JP2017142258A - 薄層の厚さを測定する測定プローブ及び測定プローブのセンサ要素の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄層の厚さを測定する測定プローブにおいて、増大する測定精度仕様が満たされるような測定プローブ、さらに、そのような測定プローブの巻き取り装置の製造方法を提供する。【解決手段】センサ要素１７は、縦軸に沿って少なくともわずかに移動可能に筐体に受けられ、少なくとも一つの巻き取り装置４４からなり、縦軸に割り当てられ、筐体の外側前面に面する球形位置決めキャップ２１を有し、キャップは縦軸に配置され、球形位置決めキャップは、円筒形コア部５６を有する基体５５及びコア部５６の前面に配置されるポルキャップ５８を有する、薄層の厚さを測定する測定プローブであって、巻き取り装置は球形位置決めキャップ２１に割り振られ、巻き取り装置は円盤状又は環状キャリア４９から形成され、その上に配置された少なくとも１つのアルキメデスコイル５１と、フェライト材料からなる基体および硬質金属からなるポルキャップを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、独立請求項の前文による薄層の厚さを測定する測定プローブ及び測定プローブのセンサ要素の製造方法に関する。

薄層の厚さを測定する測定プローブは、（特許文献１）から既知である。この測定プローブは筐体を備え、筐体内に、少なくとも１つのセンサ要素が提供され、センサ要素は、筐体内で、筐体の縦軸に沿って少なくともわずかに移動可能に受けられる。センサ要素は少なくとも１つの第１の巻き取り装置及び少なくとも１つの第２の巻き取り装置を備え、巻き取り装置はポットコアにより受けられる。ポットコアは中心ピンを備え、中心ピンの筐体に面する端部に、球形位置決めキャップが提供される。センサ要素が上に配置されたポットコア及び球形位置決めキャップが、筐体の前端部に固定される弾性可撓性保持要素により受けられる。

そのような測定プローブは、磁気誘導方法による層厚の測定に適し、磁性ベース材料上の非強磁性金属の厚さを非破壊的に特定することができる。あるいは、センサ要素は、非強磁性金属上の非導電層の厚さを非破壊的に記録するために、渦電流方法により層厚測定が可能なように、層厚を測定するホール効果センサを有することができる。

さらに、（特許文献２）から、誘導渦電流方法により層厚を測定する電気測定要素を適用することが既知であり、導電材料から作られたコイルが、少なくとも１つの螺旋部を備えるように形成される。この場合、各螺旋コイルはキャリア要素の両側に提供され、上記コイルは、半径方向において中心点から螺旋状に外側に向かって延びる。測定方法を実行するために、この電気測定要素を測定すべき物体の近傍にではあるが、それでも離間して位置決めする必要がある。これは、測定要素を測定すべき物体の近傍に位置決めする追加のツールを必要とする。測定要素を測定すべき物体に離間して位置決めすることにより、離間が大きくなりすぎ、それにより、測定感度が低減し、ひいては測定精度が低減する。

測定装置の測定精度の仕様は常に増大している。さらに、特に、触覚的測定装置が使用されるように測定プロセスを簡易化すべきでもある。これらの触覚的測定装置は、湾曲した測定面等の幾何学的形状障害をなくすとともに、より大きな応用分野を達成するために、より小型に設計しなければならないだけではなく、測定プローブを装着する際に測定面への破損を回避するために、より小さな質量を有さなければならない。

独国特許出願公開第１０ ２００５ ０５４ ５９３ Ａ１号 独国特許第６９９ ３５ ６１０ Ｃ２号

本発明の目的は、増大する測定精度仕様が満たされるような測定プローブを開発することである。さらに、本発明の目的は、そのような測定プローブの巻き取り装置の製造方法を提案することである。

目的は、請求項１に記載の測定プローブの特徴により、本発明により解決される。さらなる有利な実施形態及び展開をさらなる請求項において明示する。

円盤状又は環状キャリア及びそこに配置された少なくとも１つのアルキメデスコイルからなる少なくとも１つの第１の巻き取り装置を有する、薄層の厚さを触覚的に測定する測定プローブの本発明による実施形態は、非常に小さく、特に平坦な測定プローブを作成可能であるというその利点を有する。少なくとも１つのアルキメデスコイルの実施形態では、磁場の磁力線が測定プローブの筐体の前に沿ってアルキメデスコイルにより案内されることをさらに達成することができ、したがって、測定すべき層の表面のより近傍に持って行くことがでる。それにより、測定結果の評価においてより高い分解能を達成可能である。特に、本発明による測定プローブのそのような実施形態では、渦電流方法により非強磁性金属又は非強磁性基板上の厚層を記録する小型の触覚的測定プローブを作成することができる。この実施形態では、高周波場を測定面に略直接導くことができる。それにより、測定プローブの非常に高レベルの感度、ひいては高分解能を達成することができ、それにより、より薄い層の厚さも触的に記録することができる。同時に、球形位置決めキャップの基体にフェライト材料を使用することにより、渦電流方法による層厚測定中の向上した測定感度が可能である。硬質金属からなるポルキャップ（ｐｏｌ ｃａｐ）は、触覚的測定中の測定プローブの耐摩耗性を増大させる。球形位置決めキャップ及び第１の巻線が中心縦軸から離間される、それに接続されたアルキメデスコイルの中央配置にも拘わらず、フェライト材料から作られる基体により、測定感度は向上する。これは、渦電流方法を実行する高周波交番磁場において、測定面への磁場の直接伝達がフェライト基体により向上するためである。さらに、本発明による測定プローブの実施形態では、これに、球形位置決めキャップの測定面への上昇効果が、硬質金属から形成される球形位置決めキャップのポルキャップのこの領域で生じることが可能なことがさらに付随する。

