DE10052631C1 - Vorrichtung zur Prüfung von einem durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes formändernden Material - Google Patents
Vorrichtung zur Prüfung von einem durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes formändernden MaterialInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Prüfung von einem durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes formändernden Material (2), insbesondere von einem piezoaktiven Material (2), mit einem Generator zur Erzeugung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgeschlagen, die eine schnelle Charakterisierung des Materials (2) ermöglicht und gleichzeitig mit wesentlich geringerem konstruktiven Aufwand zu realisieren ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens ein Thermosensor (1) zur Erfassung einer Temperaturänderung des Materials (2) vorgesehen ist und dass das zu prüfende Material (2) auf einem Substrat (3) angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von einem
durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes
formändernden Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der sogenannte "Piezoeffekt" ist seit 1880 bekannt und wurde
von J. und P. Curie entdeckt. Entsprechende Materialien laden
sich bei Deformation unter mechanischen Beanspruchungen
elektrisch auf bzw. ändern durch Anlegen eines elektrischen
Feldes ihre Form. Letzteres wird auch als sogenannter
"umgekehrter piezoelektrischer Effekt" bezeichnet, der
insbesondere in der Technik in vielfältigster Weise
angewendet wird.
Einige in der Natur vorkommende piezoelektrische Kristalle,
z. B. Quarz, sowie verschiedenste künstlich erzeugte
keramische Materialien, z. B. Titanade oder Niobate, weisen
gute piezoelektrische Eigenschaften auf. Auch sind
Kunststoffe gebräuchlich, die piezoelektrische Eigenschaften
besitzen. Beispielsweise übertrifft das synthetische Polymer
Polyvinylidenflorid (PVDF) den piezoelektrischen Effekt von
kristallinem Quarz um das Drei- bis Fünffache.
Bislang wird bei der Entwicklung von piezoaktiven Materiali
en die Formänderung der Proben gemessen. Hierbei ist jedoch
nachteilig, dass, insbesondere bei Verwendung vergleichswei
se kleiner Proben, minimale Formänderungen zu vermessen
sind. Dies führt zu vergleichsweise aufwendigen, langsamen
und wirtschaftlich nachteiligen Verfahren zur Prüfung von
entsprechenden Materialien, so dass entsprechende Vorrich
tungen bzw. Verfahren nur bedingt beispielsweise bei zahl
reichen Materialproben eingesetzt werden können.
Aus der SU 147 45 31 A ist eine Methode zur nicht destrukti
ven Qualitätskontrolle von Gegenständen bzw. Materialien be
kannt, bei der das piezoelektrische Material des Gegenstan
des durch Anlegen eines elektrischen Feldes in akustische
Schwingung versetzt und unter anderem die Temperatur ver
schiedener Bereiche des Gegenstandes bestimmt wird.
Aus der EP 644 408 B1 ist ein Verfahren bzw. eine Vorrich
tung zur Temperaturmessung mittels Infrarottechnik bekannt.
Bei diesem Verfahren wird die Temperatur einer Oberfläche
unter Verwendung einer Infrarot-Messtechnik bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Prüfung
entsprechender auf einem Substrat aufgebrachte Materialien
vorzuschlagen, die eine schnelle
Charakterisierung des Materials ermöglicht und gleichzeitig
mit wesentlich geringerem konstruktiven Aufwand zu realisie
ren ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der ein
leitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrich
tung dadurch aus, dass wenigstens ein Thermosensor zur Er
fassung einer Temperaturänderung des Materials vorgesehen
ist.
Das Anlegen des elektrischen und/oder magnetischen Feldes
bedingt eine Änderung des entsprechenden Feldes, was insbe
sondere auch zu einer gewissen Erwärmung der
entsprechenden Materialien führt. Mit Hilfe eines
erfindungsgemäßen Thermosensors ist in vorteilhafter Weise
diese Temperaturänderung des Materials erfassbar. Hierdurch
wird eine vergleichsweise schnelle Charakterisierung,
insbesondere eine Erstcharakterisierung bei der
Materialentwicklung, eines Materials ohne großen Aufwand
realisierbar.
