Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Von der Fakultät Maschinenbau der Universität Hannover

zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieurin genehmigte Dissertation


von

Dipl.-Ing. Ekaterina Andreeva geboren am 04.06.1976 in Moskau

2005

1. 
   Referent: Prof. Dr.-Ing. H.-H. Gatzen
   
2. 
   Referent: Prof. Dr.-Ing. F.-W. Bach Tag der Promotion: 17.06.2005
   

Inhalt

Abkürzungs- und Formelverzeichnis IV

Abstract VII

1. 
   Einleitung 1
   
2. 
   Stand der Technik 3
   
   1. 
      Wirbelstromprüfung 4
      
      1. 
         Prinzip der Wirbelstromprüfung 4
         
      2. 
         Eindringtiefe des Magnetfeldes 6
         
   2. 
      Einsatz von Wirbelstromverfahren 8
      
      1. 
         Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 8
         
      2. 
         Werkstofferkennung durch harmonische Analyse von Wirbelstromsignalen 8
         
      3. 
         Abstands- und Wegmessung mit Wirbelstromsensoren 10
         
      4. 
         Sensierung mittels Feldsensoren 11
         
   3. 
      Messungen mit Wirbelstromsensoren 14
      
      1. 
         Induktive Messaufnehmer 14
         
      2. 
         Prüfspulenarten 15
         
      3. 
         Einsatz unterschiedlicher Prüfspulenarten bei der Wirbelstrommessung 18
         
      4. 
         Prüfspulenanordnungen 20
         
      5. 
         Wirbelstromsensoren in der Mikrotechnik 22
         
   4. 
      Sensorwerkstoffe 24
      
      1. 
         Leiterwerkstoffe für den Spulenaufbau 24
         
      2. 
         Isolationsmaterialen 26
         
         1. 
            Anorganische Isolationsmaterialien 26
            
         2. 
            Organische Isolationsmaterialien. 27
            
         3. 
            Einsatz von Photolacken in der Mikrotechnologie 29
            
      3. 
         Magnetkernwerkstoffe 30
         
         1. 
            Magnetische Grundlagen 30
            
         2. 
            Magnetische Werkstoffe 32
            
         3. 
            Magnetkernwerkstoffe in der Dünnfilmtechnik 33
            
         4. 
            Nickel-Eisen-Legierungen und ihre Eigenschaften 33
            
3. 
   Aufgabe und Zielsetzung 35
   
4. 
   Vorgehensweise 36
   
5. 
   Versuchstechnik 39
   
   1. 
      Fertigungstechnologien 39
      
      1. 
         Schichterzeugung 39
         
         1. 
            Kathodenzerstäubung (Sputtern) 39
            
         2. 
            Galvanische Abscheidung 40
            
      2. 
         Photolithographieprozess 42
         
      3. 
         Strukturierung dünner Schichten 47
         
         1. 
            Nasschemischer Ätzprozess 48
            
         2. 
            Trockenätzverfahren 49
            
   2. 
      Prozessanlagen 50
      
      1. 
         Beschichtungsanlagen 50
         
      2. 
         Maskenjustier- und Belichtungsanlage 51
         
      3. 
         Ätzanlage 52
         
   3. 
      Messtechnik 53
      
      1. 
         Topographievermessung 53
         
         1. 
            Tastschnittverfahren 53
            
         2. 
            Weißlichtinterferometer (WyKo) 55
            
      2. 
         Messung magnetischer Eigenschaften 55
         
      3. 
         Messung der Materialeigenschaften 56
         
6. 
   Sensordesign. 58
   
   1. 
      Entwurf des Sensors 58
      
   2. 
      Strukturenauslegung 62
      
7. 
   Sensorfertigung 68
   
   1. 
      Aufbauvariante des Wirbelstromsensors 69
      
   2. 
      Fertigungsschritte für den Aufbau des Wirbelstromsensors 69
      
      1. 
         Herstellung von Gruben 75
         
      2. 
         Herstellung des magnetischen Kerns 77
         
      3. 
         Herstellung der Spulen 79
         
      4. 
         Herstellung von Isolationsschichten 80
         
   3. 
      Vereinzelung und Kontaktierung 81
      
8. 
   Experimentelle Untersuchungen am Sensor 84
   
   1. 
      Experimentelle Voruntersuchungen 84
      
      1. 
         Charakterisierung der Nickel-Eisen-Schichten 84
         
      2. 
         Charakterisierung von Leiterwerkstoffen 85
         
      3. 
         Untersuchung der Planarisierbarkeit von Isolationsschichten 89
         
   2. 
      Aufbau des Messstandes 93
      
   3. 
      Messungen am Wirbelstromsensor 94
      
      1. 
         Messung der in der Messspule induzierten Spannung 94
         
      2. 
         Abstandsmessung mit dem Wirbelstromsensor 97
         
         1. 
            Messung mit magnetischem Stahl 98
            
         2. 
            Messung mit schlecht leitendem, magnetischem Objekt 100
            
         3. 
            Messung mit leitendem, nichtmagnetischem Objekt 103
            
         4. 
            Vergleich der Abstandsmessungen mit unterschiedlichen Materialien 105
            
      3. 
         Wegmessung bei Schichten aus unterschiedlichen Materialien 107
         
      4. 
         Erkennung von Oberflächenfehlern bei Cu- und Stahl Messobjekten 109
         
9. 
   Diskussion der Ergebnisse 113
   
10. 
    Zusammenfassung 115
    
11. 
    Literaturverzeichnis 117
    
12. 
    Anhang 124