Medición de espesor de película de doble tecnología

Nota de aplicación LA05-0010

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Resumen

La tecnología de detección capacitiva puede medir el grosor de películas no conductoras como papel o plástico. El proceso puede ser efectivo y directo para grandes cambios de grosor; sin embargo, resolver el grosor a micras requiere controlar o compensar las fuentes de error que a menudo están presentes en un entorno de producción. El problema esencial es la baja sensibilidad de un sensor capacitivo a los cambios en el grosor de la película y la alta sensibilidad a los cambios en el espacio entre el sensor y un objetivo conductor. El uso conjunto de tecnologías de detección capacitiva y de corrientes parásitas puede aliviar algunas de las fuentes de error. Se requerirán técnicas mecánicas y computacionales adicionales para producir una resolución de micras del espesor de la película.

Medición básica de película con sensores capacitivos
Medición no conductora

Figura 1. Los no conductores se pueden medir pasando el campo eléctrico a través de ellos a un objetivo conductor estacionario detrás

Los sensores capacitivos realizan mediciones basadas en la capacitancia entre el área de detección de la sonda y una superficie conductora conectada a tierra. Las aplicaciones típicas de detección capacitiva miden el cambio en la capacitancia a medida que el objetivo se acerca o se aleja de la sonda. Pero la capacitancia también cambia al cambiar la constante dieléctrica del material en el espacio entre la sonda y la superficie conductora conectada a tierra (figura 1). La mayoría de las películas tienen una constante dieléctrica considerablemente más alta que el aire; Debido a esto, los cambios en el grosor de una película entre la sonda y una superficie de referencia conductora causarán cambios en la capacitancia y cambiarán el voltaje de salida del sensor. Para obtener resultados confiables, el espacio entre la sonda y la superficie de referencia debe mantenerse constante. Debido a que la sensibilidad es mucho mayor a los movimientos de la superficie conductora que a los cambios en el espesor de la película, pequeños cambios en el espacio producirán grandes errores en el espesor de la película.

Consideraciones de sensibilidad

Los sensores capacitivos con salidas lineales también proporcionarán salidas lineales al medir el espesor de la película, pero con una sensibilidad muy reducida. Un sensor que produce un voltio de cambio por unas pocas micras de cambio en la posición de un objetivo conductor solo puede producir unos pocos milivoltios de cambio por unas pocas micras de cambio en el espesor de la película. Uno de los factores que determina la sensibilidad al espesor de la película es la constante dieléctrica del material (ε). La sensibilidad es mayor con constantes dieléctricas más altas. La siguiente tabla enumera las constantes dieléctricas de algunos materiales comunes:

Material

Constante dieléctrica (ε)

Aire 1
mylar 3.1
neopreno 6.7
Polietileno 2.25
teflón 2.1

Otro factor importante en la sensibilidad al espesor de la película es el rango calibrado del sensor capacitivo. La sensibilidad del sensor capacitivo a los cambios en el espesor de la película es inversamente proporcional al rango del sensor. Una mayor sensibilidad al cambio de espesor de la película requiere que el sensor capacitivo tenga un rango muy pequeño y esté muy cerca de la película. El siguiente cuadro muestra una relación típica entre el rango del sensor capacitivo y la sensibilidad a los cambios de espesor de la película para dos constantes dieléctricas diferentes.

Sensibilidad de la película relativa al rango del sensor capacitivo

Calibración de la sensibilidad al espesor de la película

Los sensores capacitivos generalmente están calibrados para cambios en la posición de un objetivo conductor. La determinación de la sensibilidad de un sensor capacitivo a los cambios en el espesor de la película requiere dos piezas de película de espesor conocido. Cada pieza se coloca en el espacio entre el sensor y la superficie de referencia y se mide; La diferencia entre los dos espesores y sus respectivas medidas es la sensibilidad del sistema. Debido a que la salida es lineal con respecto al grosor de la película, esta sensibilidad debería aplicarse a todas las mediciones dentro del rango del sensor.

Fuentes de error de producción primaria
Rodillos de metal

En un entorno de producción de películas, la mayoría de las mediciones de espesor se realizan a medida que la película pasa sobre un rodillo de metal. El rodillo proporciona la superficie de referencia requerida para el sensor capacitivo, pero la forma imperfecta del rodillo que gira sobre cojinetes imperfectos hace que el rodillo se mueva hacia y lejos de la sonda capacitiva a medida que el rodillo gira (figura 2).

