Brevet FR2806790A1 — publié le 20010928

I Procédé et dispositif de mesure non destructive de l'épaisseur de couches fines L'invention concemrne un procédé de mesure non destructive de l'épaisseur de 0o couches fines au moyen d'une sonde présentant un premier système de bobines situé sur un noyau intérieur et tel que son centre géométrique et le centre géométrique d'au moins une second système de bobines se couvrent, au moins le second système de bobines entourant partiellement le premier système, avec une entité d'évaluation vers laquelle des signaux des systèmes de bobines sont émis lors de mesures destinées à déterminer l'épaisseur de couche. L'invention concerne également un dispositif incluant un premier système de bobines, un second système de bobines et une calotte de montage. Les surfaces incurvées à revêtement se retrouvent surtout dans la construction d'avions, les automobiles, les préformés, les objets ménagers et le tuyautage, sur des stores vénitiens ainsi que sur beaucoup d'autres objets à mesurer à revêtement. Dans l'énergie nucléaire aussi, des couches oxydées de 20 pm sont appliquées sur des tuyaux au zircone d'environ 12 mm de diamètre destinés à échanger la chaleur. Certains procédés de mesure tactiles bien connus reposant par exemple sur le principe du courant de Foucault sont fort influencés par la forme de l'objet à mesurer. Un calibrage doit donc être effectué en fonction de la courbure. Ce calibrage exige beaucoup de temps et peut entraîner des erreurs, notamment parce que les variations de courbure ne sont pas prises en compte. Le document DE-A-41 19 903 fait état d'un procédé et d'un dispositif de mesure de l'épaisseur de couches fines permettant, dans une large mesure, de supprimer la dépendance de la valeur mesurée par rapport à la forme géométrique de l'objet à mesurer. En d'autres termes, ce procédé permet de mesurer l'épaisseur de couches fines même sur des surfaces incurvées d'objets à mesurer. Il s'agit dans ce cas d'épaisseurs de couche allant de quelques pm à plusieurs centaines de pm. Lors de cette mesure non destructive de l'épaisseur de couche, il est fait appel au procédé du courant de Foucault, qui repose lui- même sur des modifications d'un champ électromagnétique à basse ou haute io fréquence lié à une couche appliquée sur l'objet à mesurer. Un dispositif présentant un premier système de bobines sur un noyau de ferrite est par ailleurs prévu. Une gaine extérieure entourant le premier système de bobines reçoit un second système de bobines extérieur. Le tore recevant le premier système de bobines présente à son extrémité inférieure une calotte de montage conçue dans un matériau résistant au frottement. La sonde est placée sur l'objet à mesurer afin de calculer l'épaisseur de couche. Les deux systèmes de bobines sont activés simultanément avec des fréquences différentes et émettent ainsi pendant la mesure deux signaux de fréquence différente évalués avec une circuit approprié afin de calculer l'épaisseur de couche. L'épaisseur de couche est déterminée conformément aux équations indiquées dans le document DE-A-41 19 903. L'invention a pour objet d'améliorer la qualité de la valeur d'épaisseur de couche définie lors de la mesure non destructive de l'épaisseur de couches fines. Cette tâche est réalisée grâce aux caractéristiques d'invention. L'activation séquentielle d'au moins deux systèmes de bobines permet la transmission impeccable de signaux de mesure des systèmes de bobines jusqu'à une entité d'évaluation. En activant des systèmes de bobines consécutivement, selon leur fréquence respective, I'entité d'évaluation peut saisir lors de la mesure un signal non influencé par le système de bobines voisin et l'attribuer clairement à chaque système de bobines. On peut ainsi éviter toute sur-oscillation ou activation conjointe du système de bobines voisin et le signal peut donc être émis sans facteurs perturbateurs. Un autre développement avantageux du procédé prévoit l'activation des bobines à une fréquence élevée. Les variations du champ d'interaction électromagnétique observées lorsqu'on approche une tête de sonde d'un objet à mesurer peuvent ainsi être utilisée pour mesurer l'épaisseur de couche. Si les champs utilisés présentent une fréquence élevée, les couches à mesurer ne conduisent pas l'électricité, comme la couleur, par exemple, ou la conduisent faiblement, à l'image du chrome ou apparenté. Un autre développement