DE2539212A1

DE2539212A1 - Kapazitive laengen- oder dickenmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2539212A1
Application number: DE19752539212
Authority: DE
Inventors: Robert C Abbe; Noel S Poduje
Original assignee: ADE Corp
Current assignee: ADE Corp
Priority date: 1974-09-03
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1976-03-11
Also published as: DE2539212C2; CA1052886A; JPS5155253A; US3990005A; JPS61209302A; GB1525695A; JPS6155043B2; JPS6253762B2

Description

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PATENTANWÄLTE *- '- ' '-

DR.-PHIL. G. NICKEL ■ DR.-ING. J. DORNER

ü MÜNCHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 1O4

TEL. (0811) 55 57 19

München, den i. September 197i> Anwaltsaktenz. : IJ. - Pat. 20

ADn, Corporation, 127 Coolidge Hill Koad, Watertown, Mass. 02172, Vereinigte Staaten von Amerika

.Kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinrichtung.

Dxe Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinrichtung und insbesondere auf exn Meßsysteni zum Bestimmen des Abstandes zu einem nicht geerdeten Gegenstand oder einem Gegenstand sehr hoher Impedanz.

Klassische Verfahren zur kapazitiven, berührungslosen Messung beruhen im allgemeinen auf der Bestimmung der Kapazität gegenüber einem geerdeten, leitenden Gegenstand. Oft kommt es jedoch vor, daß eine kapazitive Bestimmung des Abstandes zu einem Gegenstand vorgenommen werden soll, welcher eine beträchtliche Impedanz zur Bezugserde der Schaltung aufweist, wie dies etwa bei Abstandsmessungen an Halbleitertäfeichen hohen Widerstandes oder bei Messungen an sich bewegenden Folien in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren der Fall ist. Hierbei ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, ein Potential des betreffenden Gegenstandes festzulegen, nachdem der betreffende Gegenstand eine beachtliche Impedanz besitzt oder es Schwierigkeiten bereitet, den an dem Meßvorgang beteiligten Gegenstand sicher zu erden.

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Die kapazitive Dickenmessung ist ein besonderer Fall, bei welchem die Notwendigkeit besteht, die Abstände zu Gegenständen festzustellen, deren Potential nicht definiert ist. Meusysteme dieser Art besitzen im allgemeinen zwei einander gegenüberstehende, berührungslos arbeitende Meßfühler, deren Ausgangsanzeigen bezüglich der gemessenen Abstände miteinander kombiniert werden, um so eine Bestimmung des Gesamtabstandes vorzunehmen, welcher einen Rückschluß auf die Dicke des betreffenden Gegenstandes zuläßt. Ivenn der Gegenstand ungeerdet ist oder eine betrachtliche Impedanz besitzt, ist jedoch sein elektrisches Potential eine Funktion der Ströme, die dem Gegenstand durch die beiden Kondensatoren von den jeweiligen Meßfühlern aufgeprugt werden. Dieses Potential ändert sich in Abhängigkeit von der Lage des betreffenden Gegenstandes zwischen den beiden Meßfühlern sowie abhängig von Änderungen der Impedanz des Gegenstandes gegenüber Erde, wodurch eine beträchtliche Unsicherheit sowohl hinsichtlich der absoluten als auch der relativen Dickenmessung verursacht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, eine kapazitive Längenoder Dickenmessung genau und reproduzierbar auch dann vornehmen zu können, wenn der an der Messung beteiligte Gegenstand nicht geerdet ist und/oder eine hohe Impedanz besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mindestens zwei Meßfühler, von denen einer ein erstes Ausgangssignal entsprechend dem von ihm erzeugten Anregungsfeld gegenüber dem betreffenden Gegenstand und von denen ein weiterer ein zweites Ausgangssignal entsprechend dem von diesem weiteren Meßfühler erzeugten Anregungsfeld gegenüber dem betreffenden Gegenstand abgibt, wobei dieser Gegenstand gegenüber dem ersten und dem weiteren Meßfühler abgesehen von der jeweiligen Spaltimpedanz eine beträchtliche Impedanz aufweist, ferner durch eine Auswertschaltung, welche die beiden genannten Ausgang signale der Meßfühler aufnimmt und eine Ausgangsanzeige entsprechend dem Abstand des

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genannten Gegenstandes zu mindestens einem der beiden erwähnten Meßfühler abgibt sowie durch inliuenzierungsmittel, welche eine Beeinflussung der Ausgangsanzeige entsprechend dem Abstand sineßwert für ein bestimmtes Potential des genannten Gegenstandes herbeiführen. Die hier vorgeschlagene Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder Dickenbestimmung dient insbesondere zum Messen der Dicke eines Gegenstandes, welcher mit der Erde der Schaltung oder einem anderen definierten Potential über eine hohe Impedanz in Verbindung steht. Dabei sind vornehmlich zwei vorteilhafte Äusführungsformen vorgesehen.

In der ersten Ausführungsform weist der an der Messung beteiligte Gegenstand ein veränderlicaes Potential auf und die Messung des Abstandes zu dem Gegenstand oder die Messung der Dicke wird in einem Moment vorgenommen, in welchem der Gegenstand sich auf einem definierten Potentialwert befindet, im allgemeinen auf Erdpotential.

Bei der zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, daß mittels der die Meßfühler anregenden Schaltung eine xiegelung des Potentials des an der Messung beteiligten Gegenstandes auf ein bestimmtes Potential vorgenommen wird, vorzugsweise ebenfalls auf Erdpotential.