Figura 2. Los rodillos imperfectos en rodamientos imperfectos crean una fuente de error significativa para el sensor capacitivo

Escaneos

Muchas aplicaciones de película necesitan escanear el grosor de la película en toda la web. Esto generalmente se logra moviendo el sensor a través de la banda paralela al rodillo. La mecánica del sistema de escaneo también es imperfecta y hace que el espacio entre el sensor y el rodillo cambie durante el escaneo (figura 3).

Figura 3. La mecánica imperfecta del escáner también crea una fuente de error significativa para el sensor capacitivo

 

Debido a que el sensor capacitivo es mucho más sensible a los movimientos del objetivo conductor, los cambios en el espesor de la película se pierden en estos cambios del espacio entre el rodillo y el sensor.

Los sensores de corriente parásita resuelven problemas de rodillos y escaneo

Un sensor de corriente parásita no puede detectar películas ni ningún otro no conductor. Se puede usar un sensor de corriente parásita para monitorear los cambios en el espacio entre el rodillo y el sensor capacitivo. Los cambios de espacio medidos por el sensor de corriente parásita se pueden restar de los cambios medidos por el sensor capacitivo que resultan en mediciones del espesor de la película solamente (figura 4).

La medición diferencial con sensores capacitivos y de corrientes parásitas elimina los errores de cambio de brecha del sistema

Sensores imperfectos

Si los sensores capacitivos y de corrientes parásitas fueran ideales, entonces el sensor de espesor de película de doble tecnología sería una solución ideal y la medición del espesor de película se simplificaría. Debido a la sensibilidad relativamente baja del sensor capacitivo a los cambios en el espesor de la película, los pequeños errores que generalmente son insignificantes en los sensores capacitivos y de corriente parásita se convierten en factores significativos en la medición del espesor de la película. Para utilizar una solución de sensor de tecnología dual para la medición del espesor de película, las fuentes de error para los sensores capacitivos y de corriente parásita deben controlarse a un nivel menor que la resolución mínima de espesor de película requerida. Si la aplicación requiere la medición de los cambios de 2µm en el espesor de la película que está representado por 10mV, entonces las fuentes de error deben ser significativamente menores que 10mV. Existen varias fuentes de error comunes a la detección sin contacto que serán consideraciones importantes. Cada uno de ellos se discute a continuación.

Fuentes de error del sensor

Las fuentes de error del sensor tienen el potencial de ser mayores que la sensibilidad de los sensores a pequeños cambios en el grosor de la película. Cuando se utiliza un sistema de tecnología dual, los errores pueden duplicarse en magnitud si la polaridad del error es diferente para los sensores capacitivos y de corriente parásita.

Error de Linealidad

Todos los sensores de desplazamiento exhiben un pequeño error de linealidad. Los errores de linealidad ocurren cuando la sensibilidad entre los puntos de medición es inconsistente en el rango del sensor. Una especificación de error de linealidad común para sensores capacitivos y de corrientes parásitas es ± 0.2% del rango de escala completa. En el peor de los casos, los sensores capacitivos y de corrientes parásitas tendrían errores de linealidad de polaridad opuesta en el mismo punto de sus respectivos rangos. Eso daría como resultado un error combinado de 0.4% de escala completa. Para una salida 0-10V, el voltaje de error en ese punto sería 40mV. Refiriéndose a la tabla de magnitud de error relativo al final de esta sección, 40mV sería aproximadamente igual a un error de 5µm en el grosor de la película para el rango más sensible que figura en la tabla, y un error de 20mm para la calibración menos sensible (espacio más amplio). Este sistema, tal como está, no pudo medir de manera confiable los cambios 1 o 2µm en el espesor de la película. "Dominar" el sistema puede reducir en gran medida este error. Discutiremos la masterización después de discutir la deriva térmica.

Deriva térmica

Todos los sensores de desplazamiento exhiben una pequeña deriva térmica. Los cambios en la temperatura provocan cambios mecánicos en la estructura de la sonda y deriva eléctrica en algunos de los componentes electrónicos. Estos son generalmente bastante pequeños, pero con las bajas sensibilidades involucradas en la medición del espesor de la película, pueden ser significativos. La deriva térmica es principalmente un cambio de CC en la salida. La sensibilidad (ganancia) puede verse afectada, pero ese efecto es mucho menor que el cambio de CC. Una especificación de deriva térmica típica para sensores capacitivos y de corrientes parásitas es ± 0.04% Full-Scale / ° C. Cuando se usan dos sensores, es posible que sus respectivas derivaciones térmicas sean opuestas, lo que duplica el error potencial a 0.08% Full-Scale / ° C. Para un cambio de 3 ° C, la salida podría cambiar 24mV; esto es equivalente a 3µm de espesor de película para el rango más sensible, y por encima de 10µm para el rango menos sensible.

