ES2146864T5 - Procedimiento y dispositivo para la determinacion del espesor de capa, la conductibilidad y/o la calidad de contacto de capa de capas aplicadas sobre substratos. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN METODO PARA LA DETERMINACION DEL ESPESOR O ESPESORES DE CAPA, LA CONDUCTIVIDAD TERMICA Y/O LA CALIDAD DEL CONTACTO DE CAPAS O SISTEMAS DE CAPAS COLOCADAS SOBRE SUSTRATOS CON MEDIOS FOTOTERMICOS, EN EL QUE SE DIRIGE LA LUZ SOBRE LA CAPA A DETERMINAR, IRRADIANDO LA LUZ PULSANTE SOBRE LA CAPA, Y SE MIDEN EL AUMENTO DE LA TEMPERATURA, EL DESCENSO DE LA TEMPERATURA Y /O LA AMPLITUD MAXIMA DEPENDIENTES DEL TIEMPO FOTOTERMICAMENTE CON UN DETECTOR.

Description

Procedimiento y dispositivo para la determinación del espesor de capa, la conductibilidad y/o la calidad de contacto de capa de capas aplicadas sobre sustratos.

La invención se refiere a un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de la Reivindicación 1 y un dispositivo para la realización del procedimiento. La solución según la invención es apropiada, además de para la medición puntual, también para la verificación de la homogeneidad espacial de capas aplicadas. Se pueden determinar así los parámetros de capas de materiales sólidos, líquidos o pulverulentos. Es posible también realizar la medición en objetos de medición movidos, sin que requiera un seguimiento del dispositivo de medición. Esto último se ofrece especialmente en el uso directamente en la producción.

Es conocido el empleo de procedimientos de medición fototérmica para la evaluación de capas, especialmente de los espesores de capa. Se utilizan aquí fuentes de luz moduladas y de emisión continua, que generan una onda térmica en el objeto de medición. La onda térmica se refleja en el límite de capa al menos parcialmente, y además puede determinarse el espesor de capa mediante el desplazamiento de fase entre la onda que sale de la fuente modulada de luz y la onda térmica reflejada. La amplitud de la onda térmica reflejada es una medida para la calidad obtenida del contacto de la capa. Se conoce también la utilización de fuentes impulsadas de luz, cuya duración de impulso y distribución espectral de la probeta, para analizar capas y zonas, próximas a la superficie, de cuerpos sólidos. Estos procedimientos no son apropiados para una evaluación cuantitativa exacta para la determinación de parámetros de la capa.

Los procedimientos conocidos de medición que utilizan ondas térmicas presentan un tiempo de medición relativamente largo, ya que la amplitud y la fase del estado estabilizado de una onda térmica son empleadas como señales de medición.

S. K. Lau, D. B. Almond y P. M. Patel, en "Transient thermal Wave Techniques for the evaluation of surface coatings" (Técnicas de onda térmica transitoria para la evaluación de recubrimientos superficiales), 1261 Journal of Physics D. Applied Physics, 24 (1991) 14 de Marzo, Nº 3, Bristol, Reino Unido, Páginas 428 a 436, han descrito un procedimiento para la determinación de espesores de capa que se basa en la interferencia de ondas térmicas. Además, los rayos luminosos dirigidos mediante, preferiblemente, una fuente de luz láser, sobre las superficies, mediante conducción térmica en la capa y reflexión en los límites de capa, deben atravesar varias veces la capa, para interferir la superficie.

Otro procedimiento para la determinación del espesor de capas aplicadas está descrito en el documento US 4.818.118. En este procedimiento debe determinarse el espesor de una capa aplicada homogénea espacialmente, en el que un rayo láser es dirigido sobre una probeta y calienta allí una primera zona del recubrimiento con espesor desconocido. En combinación con ello se mide, al cabo de un tiempo predeterminado, la distribución espacial de temperatura en otra zona del recubrimiento y se compara la distribución medida de temperatura con distribuciones de temperatura de referencia que representan una determinada probeta de comparación con un recubrimiento equivalente, de donde se puede deducir el espesor de la capa o las características de aislamiento del recubrimiento.

De ahí que sea finalidad de la invención proporcionar un procedimiento y un dispositivo con los que puedan determinarse los parámetros de capas aplicadas sobre sustratos en poco tiempo con la suficiente precisión.

