DE3815010A1 - Schaltungsanordnung fuer den kombinierten einsatz einer induktiven und einer kapazitiven einrichtung fuer die zerstoerungsfreie messung des ohmschen wiederstands duenner schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf zahlreichen Gebieten ist es erforderlich, die Eigenschaften dünner Schichten festzustellen. Beispielsweise ist es wichtig, den elektrischen Wider­ stand einer im Vakuum-Aufdampfverfahren auf eine Kunststoffolie oder Glasplatte aufgedampften Metallschicht zu ermitteln, um den Produktions­ prozeß einer solchen Schicht beeinflussen zu können.

Je dünner die Schichten sind, umso weniger kommen Meßverfahren in Frage, bei denen die Schicht etwa mittels Elektroden mechanisch berührt wird, weil durch das Berühren die zu messende Schicht zerkratzt, durchgedrückt oder verunreinigt wird. Auch ergeben sich bei den elektromechanischen Meß­ verfahren Probleme bei der Kontaktierung, da die Schichten oft unter Oxiden oder anderen schlecht leitenden Schichten liegen.

Um die Nachteile der mechanischen Kontaktierung zu vermeiden, sind schon verschiedene indirekte Meßmethoden vorgeschlagen worden, bei denen die zu messende Schicht nicht berührt wird.

Es ist bereits eine Anordnung zur elektrischen Messung von Schichtdicken auf laufenden Bändern bekannt, bei der Sensoren an der Oberfläche einer Walze angeordnet sind, über welche die Bänder laufen (DE-OS 33 35 766). Diese Sensoren sind induktive und kapazitive Sensoren. Die induktiven Sensoren weisen Induktionsspulen auf, die in Topfkerne eingebettet sind, wobei die Polflächen dieser Topfkerne einem Band zugekehrt sind. Die Induktionsspulen werden von einem Hochfrequenzgenerator versorgt. Die induktiven Eigenschaften der Induktionsspule und des Topfkerns werden nach Maßgabe des Flächenwiderstands bzw. der Dicke der zu messenden Schicht bestimmt, und diese Verstimmung wird in Form eines Meßsignals einer Auswerteschaltung zugeführt. Bei dem kapazitiven Sensor ist eine Elektrode vorgesehen, die als Kondensatorplatte wirkt, wobei die andere Kondensator­ platte durch eine zu messende leitfähige Schicht gebildet wird. Auch die Elektrode wird von einem Hochfrequenzgenerator versorgt. Die Spannung an der Elektrode wird durch den Flächenwiderstand der Schicht verstimmt, und diese Verstimmung wird als Meßsignal einer Auswerteschaltung zugeführt. Nachteilig ist bei dieser bekannten Anordnung, daß die verstimmten Spannungen, die von den induktiven und kapazitiven Sensoren abgegeben werden, von unterschiedlicher Natur sind. Diese Spannungen sind zwar in beiden Fällen verstimmt, doch sind die Verstimmungen - die aufgrund der induktiven bzw. kapazitiven Blindkomponenten entstehen - nicht kompatibel und müssen folglich durch ganz verschiedenartige Schaltungen ausgewertet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Auswerteschaltung zu schaffen, welche sowohl die Ausgangssignale eines induktiven als auch eines kapazitiven Sensors verarbeiten kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß nieder- und extrem hochohmige Flächenwiderstände direkt bei der Her­ stellung in Vakuumanlagen zur Bandbeschichtung ohne Berührung gemessen und über eine Prozeßregelung in engen Toleranzen hergestellt werden können. Die niederohmigen Schichten werden hierbei durch den induktiven Sensor gemessen, während die hochohmigen Schichten durch den kapazitiven Sensor gemessen werden. Die induktiven und kapazitiven Sensoren können hierbei völlig gleiche äußere Abmessungen und gleiche elektrische Anschlüsse besitzen, da die jeweilige Auswerteelektronik aus gleichartigen Bausteinen besteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des in der Fig. 1 gezeigten Block­ schaltbilds.

