Dual Technology Schichtdickenmessung

Anwendungshinweis LA05-0010

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Zusammenfassung

Die kapazitive Sensortechnologie kann die Dicke nichtleitender Filme wie Papier oder Kunststoff messen. Das Verfahren kann bei großen Dickenänderungen effektiv und unkompliziert sein. Das Auflösen der Dicke in Mikrometer erfordert jedoch das Steuern oder Kompensieren von Fehlerquellen, die häufig in einer Produktionsumgebung vorhanden sind. Das wesentliche Problem ist die geringe Empfindlichkeit eines kapazitiven Sensors gegenüber Änderungen der Filmdicke und die hohe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Spalts zwischen dem Sensor und einem leitenden Target. Durch die gemeinsame Verwendung von kapazitiven und Wirbelstrom-Erfassungstechnologien können einige der Fehlerquellen gemindert werden. Zusätzliche mechanische und rechnerische Techniken sind erforderlich, um eine Filmdickenauflösung von Mikrometern zu erzielen.

Grundlegende Filmmessung mit kapazitiven Sensoren
Nichtleitermessung

Abbildung 1. Nichtleiter können gemessen werden, indem das elektrische Feld durch sie zu einem stationären leitenden Ziel dahinter geleitet wird

Kapazitive Sensoren führen Messungen auf der Grundlage der Kapazität zwischen dem Sondenerfassungsbereich und einer geerdeten leitenden Oberfläche durch. Typische kapazitive Erfassungsanwendungen messen die Änderung der Kapazität, wenn sich das Ziel näher an die Sonde oder weiter von dieser entfernt. Die Kapazität wird jedoch auch durch Ändern der Dielektrizitätskonstante des Materials im Spalt zwischen der Sonde und der geerdeten leitenden Oberfläche geändert (Abbildung 1). Die meisten Filme haben eine Dielektrizitätskonstante, die erheblich höher ist als die von Luft. Aus diesem Grund führen Änderungen der Dicke eines Films zwischen der Sonde und einer leitenden Referenzfläche zu Änderungen der Kapazität und zu Änderungen der Ausgangsspannung des Sensors. Für zuverlässige Ergebnisse muss der Abstand zwischen Sonde und Referenzfläche konstant gehalten werden. Da die Empfindlichkeit für Bewegungen der leitenden Oberfläche viel höher ist als für Änderungen der Filmdicke, führen kleine Änderungen des Spalts zu großen Fehlern in der Filmdicke.

Überlegungen zur Empfindlichkeit

Kapazitive Sensoren mit linearen Ausgängen liefern auch lineare Ausgänge, wenn die Filmdicke gemessen wird, jedoch mit einer stark verringerten Empfindlichkeit. Ein Sensor, der eine Änderung von einem Volt für einige Mikrometer Positionsänderung eines leitfähigen Targets erzeugt, kann nur einige Millivolt Änderung für einige Mikrometer Filmdickenänderung erzeugen. Einer der Faktoren, der die Empfindlichkeit gegenüber der Filmdicke bestimmt, ist die Dielektrizitätskonstante des Materials (ε). Die Empfindlichkeit ist bei höheren Dielektrizitätskonstanten höher. In der folgenden Tabelle sind die Dielektrizitätskonstanten einiger gängiger Materialien aufgeführt:

Material

Dielektrizitätskonstante (ε)

Luft 1
Mylar 3.1
Neopren 6.7
Polyethylen 2.25
Teflon 2.1

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Empfindlichkeit gegenüber der Filmdicke ist der kalibrierte Bereich des kapazitiven Sensors. Die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors gegenüber Änderungen der Filmdicke ist umgekehrt proportional zur Reichweite des Sensors. Eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Filmdickenänderungen erfordert, dass der kapazitive Sensor einen sehr kleinen Bereich aufweist und sich sehr nahe am Film befindet. Die folgende Tabelle zeigt eine typische Beziehung zwischen der Reichweite des kapazitiven Sensors und der Empfindlichkeit gegenüber Filmdickenänderungen für zwei verschiedene Dielektrizitätskonstanten.

