DE4013434A1 - Elektrodensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem für die Messung elektrischer Größen von Materialien oder Stoffen sowie ein Verfahren zum Betrieb und Abgleich des Elektrodensystems.

In folgenden Druckschriften sind Verfahren und Vorrichtungen zum Messen einer elektrischen Größe (z. B. Dielektrizitätskonstante, Kapazität, Verlustfaktor usw.) eines Stoffes beschrieben:
"ASTM D 150-81: Standard Test Methods for A-C LOSS CHARAKTERISTICS AND PERMITTIVITY (DIELECTRIC CONSTANT) OF SOLID ELECTRICAL INSULATING MATERIALS";
Hewlett-Packard Application Note 339-13; "MEASURING THE DIELECTRIC CONSTANT OF SOLID MATERIALS: -HP 4194A Impedance/Gain- Phase Analyzer"; and Gen Rad Impedance Measurement Application Note 11, "Dielectric Loss and Permittivity Measurements with Gen Rad Precision Capacitance Bridges."

Um mit bekannten Elektrodensystemen (weiterhin ES abgekürzt) beispielsweise die Dielektrizitätskonstante eines Stoffes zu messen, mußte der Stoff üblicherweise in Form einer flachen Scheibe oder Platte mit parallelen Oberflächen vorliegen. Dazu mußte dann das ES die Form eines Kondensators mit parallelen Platten annehmen, d. h., daß das ES zwei ebene Elektroden hat, die möglichst genau parallel zueinander sein müssen. Diese Beschränkungen bezüglich der Form der Probe und der Form und Richtung der Elektroden bringt einige praktische Schwierigkeiten mit sich, z. B. muß die Parallelführung der Elektroden während ihres Gebrauchs sichergestellt sein, und beim Ersetzen der Elektroden muß das Meßsystem genau abgeglichen werden. Darüber hinaus sind die bekannten ES im allgemeinen entweder für den horizontalen oder vertikalen Gebrauch geeignet, jedoch nicht für beide Einsatzfälle.

Diese zuletzt genannte Beschränkung rührt daher, daß der auf die untersuchte Probe ausgeübte Druck wesentlich das Meßergebnis beeinflußt. Aus diesem Grunde können für den horizontalen Einsatz vorgesehene ES im vertikalen Gebrauch nur ungenaue Meßergebnisse liefern. Genauso liefern für den vertikalen Einsatz vorgesehene ES nur ungenaue Meßergebnisse im horizontalen Gebrauch.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein ES zu ermöglichen, das einfach zu gebrauchen ist, Mittel zur Justierung der Parallelität seiner Elektroden aufweist und sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Position genaue und zuverlässige Meßergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die davon abhängigen Ansprüche kennzeichnen jeweils vorteilhafte Ausbildungen davon.

Weiterhin soll für das erfindungsgemäße Elektrodensystem ein Verfahren zu dessen Betrieb sowie ein Verfahren zu dessen Abgleich geschaffen werden.

Diese Aufgabenteile werden durch die unabhängigen Patentansprüche 9 und 10 gelöst.

Das erfindungsgemäße Elektrodensystem eignet sich sowohl für eine horizontale als auch vertikale Messung einer elektrischen Größe einer Probe. Dazu weist das erfindungsgemäße Elektrodensystem auf:

• a) einen Ständer;
• b) eine erste mit dem Ständer gekoppelte Elektrode;
• c) einen mit dem Ständer beweglich verbundenen Gleiter;
• d) eine mit dem Gleiter verbundene zweite Elektrode;
• e) ein zwischen Gleiter und Ständer angeordnetes Druckglied auf, das eine Kraft auf den Gleiter ausübt; und
• f) Einstellmittel, die die Größe der Kraft abhängig davon einstellen, ob das ES horizontal oder vertikal steht (oder unter einem Winkel zwischen der Horizontalen und der Vertikalen angeordnet ist).

Erfindungsgemäß ist die zu untersuchende Probe zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erfindungsgemäße ES außerdem eine mit dem Ständer und dem Gleiter verbundene Mikrometer-Einrichtung zur Bewegung des Gleiters auf, und das Druckglied enthält eine Feder. In dieser bevorzugten Ausführungsart ist die erste Elektrode mit dem Ständer durch mindestens drei Stellschrauben und eine zweite Feder verbunden. Die Stellschrauben greifen am Ständer ein und sind so angeordnet, daß sie die erste Elektrode vom Ständer wegrücken, und die zweite Feder greift so an der ersten Elektrode an, daß sie diese zum Ständer hinzieht, wodurch eine Einrichtung zur Justierung der Parallelität der Elektroden ermöglicht ist.