Según la invención se consigue esta finalidad mediante las características mencionadas en la reivindicación 1 en relación con el procedimiento y las características mencionadas en la parte caracterizadora de la Reivindicación 10 para el dispositivo. Configuraciones y realizaciones ventajosas resultan de la utilización de las características contenidas en las Reivindicaciones subordinadas.

Con la solución según la invención puede caracterizarse, sin contacto y sin destrucción, capas y sistemas individuales de tales capas en substratos de cuerpo sólido. Se pueden medir y valorar además de forma sencilla el espesor de la capa, la conductibilidad térmica de la capa o la calidad de contacto de la capa en superficies límite de capas próximas o al substrato. El procedimiento y el dispositivo según la invención pueden utilizarse además directamente durante el proceso de recubrimiento de substratos y recurrirse a los resultados de la medición para el control del proceso de recubrimiento. Pero puede utilizarse en forma de un control de calidad.

Son posibles también, además de mediciones puntuales, la vigilancia de la homogeneidad espacial mediante medición plana, en forma de retículo, del recubrimiento. Además, no tiene ninguna importancia que las capas estén formadas de materiales sólidos, líquidos o pulverulentos.

Una ventaja esencial de la solución según la invención consiste en que la medición puede realizarse también en objetos de medición movidos, sin que se requiera un movimiento paralelo de seguimiento del sistema de medición. Esto produce una simplificación esencial de la estructura de medición.

Si se completa la configuración de medición con un aparato de medición de distancia, puede aumentarse la exactitud de medición cuando la distancia entre objeto de medición, detector fototérmico y fuente de luz puede ser mantenida, con un dispositivo apropiado, en un valor constante. Se determina también, permanentemente, la distancia al objeto de medición, y se suministra la señal de distancia a una unidad de regulación que activa consiguientemente el dispositivo de desplazamiento. A la valoración del comportamiento temporal de la temperatura en la capa va unida una disminución esencial del tiempo de medición requerido, con respecto a las soluciones conocidas. Se elige también la longitud de onda de la luz que hay que dirigir a la capa o al sistema a caracterizar, de manera que la profundidad de penetración óptica D_{E}, para el mayor número posible de materiales de capa, sea pequeña en comparación con el espesor de capa D_{S} a medir. Asimismo, la relación D_{S}/D_{E} debería ser igual o mayor que 10. Puede utilizarse luz en la zona de longitud de onda de ultravioleta o infrarrojo para muchas capas de color y también transparentes en la zona espectral visible. Como fuente de luz se considera un láser que trabaje por impulsos, que irradie luz de la correspondiente longitud de onda, o también una fuente de luz de banda ancha, que sea filtrada espectralmente de forma apropiada. Con un cierre electroóptico o electromecánico se puede regular y variar la dirección del impulso luminoso. En la solución según la invención es favorable que se realice la absorción de luz en una zona próxima a la superficie de la capa que hay que evaluar, y que se emplee una longitud apropiada de onda. Por difusión térmica llega una cierta fracción de energía luminosa absorbida por la capa desde la zona próxima a la superficie de la capa, que está determinada por la profundidad de penetración óptica D_{E}, posteriormente en la capa. Este proceso determina esencialmente el comportamiento de la temperatura de la capa. Para el calentamiento de la superficie de la capa es decisiva cuánta energía luminosa absorbida por difusión térmica, dentro de la duración del impulso luminoso, se propaga desde la zona de absorción, próxima a la superficie, en la capa.

Si el espesor de la capa D_{S} es pequeño comparado con el diámetro de la mancha luminosa D_{L}, puede aceptarse, para una descripción teórica, una difusión térmica unidimensional. En el caso de duración de impulso luminoso t_{L} proporcionalmente menor con respecto al tiempo de difusión térmica t_{D}, puede despreciarse la difusión térmica durante el tiempo del impulso, que produce el enfriamiento en la superficie, con respecto al calentamiento de la superficie por absorción luminosa. Se define además el tiempo de difusión t_{D} como tiempo en el que la temperatura superficial de la capa cae hasta el valor 1/e del valor máximo de temperatura T _{máx}. Se puede recurrir también al tiempo de difusión t_{D} para la determinación de la característica de capa.

