DE19960880A1

DE19960880A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE19960880A1
Application number: DE1999160880
Authority: DE
Inventors: Joerg Sopka; Raiko Milanovic; Dietmar Treibert; Frank Schlagenhauf; Paul Huber; Bernhard Schmitz
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-06-21
Also published as: EP1153266A1; WO2001044752A1; AU1864401A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung (1) zur Ermittlung der Dicke einer Schicht (20), welche auf ein Bauelement (100) aufgetragen ist. Die Bestimmung der Dicke erfolgt berührungs- und zerstörungsfrei unabhängig davon, aus welchen Material die Schicht (20) gefertigt ist. Hierfür ist eine elektromagnetische Strahlungsquelle (2) vorgesehen, die Strahlung im infraroten Bereich emittiert. Die Strahlungsquelle (2), die als Festkörperlaser ausgebildet ist, steht über wenigstens einen Lichtwellenleiter (4) mit einer Sensoreinheit (8) in Verbindung. Mittels derer kann die Schicht (20) mit der infraroten Strahlung abgetastet werden. Mit einem Detektor (5), der in die Sensoreinheit (8) integriert sein kann, wird die Wärmestrahlung erfasst, welche von der Schicht (20) emittiert wird. Aus den Messsignalen wird in einer Auswerteeinheit (11), in der Vergleichswerte gespeichert sind, die Dicke der Schicht (20) ermittelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Dicke einer Schicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Messvorrichtungen werden benutzt, um beispielsweise die Dicke einer Schicht aus Lack berührungslos und zerstörungsfrei zu bestimmen. Aus den Messsignalen werden dann Vorgaben zur Regelung des Beschichtungsprozesses ableitet.

Die bekannten Messvorrichtungen, die zur Bestimmung der Dicke von Schichten ver wendet werden, sind mit einem CO₂-Laser oder einem Diodenlaser als Strahlungs quelle ausgerüstet. Die von einem solchen CO₂-Laser emittierte Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 9,6 µm bis 10,6 µm. Damit kann die Dicke von Schichten be stimmt werden, gleichgültig aus welchen Lacken sie hergestellt sind. Von Nachteil ist hierbei die bauliche Größe dieser Laser und die Tatsache, daß für die Übertragung der Strahlung über einen größeren Bereich keine Lichtwellenleiter ausreichender Qualität und Transparenz vorhanden sind. Bei der Verwendung von Diodenlasers kann zwar ein kleinerer konstruktiver Aufbau der Messvorrichtung erreicht werden. Die von einem solchen Diodenlaser emittierte Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner 1 µm wird je doch von manchen Lacken nicht ausreichend absorbiert, so daß eine Messvorrichtung mit einer solchen Strahlungsquelle nur einen begrenzten Anwendungsbereich hat.

Aus der PCT/EP96/04869 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Dicke einer Lack schicht auf einem Bauelement bestimmen werden kann. Die Schicht wird über einen Spiegel mit einer Halogenlampe bestrahlt. Mit einem Detektor und einer Abbil dungsoptik wird das Abklingen der von der Lackschicht reflektierten Wärmestrahlung erfaßt.