avantageux du procédé prévoit que la durée d'émission de signaux de fréquence émis à des moments différents par le premier et au moins le second système de bobines soit limitée par des transistors à effet de champ. La séparation entre le signal de fréquence émis par le premier système de bobines et celui émis par le second est donc garantie, ce qui permet une saisie et une affectation précise des signaux de mesure. De plus, on évite toute interaction ou chevauchement lors de la transmission des signaux à l'entité d'évaluation. Le guidage des systèmes de bobines et des transistors à effet de champ via lesquels les signaux de mesure sont transmis à l'entité d'évaluation peut se faire dans un intervalle de temps bien défini permettant également l'affectation des signaux de mesure. Un autre développement avantageux du procédé prévoit une évaluation indépendante des signaux émis par le système de bobines. Un premier système de bobines peut par exemple saisir un signal déterminant essentiellement I'épaisseur de couche, tandis que le second système de bobines saisit un signal déterminant la courbure de la surface de mesure. L'évaluation séparée permet un calcul exact des deux grandeurs de mesures et par la même occasion un calcul plus précis de la valeur mesurée grâce aux formules, comme l'indique le document DE-A-41 19 903. La séparation des signaux des systèmes de bobines permet avantageusement l'activation des systèmes de bobines avec une fréquence identique et par la même occasion une simplification de la structure de guidage. Un autre développement avantageux du procédé prévoit l'activation consécutive d'un premier système de bobines dans un premier circuit et d'un second système de bobines dans un second circuit, grâce à un montage flip-flop et dans le but de procéder à une mesure. Grâce aux transistors à effet de champ avantageusement prévus, un guidage séquentiel du système de bobines pour l'émission de signaux de fréquences est possible. Il est prévu avantageusement que les circuits des systèmes de bobines présentent un montage identique, ce io qui permet une structure simple. Un autre développement avantageux du procédé prévoit que les signaux de fréquence soient conduits jusqu'à l'entité d'évaluation via un compensateur. On peut ainsi régler la relation des phases des signaux de fréquence de manière à supprimer en grande partie la dépendance indésirable des signaux de mesure par rapport à la conductibilité électrique de la matière première. Le procédé de mesure non destructive de l'épaisseur de couches fines conforme à l'invention permet donc de supprimer presque entièrement des valeurs mesurées des paramètres dérangeants tels que la courbure des surfaces ou la conductibilité de l'objet à mesurer, paramètres qui interviennent surtout lorsqu'on mesure de fines couches de quelques pm. Le dispositif conforme à l'invention prévu notamment pour la mise en oeuvre du procédé présente un noyau de ferrite situé dans une gaine et recevant un premier système de bobines ainsi qu'une calotte de montage située sur un tourillon du premier système de bobines et recevant, à l'extérieur du noyau, de manière concentrique par rapport au premier système de bobines, un autre système de bobines. Les systèmes de bobines fixés les uns par rapport aux autres et présentant avantageusement un axe central commun permettent un calcul exact dans la mesure o, le point d'application de la calotte de montage étant commun, le champ d'influence du premier et du second système de bobines part d'un axe géométrique commun. Le premier système de bobines ou système de bobines intérieur est sensible à l'épaisseur de couche tandis que le second ou extérieur est sensible à la courbure. D'autres développements avantageux sont mentionnés ci-après. Une forme d'exécution préférentielle de la sonde de mesure et d'un circuit destiné à la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention sont décrits plus en détails dans la description ci-après. On y voit: Figure 1 une vue en perspective d'une sonde de mesure, Figure 2 une coupe transversale schématique d'une tête de sonde de la sonde de mesure, 0o Figure 3 la tête de mesure conforme à la Figure 2, vue du bas, Figure 4 une représentation schématique de composants emboîtables de la sonde de mesure, Figure 5 une représentation schématique de la sonde de mesure lors de la mesure d'une surface incurvée, Figure 6 une représentation schématique