Filmempfindlichkeit relativ zur kapazitiven Sensorreichweite

Kalibrieren der Empfindlichkeit gegenüber der Filmdicke

Kapazitive Sensoren werden im Allgemeinen für Positionsänderungen eines leitfähigen Targets kalibriert. Die Bestimmung der Empfindlichkeit eines kapazitiven Sensors gegenüber Änderungen der Filmdicke erfordert zwei Filmstücke mit bekannter Dicke. Jedes Stück wird in den Spalt zwischen Sensor und Referenzfläche gelegt und vermessen; Der Unterschied zwischen den beiden Dicken und ihren jeweiligen Abmessungen ist die Empfindlichkeit des Systems. Da die Ausgabe in Bezug auf die Filmdicke linear ist, sollte diese Empfindlichkeit für alle Messungen im Bereich des Sensors gelten.

Primäre Produktionsfehlerquellen
Metallrollen

In einer Filmproduktionsumgebung finden die meisten Dickenmessungen statt, wenn der Film über eine Metallwalze läuft. Die Rolle bietet die erforderliche Referenzfläche für den kapazitiven Sensor, aber die unvollständige Form der Rolle, die sich auf unvollständigen Lagern dreht, bewirkt, dass sich die Rolle beim Drehen der Rolle zur kapazitiven Sonde hin und von dieser weg bewegt (Abbildung 2).

Abbildung 2. Unvollständige Rollen in unvollständigen Lagern verursachen eine erhebliche Fehlerquelle für den kapazitiven Sensor

Scans

Viele Filmanwendungen müssen die Filmdicke über die gesamte Bahn scannen. Dies wird normalerweise erreicht, indem der Sensor über die Bahn parallel zur Walze bewegt wird. Die Mechanik des Scansystems ist ebenfalls unvollkommen und führt dazu, dass sich der Abstand zwischen Walze und Sensor während des Scans ändert (Abbildung 3).

Abbildung 3. Eine unvollständige Scanner-Mechanik erzeugt auch eine signifikante Fehlerquelle für den kapazitiven Sensor

 

Da der kapazitive Sensor viel empfindlicher auf Bewegungen des leitenden Targets reagiert, gehen Änderungen der Filmdicke bei diesen Änderungen des Spalts zwischen der Walze und dem Sensor verloren.

Wirbelstromsensoren lösen Walzen- und Scanprobleme

Ein Wirbelstromsensor kann keinen Film oder einen anderen Nichtleiter erkennen. Mit einem Wirbelstromsensor können Änderungen im Spalt zwischen Walze und kapazitivem Sensor überwacht werden. Die vom Wirbelstromsensor gemessenen Spaltänderungen können von den vom kapazitiven Sensor gemessenen Änderungen subtrahiert werden, was nur zu Messungen der Filmdicke führt (Abbildung 4).

Differenzmessung mit kapazitiven und Wirbelstromsensoren beseitigt Lückenänderungsfehler im System

Unvollständige Sensoren

Wenn kapazitive Sensoren und Wirbelstromsensoren ideal wären, wäre der Dickenfühler mit Doppeltechnologie eine ideale Lösung, und die Messung der Filmdicke würde vereinfacht. Aufgrund der relativ geringen Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors gegenüber Änderungen der Filmdicke werden kleine Fehler, die bei kapazitiven Sensoren und Wirbelstromsensoren normalerweise unerheblich sind, zu signifikanten Faktoren bei der Messung der Filmdicke. Um eine Dual-Technologie-Sensorlösung für die Schichtdickenmessung zu verwenden, müssen die Fehlerquellen für die kapazitiven Sensoren und die Wirbelstromsensoren auf einen Wert geregelt werden, der kleiner als die erforderliche Mindestauflösung für die Schichtdicke ist. Wenn für die Anwendung eine Messung von 2 um Änderungen der Filmdicke erforderlich ist, die durch 10 mV dargestellt werden, müssen die Fehlerquellen deutlich unter 10 mV liegen. Es gibt verschiedene Fehlerquellen, die bei der berührungslosen Erfassung häufig auftreten und wichtige Überlegungen erfordern. Jeder von ihnen wird unten diskutiert.