In einer Ausführungsart der Erfindung weist die zweite Elektrode eine Hauptelektrode und eine von der Hauptelektrode isolierte Schutzelektrode auf.

Das erfindungsgemäße ES kann somit vorteilhafterweise die Parallelität zwischen den Elektroden und verläßliche Meßergebnisse sowohl in horizontalem als auch vertikalem Einsatz sicherstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems (ES) in teilweiser Explosionsdarstellung,

Fig. 2(A), 2(B), 3(A) und 3(B) teilweise geschnittene Aufrisse des in Fig. 1 dargestellten Elektrodensystems,

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung eines Elektroden- Parallelitäts-Einstellungsmechanismus gemäß der Erfindung,

Fig. 5(A) und 5(B) Explosionsdarstellungen des ES mit Teilschnitten zur Verdeutlichung der Operation des in Fig. 4 gezeigten Einstellmechanismus,

Fig. 6 und 7 Diagramme, die die zur Berechnung der Kapazität des ES nötigen Abmessungen angeben,

Fig. 8 und 9(A) bis 9(D) eine zum Schließen und Öffnen des ES dienende Einspannvorrichtung sowie deren Struktur,

Fig. 10(A), 10(B), 11 und 12 eine Elektrode zur Messung einer Probe, auf der eine Dünnschichtelektrode aufgebracht ist.

In der folgenden anhand der Zeichnung durchgeführten Beschreibung der Ausführungsbeispiele werden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Gemäß Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes ES einen L-förmigen Ständer 1 auf, der aus zwei in rechtem Winkel zueinander stehenden Blöcken 1 A und 1 B besteht. Das ES ist in Fig. 1 für eine horizontale Messung ausgerichtet, d. h. daß die Grundfläche des Blockes 1 A auf einer Ständerbettung FB (siehe Fig. 2) steht.

Die erste Elektrode 8 (siehe die Fig. 2 und 3) ist eine "Hoch"- oder "H"-Elektrode und durch einen nachstehend beschriebenen Einstellmechanismus befestigt.

Die zweite Elektrode 7 ist eine "Tief"- oder "L"-Elektrode und mit einem Gleiter 6 verbunden, der auf einer auf dem Block 1 A montierten (nicht gezeigten) Schiene beweglich ist. Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Elektrodensystem bewegt sich die Elektrode 7 nur horizontal. Ein bevorzugter beweglicher Support- Mechanismus ist der BSP-1530, der von der IKO Company, Japan hergestellt wird. Eine zu untersuchende Probe ist zwischen die H-Elektrode 8 und die L-Elektrode 7 eingelegt. Ein Mikrometerkopf 3 (beispielsweise der von Mitsutoyo Co, Ltd of Japan hergestellte MHN₃-25) ist auf einem am Ständer 1 angebrachten Lager 2 montiert. Das Mikrometer hat eine Spindel 5, die sich durch eine Muffe 4 A und eine Gefühlsratsche 4 B vor und zurück bewegen läßt. Eine zu messende Oberfläche senkrecht zur Achse der Spindel liegt auf der entgegengesetzten Seite der Befestigungsoberfläche der L-Elektrode 7 des Gleiters 6, während die gegenüberliegende Seite im wesentlichen parallel zur gemessenen Oberfläche ist. Der Gleiter 6 wird horizontal bewegt. Die auf den Gleiter 6 in Richtung der Spindel 5 ausgeübte horizontale Kraft wird durch eine Federhalterung 6 A (Fig. 1 und 2), eine Feder 9, eine Federhalterung 10, einen Halter 11, eine Federkraft-Stellschraube 12 und einen Deckel 13 bewirkt. Die Federhalterung 6 A ragt durch eine Führungsbohrung im Block 1 B des Ständers. Alle diese Komponenten sind axial rotationssymmetrisch bezüglich einer ihnen gemeinsamen Achse. Diese Komponenten sind parallel zur Achse der Spindel 5 angeordnet.

Der Stopper für den Halter 11 und die Führungsbohrung können auch nicht rotationssymmetrisch ausgeführt sein. In diesem Fall kann eine mittels der Federkraft-Einstellschraube 12 durchgeführte Justierung einfacher werden.