Con el procedimiento según la invención puede variarse la duración del impulso luminoso. Así, un impulso luminoso breve produce una subida relativamente brusca de la temperatura en comparación con la caída de temperatura en la superficie que es producida por la difusión térmica en la capa. Si la duración del impulso luminoso y el tiempo de difusión térmica poseen un orden comparable de magnitud, la subida de temperatura y la caída de temperatura se comportan consiguientemente. En tiempo de difusión térmica relativamente breve en comparación con la duración de impulso luminoso, hay que anotar una pequeña subida de la temperatura superficial, y se alcanza el máximo de la temperatura en el momento del máximo del impulso luminoso. Se determina, por consiguiente, la temperatura superficial de la capa mediante el impulso luminoso con respecto a su duración.

En la variación de la duración del impulso luminoso se alcanzan características temporales del curso de temperatura superficial T(t) que son proporcionales a la conductibilidad térmica y al espesor de la capa correspondiente. En conductibilidad térmica conocida puede valorarse, de forma relativamente sencilla, por medio de la evaluación del curso de la temperatura (subida de temperatura y/o caída de temperatura) o incluso de la temperatura máxima. Pero también es posible valorar conductibilidad y espesor de capa cuando el comportamiento de la temperatura durante la fase de calentamiento y enfriamiento puede ser descrito teóricamente con un modelo. Esto es posible cuando la estructura de la capa es considerada como el mencionado "condensador térmico".

En el caso de un breve impulso luminoso en comparación con el tiempo de difusión, la corriente térmica, determinada por el diámetro de rayo y la profundidad de penetración óptica, es pequeña dentro de la duración del impulso luminoso. Para una constelación semejante se evalúa el comportamiento de enfriamiento. Si la duración de impulso luminoso y el tiempo de difusión térmica se encuentran en el mismo orden de magnitud, se puede servir del curso total de temperatura. Con variación de la duración del impulso luminoso puede evaluarse también el comportamiento de la temperatura para la determinación de los parámetros de la capa.

Por medio de la sintonización del diámetro del rayo (magnitud de la mancha de iluminación) y la zona detectada puede considerarse la difusión en dirección normal o lateral con respecto a la superficie de la capa. Se puede realizar la descripción teórica y unidimensionalmente con ayuda de las ecuaciones de Fick.

Además de esta posibilidad puede realizarse también, sin embargo, una valoración puramente empírica, en la cual se miden cursos característicos de temperaturas, en el caso de variación de la duración del impulso o la longitud de la onda para espesores de capa definidos y conocidos y estos valores de medida son comparados con valores de medida (por ejemplo, en forma de cursos de temperatura) de capas desconocidas de un sistema de capas de la misma forma, determinados en mediciones posteriores y almacenadas en una memoria para una comparación. La valoración empírica es apropiada para una vigilancia directa del proceso en el uso industrial.

Si se conoce la conductibilidad térmica del material de la capa, puede determinarse el espesor de la capa solamente con una única duración constante del impulso. En este caso, la duración del impulso puede estar adaptada a la velocidad deseada de medida. En sistemas de capas, el comportamiento de la temperatura en la superficie depende de cómo en la conductibilidad térmica (resistencia térmica) de todo el sistema de capas y qué conductibilidad térmica tiene el substrato (sumidero térmico). Capas próximas, o bien, el substrato dispuesto próximamente, influyen con respecto al comportamiento de enfriamiento. Si se encuentra una capa con elevada conductibilidad térmica en un substrato o está dispuesta junto a otra capa con una baja conductibilidad térmica, la superficie de la primera capa considerada se enfría más lentamente que cuando la capa próxima o el substrato tienen también una buena conductibilidad térmica. De ahí que el curso de la temperatura depende de la temperatura superficial de todo el sistema de capas y las variaciones de la monotonía.

(Curvatura dT(t)/dt)

del curso de la temperatura T(t) han de ser atribuidas a la diferencia con respecto a la conductibilidad térmica de las capas individuales del sistema de capas. Por consiguiente, mediante comparación empírica con sistemas de capas de modelo o también mediante comparación con la descripción teórica en el modelo del "condensador térmico", de la característica de temperatura de todo el sistema de capas pueden ser determinados la conductibilidad térmica y el espesor de cada una de las capas.

A continuación, se seguirá describiendo el modelo teórico del "condensador térmico".