In der EP 0791 818 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum photothermi schen Prüfen von Werkstücken beschrieben. Hierfür wird elektromagnetische Anre gungsstrahlung auf ein Werkstück gerichtet. Die in dem Messpunkt erzeugte Wär mestrahlung wird erfaßt und ausgewertet. Vor der Messung werden zwei sichtbare sich schneidende Ortungsstrahlen auf das Werkstück gerichtet. Anschließend werden die Richtungen des Werkstücks und der Messvorrichtung so korrigiert, daß der Schnittpunkt und der Messpunkt zusammenfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung aufzuzeigen, mit der die Dicke von Schichten unabhängig vom Material, aus dem sie hergestellt sind, be stimmt werden kann, und die so ausgebildet ist, und daß damit auch noch in größeren Entfernungen von der verwendeten Strahlungsquelle Messungen durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird die Tatsache genutzt, daß zeitlich intensitätsmodulierte infrarot Strahlung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 2 µm bis 4 µm, an der Oberfläche einer optisch stark absorbierenden Schicht absorbiert wird. Da dadurch werden in der Schicht und im Basismaterial Temperaturoszillationen aus gelöst. Von der Schicht wird thermische Strahlung emittiert, die Informationen über den inneren und äußeren Aufbau der zu untersuchend Schicht und deren Dicke liefert. Die von der Schicht emittierte Wärmestrahlung, die gegenüber der Wärmestrahlung der Umgebung erhöht ist, wird einem Detektor zugeführt, der als Infrarotdetektor aus gebildet ist. Das von dem Detektor erfaßte Messsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und über einen Vorverstärker einer Auswerteeinheit zugeführt, wo mit Hilfe von gespeicherten Kalibrierdaten die Dicke der Schicht ermittelt wird.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist mit einem Festkörperlaser ausgerüstet. Seine emittierte Strahlung wird mit einem geeigneten Lichtleiter zu einer Sensoreinheit übertragen, mit welcher die zu untersuchende Schicht bestrahlt wird. Der Detektor zur Erfassung der Wärmestrahlung, welche von der Schicht emittiert wird, kann beispiels weise auch in die Sensoreinheit eingebaut werden. Die Wärmestrahlung, durch deren Größe und zeitliche Struktur die Schichtdicke widerspiegelt wird, kann jedoch auch über Lichtfasern zu einem Detektor geleitet werden, der außerhalb des Sensors instal liert ist. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird als Strahlungsquelle vor zugsweise ein Erbium-YAG-Laser, eines Holmium-YAG-Lasers oder ein Erbium- YSGG-Lasers verwendet. Es handelt sich um Festkörperlaser, die von Blitzlampen oder Dioden gepumpt werden. Sie arbeiten entweder im Pulsbetrieb oder werden mit tels geeigneter Vorrichtungen (hier nicht dargestellt) periodisch harmonisch intensi tätsmoduliert. Die Strahlung dieser Festkörperlaser liegt im Wellenlängenbereich zwi schen 2 µm bis 4 µm. Die Strahlungsquelle ist über infrarot transparente Lichtwellenlei ter mit einer zum Aussenden und Empfangen von Strahlung vorgesehenen Sen soreinheit verbunden. Damit ist es möglich, auch in einer größeren Entfernung von der Strahlungsquelle Messsignale auszusenden und zu empfangen. Die Sensoreinheit umfasst einen Detektor, ein oder zwei optische Systeme, die als Linsensysteme und/oder Spiegelsysteme ausgebildet sind. Der Lichtwellenleiter ist mit einem ersten Ende mit dem Festkörperlaser verbunden, während das zweite Ende innerhalb der Sensoreinheit angeordnet ist. Mit Hilfe eines der optischen Systeme wird die am zweiten Ende des Lichtleiters austretende Strahlung als Lichtfleck auf der Oberfläche einer Schicht abgebildet, deren Dicke ermittelt werden soll. Die von der Schicht emit tierte Wärmestrahlung wird mit Hilfe eines optischen Systems und/oder eines Lichtlei ters dem als radiometrischen, infrarot empfindlichen Detektor zugeführt. Dieser kann, falls erforderlich auch außerhalb der Sensoreinheit angeordnet sein. Nach Umwand lung der optischen Signale in elektrische Signale werden diese an eine Auswerteein heit weitergeleitet. Mittels geeigneter Kalibrierdaten können aus den Messsignalen die Schichtdicken ermittelt werden. Das Messergebnis wird angezeigt.

