eines Folienthermometers eingesetzt. Diese Dünnfilmelemenmte reagieren aufgrund ihrer geringen Masse schnell auf Temperaturänderungen. Sie bieten weiterhin die Möglichkeit, eine Temperatur nicht nur an einem Punkt, sondern ein Referenzwert für ein Flächenmittel zu erzeugen. Die Temperatur kann, da es sich um eine auswechselbare Probenaufnahme 17 handelt, nicht direkt an der Probe gemessen werden. Es muß also ein Referenzpunkt definiert werden. Als Referenzpunkt wird ein Flächenmittel dicht unterhalb der Probenaufnahme 17 gewählt. Diese Temperatur kann natürlich nur in beschränktem Maße ein Wert für die tatsächliche Probentemperatur sein. Es ist im späteren Betrieb der Temperaturunterschied zu ermitteln und eventuell ein notwendiger Abgleich vorzunehmen.

Fig. 2 zeigt eine dreidimensionale Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Arbeitstisches. Die Bezugsziffern wurden soweit schon beschrieben aus der Fig. 1 übernommen. Fig. 2 vermit­ telt einen dreidimesionalen Gesamteindruck des Arbeitstisches und zeigt mit den Bezugszif­ fern 25 schematisch die Bohrungen für die Aufhängungen der Isolierung und der Temperier­ vorrichtung im Inneren des Arbeitstisches.

Claims (5)

1. Arbeitstisch (1) aus einer Arbeitstischplatte (2), einer Grundplatte (3) und einer Gehäusewand (4),
mit einer Temperiervorrichtung (7), die aus einem Wärmeübertrager (8), einer Kühldose (9) und einer Heizkartuschenaufnahme (13) gebildet ist,
mit einer thermischen Isolierung (14), die die Temperiervorrichtung (7) umgibt,
mit einer Probenaufnahme (17), die durch eine Ausnehmung in der Arbeitstischplatte (2) in eine Vertiefung des Wärmeübertragers (8) einsetzbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperiervorrichtung (7) und die Isolierung (14) an der Arbeitstischplatte (2) mit Aufhängungen (6, 15) befestigt sind und sich zwischen der Temperiervorrichtung (7) und der Isolierung (14) eine Dehnungsspalte (16) befindet, so daß auf die Probenaufnahme (17) und die Arbeitsplatte (2) keine Wärmedehnung übertragen wird.

2. Arbeitstisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Isolierung (14) und der Gehäusewand (4) sowie der Grundplatte (3) ein Wärmekonvektionsraum (20) angeordnet ist.

3. Arbeitstisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühldose (9) und Wärmeübertrager (8) ein Temperatursensor (23) angebracht ist.

4. Arbeitstisch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (23) ein Folienthermolelement ist.

5. Verwendung eines Arbeitstisches nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in Mikrohärtete­ stern, wobei die Temperatur der Probenaufnahme (17) von Minus 50°C bis 150°C verän­ derbar und mit einer Temperaturkonstanz von +/-2 Kelvin einstellbar und regelbar ist und im gesamten Temperaturbereich für mindestens 30 Minuten konstant gehalten werden kann und Materialproben in der Probenaufnahme (17) mit Belastungen im Bereich von 10 mN bis 1000 mN (Milli-Newton) mit einer Auflösung inder Verformung bis zu 2 nm (Nanometer) beaufschlagt werden können.