En él Q es la carga térmica del condensador térmico después de la carga por el impulso luminoso. Se puede describir la carga del modo siguiente:

(1)dQ/dt = c\text{*} \ \rho \ \text{*} \ \Pi \ \text{*} \ R_{L}{}^{2} (D_{E}-^{x}{}_{D}(t))\text{*}(dT(t)/dt) = \Pi \ \text{*} \ R_{L}{}^{2} \ \text{*}I_{Labs}(t)

(2)Q = E_{Labs} = c\text{*} \ \rho \ \text{*} \ \Pi \ \text{*} \ R_{L}{}^{2} \text{*} \ (D_{E} (T(t_{L})-T_{0})- _{0}\int^{tL}x_{D}(t)\text{*}(dT(t)/dt))\approx 0 \ para \ t_{L} << t_{D}

en donde:

c	calor específico del material de la capa;
\rho	espesor del material de la capa;
\Pi * R_{L}^{2}	superficie de la mancha de iluminación sobre la capa;
I_{Labs}	intensidad luminosa absorbida;
E_{Labs}	energía luminosa absorbida;
x_{D}(t)	distancia de difusión térmica en el tiempo t
t_{D} = Ds * D_{E} * \rho * c/\chi	tiempo característico de difusión;
Ds	espesor de la capa;
\chi	conductibilidad térmica de la capa.
T_{0}	temperatura ambiente

Durante el tiempo del impulso se recoge la energía luminosa absorbida E_{Labs} en un determinado volumen, estando determinado el volumen por la superficie de la mancha de iluminación (\Pi * R_{L}^{2}) y la profundidad de penetración óptica DE y la profundidad de la difusión térmica x_{D}(t_{L}). Con el supuesto de que t_{L} es mucho menor que el tiempo característico de difusión, se puede determinar con la ecuación (2) la temperatura máxima T_{máx}= T(t_{L}) desde la carga térmica Q. Esto es posible, ya que son conocidos los demás parámetros al conocer simultáneamente el material de capa y la longitud de la onda luminosa (D_{E} = D_{E} (\lambda)).

Para el caso de que el diámetro de mancha de iluminación 2*RL sea mayor que el espesor de la capa DS, es válida la aproximación unidimensional de la difusión térmica. Resulta así el gradiente espacial de temperatura

(3)grad_{x}T = (T(t_{L} - T_{o})/D_{E} = -j_{x} \rightarrow / \chi

Además, j \rightarrow es la densidad de corriente térmica correspondiente a la primera ley de Fick.

Según la segunda ley de Fick es válido entonces para t = t_{L}

(4)(\partial T(t_{L})/\partial t) = (\chi/\rho \ \text{*} \ c)\text{*}(\partial^{2}T/\partial x^{2})

Con el principio de que T(x,t') = (T(t_{L}) - T_{0})*exp (\alpha * t + \beta *x) y t' = t_{L} + t se resuelve la ecuación diferencial

(5)\partial T/\partial t = \alpha/\beta^{2}\text{*}\partial^{2}T/\partial x^{2}

Es válido entonces \deltaT/\deltat' = \deltaT/\deltat.

\partial T/\partial t' = \partial T/\partial t

Por consiguiente, puede determinarse, mediante la comparación de las ecuaciones (5) y (4)

\alpha/\beta^{2} = \chi/\rho \ \text{*} \ c

Después del final del impulso luminoso para el tiempo t' = t_{L}+t, la magnitud determinante para la variación del gradiente de temperatura no es ya, conforme a la ecuación (3), la profundidad óptica de penetración D_{E}(\lambda) del impulso luminoso estimulante, sino el espesor de capa D_{S}.

Por tanto, es válido para esta variación

(6)(\partial^{2}T/\partial X^{2}) = (T(t_{L})-T_{0}) \ \text{*} exp (\alpha t-\beta x) / (D_{E} \ \text{*} \ D_{S})

Según las ecuaciones (4) y (5) es así

(7)\partial^{2}T / \partial x^{2} = T / (D_{E}\text{*}D_{S}) = (\rho \ \text{*}c / \chi)\text{*} \ \partial T/\partial t = (\rho \ \text{*}c / \chi)\text{*} \ \alpha \ \text{*} \ T

Por consiguiente, es

(8)(\rho \ \text{*}c \ \text{*} \ \alpha / \chi = 1 / (D_{E} \ \text{*}D_{S}) \ y, \ por \ tanto, \alpha = \chi / (\rho \ \text{*}c \ \text{*}D_{E} \ \text{*}D_{S})

El valor recíproco \alpha -1 =t_{D} corresponde ya al tiempo característico de difusión antes mencionado. Resulta, por consiguiente, el curso de temperatura, dependiente del tiempo, en la superficie de la capa según

(9)T(t) = (T(t_{L})-T_{0}) \ \text{*}exp ((-\chi / \rho \ \text{*}c\text{*}D_{S} \text{*} D_{E})\text{*}t)

Puede determinarse, análogamente, la descarga de un condensador eléctrico con

(10)U(t) = Q_{el} / C_{el} \ \text{*}exp ((-1 / (R_{el} \ \text{*}C_{el}))\text{*}t)

como la descarga del condensador térmico correspondiente a la ecuación (9).

