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Verfahren zum Eichen eines Bearbeitungsfühlers
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Verfahren zum Eichen eines Bearbeitungsfühlers Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Eichen eines auf einer Oberfläche angeordneten Bearbeitungsfühlers,
wobei eine erste Kante der Oberfläche von ihrer ursprünglichen Lage ausgehend bis
zu einer idealen Endpositionslinie bearbeitet wird, die einen vorbestimmten Abstand
von einer Merkmalslinie (feature line) besitzt.
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Bei gewissen Bearbeitungsoperationen, insbesondere solchen zur Herstellung
von Plattenspeicher-Dünnfilmmagnetköpfen in ihref Lage auf dem Luftgleiter, der
vom Kopfarm getragen wird, ist es wünschenswert, die Flugoberfläche zu bearbeiten,
bis eine genau lokalisierte Linie auf einer anderen Oberfläche, die die Flugoberfläche
schneidet, die Uberschneidungslinie der beiden Oberflächen wird. Beim Beispiel des
Dtinnfilmkopfes wird der Kopf an einer EndPlächB des Gleiters getragen, welche ungefähr
senkrecht zur Flugobetfläche ist, und die Linie ist angeordnet,
um
sehr genau die Spalt hdhe des Dünnfilmkopfes zu bestimmen; das ist die Abmessung
des Flußspa senkrecht zu der Umwandlungsobetfläche.
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Die Umwandlungsoberfläche ist während des Betriebs des Plattenspeichers
nahezu parallel zur Oberfläche des Mediums. Eine Genauigkeit bezüglich der Spalthöhe
im um-Bereich ist wünschenswert, um optimale elektronische und magnetische Eigenschaften
sicherzustellen. Die Bearbeitung der Flugoberfläche, bis sie mit der gewünschten
Überschneidungslinie übereinstimmt, ergibt automatisch eine Genauigkeit der Spalthöhe,
die der Genauigkeit entspricht, mit der die Überschneidungslinie gesetzt wurde.
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Die Steuerung dieser Abmessung während der Herstellung ist immer ein
schwieriges Problem gewesen wegen der extrem kleinen Abmessungen und Toleranzen.
Die einfache Verwendung der oberen Fläche des Gleiterprismas als Bezugsoberfläche
für die Steuerung der Spalthöhe war ausreichend beim Schleifen von Ferritköpfen,
wie die US-Patentschrift 3 982 318 zeigt. Jedoch sind die Abmessungen und Toleranzen
in der Ferritkopf-Technologie viel größer.
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In bezug auf Dünnfilmköpfe zeigt die jüngere Entwicklung der genauen
Steuerung der Spalthöhe die Verwendung sogenannter Läppführungen oder Bearbeitungsfühler,
wie zum Beispiel in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 23, No. 6, November
1980, S. 2550 gezeigt ist. Diese Führungen oder Fühler sind auf der den Dünnfilmkopf
tragenden Oberfläche aufgebrachte leitende Materialien. Es sind zwei Typen von Fühlern
im allgemeinen Gebrauch.
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Bei den sogenannten diskreten Fühlern wird einfach deren elektrischer
Durchgang an einem bestimmten Punkt während der Bearbeitung unterbrochen und somit
eine Anzeige für den Bearbeitungsfortschritt in nur einem einzigen Zeitpunkt geschaffen.
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Analoge Fühler weisen eine Fläche von Widerstandsmaterial auf, die
langsam durch die Bearbeitung abgetragen wird und daher eine kontinuierliche Anzeige
liefern, bis der Durchgang unterbrochen wird. Hinsichtlich der diskreten Fühler
werden normalerweise mehrere von diesen in verschiedenen Höhen verwendet. Die Durchgänge
dieser einzelnen Fühler werden aufeinanderfolgend durch den Bearbeitungsprozeß unterbrochen,
wodurch eine Serie von Anzeigen geschaffen wird, die genau angeben, wie weit die
Bearbeitung noch fortgesetzt werden kann, um die gewünschte Endpositionslinie zu
erreichen. An den Grenzen des oder innerhalb des gewünschten Bereiches der Spalthöhe
wird der leitende Pfad eines letzten Fühlers unterbrochen, wodurch angezeigt wird,
daß der Bearbeitungsvorgang beendet werden soll.
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Die Verwendung dieser Bearbeitungsfühler erhöht die Genauigkeit, mit
der die Kante relativ zu dem Merkmal positioniert werden kann, drastisch.
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Jedoch kann man bei der Behandlung von Dünnfilmmagnetköpfen die konventionellen
Bearbeitungsfühler nicht im gleichen Verfahrensschritt ausbilden, weicher den Spalt
bestimmt. Dies rührt daher, daß der Spalt durch Aufbringen einer isolierenden Schicht
gebildet wird, während die Bearbeitungsfühler leitende Muster darstellen und daher
in den Vexfahrensschritten aufgebracht werden, in denen die Magnetschichten des
Kopfes geschaffen werden.
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Es ist eine bekannte Schwierigkeit, daß aufeinander folgende Schichten
von durch die Verwendung von fotooptischen Masken aufgebrachtem Material, die eine
zusammengesetzte Dünnfilmstruktur bilden, nicht gegeneinander mit absoluter Genauigkeit
ausgerichtet werden können. Dasheißt, die Masken oder Muster, welche jeweils die
Gestalt von aufeinanderfolgenden Schichten wie der unteren Magnetschicht, des Spaltes
und der oberen Magnetschicht definieren, können nicht in genauer Ausri#htung mit
den durch frühere Maskierungsschritte geschaffenen Mustern erhalten werden. Daher
kann die Spalthöhe eines typischen Dünnfilmkopfes nicht mit einer Genauigkeit gesteuert
werden, die größer ist als die Ausrichtung zwischen dem Muster der Spaltisolierung
und dem Muster der Magnetschichten bzw. Bearbeitungsfthler. Die Erfahrung zeigt,
daß diese inhärente Ungenataigkeit zu einem erheblichen Prozentsatz von Köpfen führt,
deren Spalthdhen außerhalb der geforderten Toleranzen liegen.