丸い軸受け表面は、好ましくは、球形位置決めキャップのコア部に提供され、軸受け表面の縦軸にポルキャップが配置される。したがって、基体の軸受け表面は、硬質金属からなるポルキャップにより形成され、したがって、向上したレベルの耐摩耗性を達成する。
測定すべき物体への装着中、高レベルの機械抵抗が提供されるとともに、渦電流方法中、高周波場を測定すべき物体の非常に近くに導くことが可能であり、それにより、増大したレベルの測定感度が達成されることがさらに可能になる。

球形位置決めキャップのさらなる好ましい実施形態によると、ポルキャップは丸い軸受け表面を覆って延びるか、又は丸い軸受け表面よりも小さく設計されることが提供される。球形位置決めキャップの直径に応じて、第１及び第２の実施形態の両方を選択することができる。しかし、丸い軸受け表面よりも小さなポルキャップを選択することが好ましく、ポルキャップの中心点は基体の縦軸にあり、それにより、硬質金属ポルキャップとのより小さな接触点又は軸受け表面が生成される。

球形位置決めキャップの第１の実施形態は、ポルキャップが硬質金属コーティングにより製造されることを提供する。そのような実施形態では、例えば、基体の前面又は丸い軸受け表面に適用されるコーティングを提供することができ、コーティングは研磨により仕上げられる。そのようなコーティングは、例えば、１μｍ〜１０μｍ、特に２μｍの層厚からなる、例えばＴｉＣコーティング等であることができる。同様に、コーティングは、基体の前面の縦軸周囲のわずかに窪んだ領域又は丸い軸受け表面にも適用して、次に一緒に研磨することができる。

球形位置決めキャップの代替の実施形態は、ポルキャップが硬質金属芯により形成され、好ましくは、基体を貫通して延びることを提供する。そのような硬質金属芯は硬質金属ピンとして形成することができ、縦軸に沿って延びる。

あるいは、丸い軸受け表面又は基体の前側の直径は、基体のコア部よりも小さくすることができ、ポルキャップは、コア部に丸められた、又は階段状の遷移を有する先細り保持部に提供することができる。この構成を用いる場合、磁力線を接触点に関して球形位置決めキャップ内に集中させることができる。さらに、コア部と比較して低減した直径を有する保持部により、低減した直径を有する巻き取り装置を保持部の周囲に位置決めすることができる。したがって、特に非常に薄い層でのより高いレベルの測定感度が可能になる。

本発明の代替の実施形態は、球形位置決めキャップの基体の先細り保持部に巻き取り装置のキャリアを提供する。したがって、コイル直径の低減が提案され、それにより、薄層、１００μｍ未満、特に１０μｍ未満の域の層の向上した測定が、触的に可能である。

球形位置決めキャップのさらなる好ましい実施形態は、球形位置決めキャップの基体上の保持部の高さが、巻き取り装置の厚さに略対応することを提供することができる。したがって、同時に、球形位置決めキャップに対するキャリアの正確な位置決め、又はこの逆の位置決めが、この実施形態により可能になる。巻き取り装置のキャリアは、好ましくは、半導体材料、特にシリコン又はゲルマニウムから形成される。

球形位置決めキャップのさらなる好ましい実施形態は、ポルキャップの基体に対向する平坦な接触面を提供することができる。したがって、球形位置決めキャップは単純な幾何学的形状で製造することができる。

酸化鉄又は酸化鉄と同様の材料が、好ましくは、球形位置決めキャップのフェライト材料として使用される。この材料は、磁場集中のレベルを増大させる丸いポルキャップの製造のために、正確に円柱形に挽くことができる。あるいは、内部に導入される鉄粒子を有するプラスチック材料をフェライト材料として使用することができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の巻き取り装置は、キャリアに単層アルキメデスコイルを備える。この好ましい実施形態は製造が簡単であり、特に、平坦に形成されるキャリアの場合、特に平坦であり、それにより、小さな構造空間が巻き取り装置に対して十分である。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、第１の巻き取り装置の少なくとも１つの、好ましくは単層のアルキメデスコイルが、筐体の前面に向けて配置され、前面は、層厚の測定中、測定面の真向かいにある。したがって、測定面への巻き取り装置の特に近い配置が可能であり、第２の巻き取り装置から測定面への距離は、球形位置決めキャップの接触点又は丸いポルキャップと、第２の巻き取り装置のコイルとのギャップによって決まる。

