Brevet FR2593909A1 — publié le 19870807

L'invention concerne un procédé en vue de l'amélioration de la résolution d'un dispositif de mesure de l'épaisseur de couches de matériaux par interférométrie ultra-sonore. L'invention se rapporte également aux moyens pour la mise en oeuvre de ce procédé ainsi qu'aux dispositifs pourvus de ces moyens. Notamment mais non exclusivement, l'invention s'applique plus particulièrement à la mesure de l'épaisseur de la couche d'un matériau porté par un support. En métrologie, on connaît bien la méthode qui permet de déterminer l'épaisseur de telles couches en effectuant un ratio entre la vitesse presumée de propagation des ultrasons dans le matériau constituant la couche à mesurer et la durée de parcours d'une impulsion ultrasonore dans cette couche. Pour ce faire, il est connu de mesurer la durée écoulée entre l'émission d'une impulsion ultrasonore depuis une face externe de la couche et la réception de l'écho de cette impulsion ultrasonore réfléchi par la face interne opposée de la couche. Cette méthode permet d'effectuer des mesures d'épaisseur sur des couches dont seule une face est accessible à la sonde ou transducteur qui génère et capte les impulsions ultrasonores. Malheureusement, les dispositifs mettant en oeuvre une telle méthode dite du temps de parcours exigent, pour donner des résultats fiables, que les épaisseurs à mesurer soient supérieures à une limite de l'ordre du dizième de millimètre. En effet, lorsque l'épaisseur des couches à mesurer passe en dessous cette limite, les faces opposées de celles-ci sont tellement proches, que les échos qu'elles renvoient vers le transducteur se chevauchent en un signal quasi-unique. Le démarquage temporel de ces échos s'avérant impossible, le procédé dit du temps de parcours ne peut être exploité notamment pour contrôler l'épaisseur de fines couches de matériau, par exemple de couches de peinture dont l'épaisseur avoisine quelques millièmes de millimètre. Pour tenter de remédier à cet inconvénient, on peut envisager de réduire la durée des émissions d'impulsions ultrasonores mais cette solution reste surtout très théorique. C'est pourquoi à cette technique dite du temps de parcours doit être substituée l'interférométrie ultrasonore. On connaît déjà des dispositifs (EP 0062272) qui comprennent des moyens mettant en oeuvre un procédé de métrologie par interférence d'.un signal ultrasonore dont la fréquence est modulée dans le temps. Ce signal balaie périodiquement une bande de fréquence et il en résulte généralement au moins un écho de battement ou d'interférence dont on soumet le niveau à une évaluation critique. Le niveau de cet écho de battement dépend en fait de la fréquence et de la différence de phase entre les deux échos qui se superposent, donc de l'épaisseur de la couche d'o ils proviennent. Ce niveau peut être directement exploité dans un circuit de mesure. Lors du balayage en fréquence, on constate l'apparition de phénomènes dit de résonance et d'anti-résonance. Ces phénomènes se traduisent respectivement par une augmentation et une diminution du niveau des échos reçus représentatifs de l'interférence. Pour distinguer les fréquences de résonance et d'anti-résonance, on détecte les maxima et les minima qui en résultent. L'invention s'applique plus particulièrement mais non exclusivement à cette dernière méthode. Il est connu que les différences (DFr) et (DFar) existant respectivement entre deux fréquences de résonance (Fr) successives ou deux fréquences d'anti-résonance (Far) successives sont liées à l'épaisseur (e) du matériau et à la vitesse de propagation (v) des ultrasons dans ce matériau selon la formule: e = v/2DFr = v/2DFar Dans tous les cas, on sait que pour obtenir des performances optimales, l'excursion en fréquence doit s'étendre sur une large bande et notamment dans une bande de fréquences dont les limites sont dans un rapport de un à cinq. 3 2593909 En effet, lorsque cette condition n'est pas remplie, on trouve des situations pour lesquelles deux films ou deux