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Besonders nachteilig ist, daß, obgleich der die Spalthöhe bestimmende
Schritt während des Verfahrens erfolgt, man nicht feststellen kann, ob der Kopf
von guter Qualität ist, bis der Herstellungsvorgang abgeschlossen ist, so daß die
relativ hohe Anzahl von Köpfen nicht ausreichender Qualität zu einer erheblichen
Kostenerhöhung führt.
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Das Problem der Ausrichtung von Bearbeitungsfühlern mit einem aus
Isoliermaterial wie der spaltbestimmenden Schicht eines Dünnfilmkopfes gebildeten
Strukturmerkmal besteht sowohl für diskrete als auch für analoge Fühler. In einem
gegenwärtigen Herstellungsverfahren werden analoge Fühler verwendet zur Anzeige
des Fortschritts der Bearbeitung eines Werkstücks, das mehrere Dünnfilmköpfe trägt.
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Der Bearbeitungsvorgang setzt die Spalthöhen gleichzeitig für alle
Dünnfilmköpfe. Zwischen jeweils zwei Köpfen ist ein analoger Fühler angeordnet.
Es ist notwendig, daß die Position jedes analogen Fühlers gegenüber seinen angrenzenden
Köpfen sehr genau bekannt ist, so daß die Bearbeitung beendet werden kann, wenn
die Spalthöhen von so viel Köpfen wie möglich innerhalb der gewünschten Toleranzen
liegen. (Wegen der verschiedenen Ungenauigkeiten im Prozeß ist es möglich, daß nicht
alle Spalthöhen zur gleichen Zeit auf einen Wert innerhalb des Toleranzbereiches
reduziert werden können.) IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 18, No. 1, Juni
1975, S. 227, erkennt die Schwierigkeit beim Ausrichten von Strukturmerkmalen verschiedener
aufgebrachter Schichten und gibt offensichtlich die Lehre, die Läpp-Steuerschicht
mit dem gleichen Verfahrensschritt aufzubringen, welcher die Ausrichtung der Isolierschicht,
die als Spalt dient oder die Spaltschicht bedeckt, bildet. Wie jedoch die Isolierschicht
im gleichen Verfahrensschritt wie die Aufbringung der Läpp-Steuerschicht ausgerichtet
werden kann, ist nicht erläutert.
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IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 23, No. 2, Juli 1980, S. 776,
lehrt ein Verfahren zum Eichen eines analogen Läpp-Führers oder Bearbeitungsfühlers
zur Kompensation von Variationen des spezifischen Volumenwiderstandes und der Filmdicke.
Dieses Verfahren bezieht sich jedoch nicht auf die Bestimmung der Position eines
analogen Fühlers relativ zu einem Strukturmerkmal einer isolierenden Schicht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bearbeitungsgenauigkeit
zu erhöhen, mit welcher die Kante einer Oberfläche relativ zu einem Strukturmerkmal
auf der Oberfläche hergestellt werden kann. Hieraus ergibt sich auch die Aufgabe,
die Ausschußrate zu senken. Ein Merkmal der Aufgabe besteht darin, die Verfahrensschritte
der Bildung des Spaltfüllmaterials eines Dünnfilmkopfes und der Ausbildung des Bearbeitungsfühlers
-zu kombinieren, wenn eine Umwandlereinheit, die einen Dünnfilmkopf trägt, bearbeitet
wird.
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Ein weiteres Merkmal der Aufgabe ist eine genauere Messung des jeweiligen
Zustandes des Bearbeitungs-Vorganges.
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Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Verfahren zum Eichen
eines Bearbeitungsfühlers erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fühler vom Typ
eines diskreten Fühlers ist und aufweist: a) eine untere leitende Fläche auf der
Oberfläche, die von der ursprünglichen Lage der ersten Kante ausgeht und sich mindestens
bis zur idealen Endpositionslinie erstreckt; b) eine isolierende Sperrfläche mit
einer Fühlliniengrenze, die mindestens ein Liniensegment umfaßt, von denen jedes
einen genauen bekannten Abstand von der Merkmalslinie aufweist und zwischen der
idealen Endpositionslinie und der ursprünglichen Lage der ersten Kante liegt, wobei
sich die isolierende Sperrfläche von der ursprünglichen Lage der ersten Kante weg
erstreckt; c) eine wenigstens einen leitenden Pfad enthaltende Schicht, die außerhalb
der Fläche zwischen der ursprünglichen Lage der ersten Kante und der Fühlliniengrenze
vollständig auf der
Sperrfläche liegt, wobei jeder leitende Pfad
sich über eines der Liniensegmente erstreckt und einen leitenden Kontakt mit der
leitenden Fläche herstellt; und d) einen Durchgangsprüfer, der zwischen dem von
der Fühlliniengrenze entfernten Ende jedes leitenden Pfades und der unteren leitenden
Fläche angeschlossen ist und der eine Anzeige liefert, wenn der Durchgang zwischen
dem leitenden Pfad und der unteren leitenden Fläche unterbrochen wird; daß ein analoger
Fühler mit folgenden Merkmalen vorgesehen ist: a) einem leitenden Widerstandsstreifen,
der sich entlang der ursprünglichen ersten Kante erstreckt und gekreuzt wird von
en (i) VerlEngerunC von jeder der Fühlliniengrenzen-Liniensegmente, die von den
leitenden Pfaden gekreuzt werden, und (ii) der idealen Endpositionslinie; b) einer
Widerstandsmeßvorrichtung, die elektrisch über den leitenden Widerstandsstreifen
angeschlossen ist, um ein den Widerstand dieses Streifens anzeigendes Signal zu
liefern; und daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt: a) Bearbeiten der ersten
Kante der Oberfläche zur Merkmalslinie hin, bis der Durchgangsprüfer anzeigt, daß
der Durchgang zwischen einem leitenden Pfad und der leitenden Fläche unterbrochen
wird; dann ohne weitere Bearbeitung b) Analysieren des Signals der Widerstandsmeßvorrichtung,
um den Widerstand des leitenden Streifens zu bestimmen; c) Berechnen einer Konstante
inverser Proporttonalität K aus einer Gleichung der Form h = K/R durch Ersetzen
i)
des bekannten Abstandes des gekreuzten Liniensegmente, das vom leitenden Pfad gekreuzt
wird, dessen Durchgang mit der leitenden Fläche unterbrochen wurde, für den Abstand
h zwischen der Merkmalslinie und der ersten Kante, und ii) des durch die Widerstandsmeßvorrichtung
angezeigten Widerstands für den Widerstand R des leitenden Streifens, und Auflösen
der Gleichung nach R; d) Fortsetzen der Bearbeitung der ersten Kante zur idealen
Endpositionslinie hin; e) periodisches Analysieren des Signals der Widerstandsmeßvorrichtung
während des Bearbeitens, um den Widerstand des leitenden Streifens zu bestimmen,
und Berechnung des Wertes h hieraus; und f) Beenden der Bearbeitung, wenn h auf
einen Wert in einem vorbestimmten Bereich des Abstandes zwischen der idealen Endposition-und
der Merkmalslinie verringert ist.