本発明の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの第２の巻き取り装置がキャリアに提供され、少なくとも１つのさらなるアルキメデスコイルとして形成される。したがって、内側コイル及び内側コルを囲む第２の外側コイルは、環状又は円盤状キャリアの同じ側に適用することができ、それにより、これらのコイルは、好ましくは、共通の平面にある。したがって、各コイルは、測定すべき物体の測定面に直接割り振られ、それにより、向上したレベルの測定精度が達成される。あるいは、第１の内側コイルを、測定面に面してキャリアに提供することができ、第２の外側コイルをキャリアの逆側に配置することができる。

この代替の実施形態では、キャリアは、好ましくはそれぞれアルキメデスコイルとして少なくとも１つの第１のコイル及び少なくとも１つの第２のコイルを受け、キャリアは、好ましくは、センサ要素の筐体の前端部に配置される。したがって、非常に小さく高感度の測定プローブを作成することができ、この測定プローブは特に、マイクロ工学又はマイクロエレクトロニクスの分野での層厚の測定中に使用することができる。

さらに、好ましくは、第１及び第２のコイルをキャリアに互いに対向して配置し、その他のコイルよりも多数の巻きを備えるコイルがこれを少なくとも部分的に覆うことが提供される。ここで、好ましくは、より少数の巻きを有するコイルを、層厚の測定に提供し、より少数の巻きのコイルと比較してより多数の巻きを有するコイルを使用して、測定面の湾曲を補う又は測定すべき層が平面内にあるか、それとも平面外にあるかの特定に使用することが提供される。

巻き取り装置のさらなる実施形態は、層厚を測定するより少数の巻きを有する第１のコイル及び平面からのずれに関して測定面を特定する、第１のコイルと比較してより多数の巻きを有する第２のコイルを、１ＭＨｚよりも高い周波数で帯電させることが可能なことを提供する。

本発明のさらなる好ましい実施形態は、少なくとも１つのアルキメデスコイルを有する第１の巻き取り装置に絶縁層を提供する。この絶縁層は、破損又は腐食からの保護層として機能する。

さらなる実施形態では、巻き取り装置は球形位置決めキャップに割り振られ、又はポルキャップに直接隣接して配置されるか、若しくはポルカップに接合される。それにより、球形位置決めキャップをセンサ筐体内で固定することができ、又はキャリアは、接着剤、ラッチ、又はプラグ接続によりセンサ要素のセンサ筐体内で固定することができる。

少なくとも１つの巻き取り装置を製造するために、キャリアは、好ましくは、非導電性且つ非磁性材料からなる。特に、キャリアは、ゲルマニウム又はシリコン等の半導体、特に、好ましくは３００μｍ未満又は１５０μｍ未満の厚さを有するゲルマニウム又はシリコンから製造される。例えば、シリコン円盤には、好ましくは、１００μｍの層厚が選択される。そのような材料は費用効率的に製造され、第１及び第２の巻き取り装置を有するそのような二重測定プローブの高周波測定及び低周波測定に関して中性を有する。

測定プローブのさらなる好ましい実施形態は、半導体材料から作られ、特にシリコン又はゲルマニウムから作られる、コイル装置の回路を円盤状キャリアに提供し、回路は実施され、又は内接する。この構成により、好ましくは、コンパクトな測定プローブを小型に形成することができる。さらに、キャリアへの回路の統合は、単純な回路構成及び巻き取り装置への線接続が提供されるとともに、不動部品が存在するという利点を有する。

回路を測定プローブに統合する好ましい実施形態によれば、キャリアは、測定プローブの筐体内部に面するセンサ筐体の外側又はセンサ筐体の内側に配置される。あるいは、キャリアは、センサ筐体の前面に配置することもでき、前面は、測定プローブの筐体の外側を向く。したがって、そのような測定プローブのコンパクト性がさらに増大する。

本発明の目的は、測定プローブの少なくとも１つの第１の巻き取り装置を有する、測定プローブの少なくとも１つのセンサ要素の製造方法により解決され、少なくとも１つのアルキメデスコイルが、中央開口部を有する環状又は円盤状キャリアに適用され、コイルは、好ましくは、キャリア上の各接続点に接触する。したがって、センサ要素に簡単に統合される巻き取り装置を作成することができる。

少なくとも１つの第１の巻き取り装置を製造するために、方法の第１の実施形態により、金属導電層をキャリアに適用し、次に、機械的若しくは化学的な材料の除去又は材料処理による材料の除去によりアルキメデスコイルに変換されることが提供される。この製造方法では、キャリアは、例えば、金属導電層、特に銅の層で完全にコーティングされる。
次に、例えば、レーザ処理により材料の除去を行うことができる。同様に、対応する除去は、少なくとも１つの単層コイルがキャリアに適用されるように、リソグラフィ又はエッチングにより行うことができる。

キャリアに少なくとも１つのアルキメデスコイルを有する少なくとも１つの第１の巻き取り装置の製造方法の代替の実施形態は、少なくとも１つのアルキメデスコイルが蒸着プロセスによりキャリアに適用されることを提供する。それにより、特に、金属導電層への高い蒸着率を含む様々な蒸着方法を提供することができる。