Die Sensoreinheit weist so kleine Abmessungen auf, daß sie am Arm eines Arbeitsro boter befestigt werden kann. Mit diesem kann die Schicht, deren Dicke ermittelt wer den soll, abgetastet werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann sowohl zur Bestimmung der Dicke von trockenen als auch von nassen Schichten aus Lack ein gesetzt werden, vor allem dann, wenn die Dicke der Schicht berührungslos und zer störungsfrei ermitteln werden soll.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er läutert.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine Messvorrichtung 1, die eine elektromagnetische Strahlungsquelle 2, eine Versorgungseinheit 3, einen Lichtwel lenleiter 4, einen Detektor 5, ein Linsensystem 6, eine Spiegelsystem 7, einen Signal vorverstärker 9, eine Auswerteeinheit 10 und eine Anzeigevorrichtung 11 umfaßt. Der Detektor 5, das optische Linsensystem 6 und das Spiegelsystem 7 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zu der eine Baueinheit bildenden Sensoreinheit 8 zusammengefaßt. Die Strahlungsquelle 2 ist als Festkörperlaser ausgebildet, der elektromagnetische Strahlung im infraroten Bereich mit einer Wellenlänge zwischen 2 µm und 4 µm emittiert. Hierfür kann beispielsweise ein Erbium-YAG-Laser, ein Hol mium-YAG-Laser oder eine Erbium-YSGG-Laser verwendet werden. YAG steht hier bei für Yttrium Aluminium Granulat und YSGG für Yttrium Scandium Gallium Granulat. Diese Laser gehören bereits zum Stand der Technik. Ihr Aufbau wird deshalb hier nicht näher erläutert.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Erbium-YAG-Laser 2 ver wendet, dessen emittierte Strahlung eine Wellenlänge von 2,94 µm aufweist. Der Laser 2 steht mit der Versorgungseinheit 3 in elektrischer und mechanischer Verbindung. Von ihr aus erfolgt die elektrische Spannungsversorgung und die Kühlung des Lasers 2. Die von dem Laser emittierte Strahlung wird in das erste Ende 4A des Lichtwellen leiter 4 eingespeist, das mit dem Laser 2 verbunden ist. Die Fasern (hier nicht darge stellt) des Lichtwellenleiter 4 sind aus einem infrarot transparenten Material gefertigt, das beispielsweise aus Saphir, GeO, ZrF₂ besteht. Damit wird sichergestellt, dass die Dämpfung der Strahlung innerhalb des Lichtwellenleiters 4 klein bleibt. Das zweite Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 ist innerhalb der Sensoreinheit 8 in einem definierten Abstand von dem ersten Hohlspiegel 7A des Spiegelsystems 7 installiert. Dieser Hohl spiegel 7A ist mit einer Durchbohrung 7D versehen und vor der Öffnung 8A der Sen soreinheit 8 angeordnet. Zwischen dem zweiten Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 und der Durchbohrung 7D des ersten Hohlspiegel 7A ist das optische Linsensystem 6 an geordnet. Es umfaßt zwei bikonvexe Linsen 6A und 68, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander und von dem Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 bzw. der Durch bohrung 7D angeordnet sind. Die Brennweiten der beiden Sammellinsen 6A und 6B sind so gewählt, daß die Fläche am zweiten Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 auf einer Schicht 20 als Lichtfleck 21 abgebildet wird. Dieser Lichtfleck 21 hat eine Größe 0,5 cm², wenn die Sensoreinheit 8 in einem Abstand von maximal 15 cm über die Schicht 20 bewegt wird. Bei der Schicht 20 handelt um einen Überzug aus Lack, der auf ein Bauelement 100 aufgetragen ist.