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Die offenbarte Lehre besteht darin, den Maschinenfühler mit der gleichen
Maske herzustellen, die das isolierende Strukturmerkmal, das in genauer räumlicher
Beziehung zu der Endposition der bearbeiteten Kante steht, definiert. Dies wird
erreicht durch Aufbringen einer ersten leitenden Schicht auf der Oberfläche, welche
das Strukturmerkmal trägt, die sich von nahe der ursprünglichen Lage der zu bearbeitenden
Kante bis über den zulässigen Toleranzbereich der Endposition der Kante erstreckt.
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Dies kann im Falle von Dünnfilmmagnetköpfen in geeigneter Weise in
den Verfahrensschritt der Aufbringung der unteren Schicht des Dünnfilmkopfes eingeschlossen
sein. Während des Schrittes, der das
Strukturmerkmal schafft, von
welchem die Endposition der bearbeiteten Kante bestimmt wird, wird eine zusätzliche
Sperrschicht aus isolierendem Material auf der ersten leitenden Schicht aufgebracht,
die entlang einer sogenannten Fühllinie liegt, die sich im wesentlichen parallel
zu der durch die Bearbeitung geschaffenen Kante erstreckt, wobei die gleiche Maske
für die Erzeugung beider Schichten verwendet wird. Die eine Kante der Sperrschicht
definierende Fühllinie ist genau positioniert in bezug auf das Strukturmerkmal,
da beide mit Hilfe der gleichen Maske im gleichen Beschichtungsschritt hergestellt
wurden.
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Es wird dann eine zweite leitende Schicht auf der Sperrschicht aufgebracht,
die die erste leitende Schicht direkt nur zwischen der ursprünglichen Lage der Kante
und der Fühllinie berührt. Bei der Herstellung von Dünnfilmköpfen wird dieser Schritt
typischerweise zusammen mit dem Aufbringen der oberen Magnetschicht für den magnetischen
Flußpfad vorgenommen. Es ist selbstverständlich, daß jede dieser drei Schichten
durch eine Anzahl von Einzelschritten hergestellt werden, die die Verwendung einer
Präzisionsmaske, um auf optischem Wege das gewünschte Muster in der Schicht mit
hoher Präzision herzustellen, einschließt.
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Die Kante der Oberfläche wird dann von ihrer ursprünglichen Lage ausgehend
zur Fühllinie hin bearbeitet. Wenn die bearbeitete Kante die Fühler linie erreicht,
wird der elektrische Durchgang zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht
unterbrochen (wobei angenommen wird, daß das Werkzeug nichtleitend ist). Ein zwischen
die zweite leitende Schicht und die erste leitende Schicht
geschalteter
Durchgangsprüfer zeigt hierdurch die Lage der bearbeiteten Kante an. Wenn die Fühler
linie die ideale Endposition der Schnittlinie der beiden Oberflächen darstellt,
dann wird die Bearbeitung beendet.
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Tatsächlich ist die bevorzugte Anwendung dieses diskreten Maschinenfühlers
die Eichung eines konventionellen analogen Fühlers, um genau dessen Position in
bezug auf eine Merkmalslinie, die genau die Kante einer isolierenden Merkmalsstruktur
definiert, zu bestimmen. Dies wird erreicht durch Verwendung eines oder mehrerer
diskreter Fühler, von denen jeder eine andere Fühllinie besitzt, die die Führfläche
des analogen Fühlers schneidet, und von denen jeder genau in bezug zu der Merkmalslinie
positioniert ist. In jedem Zeitpunkt, in dem durch den Bearbeitungsvorgang einer
der diskreten Fühler anspricht, wird der Widerstand des analogen Fühlers gemessen.
Diese Widerstandswerte können in einer allgemeinen Gleichung der Form h = K/R betreffend
den analogen Fühlerwiderstand R mit dem Abstand h der oberen Kante des analogen
Fühlers von der bearbeiteten Kante ersetzt werden. Die Gleichung kann dann gelöst
werden, um einen Wert für die Konstante K und beliebige andere Konstanten zu liefern,
um eine Gleichung zu ergeben, die den Ftthlerwiderstand direkt mit dem Abstand der
bearbeiteten Kante von der Merkmalspositionslinie in Beziehung setzt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht eines Prismas mit einer Oberfläche, auf welcher ein Dünnschichtmagnetkopf
und Bearbeitungsfühler ausgebildet sind; Fig. 2 und 4 Querschnitte durch einen der
in Fig. 1 gezeigten Bearbeitungsfühler vor bzw. nach dem Bearbeitungsvorgang; Fig.
3 und 5 Querschnitte des Strukturmerkmals, auf welches die bearbeitete Kante bezogen
wird, vor und nach der Bearbeitung; Fig. 6 eine Struktur mit einem diskreten Fühler
in einem bevorzugten zusammen gesetzten Fühler, der für die Massenproduktion von
Elementen, wie Dünnfilmköpfen, verwendet wird, welche enge Toleranzabmessungen basierend
auf der Position einer Kante einer isolierenden Fläche haben; Fig. 7a eine vergrößerte
perspektivische Ansicht eines einzelnen Dünnfilmwiderstandes gemäß Fig. 6; und Fig.