方法のさらなる実施形態は、少なくとも１つのアルキメデスコイルが、巻きワイヤを使用して巻きプロセスを介してキャリアに適用されることを提供する。したがって、巻きプロセス中、隣接する巻きの間隔が調整される。

巻きプロセス中、巻きワイヤが、好ましくは、キャリアに接着され、特に、圧迫フィルムを使用してキャリアに固定される。ここで、非常に良い構造自体を機械的に安全に製造することができる。

本発明、さらに有利な実施形態、及び本発明のさらなる展開を、図面に示される例を使用してさらに詳細に以下に説明する。説明及び図面から抜き出される特徴は、本発明により個々に、又は任意の組み合わせで一緒に適用することができる。

本発明による測定プローブの第１の実施形態の概略断面図である。 図１による測定プローブのセンサ要素の第１の実施形態の概略拡大断面図である。 下から図２によるセンサ要素への概略図である。 巻き取り装置の概略拡大断面図である。 第２の巻き取り装置を作る巻きプロセスの概略側面図である。 第２の巻き取り装置を作る巻きプロセスの概略側面図である。 図１による測定プローブのセンサ要素の代替の実施形態の概略断面図である。 図１による測定プローブのセンサ要素のさらなる代替の実施形態の概略断面図である。 図１による測定プローブのセンサ要素のさらなる代替の実施形態の概略断面図である。

さらに詳細には示されない、薄層の厚さを測定する装置の測定プローブ１１の断面図を図１に概略的に示す。この測定プローブ１１は、層厚の非破壊的な測定に使用される。この測定プローブ１１は、例示的な実施形態によれば、薄層の厚さを測定する装置のデータ処理装置とは別個に提供することができ、接続ケーブル１２を介して、又は無線で記録値を転送することができる。あるいは、この測定プローブ１１は、静止装置又はハンドヘルド装置の形態の薄層の厚さを測定する装置の一部分であることができる。

測定プローブ１１は筐体１４を有し、筐体１４は特に、円筒形に形成される。少なくとも１つのセンサ要素１７が、好ましくは、筐体１４の縦軸１６に配置される。このセンサ要素１７は保持要素１８により支えられ、保持要素１８は筐体１４の端部１９で受けられる。センサ要素２１が、筐体１４の縦軸１６において少なくとも１つの球形位置決めキャップ１７に提供され、位置決めキャップは、測定プローブ１１の装着中、ベース又はキャリア材料上の層厚を特定するために、さらに詳細に示されない測定すべき物体の測定面に位置決めすることができる。

少なくとも１つのセンサ要素１７は、渦電流方法により測定を実行するように設計され、すなわち、非強磁性金属上の非導電層の厚さの測定、例えば、アルミニウム、銅、真鍮、ステンレス鋼、又はアルミニウムから作られる他の陽極酸化された層上の塗料、ラッカー、プラスチックの厚さの測定が、高周波交番磁場で可能になる。したがって、測定プローブ１１は二重測定プローブである。

少なくとも１つのセンサ要素１７は、例えば、縦軸１６と同軸に配置される案内要素２３を有し、案内要素は、筐体に固定された軸受け２４で変位可能に受けられる。したがって、測定すべき物体の測定面での測定プローブ１１の傾きのない装着移動の精度が増大する。軸受け２４は、空気軸受け又は低摩擦滑り軸受けとして形成することができる。筐体に固定されるこの軸受け２４は、好ましくは、筐体１４のカラー２６に配置され、それにより、軸受け２４の単純で高速な位置決めが、半径方向及び軸方向において可能になる。
軸受け２４は、コネクタ２８をさらに備え、コネクタ２８は、接続ケーブル１２に接続するために提供される。目的に応じて、筐体１４は、適宜完成することができる。例示的な実施形態によるスタンドアロン式プローブを実施するために、筐体１４は、接続ケーブル１２の接続後、例えば、カバー２９又は蓋で閉じられ、それにより、手動の測定プローブが、接続ケーブル１２を介して静止装置に接続される。手動の測定プローブ又は静止装置に挿入がある場合、カバー２９は不要となる。

数本の個々のワイヤ又は可撓性導電帯を有する可撓性線３１が、軸受け２４上のセンサ要素１７と、例えば、コネクタ２８との間に提供され、導電帯が曲げ応力に耐える。そのような曲げ応力は、プローブを測定すべき物体の表面に装着する間、少なくとも１つのセンサ要素１７の上昇移動により生じる。この場合、センサ要素１７は少なくともわずかに筐体１４内で下がる。

円盤形の保持要素１８が、好ましくは、筐体１４の端部１９において筐体端部側窪み３３に固定される。したがって、半径方向及び軸方向の構成が単純な様式で保証される。第１の実施形態では、保持要素１８は、媒質が透過しないように窪み３３に固定される。同時に、球面位置決めキャップ２１及び／又はセンサ要素１７は、保持要素１８のボア穴３５に、筐体に媒質が透過しないように提供される。したがって、筐体１４は、汚染による装着移動への干渉、ひいては筐体１４内への少なくとも１つのセンサ要素１７の落下が提供されないように、外部からハーメチックシールされる。