Si se comparan las ecuaciones (9) y (10), pueden reconocerse los parámetros equivalentes en la descarga de condensador térmico con respecto a la descarga de condensador eléctrico. La resistencia térmica R_{th} corresponde a la resistencia eléctrica R_{el} y es

(11)R_{th} = D_{S} / (\chi \ \text{*} \ \Pi \text{*} R_{L}{}^{2})

La capacidad térmica

(12)C_{th} = c \ \text{*} \ \rho \ \text{*} \ D_{E} \ \text{*} \ \Pi \ \text{*} \ R_{L}{}^{2}

Corresponde a la capacidad eléctrica C_{el}. Y la temperatura T(t) es equivalente a la tensión eléctrica U(t). Con ayuda de esta traslación cada capa puede ser coordinada con una correspondiente resistencia R_{th} y una capacidad C_{th} y ser utilizado el modelo de condensador térmico. Hay que deducir de la ecuación (9) que el descenso de temperatura se realiza exponencialmente y que el exponente contiene como magnitudes desconocidas solamente el espesor de capa Ds.

Como el detector fototérmico abarca la zona próxima a la superficie con la correspondiente radiación térmica y no solamente un lugar x = 0, debe ser tenida en cuenta la profundidad óptica de penetración en la longitud de onda infrarroja utilizada del detector D_{E} (\lambda_{Det}) = D _{Det}. Esto es posible mediante la determinación espacial de la ecuación (7) con ayuda de un factor de peso g (x) = exp(-x/D_{Det}) para todo el espesor de capa a considerar. Con el principio de separación T(x, t) = T(x) * T(t) puede obtenerse una integral adicional para la función T(x) dependiente localmente, que suministra otro factor previo para la ecuación (8) que es relevante para el caso de que D_{Det} sea aproximadamente igual a D_{S}. Para el caso de que D_{Det} sea mucho menor que D_{S}, se puede despreciar este factor.

La determinación espacial de la temperatura puede realizarse con la siguiente ecuación:

(13)< T (x)\text{*} \ T(t) >D_{Det} = T(t)\text{*}_{o}\fint^{Ds} T(x) \ \text{*} \ exp(-x/D_{Det} \ \text{*} \ dx / D_{Det}

con T(x) = exp(-\chi\beta)

\newpage

La descarga del condensador térmico es realizada mediante la resistencia térmica del substrato y la resistencia térmica de la capa, o bien, en varias capas mediante la resistencia de todo el sistema de capas. Además, la relación entre la resistencia térmica del substrato R_{A} y la resistencia térmica de la capa a determinar R_{S}, o bien, la resistencia térmica del sistema de capas (para este caso R_{S} es la resistencia total), determina la dinámica de la característica de temperatura en la variación de espesor de capa y conductibilidad de una capa individual. En el caso de que se considere un substrato con elevada conductibilidad térmica y, por consiguiente, una baja resistencia térmica R_{A} en comparación con la resistencia R_{s}, el descenso de temperatura es determinado por la resistencia de capa R_{S}. En este caso debería emplearse un impulso luminoso cuya duración de impulso t_{L} sea pequeña con respecto al tiempo de difusión térmica t_{D}. En cambio, si la resistencia térmica del substrato R_{A} es mayor con respecto a la resistencia de la capa a determinar R_{S}, se determina esencialmente el descenso de temperatura en la superficie del objeto de medida (descarga del condensador térmico) mediante la resistencia térmica del substrato R_{A}. En este caso, por consiguiente, la dinámica del descenso de temperatura de la superficie del objeto de medida está limitada con respecto a la diferencia abarcable de espesor de capa y conductibilidad de la capa. En tales condiciones se prefiere utilizar, por tanto, el calentamiento de la superficie del objeto de medida, que no es influido por la resistencia térmica del substrato R_{A}. La relación entre duración del impulso luminoso t_{L} y el tiempo de difusión térmica t_{D} debería ser optimizada, por consiguiente, para la obtención de una velocidad máxima de medida y una dinámica de medida. Por este motivo hay que regular la duración del impulso de manera que la diferencia entre dos cursos de temperatura sea maximizada con, respectivamente, distintos espesores de capa y conductibilidades.