7b einen schematischen Schaltkreis des Netzwerkes des analogen Fühlers von Fig.
6.
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Da der vorliegende diskrete Fühler speziell für Zwecke der Steuerung
der Spalthöhe von Dünnfilmköpfen entwickelt wurde, basiert die Beschreibung auf
einer Anwendung in diesem Bereich. Sie kann jedoch in gleicher Weise in jedem Fall
angewendet werden, in dem eine Bearbeitung relativ zu einem durch ein aufgetragenes
isolierendes Material definierte n Strukturmerkmal gesteuert werden muß.
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Fig. 1 zeigt eine erheblich vergrößerte perspektivische Ansicht eines
zu bearbeitenden Prismas oder Blocks 9, der aus keramischem Material gebildet ist
und der einen lufttragenden Dünnfilmkopfgleiter umfaßt. Der Block 9 befindet sich
in dem Zustand gerade vor der endgültigen Bearbeitung der lufttragenden Oberfläche.
Die Linie 15 stellt die ursprüngliche Lage der Kante der Endfläche 10 dar, die durch
die Uberschneidung der ursprünglichen Lage der Flugoberfläche 26 (Fig. 2 und 4)
mit der Fläche 10 definiert wird. Die Oberfläche 26 wird bearbeitet, bis ihre Schnittlinie
mit der Endfläche 10 ihre ideale Position erreicht, die mit einer Fühlebene 13 übereinstimmt,
die durch die beiden Linien 13a und 13b definiert ist.
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Auf der Endfläche 10 ist ein Bearbeitungsfühler 21 angeordnet worden;
der eine leitende Schicht 11 enthält, die von der Fühllinie 13a oder -ebene 13 geschnitten
wird und jede geeignete Form besitzen kann. Fig. 2 zeigt diesen Fühler 21 im Querschnitt
vor der endgültigen Bearbeitung. Auf der leitenden Schicht 11 ist eine isolierende
Schicht mit einer Sperrfläche 12 aufgetragen, deren eine Kante entlang der Fühlebene
13 verläuft und die sich von der ursprünglichen Position der
Linie
15 an der Kante der Fläche 10 weg erstreckt.
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Die Fühlebene 13 sollte im wesentlichen parallel zur ursprünglichen
Lage der Linie 15 an der Kante der Fläche 10 verlaufen. Ein vorläufiger Bearbeitungsschritt
kann erforderlich sein, um den Block 9 so zu gestalten, daß diese Beziehung gegeben
ist. Eine weitere aufgetragene leitende Schicht 14, die eine leitende Fläche bildet,
ist auf einer Seite der Fühllinie 13a vollständig innerhalb des Bereiches der Sperrfläche
12 angeordnet und erstreckt sich über die Linie 13a, wobei sie zwischen dieser und
der ursprünglichen Lage der Kante bei der Linie 15 die leitende Schicht 11 berührt.
Daher ist die leitende Schicht 14 von der leitenden Schicht 11 im Bereich der Fläche
14b vollständig isoliert, das heißt im Bereich oberhalb der Linie 13a, während ein
elektrischer Kontakt mit der Schicht 11 im Bereich 14a, das heißt unterhalb der
Linie 13a besteht.
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In Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines typischen Dünnfilinkopfes
20 angrenzend an den Betätigungsfühler 21 gezeigt, und in Fig. 3 ist dieser vor
dem Bearbeitungsvorgang im Querschnitt gezeigt. Dieser umfaßt ein Paar von magnetischen
Flußpfaden 17 und 18, eine Wicklung 19 und ein aufgetragenes isolierendes Material
24, das typischerweise aus Aluminiumoxid gebildet ist und zwischen den Pfaden 17
und 18 des magnetischen Flusses angeordnet ist, wodurch der Flußspalt 25 geschaffen
wird. Eine zweite Isolierschicht 16 isoliert die Wicklung 19 und definiert das innere
Ende des Flußspaltes 25. Dieses innere Ende des Flußspaltes 25 liegt entlang eines
Segmentes einer Merkmalslinie 27, gezeigt als Punkte in Fig. 2 bis 5. Der Abstand
zwischen der Merkmalslinie 27 und
der Fühllinie 13a ist im selben
Beschichtungsvorgang und mit derselben Maske hergestellt und daher mit großer Genauigkeit
bekannt, da keine Maskenausrichtfehler auftreten können Um einen Flußspalt 25 mit
der geeigneten Flußhöhe zu schaffen, ist es erforderlich, die Oberfläche 26 solange
zu bearbeiten, bis sie mit der Ebene 13 innerhalb eines Toleranzbereiches von 1,5zum
übereinstimint. Der Flußspalt 25 wird durch nichtmagnetisches isolierendes Material
gebildet.
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Es ist selbstverständlich, daß durch die Ausbildung der Kante der
Sperrfläche 12 entlang der Fühllinie 13a, welche die Stelle bestimmt, an der die
Bearbeitung zu beenden ist, mit derselben Maske und im selben Beschichtungsschritt,
durch die das innere Ende des Spaltes 25 entlang der Merkmalslinie 27 definiert
wird, die Höhe des Spaltes 25 sehr genau bestimmt werden kann, und zwar sehr viel
genauer, als wenn die Merkmalslinie 27 und die Fühllinie 13a während verschiedener
Beschichtungsschritte oder mit verschiedenen Masken geschaffen würden. Es ist auch
selbstverständlich, daß die Steuerung der Spalthöhe eines Dünnfilmkopfes nur eine
der vielen möglichen Anwendungen dieses Verfahrens ist.
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Die Bearbeitung ist konventionell und kann durch Läppen oder eine
andere hoch#präzise Bearbeitung erfolgen, wobei sie jedoch mit einem Werkzeug durchgeführt
werden muß, das keinen Kurzschluß zwischen den Schichten 11 und 14 herstellt.
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Durchgangsprüfer 22 sind über Leitungen 23 mit den leitenden Schichten
11 und 14b verbunden.