Sensorfehlerquellen

Sensorfehlerquellen können größer sein als die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber kleinen Änderungen der Filmdicke. Bei Verwendung eines Dual-Technologie-Systems können sich die Fehler verdoppeln, wenn die Polarität des Fehlers für den kapazitiven Sensor und den Wirbelstromsensor unterschiedlich ist.

Linearitätsfehler

Alle Wegsensoren weisen einen kleinen Linearitätsfehler auf. Linearitätsfehler treten auf, wenn die Empfindlichkeit zwischen den Messpunkten über den Bereich des Sensors nicht konsistent ist. Eine übliche Linearitätsfehlerspezifikation für kapazitive Sensoren und Wirbelstromsensoren beträgt ± 0.2% des Messbereichsendwerts. Im schlimmsten Fall würden der kapazitive Sensor und der Wirbelstromsensor am gleichen Punkt ihrer jeweiligen Bereiche Linearitätsfehler entgegengesetzter Polarität aufweisen. Dies würde zu einem Gesamtfehler von 0.4% führen. Bei einem Ausgang von 0-10 V wäre die Fehlerspannung an diesem Punkt 40 mV. Unter Bezugnahme auf das Diagramm zur relativen Fehlergröße am Ende dieses Abschnitts würden 40 mV ungefähr einem 5-um-Fehler in der Filmdicke für den in dem Diagramm aufgeführten empfindlichsten Bereich und einem 20-um-Fehler für die Kalibrierung mit der geringsten Empfindlichkeit (breitester Spalt) entsprechen. Dieses System konnte 1 oder 2 um Änderungen der Filmdicke nicht zuverlässig messen. Durch "Mastering" des Systems kann dieser Fehler erheblich reduziert werden. Wir werden das Mastering diskutieren, nachdem wir die thermische Drift besprochen haben.

Thermische Drift

Alle Wegsensoren weisen eine geringe thermische Drift auf. Temperaturänderungen verursachen mechanische Veränderungen der Sondenstruktur und elektrische Drift in einigen elektronischen Bauteilen. Diese sind in der Regel recht klein, können jedoch aufgrund der geringen Empfindlichkeit bei der Schichtdickenmessung erheblich sein. Die thermische Drift ist in erster Linie eine Gleichstromverschiebung in der Ausgabe. Die Empfindlichkeit (Verstärkung) kann beeinflusst werden, aber dieser Effekt ist viel kleiner als die DC-Verschiebung. Eine typische Temperaturdriftspezifikation für kapazitive Sensoren und Wirbelstromsensoren ist ± 0.04% Full-Scale / ° C. Bei Verwendung von zwei Sensoren ist es möglich, dass sich ihre jeweiligen thermischen Abweichungen gegenüberstehen, wodurch sich der potenzielle Fehler auf 0.08% Full-Scale / ° C verdoppelt. Bei einer Änderung von 3 ° C kann sich die Ausgangsspannung um 24 mV ändern. Dies entspricht einer Filmdicke von 3 um für den empfindlichsten Bereich und mehr als 10 um für den am wenigsten empfindlichen Bereich.

Beherrschen, um Fehler zu reduzieren

Die meisten Fehler, die bei einer Dickenmessung mit Doppeltechnologie auftreten, resultieren aus den Fehlerunterschieden zwischen den beiden Sensoren. Wenn die Fehler der beiden Sensoren übereinstimmen könnten, würden die Fehler auf nahezu Null reduziert, wenn die Messungen mathematisch kombiniert werden. Dies kann durch einen Prozess namens „Mastering“ erreicht werden. Das Mastering umfasst das gelegentliche Testen und Kompensieren der Sensorleistung während der Produktion. Dies kann manuell erfolgen, ist jedoch normalerweise ein automatisierter Teil eines computergesteuerten Systems.