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Form eines Blockschaltbilds dargestellt. Ein induktiver und ein kapazitiver Sensor sind hierbei zuammen mit der Bezugszahl 1 versehen, während der induktive Sensor mit 2 und der kapazitive Sensor mit 3 bezeichnet sind. Der induktive Sensor 2 weist eine Induktivität 4 auf, die einer zu messenden Schicht gegenüberliegt und den ohmschen Widerstand dieser Schicht in einen Parallel­ schwingkreis hineintransformiert, der im wesentlichen durch die Induktivität 4 und einen Kondensator 5 gebildet wird. Der in den Schwingkreis hinein­ transformierte Widerstand ist mit der Bezugszahl 6 versehen. Mittels eines Schalters 7 kann ein Widerstand 8 in den Schwingkreis geschaltet werden. Bei dem kapazitiven Sensor 3 ist der ohmsche Widerstand, der sich dem kapazitiven Verschiebestrom in der zu messenden Schicht entgegenstellt, mit 14 bezeichnet. Parallel zu einem Grundlastwiderstand 9 ist ein weiterer Widerstand 10 über einen Schalter 11 schaltbar. Zwei Kondensatoren 12, 13 stellen hierbei die verteilten Kapazitäten zwischen der Elektrode und der zu messenden Schicht dar, während der ohmsche Flächenwiderstand der zu messenden Schicht durch den Widerstand 14 symbolisiert wird.

Der Widerstand 9 ist ein Festwiderstand, der parallel zur Elektrode liegt. Der Widerstand 10 kann von einer Auswertung her ferngesteuert zugeschaltet werden, um zu Eichzwecken eine Widerstandsschicht zu simulieren.

Beide Sensoren 2, 3 liegen an einem Oszillator 15, der aus einer Strom­ versorgung 16 mit elektrischer Energie versorgt wird. Der induktive Sensor 2 ist stets mit einer Phasenregelung 17 verbunden, während der kapazitive Sensor 3 mit dieser Phasenregelung 17 verbunden sein kann, aber nicht ver­ bunden sein muß. Aufgabe dieser Phasenregelung 17 ist es in erster Linie, die Frequenz des Oszillators 15 so abzustimmen, daß der Schwingkreis 4, 5, 6 stets auf Resonanz ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, besteht der Gesamtwiderstand des Schwingkreises nur noch aus einem ohmschen Widerstand, d. h. beim Messen einer Schicht ist der zusätzlich durch den Schwingkreis fließende Strom ein Maß für den Flächenwiderstand dieser Schicht, weil dieser Strom nur durch die Oszillatorspannung, geteilt durch den Widerstand 6, definiert ist.

Der in den Schwingkreis fließende Strom wird einem Verstärker 18 zu­ geführt, in dem er verstärkt und von dem aus er in einen Spannungs-Strom- Wandler 19 gegeben wird. Der Verstärkungsgrad dieses Verstärkers 18 kann über einen Einsteller 20 eingestellt werden. Mit Hilfe einer Eicheinrichtung 21 ist es möglich, die Sensoren 2 und 3 zu eichen.

Alle Einrichtungen 1, 15 bis 21 können sich in einer Meßwalze befinden, wie sie in Fig. 1 der DE-OS 33 35 766 dargestellt ist. Über einen Schleif­ ring-Übertrager 22 und eine Sammelschiene 23 werden die Einrichtungen 16, 20, 21 mit Energie bzw. Befehlen aus einer Auswerteelektronik beauf­ schlagt, wohingegen der Spannungs-Strom-Wandler 19 Informationen über den Schleifring-Übertrager 22 nach draußen zur Auswerteelektronik 24 gibt.

In der Fig. 2 ist eine detaillierte Schaltungsanordnung gezeigt, welche inhaltlich mit dem Blockschaltbild der Fig. 1 im wesentlichen übereinstimmt. Der induktive und der kapazitive Sensor 2, 3 sind jetzt nicht mehr dar­ gestellt, da es nur noch auf die Auswertung ihrer Ausgangssignale ankommt. Diese Ausgangssignale sind insofern gleichwertig, als die Ströme, die vom Oszillator 15 in die Sensoren fließen, vom Flächenwiderstand der zu messenden dünnen Schicht abhängen. Die Phasenregelung 17 besteht aus mehreren Grundbausteinen: einem 90°-Phasendreher 25, einem Vorverstärker 26, einem Transformator-Gleichrichter 27, einem zweistufigen Verstärker 28 und einer Kapazitätsdioden-Anordnung 29.