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Die Bearbeitung trägt langsam das Material zwischen der Ebene 13 und
der ursprünglichen Lage der Kante
der Fläche 10, das heißt der
Linie 15, ab.
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Wenn das Material zwischen der Ebene 13 und der Linie 15 vollständig
abgetragen ist, wird der elektrische Kontakt zwischen den Schichten 14a und 11 unterbrochen
und die Durchgangsprüfer 22 zeigen diesen Zustand an. Die endgültige Ausbildung
eines Betätigungsfühlers 21 ist in Fig.4 gezeigt. Die Bedienungsperson überwacht
die Durchgangsprüfer 22 und kann bei entsprechender Anzeige die Bearbeitung beenden.
Auch kann die Bearbeitungsvorrichtung mit den Durchgangsprüfern 22 verbunden sein,
um den Bearbeitungsvorgang anzuhalten, wenn die Unterbrechung eines Durchganges
festgestellt wird.
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Der Grund, warum die ursprüngliche Lage der Linie 15 nahezu parallel
zur Fühlebene 13 liegen muß, ist nun offensichtlich. Wenn die Kante der Fläche 10
bearbeitet wird, bis sie mit der Bbene 13 dbereinstimmt, dann wird, wenn sie zu
diesem Zeitpunkt nicht parallel sind, einiges Material über die Ebene 13 hinaus
entfernt, und bei den einzelnen Fühlern 21 erfolgt die Unterbrechung des Durchganges
zu verschiedenen Zeiten. Daher sollte zu irgendeinem Zeitpunkt während des Bearbeitungsvorganges
die Kante 15 angenähert parallel zur Fühlebene 13 sein. Die Position der Kante der
Fläche 10 in diesem Zeitpunkt kann als ihre ursprüngliche Position betrachtet werden.
Die entsprechende Bearbeitung, um diese Beziehung zu erreichen, kann lediglich als
ein vorläufiger Schritt betrachtet werden. Die Wirkung dieser Nicht-Parallelität
kann dadurch verringert werden, daß man die Schicht 14 enger macht und die Fühler
21 näher zusammen anordnet. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit eines Defekts im elektrischen
Kontakt zwischen ihnen,
der den ursprünglichen Durchgang total
zerstört, dann größer Die inhärente Breite der Merkmalsstruktur und ihrer zugehörigen
Struktur (Kopf 20) begrenzt dle Annäherung zwischen den Fühlern 21.
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Während die Fühler 21 und das zugeordnete Verfahren, wie sie gerade
beschrieben wurden, zufriedenstellend für gewisse Anforderungen bei geringen Produktionszahlen
funktionieren, hat das kormerzielle Erfordernis nach der Herstellung vieler tausender
magnetisch er Köpfe 20 zu einer bevorzugten Anwendung dieser Fühler 21 geführt.
Um diese Köpfe 20 billig und wirkungsvoll herzustellen, werden vorzugsweise mehrere
an einer einzelnen Stange angeordnet und ihre Flugoberflächen 26 gleichzeitig bearbeitet.
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Um den jeweiligen Zustand der Spalthöhe jedes Kopfes zu bestimmen,
sind häufige Messungen jeder dieser Spalthdhen während der abschließenden Bearbeitungsphase
erforderlich. Genau geeichte analoge Bearbeitungsfühler sind neben jedem Kopf auf
der Stange angeordnet. Wenn frühe Anzeigen von diesen Fühlern während des abschließenden
Bearbeitungsvorganges ergeben, daß gewisse Spalthöhen außerhalb der Toleranz liegen
werden, wenn durch die Bearbeitung alle anderen innerhalb des gewünschten Toleranzbereiches
gebracht werden, dann wird die Stange gebogen,um eite zusätzliche Bearbeitung der
Flugoberflächen nur bestimmter Köpfe zu bewirken. Durch geeignete Wahl des Ausmaßes
und der Lage dieser Biegung kann erreicht werden, daß ein viel größerer Prozentsatz
der Kopf spalthöhen bei Beendigung der Bearbeitung in den Toleranzbereich fällt.
Jedoch müssen die die Information liefernden Fühler die Spalthöhe in häufigen Intervallen
genau messen. Da diese analogen Fühler wesentliche Elemente
besitzen,
die aus leitenden Materialien bestehen, unterliegen sie ebenfalls den Ausrichtfehlern
wie die konventionellen diskreten Fühler.
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Ein zusammengesetzter Bearbeitungsfühler, welcher einen analogen Fühler
28 enthält, der kontinuierlich ein Signal liefert, das die Position der bearbeiteten
Kante 15 wiedergibt, ist in Fig. 6 gezeigt. Die Spalthöhen-Nullinie oder Merkmalslinie
58 definiert im wesentlichen die Position des Strukturmerkmals, in bezug zu welchem
die durch die Bearbeitung erreichte Lage der Linie oder Kante 15 bestimmt wird.
Der zusammengesetzte Fühler ist auf der Endfläche 10 des Prismas 9 angeordnet und
enthält einen Analogfühler 31, der aus einem leitenden Widerstandsstreifen und drei
diskreten Fühlern aus den Leiterpfaden 46 bis 48, einer isolierenden Sperrfläche
33 unter diesen, und einer leitenden Fläche 49 unterhalb der Sperrfläche 33, die
in elektrischem Kontakt mit den Enden 50 bis 52 der Leiterpfade 46 bis 48 steht,
gebildet wird. Fühlliniensegmente 38 bis 40 weisen entlang der unteren Kante der
Sperrfläche 33 ein treppenförmiges Muster auf und sind gegeneinander versetzt sowie
angenähert parallel zur ursprünglichen Lage der Kante 15 und besitzen Verlängerungen,
die einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen. Jedes der Fühlliniensegrnente
38 bis 40 ist in einem genau bekannten Abstand von der Spalthöhen-Nullinie oder
Merkmalslinie 58 aufgrund ihrer Herstellung durch den gleichen Verfahrensschritt
und die gleiche Maske wie der des inneren Endes des Flußspaltes des zugehörigen
Kopfes oder eines anderen Elementes angeordnet. Die Leiterpfade 46 bis 48 haben
merkliche elektrische Widerstände und sind gemeinsam verbunden zu einer Anschlußstelle
43.