du circuit destiné à la mise en oeuvre du procédé de mesure et Figure 7 un diagramme à courbes caractéristiques montrant une comparaison de valeurs de mesure saisies conformément à l'état de la technique et à l'invention. La Figure 1 consiste en une représentation en perspective d'un dispositif conçu sous la forme d'une sonde de mesure 11. La sonde de mesure 11 peut être connectée à une entité d'évaluation non représentée, via un câble 12 et une fiche de raccordement 13. La sonde de mesure 11 présente une tête de sonde 14 entourée par une gaine 16. La tête de sonde 14 est disposée par rapport à la gaine de guidage 17 de manière à pouvoir être déplacée dans le sens axial. Tout ceci est décrit plus en détails dans la Figure 4 ci-après. La Figure 2 représente une coupe schématique transversale fortement agrandie de la tête de sonde 14. La Figure 3, elle, représente la même tête de sonde, mais vue d'en bas. La tête de sonde 14 présente une gaine 18, un système de mesure étant encastré dans une masse 19 de préférence non magnétique de cette gaine. Le système de mesure consiste en un noyau 21 recevant, dans un axe géométrique 22, un tourillon central 23. Un premier système de bobines ou système de bobines intérieur 24 est disposé de façon concentrique par rapport au tourillon central 23. Un disque isolant 26 par exemple a été disposé en tête du noyau 21. Le noyau 21 dispose, en tête du tourillon central 23, d'une calotte de montage constituée d'un matériau anti-usure comme un rubis par exemple et principalement d'un matériau non magnétique. La surface de montage de la calotte de montage 27 est incurvée, son point le plus profond étant situé dans l'axe géométrique 22. Le noyau 21 présente avantageusement des rainures io diamétralement opposées qui conduisent des conduites de raccordement du système de bobines intérieur 24 dans une zone postérieure de la tête de sonde 14, les conduites étant une fois de plus raccordées à un circuit électronique 50. Un deuxième système de bobines 31 ou système de bobines externe 31 est disposé sur une surface extérieure 29 du noyau 21. Les systèmes de bobines 24, 31 ne peuvent être déplacés sur le noyau 21 et sont par exemple coulés de manière fixe de telle sorte que la tête de sonde 14 se présente sous la forme d'une entité rigide. Les parois frontales des systèmes de bobines 24, 31 orientées vers un objet à mesurer sont disposées avantageusement dans un plan commun. La surface frontale de la gaine 18 se trouve elle aussi avantageusement dans ce plan. La sonde de mesure 11 a par exemple le diamètre typique d'un stylo dans lequel le véritable système de mesure est intégré de façon mobile avec un diamètre d'environ 2 mm. En leur centre de gravité, les couches intéressantes présentent une épaisseur allant de quelques pm à 100 pm. Des couches plus épaisses de plusieurs mm peuvent également être saisies. La Figure 4 est une sorte de vue explosée de la structure de la sonde de mesure 11. La tête de sonde 14 présente un première section cylindrique 33 qui passe dans une seconde section 34 au diamètre inférieur. La section cylindrique 34 est équipée avantageusement d'un filet permettant un encastrement aisé dans la douille intermédiaire 36. Une plaque sur laquelle le circuit 50 conforme à l'invention et représenté dans la Figure 6 est prévu est fixé sur ce filet. Cette entité structurale est reçue par une douille intermédiaire 36 elle-même reçue par une douille de guidage 17, avec retour élastique grâce à un ressort hélicoïdal avantageux 37. La douille de guidage 17 présente une zone de réception 38 pouvant être raccordée à la douille 16. Grâce au positionnement élastique de la douille intermédiaire 36 dans la douille de guidage 17, la tête de mesure 14 faisant, dans une position de départ, saillie par rapport à la face frontale de la douille 16, peut être déplacée jusque dans la douille. Tout ceci a également pour but de placer la calotte de montage 27 dans le prolongement de l'axe géométrique, comme décrit ci-après dans la Figure 5. La douille intermédiaire 36 a été guidée dans la douille de guidage 17 de manière à pouvoir être déplacée dans le sens axial. Par ailleurs, une sécurité de torsion a été prévue, comme un raccordement de rainures et ressorts ou un élément de ressort 37 tendu et disposé sur la douille 36 qui s'étend dans une rainure de la douille de guidage 17. Les conduites de raccordement sont fixées à la douille de guidage 