測定プローブ１１内の少なくとも１つのセンサ要素１７の配置及び組み立ては、単なる例示である。筐体１４内に少なくとも１つのセンサ要素１７を縦方向に変位可能に取り付ける測定プローブ１１の他の実施形態を提供することもできる。

測定プローブ１１の少なくとも１つのセンサ要素１７の第１の実施形態を図２に拡大した形態で示す。センサ要素１７は筐体７３を備え、筐体７３は第１の巻き取り装置４４を受ける。この第１の巻き取り装置４４は円盤状キャリア４９を備え、その上にコイル５１がアルキメデスのように単層で提供される。コイル５１は、筐体１４の前部外面５３に向けられるように配置される。第１の巻き取り装置４４は中央開口部５４を有し、中央開口部５４を通って、球形位置決めキャップ２１が延びる。

球面位置決めキャップ２１は基体５５を備え、基体５５は円柱形コア部５６を有し、その一端部に、丸い軸受け表面５７が提供される。この丸い軸受け表面５７はポルキャップ５８を有する。このポルキャップ５８は、部分的にのみ丸い軸受け表面５７に沿って延びる。測定面への球形位置決めキャップ２１の触覚的装着は、ポルキャップ５８の領域で行われる。ポルキャップ５８は、例えば、硬質金属芯５９又は硬質金属ピン５９により形成される。平坦な接触面６０が、この丸い軸受け表面５７に対向して提供される。

この実施形態では、球形位置決めキャップ２１は、インサート又はピンとして形成されるポルキャップ５８を有することができる。このために、硬質金属が特に、ポルキャップ５８がコア部５７の材料よりも高い耐摩耗性を有するように提供される。ポルキャップ５８は、硬質金属から作られたコーティングとしてのみ形成することもできる。これは、丸い接触エリアよりも小さな直径で形成することができ、又は丸い軸受け表面全体を覆うことができる。

基体５５を有する球形位置決めキャップ２１は、好ましくは、フェライト材料、特にフェライトからなり、フェライトポールとしても知られる。このフェライト材料は、永久磁気双極子を含む酸化物セラミック材料群も含む。ポルキャップ５８は、球形位置決めキャップ２１の前面として、少なくとも部分的に丸い軸受け表面５７を覆って延び、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、又はＴｉ（ｃ，ｎ）から作られる。ピンの形態の硬質金属芯を硬質金属インサートとして提供することができ、これは球形位置決めキャップ２１を貫通する。

あるいは、硬質金属中実玉又は硬質金属半玉を提供することもでき、これは、球形位置決めキャップ２１内で使用され、ポルキャップ５８を形成する。

球形位置決めキャップ２１では、コア部５６は、コア部５６よりも小さな直径で形成された先細り保持部６４を有する。ここで、好ましくは、磁場線が保持部６４に集中し、すなわち、これらが測定点から離れて集中するように、丸い遷移領域が提供される。先細り保持部６４を用いる場合、アルキメデスコイル５１の直径をさらに縮小するか、又は低減することができ、それにより、より薄い層を触的に測定可能であるという利点がさらに達成される。この実施形態では、ポルキャップ５８の直径は、丸い軸受け表面５７よりも小さく設計され、保持部６４上に提供され、コア部５６と比較して低減した直径を有する。

キャリア４９は開口部５４に輪郭を有することができ、上記輪郭は、正確な設置及び配置が可能なように、保持部６４とコア部５６との間の遷移領域に適合される。保持部６４からコア部５６への遷移領域の曲率半径を、キャリア４９の開口部５４の縁部領域に提供することもできる。

図２に示されるセンサ要素１７では、例えば、回路７６が提供され、回路７６は、接続線３１を介して巻き取り装置４４の第１及び第２のコイル５１、５０の接点として機能する。あるいは、電子回路はキャリア４９内で実施することができ、又はコイル５１、５０の逆のキャリア４９の側に適用若しくは内接する。

図２による巻き取り装置４４では、内側コイル５１及び外側コイル５０が提供され、外側コイルは内側コイルを囲み、両コイルは、好ましくは、キャリア４９の同じ側に配置される。

さらに、コイル５０は代替として、コイル５１からキャリア４９の逆側に配置することができ、回路７６は、このコイル５０の上に直接、又はコイル５０内に提供することができる。したがって、コンパクトで平坦なセンサ要素１７を形成することができる。あるいは、外側コイル５０は、内側コイル５１の逆でキャリア４９に配置することができ、見る方向が測定面に向かう場合、少なくとも部分的に内側コイル５１を覆うことができる。

測定面８１に装着される測定プローブ１１のセンサ要素１７は、ベース材料８２又はワークピースキャリア上の層厚８３を特定するために、巻き取り装置４４のコイル５０、５１を測定すべき物体の測定面のかなり近傍に近付けることができることを示す。この場合、球形位置決めキャップは、好ましくは、ポルキャップ５８の領域のみで層８３に装着することができる。

下から図２によるセンサ要素１７への概略図を図３に示す。ここで、丸い軸受け表面５７に対するポルキャップ５８の比率並びにコイル５１、５０の直径を見ることができる。

第１の巻き取り装置４４は、図４の概略拡大図に部分的に示される。第１の実施形態によれば、キャリア４９はゲルマニウム又は特にシリコンからなり、例えば、１００μｍの層厚を有する。単層コイルが、アルキメデスコイル５１としてこのキャリア４９に適用される。

