ВИХРЕТОКОТЕПЛОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХТОНКИХ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЙ
HEAT EDDY CURRENT METHOD OF HYPERFINE METAL COATINGS PARAMETERS CONTROL

Изобретение относится к комбинированным методам неразрушающего контроля, а именно к вихретокотепловому измерению параметров (толщины, структурного состояния, электрофизических и теплофизических свойств) особенно сверхтонких однослойных металлических покрытий и многослойных металлических слоев, нанесенных на диэлектрические основания современными высокими нанотехнологиями, являющимися основой промышленности.
Известны различные физические метода неразрушающего контроля параметров металлических покрытий на диэлектрическом основании [Неразрушающий контроль. Справочник в 8 томах под ред. чл.-корр. РАН Клюева В.В. Т.3, 4. М.: Машиностроение, 2004, 896 с.].
Перечисленные способы по разным причинам не позволяют осуществлять одновременный контроль, например, толщины, структурного состояния материала, электрофизических и теплофизических свойств материалов сверхтонких пленок, являющихся основой современного высокотехнологического оборудования.
Известные методы функционально ограничены, позволяют исследовать параметры материалов, как правило, толщиной порядка от 0,5 мкм и более.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется вихретокотепловой способ контроля параметров металлических покрытий на диэлектрическом основании, заключающийся в том, что в материале металлического покрытия создают возбуждающей катушкой индуктивности вихретокового преобразователя импульсный ток, вихревые токи которого вызывают нагрев материала покрытия, измеряют этот нагрев тепловым преобразователем и [А.с. №1027591, Кл. G01N 27/90, БИ 1983, №25].
Этот способ позволяет одновременно измерять несколько параметров изделия, однако основными недостатками данного способа являются недостаточные точность и достоверность контроля, а также ограниченные функциональные возможности измерением толщины покрытий ограниченной величины.
2
1/2
x
max
max
k
o
k
о
x
k
k
max
max
max
k
Сущность вихретокотеплового способа контроля параметров сверхтонких металлических покрытий, заключающаяся в том, что в материале покрытия возбуждают катушкой индуктивности вихретокового преобразователя импульсный ток частотой, при которой выбирают отношение глубины δ проникновения вихревого тока к толщине d контролируемого покрытия в соотношении δ>d, измеряют температуру материала покрытия, нагретого импульсным током, тепловым преобразователем, далее частоту импульсного тока определяют величиной, обеспечивающей максимальную степень зависимости к ней контролируемых теплофизических параметров λ=βd, принятой авторами тепловым обобщенным параметром, в диапазоне λ=3÷5, определяющим оптимальное изменение теплофизических свойств материала покрытия по температурным зависимостям T(t), τ, где β=R(ωµµσ) - обобщенный безразмерный параметр в теории контроля вихревыми токами, характеризующий электрофизические свойства µ (относительная магнитная проницаемость материала покрытия) и σ (электрическая проводимость материала покрытия) материала покрытия, режим ω (круговая частота тока возбуждения) контроля вихретокового преобразователя и его радиус R катушки; µ - магнитная проницаемость вакуума; d=d/R - относительный безразмерный параметр, характеризующий отношение толщины d покрытия к радиусу R катушки; T(t) - зависимость максимальной температуры нагрева покрытия от времени; τ - время достижения T; и устанавливают значение начального зазора h между плоскостью возбуждающей катушки и плоскостью покрытия в соответствии с выражением (0,1-0,2)≤h/R≤0,5, обеспечивающим оптимальное изменение теплофизических свойств покрытия и значения теплового обобщенного параметра λ в диапазоне λ=3÷5, а по выходным электрическим сигналам вихретокотеплового преобразователя судят об информативных параметрах материала покрытия: вихретоковым преобразователем - о толщине и электрофизических свойствах, тепловым преобразователем - о теплофизических свойствах.
Техническим преимуществом заявляемого изобретения является повышение точности и достоверности контроля, а также расширение функциональных возможностей способа, заключающихся в измерении толщины сверхтонких покрытий, электрофизических и теплофизических свойств материала покрытий.
На фиг.1 показана кривая температурного поля U(t); на фиг.2 - экспериментальные кривые изменения температуры в зависимости от теплового обобщенного параметра T(λ) при одинаковых электрофизических свойствах материалах покрытия и ω=const, но разной толщине покрытия: кривая 1-d=10 мкм; 2-d=30 мкм; 3-d=50 мкм.
o
k
о
k
k
o
k
max
max
max
max
max
max
max
max
1/2
1/2
1/2
Способ заключается в том, что в материале покрытия определяют глубину δ проникновения вихревого тока к толщине d покрытия в соотношении: δ=[2/(ωµµσ]=2R/β>d, где ω - круговая частота колебаний тока возбуждения; µ и µ - магнитная и относительная магнитная проницаемость вакуума и материала покрытия соответственно; σ - удельная электрическая проводимость материала покрытия; R - радиус катушки индуктивности вихретокового преобразователя; β=R(ωµµσ) - обобщенный безразмерный параметр в теории контроля вихревыми токами, характеризующий электрофизические свойства материала покрытия, режим контроля ω вихретокового преобразователя и радиус R его возбуждающей катушки индуктивности; создают в материале металлического покрытия возбуждающей катушкой индуктивности вихретокового преобразователя импульсный ток, вызывающий нагрев материал покрытия, измеряют нагретый материал покрытия тепловым преобразователем, при этом частоту импульсного тока выбирают величиной, при которой все контролируемые параметры [U, τ, Δ, τ', U'(τ)], где U - максимальное напряжение на выходе теплового преобразователя в момент максимального времени τ; U'(τ), τ' - их производные; Δ - длительность импульса; в сильной степени зависели бы от теплофизических свойств материала покрытия.