En sistemas con varias capas se puede calcular la característica de temperatura temporal, como el tiempo de descarga de un condensador, que está unido con una red de diferentes resistencias. Para ello se coordina cada capa con una resistencia totalmente determinada. Con un esquema de conexión de repuesto derivado de la red puede calcularse el curso de descarga, dependiente del tiempo, del condensador que hay que coordinar con la correspondiente capa, de la que se registra la radiación térmica con el detector fototérmico. Esta será, normalmente, la primera capa en la superficie del objeto de medida.

En sistemas de capas en los que la capa más superior es transparente, por ejemplo, una capa de barniz claro, puede realizarse la absorción luminosa, según la elección de la longitud de onda luminosa, solamente en la segunda capa, y el cálculo debe ejecutarse para esta capa valorada como segundo condensador. Si la primera capa no es transparente para la observación de la radiación térmica, debe calcularse entonces la característica de descarga del condensador térmico de la segunda capa conforme al descenso de tensión en la resistencia térmica de la primera capa. Para ello debe determinarse un esquema de conexión de repuesto que tenga en cuenta todas las resistencias térmicas de las capas existentes y la capacidad térmica de la segunda capa. De este modo puede calcularse, para una estructura semejante de capa, el curso de temperatura (curso de tensión), dependiente del tiempo, con respecto a la resistencia térmica de la primera capa.

Para el esquema de conexión de repuesto puede utilizarse, según la estructura del sistema de capas y el lugar de la absorción luminosa local en este sistema de capas, una conexión en serie, o también una conexión en paralelo, de condensadores y resistencias. Se describe con más detalle, a continuación, la invención a partir de ejemplos de realización.

La Fig. 1 muestra, en principio, una conocida medición fototérmica, con ondas térmicas, de espesor de capa.

La Fig. 2 muestra un esquema de conexión eléctrica para la carga y la descarga de un condensador.

La Fig. 3 muestra la característica de descarga de un condensador.

La Fig. 4 muestra una estructura esquemática de in dispositivo según la invención.

La Fig. 5 muestra, esquemáticamente, la estructura de un sistema de dos cajas.

La Fig. 6 muestra un esquema de conexión de repuesto para la estructura de varias capas según la Fig.5.

La Fig. 7 muestra el curso de temperatura temporal en el caso de una duración menor de impulso luminoso.

La Fig. 8 muestra el curso de temperatura en el caso de duración de impulso luminoso y tiempo de difusión aproximadamente iguales.

La Fig. 9 muestra el curso de temperatura en el caso de una muy grande duración de impulso luminoso.

La Fig. 10 muestra el curso de temperatura en una combinación de una capa con una buena conductibilidad térmica con una mala conductibilidad térmica.

La Fig. 11 muestra el curso de temperatura en una combinación de dos capas con buena conductibilidad térmica.

La Fig. 12 muestra una estructura esquemática de un dispositivo, según la invención, con un sistema de medida de distancia.

La Fig. 1 muestra esquemáticamente un conocido procedimiento de medición fototérmica en el que la luz modulada es irradiada sobre una capa aplicada sobre un substrato. La absorción de la onda luminosa modulada genera una onda térmica que se propaga a través de la capa y es reflejada parcialmente sobre la superficie límite de capa/substrato. La onda térmica reflejada genera una modulación temporal de la temperatura superficial de la capa que presenta un desplazamiento de fase a la onda luminosa modulada. En estado estabilizado el desplazamiento de fase, entre onda luminosa y onda térmica reflejada, suministra el espesor deseado de capa. La amplitud de la onda térmica reflejada es tanto mayor cuanto menor es la calidad del contacto entre capa y substrato. Sin embargo, para la determinación de este parámetro se requiere que se alcance un estado estabilizado. En espesores de capa en la zona de micrómetro se requiere para ello un tiempo de medida de unos segundos, lo que es demasiado lento para muchos fines de utiliza-
ción.