図４による第１の実施形態では、このアルキメデスコイル５１を製造するために、まず、キャリア４９に金属導電層、特に銅の層が追加される。これは、例えば、０．１ｍｍ未満の厚さを有することができる。厚さは特に、約０．０１ｍｍの域である。次に、アルキメデスコイル５１は、レーザ除去により製造され、例えば、線幅０．０１９ｍｍが、好ましくは、厚さ０．０１ｍｍで残され、０．１ｍｍ〜０．０５ｍｍ範囲、特に０．０１ｍｍの間隔が個々の巻きの間に残される。さらに詳細に示されない絶縁層又は保護層を、例えば、ラッカー等の形態でこのコイル５１に適用することができる。

例えば、シリコンから形成されるキャリア４９では、直径３ｍｍ及び厚さ０．２ｍｍを有する円盤が、単層アルキメデスコイル５１を適用することができる。フェライト材料から作られるコア５７を有する球形位置決めキャップ２１が、好ましくは、キャリア４９の同心内穴５４内に挿入される。プローブ１７は、好ましくは、十分な数の巻きを有するキャリア４９上の単層アルキメデスコイル５１と併せて、好ましくは、渦電流を測定するために使用される。単層コイル５１の場は、場の空間膨脹が極めて低いように、ポルキャップ５８により集中する。差し当たり、フェライトポール５８の長さが、単層アルキメデスコイル５１の中位径に大凡対応することで十分である。中心ピン４２又は軟鉄から作られた芯を有する端部の円柱形フェライトポール５８が細長い場合、そのような構成の透磁率は小さな程度までしか変更されない。低周波で動作する第２のコイル装置４８が導入される場合、渦電流動作での単層アルキメデスコイル５１の動作モードは影響されない。

エッチング方法が、アルキメデスコイル５１を形成するため、キャリア４９上におけるコイル５１の製造の、さらなる代替として使用される。さらに、キャリア４９への金属層の蒸着層を代替として使用することができる。

第１の巻き取り装置４４の製造のさらなる代替の実施形態を図５及び図６に示す。例えば、キャリア４９は、巻き軸６６に適用され、ベースプレート６７に接合する。キャリア４９へのギャップ幅が、圧迫要素６８、特に、圧迫フィルムにより形成され、隣の巻きへのギャップは、対応する供給により調整され、供給される各巻きの接着は圧迫要素６８を介して行われる。そのような巻き技法は、キャリア４９の総直径が、例えば、３ｍｍ未満である本発明等の繊細な構造でさえも可能である。

巻き取り装置４４は、好ましくは、単層であるように設計される。あるいは、単層構成を選択することができるが、それでも２つ以上のコイル５１、５０を提供することができ、各コイルはアルキメデス構成を有し、縦又は横に並んで配置される。さらに、数層のコイル５１を代替として縦に並べて配置することができ、しかし、そのコイル５１は電気絶縁又は絶縁層により隔てられる。同様に、縦及び横に並んで配置されるコイル５１、５０の組み合わせも可能である。

センサ要素１７の構築では、キャリア４９はさらにシリコン円盤からなることができ、第１及び／又は第２のコイル５０、５１を有する巻き取り装置４４の回路をこの材料に統合又は実施することができる。あるいは、キャリア４９は、別の非磁性且つ非導電性材料からなることができ、さらに、シリコン円盤をこのキャリア４９に割り振ることができ、少なくとも１つの回路がキャリア４９に含まれる。この実施形態では、センサ要素１７内の回路７６の位置決めのために、可撓性を増大させる。少なくとも１つのアルキメデスコイル５１を受けるキャリア４９への回路７６の統合中、構造サイズのさらなる低減が可能である。そのような、センサ要素１７がより小さく設計されるほど、障害からの独立性がより大きくなり、薄層の厚さ、特に、チェックすべき表面の曲率半径の測定である。さらに、したがって、短く単純な線接続が回路７６から巻き取り装置４４に提供され、中央線を筐体７３外から供給できるという利点が達成される。

フェライトから製造される球形位置決めキャップ２１のコア部５７の直径の寸法に関して、好ましくは、これが巻き取り装置のコイル５１の中位径の直径の半分に対応することが提供される。同様に、球形位置決めキャップ２１のコア部５７の直径はより大きく設計することができる。

図２へのセンサ要素１７の代替の実施形態を図７に示す。この例示的な実施形態では、図２の実施形態による球形位置決めキャップ２１が提供される。１つのみのコイル５１及び回路７６を有する巻き取り装置４４がキャリア４９に位置決めされる。センサ要素１７は、センサ筐体７３により閉じられる。そのような平坦なセンサ要素１７により、渦電流方法による層厚の測定が可能である。