Bei der ersten Ausführungsform, welche anhand der Dickenmessung erluutert werden soll, sind zwei berührungslos ai'beitende Meßfühler auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Gegenstandes angeordnet und werden mit leicht unterschiedliciier Frequenz durch Wechselspannungssignaie angeregt, die von zwei jeweils unabhängigen Oszillatoren zugeführt werden, wenn die von den Meßfühlern in dem Gegenstand induzierte oder influenzierte Spannung einen Nulldurchgang hat, besitzt ein Ausgangssignal, welches die Summe der Ausgangssignale der Meßfühler darstellt oder einer Summe entspricht, ein positives Maximum, welches als Meßergebnis festgehalten wird.

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Bei der zweiten Ausführungsform, die ebenfalls anhand der Dickenmessung beschrieben sei, wird zur Anregung der Meßfühler eine Schwingung einer einzigen Frequenz verwendet, doch wird diese Schwingung den Meßfühlern in Gegenphase zugeführt. Wenn der an der Messung beteiligte Gegenstand sich im wesentlichen in der Mitte zwischen den Meßfühlern befindet, so ist die in dem Gegenstand induzierte oder influenzierte Spannung nahezu Null. Abweichungen aus der Mittelstellung besitzen auf die Genauigkeit nur einen verminderten Einfluß. Zusätzlich kann eine Rückkopplungsschaltung dazu verwendet werden, einerseits das Ausgangssignal bezüglich der zu messenden Stärke oder Dicke des Gegenstandes zu linearisieren und andererseits den zu den berührungslos arbeitenden Meßfühlern geleiteten Strom zu regeln, so daß in allen Lagen ein Nullpotential oder eine andere, definierte Signalspannung am Orte des an der Messung beteiligten Gegenstandes herrscht. Außerdem werden Einstellmittel angegeben, um Abweichungen im allgemeinen erster und zweiter Ordnung in der Ausgangsanzeige bezüglich der Dickenmessung einzuschränken, wobei für jede Abweichung ein einzelnes, unabhängig arbeitendes Steuermittel vorgesehen ist.

Nachfolgend werden Einzelheiten der hier vorgeschlagenen Einrichtung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es stellen dar;

Figur 1 eine schematische Abbildung des Aufbaus einer kapazitiven Meßeinrichtung für ungeerdete Gegenstände,

Figur 2 ein schematisches, teilweise Blocksymbole enthaltendes Schaltbild einer ersten Ausführungsform zur kapazitiven Dickenmessung eines ungeerdeten Gegenstandes,

Figur 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform zur kapazitiven Dickenmessung an einem ungeerdeten Gegenstand,

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Figur h ein Schaltbild eines Meßfühlers zur Verwendung in einer Dickenmeßeinrichtung,

Figur 5 eine schematische Abbildung des Meßeinrich-

tungsauibaus mit mehreren Meßfühlern als weitere Anwendungsmöglichkeit für die Einrichtung gemäß Figur 3,

Figur 6 ein Rückkopplungs-Linearisierungssystem zur

Verwendung mit einer zwei Meßfühler enthaltenden kapazitiven Dickenmeßeinrichtung gemäß Figur 3,

Figur 7 ein scheinatisches Schaltbild einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung mit einer zur Linearisierung dienenden Rückkopplung,

Figur b ein schematisch.es Schaltbild einer Einstelleinrichtung zur Verminderung der Abweichungen von im allgemeinen erster und zweiter Ordnung in einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung und

Figur 9 eine graphische Darstellung von charakteristischen Abweichungen erster und zweiter Ordnung in einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung.

Die hier vorgeschlagene Einrichtung ist eine berührungslos arbeitende kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinrichtung mit einer Mehrfühleranordnung zur Bestimmung des Abstandes zu einem Gegenstand, welcher eine beträchtliche Impedanz gegenüber Erde oder einem anderen Bezugspotential aufweist. Ein spezielles Beispiel ist die Dickenmessung, doch ist eine Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art nicht auf diesen Verwendungszweck beschränkt.

In Figur 1 ist eine Folie 12 als Werkstück oder Gegenstand angedeutet, dessen Dicke t durch zwei kapazitive Meßfühler lh und bestimmt werden soll, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Folie 12 angeordnet sind. Die Meßfühler 14 und 16 vermögen die jeweiligen Abstände A und B von den betreffenden

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Meßfühlern zu dem Gegenstand 12 hin kapazitiv zu bestimmen, woraus sich die Dicke t des Elementes bei Berücksichtigung des festliegenden, bekannten Abstandes zwischen den Meßfühlern 14 und l6 bestimmen läßt.