La Fig. 2 es un esquema de conexión de repuesto en el que se considera una estructura de una capa en un substrato como un condensador eléctrico que es descargado mediante una resistencia. La Fig. 3 representa la característica, dependiente del tiempo, de descarga del condensador eléctrico que corresponde a la disminución temporal de la temperatura superficial de la capa que fue irradiada con un impulso luminoso.

La Fig. 4 muestra una estructura de medida según la invención en la que un impulso luminoso es irradiado desde una fuente de luz sobre la capa 3 aplicada sobre un substrato 2 y la influencia de la temperatura así producida es registrada con ayuda de un detector termoóptico 4. Está representada también, rayada, la zona calentada 5 de la capa. En el caso representado, la duración del impulso es mucho menor que el tiempo de difusión. El diámetro de la excitación de láser (diámetro de mancha de iluminación) está ajustado para un modelo unidimensional de difusión. En la Fig. 5 está representado esquemáticamente un sistema de dos capas en el que sobre un substrato 2 están aplicadas dos capas 3 y 6. De la Fig. 6 hay que deducir el correspondiente esquema de conexión de repuesto. Además, C_{1} y R_{1} son el condensador térmico y la resistencia de la capa 3, y R_{2} la resistencia térmica de la capa 6. La descarga del "condensador térmico" C_{1} se realiza mediante las resistencias térmicas de la capa 3 (resistencia R_{1}), la capa 6 (resistencia R_{2}) y la resistencia térmica del substrato (resistencia R_{a}).

El diagrama representado en la Fig. 7 reproduce el curso temporal de temperatura para el caso de que sea regulada una duración muy pequeña de impulso luminoso t_{L} con respecto al tiempo de difusión característica t_{D} mediante conexión y desconexión momentáneas de la fuente de luz o con ayuda de un cierre optoelectrónico o bien electromecánico. En este caso, la temperatura máxima Tmax se alcanza al cabo de poco tiempo. Hay que deducir también de esta representación el momento en el que la temperatura máxima T_{o} ha caído hasta el valor T = T_{o} *e^{-1} que puede utilizarse como magnitud apropiada para la caracterización de la capa.

La Fig. 8 muestra en un diagrama el curso de la temperatura para el caso de que la duración del impulso luminoso corresponda aproximadamente al tiempo de difusión t_{D}.

En el curso de temperatura mostrado en la Fig. 9, la duración del impulso luminoso es esencialmente mayor que el tiempo de difusión t_{D}.

En el diagrama representado en la Fig. 10 está representado el curso de la temperatura, en un sistema de dos capas y con una duración de impulso luminoso breve, dotado de una capa con buena conductibilidad térmica y de una capa con mala conductibilidad térmica. Durante la fase de caída de temperatura está reproducida claramente la variación del curso de curvatura en la caída de temperatura. Una valoración logarítmica aumenta la capacidad de diferenciación de los componentes individuales del sistema de capas (ajuste de curva con 2 exponentes para las dos capas y un tercer exponente para el substrato). De la misma manera puede realizarse un ajuste polinómico.

La Fig. 11 reproduce el curso de la temperatura en un sistema de dos capas que está constituido por dos capas con buena conductibilidad térmica, con los mismos espesores, como en la Fig. 10. En la fase de la caída de temperatura, la variación de la curvatura es claramente menor que en el caso de la curva representada en la Fig. 10 y la temperatura cae esencialmente con mayor rapidez.