Erfindungsgemäß ist eine besonders wirtschaftlich günstige
Erstcharakterisierung vor allem auch von zahlreichen,
verschiedenen Materialien umsetzbar. Beispielsweise kann
aufgrund dieser qualitativen Prüfung eine Selektion von
Materialien mit bzw. ohne entsprechende Eigenschaften
erfolgen, wodurch in vorteilhafter Weise die Anzahl der
gegebenenfalls noch weiter zu untersuchenden Materialen
deutlich verringert werden kann.
Vorteilhafterweise wird der Thermosensor als
Strahlungsdetektor für elektromagnetische Strahlung
ausgebildet. Auf diese Weise kann der Thermosensor
berührungslos arbeiten. Weiterhin ist eine sehr schnelle
Messung auf diese Weise möglich. Ein derartiger
Strahlungsdetektor wird vorteilhafterweise im Bereich der
Wärmestrahlung, insbesondere der Infrarotstrahlung
vorgesehen, da hier bei Temperaturänderungen die
größtmöglichen Signaländerungen zu erwarten sind und
dementsprechend eine gute Messgenauigkeit ermöglicht wird.
Ein derartiger Thermosensor kann beispielsweise mit Hilfe
einer Infrarot-Thermokamera realisiert werden.
Vorzugsweise ist der Thermosensor lokal auflösend
ausgebildet, so dass insbesondere lokal unterschiedlich
erwärmte Bereiche des Materials erfassbar sind. In
vorteilhafter Weise können hierbei beispielsweise optische
Elemente zur Fokussierung verwendet werden, wodurch die
Auflösung einer optimalen Aufnahmeeinheit verbessert werden
kann.
Alternativ können jedoch auch nicht-optische Thermosensoren,
z. B. Bimetalle oder dergleichen, verwendet werden.
Erfindungsgemäß sind bei diesen Ausführungsformen lokal
auflösende Aufnahmeeinheiten ebenfalls vorteilhaft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine
Abbildungseinheit vorgesehen, so dass eine bildgebende
Aufnahme von dem zu prüfenden Material erhalten werden kann.
Hierbei kann beispielsweise eine Foto- oder Kameraeinheit,
insbesondere mit wenigstens einer optischen Linse, eingesetzt
werden. Auch werden vorzugsweise handelsübliche
Abbildungseinheiten mit eventuell vorzunehmenden leichteren
Modifikationen vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Abbildungseinheit kann zusätzlich in
vorteilhafter Weise zu einer Detektierung und Auswertung
einer Form- bzw. Größenänderung verwendet werden, wodurch
eine besonders wirtschaftlich günstige Prüfung des Materials
realisierbar ist.
Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Erfindung
wird vorzugsweise eine gleichmäßige Erfassung einer
Prüffläche des Materials umgesetzt. Dies kann insbesondere
mittels einer nahezu parallelen Anordnung des Thermosensors
in Bezug zur Prüffläche des Materials umgesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine
Einheit zur Veränderung des elektrischen und/oder
magnetischen Feldes vorgesehen. Hierdurch kann beispielsweise
durch vergleichsweise schnelles Ändern des elektrischen
und/oder magnetischen Feldes das zu untersuchende Material
besonders stark erwärmt werden, so dass vor allem neben
Materialen mit besonders ausgeprägten formändernden
Eigenschaften auch Materialien mit weniger stark ausgeprägten
formändernden Eigenschaften erfasst werden können.
Gleichzeitig kann durch diese Maßnahme ein Thermosensor mit
einer geringeren Empfindlichkeit eingesetzt werden, was
wiederum die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
aus wirtschaftlicher Sicht verbessern kann.
Vorzugsweise ist eine Einheit zur periodischen Veränderung
des elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen.
Hierdurch wird ermöglicht, dass beispielsweise mittels einem
handelsüblichen Generator ein sinus-, rechteckförmiger oder
ähnlicher Verlauf der periodischen Veränderung des am
Material anliegenden elektrischen und/oder magnetischen
Feldes vorgenommen werden kann.
Das zu prüfende Material ist auf einem
Substrat angeordnet. Hierdurch wird gewährleistet, dass vor
allem auch vergleichsweise kleine Materialproben mittels
einem entsprechenden Substratträger handhabbar sind.