Wenn, wie in Figur 1 gezeigt, der an der Messung beteiligte Gegenstand 12 nicht elektrisch mit Erde verbunden ist, sondern gegenüber Erde eine feste oder veränderliche, hier als Kapazität Ib angedeutete Impedanz hat, so kann das elektrische Potential des Gegenstandes 12 vom Nullpotential abweichen. Außerdem kann der Gegenstand 12 aus einem Material hoher Impedanz bestehen, so daß selbst bei Erdung des Gegenstandes beträchtliche Potentialschwankungen auftreten können. Nachdem bei der klassischen kapazitiven Abstandsmessung angenommen wird, daß der Gegenstand, dessen Abstand kapazitiv bestimmt wird, sich auf einem festen, genau definierten Potential befindet, bewirkt das Auftreten von Potentialschwankungen Fehlmessungen und Unsicherheiten. Um dies noch deutlicher zu machen, sei angenommen, daß beispielsweise die Meßfühler 14 und i6 mit einer elektrischen Wechselspannung jeweils gleicher Frequenz angeregt werden, um die wirksame Kapazität über die Abstände A und B hinweg zu messen. Wegen des Vorhandenseins der Kapazität 18 wirkt der Gegenstand 12 als Teil eines kapazitiven Spannungsteilers und sein Potential würde mit einem bestimmten (veränderlichen oder gleichbleibenden) Prozentsatz des elektrischen Anregungssignales schwanken, welches durch die Fühler 14 und 16 eingeführt wird. Nimmt man an, daß der Gegenstand 12 solche Form hat, daß die Kapazität 18 einen hohen Impedanzwert darstellt, so wäre die Spannung des Gegenstandes 12 ein großer Teil oder Prozentsatz der den Meßfühlern aufgeprägten Spannung. Die resultierende Verminderung der Spannung an den Spalten der Größe A und B würde auch die Ströme der Meüfühler 14 und l6 vermindern, die angezeigte Entfernung würde bedeutend größer und die ermittelte Dicke scheinbar bedeutend geringer.

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Es ist möglich, das Potential des Gegenstandes 12 als Punktion der Anregung s spannung en bzw. der elektrischen Wecliselpotentiaie auszudrücken, welche den Meßfühlern 14 und 16 aufgeprägt werden. Im allgemeinen Falle ist anzunehmen, daß die Meßfühler 14 und 16 .nicht

/mit einer elektrischen Wechselspannung gleicner Frequenz, sondern mit etwas unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden. Demzufolge ist das Potential an dem Gegenstand 12 durch folgende Gleichung darzustellen:

V~ 2K_ASina>t coi iCcja- cu_h)t + (k_b~ K*. ) sin

worin K. und K, Konstanten sind, durch welche Verluste in der Schaltung, Verstärkungsfaktoren und anfängliche Signalpegel berücksichtigt werden. Ferner s ind Cu^ und co_h die Kreisf requenzen der Anregungsspannung für die Meßfühler. £j_n c* tö_h s» to

Wird angenommen, daß A «w JB, was bedeutet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand sich in der Mitte zwischen den Meßfühlern befindet, so geut die Umhüllende der Schwingung, welche von dem Potential V₊ gebildet wird, durch Null mit einer Geschwindigkeit oder einer Frequenz, welche der Differenzfrequenz aus den beiden anregenden Schwingungen entspricht. Es wird nun vorgeschlagen, diese Erscheinung dazu zu verwenden, daß eine Messung der Abstände A und B genau in demjenigen Zeitpunkt vorgenommen wird, in welchem die Umhüllende der Spannung V, gleich Null ist. Ein Schaltungssystem, welches diese Aufgabe erfüllt, ist in Figur 2 gezeigt. Ein erster und ein zweiter Meßfühler sind wieder mit 14 bzw. 16 bezeichnet und nehmen elektrische Schwingungen einer ersten bzw. einer zweiten Frequenz von jeweils zugehörigen Oszillatoren 20 bzw. 22 auf. Der Aufbau der Meßfühler 14 und 16 und die Art ihrer Anregung können beispielsweise der US-Patentschrift 3 BOi? 150 entnommen werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß kapazitive Meßfühler anderen Aufbaus ebenfalls verwendet werden können. Zweckmäßig werden die Ausgangssignale der Meßfühler 14 und 16 durch jeweils zugehörige Linearisierungsschaltungen 24 bzw, 26 beführt, die Nanerungs-

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schaltkreise, welche mit einem Diodendurehbruchspunkt arbeiten, enthalten, die in der Technik bekannt sind und die Aufgabe haben, die Tatsache zu kompensieren, daß bei einer kapazitiven Entfernungsmessung sich das Ausgangssignal in umgekehrter Abhängigkeit von der Entfernung ändert. Die Ausgänge der Linearisierungsschaltungen 24 und 26 werden zusammen einer Schaltung 28 zur Summen- oder Differenzbildung zugeführt, wobei diese Schaltung mittels eines Wählers 30 steuerbar ist, um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches entweder die Summe oder die Differenz der Eingangssignale darstellt. Die Schwingung am Ausgang der Schaltung 28 hat charakteristischerweise die Gestalt, wie sie durch die obige Gleichung für die Spannung V, angegeben ist, jedoch mit der Ausnahme, daß die Umhüllende ein positives Maximum besitzt, wenn die Umhüllende der Spannung V. Null ist, wenn der Summenausgang oder der Differenzausgang der Schaltung 28 gewählt wird. Der Ausgang der Schaltung 28 wird einem Scheitelwertdetektor 32 zugeführt, welcher ein positives Maximum der Umhüllenden des von der Schaltung 28 gelieferten Signals auswählt. In diesem Moment ist die Spannung V. zu Null geworden und die Ablesung oder Anzeige des Scheitelwertdetektors 32 liefert ein richtiges Maß für die Dicke des Gegenstandes 12 aufgrund der zu diesem Zeitpunkt existierenden, scheinbaren Erdung dieses Gegenstandes.

