DE3902095C2 - Meßsonde zur Messung dünner Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßsonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist von der Patentinhaberin unter der Bezeichnung "Axiale Meßsonde" mit der Typenbezeichnung T3.3 auf den Markt gebracht worden. Charakteristisch hierfür ist der Halb-Topfkern zur Aufnahme der Spulenvorrichtung mit dem abriebfesten Körper in Gestalt eines Saphirs. Vom Prinzip her vergleichbare Meßsonden sind in der DE 33 31 407 A1, DE 34 37 253 A1, EP 0 203 536 A1 und US 4 005 360 beschrieben, wenngleich hierbei die Spulenvorrichtung auf einem etwas anders gestalteten Kern angeordnet ist.

Es wurde festgestellt, daß mit der Meßsonde T3.3 zunächst unerklärlich erscheinende Meßfehler auftraten, wobei dann genauere Untersuchungen zeigten, daß sich die ballige Stirnfläche in die zu messende Schicht eindrückt, obgleich diese Meßart gemeinhin als zerstörungsfrei gilt. Eine durchschnittliche Tiefe einer solchen Eindruckdelle liegt bei 1 µm. Dies hat zwar wenig Einfluß bei einer Schichtdicke von beispielsweise 120 µm, aber je dünner die Schicht ist, desto stärker wirkt sich der Eindruck aus. Die Ursache des Eindrückens liegt in der Masse der Meßsonde, die zur Meßstelle bewegt und dann beim Aufsetzen auf die Meßstelle abrupt abgebremst wird. Dabei treibt die kinetische Energie der gesamten Meßsonde die ballige Stirnfläche in die Schicht weiter hinein. Da die in den vorgenannten Schriften beschriebenen Meßsonden im Prinzip gleich aufgebaut sind, ist hierbei ebenfalls mit dieser Fehlerquelle zu rechnen. Zwar ist in den Meßsonden gemäß der US 4 005 360 und EP 0 203 536 A1 jeweils ein aktives Element zur Signalverarbeitung integriert (da Transistor, dort eine erforderliche Elektronik tragende Printplatte), so daß von der Meßsonde wegführende Kabel nicht mehr so stark gegen Störeinflüsse abgeschirmt werden muß und daher von solcher Art sein kann, daß es die Handhabung der Meßsonde weniger beeinflußt, doch bleibt der störende Masseneffekt dadurch im wesentlichen bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßsonde der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die den Meßfehler durch das Eindrücken der balligen Stirnfläche reduziert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Es ist jetzt der Halb-Topfkern mit der balligen Stirnfläche des abriebfesten Körpers über die Federvorrichtung vom übrigen massereicheren Teil der Meßsonde entkoppelt. Da die Federkraft sehr klein sein kann und die Masse des Halb- Topfkernes samt der damit starr verbundenen Teile erheblich kleiner ist als die Masse der übrigen Teile der Meßsonde, drückt sich die ballige Stirnfläche erheblich weniger stark in die zu messende Schicht ein. Die aktive Schaltung innerhalb der Meßsonde kann insbesondere ein kodiertes Signal erzeugen, das über ein ganz leichtes und leicht biegbares Kabel weitergeleitet werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Sonde T3.3 zwar außen eine Schiebehülse vorhanden ist, die durch eine Spiralfeder mit dem Sondenkorpus in Wirkungsver­ bindung steht. Im ersten Moment des Aufsetzens der balligen Stirnfläche entkoppelt jedoch diese Wendelfeder nicht. Zum Beginn des Auftreffens kann man das System als einen starren Körper betrachten. Zudem ist die Federkraft der Wendelfeder etwa 100 Pond.