Der 90°-Phasendreher 25 weist einen Transistor 31 auf, dem zwei RC- Glieder, bestehend aus dem Widerstand 72, einem variablen Kondensator 32, einem hierzu parallelen Festkondensator 33, einem Widerstand 34 im Querzweig, einem weiteren parallelen Kondensator 35 und einem Serien­ kondensator 36, vorgeschaltet sind. Zwischen dem Kondensator 36 und der Basis des Transistors 31 liegt ein Spannungsteiler mit den Widerständen 37 und 38. Der Emitter des Transistors 31 ist an einen Widerstand 39 angeschlossen, der mit einem Widerstand 40 und einem Kondensator 41 ein RC-Glied bildet, das mit einer Mittenanzapfung 42 der Sekundärseite 43 eines Transformators 44 verbunden ist. Dieser Trans­ formator 44 ist Bestandteil des Transformator-Gleichrichters 27, wobei die Primärseite 45 des Transformators 44 über einen Kondensator 46 mit dem Verstärker 26 verbunden ist und die Sekundärseite 43 über Gleichrichter- Dioden 47, 48 und Glättungs-Kondensatoren 49, 50 mit dem zweistufigen Verstärker 28 verbunden sind. Die gleichgerichtete Gesamtspannung der Sekundärwicklung 43 wird über Widerstände 51, 52 auf die erste Stufe des zweistufigen Verstärkers 28 gegeben, die aus einem mit Widerständen 53, 54 beschalteten Operationsverstärker 55 besteht. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 55 wird sodann über einen Widerstand 56 auf den einen Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 57 gegeben, dessen zweiter Eingang über einen Widerstand 58 an Masse liegt. Im Rückkopplungszweig dieses Operationsverstärkers 57 befindet sich eine aus einem Kondensator 59 und einem Widerstand 60 bestehende Parallelschaltung. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 57 ist über Widerstände 61, 120 auf die Kathode einer Kapazitätsdiode 62 sowie auf einen Kondensator 63 gegeben, dessen Anschlußpunkt 30 mit einem Kondensator 64 des Oszillators 15 verbunden ist. Dieser Oszillator 15 enthält einen Transistor 65, dessen Basis an einem aus zwei Widerständen 66, 67 bestehenden Spannungsteiler liegt und dessen Kollektor mit einer Drossel 68 und einem Kondensator 69 verbunden ist, wobei der zweite Anschluß der Drossel 68 an einem Kondensator 70 liegt, der auch mit den Kondensatoren 69 und 64 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 65 ist mit einem Kondensator 71 verbunden, der zu einem am Eingang des 90°-Phasendrehers 25 liegenden Widerstand 72 führt. Der Oszillator 15 wird über einen Spannungsregler 73, der über die Sammel­ schiene 23 gespeist wird, und über einen Glättungskondensator 74 mit elektrischer Energie versorgt.

Die Ausgangsspannung des Oszillators 15 wird, wie oben bereits erwähnt, einem Sensor 1 zugeführt, der ein induktiver Sensor oder ein kapazitiver Sensor sein kann. Die Ausgangsspannung dieses Sensors 1, die an einem Kondensator 75 abfällt, wird auf den Vorverstärker 26 gegeben, der einen Transistor 76 enthält, dessen Basis an einem aus zwei Widerstände 77, 78 bestehenden Spannungsteiler angeschlossen ist, dessen Teilungspunkt über einen Kondensator 79 mit dem Ausgang des Sensors 1 in Verbindung steht. Parallel zu dem Kondensator 75, an dem die Ausgangsspannung des Sensors 1 abfällt, ist ein Widerstand 80 geschaltet.