Mastering zur Reduzierung von Linearitätsfehlern

Zum Verringern von Linearitätsfehlern (oder anderen Empfindlichkeitsfehlern) müssen die Sensoren vom Film entfernt und kalibriert werden, wenn der Abstand zwischen der Walze und den Sensoren geändert wird. Dies kann mit einem Mechanismus erreicht werden, der die Sensoren auf und ab bewegt, oder ein Ziel mit mehreren Höhen kann in mehrere Positionen unter den Sensoren bewegt werden. Von jedem Sensor werden Daten für die verschiedenen Lücken gesammelt. Mithilfe einer Nachschlagetabelle oder durch Berechnen von Polynomen werden beide Sensoren mathematisch kalibriert, um identische Ergebnisse bei unterschiedlichen Abständen zu erzielen. Da Linearität und Empfindlichkeit nicht so anfällig für Änderungen sind, muss der Mastering-Prozess nicht häufig sein.

Mastering zur Reduzierung von thermischen Driftfehlern

Um Wärmefehler zu reduzieren, müssen nur Sensoren von der Folie entfernt werden, um die Walze ohne Folie zu messen. Während der Filmabschaltung werden die Ausgänge der Sensoren mathematisch auf Null gesetzt und die Messung fortgesetzt. Wenn eine thermische Abweichung auftritt, wird diese behoben, indem beide Sensoren auf Null zurückgesetzt werden, wenn sie vom Film entfernt sind. Die Häufigkeit dieses Vorgangs wird von der thermischen Umgebung der Anlage und der thermischen Stabilität der Sensoren bestimmt. Häufige und / oder große Temperaturänderungen erfordern ein häufigeres Mastering.

Elektrisches Rauschen des Sensors

Alle elektrischen Geräte, einschließlich Sensoren, erzeugen ein geringes elektrisches Rauschen im Ausgang. Wie bei anderen Fehlerquellen ist dieses Rauschen recht gering, kann jedoch bei der Messung kleiner Änderungen (Mikrometer) der Filmdicke erheblich werden. Elektrisches Rauschen verteilt sich auf ein großes Frequenzspektrum. Aus diesem Grund kann ein Tiefpassfilter oder ein Sensor mit geringer Bandbreite einen Teil des Rauschens entfernen und dadurch diese Fehlerquelle reduzieren. Die tatsächlichen Auflösungswerte hängen von bestimmten Sensoren und der Kalibrierung ab. Typische Rauschwerte für einen kapazitiven Sensor sind jedoch 0.004% Full-Scale bei einer Bandbreite von 15 kHz und nur 0.002% bei 100 Hz. Bei einem Ausgang von 0-10 V sind dies 0.2 mV. Wirbelstromsensoren haben typische Auflösungswerte um 0.008% Full-Scale bei 15 kHz und 0.004% bei 100 Hz. Bei einem Ausgang von 0-10 V sind dies 0.4 mV.

Relative Fehlergröße

Die folgende Tabelle zeigt die Spannungsänderung des Sensors für Änderungen der Filmdicke um 1 μm und die möglichen Fehlerspannungen in Worst-Case-Szenarien für unbeaufsichtigte Dual-Technology-Sensorsysteme.

Größen der Filmempfindlichkeit und Fehlerquellen sind verallgemeinerte Näherungen. Bestimmte Werte hängen von der endgültigen Systemkonfiguration ab.

Sensor-Zielbereiche

Die Verwendung benachbarter kapazitiver Sensoren und Wirbelstromsensoren kann effektiv sein, Unterschiede in der Position der Erfassungsbereiche sind jedoch eine Fehlerquelle im System. Änderungen in der Lücke zwischen dem kapazitiven Sensor und dem leitenden Target stimmen nicht mit Änderungen in der Lücke an der Position des Wirbelstromsensors überein. Wenn eine Filmdickenauflösung von Mikrometern erforderlich ist, kann dieser Fehler untragbar sein. Eine ideale Anwendung eines Dickenmesssystems mit zwei Technologien erfordert, dass der kapazitive und der Wirbelstromsensor denselben Ort messen. Dies setzt voraus, dass die Sensoren konzentrisch sind. Möglich machen dies speziell entwickelte Dual-Technologie-Sonden.