Brevet FR2656086A1 — publié le 19910621

SYSTÈME À CWJRPNS DE FOUCAULT À BALAYAGE DE FREÉOEE POUR MESURER L'ÉPAISSEUR D'UN REVEMENT La présente invention concerne la mresure de l'épaisseur d'un revêtement, et plus particulièrement, l'utilisation d'un appareil à courants de Foucault à oscillateur à balayage de fréquence. Quard des substrats sont revêtus de c huches minxes, il est important de contrôler l'épaisseur de la couche Quarnd la couche a des propriétés physiques, par exemple, une impédane acoustique ou une résistance électrique, qui sont différentes de celles du substrat, le contrôle de l'épaisseur de couche est fait par des techniques classiques, telles qu'à ultra-sons ou à courants de Foucault de fréquence fixe Toutefois, lors du revé- tement de certains substrats, les matériaux du substrat et du revêtmient peuvent être peu différents, par example, le revé- tement de tubes en alliage de zirconium par du zirconium Ainsi, la différeonce de propriétés physiques est faible, ce qui rend la détermination de l'épaisseur du revêtement difficile. Par cxnséquent, un objet de la présente invention est de déterminer l'épaisseur d'un revêtement, notammennt quarnd la différence de propriétés physiques du revêtement et du substrat est faible. En bref, ces objets ainsi que d'autres sont atteints par un appareil pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat cxnstitué d'un matériau dorié, comprenant des moyens pour géenrer des courants de Foucault à fréquernce variable dans le substrat revêtu, le revêtement, et un substrat non revêtu en le matériau donné; et des moyens pour comparer les changements de conductivité du revêtement et du substrat revêtu avec ceux du substrat non revêtu en fonction des chaneaîents de fréquexnce. Un procédé selon l'invention pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat en un matériau donné, comprend les étapes suivantes: générer des courants de Foucault à fréquence variable dans le substrat, le revêtement, et un subs- trat non revêtu en le matériau doniné; et comparer les change- ments de conductivité du revêtement et du substrat revêtu avec oeux du substrat non revêtu en fonction des changements de fréquence. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente un schéma sous fornme de blocs d'un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 représente une vue en coupe de la disposi- tion des bobines sondes utilisées dans la figure 1; la figure 3 représente une vue en coupe d'un calibre d'angle utilisé pour étalonner le circuit de la présente inven- tion; la figure 4 représente un signal obtenu dans le mode de réalisation de la figure 1; et la figure 5 est un schéma partiellement sous forme de blocs d'un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente un circuit en pont 10 comprenant des bobines sondes 12 et 14 ayant chacune une connexion mise à la masse Le pont 10 comprernd aussi des inductances 16 et 18 qui sont respectivement couplées aux connaxions restantes des sondes 12 et 14 Bien que les inductances 16 et 18 puissent être rem- placées par des résistances ou des capacités, il est préférable que oe soient des iructaes de manière que la sensibilité du pont 10 soit maintenue sur una grande plage de fréquence Une source de signaux ou un oscillateur 20 balayé en fréquenre est couplé aux connexions restantes des inductances 16 et 18 La source 20 a une fréquenoe de balayage typique entre environ k Hz et 10 M Hz, et une vitesse de balayage d'environ 30 Hz, mais d'autres fréquences peuvent être utilisées De préférence, la souroe 20 est une souroe de courant constant (à haute impé- dance de sortie) de manière à améliorer le maintien de la sensi- bilité sur la plage de balayage. Des moyens de comparaison, tels que des détecteurs de phase 22 et 24, ont chacun une paire d'entrées respectivement couplées au point de raccordement des bobines 12 et 16 et au point de raordement des bobinas 14 et 18 La source 20 fournit un signal à l'entrée d'un ajusteur de phase 26 Le signal de sortie de l'ajusteur 26 est directement appliqué à l'entrée du détecteur 24 et aussi à l'entrée d'un circuit de déphasage de 90 28; le signal de sortie du circuit 28 est appliqué au détecteur 22 Ainsi le détecteur 22 est le détecteur de phase de canal Q (quadrature), et le détecteur 24 est le détecteur de phase de canal I (en phase). Ccmme cela est ccnnu dans l'art antérieur, les détec- teurs 22 et 24 peuvent chacun comprendre un pont de diodes ayant comma signal d'entrée le signal différentiel provenant des sondes 12 et 14 et de la source 20 Un signal de sortie du pont est appliqué à un filtre