17 par l'intermédiaire d'une pièce intermédiaire 39. Ceci peut créer en même temps une décharge de traction. Le ressort 37 disposé entre la douille intermédiaire 36 et la douille de guidage 17 a été prétendu ne fût-ce que légèrement, si bien que pendant la mesure de la surface incurvée, la tête de sonde 14 repose avec une force de pression au moins légère sur la surface ou la couche à mesurer. Cette force de pression est néanmoins faible par rapport à la dureté de la couche, si bien que la mesure de l'épaisseur de couche n'entraîne aucun emplacement d'empreinte ou endommagement. La mesure d'une épaisseur de couche sur une surface incurvée est représentée par exemple dans la Figure 5. La douille 16 présente à son extrémité frontale un évidement 41 de préférence prismatique permettant, lorsqu'on place la sonde de mesure 11 sur la surface incurvée, un positionnement sûr et défini de la sonde de mesure 11 par rapport à la surface. La taille et le type d'évidement 41 peuvent être adaptés à divers objets à mesurer. La sonde de mesure 11 peut ainsi être centrée sur la surface cylindrique ou incurvée, pour permettre une mesure contrôlée. La tête de sonde 14 est par ailleurs insérée en face de sa position de départ, dans la douille 16 et le long de l'axe géométrique 22, comme le montre par exemple la Figure 1. Le ressort hélicoïdal 37 maintient la calotte de montage 27 sur la surface de l'objet à mesurer à une pression ne fût-ce que faible. L'épaisseur de couches fines peut être calculée directement après avoir posé la sonde de mesure 11 sur l'objet à mesurer. Une telle mesure est décrite ci-après à l'aide du circuit 50 conforme à la Figure 6. io Le circuit 50 se compose de deux circuits oscillants 51 et 52 presque identiques. Leur mode de fonctionnement est décrit à l'aide du circuit oscillant 51 raccordé à l'enroulement intérieur ou au système de bobines 24. Le circuit oscillant en série composé d'un condensateur 53 de ce système de bobines 24 forme, en connexion avec un transistor à effet de champ 'Dualgate' 54, un circuit à résonance sérielle actif. Ceci est possible dans la mesure o, en cas de résonance sérielle sur le système de bobines 24, une surélévation de tension manifeste se produit par rapport à la tension haute fréquence qui se forme sur une résistance 56. La condition de résonance est ainsi remplie. Le système de bobines 24 est situé unilatéralement sur un potentiel de masse. La tension apparaissant sur un système de bobines 24 est transmise jusqu'au port 2 du transistor 54 par l'intermédiaire d'une résistance 57 et d'une résistance réglable 58. La résistance réglable 58 raccordée au condensateur permet une rotation de phase telle que la dépendance indésirable de la valeur de mesure par rapport à la conductibilité de la matière première peut être presque entièrement supprimée. Un condensateur 59 détermine la rétroaction et est choisi de manière à produire sur la résistance 56 une tension presque sinusoïdale avec ondes harmoniques très réduites. Ceci permet de supprimer dans une large mesure les rayons perturbateurs. Si le port 1 du transistoresten position basse, la condition de résonance n'est plus remplie et l'oscillation est très vite absorbée. Lorsqu'on approche la tête de mesure 14 d'une matière première métallique, des courants de Foucault désaccordant le circuit oscillant 51 se forment dans cette matière première. Le rapprochement du système de bobines 24 correspond à l'effet de mesure de l'épaisseur de couche. L'effet de mesure est lié à l'épaisseur de couche par une fonction non linéaire. En règle générale, la couche isole électriquement de telle sorte que les courants de Foucault ne se forment que dans la matière première. Conformément à l'invention, le circuit 50 permet également une mesure lorsque une couche peu conductrice et non magnétique, comme du chrome par exemple, est déposée par galvanisation sur une matière première non magnétique à conductibilité nettement meilleure, 1o comme l'aluminium par exemple. Le circuit 52 fonctionne de manière analogue au circuit 51. Le système de bobines 31 activé de préférence avec une fréquence identique à celle du système de bobines 24 ne réagit généralement qu'à la courbure, la modification de fréquence influencée par la courbure servant à compenser l'influence de la courbure conformément au document DE-A-41 19 903. La fréquence d'activation des systèmes de bobines 24, 31 se situe par exemple