Die Ausgangsspannung des induktiven Sensors 2 wird auf die Phasenregelung 17 gegeben, welche über den Anschlußpunkt 30 den Oszillator 15 so nach­ regelt, daß der Parallelschwingkreis, in dem sich die Induktivität 4 befindet, stets in Resonanz ist. Für den kapazitiven Sensor 3 ist eine solche auto­ matische Nachstimmung nicht erforderlich, da dieser Sensor 3 keine steile Empfindlichkeitskennlinie hat wie der induktive Resonanz-Sensor. Die Phasen­ regelung 17 kann jedoch auch für den kapazitiven Sensor 3 verwendet werden, um die Schwankungen in der Dicke der Trägerfolie bzw. die Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten zu kompensieren. Der Eingangsstrom des in­ duktiven bzw. des kapazitiven Sensors 2, 3 wird über einen Widerstand 81 in eine Spannung gewandelt, den Gleichrichterdioden 82, 83 zugeführt und ge­ langt von dort über Speicherkondensatoren 84, 85, einen Regelwiderstand 119 und über Vorschaltwiderstände 86, 87 auf einen Operationsverstärker 88. Der Regelwiderstand 119 kann über eine Lötbrücke 89 an den Spannungsregler 73 angeschlossen werden.

Parallel zu den Speicherkondensatoren 84, 85 sind noch Widerstände 90, 91 geschaltet, die als Entladewiderstände dienen. Mit dem einen Eingang des Operationsverstärkers 88 ist ein an Masse liegender Widerstand 92 verbunden, während mit dem anderen Eingang dieses Operationsverstärkers 88 ein Widerstand 93 verbunden ist, der über Schalter 94, 95 mit verschiedenen Widerständen 96; 97, 98 verbindbar ist. Der Widerstand 96 ist hierbei über einen weiteren Widerstand 99 an Masse gelegt. Die Schalter 94, 95 werden über Negationsgatter 100, 101, die von der Sammelschiene 23 aus gesteuert werden, geschlossen oder geöffnet. Durch die Zu- oder Abschaltung der Widerstände 96, 97, 98 kann der Verstärkungsgrad des Verstärkers 18 ver­ ändert werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird über Widerstände 102, 103 auf den Spannungs-Strom-Wandler 19 gegeben, der einen Operationsverstärker 104 enthält, in dessen Rückkopplungszweig sich eine Parallelschaltung aus Widerstand 105 und Kondensator 106 befindet. Der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers 104 gelangt über ein LC-Glied 107, 108 auf die Sammelschiene 23 und von dort über den Schleifringübertrager 22 zur Aus­ werteelektronik 24. Der Rückfluß dieses Stromes erfolgt über die Induktivität 112 und den Kondensator 111 durch den Widerstand 110 an Masse. Hierbei dient das an dem Widerstand 110 entstehende Spannungssignal zum Kompen­ sieren der Eingangsspannung des Operationsverstärkers 104.

Die Eicheinrichtung 21 enthält Widerstände 113, 114, die über Schalter 115, 116 auf den Sensor 1 geschaltet werden können. Die Widerstände 113, 114 üben hierbei die Funktion von Eichwiderständen aus, die in Fig. 1 mit 8 bzw. 10 bezeichnet sind, d. h. die Widerstände 8, 10 der Fig. 1 entsprechen dem Widerstand 113 oder dem Widerstand 114 oder den parallelgeschalteten Widerständen 113, 114. Die Schalter 115, 116 werden ihrerseits über Nega­ tionsglieder 117, 118 aus der Sammelschiene gesteuert.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, kann für beide Sensoren, d. h. für den Induktiven Sensor 2 und den kapazitiven Sensor 3, dieselbe Elektronik ver­ wendet werden. Dies ist dadurch möglich, daß der in den jeweiligen Sensor einfließende Strom ausgewertet wird, der dem Flächenleitwert der zu messenden Schicht proportional ist.