Die Fig. 2(A) und 2(B) zeigen Querschnitte entlang der Mittelachse des Halters 11 und der Federhalterung 6 A usw., um zu verdeutlichen, wie die Federkraft auf den Gleiter 6 wirkt.

Die Federhalterung 6 A ist ein am Gleiter 6 befestigter Hohlzylinder. Das rechte Ende der Feder 9 findet Aufnahme innerhalb des Hohlzylinders. Der Körper 10 B der Federhalterung 10 ist ein Vollzylinder und ragt eine gegebene Strecke in den linken Teil der Feder 9. Die Federhalterung 10 weist einen Flansch 10 A auf, dessen Durchmesser größer als der innere Durchmesser der Feder 9 ist, um die Feder 9 an ihrem linken Ende zu halten. Deshalb ist die Gesamtlänge der Feder 9 und damit die Federkraft durch den Abstand zwischen der rechten Stirnfläche des Flanschs 10 A und der linken Stirnfläche des Gleiters 6 bestimmt.

Der Halter 11 weist eine hohle Stange 11 B auf, deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Stellbohrung 13 A ist. Der Halter 11 hat außerdem eine Sperre 11 A, deren Durchmesser größer als der Innendurchmesser einer Stellbohrung 13 A ist. Die Federkraft-Stellschraube 12 wird in das Innere der hohlen Stange 11 B des Halters 11 gesteckt und in eine mit einem Gewinde versehene Bohrung am Boden der hohlen Stange 11 B geschraubt. Dadurch geht die Schraube 12 vom Halter 11 nach rechts und drückt auf den Mittelteil der linken Stirnfläche des Flansches 10 A.

Die Kraft der Feder 9, die nach links wirkt, beschränkt die Lage des Halters 11, so daß die rechte Stirnfläche des Deckels 13 auf der linken Stirnfläche der Sperre 11 A des Halters 11 aufliegt. Die Position des Flansches 10 A wird durch die Drehung der Schraube 12 entsprechend der Anzahl ihrer Umdrehungen verschoben, wodurch die Gesamtlänge der Feder 9 verändert wird. Als Ergebnis wird die auf den am Ständer befestigten Gleiter 6 ausgeübte Kraft verändert.

Die Fig. 2(A) zeigt den Zustand, in dem die L-Elektrode 7 mit der H-Elektrode 8 in Kontakt ist.Die Fig. 2(B) zeigt den Zustand, bei dem die L-Elektrode 7 von der H-Elektrode 8 getrennt ist.

Die Fig. 3(A) und 3(B) zeigen das ES der Fig. 2 statt in horizontaler in vertikaler Lage. in Fig. 3(A) ist die L-Elektrode 7 in Kontakt mit der H-Elektrode 8, während in Fig. 3(B) die L-Elektrode 7 von der H-Elektrode 8 getrennt ist.

Wenn die Länge der hohlen Stange 11 B größer als die Höhe der Füße 14 ist und in Fig. 2 über die Füße 14 nach links herausragt, wird sie durch die Oberfläche der Ständerbettung FB in Fig. 3 nach innen gedrückt. In diesem Falle wird die Gesamtlänge der Feder 9 verkürzt, vorausgesetzt, daß die Lagebeziehung zwischen Gleiter 6 und Ständer 1 unverändert ist. Auf diese Weise kann das Eigengewicht des Gleiters 6 für den vertikalen Gebrauch des ES kompensiert werden. Dies reduziert die Differenz der jeweiligen auf die zu messende Probe einwirkenden Kraft, wie sie bei horizontaler und vertikaler Lage des ES auftritt.

Dieses Merkmal gestattet, daß das erfindungsgemäße ES zuverlässige Meßergebnisse sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Lage liefert.

Anhand der Fig. 1 bis 3 werden nur die Merkmale beschrieben, die zur Erläuterung der Wirkungsweise der Feder 9 dienen. Die restlichen Merkmale werden nicht beschrieben, da sie dem Fachmann ohne weiteres einleuchten.