entre 5 et 30 MHz. Deux circuits inverseurs 62, 63 garantissant la libération d'un seul transistor 54 d'un circuit 51, 52 en vue de l'oscillation sont prévus dans une conduite d'entrée de signal 61. Lorsque le point de commutation 64 est en position basse (0), seul le circuit 52 est libéré. Les deux transistors à effet de champ 'Dualgate' 54 sont reliés à une tension d'alimentation continue de 5 V par exemple via une canalisation 60 alimentée par une self-induction réduite 66, pour activer les transistors. On peut également renoncer au port 1 des transistors à effet de champ 54 et les transistors 54 peuvent être connectés ou déconnectés en alternance avec deux conduites commutées de façon discontinue. Ce type de commutation est possible via un commutateur semi- conducteur rapide. La résonance des deux transistors 54 à commutation séquentielle montre que la bobine d'induction 66 formant un circuit oscillant en série 65 avec un condensateur 67 permet de prélever à la résistance 68 la fréquence de résonance des circuits 51 et 52. Des signaux des systèmes de bobines 24, 31 peuvent ainsi être identifiés avant d'être prélevés, saisis et évalués via un point de commutation 70, par le circuit en série suivant 65. Les signaux haute fréquence sont superposés à la conduite d'alimentation continue 61. En vue de l'évaluation, les systèmes de bobines 24, 31 alternent par exemple 10 fois par seconde, de telle sorte qu'au moins 100.000 oscillations soient disponibles pour déterminer la valeur de mesure. Un nombre inférieur suffirait également. La résonance des circuits 51 et 52 est clairement définie en rapport avec la position de commutation au point de commutation 64, de telle sorte que les io deux signaux des circuits 51 et 52 puissent être rassemblés dans un circuit suivant, comme décrit dans le document DE-A-41 19 903. Le circuit représenté peut être conçu selon la technique SMD et intégré directement dans la sonde 11, comme représenté dans la Figure 4. La Figure 7 montre un diagramme à lignes caractéristiques indiquant le pourcentage de défaut de courbure en fonction du diamètre de la surface incurvée sur laquelle une mesure de l'épaisseur de couche a été effectuée. Une ligne caractéristique 81 représente les valeurs de mesure définiesjusqu'ici avec les sondes de mesure et les circuits connus à partir de l'état de la technique. On peut en déduire que le pourcentage de défauts de courbure a déjà été largement défini, en particulier dans le cas de diamètres très réduits. Le dispositif et le procédé conformes à l'invention permettent de définir des valeurs de mesure conformes à une ligne caractéristique 82 et dont le pourcentage de défauts de courbure a été sensiblement réduit. On voit ainsi clairement dans quelle mesure l'état de la technique a été amélioré. Pour l'utilisateur, c'est d'une importance capitale. Cela permet par exemple d'augmenter nettement la précision de mesure lors du contrôle de la qualité. Il Revendications 1. Procédé de mesure non destructive de l'épaisseur de couches fines avec une sonde (11) présentant un premier système de bobines (14) situé sur un noyau intérieur et tel que son centre géométrique (22) et le centre géométrique d'au moins une second système de bobines (31) se couvrent, au moins le second système de bobines (31) o10 entourant partiellement le premier système(24), avec une entité d'évaluation vers laquelle des signaux des systèmes de bobines (24, 31) sont émis lors de mesures destinées à déterminer l'épaisseur de couche, et caractérisé en ce que un circuit 50 activant de façcon séquentielle le premier et au moins le second système de bobines (24, 31) lors d'une mesure est prévu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les systèmes de bobines (24, 31) sont activés avec une fréquence élevée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les signaux de fréquences émis à des moments séparés par le premier et au moins par le second systèmes de bobines (24, 31) sont limités par l'intervalle de temps nécessaire pour transmettre les signaux de fréquence de chaque système de bobines (24, 31) à l'aide de transistors activés de préférence devant le circuit (50), de façon analogue aux systèmes de bobines (24, 31). 4. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux émis par les systèmes de bobines (24, 31) sont clairement attribués à leur système de bobine (24, 31) respectif et évalués séparément, grâce à un circuit oscillant sériel (65). 