Der Scheitelwertdetektor 32 enthält einen Differentialverstärker 34, dessen invertierendem Eingang die Ausgangssignale der Schaltung 28 über einen Widerstand 36 zugeführt werden. In der Verbindung von dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 34 zu seinem Ausgang liegt eine in Sperrichtung gepolte Diode 38. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 3k ist über einen Widerstand 40 geerdet. Die Ausgangssignale des Differentialverstärkers 34 gelangen über eine in Sperrichtung mit Bezug auf den Ausgang gepolte Diode 42 zu dem nichtinvertierenden Eingang eines weiteren Differentialverstärkers 44. Außerdem hat dieser Verstärkereingang über die Parallelschaltung eines Wider-

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Standes 46 mit einem Kondensator 48 Verbindung zur Erde. Der Ausgang des Differentialverstärkers 44 liefert die Ausgangsanzeige bezüglich der Dicke oder Stärke des Gegenstandes 12 und ist zu dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 44 und außerdem über einen Widerstand 50 zu dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 34 rückgekoppelt. Die vorstehend erwähnte Parallelschaltung des Widerstandes 46 und den Kondensators 48 dient zur Frequenzeinstellung des Scheitelwertdetektors 32, um einen Abfall des Soheitelwertes mit einer ausreichend großen Geschwindigkeit zu erreichen, um den Änderungen der Abmessungen des zu untersuchenden Gegenstandes folgen zu können, wobei jedoch der Abfall langsam genug sein soll, damit er nicht den Änderungen der Umhüllenden mit der Differenzfrequenz4T^H~^V* folgt. Die Frequenzen der Schwingungen der Oszillatoren 20 und liegen beispielsweise im Bereich von 3 MHz und die Differenzfrequenz kann beispielsweise im Bereich von einigen 10 KHz liegen.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung, bei welcher anstelle einer Untersuchung der Fühlersignale im Moment, in welchem das Potential des an der Messung beteiligten Gegenstandes Null ist, die Schaltung so ausgebildet ist, daß den Fühlern 14 und 16 in solcher Weise Signale zugeführt werden, daß das Potential an dem Gegenstand auf einem bestimmten Wert gehalten wird, im vorliegenden Falle auf Null. Zu diesem Zwecke ist ein einziger Oszillator 56 vorgesehen, der mit ihren Basiselektroden jeweils zusammengeschaltete Transistoren 58 und 60 enthält, deren Kollektorelektroden über eine erste und eine zweite Transformatorwicklung eines Transformators 62 zur Bildung einer Rückkopplung mit weiteren ! Transformatorwicklungen verbunden sind, die in Reihe in den ; Emitterkreisen der genannten Transistoren liegen. Die Kollekto- ' ren sind zusätzlich über zueinander parallel geschalteten Kon- j densatoren 64 und 66 miteinander verbunden, von denen der Kondensator 66 einstellbar ist und daher eine Frequenzeinstellung erlaubt. Ein Basisvorspannwiderstand 68 für die Transistoren 58

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und 60 stellt die Verbindung zu einer Anschlußklemme 70 für eine Spannungsquelle her. Auch die Verbindung zwischen den an die Kollektoren angeschlossenen Wicklungen des Transformators 62 hat über eine Drosselspule 74 Verbindung mit der genannten Anschlußklemme 70.

Eine Sekundärwicklung des Transformators 62 ist auf einer Seite geerdet, während die andere Seite den Oszillatorausgang bildet. Dieser Ausgang ist auf zwei Leitungen aufgeteilt, die über Kabel 76 und 78 zu den jeweiligen Fühlerschaltungen führen. Die Wechselstrom-Anregungsspannung von dem Kabel 76 gelangt zu der Primärwicklung eines Transformators 80, wobei die jeweils andere Klemme der Wicklung geerdet ist. Die Sekundärseite des Transformators 80 besitzt zwei Wicklungen, deren jeweils eine Klemme mit einem Fühler 84 verbunden ist, während die jeweils anderen Klemmen dieser Sekundärwicklungen wechselstrommäßig über die Kondensatoren 86 bzw. 88 geerdet sind. Ein von dem FUhIe r geliefertes Gleichstromsignal gelangt über eine Linearisierungsschaltung 90 zu einem Wähler 92 zur Auswahl der Summenbildung, Differenzbildung oder der Bildung beider Signale, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Der Fühler 84 kann einen Aufbau haben, wie er etwa in der US-Patentschrift 3 8O5 ISO beschrieben ist. Dabei kann anstelle der in Figur 4 gezeigten kapazitiven Ankopplung auch eine induktive Ankopplung verwendet „erden. In diesem Falle wird das Ausgangssignal des Transformators innerhalb des Fühlers 84 unmittelbar an eine Diagonale einer Diodenbrücke 94 gelegt. An die andere Diagonale der Brücke 94 sind eine Bezugskapazität 96 bzw. die Fühlerkapazität oder Meßkapazität 98 (C.) angeschlossen, welche die Kapazität zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand 12 enthält.

Aus Figur 4 ist zu entnehmen, daß die kapazitive Ankopplung gemäß der vorstehend erwähnten Patentschrift 3 8O5 150 leicht in

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gleicher Weise unter Verwendung der Kondensatoren 93 und 95 durchführbar ist, welche an eine Seite einer einzigen Transformator-Sekundärwicklung angeschlossen werden, wobei die Transformatoren dazu dienen, eine Phasenumkehr zwischen den Fühlern zu erreichen, und indem das Ausgangssignal über die Impedanzen 97 und/oder 99 von der Diodenbrückenschaltung 94 abgenommen wird.