Mit Hilfe der Messvorrichtung 1 kann die Dicke der Schicht 20 sowohl bei feuchtem als auch bei schon ausgetrocknetem Lack ermittelt werden. Der von dem Lichtfleck 21 bestrahlte Bereich der Schicht 20 wird von der Strahlung aufgeheizt. Die von der Schicht 20 emittierte, gegenüber der Umgebung erhöhte Wärmestrahlung wird dem Detektor 5 zugeführt, der als Infrarotdetektor ausgebildet ist. Hierfür werden die beiden Hohlspiegel 7A und 7B des Spiegelsystems 7 genutzt. Die von der Schicht 20 kom mende Wärmestrahlung wird durch die Öffnung 8A der Sensoreinheit 8 auf den ersten Hohlspiegel 7A geleitet. Wie die Figur zeigt, ist der zweite Hohlspiegel 7B im Strahlen gang des ersten Hohlspiegels 7A so angeordnet, daß die Wärmestrahlung vom ersten Hohlspiegel 7A auf den zweiten Hohlspiegel 7B geleitet von dort unmittelbar dem Si gnaleingang 5A des Detektors 5 zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Signalein gang 5A des Detektors 5 im Strahlengang des zweiten Hohlspiegels 78 installiert. Muß die Sensoreinheit 8 noch kleiner ausbildet werden als hier dargestellt, so kann auf den zweiten Hohlspiegel 7B auch verzichtet werden. In diesem Fall wird der Si gnaleingang 5A des Detektors 5 im Strahlengang des ersten Hohlspiegels 7A ange ordnet. Soll die Sensoreinheit 8 am Arm eines mit geringer Tragfähigkeit ausgebilde ten Roboters (hier nicht dargestellt) befestigt werden soll, und ist ihr Gewicht hierfür noch zu groß, so können der Detektor 5 und das Siegelsystem 7 auch außerhalb der Sensoreinheit 8 installiert werden (hier nicht dargestellt). Die von der Schicht 20 emit tierte Wärmestrahlung kann dem außerhalb der Sensoreinheit 8 installierten Detektor 5 beispielsweise über einen Lichtleiter (hier nicht dargestellt) zuführt sind, der eben falls optische Fasern aus infrarot transparentem Material aufweist. Die Wärmestrah lung kann dem Detektor 5 auch dann über einen solchen Lichtleiter (hier nicht darge stellt) zugeführt werden, wenn er innerhalb der Sensoreinheit 8 installiert ist. Falls er forderlich, sind zusätzliche optische Systeme zwischen der Schicht 20 und einem sol chen Lichtleiter bzw. dem Detektor 5 und diesem Lichtleiter anzuordnen.

Der Signalausgang des Detektors 5 liefert eine elektrisches Signal, welches zunächst einem Vorverstärker 9 zugeführt wird, dessen Signalausgang mit einer Auswerteinheit 10 in Verbindung steht. Letztere ist beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Auswerteeinheit 10 eine Anzeigevorrichtung 11 nachgeschaltet. Die Auswerteeinheit 10 ist über eine Signalleitung 12 mit dem Laser 2 verbunden. In dem Augenblick, in dem der Laser 2 seine Strahlung emittiert, wird die Auswerteein heit 10 durch ein Signal aktiviert. Das Messsignal, das der Auswerteeinheit 10 zuge führt wird, liefert eine Aussage über die zeitliche Oszillation der Temperatur bzw. die zeitliche Abnahme der Temperatur in der Schicht 20. Je dünner die Schicht 20 ist, um so schneller nimmt die Temperatur ab. Durch einen Vergleich des Messsignals mit Vergleichswerten, die in der Auswerteeinheit 10 gespeichert sind, wird die Dicke der Schicht 20 bestimmt und an der Anzeigevorrichtung 11 angezeigt.

Neben der Messung der Dicke der Schicht 20 kann gleichzeitig der Feuchtigkeitsge halt der Schicht 20 ermittelt werden, sofern die Schicht 20 noch nicht ausgetrocknet ist. Diese Messung wird vorzugsweise mittels einer Infrarot-Reflexionsspektroskopie bestimmt. Dieses Verfahren gehört bereits seit längerer Zeit zum Stand der Technik und wird deshalb hier nicht näher erläutert.

Claims

1. Messvorrichtung zur Ermittlung der Dicke einer auf ein Bauelement (100) aufgetragen Schicht (20), dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Strahlungsquelle (2), die Strahlung im infraroten Bereich emittiert, über wenigstens ei nen Lichtwellenleiter (4) mit einer Sensoreinheit (8) in Verbindung steht, welche zum Abtasten der Schicht (20) und zum Empfang von Meßsignalen vorgesehen ist.