Die Platten der H-Elektrode 8 und der L-Elektrode 7 sind rechtwinklig zur Achse der Spindel 5. Es ist üblich, ein mit einem LCR-Meter, beispielsweise einem HP 4284, verbundenes Kabel von dem L-förmig geknickten Teil des Ständers 1 rechtwinklig zur Zeichenebene der Fig. 2 und 3 herauszuführen. Das (nicht gezeigte) LCR-Meter kann so ausgeführt sein, daß es Messungen an vier Anschlußpaaren ausführt. Der Ständer 1, der Gleiter 6 und die äußere Oberfläche der L-Elektrode 7 sind elektrisch miteinander unter Bildung einer Schutzelektrode verbunden. Eine Meßspannung liegt zwischen der H-Elektrode 8 und der Schutzelektrode. Vorzugsweise ist der Gleiter 6 mit dem Ständer 1 durch eine flexible elektrische Verdrahtung verbunden. Der elektrische Strom wird von der Hauptelektrode (d. h. dem inneren Elektrodenteil der L-Elektrode 7) abgeführt. Die Potentialdifferenz zwischen der Schutzelektrode und dieser Hauptelektrode geht assymptotisch gegen 0, und somit sind die beiden Elektroden virtuell kurzgeschlossen.

Die Impedanz einer zwischen der L-Elektrode 7und H-Elektrode 8 liegenden Probe wird aus dem Verhältnis der zwischen der H- Elektrode 8 und der Schutzelektrode vom von der Hauptelektrode fließenden Strom erhalten. Dies wird später im einzelnen beschrieben.

Nachstehend wird ein Mechanismus zur Justierung der Parallelität zwischen L-Elektrode 7 und H-Elektrode 8 anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben. Die Platten der Elektroden sind eben. In Fig. 4, die teilweise in Explosionsdarstellung gezeichnet ist, liegt das Elektrodensystem horizontal wie in Fig. 1. Außerdem sind die an der H-Elektrode 8 befestigten Komponenten gezeigt. Fehler, die in der Meßanordnung oder in den Materialien liegen, beeinträchtigen die Parallelität zwischen den Kontaktoberflächen beider Elektroden, so daß die Parallelität zur genauen Messung einer eine parallele Oberfläche aufweisenden Probe ungenügend ist. Die Parallelität der Elektroden verschlechtert sich häufig, insbesondere wenn die Elektroden ausgewechselt werden.

Die Fig. 5(A) zeigt eine vertikale Teilschnittdarstellung durch die Mitte der Komponenten, wenn die Parallelität zwischen den Elektroden hoch ist. Die Fig. 5(B) dagegen zeigt dieselbe Schnittdarstellung wie Fig. 5(A), jedoch einen Fall, wo die Parallelität der Elektroden schlecht ist. Der untere Block 1 B enthält vier Führungsbohrungen, in die die zuvor genannten Komponenten eingefügt sind. Diese Führungsbohrungen haben Querschnitte gemäß Fig. 5. Die rechten Enden der Führungsbohrungen sind mit Gewinden versehen, in die Elektroden-Stellschrauben 88 A-88 C eingreifen. Die Fig. 5 zeigt außerdem einen Anschluß 83 A, an dem ein (nicht gezeigtes) LCR-Meter angeschlossen werden kann.

Gemäß den Fig. 4 und 5(A) werden die Komponenten H-Elektrode 8, Abstandshalter 81 (vorzugsweise aus Kunstharz) und Schraubenhalterplatte 82 (vorzugsweise aus Stahl) gleichzeitig von der rechten Seite aus bewegt, so daß sie am unteren Block 1 B anliegen. Dies geschieht mittels eines mit einem Gewinde versehenen Vorsprungs 8 A, der in der Mitte der H-Elektrode 8 ausgebildet ist. Die H-Elektrode 8, eine Mutter 87, ein Federhalter 86 (der aus einem Isolator besteht), eine Feder 85, ein Abstandshalter 84 und ein Kabelschuhanschluß 83 werden nacheinander von der linken Seite in eine I-förmige Führung eingesteckt, die im unteren Block 1 B des Ständers ausgebildet ist. Die Schraubenmutter 87 greift in den zentralen Vorsprung 8 A der H-Elektrode 8 ein, um die genannten Komponenten zu einer Einheit zu verbinden. Der Abstandshalter 81 hat einen zylindrischen Vorsprung 81 A, dessen Außendurchmesser kleiner als der Durchmesser eines Abstandshalters 84 ist, so daß letzterer an der rechten Seite am Grund der I-förmigen Führungsöffnung anliegen kann.