Die über das Kabel 78 zugeführten Signale gelangen über die Primärwicklung eines Transformators 100 zu einer Fühlerschaltung. Die Sekundärseite des Transformators 100 enthält wieder zwei Sekundärwicklungen, deren eine Seite jeweils an einen Fühler 104 angeschlossen ist, um den Abstand B kapazitiv berührungslos zu messen. Die jeweils anderen Klemmen der beiden Sekundärwicklungen sind über die Kondensatoren 105 bzw. 106 wechselstrommäßig geerdet, während das Gleichstromsignal, welches zwischen ihnen auftri.tt, über eine Lineari sie rungs schaltung 108 zu der oben schon erwähnten Wählersohaltung 92 gelangt. Die Schaltung 92 wird durch einen Wähler 110 gesteuert, um an das Meßgerät 112 ein Signal zu geben, das entweder der Summe oder der Differenz oder einem der Signale der Linearisierungsschaltungen 90 und entspricht. Einen nur einpoligen Eingang zu den Linearisierungsschaltungen 90 und 108 erhält man, indem man eine Parallelschaltung zu den Kondensatoren 86 und 104 vornimmt, was für die unten beschriebene Schaltung zweckmäßig sein kann.

Anhand von Figur 3 läßt sich erkennen, daß die zu den Primärwicklungen der Transformatoren 80 und 100 gelangenden Signale bewirken, daß zu den Fühlern 84 und 104 Signale gelangen, welche genau mit 180 in Gegenphase sind, so daß die Spannung, welche dem Gegenstand 12 von den Fühlern aufgeprägt wird, jeweils um 180° außer Phase ist. Wenn also die Kapazitäten C. und C nahezu gleich gemacht werden, bleibt die Spannung am Orte des Gegenstandes 12 nahe Null. Zwar können Störungen in Abweichung von diesem Idealzustand auftreten, doch sind diese Störungen normalerweise klein und bewirken eine kleine resultierende Abweichung

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in dem Ausgangswert, welcher in dem Meßgerät 112 angezeigt wird. Mit der in Figur 3 gezeigten Schaltung kann also erreicht werden, daß das Potential an dem Gegenstand 12 nahe dem Erdpotential gehalten wird, wodurch Störungen in der Dickenmeßgenauigkeit vermieden werden.

In Figur 5 ist in allgemeiner Form ein System mit mehreren Fühlern gezeigt, woraus zu ersehen ist, daß die hier vorgeschlagene Einrichtung in beliebigen Meßsystemen verwendbar und nicht auf die Dickenmessung beschränkt ist, wobei zwei oder mehrere Fühler, insbesondere Anordnungen einander gegenüberstehender Fühler zur Anwendung kommen, um Messungen an einem ungeerdeten Gegenstand oder einem Gegenstand hoher Impedanz vorzunehmen. Das vorgeschlagene Prinzip kann in den Fällen verwendet werden, in welchen nur eine einzige Fühleranzeige zur Auswertung erzeugt werden soll. Man setzt dann ein oder mehrere zusätzliche Fühler ein, um Meßfehler oder Abweichungen, die auf dem nicht definierten Potential des an der Messung beteiligten Gegenstandes beruhen, weitgehend oder vollständig auszuschließen. Das Prinzip der Schaltung nach Figur 3 zur Aufrechterhaltung eines Nullpotentials am Orte des an der Messung beteiligten Gegenstandes 12 hat daher weitreichende Bedeutung.

Eine Weiterbildung der in Figur 3 gezeigten Schaltung bedient sich einer Rückkopplungstechnik zur Linearisierung der Ausgangssignale der Fühler. Ein solches Rückkopplungssystem ist in Figur 6 gezeigt. Dabei werden zwei kapazitive Fühlersysteme 114 und 116 durch einen Oszillator 117 angeregt, dessen elektrisches Ausgangs-Wechselpotential mittels eines Verstärkers 118 gesteuert wird. Der Oszillator 117 kann dem in Figur 3 mit 56 bezeichneten Oszillator entsprechen, wobei der Ausgang des Verstärkers 118 mit dem Leistungseingang des Oszillators verbunden ist. Die Fühlersysteme 114 und 116 nach Figur 6 entsprechen dann den übrigen Schaltungsteilen gemäß Figur 3 vom Oszillator 56 bis zu den Fühlern S4 und 104 unter Einschluß derselben, jedoch ohne

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die nachgeschalteten Linearis.Lerun:?sse;wi * (:·ι ;. · ■- > - i <".- j " liiere Schaltungsteile.

Der Verstärker 118 nimmt an einem nichtinvertierenden Eingang ein konstantes Gleichspannungspotential einer Spannungsquelle auf, während dem invertierenden Eingang das Ausgangssignal einer analogen Divisionsschaltung 122 zugeführt wird. Die Divisionssohaltung 122 empfängt an einem Eingang für den Nenner das Ausgangssignal des Verstärkers 118 und an einem Eingang für den Zähler das Ausgangssignal einer analogen Multiplikationsschaltung 124, deren Eingängen die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und 116 zugeführt werden. Die Dioken-Ausgangsanzeige kann von einer Summationsschaltung 126 abgenommen werden, welche die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und 116 addiert. Die Rückkopplungsschaltung nach Figur 6 bewirkt eine Steuerung der Amplitude der Anregungsspannung für die Fühlersysteme 114 und 116 in solcher ¥_eise, daß der Ausgang der Divisionsschaltung 122, welcher proportional zu dem Produkt der Ausgangssignale der beiden Fühlersysteme ist, einen konstanten Wert behält. Unter diesen Umständen ist der Ausgang der Summationsschaltung 126 direkt proportional zur Dicke, welche gemessen wird, während bei bekannten, berührungslos arbeitenden, kapazitiven Meßeinrichtungen hierfür eine umgekehrte Proportionalität charakteristisch ist.