couches, ayant entre elles des épaisseurs différentes, par exemple dans un rapport de un à trois, donnent la même image. Malheureusement, dans la pratique, il est difficile de réaliser une source ultrasonore, ayant une efficacité élevée et constante sur une plage de fréquence aussi étendue que celle évoquée ci-dessus. Il en résulte des différences de niveaux qui entraînent une modification de la figure d'interférence recueillie ce qui peut provoquer des erreurs de mesure lorsqu'on analyse globalement les résultats obtenus pour déterminer l'épaisseur recherchée. Cette constatation est particulièrement fondée lorsqu'on exploite directement l'amplitude des échos d'interférence (minima ou maxima) mais également lorsqu'on utilise ces échos pour déterminer la position des fréquences de résonance et d'anti-résonance. L'invention se propose de résoudre ce problème et donc de permettre la détermination précise de l'épaisseur d'une couche d'un matériau, indépendamment des variations du niveau du signal ultrasonore inhérentes à la variation de la fréquence du signal ultrasonore. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé notamment caractérisé en ce qu'après chaque émission d'une impulsion ultrasonore vers le milieu dont on cherche à déterminer l'épaisseur: - on détecte parmi les échos engendrés,d'une part, au moins un écho de battement caractéristique de l'interférence d'échos dans le milieu considéré et d'autre part, au moins un écho dit écho pilote temporairement décalé de l'écho de battement et dont l'amplitude est directement liée à celle de l'impulsion d'émission ultrasonore indépendamment de tout paramètre susceptible d'en altérer le niveau de manière aléatoire, - on élabore des signaux chacun représentatif de l'amplitude d'un des échos détectés à savoir l'un de battement et l'autre pilote, 4 2593909 - on sélectionne chacun de ces signaux de battement et pilote pour les adresser le premier au dispositif de traitement permettant d'établir au moins ultérieurement l'épaisseur de la couche mesurée, le second à un dispositif d'analyse dans lequel on mémorise l'amplitude de ce signal pilote puis, - à un moment choisi, avant qu'ait lieu la détection des échos pilote et de battement engendrés par l'émission ultrasonore suivante, dans un dispositif, on compare le signal pilote à une consigne prédéterminée et on élabore une commande proportionnelle à l'écart constaté, - en fonction de cette commande, par un moyen correcteur situé en amont du dispositif de traitement des échos, on influence de manière uniforme l'amplitude des signaux représentatifs d'au moins deux échos, dont d'une part, l'écho de battement caractéristique de l'interférence issue du milieu contrôle et, d'autre part, l'écho pilote de l'élément retardateur, - on reprend le procédé à l'étape initiale de détection de l'écho de battement et de l'écho pilote engendrés par l'émission suivante et ainsi de suite. L'invention a également pour objet les moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé ainsi que les dispositifs pourvus de ces moyens. Elle sera bien comprise à l'aide de la description ci-après faite à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ciannexé qui représente schématiquement: - figure 1: un synoptique d'une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé, - figure 2: un graphique représentant l'échelonnement des échos engendrés par des émissions ultrasonores successives, avec en abscisse du graphisme, une variable temporelle et, en ordonnée, une variable liée à l'amplitude des échos. En se reportant au dessin, on voit que, pour déterminer l'épaisseur "e" d'un milieu 1 et notamment d'une couche 1 de matériau 2 portée par un support 3, on utilise une source ultrasonore 4. Cette source 4 est placée au voisinage de la face externe supérieure 5 de la couche 1 à mesurer. 