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Die Leiterpfade 46 bis 48 kreuzen die Liniensegmente 40 bis 38 und
alle befinden sich in elektrischem Kontakt mit der leitenden Fläche 49.
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Die Anschlußstelle 43 ist mit dem oberen wählbaren Anschluß eines
einpoligen Umschalters 52 und mit jeweils einem Anschluß von Voltmetern 55 und 57
verbunden.
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Der analoge Fühler 31 ist einheitlich mit der leitenden Fläche 49,
die einen Teil des diskreten Fühlers 29 bildet. Die Enden des analogen Fühlers sind
über Brücken 35 und 36 mit Widerstands-Leiterpfaden 34 bzw. 32 verbunden. Der Fühler
31 hat einen merklichen Widerstand, ursprünglich R1, zwischen den Brücken 35 und
36. Die nominelle Höhe hl und Länge L1 bestimmen während der Bearbeitung dessen
Widerstand. Wenn die untere Kante 15 der Fläche 10 beim Bearbeiten sich langsam
nach oben bewegt, nimmt die Höhe hl des Fühlers 31 ab, so daß dessen Widerstand
ansteigt.
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Die Pfade 34 und 32 verbinden die leitenden Brücken 35 und 36 mit
Anschlußstellen 41 bzw. 42. Die Leiterpfade 34 und 32 selbst haben in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel merkbare Widerstände, die ebenfalls von ihren Längen L4 bzw.
L2 und Höhen h4 und h2 abhängen. Der Widerstand in den Leiterpfaden 34 und 32 ist
unvermeidbar, da diese ebenfalls einheitlich mit dem analogen Fühler 31 ausgebildet
sind, welcher einen inneren Widerstand aufweisen muß, um seine Fühlfunktion ordnungsgehäß
ausüben zu können. Die Anschlußstelle 41 ist mit dem nicht mit der Anschlußstelle
43 verbundenen Anschluß des Voltmeters 55 verbunden, so daß dieses die Spannung
zwischen den Anschlußstellen 41 und 43 mißt. (Die Voltmeter 55 und 57, der Schalter
52 und
die Konstantstromquelle 53 sind entfernt von der Fläche
10 angeordnet). Die Anschlußstelle 41 ist auch mit der unteren wählbaren Klemme
des einpoligen Umschalters 52 verbunden. Die Anschlußstelle 42 ist mit einem Anschluß
der Konstantstromquelle 53 und dem nicht mit der Anschlußstelle 43 verbundenen Anschluß
des Voltmeters 57 verbunden.
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Der Anschluß der Konstantstromquelle 53, der nicht mit der Anschlußstelle
42 verbunden ist, ist mit der mittleren bzw. gemeinsamen Klemme des einpoligen Umschalters
52 verbunden.
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Es wurde eine Gleichung der Form h = K/R entwickelt, welche den Wert
der Höhe hl = h des Fühlers 31 mit den Abmessungen der Leiterpfade 34 und 32, die
in der Konstante K enthalten ist, und zu den von den Voltmetern 55 und 57 gemessenen
Spannungen, welche eine gegenwärtige Anzeige des Widerstandes R des analogen Fühlers
31 liefern, in Beziehung setzt.
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Wie die noch folgende Ableitung zeigt, ist die Fühlerhöhe h1 = V2h2/Q(Vl-xV2),
wobei V1 und V in der gezeigten unteren Stellung des Schalters 52 gemessen werden.
Es ist daher offensichtlich, daß die Spalthöhe = V2h2/Q(Vl-XV2)-Yoff hl Yoff ist,
worin Yoff den Abstand zwischen der Oberkante des analogen Fühlers 31 und der Spalthöhen-Nullinie
oder Merkmals linie 58#, die eine Kante des Strukturmerkmals, in bezug zu welchem
der diskrete Fühler 29 angeordnet ist, darstellt, bildet. In diesen Gleichungen
sind Q=L2/L1 und x=L4/L2. Es ist relativ leicht, die Auftragung zu steuern, so daß
die Pfade 34 und 32 nahezu identische Dimensionen besitzen, wodurch L1=L2 bzw. xl
mit einer Abweichung innerhalb + 2 % oder weniger ist, so wie dies im Ausführungsbeispiel
bevorzugt ist. Selbst größere (+ 4 *) Abweichungen beeinträchtigen die Spalthöhen-
messungen
nur im Bereich von wenigen hundertstelp m.
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Es ist auch möglich, den Pfad 34 mit einer sehr kleinen effektiven
Lunge L4 (L4 « L2) aufzutragent indem der Pfad 34 mit einer wesentlich größeren
Höhe und Dicke als der Pfad 32 ausgebildet wird. Durch geeignete Bestimmung der
Abmessungen des Pfades 34 während des Auftragungsvorganges kann x so eingestellt
werden, daß es in den Bereich von 0,01 bis 0,1 fällt.
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Obwohl die Genauigkeit, mit der die Größe x bekannt ist, in diesem
Fall nicht besser als + 10 % oder sogar + 20 % ist, ist, da der Wert von x sehr
klein ist, der Einfluß auf die Spalthöhenmessungsgenauigkeit der gleiche wie für
den Fall, in dem x = 1 und mit einer Genauigkeit von + 2 % bekannt ist. Wenn der
Auftragungsvorgang einmal stabilisiert ist, kann ein durchschnittlicher Wert von
x entweder durch Berechnungen oder direkte Messungen des Widerstandes der Pfade
34 und 32 auf den entsprechenden Prismenoberflächen 10 bestimmt werden, wodurch
die Behandlung von x als einer Konstante möglich ist.
