[其他]涂镀层厚度动态测量方法和装置

说明书

本发明涉及用磁敏感原理测量各种涂、镀层厚度，主要由磁性传感件、激磁电源和测量放大器组成，可以在涂镀过程中测量出单层、多层、磁性、非磁性涂镀层厚度。本发明利用磁性材料的表面应力效应，即磁导率随着涂镀层增厚、表面收缩应力增加而出现有规律的下降。该过程是一个弹性可逆过程，随着涂镀层厚度减薄、应力减小、磁导率将恢复原值。本发明同时可测量出涂镀过程中基体所受的应力及其变化速度，监测涂镀层腐蚀过程。

本发明涉及用磁敏感原理动态测量涂镀层厚度，是一种测量电镀、化学镀过程中涂镀层厚度及沉积速度的方法及装置。

目前，广泛使用的是静态测量镀层厚度的方法，利用射线法（χ射线，β射线），涡流法，电磁感应法，电量法，电容法等，都只能在电镀过程完成后测量镀层的厚度。在电镀、化学镀过程中，如何不中断涂镀过程，实现在连续涂镀条件下测量和控制镀层厚度是目前迫切需要解决的问题。

日本专利昭59-35698《磁性镀层的测厚方法及测量装置》提出了将空心测量线圈放入可平行移动的“L”形塑料管中，与平板形陶瓷基板保持2～3mm距离。当阴极陶瓷基板上沉积有铁镍合金镀层时，测量线圈的电感量随镀层增厚而增加。采用上述方法仅能在电镀过程中对平板形基体上的磁性单镀层进行动态测量，但采用该方法因空心线圈抗干扰能力较差，定位困难，需用玻璃镀槽，在工业生产中不易实现。

US-3341445提供了一种控制钽金属薄膜电阻值的电路，用单向半波脉动直流电源作为惠斯登电桥的直流测量电源，其交流成份和电源波动使测量电路的稳定性和测试精度受到严重影响，两个单向脉动直流电源存在着相互的耦合影响，放大器的一端直接与电解电路阳极相连接，所以总体的平衡调整困难，容易受到外界干扰影响，稳定性较差。

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，利用磁性材料的表面应力效应，通过磁性传感件在电镀、化学镀过程中不但能测量出单层镀层，而且能测量出多层镀层厚度;不但能测量出磁性镀层，而且能测量出非磁性镀层厚度;不但能测量出平板形，而且能测量出其它任意复杂形状基体上的镀层厚度，提供了一种动态测量涂镀层厚度的方法及装置。

本发明的基本原理是应用磁性材料的表面应力效应及其可逆性。现以电镀过程为例加以说明。镀层收缩应力示意图2中镀件〔4〕基体形成镀层D后将产生收缩压应力。图2中〔3〕为电镀液，〔5〕为阳极板。而镀层产生的收缩压应力将会影响磁性材料的磁特性，对软磁材料的基本磁化曲线，即B-H曲线的影响十分明显。图3列出了某些软磁材料B-H曲线在电镀过程中随镀层的增加、收缩压应力增大后，B-H曲线将向下移动。软磁材料基体电镀后基本磁化曲线变化示意图3中曲线L₁为无镀层时测得的B-H曲线，L₂为薄镀层时，L₃为厚度层时测得的B-H曲线。在初始段，即磁场强度H较小时，作H₀线，分别与L₁、L₂和L₃相交于d、e、f三点，而三个交点的磁感应强度B的数值分别为B₁、B₂和B₃。可以看出，随镀层增厚、应力增大、磁感应强度B明显下降。由此可得磁导率μ与镀层厚度和应力变化关系曲线。

μ＝B/H，H-磁场强度 B-磁感应强度

如镀层动态测量装置示意图1中，采用标准圆环制做的磁性传感件〔6〕进行电镀后，配合静态的镀层测厚仪和静态镀层应力测量装置，通过标定换算可以得始磁导率μ，分别与镀层厚度δ和镀层应力σ的变化关系曲线，即μ-σ曲线和μ-δ曲线。

磁性材料表面应力效应的可逆性表现为：当磁性体受到压力时，磁导率下降。如果这种压应力形变是在弹性形变的范围内，即压应力σ＜σm时（σm-弹性形变的极限应力），则当外加的压应力消失后，磁性体表面形状恢复原状态，而磁导率随着恢复原值。金属表面的涂镀加工过程一般都是弹性可逆过程，现以电镀过程为例加以说明，磁导率μ与涂镀层收缩应力σ变化曲线如图4，磁导率μ与涂镀层厚度δ变化曲线如图5。在电镀过程中磁性体表面形成了封闭镀层，随着时间的增长，镀层增厚，压应力δ不断增加。其应力σ的数值大小，主要取决于镀层金属的弹性模量E，沉积结晶状态系数K₁和镀层厚度δ，即：