2593909 On note que, classiquement, la source 4 n'est pas en contact direct avec la face externe de la couche, mais au contraire par l'intermédiaire d'un milieu liquide de couplage 6 tel de l'eau. Comme cela apparaît sur le dessin, la source 4 comprend un élément transducteur 7 qui permet de transformer en vibrations ultrasonores un signal électrique issu d'un ensemble générateur 8. Sans pour autant que cela ait de valeur limitative pour l'invention, le signal électrique se présente sous la forme d'un train de sinusoïdes et le transducteur transforme ce signal en une vibration de fréquence ultrasonore dite impulsion ultrasonore. Outre sa fonction d'émission d'ondes ultrasonores, l'élément transducteur 7 assure classiquement la fonction de réception des échos engendrés par l'émission d'impulsions ultrasonores. Les échos détectés sont bien entendu transformés en signaux électriques qui sont, quant à eux, dirigés vers un dispositif de traitement 9. On sait que pour les fréquences élevées, notamment au delà de quelques dizaines de mégahertz, il est nécessaire d'équiper la face 10 du transducteur 7 orientée vers la couche de matériau à étudier d'un élément ll retardateur de la propagation des ondes ultrasonores. Cet élément retardateur ll connu sous le nom de ligne à retard permet généralement d'induire un retard de propagation suffisant pour améliorer la séparation entre les impulsions ultrasonores émises et les impulsions ultrasonores reçues. L'ensemble constitué par la source et le milieu à contrôler forme d'ailleurs une ligne acoustique. Quant à l'ensemble générateur des signaux électriques, bien que cela ne soit pas limitatif pour l'invention, il s'agit d'un dispositif qui comprend principalement: - un wobulateur 12 délivrant un signal électrique sinusoïdal d'amplitude constante mais dont la fréquence varie entre deux limites, - un moyen de commande impulsionnel 13, 6 2593909 - un interrupteur électronique 14 qui, piloté par le moyen de commande impulsionnel 13, découpe le signal issu du wobulateur 12 afin d'obtenir une succession de trains de sinusoïdes (non représentés). Comi:le on le sait, il est difficile de réaliser une source ultrasonore ayant une efficacité constante sur une plage de fréquence aussi étendue que celle requise pour la fiabilité de la mesure. En outre, pour une même épaisseur "e" contrôlée, une variation de l'amplitude d'une impulsion ultrasonore en fonction de la fréquence, entraîne une modification de la figure d'interférence 15 recueillie et notamment une modification de l'amplitude de l'écho de battement 16. Comme cela a été évoqué au préambule, l'exploitation directe de ces figures d'interférences quelles qu'elles soient, induit des erreurs de mesure. On voit en figure 2 que l'émission 17 d'une impulsion ultrasonore est suivie de la réception d'un certain nombre d'échos et de groupes d'échos issus des différents milieux traversés par l'impulsion ultrasonore. Sur cette figure, l'émission 17 d'impulsion représentée est fictive et pour cette raison elle a été dessinée en traits mixtes fins. On sait que l'élément retardateur ll (ligne à retard) présente la particularité de générer au moins par sa face inférieure 18 formant l'interface 18 entre la source 4 et le milieu de couplage, un écho 19 dont le coefficient de réflexion ne dépend pas de la fréquence. Cet écho, plus après dénommé écho pilote 19, a donc son amplitude principalement liée à celle de l'impulsion ultrasonore émise par la source 4. Comme on I'a évoqué, l'amplitude de l'impulsion ultrasonore est liée à la fréquence. Il est donc aisé de comprendre que l'amplitude de l'écho pilote 19 est directement liée à la fréquence. 