Der Federhalter 86 weist einen Flansch 86 A, einen Körper 86 B und einen Hals 86 C auf, die wie dargestellt angeordnet sind. Deren Außendurchmesser verringern sich in der oben beschriebenen Reihenfolge. Deshalb werden die Schraubenmutter 87, der Federhalter 86, der Kabelschuhanschluß 83, der Schraubenhalter 82, der Abstandshalter 81 und die H-Elektrode 8 zusammen zu einer Einheit verbunden. Die Feder 85 liegt zwischen dem Flansch 86 A des Federhalters 86 und des Abstandshalters 84. Die oben beschriebene Einheit ist nach links relativ zum Ständerblock 1 B durch die Schraube (d. h. vom Ständer weg) vorgespannt. Zwischen dem I-förmigen Führungsloch und der Einheit befindet sich eine schmale Lücke, damit sie sich relativ zueinander bewegen können. Die Ausrichtung der H-Elektrode 8 wird durch die drei Schrauben 88 A-88 C zur Einstellung der Parallelität bestimmt.

Der Kabelschuhanschluß 83 dient zur Verbindung der H-Elektrode 8 mit einem Leitungsdraht eines (nicht dargestellten) Meßinstruments, wie beispielsweise dem oben erwähnten LCR-Meter. Dieser Anschluß ist gegenüber dem Ständer 1 isoliert.

In Fig. 5(B) ist die Schräge der H-Elektrode 8 zur deutlichen Darstellung stark übertrieben. Der Parallelitätsabgleich erfolgt in der nachstehend anhand der Fig. 6 beschriebenen Weise. In Fig. 6 liegen sich die Kontaktflächen der L-Elektrode 7 und der H-Elektrode 8 gegenüber. Diese Kontaktflächen haben eine Achse EA parallel zur Mittelachse der Spindel 5. Die L-Elektrode 7 besteht aus einer Hauptelektrode 7 A und einer ringförmigen Schutzelektrode 7 B. Die Hauptelektrode 7 A hat einen Radius r₁, und die Schutzelektrode 7 B einen inneren Radius r₂ und einen Außenradius r₃. Die Weite g der Lücke zwischen der Schutzelektrode 7 B und der Hauptelektrode 7 A ist gegeben durch g = r₂-r₁. Der Abstand zwischen den Kontaktflächen ist durch d angegeben. Bevorzugt wird der Außendurchmesser r₃ der Schutzelektrode 7 B so gewählt, daß der Wert r₃-r₂ um mindestens den Faktor 10 größer als die Weite der Lücke g ist. In einem Ausführungsbeispiel betragen r₁ = 0,0190 m, r₂ = 0,0192 m, g = r₂-r₁ = 0,0002 m, r₃ = 0,028 m und (r₃-r₂)/g = 44.

In einem anderen Ausführungsbeispiel betragen r₁ = 0,0025 m, r₁ = 0,0027 m, g = 0,0002, r₃ = 0,010 m und (r₃-r₂)/g = 36,5.

Wenn die H-Elektrode 8 gemäß Fig. 7 schief liegt, ist die elektrostatische Kapazität C(a) der H-Elektrode 8 und der Hauptelektrode 7 A gegeben durch

Die obige Gleichung gibt den Zustand an, in dem die H-Elektrode 8 gegenüber der Außenseite der Hauptelektrode 7 A um einen Betrag a geneigt ist, vorausgesetzt, daß a <d ist. In der obigen Gleichung gibt ε die Dielektrizitätskonstante der Umgebung an. Wenn die Elektroden von Luft umgeben sind, ist ε = 1,0059 · 8,8542 · 10^-12 F/m.

Prinzipiell gilt die Beziehung C(a) <C (0), wobei C (0) den Fall exakt paralleler Elektrodenplatten 7 und 8 angibt.

Das Abgleichverfahren enthält folgende Schritte:

• 1. Ein LCR-Meter wird angeschlossen, dessen Betriebsart auf Kapazitätsmessung eingestellt ist. Dann wird C(a) gemessen.
• 2. Das Mikrometer wird solange betätigt, bis die L-Elektrode 7 so nahe wie möglich an die H-Elektrode 8 gebracht ist.
• 3. Die Ausrichtung der H-Elektrode 8 wird mit den Parallelitäts- Stellschrauben 88 A-88 C unter visueller Beobachtung so justiert, daß der Zwischenraum zwischen beiden Elektroden gleichmäßig ist.
• 4. Das Mikrometer wird betätigt, bis die beiden Elektroden sich berühren. Falls zwischen den Elektroden ein Zwischenraum zu erkennen ist, werden die Parallelitäts-Stellschrauben 88 A-88 C gelockert, um die Distanz zwischen beiden Elektroden zu vergrößern, während sie mit der Gefühlsratsche näher zueinander gebracht werden, wodurch die Lücke zwischen den Elektroden eliminiert wird.
• 5. Die Skala auf dem Mikrometer wird auf den Minimalwert eingestellt, beispielsweise im vorliegenden Beispiel auf 10 µm. Daraufhin wird geprüft, ob die Kapazität C(a) in einem Toleranzbereich liegt, der durch die durch Gleichung (1) gegebenen theoretischen Werte bestimmt ist. Falls die Kapazität nicht innerhalb dieses Bereiches liegt, wird die Kapazität mit Hilfe der Parallelitäts-Stellschrauben 88 A-88 C verändert. In einem Beispiel der Erfindung ist die Parallelität auf 10 µm eingestellt. In dem oben beschriebenen ersten Beispiel, in dem r₁ = 0,019 m, r₂ = 0,0192 m und r₃ = 0,028 m sind, wird die Kapazität zwischen 700 bis 1000 pF eingestellt.

Der auf diese Weise kapazitiv durchgeführte nicht kontaktierende Abgleich ist gegenüber dem kontaktierenden Abgleichverfahren vorteilhaft, da die Wirkungen der Unebenheiten (beispielsweise 1 bis 2 µm der Elektrodenplatten verringert sind.

Das Meßsystem einschließlich des LCR-Meters muß durch Kurzschluß-Messung auf Leerlauf-Messung abgeglichen werden. Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das ES wiederholt im Kurzschluß und im Leerlauf betrieben, wobei durch die Verwendung einer Kurzschluß-Einspannvorrichtung 110 und eines Kontaktdeckels 120 gemäß Fig. 8(A) eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht wird. Vorzugsweise besteht der Kontaktdeckel 120 aus Polyazetalharz. Ein Beispiel der Elektrodenstruktur, auf der Kurzschluß-Einspannvorrichtung 110 und Kontaktdeckel 120 befestigt sind, zeigt Fig. 8(C), wobei die L-Elektrode 7 die durch einen Isolator 7 A von der Hauptelektrode 7 A getrennte Schutzelektrode 7 B aufweist. Die H-Elektrode 8 ist im Querschnitt durch ihren Mittelpunkt dargestellt.

Gemäß Fig. 8(A) weist die Einspannvorrichtung 110 koaxiale Zylinderscheiben 110 A-110 C auf. Die Zylinder werden in gemäß ihrem Durchmesser abnehmender Folge zusammengestellt. Der Koaxialzylinder 110 C hat einen Kontakt 110 D, der einen kalottenförmigen Vorsprung bildet. Der innere Durchmesser des Kontaktdeckels 120 ist gleich dem äußeren Durchmesser des koaxialen Zylinders 110 C. Die Tiefe des Deckels 120 ist gleich der Summe der Höhe des Koaxialzylinders 110 C und der Höhe des Kontakts 110 D. Die Fig. 8(B) ist eine rückseitige Ansicht der Einspannvorrichtung 110, und die Fig. 8(A) eine Vorderansicht der Einspannvorrichtung 110.

Die Art, in der die Einspannvorrichtung 110 und der Kontaktdeckel 120 montiert sind, zeigt Fig. 9. In den Fig. 9(A) und 9(B) ist die L-Elektrode 7 groß, wohingegen sie in den Fig. 9(C) und 9(D) klein ist.

Die Fig. 9(A) zeigt Kurzschluß-Zustände; die Fig. 9(B) und 9(D) zeigen Leerlauf-Zustände. Nach Fig. 9 ist der innere Durchmesser des Koaxialzylinders 110 A gleich der Abmessung der großen L- Elektrode, und der innere Durchmesser des Koaxialzylinders 110 B gleich der Abmessung der kleinen L-Elektrode. In jedem der Fig. 9(A) bis 9(D) werden beide Elektroden genügend nahe zusammengebracht, um mechanische Stabilität und zuverlässige Messungen sicherzustellen.

Wie die Fig. 9 deutlich zeigt, ist in den den Leerlauf-Zustand herstellenden Anordnungen gemäß den Fig. 9(B) und 9(D) der Kontaktdeckel 120 vorhanden, während er in den Fig. 9(A) und 9(C) fehlt.