En la Fig. 12 está representada una estructura esquemática de medición de un dispositivo según la invención en la que el objeto de medición 7 es desplazable, en forma de traslación, a lo largo de la línea rayada. El aparato de medición fototérmica 4 está alojado en un dispositivo 8 desplazable, análogamente en forma de traslación, en la dirección (perpendicularmente a la dirección de desplazamiento del objeto de medición 7), mostrada con la flecha doble, y con su ayuda puede ser movido hacia el objeto de medición 7, o alejado de éste, para poder conservar una distancia de medición constante entre el aparato de medición fototérmica 4 y el objeto de medición 7. Se realiza la regulación con un aparato de medición de distancia 9 que registra la distancia, preferiblemente, en forma de trayectoria óptica. Los rayos luminosos de medición del aparato óptico de medición de distancia y del aparato de medición fototérmica con impulso luminoso de excitación y el detector fototérmico de registro están marcados con una línea de punto y raya. Las señales de medición (líneas de puntos) del aparato de medición de distancia 9 son transmitidas, mediante un controlador 10 a la regulación del accionamiento 8 del dispositivo. La línea de puntos desde el aparato de medición fototérmica 4 al controlador 10 indica que también la posición momentánea que se desvía del estado ideal del aparato de medición fototérmica 4 puede ser registrada por el controlador 10 y utilizada para una corrección numérica de los valores de medición fototérmica. Con esta regulación de la distancia entre el objeto de medición 7 y el aparato de medición fototérmica 4 y/o la corrección numérica de los valores de medición en las variaciones de distancia, puede mantenerse a un elevado nivel la exactitud de la medición también en objetos de medición curvos 7 o en variaciones de distancia producidos de otro modo. Se pueden corregir pequeñas variaciones de distancia numéricamente, y grandes variaciones de distancia, con ayuda del dispositivo desplazable 8. Sin embargo, la influencia de variaciones de distancia sobre la exactitud de medición tiene importancia solamente cuando la amplitud máxima de la señal fototérmica es relevante para la medición. En la mayoría de los casos no se utilizan magnitudes intensivas (amplitudes), sino magnitudes estructurales (características temporales), de la señal fototérmica, para la determinación de características de capa, de manera que no desempeñan ningún papel fluctuaciones de amplitud de señal debidas a variaciones de distancia de baja frecuencia. La dirección de transmisión de los datos está marcada con flechas en las uniones representadas de puntos. Los datos que pueden ser emitidos por el controlador 10 pueden utilizarse para una valoración, por ejemplo, en forma estadística y/o directamente para influir activamente sobre el procedimiento de recubrimiento, para reaccionar a los defectos de recubrimiento y mantener óptimamente éste en los valores teóricos.

Claims (13)

1. Procedimiento para la determinación del espesor o de los espesores de capa, de la(s) conductibilidad(es) térmica(s) y/o de la calidad de contacto de capa de capas o sistemas de capa aplicados sobre substratos con medios fototérmicos, en el que la luz es dirigida de forma pulsada a la capa a determinar, y el aumento de temperatura, la caída de temperatura y/o la amplitud máxima, en función del tiempo, son medidas fototérmicamente con un detector, caracterizado porque la distancia entre el objeto de medición, la fuente de luz y el detector se mide y regula.

2. Procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque el curso de temperatura temporal medido es sometido a una comparación teórica/real con cursos de temperatura determinados empíricamente que están memorizados en una base científica.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque es modificada la duración del impulso luminoso.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en la determinación de dos capas y/o material de diferente espesor o una capa individual y el substrato, es regulada de modo diferente la duración del impulso para las dos capas o la capa individual y el substrato, de manera que sea máxima la diferencia entre los cursos de temperatura.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se emplea la luz con una longitud de onda con la que la profundidad de penetración óptica D_{E} es pequeña con respecto al espesor de capa D_{S} a medir.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la subida de temperatura y/o la caída de temperatura son valoradas logarítmicamente o con un ajuste polinómico.

7. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los valores térmicos medidos son valorados como parámetros eléctricos en la carga y descarga de un condensador eléctrico.

8. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque para la valoración se evalúa como magnitud característica el tiempo en el que la temperatura máxima T_{0}, después del final del impulso luminoso, ha caído hasta una temperatura T = T_{0} *e^{-1}.

9. Procedimiento de acuerdo con una de las Reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se ajustan mutuamente el diámetro de rayo luminoso y la zona de detección, permitiendo una valoración con ayuda de las ecuaciones de Fick.

10. Dispositivo para la realización del procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 1, en la que una fuente pulsátil de luz (1) dirige luz de longitud de onda conocida sobre un objeto de medición (2) y la zona irradiada del objeto de medición (2) es registrable con un detector fototérmico (3), siendo los valores de medición suministrables a una unidad de valoración para la realización de una comparación, estando un sistema de medición a distancia (4) unido con el detector fototérmico (3) de manera que, con ayuda de una regulación, puede mantenerse constante la distancia del detector fototérmico (3) al objeto de medición (2).

11. Dispositivo de acuerdo con la Reivindicación 10, caracterizado porque la fuente de luz (1) es de banda ancha y presenta un filtrado espectral.

12. Dispositivo de acuerdo con la Reivindicación 10, caracterizado porque la fuente de luz (1) es un láser pulsátil.

13. Dispositivo de acuerdo con la Reivindicación 10, caracterizado porque existe un cierre electroóptico o electromecánico que regula la duración del impulso luminoso.