7 2593909 L'invention se propose d'exploiter cette constatation pour corriger toute variation de l'amplitude de l'écho de battement en fonction de la fréquence et à cet effet, après chaque émission 17 d'une impulsion ultrasonore vers le milieu 1 dont on cherche à déterminer l'épaisseur: on détecte parmi les échos engendrés,d'une part, au moins un écho de battement 16 caractéristique de l'interférence d'échos dans le milieu 1 considéré et d'autre part, au moins un écho 19 dit écho pilote temporairement décalé de l'écho de battement 16 et dont l'amplitude est directement liée à celle de l'impulsion d'émission ultrasonore 17 indépendamment de tout paramètre susceptible d'en altérer le niveau de manière aléatoire, - on élabore des signaux 20, 21 chacun représentatif de l'amplitude d'un des échos détectés à savoir l'un de battement 16 et l'autre pilote 19, - on sélectionne chacun de ces signaux de battement 20 et pilote 21 pour les adresser le premier 20 au dispositif de traitement 9 permettant d'établir au moins ultérieurement l'épaisseur de la couche mesurée, le second 21 à un dispositif d'analyse 22 dans lequel on mémorise l'amplitude de ce signal pilote 21 puis, - à un moment choisi, avant qu'ait lieu la détection des échos pilote 19 et de battement 16 engendrés par 1 'émission ultrasonore suivante, puis, - dans un dispositif 23, on compare le signal pilote 21 à une consigne prédéterminée 24 et on élabore une commande 25 proportionnelle à l'écart constaté, - en fonction de cette commande, par un moyen correcteur 26 situé en amont du dispositif de traitement 9 des échos, on influence de manière uniforme l'amplitude des signaux représentatifs d'au moins deux échos, dont d'une part, l'écho de battement 16 caractéristique de l'interférence issue du milieu contrôle et, d'autre part, l'écho pilote 19 de l'élément retardateur 11, - on reprend le procédé à l'étape initiale de détection de l'écho de battement 16 et de l'écho pilote 19 engendrés par l'émission suivante et ainsi de suite. 8 2593909 L'ajustement du niveau du signal de battement par le signal pilote à une certaine fréquence permet d'obtenir des signaux de battement de niveaux comparables dans le temps. Dans un mode préféré de mise en oeuvre, l'écho pilote 19 sélectionné est l'écho qui apparaît au niveau de l'interface entre la ligne à retard et milieu de couplage. Selon une forme préférée de mise en oeuvre de l'invention, pour constituer le moyen correcteur 26 en vue d'influencer l'amplitude des signaux 21, 20 reflétant l'amplitude des échos pilote 19 et de battement 16, on utilise un amplificateur 27 dont le gain peut être ajusté en fonction du signal électrique de commande 25. Conformément à une forme préférée de réalisation de l'invention: - on place l'amplificateur 27 entre la source ultrasonore 4 et l'entrée du dispositif 9 de traitement des échos générés de manière à amplifier le niveau des signaux reflétant tous les échos générés. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, on place l'amplificateur 27 entre l'ensemble générateur 8 de signaux électriques et la source ultrasonore 4. L'une ou l'autre de ces deux solutions donne de bons résultats. L'homme de l'art est à même de déterminer la consigne 24 mais de préférence cette consigne est établie en fonction du plus faible niveau décelable de l'écho de battement et du gain maximum de l'amplificateur 27. Outre une source ultrasonore, un ensemble générateur de signaux électriques, un dispositif 9 de traitement des signaux électriques reflétant l'amplitude des échos ultrasonores générés dans la ligne acoustique par les impulsions ultrasonores, les moyens pour la mise en oeuvre de l'invention comprennent: - un moyen de détection 28 d'au moins un écho de battement 16 caractéristique de l'interférence d'échos dans le milieu et au moins un écho 19 dit écho pilote temporairement décalé de l'écho de battement 16 et dont l'amplitude est directement liée à celle de l'impulsion d'émission ultrasonore 17 indépendamment de tout paramètre susceptible d'en altérer le niveau de manière aléatoire, Z593909 - un moyen 29 permettant d'élaborer à partir de ces échos 16, 19 des signaux 20, 21 représentatifs de leur amplitude, - des moyens 30, 31 permettant de sélectionner chacun des signaux de battement 20 et pilote 21 et de les adresser le premier 20 au dispositif de traitement 9 permettant d'établir au moins ultérieurement l'épaisseur de la couche mesurée, le second 21 à un dispositif d'analyse 22, - un dispositif d'analyse 22 comportant un moyen 32 permettant d'une part de mémoriser l'amplitude du signal pilote 21, sensiblement jusqu'à la