Der Halb-Topfkern kann repräsentativ einen Außendurchmesser von 3 mm haben und ist in der Mitte 1,3 mm dick. Er hat also praktisch die Masse Null. Gleiches gilt für die Spulenvorrichtung.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, daß die Federvorrichtung nicht am Spulenkorpus angreifen muß, daß man einen Träger für den Halb-Topfkern hat und daß man die Länge des Stößelglieds zur Längsführung verwenden kann.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird das Stößelglied leichter und die extrem dünnen Zuleitungen liegen geschützt nicht nur in mechanischer Hinsicht, sondern auch zum Beispiel gegen Säuredämpfe, Laugendämpfe usw.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 läßt sich die Durchgangsbohrung leicht her­ stellen, die Zuleitungen haben rundherum einen Schutz und die Masseverteilung des Stößelglieds ist symmetrisch.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 kann man das Stößelglied leicht herstellen, seine mechanischen Eigenschaften sind leicht überschaubar, und es paßt sich dem koaxialen Aufbau der Sonde an.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 wird das Stößelglied noch leichter. Am besten besteht es aus Titan.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ist das Stößelglied genügend lange für die Führung, aber kurz genug aus Gewichtszwecken.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 verhindert man, daß die Federvorrichtung überlastet wird, wenn das Stößelglied zu weit in die Sonde hineingedrängt wird. Außerdem begrenzt man dadurch, wie weit sich galvanische Leitungen der Leiter­ vorrichtung im Innern der Sonde abbiegen können.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 verhindert man eine zu weite Auslenkung in radialer Richtung, was die Federvorrichtungen entlastet und auch ermöglicht, nur einen kleinen Spalt zwischen dem Halb-Topfkern bzw. dem vorderen Bereich des Stößelglieds vorzusehen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 vermeidet man eine flexible Leitung zwischen dem Halb-Topfkern und dem Leiterplättchen. An sich könnte man das Leiterplätt­ chen auch korpusfest vorsehen. Es wären jedoch dann Filmleiter notwendig, die zwar Massenartikel sind, deren Befestigung löttechnisch jedoch Probleme bereitet. Man ist in der Lage, Leiterplättchen samt aktiver Schaltung mit einem Gewicht von 0,5 Gramm herzustellen, was weitaus tragbar ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 wird die Federvorrichtung klein und kurz und die Federkräfte werden in das Stößelglied eingeleitet.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 werden die Federvorrichtungen minimal klein und haben deshalb wenig Masse. Bei radialer Anordnung lassen sie sich auch gut befestigen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 13 schafft man definierte Befestigungsbereiche an der Federvorrichtung, ihr Verhalten wird übersichtlich und die Montage einfach.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 hat die Federvorrichtung nach allen Seiten die gleichen Eigenschaften und es treten keine bevorzugten bzw. benachteiligten Bereiche auf.

Durch die Merkmale des Anspruchs 15 kann man trotz der Kleinheit der Federvor­ richtungen diese weich machen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erreicht man eine Steifigkeit in radialer Richtung, so daß in dieser Richtung die ballige Stirnfläche fest liegt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 17 kommt man dem koaxialen Aufbau der Sonde entgegen und das Federplättchen hat in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften.

Durch die Merkmale des Anspruchs 18 vermeidet man innere Spannungen im Federplätt­ chen, die zum Beispiel beim Stanzvorgang auftreten, so daß nun das Federplättchen auf seinem ganzen Hub dem Hook′schen Gesetz folgt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 19 kann die Federvorrichtung ohne Reibung und ansonsten benötigte Längsführungsmechaniken die Seitenkräfte aufnehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 20 kommt man dem koaxialen Aufbau der Sonde entgegen, das Verhalten der Federvorrichtung ist übersichtlich und der Abstand von Haltering zu Haltering ist überall gleich. Dadurch können die die Halteringe fest­ haltenden Bauteile ebenfalls übersichtlich und einfach aufgebaut werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 21 verhindern die Federvorrichtungen auch jede Kipp­ bewegung des Halb-Topfkerns.

Durch die Merkmale des Anspruchs 22 erleichtert sich die Herstellung, Lagerhaltung und Montage und die Verhaltenseigenschaften werden übersichtlicher.

Das Material gemäß Anspruch 23 eignet sich für die vorliegenden Zwecke besonders gut.

Durch die Merkmale des Anspruchs 24 bleibt das Stößelglied leicht, im Aufbau übersichtlich, man benötigt wenig Teile und erhält einen sicheren Sitz des inneren Halterings auf einer sehr großen Fläche.

Die Merkmale des Anspruchs 25 erleichtern die Montage und den gegenseitigen Halt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 26 kann man den äußeren Haltering groß­ flächig und mechanisch übersichtlich sowie montagemäßig einfach haltern.

Parameter gemäß dem Anspruch 27 haben sich bei einer tatsächlich ausgeführten Sonde sehr bewährt.

Merkmale gemäß Anspruch 28 sind auch ohne monolitische, integrierte und damit im Hinblick auf die Stückzahlen zur Zeit kaum rentable Halbleiterschaltungen möglich und ausreichend leicht.

Durch die Merkmale des Anspruchs 29 vermeidet man, daß man beim Messen in entsprechenden Umgebungen nach jeder Messung die Sonde reinigen muß. Vielmehr kann man viele Punkte nacheinander messen.

Ein Belag gemäß Anspruch 30 ist sehr abriebfest und auch leicht zu bearbeiten.

Ein Belag gemäß Anspruch 31 ist nicht nur abriebfest und säure- und laugenbeständig. Er nimmt zudem keine Feuchtigkeit auf, so daß die Spulenvorrichtung auch nicht durch Feuchtigkeit beeinflußt wird.

Durch die Merkmale des Anspruchs 32 verhindert man ein seitliches Eindringen von Dämpfen oder Flüssigkeit zum Halb-Topfkern hin.