passe-bas à résistance-capacité Ce filtre doit avoir une constante de temps plus grande que la période de la fréquence limite basse de la fréquence balayée, par exemple, 1/10 k Hz, et inférieure à la période de la vitesse de balayage, par exemple, 1/30 Hz Les détecteurs de phase 22 et 24 trans- mettent pratiquement le signal différentiel provenant des sondes 12 et 14 s'il est en phase avec le signal de l'oscillateur de référence appliqué au détecteur respectif et ne tranrsmettent pas le signal différentiel d'entrée s'il est déphasé par rapport à celui-ci. Le signal de sortie de canal Q du détecteur 22 est appliqué à un circuit d'asservissement 30, qui ccmprend un mani- pulateur mécanique (non représenté) pour contrôler la position de la sodore 12, comme cela est représenté par la ligne en pointillés 32 Le signal de sortie de canal Q du détecteur 22 est aussi appliqué à l'entrée verticale d'un affichage à tube à rayons cathodiques (CRT) 33 dont le balayage horizontal est synchronisé avec le balayage en fréquence de la source 20. Le signal de sortie de canal I du détecteur 24 est appliqué à l'entrée d'un amplificateur 34 qui fournit un signal de sortie à un ccrmmutateur 36 Quand le comuutateur 36 est cmmuté sur un contact 38 pour un mode d'affichage direct, le signal de sortie de l'amplificateur 34 est appliqué à l'entrée verticale d'un affichage à tube à rayons cathodiques 40 qui comprend aussi un axe de balayage temporel horizontal synchronisé avec le balayage de la fréquere de la source 20 de manière à afficher une fréquernce de transition (coeme cela sera expliqué ci-dessous). Quand le camutateur 36 est ccmmuté sur le contact 42, un mode d'ajustage de courbe numérique est sélectionné Le signal de sortie de l'amplificateur 34 est appliqué à un circuit d'ana- lyse à régression 44 qui peut comprendre un microproesseur programme pour mettre en oeuvre un ajustage aux moindres carres, une technique de vraismanblance maxi Tum, etc, comme cela est connu dans l'art antérieur, de manière à déterminer la fréquence de transition Un circuit câblé pourrait aussi être utilisé Le signal de sortie de fréquenc de transition du circuit 44 est appliqué à un circuit 46, par example une mémoire morte (ROM), qui a été programro avec une table d'épaisseurs de revêtaement en fcx Ktion des fréquences de transition (comme cela sera expliqué cidessous) Le signal de sortie d'épaisseur de revêtement du circuit 46 est appliqué à un affichage 47 qui peut être un affichage analogique ou numérique de l'épaisseur de revêtement. Quand le commutateur 36 est commuté sur un contact 48, le signal de sortie de l'amplificateur 34 est appliqué à un différentiateur 50 pour calculer la dérivée première dudit signal de sortie Le signal de sortie du différentiateur 50 est appliqué à un circuit diviseur 52 qui peut oei; rendre un microprooesseur programma pour calculer un quotient Des circuits numériques ou analogiques câblés pour calculer des quotients, connus dans l'art antérieur, peuvent aussi être utilisés Le signal de sortie du différentiateur 50 est aussi appliqué à un différentiateur 54 de manière à calculer la dérivée seconde du signal de sortie de l'amplificateur 34 De signal de sortie du différentiateur 54 est appliqué au circuit diviseur 52 Le signal de sortie du circuit diviseur 52 est appliqué à l'entrée verticale d'un affichage à tube à rayons cathodiques 56 dont le balayage du canal horizontal est aussi synchronisé avec le balayage de la fréquence de la source 20 On remarquera que les affichages 33, 40 et 56 peuvent être le même affichage doté d'un commutateur (non representé) à l'entrée de l'affichage sélectionnant les sorties des circuits 22, 34 ou 52 selon la position du commutateur 36 ou l'opération d'ajustage de phase (décrite ci-dessous) Un oscilloscope à double trace peut aussi être utilisé pour l'affichage. Comme cela est représenté dans la figure 2 (a), pendant la première opération appelée "ajustement de phase", la sonde 12 est placée à proximité d'un substrat 58 ayant un revêtement ou un plaquage 60 d'épaisseur connue ou non, l'axe de la bobine étant de préférence perpendiculaire au substrat La sonde 14 est placée à proximité d'un substrat de référence non revêtu 62 du même matériau que le subtrat 58, l'axe de la sonde étant de préfé- rence perpendiculaire au substrat, comre cela est représenté à la figure 2 (b) En général, les substrats 58 et 62 et le revêtement peuvent être en n'importe quel matériau conducteur, par exemple en métal, en plastique conducteur, en matériau composite, etc Les deux sondes 12 et 14 et les substrats 58 et 60 sont