球形位置決めキャップ２１の代替の実施形態は、硬質金属芯５９の代わりに、硬質金属コーティングをポルキャップ５８の実施形態に提供する。この硬質金属コーティングは、丸い軸受け表面５７の上に完全に延びることができる−しかし、図４に例として示されるポルキャップ５８の領域のみにも。したがって、球形位置決めキャップ２１に高レベルの機械的安定性が提供されるように、壊れやすいフェライトを保護することができる。

図２へのセンサ要素１７の代替の実施形態を図８に示す。このセンサ要素１７の場合、第１のコイル５１及び第２のコイル５０の両方がアルキメデスコイルとして設計される。
キャリア４９の通過開口部５４において、球形位置決めキャップ２１が貫通し、好ましくは、キャリア４９の後部に配置される膨脹コア部７２等のフェライト材料から形成される。このコア部７２は、好ましくはコイル５１の直径に従って、好ましくは、コイル５１とは逆に半径方向拡張方向に延びる。キャリア４９はセンサ筐体７３により受けられる。センサ筐体７３へのキャリア４９のこの配置及び固定は、接着剤、ラッチ、又はプラグ、及び／又はクリップ接続において行うことができる。鋳造化合をキャリア４９とセンサ要素７３との間の自由空間７４に導入することができる。あるいは、これは空気空間として設計することもできる。

図８による実施形態では、第２のコイル５０が第１のコイル５１と同様に形成され、第１のコイル５１を囲むとともに、キャリア４９上に支持されることが提供される。第１の実施形態によれば、第２のコイル５０は、図８に示されるように、第１のコイル５１の逆に配置される。あるいは、両コイル５１、５０はキャリア４９の同じ側に配置することもできる。両コイル５１、５０は、好ましくは、アルキメデスコイルとして単層で形成される。したがって、測定中、これらのコイル５０、５１は、測定面の略直接隣に位置決めされ、それにより、測定感度が増大する。

このセンサ要素１７はさらに回路７６を備えることができ、回路７６は、センサ筐体７３のベースの内側に配置される。したがって、接続線７７、７８とのコイル５１、５０の内部接触を行うことができる。接続点又は接触点は、好ましくは、キャリア４９に提供され、それにより、接続線７７、７８の簡単な接続が可能になる。あるいは、回路７６は、センサ筐体７３の外側に提供することもできる。同様に、回路７６はキャリア４９内で実施することもできる。記録されたデータは、センサ筐体７３外部に繋がるアクセス線３１を介して接続ケーブル１２によりデータ処理装置に送信される。

センサ要素１７のさらなる代替の実施形態を図９に示す。このセンサ要素１７には、これが、渦電流方法による測定のみに使用可能なことが提供される。このセンサ要素１７は、図８による実施形態に略対応し、第２のコイル５０が提供されない。

センサ要素１７は、好ましくは単層としてキャリア４９に適用されるアルキメデスコイル５１を有する巻き取り装置４４を備える。キャリア４９は、コア部７２に固定される。
コア部７２は、好ましくは、フェライト材料からなる。同様に、球形位置決めキャップ２１もフェライト材料から形成され、好ましくは、コア部７２に一体として接続される。コア部７２及び上に配置された巻き取り装置４４を有するこのキャリア４９は、センサ筐体７３により受けることができ、図１による筐体１４内又は測定プローブのさらなる筐体に挿入することができる。図８及び図９によるキャリア４９は、上述した代替により設計することができる。同じことが、キャリア４９に適用される巻き取り装置４４にも当てはまる。

したがって、第１及び第２のコイル５０、５１を有するセンサ要素１７の構成及び配置により、薄層の測定感度は、第２のコイル５０へのフェライト芯の構成により達成される高磁場集中によって、増大する。したがって、向上した分解能及び測定精度を達成することができる。

Claims (19)

