DE3030069A1

DE3030069A1 - Anordnung zur messung des elektrischen flaechenwiderstandes elektrisch leitender schichten

Info

Publication number: DE3030069A1
Application number: DE19803030069
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(Grad.) Quadflieg; Peter Dr.rer.nat. 5100 Aachen Schnabel
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-08-08
Filing date: 1980-08-08
Publication date: 1982-03-11

Description

"Anordnung zur Messung des elektrischen Flächenwider-
standes elektrisch leitender Schichten" Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kontaktfreien Messung des elektrischen Flächenwiderstandes elektrisch leitender Schichten, enthaltend einen mit der gewobbelten Ausgangsfrequenz eines Generators gespeisten Parallelschwingkreis, aus dem das Meßergebnis ableitbar ist.
Aus der DE-PS 811 163 ist eine Einrichtung zum elektrischen Messen der Dicke von Folien bekannt, bei der die zu messende Folie als Dielektrikum zwischen zwei Kondensatorplatten hindurchgeführt wird. Änderungen der Dicke der Folie bewirken eine Änderung der Resonanzfrequenz eines Meßkreises gegenüber den Resonanzfrequenzen zweier Kontrollkreise. Diese Änderung wird mittels eines Meßinstrumentes angezeigt und stellt ein Maß für die Dicke der Folie dar.
Demgegenüber dient die vorliegende Erfindung der Messung an elektrisch leitenden Schichten, insbesondere auch an leitenden Flüssigkeiten (Elektrolyten).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit die elektrischen Eigenschaften von Schichten oder Flüssigkeiten gemessen werden können, und zwar sowohl von strömenden als auch von ruhenden Flüssigkeiten.
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform für insbesondere bewegte Meßobjekte, wie z.B. strömende Flüssigkeiten, besteht darin, daß die Induktivität des Schwingkreises als eine das Meßobjekt umschließende Spule ausgebildet ist und die Resonanzkurve des Schwingkreises auf einem Oszillographen darstellbar ist.
Eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, die vorzugsweise für ruhende Meßobjekte geeingnet ist, besteht darin, daß die Induktivität aus einer auf einem etwa halbkreisförmig ausgebildeten Kern angeordneten Spule besteht, daß die Enden des Kerns mit einer Auflagefläche für das Mewßobjekt versehen sind, und daß die Resonanzkurve des Shwingkreises auf einem Oszillographen darstellbar ist.
Zweckmäßige Ausgestaltuungen der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich aus Unteransprüchen.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben Darin zeigen Fig. 1 eine Anordnung für insbesondere bewegte Meßobjekte, Fig.2 eine zweite Anordnung für insbesondere ruhende - Mewßobjekte, Fig. 3 und 4 verschiedene mit den vorgeschlagenen Anorndungen erzielte Meßergebnisse.
Ein Hochfrequenzgenerator 1 mit gewobbelter Ansgangsfrequenz speist einen Parallelschwingkreis, dessen Induktivität aus einen Spule 2 und dessen Kapazität aus einem Kondensator 3 bestehen. Dabei kann die Ausgangsspannung des Generator 1 über einen weiteren Widerstand 6 auf eine Anzapfung 7 der Spule gelegt sein. Über einen Enkopplungswidestand 4 gelangt die am Schwingkreis anstehende Spannung, erfolderlichenfalls nach zusätzlicher Versctärkung, auf einen Oszillographen 5 Im Inneren der zylinderförmig ausgebildeten Spule 2 kann z.B. ein Glasrohr 8 angeordnet sein, in das ein zu untersuchendes Meßobjekt 9 eingeschoben werden kann.
Im dargestellten Beispiel besteht das Meßobjekt 9 aus einem Glasrohr, das auf seiner Innenseite mit einer leitenden Indiumoxid-Schicht versehen ist. Der Flächenwiderstand dieser Schicht soll ermittelt werden.
Der elektrische Teil der Anordnung nach Fig.2 stimmt mit derjenigen nach Fig. 1 überein, jedoch ist die Spule 2' anders ausgebildet. Hier ist sie um einen etwa halbkreisförmig ausgebildeten Kern 10, z.B. aus Ferritmaterial, gewickelt, dessen Enden mit einer Auflagefläche 11 bündig abschließen. Auf diese Auflagefläche 11 kann das zu untersuchende Meßobjekt 9' aufgebracht werden, dessen leitende Schicht die elektrischen Eigenschaften des Schwingkreises verändert.