normalement immobiles Un signal à fréquenoe balayée est généré par une source 20 qui crée des courants de Foucault dans les substrats 58 et 62 et le revêtement 60 selon leurs conductivités respectives à la fréquence instantanée Le détecteur de phase de canal Q 22 compare ces onductivités en comparant l'amplitude et la phase des tensions que génèrent les courants de Foucault dans les bobines 12 et 14, la comparaison étant affichée sur l'affichage 33 Le circuit d'ajustement de phase 26 est alors calibré de manière à obtenir une ligne d'affichage 64 la plus horizontale possible sur l'affichage 33, c'est-à-dire la plus petite sensibilité possible du détecteur canal Q 22 à des différences de chargement de conductivité Ceci correspod approximativement à la sensibilité maximum du détecteur de canal I 22 à des changements de conductivité différentiels des substrats 58 et du revêtement 60 par rapport au substrat 62, et aussi à la sensibilité maximum du détecteur de canal Q 22 à des chanemaents de distance entre la sonde 12 et le substrat 58 Ces chanrgeents seront ultérieurement appelés "décalage" (lift-off). L'étape suivante est l'étalonnage, et, comme cela est représenté à la figure 3, la sonde 12 est disposée à proximité d'un substrat 66 ayant un revêtement en forme de coin 68. L'épaisseur du revêtement 68 varie de faaçon connue en fnction de la distance le longr du substrat 66 Au lieu d'être en forme de coin, le revêtement 68 peut être en forme d'escalier (échelcns) avec des échelons d'épaisseur connue La sonde 14 est toujours disposée comme oela est représenté à la figure 2 (b) La source 20 est activée et sa frequence est balayée Quand la scnde 12 est à proximité d'une partie fine du revêtement 68 et quand la fréquence est basse, les courants de Foucault pénètrent dans le revêtement 68 et le substrat 66 Ainsi les signaux des sondes 12 et 14 sont presque égaux et le pont 10 est presque équilibré puisque les sondes 12 et 14 mesurent respectivement pratiquement les ocductivités des substrats 66 et 62, qui sont égales Tarndis que la fréquence est augmentée, l'équilibre se maintient au début, mais, au fur et à mesure, l'effet de peau empêche de plus en plus les courants de Foucault de pénétrer le substrat 66 et le déséquilibre du pont augmente comee le montre la courbe 70 de la figure 4 Vers la fin, le déséquilibre se stabilise puisqu'on mesure alors pratiquement la conductivité du revêtement 68 A moitié chemin entre les portions de courbe 70 corresponxant à ces niveaux, on a une fréquence de transition f 2 qui se produit quand l'épaisseur du revêtement 68 est égale à la profondeur de peau. Puisque l'épaisseur de revêtement est connue, on obtient un point d'étalonnage de fréquence en fonction de l'épaisseur qui est stocké dans le circuit 46 et les axes horizontaux des affichages et 56 sont étalonnés La sonde 12 est alors déplacée à proxi- mité d'une partie plus épaisse du revêtement 68 et le processus est répété tel qu'il est représenté par la courbe 72 Cette fois ci une nouvelle fréquence de transition fi inférieure à f 2 est obtenue Le nouveau point d'étalonnage est stocké dans le circuit 46 et les axes horizontaux des affichages 40 et 56 sont étalonnés Ce processus est répété plusieurs fois jusqu'à l'obtention d'un nombre suffisant de points d'étalonnage Bien sûr, on peut utiliser d'abord un revêtement épais pour l'étalon- nage et ensuite des revêtements plus minces. L'étape suivante consiste à utiliser l'appareil selon l'invention pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement inconnu en disposant la sonde 12 à proximité d'un substrat 58 ayant un revé- tement 60 d'épaisseur inconnue, comme cela est représenté à la figure 2 (a) La sonde 12 est balayée lentement au-dessus du subs- trat 58 uni ou bidimensionnellement Selon un autre mode de réalisation, le substrat 58 peut être déplacé, la sonde étant immobile, ou une combinaison de ces deux déplacements peut être utilisé notamment pour un balayage bidimensionnel o l'un desdits déplacements peut être dans une direction et l'autre déplacement perpendiculaire à cette direction Par "lentement" on entend que ce balayage mécanique est lent par rapport à la vitesse de balayage de la source 20 Si désiré, pendant ce balayage, le signal de sortie du détecteur de canal Q 22 peut être utilisé pour contrôler le circuit d'asservissaent 30 qui maintient l'éloignement entre la sonde 12 et le substrat 58 sensiblement constant, c'est-à-dire minimise le décalage, pour des mesures plus précises d'épaisseur La sonde 14 est toujours disposée comme cela est représenté à la figure 2 (b). L'amplificateur 34 fournit un signal désigné par la référence 74 dans la figure 1 Si le mode d'affichage direct est sélectionné par le commutateur 36, le signal 74 sera affiché par l'affichage 40 Si le mode d'ajustage de courbe numérique est sélectionné, le circuit d'analyse à régression 44 détermine la fréquence de transition correspondant le mieux au signal 74. Ensuite un signal représentant cette fréquence est appliqué au circuit 46 et une épaisseur correspondant à cette fréquence est lue et affichée par l'affichage 47. Si le mode quotient pente sur courbure est sélectionné, le déséquilibre du pont n'est pas direatement utilisé mais la dérivée première du signal 74, représentée par le signal 76, est calculée par le circuit 50 Ensuite la dérivée seconde du signal 74, représentée par le signal 78, est calculée par le circuit 54 Le quotient signal 76 sur signal 78 est alors calculé par le circuit 52 Aux fréquences élevées et basses la dérivée première est petite A la fréquence de transition la dérivée est grande et la dérivée seconde s' annule Le quotient, représenté par le signal 80, est maximum au point d'inflexion de la courbe de désé- quilibre de pont en fonction de la fréquence Ainsi è procédé est une mesure très sensible de la fréquence de transition Le signal 80 est alors affiché par l'affichage 56. Si on le souhaite, et si on utilise un balayage bidi- mensionnel, le signal de sortie de l'amplificateur 34 peut être utilisé pour former une image spatiale sur un affichage (non représenté) en échelle de gris ou en couleur. On remarquera que la présente invention prévoit un appareil sensible et un procédé pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat même quand la différence de propriétés physiques du revêtement et du substrat est petite De plus, on remarquera que beaucoup d'autres modes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, comme cela est représenté à la figure 5, au lieu de faire partie d'un circuit en pont 10, les sondes 12 et 14 peuvent être couplées aux entrées respectives d'un nxmyen de coaparaison à amplificateur différentiel 82 Une entrée de chacun des détecteurs 22 et 24 est couplée à la sortie de l'amplificateur 82, et les entrées restantes des détecteurs 22 et 24 sont mises à la masse Le reste du circuit est identique à celui représenté dans la figure 1. REVEDICATIONS 1 Appareil pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat en un matériau donné, caractérisé en ce qu'il cmprernd: des moyens pour générer des courants de Foucault à fréquerrx variable dans le substrat revêtu ( 58), le revêtement ( 60), et un substrat rnon revêtu ( 62) en le matériau doué; et des moyens pour comparer les chanrements de conducti- vité du revêtement et du substrat revêtu avec oeux du substrat non revêtu en fonction des changements de fréquence. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour omeparer comprennent des moyens pour détecter les différernces de phase entre les courants de Foucault. 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour générer comprenoent une première ( 12) et une seconde ( 14) bobine sonde adaptées à être respectivement disposées à proximité des substrats revêtu et non revêtu. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour generer comprennent un circuit en pont ( 10) dont font partie la première ( 12) et la deuxième ( 14) bobine. 5 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit en pont ( 10) comprend une troisième ( 16) et une quatrième ( 18) bobine. 6 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour comparer caomprennent un amplificateur différentiel ( 82) ayant une paire d'entrées respectivement couplées auxdites bobines. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour géenérer comprennent un oscillateur ( 20) dont la fréquence est balayée entre 10 k Hz et 10 M Hz. 8 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'affichage couplés auxdits mnyens pour comparer. 9 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprexnd en outre un circuit d'analyse à régression ( 44) couplé auxdits moyens pour comparer, et une mémoire ( 46) de valeurs d'épaisseur fonction de la fréquence couplée audit circuit d'analyse. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en oe que le circuit d'analyse est un circuit de moindres carrés. 11 Appareil selon la revendication 9, caractérisé en oe que le circuit d'analyse est un circuit de vraisemblanre maximum. 12 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier différentiateur ( 50) couplé auxdits moyens pour carparer, un deuxième différentiateur ( 54) couplé au premier différentiateur, et un circuit diviseur ( 52) couplé aux deux différentiateurs. 