DE69202616T2

DE69202616T2 - Gerät zum fortlaufenden und berührungslosen Messen der Dicke einer dünnen, leitenden Schicht auf einem isolierenden Träger, zum Beispiel einer vorbeilaufenden Fiber oder Folie.

Info

Publication number: DE69202616T2
Application number: DE69202616T
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Boniort; Georges Roussy
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2012-03-27
Also published as: US5241279A; FI921371A0; EP0508854A1; CA2064372A1; DE69202616D1; JPH0599645A; JP2592564B2; EP0508854B1; FR2674623B1; FI921371A; CA2064372C; FR2674623A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen und berührungslosen Messung der Dicke einer dünnen, leitenden Schicht auf einem durchlaufenden isolierenden Träger der Art einer Faser oder eines Bandes.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Messung einer Kohlenstoffschicht, deren Dicke etwa 0,1 um beträgt und die sich auf einer Glasfaser eines Durchmessers von 125 um befindet, wobei diese Faser entlang ihrer Achse im Faserziehgerät mit einer Geschwindigkeit zwischen einigen 10 und einigen 100 Metern pro Minute durchläuft.
Es ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Messung des Durchmessers einer Lichtleitfaser bekannt, die durch einen Laserstrahl verläuft. Die Genauigkeit der Messung liegt bei etwa ±0,2 um. Ein solches Verfahren könnte für Schichten mit einer Dicke größer als 1 um, nicht aber für die im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogenen Dicken benutzt werden.
Das Patent US-A-4 952 226 beschreibt ein derartiges Verfahren, das auf der Erfassung des Lichts eines durch die Faser gebrochenen Laserstrahls beruht, aber das Ergebnis einer solchen Messung wird stark durch die seitlichen Verschiebungen der Faser gestört, die in der Praxis im Ziehgerät nicht vermieden werden können.
Außerdem sind im Handel verfügbare Meßgeräte bekannt, deren Meßprinzip auf der Induktion von Foucault-Strömen sehr hoher Frequenz beruht. Diese Vorrichtungen erlauben die Messung von Schichtdicken größer als 5 um auf Trägern eines Durchmessers von mindestens einem Millimeter. Die Extrapolation der in diesen Geräten eingesetzten Meßmethode auf Gegenstände kleineren Durchmessers und dünnere Schichten kann technisch nicht in Betracht gezogen werden.
Schließlich ist aus dem Patent US-A-2 548 598 eine Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern eines Leiterdrahts bekannt. Diese Vorrichtung enthält einen zylindrischen Mikrowellenraum, durch den der Metalldraht verläuft. Die Merkmale des Hohlraums verändern sich, wenn der Draht Mängel, wie z.B. Oberflächenfehler eines höheren spezifischen Widerstands als der Draht selbst oder Risse, aufweist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine industriell anwendbare Vorrichtung vorzuschlagen, die auf einer durchlaufenden Faser eine berührungslose Messung erlaubt, ohne die mechanische Widerstandsfähigkeit der Faser zu beeinträchtigen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen und berührungslosen Messung eines Kennwerts eines leitenden Körpers,
- mit einem Mikrowellengenerator, der über Koppelmittel mit einem Resonanzhohlraum gekoppelt ist, durch den der Körper verläuft,
- mit Mitteln zum Koppeln des Hohlraums an eine Vorrichtung zur Erfassung des Übertragungsfaktors des Hohlraums, dadurch gekennzeichnet, daß, falls der Kennwert eine Dicke und der Körper eine dünne leitenden Schicht auf einem isolierenden Träger von der Art einer Faser oder eines Bandes ist, der Hohlraum einen Metalldraht in Spiralform aufweist, der mit seinen Enden an zwei Metallplatten befestigt ist, wobei der isolierende Träger im wesentlichen entlang der Achse der Spirale verläuft, und daß der Übertragungsfaktor unmittelbar von der Dicke abhängt, wobei die Messung bei konstanter Frequenz erfolgt.
Man stellt mit großer Überraschung fest, daß die Resonanzfrequenz des Hohlraums konstant bleibt, wenn der Träger, und insbesondere eine Lichtleitfaser, innerhalb der Spirale mit ihrer dünnen leitenden Schicht verläuft. Nur die Amplitude des Signals variiert abhängig von der Dicke der Schicht. Es ist daher nicht notwendig, die Frequenz des Generators automatisch während der Messung nachzuregeln, was komplexe Mittel erfordern würde.
Vorzugsweise ist die Spirale abgeschirmt, d.h. in einen metallischen Behälter eingeschlossen.
Für eine Lichtleitfaser eines Durchmessers von 125 um, deren Kohlenstoffschicht eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 0,05 um besitzt, kann man eine Spirale einer Länge von etwa zehn Zentimetern aus einem Metalldraht verwenden, deren Innendurchmesser in der Größenordnung von 3 mm und deren Windungssteigung in der Größenordnung von 2 bis 3 mm liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Mikrowellengenerator einen Koaxialleiter, der in einer bipolaren oder homopolaren Sendeantenne endet, die in der mit der Resonanz kompatiblen Richtung des elektrischen Felds der Spirale aussenden kann. Die Vorrichtung zur Erfassung enthält eine Empfangsantenne einer Struktur, die der der Sendeantenne gleicht.
Andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein sehr einfaches Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2 zeigt schematisch und im Schnitt einen Resonzanzhohlraum, der zur Vorrichtung gemäß Figur 1 gehört.