2
x
k
o
х
k
k
max
max
k
Далее в способе в любом порядке выше выполненных операций назначают обобщенный параметр λ=βd=dRωµµσ, где d=d/R - относительный безразмерный параметр, характеризующий отношение толщины d покрытия к радиусу R катушки; величиной в диапазоне λ=3÷5, определяющей оптимальное изменение теплофизических свойств материала покрытия по температурным зависимостям U(t) и τ, и устанавливают значение зазора h между плоскостью возбуждающей катушки и плоскостью покрытия в соответствии с выражением (0,1-0,2)≤h/R≤0,5, обеспечивающим оптимальное изменение теплофизических свойств материала покрытия и значением обобщенного параметра λ в диапазоне λ=3÷5.
max
max
max
max
Глубину δ проникновения вихревого тока в материал покрытия выбирают больше толщины d этого покрытия с тем, чтобы плотность распределения токов по толщине покрытия можно было считать равномерной в соответствии с расчетами Ю.М.Шкарлета [Соболев B.C., Шкарлет Ю.М. Накладные и экранные датчики. Новосибирск, Наука, 1967, 146 с.], а также равномерный нагрев материала покрытия импульсным током. Частота ω импульсного тока возбуждения выбирается таким образом, чтобы все параметры теплового преобразователя [U, τ, Δ, τ', U'(τ)] зависели от теплофизических свойств материала покрытия (коэффициент теплопроводности, теплоемкость, коэффициент линейного расширения и др.). Методика выбора частоты тока широко приведена в приведенных аналогах.
1
2
max
max
max
max
max
max
1/2
Величина Δ=Δ+Δ длительности определяется из кривой температурного поля (фиг.1) зависимости U(t), которая через промежуток τ времени после начала процесса нагрева температуры достигает U максимума. Численное значение длительности Δ импульса определяют на уровне U/2, расположенном по разные стороны относительно ординаты τ. Для ускорения процесса получения информации, в качестве информативных параметров можно использовать также производные U'(τ) и τ' температурного поля.
2
x
k
о
о
Анализ слагаемых обобщенного параметра λ=βd=dRωµµσ, введенного авторами, как тепловой обобщенный параметр, показывает, что все они кроме круговой частоты ω и µ - магнитной проницаемости вакуума, зависят от изменения температуры, при этом в независимости от вариации значения толщины d тонкослойного покрытия максимальное значение параметр λ приобретает в диапазоне λ=3÷5, который обеспечивает максимальный тепловой нагрев теплофизических параметров материала покрытия. Поэтому этот параметр λ назван нами "тепловой обобщенный параметр". На фиг.2 показаны экспериментальные кривые изменения температуры в зависимости от теплового обобщенного параметра Т(λ) при одинаковых электрофизических свойствах материалах покрытий и ω=const, но разной толщине: кривая 1-d=10 мкм; 2-d=30 мкм; 3-d=50 мкм. Из графика видно, что чем тоньше покрытие, тем больше его нагрев. При увеличении толщины покрытия максимум температуры кривой уменьшается, а диапазон максимума значений λ смещается по оси абсцисс в сторону увеличения, но не превышает диапазона λ=3÷5. Пунктирная кривая, пересекающая кривые на графике, характеризует максимумы значений λ от толщины покрытий.
k
Значение начального зазора h между плоскостью возбуждающей катушки и плоскостью покрытия устанавливают в соответствии с выражением (0,1-0,2)≤h/R≤0,5, обеспечивающим оптимальное изменение теплофизических свойств материала покрытия, входящим в выражение теплового параметра, и значение теплового обобщенного параметра λ в диапазоне λ=3÷5.
Работа способа
2
x
max
max
k
Способ состоит в том, что в материале покрытия назначают частоту тока возбуждения, при которой определяют отношение глубины δ проникновения вихревого тока к толщине d контролируемого покрытия в соотношении δ>d, создают в материале покрытия возбуждающей катушкой индуктивности вихретокового преобразователя импульсный ток, вызывающий нагрев материал покрытия, измеряют нагретый материал покрытия тепловым преобразователем, причем частоту импульсного тока выбирают величиной, обеспечивающей максимальную степень зависимости к ней контролируемых теплофизических параметров. Затем в способе назначают тепловой обобщенный параметр λ=βd величиной в диапазоне λ=3÷5, определяющей оптимальное изменение теплофизических свойств материала покрытия по температурным зависимостям T(t), τ; и устанавливают значение начального зазора h между плоскостью возбуждающей катушки и плоскостью покрытия в соответствии с выражением (0,1-0,2)≤h/R≤0,5, обеспечивающим оптимальное изменение теплофизических свойств покрытия и значением безразмерного обобщенного параметра λ в диапазоне λ=3÷5, а по выходным электрическим сигналам вихретокотеплового преобразователя судят об информативных параметрах материала покрытия: вихретоковым преобразователем - о толщине и электрофизических свойствах (d, µ, σ), тепловым преобразователем - о теплофизических свойствах (теплоемкость, теплопроводность и др.).
Техническим преимуществом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа, заключающихся в измерении толщины сверхтонких покрытий, электрофизических и теплофизических свойств материала покрытий.