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Es gibt daher in jedem Ausführungsbeispiel zwei Unbekannte in der
Gleichung für die Spalthöhe, nämlich h2/Q und Yoff. Wenn VllV2 undx bekanntsind,
1 2 und x bekannt sind, ist es möglich, die Werte für h2/Q und Yoff durch Messung
der Werte füt V1 und V2 bei bekannten Spalthöhen zu bestimmen. Dies wird erreicht
unter Bezugnahme auf die diskreten Sensoren 29. Wenn die Bearbeitung des Prismas
9 beginnt, bewegt sich die Linie 15 langsam auf die Linie 38 zu, wobei der Widerstand
von und die Spannung über die Linie 38 und der Widerstand des und die Spannung über
den analogen Fühler 31 erhöht werden. Wenn die Linie 15 mit der Linie 38 zusammenfällt,
wird der Durchgang
des den Leiterpfad 48 enthaltenden Fühlers geöffnet.
Wenn der Schalter 52 in dieser Zeit in der oberen Stellung ist, nimmt die vom Voltmeter
55 gemessene Spannung V1 plötzlich zu, wenn der Durchgang unterbrochen ist, da hierdurch
der Widerstand zwischen der leitenden Fläche 49 und der Anschlußstelle 43 erhöht
wurde, während der Strom 1c der Konstantstromquelle 53 unverändert geblieben ist.(Da
angenommen wird, daß das Voltmeter 55 einen sehr großen Widerstand im Vergleich
zu den Widerständen im Pfad 34 und im Fühler 31 besitzt, stellt V1/I c sehr genau
den Widerstand zwischen der Fläche 49 und der Anschlußstelle 43 dar).
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Zu diesem Zeitpunkt ist die Spalthöhe mit großer Genauigkeit bekannt
als der vorbestimmte genaue Abstand zwischen dem Liniensegment 38 und der Spalthöhen-Nullinie
58.
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Sobald der Anstieg der Spannung V1 festgestellt ist, muß der Schalter
52 in seine untere Stellung bewegt werden, wodurch sich der Wert für die Spannung
V1 ergibt, der in der die Spalthöhe bestimmenden Gleichung verwendet wird. Ebenso
wird in diesem Zeitpunkt die Spannung V2 zur Verwendung in der Gleichung abgelesen.
Obwohl die Abmessungen der aufgetragenen Widerstände nicht genau eingehalten werden
können während des Auftragungsvorganges, sind sowohl L1 und L2 als auch h2 und Yoff
mit ausreichender ursprünglicher Genauigkeit bekannt, da sie mit Hilfe derselben
Maske gebildet wurden.
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In dem Zeitpunkt, in dem die Linie 15 mit der Linie 38 zusammentrifft,
ist die Spalthöhe mit großer Genauigkeit bekannt. Das Ersetzen der Annäherungen
für Q(=L2/L1) und h2 durch die gemessenen Werte für V1, V2 und die genaue Spalthöhe
in die obige Gleichung für die Spalthöhe ergibt eine bessere
Annäherung
für Y0f wodurch die Genauigkeit seines Wertes wesentlich erhöht wird.
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Mit dem Umschalter 52 wieder in der oberen Stellung wird die Bearbeitung
fortgesetzt, bis die Linie 15 mit der Linie 39 übereinstimmt, wodurch der Durchgang
durch den diskreten Fühler, der den Pfad 87 enthält, unterbrochen wird und ein weiterer
Sprung im Spannungswert V1 auftritt. Hierdurch ist ein zweiter genauer Wert für
die Spalthöhe erhältlich. Mit Hilfe von zwei mit großer Genauigkeit bekannten Werten
für die Spalthöhe und zwei ebenso mit großer Genauigkeit bekannten Werten für VS
und V2 für diese Spalthöhen ist es möglich, zwei Spalthöhengleichungen gleichzeitig
für die Werte h2/Q und Yoff zu lösen. Hinter diesem Punkt kann die Spalthöhe mit
großer Genauigkeit festgestellt werden, indem einfach die Werte für V1 und V2 gemessen
und die Spalthöhe unter Verwendung der gerade bestimmten Werte für h2/Q und Yoff
berechnet werden. Die Voltmeter 55 und 57 haben somit die Funktion von Ohmmetern
in Verbindung mit der vorstehenden Gleichung für die Spalthöhe, um den Widerstand
R1 nach der Eichung zu bestimmen.
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Für die besondere Anwendung, für die dieses Verfahren entwickelt wurde,
ist es erforderlich, daß jeder zusammengesetzte Fühler eine besonders wirksame Anzeige
liefert, wenn die Spalthöhen im Bereich von 8,5 bis 2,0/zum liegen. Bei diesem Toleranzbereich
ist es geeignet, die erste Fühllinie 38 der Sperrfläche 33 in einem Abstand von
die diezweite Fühllinie 39 in einem Abstand von 2#um m und die Fühllinie 40 in einem
Abstand von 0,5/um von der Spalthöhen-Nullinie 58 anzuordnen. Wie erwähnt, können
diese diskreten
Fühler in genau bekannten Abständen von der Spalthöhen-Nullinie
58 aufgetragen werden.
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Wenn daher während der Bearbeitung der durch die Linie 39 und den
Leiter 47 gebildete individuelle Fühler getrennt wird, dann weiß die Bedienungsperson,
daß die obere Grenze für die Spalthöhe bei den angrenzenden Köpfen erreicht ist.
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Wenn der die Fühllinie 40 und den Pfad 46 aufweisende Fühler geöffnet
wird, dann weiß die Bedienungsperson, daß der angrenzende Kopf aus dem Toleranzbereich
herausgefallen ist und nicht verwendet werden kann. Die ideale Endpositionslinie,
bis zu welcher die Linie 15 durch die Bearbeitung herangebracht wird, kann irgendwo
im Bereich der Spalthöhe von 0,5 bis 2,0um liegen.
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Wegen der relativ großen Genauigkeit, mit der L1, L2 und h2 ursprünglich
bekannt sind, da sie alle durch die gleiche Maske bestimmt werden, im Gegensatz
zu der geringeren ursprünglichen Genauigkeit, mit der Yoff bekannt ist, erlaubt
die große Genauigkeit, mit welcher die Spalthöhe bekannt ist, wenn der Durchgang
des den Leiter 48 und die Sperrlinie 38 enthaltenden Fühlers unterbrochen wird,
die Bestimmung von Yoff mit wesentlich erhöhter Genauigkeit. Im vorliegenden Beispiel
ist Yoff ursprünglich mit einer Genauigkeit von etwa + 1,25#um bekannt, während
der Wert von h2/Q eine inhärente Ungenauigkeit von nur etwa + 0,25 < aufweist.