Merkmale gemäß dem Anspruch 33 eignen sich insbesonders für Sonden, die auf sehr weichem Material messen müssen und/oder in den unteren Meßbereichen dieser Meß­ technik messen müssen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 34 werden die im Bezug auf die Erfindung schädlichen Eigenschaften des Kabels minimiert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 Eine Meßsonde im Maßstab 1 : 1, teilweise explodiert,

Fig. 2 einen Radialschnitt durch den unteren bis mittleren Bereich der montier­ ten Sonde gemäß Fig. 1, maßstäblich, doch vergrößert dargestellt,

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Radialschnitt durch den mittleren bis oberen Bereich der montierten Sonde,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Federplättchen im Maßstab 1 : 5,

Fig. 5 die Draufsicht auf ein weiteres Federplättchen im Maßstab 1 : 5,

Fig. 6 den nochmals gegenüber Fig. 2 vergrößerten unteren Bereich für ein 2. Ausführungsbeispiel.

Eine einpolige Meßsonde 11 hat einen aus Aluminium bestehenden Sondenkorpus 12, der weitgehend rohrförmig und koaxial zu einer geometrischen Längsachse 13 ist. Die Meßsonde 11 ist über ein zweiadriges Kabel 15 von 2,5 mm Dicke angeschlossen, mit einer Madenschraube 16 zugfest fixiert. In den oberen Bereich eines koaxialen Hohlraums 17 ragen zwei Stifte 18, 19, an denen zwei sehr flexible Litzen 21, 22 angeschlossen sind. Damit die oberen Enden der Litzen 21, 22 angelötet werden können, ist oberhalb der Mitte des einstückigen Sondenkorpus 12 ein Fenster 23 vorgesehen. Dort sieht man auch ein Leiterplättchen 24. Dieses ist 5,9 mm breit und 29,3 mm lang. Da die Darstellungen maßstäblich sind, können hieraus die Maße der anderen Teile gewonnen werden. Die geometrische Längsachse 13 geht sowohl der Höhe als auch der Breite und auch der Länge nach mittig durch das Leiterplättchen 24. Es trägt elektrische Bauelemente 26 und zumindest eine aktive Schaltung 27, die jedoch nur symbolisch angedeutet sind. Die Bauelemente 26, 27 haben in den Löt­ punkten 28, 29 ihren Ausgang und geben eine frequenzmodulierte Spannung entspre­ chend dem Meßergebnis ab. Die Litzen 21, 22 sind wesentlich länger als an sich dem größten Abstand zwischen den Stiften 18, 19 und den Lötpunkten 28, 29 entspricht. Sie sind als Bogen ausgebildet und bieten praktisch keinen mechanischen Widerstand, wenn sich das Leiterplättchen 24 den Stiften 18, 19 nähert. Das Leiterplättchen 24 liegt frei im Hohlraum 17 und berührt dessen Innenwand 31 nicht. Ein koaxialer und kreiszylindrischer Befestigungsflansch 32 ist koaxial zur Längsachse 13. Sein scheiben­ förmiger Kopf 33 ist in der Zeichnungsebene von Fig. 2 mit einem Schlitz 34 ver­ sehen, in dem der untere Randbereich des Leiterplättchens 34 durch Klebstoff 36 befestigt ist. Der Befestigungsflansch 32 berührt nirgends die Innenwand 31 und geht nach unten zu in einen kreiszylindrischen Ringhals 37 über, der ebenfalls koaxial liegt. Zentrisch hat der Befestigungsflansch 32 eine nach oben zu mit einer Fase versehene Durchgangsbohrung 38. Der Befestigungsflansch 32 besteht aus Kunststoff und ist somit hinsichtlich des aus Kunststoff bestehenden Leiterplättchens 24 besser klebbar und hat auch einen hohen elektrischen Isolations­ widerstand. In der Durchgangsbohrung 38 steckt axial unbeweglich mit dem Befesti­ gungsflansch 32 verbunden der obere Bereich eines Zentralrohrs 39 eines Stößelglieds 41, das aus Titan besteht. Das Zentralrohr 39 hat eine Durchgangsbohrung 42, die unten in einen ersten Zylinderraum 43 und noch weiter unten in einen noch größeren Zylinderraum 44 übergeht. Von dem Leiterplättchen 24 aus gehen zwei sehr dünne Zuleitungen 46, 47 nach unten. Im Zylinderraum 44 sitzt unverrückbar ein Kerngehäuse 48, das an sich den gesamten Zylinderraum 44 einnimmt, jedoch mit einem Schlitz 49 versehen ist, der in der Zeichnungsebene von Fig. 2 liegt, so daß der untere Bereich der Zuleitungen 46, 47 weiter nach unten passieren kann. In einer stirnseitig kreiszylindrischen Aufnahme 51 des Kerngehäuses 48 sitzt ein Halb-Topfkern 52. Er ist nach unten zu mit einer Kalottenfläche 53 versehen, auf der auch die Stirn­ fläche 54 seiner Außenwand 56 und die Stirnfläche 57 seines Zentralkerns 58 liegt. Zwischen der Außenwand 56 und dem Zentralkern 58 liegt ein koaxialer kreisring­ förmiger Wickelraum 59 für eine Spule 61. Der Wickelraum 59 ist nach unten zu vergossen, so daß die Spule 61 geschützt ist und ihre Lage beibehält. Koaxial zur geometrischen Längsachse 13 hat der Halb-Topfkern 52 ein Sackloch 62, das nach unten zu offen ist und in dem ein Körper 63 (z. B. ein Saphir) sitzt, dessen ballige Stirnfläche 64 in der Kalottenfläche 53 liegt. Damit die Zuleitungen 46, 47 durch den Schlitz 49 hindurch in den Wickelraum 59 gelangen können, hat der Halb-Topfkern 52 ebenfalls einen Schlitz 66 in Fortsetzung des Schlitzes 49. Die Schlitze 49 und 66 sind mit Harz ver­ gossen.