2. Messvorrichtung nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) als Blitzlampen gepumpter oder Dioden gepumpter Festkör perlaser ausgebildet ist, der im Pulsbetrieb oder periodisch harmonisch intensitätsmo duliert arbeitet.

3. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Festkörperlaser als Erbium-YAG-Laser, als Holmium-YAG-Laser oder als Erbium-YSGG-Laser ausgebildet ist, und über einen Lichtwellenleiter (4), dessen optische Faser aus infrarot transparentem Material in Form von Saphir, GeO, ZrF₂ gefertigt sind, mit der Sensoreinheit (8) verbunden ist.

4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeich net, dass die Sensoreinheit (8) wenigstens einen Detektor (5) und zwei optische Sy stem (6 und 7) aufweist, die zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass erste optische System als Linsensystem (6) mit zwei bikonvexen Linsen (6A, 6B) ausgebildet ist, und dass das zweite optische System (7) mit wenigstens einem Hohlspiegel (7A, 7B) versehen ist.

6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass das Spiegelsystem (7) zwei Hohlspiegel (7A, 7B) aufweist, und der erste Hohlspiegel (7A) mit einer Durchbohrung (7D) versehen ist, welche im Abstand vor dem in der Sensoreinheit (8) installierten zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) und vor der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) angeordnet ist, dass zwischen der Durchbohrung (7D) und dem zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) das erste optische System (6) angeordnet ist, mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emit tierte Strahlung auf der Schicht (20) abbildbar ist, daß der zweite Hohlspiegel (7B) im Strahlengang des ersten Hohlspiegel (7A) installiert ist, und dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung durch die Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) dem Spiegelsystem (7) und von dort dem optischen Signaleingang (5A) des Detektors (5) zuführbar ist, der in dem Strahlengang des Spiegelsystems (7) installiert ist.

7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass das Spiegelsystem (7) nur einen Hohlspiegel (7A) aufweist, der mit einer Durchbohrung (7D) versehen ist, welche vor der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) und im Abstand vor dem in der Sensoreinheit (8) installierten zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) angeordnet ist, dass zwischen der Durchbohrung (7D) und dem zweiten Ende des Lichtwellenleiters (4) das erste optische System (6) installiert ist, mit dem dis von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) abbild bar ist, und dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung durch die Öff nung (8A) der Sensoreinheit (8) über den Hohlspiegel (7A) dem optischen Signalein gang (5A) des Detektors (5) zuführbar ist, der in dem Strahlengang des Hohlspiegels (7A) installiert ist.

8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß innerhalb der Sensoreinheit (8) neben dem zweiten Ende (4B) des Lichtleiters (4) nur ein optisches System (6) angeordnet ist, das im Abstand von dem zweiten En de (4B) des Lichtleiters (4) und der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) installiert und mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) ab bildbar ist, und dass der Detektor (5) außerhalb der Sensoreinheit (8) installiert ist.

9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, dass neben dem Detektor (5), dem zweiten Ende des Lichtleiters (4) nur ein er stes optisches System (6) innerhalb der Sensoreinheit (8) angeordnet ist, das im Ab stand von dem zweiten Ende (4B) des Lichtleiters (4) und der Öffnung (8A) der Sen soreinheit (8) installiert und mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strah lung auf der Schicht (20) abbildbar ist.

10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung dem außerhalb oder innerhalb der Sensoreinheit (8) installierten Detektor (5) über einen Lichtleiter zuführt sind, der optische Fasern aus infrarot transparentem Material aufweist, die aus Saphir, GeO, ZrF₂ gefertigt sind.

11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass der Detektor (5) als Infrarot-Detektor ausgebildet und der elektrische Signalausgang des Detektors (5) über einen Signalvorverstärker (9) an eine Auswer teeinheit (10) angeschlossen ist.

12. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dass die Auswerte einheit (10) als Mikroprozessor ausgebildet und über eine Signalleitung (12) mit dem Laser (2) und einer Anzeigevorrichtung (11) in Verbindung steht.