5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les systèmes de bobines (24, 31) sont activés avec la même fréquence. 6. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications I à 4, caractérisé en ce que le premier système de bobines (24) est activé avec une fréquence située entre 8 et 20 MHz et en ce que le second système de bobines (31) est activé avec une fréquence située entre 4 et 12 MHz. 7. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les oscillations des systèmes de bobines (24, 31) du champ de mesure changeant pendant la mesure sont lues au moins deux fois io par seconde. 8. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier système de bobines (24) présente un circuit (51) et le second (31) un autre circuit (52) commuté en parallèle au premier et en ce que un montage flip-flop (62, 63) est prévu, par l'intermédiaire duquel le transistor (54) affecté au système de bobines (24, 31) concerné est commuté avantageusement en fonction du temps. 9. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de fréquence émis par le système de bobines (24, 31) est transmis à l'entité d'évaluation via un compensateur (58). 10. Dispositif destiné notamment à l'exécution du procédé selon une des revendications précédentes, avec une gaine (18), un premier système de bobines (24), un second système de bobines (31) et une calotte de montage (27), caractérisé en ce que une tête de sonde (14) avec noyau de ferrite (21) recevant le premier système de bobines (24) près d'un axe (22) géométrique commun est prévue et en ce que le noyau (21) présente dans l'axe (22) commun un tourillon (23) situé à l'intérieur du premier système de bobines (24) et sur la face frontale duquel est prévue une calotte de montage (27) faisant saillie au moins partiellement par rapport à la face frontale du système de bobines (14) et en ce que un second système de bobines est disposé de façon concentrique à l'extérieur du noyau (21). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre d'oscillations du premier système de bobines (24) est égal ou inférieur à celui du second système de bobines (31). 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le premier et le second systèmes de bobines (24, 31) sont disposés de manière rigide l'un par rapport à l'autre et coulés de préférence dans une masse en fonte. 13. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le premier et le second systèmes de bobines (24, 31) sont disposés dans un plan par rapport à la face frontale de la tête de sonde (14). 14. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le noyau (21) présente au moins une entaille (28) latérale pour passer les conduites de raccordement. 15. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la tête de sonde (14) est disposée de manière à pouvoir être déplacée dans une douille de guidage (17), dans le sens axial, et de manière à pouvoir être insérée dans une douille de protection (16) elle même disposée de manière rigide par rapport à la douille de guidage (17). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la douille de protection (16) présente, sur une face frontale orientée vers la tête de sonde (14), un évidemment (41) de préférence prismatique. 17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que la tête de sonde (14) peut être insérée dans la douille de protection (16) dans le sens contraire à celui d'une force de ressort et en ce que un élément de ressort (37) est disposé avec une tension préalable au moins inférieure par rapport à la douille de protection (17). 18. Dispositif selon une des revendications 10 à 17, caractérisé en ce que le premier système de bobines (24) est sensible à l'épaisseur de couche et en ce que au moins le second système (31) est sensible à la courbure. 19. Circuit pour l'évaluation séparée de deux signaux de mesure, et notamment pour la réalisation du procédé selon une des revendications I à 9, caractérisé en ce que le désaccord de chaque bobine d'induction (24, 31) entraîne une modulation de fréquence, une bobine d'induction (24) étant influencée surtout par l'épaisseur de couche et l'autre (31) surtout par la courbure de l'objet à mesurer. 20. Circuit selon la revendication 19, caractérisé en ce que les deux bobines d'induction (24, 31) présentent une masse commune et en ce que la fréquence en un point de raccordement (70) peut être clairement attribuée au signal de fréquence correspondant.