Das Stößelglied 41 hat in seinem gemäß Fig. 2 unteren Bereich 67 einen nach außen abstehenden, koaxialen, radialen Kragen 68. Er liegt etwa auf der Höhe des Zylinder­ raums 43, oberhalb des Zylinderraums 44. Seine nach oben gerichtete koaxiale, radiale Ringfläche 69 bildet die eine Seite eines Anschlags, dessen andere Seite durch eine komplementäre Ringfläche 71 gebildet wird, die Teil einer C- oder G-förmigen Auf­ nahme 72 ist, die korpusfest angeordnet ist. Nach einem Weg von 0,8 mm schlägt die Ringfläche 69 an der Ringfläche 71 an. Auch eine nach unten gerichtete koaxiale, radiale Ringfläche 73 bildet eine Anschlaghälfte zusammen mit einer kleineren, radialen und koaxialen Ringfläche 74 der Aufnahme 72. Nach einer Bewegung von 0,8 mm nach außen (unten) schlägt die Ringfläche 73 an der Ringfläche 74 an. Der Kragen 68 hat einen axial gerichteten, koaxialen, nach unten weisenden, schmalen Schenkel 76, der teilweise in die untere Bucht 77 der Aufnahme 72 ragt und dort teilweise einen nach innen gerichteten Schenkel 78 axial überlappt. Die lichte Weite zwischen dem einen Kreisring darstellenden Schenkel 78 und dem ebenso gebildeten Schenkel 76 beträgt jeweils 0,3 mm nach beiden Seiten und um diesen Betrag kann zum Beispiel der untere Bereich 67 nach rechts oder links ausgelenkt werden, ehe ein Überlastungs­ schutz auftritt. Die Aufnahme 72 ist zweiteilig und besteht aus einem inneren L- Ring 79, dessen Querschenkel 81 die nach unten gerichtete Ringfläche 71 trägt und im Normalbetrieb nirgends den Kragen 68 berührt. Oben hat der Querschenkel 81 eine nach unten zu gerichtete Fase 82, damit ein noch zu besprechendes Federglied sich ungehindert verbiegen kann. Außen wird der L-Ring 79 durch die Innenwand 31 gefaßt, die dort wegen einer nach außen gerichteten Stufe 83 einen größeren Durch­ messer hat als zum Beispiel im Bereich des Leiterplättchens 24. Eine Nase 84 des Längsschenkels 86 ist nach außen zu in einen axial und radial sich erstreckenden Schlitz 87 des Korpus 12 gebogen der in der Zeichnungsebene von Fig. 2 liegt. Es können sich deshalb der L-Ring 79 und die an ihn angrenzenden Teile nicht mehr drehen. Der L-Ring 79 ist damit zugleich auch eine Sicherungsscheibe. Der zweite Teil der Aufnahme 72 besteht aus einem C-Ring 88. Er hat ein Außengewinde 89, mit dem er in ein Innengewinde 91 eingeschraubt ist, das unten an einer Ringfläche 92 des Korpus 12 beginnt. Die Außenwand 93 des C-Ring 88 erstreckt sich bis auf die Höhe des Zylinderraums 43. Sein radialer, koaxialer und kreiszylindrischer Quer­ schenkel 94 ist zum mechanischen Schutz relativ dick und liegt mit seiner Außen­ fläche 96 oberhalb der Ringfläche 92. Vom Querschenkel 94 geht der nach oben gerichtete Schenkel 78 ab. Zwischen dem Schenkel 78, dem Querschenkel 94 einer­ seits und der den Zylinderraum 44 nach außen begrenzenden Fassungswand 97 des Stößelglieds 41 andererseits ist ein kleiner Spalt 98, der das Eindringen von Fremdstoffen er­ schwert bzw. ausschließt. Wie man erkennt, ist der Spalt 98 der Anfang eines auch dichtenden Labyrinths, das nach dem Spalt 98 nach außen gerichtet ist, dann wieder nach unten gerichtet ist, dann wieder nach außen gerichtet ist, dann nach oben gerichtet ist und unterhalb der Ringfläche 71 wieder nach innen gerichtet ist. Hat sich der Spalt 98 auf Null verengt, dann dient er zugleich auch als radialer An­ schlag vor Überlastung und zu weiter Auslenkung des Stößelglieds 41 und der damit verbundenen Teile in radialer Richtung.