Entsprechend kleine Materialproben sind für eine
Erstcharakterisierung ausreichend und ermöglichen
gegebenenfalls eine vorteilhafte Fertigung der Materialproben
einschließlich des Substrates.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine
Temperaturregelung des Substrates vorgesehen. Hierdurch kann
beispielsweise eine konstante Temperatur des Substrates
eingestellt werden, so dass sich eine Temperaturänderung des
Substrates nicht nachteilig auf die Prüfung des Materials
auswirken kann. Hierbei kann das Substrat mittels einer
Klimakammer, Heiz-, Kühlvorrichtung und/oder dergleichen
thermostatisiert werden. Gegebenenfalls ermöglicht auch ein
entsprechend groß dimensioniertes Substrat mit
vergleichsweise guter Wärmeleiteigenschaft eine ausreichende
Temperaturregelung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine
elektrische Kontaktierung des zu prüfenden Materials
vorgesehen. Hierbei kann beispielsweise die elektrische
Kontaktierung in auftragender Weise, beispielsweise durch
Sputtern, Aufkleben einer Metallschicht oder entsprechender
Verfahren, umgesetzt werden. Mit einer erfindungsgemäßen
Kontaktierung ist das Anlegen eines elektrischen und/oder
magnetischen Feldes an das zu prüfende Material ohne großen
Aufwand realisierbar.
Vorzugsweise ist eine Erfassungseinheit zur Erfassung der auf
den elektrischen Strom zurückzuführenden Teil der
Materialerwärmung vorgesehen. Hierbei wird gewährleistet,
dass lediglich die aufgrund der auf den elektrischen Strom
zurückzuführende Teil der Materialerwärmung erfassbar ist.
Dies ermöglicht eine Kompensation der durch den elektrischen
Strom hervorgerufenen Materialerwärmung. Hierbei wird in
einer bevorzugten Ausführungsform mittels einer
Auswerteeinheit ein Abgleich der mit dem Thermosensor
erfassten Temperaturerhöhung des zu prüfenden Materials mit
dem auf den elektrischen Strom zurückzuführende Teil der
Materialerwärmung vorgenommen. Hierdurch ist lediglich die
durch das Anlegen des elektrischen und/oder magnetischen
Feldes hervorgerufenen Temperaturänderung des Materiales
erfassbar, womit in vorteilhafter Weise mögliche
Fehlmessungen mittels des Thermosensors vermeidbar sind.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind
wenigstens zwei verschiedene Prüfbereiche auf dem Substrat
vorgesehen, wobei die Prüfbereiche gegebenenfalls
verschiedene Materialien aufweisen. Hierdurch wird in
vorteilhafter Weise eine vergleichsweise schnelle Prüfung
verschiedenster Materialien mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung realisierbar.
Vorzugsweise können mittels der erfindungsgemäßen
Abbildungseinheit die verschiedenen Prüfbereiche
gegebenenfalls mit lediglich einer Aufnahme erfasst werden.
Insbesondere die vorteilhaften Abbildungseigenschaften der
genannten Einheit ermöglicht hierbei eine schnelle
Charakterisierung der einzelnen Prüfbereiche.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind
zahlreiche verschiedene Prüfbereiche mit ähnlicher
Zusammensetzung vorgesehen. Beispielsweise werden
entsprechende Materialien auf einem Substrat mit in der
kombinatorischen Chemie gebräuchlichen Verfahren hergestellt.
In vorteilhafter Weise sind zahlreiche, verschiedene
Prüfbereiche rasterartig auf dem Substrat angeordnet.
Hierdurch wird die schnelle Charakterisierung der einzelnen
Prüfbereiche, insbesondere aufgrund einer vergleichsweise
einfach zu realisierenden Systematisierung der Anordnung der
Prüfbereiche, zusätzlich verbessert.