Figur 3 zeigt das Signal S (in mV), das am Ausgang des erfindungsgemäßen Hohlraums gemessen wird, in Abhängigkeit von der Frequenz f (in GHz) des Mikrowellengenerators für Fasern, die Kohlenstoffschichten unterschiedlicher Dicken besitzen.
Figur 4 zeigt die Veränderungen des Signals S (in mV), die gemessen werden, wenn eine Faser durch den erfindungsgemäßen Hohlraum läuft.
Figur 5 zeigt schematisch eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Figur 1 ist ein Mikrowellengenerator 1 gekoppelt an einen Resonanzhohlraum 2 gezeigt, dessen Übertragungsfaktor mit Hilfe eines Detektors 3 gemessen wird, wobei dessen Ausgang mit einem Millivoltmeter 4 verbunden ist.
Der Resonanzhohlraum 2, der im einzelnen in Figur 2 zu sehen ist, enthält eine Spirale 10, die eine Achse 15 aufweist und von einem Metalldraht aus Silber oder versilbertem Messing eines Durchmessers von 0,3 mm gebildet wird. Der Innendurchmesser der Spirale beträgt 3 mm und der Windungsgang etwa 2 mm sowie die Gesamtlänge 10 cm. Die Enden 11 und 12 der Spirale sind an zwei Metallplatten 13 und 14 fixiert, die Kurzschlußplatten sind und in denen Öffnungen 17 und 18 eines Durchmessers von 2 bis 3 mm für den Durchlaß einer Lichtleitfaser 6 entlang der Achse 15 vorgesehen sind. Es ist nützlich, die Spirale 10 abzuschirmen, d.h. in einem Metallbehälter mit einer Wand 19 einzuschließen, beispielsweise einem Zylinder eines Durchmessers von 30 mm.
Der Mikrowellengenerator enthält einen koaxialen Leiter 20, der in einer monopolaren Antenne 21 endet, deren Ende parallel zur Achse 15 ausgerichtet ist. Diese Antenne 21 induziert ein elektrisches Feld in der dem gewünschten Resonanzmodus entsprechenden Richtung innerhalb des Hohlraums. Durch diese Anordnung konzentriert sich das Feld in dem Bereich, in dem die Faser 6 innerhalb der Spirale verläuft. Dieser Parameter ist besonders wichtig für die Genauigkeit der Messung.
Der Detektor 3 enthält einen Koaxialanschluß 22 mit einer Empfangsantenne 23 gleich dem Koaxialleiter 20 und der Antenne 21. Es empfiehlt sich, die Antennen 21 und 23 in gleicher Weise einzukoppeln. Das Meßergebnis läßt sich am Millivoltmeter 4 ablesen.
Bringt man in die Spirale 10 statisch Lichtleitfasern 6 ein, die Kohlenstoffschichten unterschiedlicher Dicken e tragen und verändert man die Frequenz f des Generators, dann läßt sich ein Signal S (in mV) gemäß Figur 3 ablesen.
Die Kurve A entspricht dem Hohlraum ohne Faser, während die Kurven B, C und D solchen Dicken e der Kohlenstoffschicht entsprechen, daß der Längswiderstand 2500 kΩ/cm bzw. 70 kΩ/cm bzw. 16 kΩ/cm beträgt.
Man beobachtet entgegen den Erwartungen, daß sich dieselbe Resonanzfrequenz ergibt mit und ohne Faser im Hohlraum. Diese Frequenz wird auch nicht durch die Dicke der Kohlenstoffschicht auf der Faser verändert. Außerdem stellt man fest, daß die Amplitude des Signals nicht von der seitlichen Position der Faser in der Spirale 10 bezüglich der Achse 15 abhängt. Diese Amplitude hängt also nur von der Dicke e der Schicht ab. Die Messung erfordert keine Frequenzregelung, was die Schaltung erheblich vereinfacht.
Figur 4 zeigt eine Aufzeichnung des Signals S (in mV) abhängig von der Zeit t beim Durchlauf der Faser. Auf einer zweiten Ordinatenachse ist das Signal S in Dickeneinheiten e (in nm) umgewandelt.
Wenn die Faser durchläuft, zeigt der Meßwert den Mittelwert der Dicke über die Länge der Faser an, die sich in der Spirale 10 befindet. Bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 5 m pro Minute erfolgt die Messung etwa über 20 cm der Faser. Um diese Definition bei großer Durchlaufgeschwindigkeit beizubehalten, muß man ein Voltmeter mit einem breiten Durchlaßband verwenden, nämlich größer als 100 Hz für Messungen bei etwa 500 m pro Minute.
In dem in Figur 4 gezeigten Beispiel beträgt die mittlere Dicke der gemessenen Schicht etwa 30 nm. Dann ergibt sich eine plötzliche Vergrößerung der Schichtdicke bis zu 70 nm, die zu einem deutlichen Abfall des Signals S führt.
Die Messung ist sehr empfindlich im Dickenbereich von etwa 50 nm entsprechend einem Längswiderstand von 10 bis 30 kΩ/cm.
Es ist möglich, die Empfindlichkeit der Messung weiter zu erhöhen, indem die Vorrichtung aus Figur 5 eingesetzt wird.
Diese Vorrichtung empfiehlt sich zur Messung des komplexen Übertragungsfaktors des Hohlraums 2 (Amplitude und Phase des Signals S).
5Das aus dem Generator 1 kommende Signal wird in zwei Signale 31 und 32 mit Hilfe eines Richtkopplers 30 aufgeteilt. Das erste Signal 31 gelangt in den Amplitudenmodulator 35, der an einen Oszillator 33 (mit zum Beispiel 1 kHz) angeschlossen ist, und wird dann in den Hohlraum 2 eingespeist.
Das zweite Signal 32, das als Bezugssignal dient, sowie das Signal 34, das am Ausgang des Hohlraums 2 gemessen wird, gelangen zu einer doppelten, abgeglichenen Mischstufe 36. Die Ausgangssignale 37 und 38 dieser Stufe werden von zwei Synchrondetektoren 39 und 40 ausgewertet, aus denen zwei Signale S sinφ und S cosφ austreten, die die Amplitude und die Phase des Signals S bestimmen. Die Amplitude S kann unmittelbar in einer analogen Schaltung 41 erhalten werden.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sowohl hinsichtlich der Verarbeitung des Signals als auch hinsichtlich der Form der Spirale.
So kann die Spirale Windungen rechteckiger Form besitzen und kann durch äquivalente Mittel ersetzt sein, die an den Querschnitt des sie durchquerenden isolierenden Trägers angepaßt sind.