Zwei gleiche Federplättchen 99, 101 positionieren das Stößelglied 41 und die damit verbundenen Teile relativ zum Sondenkorpus 12, wobei insbesondere der Halb-Topfkern 52 äußerst genau koaxial zur geometrischen Längsachse 13 gehaltert wird. Das Feder­ plättchen 99 ist 0,05 mm dick und besteht aus Cu-Be2. Sein Außendurchmesser ist 9,6 mm und der Innendurchmesser ist 2,8 mm. Es liegt konzentrisch zur geome­ metrischen Längsachse 13 und hat gemäß Fig. 4 einen äußeren Haltering 102 und einen inneren Haltering 103. Diese sind kreisringförmig durchgehend. Es sind drei Federarme 104 um jeweils 120° winkelmäßig versetzt vorgesehen, die auf dem größten Teil ihrer Länge auf Radien um die geometrische Längsachse 13 verlaufen und in ihren beiden Endbereichen durch Wurzeln 106, 107 einmal mit dem inneren Haltering 103 und einmal mit dem äußeren Haltering 102 verbunden sind. Da die Wurzeln 106, 107 stark gerundete Übergänge haben, entstehen die gestreckt S-förmigen Schlitze 108. Gemäß Fig. 5 kann man auch Federplättchen 109 verwenden, die ebenfalls einen äußeren Haltering 111 und einen inneren Haltering 112 haben. Es sind hier Schlitze 112, 113, 114 und 116 vorgesehen, wobei die Schlitze jeweils etwas weniger als 120° lang sind. Dadurch bleiben zwischen ihnen 0,4 mm breite Stege 117 stehen und zwar wegen der 120°-Anordnung jeweils drei Stege 117. Es ist jedoch die Gruppe der 113er Schlitze um 60° gegen die Gruppe der 112er Schlitze versetzt. Einen gleichen Versatz haben die 114er Schlitze gegenüber den 113ern usw. Es entsteht so das in Fig. 5 gezeigte Muster. Das Federplättchen 109 ist 0,2 mm dick.

Gemäß Fig. 2 ist der äußere Haltering 102 des Federplättchens 99 zwischen der radialen, nach oben gerichteten Stirnfläche 118 des Ouerschenkels 81 und der nach unten gerichteten Stirnfläche 119 einer Hülse 121 geklemmt. Die Hülse 121 ist kreis­ zylindrisch und koaxial und berührt nirgends das Stößelglied 41. Die Hülse 121 kann mit Spiel zur Innenwand 31 von unten eingeschoben werden und hat einen nach innen gerichteten Bauch 122. Oben hat die Hülse 121 eine nach oben gerichtete Stirnfläche 123, wobei zwischen dieser und der Stufe 83 der äußere Haltering 102 des Federplättchens 101 festgeklemmt wird. Man erkennt nun auch eine weitere Wirkung dieser Konstruk­ tion: Schraubt man den C-Ring 88 nach oben, dann preßt er den L-Ring 79 nach oben, ohne diesen wegen der Nase 84 verdrehen zu können. Letzterer preßt die Hülse 121 nach oben und damit werden auch die äußeren Halteringe 102 der Federplättchen 99, 101 exakt, eben und scharfkantig sowohl durch Kraftschluß als auch durch Formschluß gehalten. Auf der Höhe der Stirnfläche 119 hat das Zentralrohr 39 eine radiale, koaxiale, nach oben gerichtete Stirnfläche 125, auf der der innere Haltering 103 des Federplättchens 99 aufliegt. Auf dessen Ober­ seite wiederum liegt eine radiale, koaxiale, nach unten gerichtete Stirnfläche 124 einer Abstandshülse 126 auf, die mit ihrem Innendurchmesser auf das Zentralrohr 39 paßt. Auf der Höhe der Stirnfläche 123 hat die Abstandshülse 126 eine nach oben gerichtete Stirnfläche 127, die koaxial, radial und eben ist und auf der die Unterseite des inneren Halterings 103 des Federplättchens 101 aufliegt. Auf der Oberseite des Innenrings 103 liegt eine nach unten gerichtete Stirnfläche 128 des Ringhalses 37 auf, die radial, koaxial und eben ist. Drückt man den Befestigungs­ flansch 32 bei festgehaltenem Kragen 86 nach unten und fixiert man den Befesti­ gungsflansch 32 durch Klebstoff am Zentralrohr 29, so werden die inneren Halte­ ringe 103 der Federplättchen 99, 101 kraft- und formschlüssig festgehalten.