Vorteilhafterweise ist eine Messeinheit zur Messung der
Formänderung des Prüflings vorgesehen. Hierdurch wird
gewährleistet, dass das zu prüfende Material bzw. die
verschiedenen Prüfbereiche, insbesondere nach der
erfindungsgemäßen Erfassung der Temperaturänderung des
Materials, auch quantitativ untersucht werden können. Hierbei
kann beispielsweise eine Klassifizierung der Materialien
aufgrund unterschiedlich ausgeprägter Formänderungen
durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist eine optische Messeinheit zur Erfassung von
Form- bzw. Längenänderungen vorgesehen. In vorteilhafter
Weise kann hierbei ein unter einem vorgegebenen Winkel auf
den Prüfling einfallender Lichtstrahl, der auf diesem
reflektiert wird, insbesondere mittels der auf dem zu
prüfenden Material aufgebrachten elektrischen Kontaktierung,
so dass eine Änderung der Form des Materials zu einer
veränderten Auslenkung des reflektierten Licht- bzw.
Laserstrahls führt. Durch Auswertung der Ablenkung des Licht-
bzw. Laserstrahls kann die Längenänderung des zu prüfenden
Materials bestimmt werden.
Auch kann mittels der erfindungsgemäßen Abbildungseinheit die
Formänderung des Materials quantifiziert werden. Hierbei ist
mittels einer vorteilhaften Kombination der Abbildungseinheit
mit den zuvor beschriebenen Form- bzw.
Längenänderungsmessungen eine dreidimensionale Vermessung des
zu prüfenden Materials realisierbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 eine schematisch dargestellte
erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 ein schematisch dargestelltes zu
prüfendes Material während einer Messung
der Längenänderung und
Fig. 3 ein schematisch dargestelltes zu
prüfendes Material während einer zweiten
Messung der Längenänderung.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
dargestellt, wobei mittels einer Infrarot-Thermokamera 1 ein
durch Anlegen eines elektrischen Feldes formänderndes
Prüfmaterial 2 geprüft wird. Hierbei sind zahlreiche,
verschiedene Materialproben 2 rasterartig auf einem Substrat
3 angeordnet. Bei den Prüfmaterialien 2 handelt es sich
vorzugsweise um Keramiken, Kunststoffe oder dergleichen, die
bezüglich ihrer piezoaktiven Eigenschaft untersucht werden.
Die IR-Thermokamera 1 erfasst hierbei den gesamten Bereich
des Substrates 3.
In nicht näher dargestellter Weise wird das Substrat 3 auf
einer Heizplatte oder in einer Klimakammer thermostatisiert.
Das Substrat 3 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen
oder als Platin dotierter Siliziumwafer ausgeführt sein. Die
verschiedenen Prüfmaterialien 2 werden mittels bereits
bekannter Verfahren auf dem Substrat 3 aufgebracht. Die
zahlreichen, verschiedenen rasterartig auf dem Substrat 3
angeordneten Prüfbereiche 2 werden mittels gebräuchlicher
Siebdruck- und Lithografie-Verfahren erzeugt.
Die Oberseite der Prüfmaterialien 2 ist mit einer
Metallschicht 4 als Elektrode 4 versehen, die beispielsweise
durch Sputtern aufgebracht wird. Diese Metallschicht 4
gewährleistet sowohl eine elektrische Kontaktierung des
Prüfmaterials 2 als auch einen vergleichbaren
Emissionskoeffizienten der einzelnen Prüfmaterialien 2.
Zur Prüfung der Prüfmaterialien 2 wird insbesondere ein
elektrisches Feld im Bereich der Prüfmaterialien 2 angelegt.
Hierfür kann z. B. eine nicht näher dargestellte Draht- oder
Federkontaktierung vorgesehen werden. Für die Prüfung der
Prüfmaterialien 2 wird hiermit ein wechselndes Feld an den
Prüfmaterialien 2 angelegt, das vergleichsweise schnell
geschaltet wird. Hierbei wird die Erwärmung durch die
elektrische Leistung (Widerstandsheizung) durch Bestimmung
der Leitfähigkeit ermittelt. Eine nicht näher dargestellte
Auswerteeinheit ist dazu in der Lage, diese aufgrund der
Widerstandsheizung hervorgerufenen Erwärmung der
Prüfmaterialien 2 abzugleichen, so dass ausschließlich die
Erwärmung aufgrund der piezoaktiven Eigenschaft der
Prüfmaterialien 2 ermittelt werden kann.