Dominar para reducir errores

La mayoría de los errores creados en una medición de espesor de película de doble tecnología resultan de las diferencias en los errores entre los dos sensores. Si los errores de los dos sensores pudieran coincidir, entonces los errores se reducirían a casi cero cuando las mediciones se combinen matemáticamente. Esto se puede lograr mediante un proceso llamado "masterización". La masterización implica la prueba ocasional y la compensación del rendimiento del sensor durante la producción. Esto se puede hacer manualmente, pero generalmente es una parte automatizada de un sistema controlado por computadora.

Dominar para reducir los errores de linealidad

La reducción de los errores de linealidad (o cualquier otro error de sensibilidad) implica sacar los sensores de la película y calibrarlos a medida que se cambia el espacio entre el rodillo y los sensores. Esto se puede lograr con un mecanismo que mueve los sensores hacia arriba y hacia abajo o un objetivo de altura múltiple se puede mover a múltiples posiciones debajo de los sensores. Los datos se recopilan de cada sensor para las diferentes brechas. Usando una tabla de búsqueda o calculando polinomios, ambos sensores se calibran matemáticamente para producir resultados idénticos en diferentes huecos. Debido a que la linealidad y la sensibilidad no son tan susceptibles a los cambios, el proceso de masterización no necesita ser frecuente.

Masterización para reducir los errores de deriva térmica

La reducción de errores térmicos solo requiere mover los sensores fuera de la película para medir el rodillo sin película presente. Mientras está fuera de la película, las salidas de los sensores se establecen matemáticamente en cero y se reanuda la medición. Si se produce una deriva térmica, se elimina restableciendo ambos sensores a cero cuando está fuera de la película. La frecuencia de esta operación estará determinada por el entorno térmico de la instalación y la estabilidad térmica de los sensores. Los cambios de temperatura frecuentes y / o grandes requerirán un dominio más frecuente.

Sensor de ruido eléctrico

Todos los dispositivos eléctricos, incluidos los sensores, producen una pequeña cantidad de ruido eléctrico en la salida. Al igual que con otras fuentes de error, este ruido es bastante pequeño pero puede llegar a ser significativo cuando se miden pequeños cambios (micras) en el espesor de la película. El ruido eléctrico se distribuye en un amplio espectro de frecuencias. Por esta razón, un filtro de paso bajo o un sensor de ancho de banda bajo pueden eliminar parte del ruido y, por lo tanto, reducir esta fuente de error. Los valores de resolución reales dependen de sensores específicos y calibración, pero los valores típicos de ruido para un sensor capacitivo es 0.004% de escala completa en el ancho de banda de 15kHz, solo 0.002% en 100Hz. Con una salida 0-10V, esto es 0.2mV. Los sensores de corriente parásita tienen valores de resolución típicos alrededor del 0.008% de escala completa a 15kHz y 0.004% a 100Hz. Con una salida 0-10V, esto es 0.4mV.

Error relativo magnitud

Los cuadros a continuación muestran el cambio de voltaje del sensor para cambios de 1µm en el espesor de la película y los voltajes de error posibles en el peor de los casos para sistemas de detección de tecnología dual no dominados.

Las magnitudes de la sensibilidad de la película y las fuentes de error son aproximaciones generalizadas. Los valores específicos dependerán de la configuración final del sistema.

Áreas objetivo del sensor

El uso de sensores adyacentes capacitivos y de corrientes parásitas puede ser efectivo, pero las diferencias en la ubicación de las áreas de detección serán una fuente de error en el sistema. Los cambios en el espacio entre el sensor capacitivo y el objetivo conductor no coincidirán con los cambios en el espacio en la ubicación del sensor de corrientes parásitas; Cuando es necesaria una resolución de espesor de película de micras, este error puede ser prohibitivo. Una aplicación ideal de un sistema de espesor de doble tecnología requiere que los sensores capacitivos y de corriente parásita midan la misma ubicación; Esto requiere que los sensores sean concéntricos. Las sondas de doble tecnología especialmente diseñadas pueden hacer esto posible.