Der Sondenkorpus 12 hat im Bereich der Madenschraube 16 ganz oben ein Außengewinde 129. Seine Außenfläche 131 ist bis zu einem Außenring 132 kreiszylindrisch. Dieser hat eine radiale, koaxiale, nach oben gerichtete, kreisringförmige Stirnfläche 133 und eine nach unten gerichtete, radiale, koaxiale und kreisringförmige, jedoch weiter nach innen springende Stirnfläche 134. Im Außen­ ring 132 ist ein Durchgangsloch 136, durch das hindurch man eines der Bauteile 27 auf dem Leiterplättchen 24 mit einem Schraubenzieher abstimmen kann. Unterhalb der Stirnfläche 134 geht der Sondenkorpus 12 in eine koaxiale, kreiszylindrische Außenfläche 137 über, deren Außendurchmesser gemäß Fig. 3 kleiner ist als der Außendurchmesser der Außenfläche 131. Unterhalb der Stirnfläche 134 erstreckt sich die Außenfläche 137 6,8 mm weit. In eine entsprechende Bohrung ist senkrecht in sie ein radialer Anschlagstift 138 unbeweglich eingeschlagen. Soweit der Anschlag­ stift 138 aus der Außenfläche 137 mit seinem Kopf 141 herausragt, sitzt der Kopf 141 in einem Tangentialschlitz 139, der in Umfangsrichtung einer kreiszylindrischen Schiebehülse 142 verläuft, wie dies Fig. 1 besonders deutlich zeigt. Axial ist der Tangentialschlitz 139 so breit, daß die nach oben gerichtete, koaxiale und kreisring­ förmige Stirnfläche 143 an die Stirnfläche 134 anschlagen kann. Eine nach unten gerichtete Bewegung der Schiebehülse 142 erlaubt der Anschlagstift 138 nur bis der Kopf 141 an der oberen Wand 144 des Tangentialschlitzes 139 anschlägt. Relativ zum Sondenkorpus 12 nach unten wird die Schiebehülse 142 durch eine Wendel­ feder 146 gedrückt, die in einem kreiszylindrischen, koaxialen Hohlraum 147 sitzt, der durch die Innenwand 148 der Schiebehülse 142 nach außen zu und nach innen zu durch eine Außenwand 149 des Sondenkorpus 12 gebildet wird, welche entsteht durch eine nach unten zu auf die Außenfläche 137 gerichtete koaxiale Einkragung 151. Die Wand 149 geht eben bis zur Ringfläche 92 durch. Unten stützt sich die Wendelfeder 146 an einer nach oben gerichteten koaxialen, kreisringförmigen Stirnfläche 152 ab, die dadurch entsteht, daß die Schiebehülse 142 etwa ab dem oberen Bereich des Kragens 68 eine Durch­ messerverkleinerung 153 aufweist. Dort führt sich die Schiebehülse 142 mit geringem Spiel durch ihre koaxiale, kreiszylindrische Innenwand 154 an der Außenwand 149 des Sondenkorpus 12. Oben findet die Führung zwischen der Außenfläche 137 und der Innen­ wand 148 mit geringem Spiel statt. Für die Anlage des Kopfs 141 an der Wand 144 sorgt die Ausdehnungsspannung der Wendelfeder 146. Ihre Kraft beträgt ca. 60 Pond und ist damit wesentlich geringer als die entsprechende Federkraft bei der Sonde T3.3. Die Schiebehülse 142 hat unten eine relativ große, polierte, koaxiale, radiale und kreisringförmige Stirnfläche 156, die in der Ansicht der Fig. 2 der Höhe nach mit dem Pol der Kalottenfläche 53 fluchtet und damit tiefer liegt als die Ringfläche 92.