Eine weitere Ausbildung der Rückkopplung kann in ähnlicher Weise, wie in der US-Patentschrift 3 775 679 beschrieben, aufgebaut sein. Aus Figur 7 ist zu erkennen, daß eine Flip-Flop-Sohaltung 130 mit konstanter Taktfrequenz beaufschlagt wird und eine einzige Frequenz eines Wechselstroms zur Anregung der beiden Fühler liefert. Die Ausgangssignale jeweils entgegengesetzter Polarität der Flip-Flop-Sohaltung 130 gelangen über Pufferverstärker 132 zu Basisansohlüssen von Transistoren 34 und 36. Die Emitter dieser Transistoren sind über eine Diode 138, welche der Vorspannung dient, mit Erde verbunden, während die Kollek-

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toren über einen Kondensator 140 verbunden sind, der parallel zu dualen Wicklungen eines Transformators 142 geschaltet ist. Die Mittelanzapfung der soeben genannten Wicklungen des Transformators ist über eine Drosselspule 144 eine Gleichstromquelle für die Transistoren 134 und 136. Wie weiter unten genauer ausgeführt wird, wird der Gleichspannungspegel so reguliert, daß eine Amplitudenregelung der Ausgangsspannung des Transformators 142 an der Sekundärwicklung erreicht wird, die parallel zu einem Abstimmkondensator 146 liegt und ihre Ausgangsspannung an den Fühler 14 liefert. Der Fühlerausgang des Fühlers 14 wird einem Eingang eines Differentialverstärkers 148 zugeführt, zu dessen anderem Eingang eine Signalspannung konstanter Amplitude gelangt, so daß der Ausgang als Steuersignal für die Gegentaktmodulation verwendet werden kann, welche von den Transistoren 134 und 136 vorgenommen wird, um dem Fühler 14 einen konstanten Eingangsstrom zuzuführen.

Man erkennt aus Figur 7 bezüglich des Fählers 16 einen symmetrischen Schaltungsaufbau. Im einzelnen werden die Ausgangssignale entgegengesetzter Polarität der Flip-Flop-Schaltung I30 außerdem über weitere Pufferverstärker 132 mit entgegengesetztem Vorzeichen an die Basis weiterer Gegentakt-Modulationstransistoren und 152 geführt, deren Emitteranschlüsse durch eine mit Erde verbundene Diode 154 vorgespannt sind. Die Kollektoren der Transistoren 150 und 152 sind miteinander durch eine Parallelschaltung eines Abstimmkondensators 156 und zweier Primärwicklungen eines Transformators 15B miteinander verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den zwei zuletzt genannten Primärwicklungen des Transformators 158 erhält ein Gleichstrom-Amplitudensteuersignal für die Gegentaktmodulation über eine Drosselspule 16O vom Ausgang eines Differentialverstärkers 162 her, um die Amplitude zu regeln, welche von der Sekundärwicklung des Transformators 158 über den Abstimmkondensator 164 dargeboten wird, womit der Fühler ±6 gespeist wird. Der Ausgang des Fühlers 16 wird ei-

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nem ersten Eingang des Difierentialverstärkers 162 eingegeben, dessen weiterer Eingang dasselbe Signal konstanter Amplitude aufnimmt, welches auch dem Verstärker 148 zugeführt wird. Der resultierende Gleiohstromausgang wirkt über den Transformator 158 im Sinne einer Regelung der Amplitude der Gegentaktmodulation derart, daß ein konstanter Strom den Fühler 16 erreicht. Wenn die erwähnten Ströme zu den Fühlern lh und 16 gleich und in Gegenphase gehalten werden, so ergibt sich, daß das Potential des zwischen den Fühlern befindlichen Gegenstandes auf Null gehalten wird, da kein Strom über die Kapazität zwischen dem Gegenstand 12 und Erde fließt.

Die AusgangsSignale der Verstärker 146 und l62 werden einer Schaltung 164 zugeführt, die zur Auswahl eines Summensignales oder eines Differenzsignales oder eines der beiden Eingangssignale dient, was unter Steuerung eines Wählers geschieht. Dieses Signal wird linearisiert und stellt unmittelbar die Dickenabmessung oder die Punkt-zu-Punkt-Veränderung in dem Signal oder die Entfernung des betreffenden Fühlers zu dem Gegenstand 12 dar, je nachdem, welche Wählereinstellung gewählt ist.