Im Normalfall wird man einen kapazitiven und einem induktiven Sensor jeweils eine eigene Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zuordnen, die dann zwar zweimal vorhanden ist, aber den Vorteil hat, identisch aufgebaut zu sein. Es ist jedoch auch möglich, im Zeitmultiplexbetrieb mit nur einer Schaltungsanordnung auszukommen, wobei diese Schaltungsanordnung zu einem ersten Zeitpunkt mit dem induktiven Sensor und zu einem zweiten Zeitpunkt mit dem kapazitiven Sensor verbunden wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, induktive und kapazitive Sensoren auf die Sammelschiene 23 in be­ liebiger Reihenfolge aufzustecken.

Claims (17)

1. Schaltungsanordnung für den kombinierten Einsatz einer induktiven und einer kapazitiven Einrichtung für die zerstörungsfreie Messung des ohmschen Widerstands dünner Schichten, bei welcher die induktiven und die kapazitiven Einrichtungen mit einem Hochfrequenz-Oszillator in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Einrichtung (2) eine Induktivität (4) aufweist, die Teil eines Schwingkreises (4, 5) ist, der fortlaufend so geregelt wird, daß er in Resonanz bleibt, und daß sowohl der in die in­ duktive als auch der in die kapazitive Einrichtung (2, 3) fließende Strom erfaßt und als Kriterium für den ohmschen Widerstand der dünnen Schichten ausgewertet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung und Auswertung des in die induktive Einrichtung (2) fließenden Stroms durch eine Schaltungsanordnung erfolgt, die im wesentlichen mit einer Schaltungsanordnung identisch ist, die den in die kapazitive Einrichtung (3) fließenden Strom erfaßt und auswertet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (4) in der unmittelbaren Nähe einer Folie angeordnet ist, welche die zu messende Schicht trägt, und in dieser Schicht Wirbelströme verur­ sacht, die das Magnetfeld der Induktivität (4) schwächen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Einrichtung (3) eine Elektrode enthält, an welcher der Hoch­ frequenz-Oszillator (15) anliegt, wobei diese Elektrode in unmittelbarer Nähe einer Folie angeordnet ist, welche die zu messende Schicht trägt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen ferneinstellbaren Verstärker (18) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Spannungs-Strom-Wandler (19) aufweist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Phasen-Regelung (17) aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Regelung (17) den Schwingkreis (4, 5) in dem sich die Induktivität (4) befindet, stets auf Resonanz abstimmt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Regelung (17) bei der kapazitiven Einrichtung (3) zur Kompensation der Schwankungen der Dicke der Trägerfolie bzw. deren Dielektrizitäts­ konstanten verwendet wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine fernsteuerbare Eicheinrichtung (21) aufweist, die eine geeichte Last (8, 10) an den Sensorkreis legt und damit einen bestimmten Flächenwiderstand simuliert.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (18) fernbedient dreistufig einstellbar ist, um ihn an den jeweils gewünschten Meßbereich anzupassen.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven und induktiven Einrichtungen (2, 3) in einer Meßwalze eingebaut sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Verstärker (18) einen Operationsverstärker (88) aufweist, an dessen Ausgang Widerstände (96, 97, 98) über Schalter (94, 95) anschalt­ bar sind.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Strom-Wandler (19) einen Operationsverstärker (104) mit einer RC-Rückführung (105, 106) aufweist, dessen Ausgang und dessen Rück­ führung über LC-Glieder (107, 108; 111, 112) an eine Auswerteelektronik (24) angeschlossen sind.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen-Regelung (17) einen 90°-Phasenschieber (25), einen Vorverstärker (26), einen Transformator-Gleichrichter (27), einen Verstärker (28) und einen Phasenschieber (29) aufweist.

16. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hochfrequenz-Oszillator (15) einen Transistor (65) auf­ weist, dessen Kollektor über die Parallelschaltung zweier Kondensatoren (69, 70) mit einer Spule (68) und einen Widerstand (66) mit der Basis dieses Transistors (65) verbunden ist, wobei sich zwischen den beiden Kondensatoren (69, 70) eine Anzapfung (30) befindet, die mit dem Phasenschieber (29) in Verbindung steht.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eicheinrichtung (21) Widerstände (113, 114) aufweist, die über Schalter (115, 116) von einer Auswerteelektronik (24) her an den induktiven bzw. kapazitiven Sensor (2, 3) geschaltet werden können.