Eine Griffhülse 157 besteht aus einem Oberteil 158 und einem Unterteil 159. Während die Schiebehülse 142 aus Aluminium besteht, ist die Griffhülse 156 aus Kunst­ stoff und damit nur um die 5 Gramm schwer. Das Oberteil 158 hat ein Innengewinde 161, das auf das Außengewinde 129 aufschraubbar ist. Seine koaxiale und nach unten gerichtete Stirnfläche 162 drückt im aufgeschraubten Zustand auf die komplementäre, nach oben gerichtete Stirnfläche 163 des Unterteils 159. Das Unterteil 159 wird dabei mit einer nahe der Stirnfläche 163 vorgesehenen, nach unten gerichteten Einkragung 164 gegen die Stirnfläche 133 gedrückt, wodurch die Griffhülse 157 in alle Rich­ tungen fixiert ist. Zum besseren Halten mit der Hand hat das Unterteil 159 Griff­ ringe 166. Die unterste, nach unten gerichtete Stirnfläche 167 läßt die Schiebehülse 142 unten etwa bis auf Höhe des Zylinderraums 44 frei und verjüngt sich vorher. Von der kreiszylindrischen Außenfläche 168 der Schiebehülse 142 hat die Griffhülse 157 einen geringen Abstand. Sie dient auch dazu, die Madenschraube 16, das Fenster 23, das Durchgangsloch 136 und den Tangentialschlitz 139 samt Kopf 141 abzudecken. Im fertig montierten Zustand ist die Griffhülse 157 gegenüber dem Sondenkorpus 12 nicht verdrehbar, während sich die Schiebehülse 142 etwa um 30° gemäß der Länge des Tangentialschlitzes 139 bis zum Anschlag an den Anschlagstift 138 drehen läßt.

Gemäß Fig. 6 fehlt der Saphir 63. Statt dessen ist eine Kappe 171 aus Polyamid vorgesehen, deren Boden 172 die ballige Stirnfläche 169 bildet und deren Umfassungswand 181 weit nach oben über die Fassungswand 178 des Kragens 179 greift. Dabei werden der massive Zentralkern 170 und die Außenwand 174, die Spule 173 und die Fassungswand 176 des Kerngehäuses 177 eingekapselt.

Claims (34)

1. Meßsonde zur Messung dünner Schichten, umfassend:

• - einen Sondenkorpus (12) mit einer Längsachse (13), einem Hohlraum (17), dessen Innenwand (31) koaxial zur Längsachse (13) ist, und mit einer endseitigen, koaxialen Ringfläche (92),
• - einen Halb-Topfkern (52), der koaxial zur Längsachse (13) im Sondenkorpus (12) angeordnet ist und einen koaxialen Zentralkern (58), einen Wickelraum (59) um den Zentralkern und eine Außenwand (56) um den Wickelraum herum aufweist,
• - einen Körper (63) aus abriebfestem Material am Zentralkern (58), mit einer koaxialen balligen Stirnfläche (64), zu der die Ringfläche (92) einen erheblichen radialen Abstand aufweist,
• - eine koaxiale Spulenvorrichtung (61) im Wickelraum (59),
• - eine galvanische Leitervorrichtung (18, 19, 21, 22, 26, 27, 46, 47) zwischen der Spulenvorrichtung (61) und einem Ende der Meßsonde (11), welche im Hohlraum (17) des Sondenkorpus (12) angeordnet ist,
• - ein Kabel (15), das vom vorgenannten Ende der Meßsonde (11) abgeht,
  gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• a) der Halb-Topfkern (52) ist im Sondenkorpus (12) axial beweglich geführt;
• b) der Halb-Topfkern (52) ist gegenüber dem Sondenkorpus (12) durch eine Federvorrichtung (99, 101) elastisch abgestützt, wobei im Ruhezustand die ballige Stirnfläche (64) des Körpers (63) vor der Ringfläche (92) des Sondenkorpus (12) liegt;
• c) die Leitervorrichtung umfaßt ein sehr leichtes Leiterplättchen (24), das eine sehr leichte aktive Schaltung (26, 27) trägt.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen Bereich des Sondenkorpus (12) ein sehr leichtes Stößelglied (41) koaxial angeordnet und axial beweglich gelagert ist, das wesentlich länger als der Halb-Topfkern (52), jedoch wesentlich kürzer als der Sondenkorpus (12) ist, daß der Halb-Topfkern (52) mit dem vorderen Bereich (67) des Stößelglieds (41) starr verbunden ist und daß die Federvorrichtung (99, 101) zwischen dem Stößelglied (41) und dem Sondenkorpus (12) angeordnet ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) eine Durchgangsbohrung (42) aufweist, in der die dünnen Zuleitungen (46, 47) der Spulenvorrichtung (61) liegen.

4. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrung (42) koaxial liegt.

5. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) im wesentlichen rotationssymmetrisch ist.

6. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) aus einem Leichtmetall ist.

7. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) eine Länge im Zentimeterbereich hat.

8. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) in seinem vorderen Bereich (67) einen nach außen abstehenden Kragen (68) hat, der in eine korpusfeste Aufnahme (72) ragt, wobei Kragen (68) und Aufnahme (72) zumindest einen ersten Anschlag (69, 71) bilden, der eine zu große Ein­ wärtsbewegung des Stößelglieds (41) verhindert.

9. Meßsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (68) L-förmig ist und die Aufnahme (72) komplementär L-förmig ist, daß sich die freien Schenkel (76) der L (81, 76; 94, 78) überlappen und eine Sicherung gegen übermäßige radiale Auslenkung des Stößelglieds (41) bilden.

10. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) an seinem inneren Endbereich in einen Befestigungsflansch (32) übergeht, an dem das Leiterplättchen (24) befestigt ist, das die aktive Schaltung (26, 27) trägt.

11. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (99, 101) zwischen dem Stößelglied und der Innenseite des Sondenkorpus liegt.

12. Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (99, 101) zumindest im wesentlichen radial angeordnet ist.

13. Meßsonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (99, 101) einen äußeren Haltering (102) aufweist, mit dem sie an der Innenseite (31) des Sondenkorpus (12) befestigt ist und einen inneren Haltering (103) auf­ weist, mit dem sie an der Außenseite des Stößelglieds (41) befestigt ist.

14. Meßsonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Halteringe (102, 103) durchgehend ist.

15. Meßsonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halte­ ringe (102, 103) durch Stege (104) miteinander verbunden sind, die durch Schlitze (108) voneinander getrennt sind.

16. Meßsonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung ein Federplättchen (99, 101) umfaßt.

17. Meßsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Federplättchen (99, 101) koaxial angeordnet ist.

18. Meßsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt des Federplättchens (99, 101) durch einen Ätzvorgang geformt ist.

19. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtung (99, 101) in axialer Richtung in bezug auf solche Kräfte steif ist, wie sie beim Messen auftreten.

20. Meßsonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beide Halteringe (102, 103) am Außenumfang und am Innenumfang konzentrisch sind.

21. Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Federvorrich­ tungen (99, 101) im axialen Abstand voneinander angeordnet sind.

22. Meßsonde nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß beide Federvor­ richtungen (99, 101) gleich gestaltet sind.

23. Meßsonde nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorrichtungen aus Kupfer- Beryllium sind.

24. Meßsonde nach Anspruch 13 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Stößelglied (41) ein Innenrohr (39) hat, das mit einer Stufe (123) vom vorderen Bereich (67) des Stößelglieds (41) abgesetzt ist, daß auf dem Innenrohr (39) eine erste Hülse (126) und eine zweite Hülse (37) sitzt und die inneren Halteringe (103) der beiden Federvorrichtungen (99, 101) einmal zwischen der Stufe (123) und der ersten Hülse (126) und das andere Mal zwischen der ersten Hülse (126) und der zweiten Hülse (37) starr gefaßt sind.

25. Meßsonde nach Anspruch 10 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Befesti­ gungsflansch (33) und die zweite Hülse (37) einstückig sind.

26. Meßsonde nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Hülse (126) eine dritte Hülse (121) exakt gegenüber liegt, die starr mit dem Sonden­ korpus (12) verbunden ist und deren beide Stirnflächen (119, 123) zusammen mit weiteren, sondenkorpusfesten, gegenüberliegenden Stirnflächen (83) die äußeren Halteringe (102) der beiden Federvorrichtungen (99, 101) halten.

27. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der Federvorrichtung (99, 101) bei einem Hub im unteren bis mittleren Zehntels­ millimeterbereich im unteren bis mittleren Dekapondbereich liegt.

28. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Leiterplättchens (24) plus Schaltung (26, 27) im Zehntelsgrammbereich liegt.

29. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb-Topfkern auf seiner Außenseite flüssigkeitsdicht von einem säure- und basenbestän­ digen, abriebfesten Belag (172) abgedeckt ist.

30. Meßsonde nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (172) ein PTFE ist.

31. Meßsonde nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (172) ein Polyimid ist.

32. Meßsonde nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (172) Teil einer Kappe (171) ist, die auch den Umfang des Halb-Topfkerns zumindest indirekt abdeckt.

33. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der vordere Bereich des Sondenkorpus (12) koaxial von einer Schiebehülse (142) umgeben ist, deren vordere Stirnfläche (156) weiter zurückschiebbar ist als die koaxiale Ring­ fläche (92) des Sondenkorpus (12), daß im Ruhezustand der Schiebehülse (142) deren vordere Stirnfläche (156) vor der balligen Stirnfläche (64) liegt, daß das radiale Spiel zwischen Schiebehülse (142) und Sondenkorpus (12) sehr klein ist, daß zwischen Schiebehülse (142) und Sondenkorpus (12) eine Wendelfeder (146) liegt, die die Schiebehülse (142) in ihre vordere Lage drängt und daß um die Schiebehülse (142) herum eine koaxiale Griffhülse (157) vorgesehen ist, die fest mit dem Sondenkorpus (12) verbunden ist und in ihrem die Schiebehülse (142) überdeckenden Bereich von dieser durch einen Spalt getrennt ist.

34. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (15) einen Durchmesser von weniger als 3 mm hat.