13 Appareil pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat en un matériau donné, caractérisé en oe qu'il comprend: une première ( 12) et une deuxième ( 14) bobine sonde adaptées pour être disposées respectivement à proximité du subs- trat revêtu ( 58) et d'un substrat non revêtu ( 62) en le matériau donné; un oscillateur ( 20) à balayage de fréquence couplé à ces bobines; et des moyens, couplés auxdites bobines et à l'oscil- lateur, pour comrparer les chargements de conductivité du revête- ment et du substrat revêtu avec ceux du substrat non revêtu en fonction de changements de fréqupene. 14 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en oe qu'il comprend en outre les substrats revêtu ( 58) et nonr revêtu ( 62). Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que chacun des substrats est constitué d'un alliage de ziroe- nium, et que le revêtement est constitué de zirconium. 16 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il cmqprend en outre un circuit en pont ( 10) compreniant lesdites bobines sondes. 17 Appareil selon la revendication 16, caractérisé en oe que le circuit en pont ( 10) comprend une troisième ( 16) et une quatrième ( 18) bobine respectivement couplées à la première ( 12) et à la deuxième ( 14) bobines. 18 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en oe que l'oscillateur ( 20) à balayage de fréquence fournit une fréquenxe balayée entre 10 k Hz et 10 M Hz. 19 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en oe que les moyens pour oemparer comprennent un premier détecteur de phase ( 22) couplé auxdites bobines, oe détecteur étant couplé à l'oscillateur ( 20). 20 Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il ccnprend en outre un deuxième détecteur de phase ( 24) couplé auxdites bobines, et un déphaseur de 90 ( 28) couplé entre 1 'oscillateur ( 20) et le deuxième détecteur ( 24). 21 Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il conprend en outre des moyens d'ajustement de phase ( 26) ayant une entrée couplée à l'oscillateur ( 20) et une sortie couplée au premier détecteur ( 22) et au déphaseur ( 28). 22 Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'asservissement ( 30) couplé au deuxième détecteur ( 24) et couplé mécaniquement à la bobine ( 12) disposée à proximité du substrat revêtu ( 58). 23 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens pour coeiparer coeprennent un amplificateur différentiel ( 82) ayant une paire d'entrées respectivement couplées auxdites bobines. 24 Procédé pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement sur un substrat en un matériau donné, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: générer des courants de Foucault à fréquence variable dans le substrat ( 58), le revêtement ( 60), et un substrat non revêtu ( 62) en le matériau donné; et comparer les changaments de conductivité du revêtement ( 60) et du substrat revêtu ( 58) avec ceux du substrat non revêtu en fonction des changements de fréquene. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe que l'étape de comparaison comrprend la détection des différences de phase entre les courants de Foucault. 26 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe que l'étape de génération comprend la génération d'une fré- quence R qui est balayée entre environ 10 k Hz et 10 M Hz. 27 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe qu'il comprend en outre l'affichage des courants de Foucault cximparés. 28 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe qu'il comprend en outre le calcul d'une fréquee de transi- tion, et la détermination de l'épaisseur à partir de cette fréqueoe de transition. 29 Procédé selon la revendication 28, caractérisé en oe que l'étape de calcul utilise la méthode des moindres carres. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en o que l'étape de calcul utilise la méthode de vraisemblanoe maximulm. 31 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe qu'il comprend en outre le calcul de la dérivée première d'un signal représentant les changements de conductivité omparées, le calcul de la dérivée seconde dudit signal, et le calcul du quotient entre les dérivées premanière et seconde. 32 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe qu'il comnprend en outre la réalisation d'un ajustement de phase pour obtenir une sensibilité maximum. 33 Procédé selon la revendication 24, caractérisé en oe qu'il camprend en outre la réalisation d'un étalonnage en utilisant un substrat muni d'un revêtement d'épaisseur connue.