1. 少なくとも１つのセンサ要素（１７）を備える筐体（１４）を有する、薄層の厚さを測定する測定プローブであって、
   前記センサ要素（１７）は、使用中の前記測定プローブの位置決め中に、縦軸（１６）に沿って移動可能に前記筐体（１４）に受けられ、少なくとも１つの巻き取り装置（４４）を備え、前記センサ要素（１７）は、前記縦軸（１６）に割り当てられ、前記筐体（１４）の外側前面（５３）に面する球形位置決めキャップ（２１）を有し、
   前記球形位置決めキャップ（２１）は、前記縦軸（１６）に配置され、前記球形位置決めキャップ（２１）は、円柱形コア部（５６）を有する基体（５５）及び前記円柱形コア部（５６）の前面に配置されるキャップ前面（５８）を有し、
   前記巻き取り装置（４４）は、前記球形位置決めキャップ（２１）に割り振られ、前記巻き取り装置（４４）は、少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）が配置された円盤状又は環状キャリア（４９）から形成され、前記球形位置決めキャップ（２１）の前記基体（５５）はフェライト材料からなり、前記キャップ前面（５８）は、前記フェライト材料よりも高い耐摩耗性を有する硬質金属からなることを特徴とする、測定プローブ。
2. 丸い軸受け表面（５７）が前記円柱形コア部（５６）に提供され、前記丸い軸受け表面（５７）の前記縦軸（１６）に前記キャップ前面（５８）が配置され、前記丸い軸受け表面（５７）を覆って延び、又は前記丸い軸受け表面（５７）よりも小さいように設計される前記キャップ前面（５８）を特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
3. 前記キャップ前面（５８）が、硬質金属コーティング又は前記基体を貫通して延びる硬質金属芯（５９）により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
4. 前記丸い軸受け表面（５７）が、前記円柱形コア部（５６）よりも小さい直径で形成され、前記丸い軸受け表面（５７）が、前記円柱形コア部（５６）の逆の先細り保持部（６４）に提供され、前記保持部は、前記円柱形コア部（５６）に丸められた、又は階層状の遷移を有し、前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、前記基体（５５）の前記保持部（６４）に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の測定プローブ。
5. 前記基体（５５）からの前記保持部（６４）の高さが、少なくとも前記円盤状又は環状キャリア（４９）の厚さに対応することを特徴とする、請求項４に記載の測定プローブ。
6. 前記球形位置決めキャップ（２１）が、酸化鉄又は鉄粒子を有するプラスチック材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
7. 前記巻き取り装置（４４）が前記円盤状又は環状キャリア（４９）上に単層アルキメデスコイル（５１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
8. 前記巻き取り装置（４４）の前記第１のアルキメデスコイル（５１）が外側に、前記筐体（１４）の前記外側前面（５３）に向けられることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
9. 少なくとも１つの第２のアルキメデスコイル（５０）が前記円盤状又は環状キャリア（４９）上に提供され、少なくとも１つのさらなるアルキメデスコイルとして形成され、前記円盤状又は環状キャリア（４９）と同じ側又は逆側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
10. 前記巻き取り装置（４４）が第２のアルキメデスコイル（５０）を有し、前記第１及び第２のアルキメデスコイル（５０、５１）が、前記円盤状又は環状キャリア（４９）上に互いに逆に配置され、前記第２のアルキメデスコイル（５０）は、前記第１のアルキメデスコイル（５１）よりも多数の巻きを備え、少なくとも部分的にこの第１のアルキメデスコイル（５１）を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
11. 前記巻き取り装置（４４）が第２のアルキメデスコイル（５０）を有し、前記第１のアルキメデスコイル（５１）が前記第２のアルキメデスコイル（５０）よりも少数の巻きを有し、前記第１のアルキメデスコイル（５１）が層厚の測定に提供され、前記第２のアルキメデスコイル（５０）が平面からの測定面のずれの特定に提供され、前記第１及び第２のアルキメデスコイル（５０、５１）が、１ＭＨｚよりも高い周波数で動作することを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
12. 絶縁層が、前記巻き取り装置（４４）の前記少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）に適用されることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
13. 前記巻き取り装置（４４）の前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、前記キャップ前面（５８）に隣接するか、又は前記キャップ前面（５８）と境界をなす前記球形位置決めキャップ（２１）の前部に、接着剤、ラッチ、又はプラグ接続により固定されることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
14. 前記円盤状又は環状キャリア（４９）が非導電性且つ非磁性材料からなり、平坦な円盤状又は環状に設計されることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
15. 前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、半導体材料から形成され、３００μｍ未満、又は特に１５０μｍ未満の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
16. 球形位置決めキャップ（２１）を有する膨脹フェライトコア部（７２）が、前記円盤状又は環状キャリア（４９）上に割り振られ、前記円柱形コア部（５６）は、前記第１のアルキメデスコイル（５１）とは逆に前記円盤状又は環状キャリア（４９）に配置され、半径方向拡張方向において前記第１のアルキメデスコイル（５１）を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
17. 半導体材料から作られる前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、少なくとも前記巻き取り装置（４４）の実施回路又は内接回路を備えることを特徴とする、請求項１に記載の測定プローブ。
18. 少なくとも前記巻き取り装置（４４）の実施回路又は内接回路（７６）を有する前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、センサ筐体（７３）の内側、又は前記筐体（１４）の外側を向いたセンサ筐体（７３）の前面に配置されること、又は前記実施回路を有する前記円盤状又は環状キャリア（４９）が、前記巻き取り装置（４４）の前記第１のアルキメデスコイル（５１）と前記第２のアルキメデスコイル（５０）との間に配置されることを特徴とする、請求項９に記載の測定プローブ。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の測定プローブ（１１）の、少なくとも１つの巻き取り装置（４４）を有する少なくとも１つのセンサ要素（１７）の製造方法であって、前記円盤状又は環状キャリア（４９）への接続接触を有する少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）が、円盤状又は環状キャリア（４９）に適用され、
    −金属導電層が前記円盤状又は環状キャリア（４９）に適用され、前記少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）が、材料の除去により製造され、又は
    −少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）が、蒸着プロセスにより前記円盤状又は環状キャリア（４９）に適用され、又は
    −少なくとも１つの第１のアルキメデスコイル（５１）が、巻き取りプロセスにより前記円盤状又は環状キャリア（４９）に適用され、又は
    巻きワイヤが前記円盤状又は環状キャリア（４９）に接着され、巻き取りプロセス中若しくは巻き取りプロセス後、圧迫要素（６８）を使用して前記円盤状又は環状キャリア（４９）に固定されることを特徴とする、方法。

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