Wenn die Bearbeitung so weit fortgeschritten ist, daß die Linie 15 mit der Linie
39 übereinstimmt und der den Pfad 47 aufweisende diskrete Fühler seinen elektrischen
Durchgang verliert, dann kann ein genauerer Wert für h2/Q und Yoff durch gleichzeitige
Lösung der Gleichungen für h2/Q und Yoff unter Verwendung der beiden vorher für
die
Spalthöhe gemessenen Werte errechnet werden.
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Dies ergibt eine größere Genauigkeit von etwa + 0,125,um für die endgültigen
Berechnungen der Spalthöhe, die aus der entsprechenden Gleichung bestimmt wird,
wenn die Bearbeitung des Prismas 9 entlang der Linie 15 erfolgt.
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Wenn demgemäß eine große Anzahl dieser zusammengesetzten Fühler gleichzeitig
während der Bearbeitung eines viele Dünnfilmköpfe tragenden Prismas 9 verwendet
wird, dann ist es möglich, die Bearbeitung in einem Zeitpunkt zu beenden, in welchem
die maximale Anzahl von den Fühlern benachbarten Köpfen die richtige Spalthöhe besitzen.
Wenn man alternativ hierzu eine Biegung des Prismas 9 gemäß dem vorbeschriebenen
Verfahren durchführen will, dann kann man feststellen, welche Biegungsrichtung erforderlich
ist, um die größtmögliche Ausbeute an guten Köpfen zu erhalten.
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Fig. 7a zeigt einen stilisierten Dünnfilmwiderstand 32 mit Längen-,
Höhen und Dickenabmessungen L2, h2 und t2. Der Stromfluß verläuft parallel zur Längenabmessung.
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Das schematische Schaltbild in Fig. 7b gibt den elektrischen Stromkreis
auf der Oberfläche 10 in Fig. 6 wieder und ist einer mathematischen Analyse unter
Verwendung der folgenden Symbole zugänglich: R = Widerstand P = spezifischer Widerstand
der Schicht t = Schichtdicke h = Widerstandshöhe L = Widerstands länge A = Querschnittsfläche
des Widerstandes.
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Die Leiterpfade oder Flächen in Fig. 6 werden in der folgenden Analyse
als Widerstände behandelt, jedoch werden in den Fig. 6, 7a und 7b die gleichen Bezugszeichen
verwendet.
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Es können die folgenden die Widerstandswerte jedes Widerstandes bestimmenden
Gleichungen aufgestellt werden: R4 = PL4/th4 = CL4/h2 R2 = PL2/th2 = CL 2/h2 R1
= PL1/th1 = CL/hl (Es wird angenommen, daß P und t über die gesamte Oberfläche des
Prismas 9 gleichförmig sind und daß h2 = h4 es erlaubt, P/t durch C zu ersetzen.
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Dies sind angemessene Annahmen).
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Als nächstes wird hl in den Begriffen des Widerstands und der Widerstandsgröße
ausgedrückt: R1+R4 = Cf(L4/h2)+(L1/h1)3 Das Ersetzen des Wertes für C=R2h2/L2 in
dieser Gleichung ergibt 1 = (R2h2/L2) (L4/h2)+(R2h2/L2) (L1/h1) welche umgeschrieben
werden kann in h1L2(R1+R4) - h1L4R2 = R2h2L1.
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Somit erhält man h1 =R2h2L1/ [L2(R1+R4) L4R2#-(l).
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Da IC definitionsgemäß konstant ist, sind R1 + R4 = Vl/IC und R2 =
V2/IC, worin V1 den mit dem Voltmeter 55 gemessenenSpannungsabfall über beide Widerstände
31 und 34 und Vz den mit dem Voltmesser 57 gemessenen Spannungsabfall über den Widerstand
32 darstellen. Beide Messungen erfolgen, wenn der Umschalter 52 sich in seiner unteren
Stellung befindet. Beide Voltmeter 55 und 57 haben interne Widerstände, die sehr
groß sind im Vergleich zu denen der Reihenschaltungen aus der Fläche 49, den Pfaden
46 bis 48 und der Anschlußstelle 43 (Fig. 6). Daher ist die Spannung über diesen
Reihenpfaden vernachlässigbar, wenn die Spannungen zwischen den Anschlußstellen
43 und 41 bzw. 42 gemessen wird. Die Pfade 46 bis 48 haben eine doppelte Funktion
in dem Sinn, als sie als Elemente der diskreten Fühler 29 und außerdem als Leiterpfade
zwischen den Voltmetern 55 und 57 und der Verbindung zwischen den Widerständen 31
und 32 dienen. Wenn die Bearbeitung das Liniensegment 40 erreicht, können die Spannungen
V1 und V2 nicht länger gemessen werden, da die an die Brücke 36 angrenzende Spannung
nicht verfügbar ist. Zu beachten ist, daß die Abmessungen des gesamten Fühlers 29
sich etwa im Bereich von 1/um bewegen.
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Das Ersetzen dieser Werte für R1 und R2 in der Gleichung (1) ergibt
h1 = 2/Ic)(h2LlJ/ r(Vl/IcJL2 - (V2/Ic)L4 # oder hl = V2h2L1/(V1L2-V2L4) (2)
Wenn
x = L4/L2 und Q = L2/L1 gesetzt werden, so daß L4 = xL2 und L2 = QL1 ergeben, dann
ist L4 = xQLl. Das Ersetzen dieser Werte von L2 und L4 in Gleichung (2) ergibt h1
V2h2/Q(V1-xV2). (3) In Fig. 6 ist definitionsgemäß h1 =Yoff + Spalthöhe, wobei hl
die jeweilige gegenwärtige Höhe des Fühlers 31 darstellt. Das Ersetzen des Wertes
von h1 in Gleichung (3) in diese Gleichung ergibt Spalthöhe = [V2h2/Q(V1-xV2)] Y0ff.