Fig. 10 zeigt eine besondere Elektrodenstruktur zur genauen Messung einer elektrischen Größe einer Probe 760 S in Form von parallelen Platten. Fig. 10(A) zeigt in perspektivischer Darstellung die Beziehung der Elektroden zur Probe von einer Seite aus gesehen. Fig. 10(B) ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 7(A), jedoch von der anderen Seite aus gesehen. Bevorzugt ist die H- Elektrode 800 im wesentlichen dieselbe wie die oben beschriebene H-Elektrode 8. Die Probe 760 S hat die Form einer flachen Platte. Um eine genaue Messung durchzuführen, ist eine Elektrode direkt auf der zu untersuchenden Probe gelegen. Diese Elektrode wird beispielsweise dadurch auf die Probe gebracht, daß eine Metallfolie mit einem Fett (beispielsweise Vaseline) aufgelegt, eine Metallpaste aufgebracht, ein Metall auf die Probe aufgedruckt wird oder durch andere geeignete Verfahren ausgeführt.

Die bekannte Elektrode wird bevorzugt eine Abmessung und Form haben, die durch eine Norm, beispielsweise die japanische Industrienorm, festgelegt ist. Typischerweise hat die Meßelektrode dieselbe Form wie die auf der Probe aufgebrachte Elektrode.

Die Probe 760 S weist eine H-Elektrode 760 H und eine L-Elektrode 760 L auf, die beide auf die Probe aufgebracht sind. Die H-Elektrode 760 H liegt der H-Elektrode 800 gegenüber. Die L- Elektrode 760 L liegt der L-Elektrode 700 gegenüber und weist eine die Probe schützende Elektrode 760 B zusammen mit einer Hauptelektrode 760 A auf. Die L-Elektrode 700 enthält eine Schutzelektrode 700 B und eine Hauptelektrode 700 A.

Fig. 11 zeigt die in Fig. 10 dargestellte Anordnung in Explosionsdarstellung. In der Mitte der plattenförmigen Schutzelektrode 700 B ist eine Aussparung ausgebildet. In der Mitte der Aussparung befindet sich eine Öffnung. Ein Isolator 710 ist mittels einer Preßfassung oder einer Schraube in der Öffnung fixiert. Der Isolator 710 hat eine Bohrung 710 A durch seine Mitte. Der Körper 720 A eines Elektroden-Halteleiters 720 ragt durch die Öffnung 710 A und ist mit einem Leitungsdraht eines (nicht gezeigten) Meßinstruments verbunden. Eine Sperre 720 B bestimmt die Distanz, um die der Körper 720 eingesteckt werden kann. Ein Halsabschnitt 720 C hat eine Sackbohrung, in die eine Feder 730, eine Kontaktbürste 740 und ein Kontaktabschnitt 750 teilweise eingesteckt sind. Drei Haltepins 740 B werden (auf nicht gezeigte) Bohrungen in den Kontaktabschnitt 750 eingesteckt, um die Kontaktbürste 740 mit dem Kontaktabschnitt 750 zu verbinden. Eine Anzahl elastischer Elemente 740 A sind in Berührung mit der Innenfläche der Sackbohrung im Halsteil 720 C, um den Kontakt zwischen dem Kontaktabschnitt 750 und dem Elektrodenhalteleiter 720 zu verbessern.

Der Kontaktabschnitt 750 hat einen halbkugeligen Kontakt 750 A. Nach dem Einfügen eines Teils des Kontakts 750 in den Halsteil 720 C wird das Ende des Halsteils 720 C verjüngt, damit der Kontaktabschnitt nicht mehr aus der Sackbohrung des Halsteils 720 C kommen kann.

Die Fig. 12 zeigt den Zustand, in dem die Probe 760 S in derselben Weise, wie in Fig. 8(C) gezeigt, zwischen die Meßelektroden gefügt wird. Diese Anordnung erlaubt für die Form der Hauptelektrode 760 A und der Proben-Schutzelektrode 760 B einen größeren Freiheitsgrad. Dies verbessert die Gebrauchseigenschaften des ES.

Die Eigenimpedanz der Probe ist durch

gegeben, worin S die Fläche der auf der Probe aufgebrachten Hauptelektrode 760 A, d die Dicke der Probe 760 S, V die gemessene, der H-Elektrode 800 angelegte Spannung und e die Stärke des durch die Hauptelektrode 760 A der L-Elektrode 700 fließenden Stroms angeben. Der Widerstand und die Dielektrizitätskonstante erhält man aus dem Wert von Z durch bekannte Verfahren.