Alternativ hierzu kann unter der Elektrode 4, d. h. zwischen
dem Prüfmaterial 2 und der Elektrode 4, eine elektrisch
isolierende Schicht eingebracht werden, so dass das
Prüfmaterial 2 nicht stromdurchflossen ist, sondern
ausschließlich von dem elektrischen Feld durchsetzt wird. Die
elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise aus
Aluminiumoxid bestehen. Das elektrische Feld wird hierbei
mittels der Elektrode 4 sowie einer Elektrode 5 erzeugt, die
ober- und unterhalb des Prüfmaterials 2 angeordnet sind.
Insbesondere bei der zuletzt dargestellten Ausführungsform
der Erfindung wird die aufgebrachte obere Elektrode 4 zur
Reflexion eines Licht- bzw. Laserstrahls 6 gemäß der Fig. 2
bzw. 3 verwendet. Hierzu wird der Laser- oder Lichtstrahl 6
in einem vorgegebenen Winkel auf die zu prüfenden Materialien
2 gerichtet, wobei je nach Längenausdehnung der
Prüfmaterialien 2 der reflektierte Laser- oder Lichtstrahl 7
unterschiedlich ausgelenkt wird. Die Auswertung der Reflexion
erfolgt in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise
mittels Photodioden, die seitlich an einer Wand angebracht
sind.
In Fig. 3 ist im Unterschied zur Fig. 2 eine
Cantileverfeder 8 zur Bestimmung der Längenausdehnung des
Prüfmaterials 2 vorgesehen. Entsprechende Cantileverfedern 8
sind beispielsweise aus der AFM-Mikroskopie bekannt.
Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme mittels der IR-Thermokamera
1 parallel bezüglich der Oberfläche der Prüfmaterialien 2.
Hierdurch kann insbesondere auch eine Größenausdehnung der
Prüfmaterialien 2 wahrgenommen werden und gegebenenfalls
mittels einer entsprechenden Auswerteeinheit ausgewertet
werden. Es ist auch denkbar, dass die IR-Thermokamera 1 unter
einem bestimmten Winkel bezüglich des Substrates 3 angeordnet
werden kann.
1
IR-Thermokamera
2
Prüfmaterial
3
Substrat
4
Elektrode
5
Elektrode
6
Lichtstrahl
7
Lichtstrahl
8
Cantileverfeder
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Prüfung von einem durch Anlegen eines
elektrischen und/oder magnetischen Feldes formändernden
Material (2), insbesondere von einem piezoaktiven Materi
al (2), mit einem Generator zur Erzeugung eines elektri
schen und/oder magnetischen Feldes und wenigstens einem
Thermosensor (1) zur Erfassung einer Temperaturänderung
des Materials (2), dadurch gekennzeichnet, dass das zu
prüfende Material (2) auf einem Substrat (3) angeordnet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Thermosensor als Strahlungsdetektor für
elektromagnetische Strahlung ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Thermosensor (1) lokal auflösend
ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungseinheit (1)
vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur Veränderung des
elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit zur periodischen
Veränderung des elektrischen und/oder magnetischen Feldes
vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelung des,
Substrates (3) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung
(4, 5) des zu prüfenden Materials (2) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinheit zur
Erfassung des auf den elektrischen Strom zurückzuführenden
Teils der Materialerwärmung vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit zum
Abgleich der mit dem Thermosensor (1) erfassten
Temperaturerhöhung des zu prüfenden Materials (2) mit dem auf
den elektrischen Strom zurückzuführenden Teil der
Materialerwärmung vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (3) wenigstens
zwei verschiedene Prüfbereiche (2) vorgesehen sind, wobei die
Prüfbereiche (2) verschiedene Materialien (2) aufweisen.
12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zahlreiche, verschiedene
Prüfbereiche (2) rasterartig auf dem Substrat (3) angeordnet
sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinheit zur Messung der
Formänderung des Prüflings (3) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Messeinheit für
Form- bzw. Längenänderungen vorgesehen ist.
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