Anhand der Figuren 8 und 9 wird eine Schaltungseinzelheit erläutert, um eine Einstellung beispielsweise in der Schaltung nach Figur 3 vornehmen zu können, durch welche bestimmte Abweichungen anderer, allgemeiner Ungenauigkeiten in der Schaltung kompensiert werden können. Derartige Ungenauigkeiten können sich als Kombination einer Abweichung 170 im allgemeinen erster Ordnung und einer Abweichung 172 im allgemeinen zweiter Ordnung darstellen, wie in Figur 9 gezeigt ist. In einer Meßeinrichtung der in Figur 3 gezeigten Art würde die Einstellung zur Kompensation dieser Abweichungen in den einzelnen Fühlerschaltkreisen sehr kompliziert sein, da eine gleichzeitige Einstellung verschiedener veränderbarer Widerstände in jeder Schaltung notwendig wäre. Demgegenüber ist die Schaltung nach Figur 8 so ausgebildet, daß diese Funktion erfüllt wird, indem ein erster

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Einstellwiderstand 174 betätigt wird, welcher das den beiden Fühlern zugeführte Signal um gleiche Beträge jeweils in derselben Richtung verändert, während eine weitere Einstellung an einem veränderbaren Widerstand oder Potentiometer 176 das den Fühlern zugeführte Signal jeweils um gleiche Beträge, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung verändert. Betrachtet man die Verhältnisse in der Schaltung nach Figur 3> so wird beispielsweise das von dem Oszillator 56 abnehmbare Signal, welches mittels der Kabel 76 und 78 übertragen wird, an das Potentiometer 174 gelegt, dessen verschieblieher Kontakt über jeweils gleichgroße Widerstände 178 und 160 mit den jeweils invertierenden Eingängen der Verstärker 182 und 184 Verbindung hat. Die Ausgänge der Verstärker 182 und 184 sind über negative Rückkopplungswiderstände 186 und 188 zu den jeweiligen Eingängen zurückverbunden. Die Korrektur für die jeweiligen Fühler 14 und l6 wird von den invertierenden Eingängen der genannten Verstärker abgenommen und beispielsweise zu den jeweiligen Fühlerausgängen hinzuaddiert.

Dasselbe Signal, welches an das Potentiometer 174 gelegt worden ist, wird außerdem an den verschieblichen Kontakt des Potentiometers 176 gelegt. Die anderen Anschlüsse des Potentiometers I76 sind über jeweils gleiche Widerstände 190 und 192 mit den invertierenden Eingängen der Verstärker 182 und 184 verbunden. Außerdem haben die soeben genannten Anschlüsse des Potentiometers 176 über gleiche Widerstände 194 und 196 Verbindung mit dem invertierenden Eingang eines weiteren Verstärkers 198. Der Ausgang des Verstärkers 198 ist jeweils über gleichgroße Widerstände 200 bzw. 202 mit der Verbindung zwischen dem Widerstand 194 und dem einen Potentiometeranschluß des Potentiometers 176 bzw. dem Verbindungspunkt des Widerstandes I96 und dem anderen Potentiometeranschluß verbunden. Der Verstärker IQS und der umgebende Schaltungsaufbau bewirken, daß die über die Widerstände lyo und 192 übertragenen Signale je nach Einstellung des verschieblichen Kontaktes des Potentiometers 176 gleiche Größe,

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jedoch entgegengesetztes Vorzeichen haften. Gleichzeitig sind die über das Potentiometer 174 eingeführten Korrektursignale von gleicher Amplitude und gleicher Polarität. Die beiden Sätze von Korrektursignalen erfahren in den Verstärkern 182 und 184 eine Summation. Im einzelnen bewirkt eine Einstellung an dem Potentiometer 176 eine Verminderung des Abweichungsgrades von im allgemeinen erster Ordnung, wie in Figur 9 durch die Kurve I70 deutlich gemacht ist, während eine Einstellung an dem Potentiometer 174 eine Abweichung im allgemeinen zweiter Ordnung entsprechend der Kurve 172 nach Figur 9 beseitigt.

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Claims

Patentansprüche

[ 1.J Kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinricntung mit einer Meßfühleranordnung zur Erzeugung eines Anregungsfeldes in einem Spalt zu einem an der Messung beteiligten Gegenstand, gekennzeichnet durch mindestens zwei Meßfühler (14, 16), von denen einer ein erstes Ausgangssignal entsprechend dem von ihm erzeugten Anregungsleid gegenüber dem betreffenden Gegenstand (12) und von denen ein weiterer ein zweites Ausgangssignal entsprechend dem von diesem weiteren Meßfühler erzeugten Anregungsfeld gegenüber dem betreffenden Gegenstand abgibt, wobei dieser Gegenstand gegenüber dem ersten und dem weiteren Meßfühler abgesehen von der jeweiligen Spaltimpedanz eine beträchtliche Impedanz aufweist, ferner durch eine Auswert schaltung (28 bzw. 92 bzw. ±6h), welche die beiden genannten Ausgangssignale der Meßfühler aufnimmt und eine Ausgangsanzeige entsprechend dem Abstand des genannten Gegenstandes zu mindestens einem der beiden erwähnten Meßfühler abgibt sowie durch Influenzierungsmittel (jeweils der einem Fühler nachgeschaltete Teil der Auswertschaltung mit Bezug auf den anderen Fühler), welche eine Beeinflussung der Ausgangsanzeige entsprechend dem Abstandsmeßwert für ein bestimmtes Potential des genannten Gegenstandes herbeiführen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte Meßfühler (14) mit einem Wechselspannungssignal einer ersten Frequenz (20) anregbar ist, daß der zweitgenannte Meßfühler (l6) mit einem elektrischen Wechselspannungssignal einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz (22) anregbar ist, daß in der Auswertschaltung (2S) die Ausgangssignale der beiden Meßfühler (14, 16) zur Bildung eines resultierenden Signales miteinander kombiniert werden, und daß