Claims

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen und berührungslosen Messung eines Kennwerts eines leitenden Körpers,

- mit einem Mikrowellengenerator (1), der über Koppelmittel (20) mit einem Resonanzhohlraum (2) gekoppelt ist, durch den der Körper verläuft,

- mit Mitteln (22) zum Koppeln des Hohlraums (2) an eine Vorrichtung (3) zur Erfassung des Übertragungsfaktors des Hohlraums (2),

dadurch gekennzeichnet, daß, falls der Kennwert eine Dicke und der Körper eine dünne leitenden Schicht auf einem isolierenden Träger von der Art einer Faser oder eines Bandes ist, der Hohlraum (2) einen Metalldraht (10) in Spiralform aufweist, der mit seinen Enden an zwei Metallplatten (13, 14) befestigt ist, wobei der isolierende Träger (6) im wesentlichen entlang der Achse (15) der Spirale (10) verläuft, und daß der Übertragungsfaktor unmittelbar von der Dicke abhängt, wobei die Messung bei konstanter Frequenz erfolgt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (1) einen koaxialen Leiter (20) aufweist, der in einer bipolaren oder homopolaren Sendeantenne (21) endet, die in der mit der Resonanz kompatiblen Richtung des elektrischen Felds der Spirale (10) aussenden kann.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (3) eine Empfangsantenne (23) der gleichen Struktur wie die Sendeantenne (21) enthält.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Lichtleitfaser (6) eines Durchmessers von 125 um, deren Kohlenstoffschicht eine Dicke zwischen 0,1 und 0,05 um aufweist, die Spirale (10) von einem Metalldraht gebildet ist und einen Innendurchmesser von etwa 3 mm sowie einen Windungsgang von etwa 2 bis 3 mm sowie eine Länge in der Größenordnung von etwa zehn Zentimetern besitzt.