détection des échos pilote 19 et de battement 16 engendrés par l'émission suivante et, d'autre part, d'adresser en temps voulu le signal pilote 21 mémorisé représentatif de l'écho pilote 19, un moyen 33 en vue, d'une part, de comparer ce signal pilote 21 à une valeur prédéterminée 24 et, d'autre part, d'élaborer une commande 25 proportionnelle à l'écart constaté, À un moyen correcteur 26 situé en amont du dispositif de traitement 9 des échos engendrés par l'émission ultrasonore suivante et qui permet d'influencer de manière uniforme l'amplitude des signaux représentatifs d'au moins deux échos, dont d'une part, l'écho de battement 16 caractéristique de l'interférence issue du milieu contrÈle et, d'autre part, l'écho pilote 19 de l'élément retardateur 11. Dans un mode préféré de réalisation, chacun des moyens 30, 31 est constitué par une porte électronique 30, 31 pilotée par un signal 35, 36 synchronisé avec le moyen de commande impulsionnel 13 équipant l'ensemble 8 générateur de signaux électriques. Dans un mode préféré de réalisation, le moyen permettant de comparer l'amplitude du signal pilote 21 à une consigne 24 préétablie puis de générer une commande proportionnelle à l'écart constaté est un amplificateur différentiel. L'homme de l'art est à même de déterminer le moment propice à l'ouverture de chacune des portes 30, 31 compte tenu de la répartition temporelle des échos après l'impulsion les ayant générés. Dans un mode préféré de réalisation, le moyen de mémorisation 32 est constitué d'un échantillonnement bloqueur. 2593909 De préférence, le dispositif de l'invention comprend des moyens en vue de soustraire le dispositif de traitement des échos 9, 22 de l'influence des trains de sinusoïdes issus de l'ensemble générateur 8. il 2593909 REVENDICATIONS 1. Procédé en vue de l'amélioration de la résolution d'un dispositif de mesure de l'épaisseur de couches de matériau par interférométrie ultrasonore, lequel dispositif comprend: - un ensemble (8) générateur de signaux électriques tels des trains de sinusoïdes, - une source (4) transductrice de ces signaux électriques en impulsions ultrasonores, laquelle source comprend un transducteur (7) et un élément retardateur de propagation- (11) interposé entre le milieu de couplage (6) etla couche (1) de matériau, - un dispositif (9) en vue de recueillir et de traiter les échos générés par les émissions d'impulsions ultrasonores, ce procédé étant CARACTERISE en ce qu'après chaque émission (17) d'une impulsion ultrasonore vers le milieu (1) dont on cherche à déterminer l'épaisseur: on détecte parmi les échos engendrés,d'une part, au moins un écho de battement (16) caractéristique de l'interférence d'échos dans le milieu (1) considéré et d'autre part, au moins un écho (19) dit écho pilote temporairement décalé de l'écho de battement (16) et dont l'amplitude est directement liée à celle de l'impulsion (17) d'émission ultrasonore indépendamment de tout paramètre susceptible d'en altérer le niveau de manière aléatoire, - on élabore des signaux (20, 21) chacun représentatif de l'amplitude d'un des échos détectés à savoir l'un de battement (16) et l'autre pilote (19), - on sélectionne chacun de ces signaux de battement (20) et pilote (21) pour les adresser le premier (20) au dispositif de traitement (9) permettant d'établir au moins ultérieurement l'épaisseur de la couche mesurée, le second (21) à un dispositif d'analyse (22) dans lequel on mémorise l'amplitude de ce signal pilote (21) puis, - à un moment choisi, avant qu'ait lieu la détection des échos pilote (19) et de battement (16) engendrés par l'émission ultrasonore suivante, dans un dispositif (23), on compare le signal pilote (21) à une consigne prédéterminée (24) et on élabore une commande (25) proportionnelle à l'écart constaté, - en fonction de cette commande, par un moyen correcteur (26) situé en amont du dispositif de traitement (9) des échos, on influence de manière uniforme l'amplitude des signaux représentatifs d'au moins deux échos, dont d'une part, l'écho de battement (16) caractéristique de l'interférence issue du milieu contrôle et, d'autre part, l'écho pilote (19) de l'élément retardateur (11), - on reprend le procédé à l'étape initiale de détection de l'écho de battement (16) et de l'écho pilote (19) engendrés par l'émission suivante et ainsi de suite. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, conjointement à l'écho de battement (16), on détecte l'écho pilote (19) qui apparaît au niveau de la face inférieure (18) formant l'interface entre la source (4) et le milieu de couplage, et dont le.coefficient de réflexion ne dépend pas de la fréquence. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour constituer le moyen (26) en vue d'influencer l'amplitude des signaux (21, 20) reflétant l'amplitude des échos pilote (19) et de battement (16), on utilise un amplificateur (27) dont le gain peut être ajusté en fonction du signal électrique de commande (25). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on place l'amplificateur (27) entre la source ultrasonore (4) et l'entrée du dispositif (9) de traitement des échos générés de manière à amplifier le niveau des signaux réflétant tous les échos générés. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on place l'amplificateur (27) entre l'ensemble générateur (8) de signaux électriques et la source ultrasonore (4). 6. Moyens en vue de la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisés en ce qu'ils comprennent: - un moyen de détection (28) d'au moins un écho de battement (16) caractéristique de l'interférence d'échos dans le milieu et au moins un écho (19) dit écho pilote temporairement décalé de l'écho de battement (16) et dont l'amplitude est directement liée à celle de l'impulsion d'émission ultrasonore (17) indépendamment de tout paramètre susceptible d'en altérer le niveau de manière aléatoire, - un moyen (29) permettant d'élaborer à partir de ces échos (15, 19) des signaux (20, 21) représentatifs de leur amplitude, - des moyens (30, 31) permettant de sélectionner chacun des signaux de battement (20) et pilote (21) et de les adresser le premier (20) au dispositif de traitement (9) permettant d'établir au moins ultérieurement l'épaisseur de la couche mesurée, le second (21) à un dispositif d'analyse (22)> - un dispositif d'analyse (22) comportant: À un moyen (32) permettant d'une part de mémoriser l'amplitude du signal pilote (21), sensiblement jusqu'à la détection des échos pilote (19) et de battement (16) engendrés par l'émission suivante et, d'autre part, d'adresser en temps voulu le signal pilote (21) mémorisé représentatif de l'écho pilote (19), un moyen (33) en vue, d'une part, de comparer ce signal pilote (21) à une valeur prédéterminée (24) et, d'autre part, d'élaborer une commande (25) proportionnelle à l'écart constaté, un moyen correcteur (26) situé en amont du dispositif de traitement (9) des échos engendrés par l'émission ultrasonore suivante et qui permet d'influencer de manière uniforme l'amplitude des signaux représentatifs d'au moins deux échos, dont d'une part, l'écho de battement (16) caractéristique de l'interférence issue du milieu contrôle et, d'autre part, l'écho pilote (19) de l'élément retardateur (11). 7. Moyens selon la revendication 6 caractérisés en ce que chacun des moyens (30, 31) est constitué par une porte électronique (30, 31) pilotée par un signal (35, 36) synchronisé avec le moyen de commande impulsionnel (13) équipant l'ensemble (8) générateur de signaux électriques. 8. Moyens selon la revendication 6 caractérisés en ce que le moyen permettant de comparer l'amplitude du signal pilote (21) à une consigne (24) préétablie puis de générer une commande proportionnelle à l'écart constaté est un amplificateur différentiel. 14 2593909 9. Moyens selon la revendication 6 caractérisés en ce qu le moyen de mémorisation (32) est constitué d'un échantillonnement bloqueur. 10. Dispositif de mesure de l'épaisseur de couches de matériau caractérisé en ce qu'il comprend les moyens selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.