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das resultierende Signal zur Bestimmung seines Wertes während eines bestimmten Potentials des genannten Gegenstandes einem Detektor, insbesondere einem Soheitelwertdetektor (32) zuführbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßfühler (14, 16) jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des an der Messung beteiligten Gegenstandes (12) angeordnet sind und daß in der Auswertschaltung (28) eine Summation der Ausgangssignale der Meßfühler erfolgt, derart, daß der von dem Scheitelwertdetektor (32) abnehmbare Scheitelwert des genannten resultierenden Signales ein Meßsignal entsprechend der Dicke des an der Messung beteiligten Gegenstandes darstellt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine solche Anordnung des erstgenannten und des weiteren Meßfühlers (14, 16), daß sich der an der Messung beteiligte Gegenstand in der Mitte zwischen den Meßfühlern befindet.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Anregungsfrequenzen des ersten und des weiteren Meßfühlers (14, 16) nur ein kleiner Bruchteil der ersten und der weiteren Anregungsfrequenz ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Meßfühler (14, 16) eine Diodenbrückenschaltung (94) enthält, an deren einem Paar von diagonalen Schaltungspunkten einerseits eine Bezugskapazität (96) und andererseits die den zu bestimmenden Abstand repräsentierende Fühler-Meßkapazitat (9B, C ) angeschlossen sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand ein Halbleiterkörper oder Halbleitertäfeichen ist.

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8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand ein sich bewegendes Streifenmaterial ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dai3 den Meßfühlern( 14, 16 bzw. 84, 104) jeweils Linearisierungsschaltkreise (24, 26 bzw. 90, 108) nachgeschaltet sind, mittels welchen die Meßfühlerausgangssignale im Sinne einer direktproportionalen Änderung abhängig von der Spaltweite zwischen dem betreffenden Meßfühler und dem an der Messung beteiligten Gegenstand (12) beeinflußbar sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem erstgenannten Meßfühler (14 bzw. 84) und dem weiteren Meßfühler (l6, bzw. 104) zur Anregung elektrische Wechselspannungssignale zuführbar sind, deren Amplitude so eingestellt wird, daß das jeweilige Meßfühlerausgangssignal unmittelbar der Entfernung zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand (12) entspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte und der weitere Meßfühler (14, 16 bzw. 84, 104 bzw. 114, 116) jeweils eine Fühlerkapazität zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand (12) hin enthalten und daß den Fühlerkapazitäjen jeweils zur Anregung elektrische Wechselspannungssignale entgegengesetzter Polarität zuführbar sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand (12) derart zwischen den Meßfühlern (l4, 16 bzw. 84, 104 bzw. 114, 116) gelegen ist, daß sich gleichgroße Fühlerkapazitäten zwischen dem an der Messung beteiligten Gegenstand und dem ersten Meßfühler bzw. dem zweitgenannten Meßfühler ergeben.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Influenzierungsmittel eine solche Beaufschlagung

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der Meßfühler mit der jeweiligen, zur Anregung dienenden elektrischen Wechselspannung bewirken, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand (12) auf einem bestimmten Potentialwert gehalten wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand (12) auf Erdpotential gehalten wird.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom, welcher jeweils durch die Fühlerkapazitäten zwischen dem ersten bzw. dem zweiten Meßfühler (14, 16 bzw. 84, 104 bzw. 114, 116) und dem an der Messung beteiligten Gegenstand (12) fließt, derart regelbar ist, daß das Potential des an der Messung beteiligten Gegenstandes auf einem bestimmten Wert gehalten wird und dabei die genannten Ströme auf gleiche Größe und auf Gegenphase eingestellt werden.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem erstgenannten und dem weiteren Meßfühler (14, 16) elektrische Wechselspannungssignale jeweils entgegengesetzter Polarität zuführbar (80, 86, 88; 100, 105, 106) sind, deren Amplitude abhängig von ersten und zweiten Steuersignalen modulierbar ist und daß die Steuersignale von den jeweils zugehörigen Meßfühlerausgangssignalen unter Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Signalpegels der Meßfühlerausgangssignale ableitbar sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Regelschaltung zur Ableitung eines Steuersignales zur Steuerung der elektrischen Anregungs-Wechselspannung für den erstgenannten und den weiteren Meßfühler (ll4, 116), wobei das Steuersignal in der Regelschaltung (117, 118, 122, 124) als Differenz zwischen einem konstanten Signalpegel und dem Verhältnis des Steuersignales zu dem Produkt aus dem ersten und dem zweiten Meßfühlerausgangsignal ableitbar ist (Figur 6).

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iö. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeich net durch jeweils gesonderte Korrektur-Einstellschaltungen (
±7 Ii, IBü; 176, 190, 192) zur Kompensation von Abweichungen erster Ordnung bzw. von Abweichungen zweiter Ordnung in der Ausgangsanzeige jeweils unabhängig voneinander.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Ib, dadurch gekennzeichnet, daß von der Auswertscliaitung (2Sj eine Ausgangsanzeige entsprechend dem Abstand eines der Meßfühler (14, l6)
zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand (12) und/oder Aus gangssignale entsprechend dem jeweiligen Abstand mehrerer Meßfühler zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand und/oder
Ausgangssignale entsprechend der Summe oder der Differenz der
Ausgangssignale bestimmter Meßfühler abnehmbar sind.

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Le e rs e ι te