In gleicher Weise kann auch eine Probe 9'' untersucht werden, z.B. eine in einem Gefäß befindliche elektrisch leitende Lösung.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es somit möglich, die elektrische Leitfähigkeit einer Schicht oder auch einer Flüssigkeit (Elektrolyt) zu messen. Ebenso kann, falls die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bekannt ist, auch deren Konzentration ermittelt werden.
Ferner lassen sich nicht nur die Absolutwerte mit einer Abweichung von etwa 1 % messen, sondern auch zeitliche Veränderungen z.B. während eines Herstellungsprozesses.
Die Resonanzfrequenz f und die Güte Q0 des Schwingkreises sind sehr genau meßbar. Die Messung selbst erfolgt dadurch, daß die Frequenz des Generators 1 über die Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises gewobbelt wird. Die am Schwingkreis anstehende Spannung wird nach Verstärkung in einem schmalbandigen Verstärker als Resonanzkurve auf dem Bildschirm des Oszillographen dargestellt. Die auf dem Bildschirm gemessene Breite der Resonanzkurve (z.B. Breite bei einem Pegel -3 dB) ist ein Maß für die Güte Q0 des Schwingkreises. Nähert man das Meßobjekt der Spule, so werden im Meßobjekt Wirbelströme induziert, die die Frequenz und/oder die Güte des Schwingkreises beeinflussen.
Auch ist es möglich, die Spule 2 als eine Art Tastkopf auszubilden, der in eine zu vermessende Flüssigkeit eingetaucht werden kann, um deren Leitfähigkeit zu ermitteln, oder der auf die zu vermessende Schicht aufgesetzt werden kann.
Wird eine größere Anzahl derartiger Tastköpfe matrixartig angeordnet, so lassen sich lokale Unterschiede in der Leitfähigkeit größerer Flächen leicht durch aufeinanderfolgende Messungen der lokalen Werte nachweisen.
Die Verstimmung und/oder Bedämpfung des Schwingkreises hängt neben geometrischen Faktoren der Anordnung stark vom elektrischen Flächenwiderstand R# der Schicht ab.
In R# gehen die elektrische Leitfähigkeit X und die Dicke d der Schicht ein: R# = 1/##d.
Bei hohen Frequenzen, bei denen die Schthtdicke d vergleichbar wird mit der Skintiefe # in dem betreffenden Material, lautet die Beziehung Die (auf f0 normierte) Frequenzänderung f/f0 bzw. die (auf Q0 normierte) Güteänderung Q/Q0 des Schwingkreises mit dem Flächenwiderstand R# der zu messenden Schicht kann leicht durch eine Eichung bestimmt werden. Man kann f/f0 und Q/Q0 auch aus einem geeigneten Erzatzschaltbild angenähert berechnen. Fig. 3 und Fig.4 zeigen diese Größen für verschiedene Materialien und Dicken der Schicht ale Funktionen von r, einer Größe, die zu R# proportional ist: Der Faktor α ist durch Eichung mit Schichten mit bekannten R # -Werten festzulegen.
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Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zur kontaktfreien Messung des elektrischen Flächenwiderstandes elektrisch leitender Schichten, enthaltend einen mit der gewobbelten Ausgangsfrequenz eines Generators gespeisten Parallelschwingkreis, aus dem das Meßergebnis ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Schwingkreises als eine das Meßobjekt (9) umschließende Spule (2) ausgebildet ist und die Resonanzkurve des Schwingkreises (2,3) auf einem Oszillographen (5) darstellbar ist.
2. Anordnung zur kontaktfreien Messung des elektrischen Flächenwiderstandes elektrisch leitender Schichten, enthaltend einen mit der gewobbelten Ausgangsfrequenz eines Generators gespeisten Parallelschwingkreis, aus dem das Meßergebnis ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität aus einer auf einem etwa halbkreisförmig ausgebildeten Kern (10) angeordneten Spule (2) besteht, daß die Enden des Kerns (10) mit einer Auflagefläche für das Meßobjekt (p', 9'') versehen sind, und daß die Resonanzkurve des Schwingkreises (2,3) auf einem Oszillographen (5) darstellbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Ausgangsspannung des Schwingkreises (2,3) eine Steuergröße ableitbar ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) als Tastkopf ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Tastköpfe matrixartig angeordnet sind.