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Messung von Flüssigkeitsfilmen im Mikrometer-Bereich - LPSM (LASER Pattern Shift Method)

Kurzfassung

Mit Hilfe der neuen LASER Pat­tern Shift Method (LPSM) lassen sich Filme durch ein transparentes Fenster analysieren. Der Aufbau des Systems ist vergleichsweise preisgünstig und macht in Kombination mit einer Messrate größer 500.000 Hz eine vereinfachte in-line Prozess- bzw. kontinuierliche Qualitätsüberwachung im Betrieb möglich. Das System bietet viele Vorteile gegenüber der herkömmlichen CCI-Messung und erlaubt auch die Bestimmung sehr geringer Schichtdicken (< 2 µm).

Hintergrund

Die Messung von dünnen, transparenten Schichten, wie zum Beispiel Schmierfilmen, ist oft eine herausfordernde und gleichzeitig sicherheitsrelevante Messaufgabe. Hierbei kann es unter Umständen nicht möglich sein, die Messung von der Oberseite durchzuführen. Speziell wenn Schmierfilme auf der Bauteilinnenseite aufgebracht oder im Inneren von Lagern überwacht werden sollen, ist es praktikabler, von außen, zum Beispiel durch ein Sichtfens­ter, zu messen.

Problemstellung

Je nach Anwendungsgebiet kommen unterschiedliche Methoden für die Messung von Filmdicken zum Einsatz. Weit verbreitet ist die konfokale chromatische Interferomet­rie (CCI), mit der Filmdicken im Mikrometerbereich gemes­sen werden können. Mit der CCI wird, wie in Abbildung a) dargestellt, von der Oberseite gemessen. Dabei kann jedoch der Sensorkopf den Prozess stören, z. B. wenn Flüssigkeiten aufgesprüht werden sollen. Zusätzlich ist es nur unter äußerst günstigen Messbedingungen möglich, Filmdicken auch unter 100 µm zu messen. Die Messung von Schmierfilmen ist daher mit CCI oft kaum möglich oder wenig wirtschaftlich.

Lösung

Mit der neuartigen „LASER Pattern Shift Method“ (LPSM) kann die Schichtdickenmessung durch einen optischen Zugang zur Messstrecke, z. B. ein Glasfenster, von der Rückseite erfolgen. Das Messprinzip wird in der beigefüg­ten Abbildung b) dargestellt. Über ein Prisma wird der Lichtstrahl auf die zu messende Flüssigkeitsschicht einge­koppelt. Auf der Filmoberseite kommt es zur internen Totalreflexion. Eine Änderung der Schichtdicke kann durch eine Verschiebung des reflektierten Lichtstrahls auf dem Detektor sehr genau gemessen werden. Mit dieser innova­tiven Methode können Schichten mit sehr variablen Dicken gemessen werden, wobei Schichtdicken von 2 µm zuver­lässig messbar sind. Dünnere Schichten sind bei entspre­chender Auslegung des Messsystems ebenfalls erfassbar.

Vergleich der herkömmlichen Messung von der Oberseite zur Messung auf dem Prisma mittels LPSM von der Rückseite
a) Herkömmliche Messung des Schmierfilms von der Oberseite mittels konfokaler chromatischer Interferenz (CCI). b) Im Vergleich dazu Messung des Schmierfilms auf dem Prisma mittels der neuartigen LASER Pattern Shift Method (LPSM) von der Rückseite.

Vorteile

  • Schichtdicken von 2 µm bis mehrere Millimeter 
  • Dünnere Schichten sind bei entsprechender Auslegung ebenfalls messbar
  • Messraten von 500.000 Hz oder höher
  • Preisgünstige Komponenten
  • Messzugang von der Rückseite durch transparentes Fenster

Anwendungsbereiche

Konkrete Einsatzmöglichkeiten der hier vorgestellten Methode wären bspw. die Messung dünner Filme wie Schmierfilme, von Lackschichten nach dem Auftragen bzw. Aufsprühen, die Überprüfung von Folien- oder Glas­dicken, oder eine Qualitätskontrolle bei der Vorbehandlung von Oberflächen. Auch das Verhindern eines „Dry-outs“ in Wärmetauschern oder präzisere Scheibenwischersenso­ren wären eine mögliche Anwendung.

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Julia Mündel
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Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
EP anhängig
Referenznummer
18/123TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.