Zusammengefaßt ermöglicht es das ES gemäß der Erfindung, daß zuverlässige Meßergebnisse sowohl in horizontaler als auch vertikaler Gebrauchslage unter Beibehaltung einer guten Parallelität zwischen den Elektroden erhalten werden. Wenn eine Probe mit aufgebrachten, dünnen Elektrodenfilmen untersucht wird, erhält man einen größeren Freiheitsgrad für die Wahl des Probenformats. Dies ist für den praktischen Einsatz eine sehr wichtige Eigenschaft.

Selbstverständlich kann der Fachmann die Erfindung im Rahmen des beanspruchten Schutzbereichs verändern.

Claims (11)

1. Elektrodensystem zur Messung einer elektrischen Größe einer Probe, gekennzeichnet durch

• a) einen Ständer (1, 1 A, 1 B);
• b) eine erste Elektrode (8), die mit dem Ständer (1, 1 A, 1 B) gekoppelt ist;
• c) einen Gleiter (6), der beweglich mit dem Ständer gekoppelt ist;
• d) eine zweite Elektrode (7), die relativ zur ersten Elektrode (8) beweglich und mit dem Gleiter (6) gekoppelt ist;
• e) Druckmittel (9), die zwischen dem Gleiter und dem Ständer angeordnet sind und eine Kraft auf den Gleiter (6) ausüben; und
• f) Einstellmittel (10, 11, 12) zur Einstellung der Druckmittel (9), um den auf die Probe wirkenden Druck im wesentlichen in horizontaler Lage und in vertikaler Lage des Elektrodensystems beizubehalten,

wobei die Probe zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8, 7) angeordnet ist.

2. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittel (9) eine Feder aufweisen, die eine Dehnungskraft erzeugt.

3. Elektrodensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es

• g) eine Mikrometer-Einheit aufweist, die mit dem Ständer und dem Gleiter zur Bewegung des Gleiters gekoppelt ist.

4. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode parallel zueinander sind.

5. Elektrodensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) am Ständer mit mindestens drei Stellschrauben (88 A, 88 B, 88 C) und einer zweiten Feder (85) befestigt ist, wobei die Stellschrauben am Ständer eingreifen und so angeordnet sind, daß sie die erste Elektrode (8) vom Ständer wegdrücken und die zweite Feder (85) so angeordnet ist, daß sie die erste Elektrode zum Ständer zieht.

6. Elektrodensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode (8, 7) für Messungen mit vier Anschlußpaaren angepaßt ist.

7. Elektrodensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (7) eine Hauptelektrode (7 A) und eine gegenüber dieser Hauptelektrode isolierte Schutzelektrode (7 B) aufweist.

8. Elektrodensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der von der ersten Feder (9) ausgeübten Kraft davon abhängt, ob das Elektrodensystem horizontal oder vertikal ausgerichtet ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Elektrodensystems nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Einfügen einer Probe zwischen die erste und die zweite Elektrode (8, 7);
• - Einwirkenlassen einer Kraft zur Bewegung der ersten Elektrode (8) zur zweiten Elektrode (7) hin; und
• - Einstellen dieser Kraft so, daß die auf die Probe einwirkende Druckkraft bei horizontaler und vertikaler Lage des Elektrodensystems im wesentlichen gleichförmig ist.

10. Verfahren zum Abgleich eines Elektrodensystems, welches zwei parallele Plattenelektroden, eine erste Stelleinrichtung zur Justierung der Distanz (d), die die jeweiligen Mittelpunkte der beiden Elektroden voneinander haben, und eine zweite Stelleinrichtung zur Justierung einer die Parallelität der beiden Elektroden angebenden Größe (a) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Koppeln eines Kapazitätsmeßinstruments mit dem Elektrodensystem, so daß das Kapazitätsmeßinstrument die Kapazität zwischen den parallelen Plattenelektroden messen kann;
• - Einstellen der Distanz (d) auf einen gegebenen Wert;
• - Messen der Kapazität zwischen den parallelen Plattenelektroden mit der eingestellten Distanz (d); und
• - Einstellen der Parallelität (a) der beiden Plattenelektroden, bis die gemessene Kapazität in einen berechneten Kapazitäts-Toleranzbereich entsprechend der Distanz (d) und einen maximalen Toleranzwert der Parallelitätsgröße (a) fällt.