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