Mesure d'épaisseur de film à double technologie

Note d'application LA05-0010

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Résumé

La technologie de détection capacitive peut mesurer l'épaisseur de films non conducteurs tels que le papier ou le plastique. Le processus peut être efficace et simple pour de grands changements d'épaisseur; Cependant, la résolution de l'épaisseur en microns nécessite de contrôler ou de compenser les sources d'erreur souvent présentes dans un environnement de production. Le problème essentiel réside dans la faible sensibilité d'un capteur capacitif aux changements d'épaisseur de film et d'une sensibilité élevée aux changements dans l'espace entre le capteur et une cible conductrice. L'utilisation conjointe de technologies de détection capacitive et à courants de Foucault peut atténuer certaines des sources d'erreur. Des techniques mécaniques et informatiques supplémentaires seront nécessaires pour obtenir une résolution au micron de l'épaisseur du film.

Mesure de base du film avec capteurs capacitifs
Mesure non conductrice
Figure 1

Figure 1. Les non-conducteurs peuvent être mesurés en transmettant le champ électrique à une cible conductrice fixe située derrière

Les capteurs capacitifs effectuent des mesures en fonction de la capacité entre la zone de détection de la sonde et une surface conductrice mise à la terre. Les applications de détection capacitive typiques mesurent le changement de capacité lorsque la cible se rapproche ou s'éloigne de la sonde. Mais la capacité est également modifiée en modifiant la constante diélectrique du matériau dans l’intervalle entre la sonde et la surface conductrice mise à la terre (figure 1). La plupart des films ont une constante diélectrique considérablement supérieure à celle de l'air; de ce fait, les changements d'épaisseur d'un film entre la sonde et une surface de référence conductrice entraînent des modifications de la capacité et une modification de la tension de sortie du capteur. Pour des résultats fiables, l'espace entre la sonde et la surface de référence doit être maintenu constant. Étant donné que la sensibilité est beaucoup plus élevée pour les mouvements de la surface conductrice que pour les modifications d'épaisseur du film, de petites modifications de l'espace génèrent d'importantes erreurs d'épaisseur du film.

Considérations de sensibilité

Les capteurs capacitifs à sorties linéaires fourniront également des sorties linéaires lors de la mesure de l'épaisseur du film mais avec une sensibilité fortement diminuée. Un capteur qui produit un volt de changement pour quelques microns de changement de position d'une cible conductrice ne peut produire que quelques millivolts de changement pour quelques microns de changement d'épaisseur de film. L'un des facteurs qui déterminent la sensibilité à l'épaisseur du film est la constante diélectrique du matériau (ε). La sensibilité est plus élevée avec les constantes diélectriques plus élevées. Le tableau ci-dessous répertorie les constantes diélectriques de certains matériaux courants:

Matériaux

Constante diélectrique (ε)

Air 1
Mylar 3.1
néoprène 6.7
Polyéthylène 2.25
Teflon 2.1

Un autre facteur important dans la sensibilité à l'épaisseur du film est la plage calibrée du capteur capacitif. La sensibilité du capteur capacitif aux changements d'épaisseur du film est inversement proportionnelle à la plage du capteur. Une sensibilité accrue au changement d'épaisseur de film nécessite que le capteur capacitif ait une très petite plage et soit très proche du film. Le graphique ci-dessous montre une relation typique entre la plage du capteur capacitif et la sensibilité aux changements d'épaisseur de film pour deux constantes diélectriques différentes.

Sensibilité du film

Sensibilité du film par rapport à la plage du capteur capacitif

Calibrage de la sensibilité à l'épaisseur du film

Les capteurs capacitifs sont généralement calibrés pour les changements de position d'une cible conductrice. La détermination de la sensibilité d'un capteur capacitif aux changements d'épaisseur de film nécessite deux morceaux de film d'épaisseur connue. Chaque pièce est placée dans l’espace entre le capteur et la surface de référence et mesurée; la différence entre les deux épaisseurs et leurs mesures respectives est la sensibilité du système. La sortie étant linéaire par rapport à l'épaisseur du film, cette sensibilité devrait s'appliquer à toutes les mesures comprises dans la plage du capteur.

Sources d'erreur de production primaires
Rouleaux en métal

Dans un environnement de production de film, la plupart des mesures d'épaisseur ont lieu lorsque le film passe sur un rouleau en métal. Le rouleau fournit la surface de référence requise pour le capteur capacitif, mais la forme imparfaite du rouleau tournant sur des roulements imparfaits provoque le déplacement du rouleau vers la sonde capacitive lorsque celui-ci tourne (figure 2).

Figure 2

Figure 2. Des rouleaux imparfaits sur des roulements imparfaits créent une source d'erreur significative pour le capteur capacitif

Scans

De nombreuses applications de film doivent numériser l’épaisseur du film sur l’ensemble du Web. Ceci est généralement accompli en déplaçant le capteur sur la bande parallèlement au rouleau. La mécanique du système de numérisation est également imparfaite et entraîne un changement d’espace entre les capteurs à rouleaux lors de la numérisation (figure 3).

Scans

Figure 3. La mécanique imparfaite du scanner crée également une source d'erreur significative pour le capteur capacitif

 

Parce que le capteur capacitif est beaucoup plus sensible aux mouvements de la cible conductrice, les changements d'épaisseur de film sont perdus lors de ces changements d'espace entre le rouleau et le capteur.

Des capteurs à courants de Foucault résolvent les problèmes de rouleau et de numérisation

Un capteur à courants de Foucault ne peut pas détecter de film ou tout autre non-conducteur. Un capteur de courant de Foucault peut être utilisé pour surveiller les variations de l’écart entre le rouleau et le capteur capacitif. Les changements d’espace mesurés par le capteur à courants de Foucault peuvent être soustraits des changements mesurés par le capteur capacitif, ce qui permet de mesurer l’épaisseur du film uniquement (figure 4).

Mesure différentielle

La mesure différentielle avec des capteurs capacitifs et à courants de Foucault élimine les erreurs de changement d'espacement du système

Capteurs imparfaits

Si les capteurs capacitifs et à courants de Foucault étaient parfaits, le capteur d'épaisseur de film à double technologie serait une solution idéale et la mesure de l'épaisseur du film serait simplifiée. En raison de la sensibilité relativement faible du capteur capacitif aux changements d'épaisseur de film, de petites erreurs qui sont généralement insignifiantes dans les capteurs capacitifs et à courants de Foucault deviennent des facteurs importants dans la mesure de l'épaisseur du film. Pour utiliser une solution de capteur à double technologie pour la mesure d'épaisseur de film, les sources d'erreur des capteurs capacitifs et à courants de Foucault doivent être contrôlées à un niveau inférieur à la résolution d'épaisseur de film minimale requise. Si l'application nécessite la mesure des modifications d'épaisseur de film 2µm représentées par 10mV, les sources d'erreur doivent être nettement inférieures à 10mV. Il existe plusieurs sources d'erreur communes à la détection sans contact qui constitueront des considérations importantes. Chacun d'entre eux est discuté ci-dessous.

Sources d'erreur du capteur

Les sources d'erreur de capteur ont le potentiel d'être plus importantes que la sensibilité des capteurs à de petites variations d'épaisseur du film. Lors de l'utilisation d'un système à double technologie, les erreurs peuvent doubler si l'ampleur de la polarité est différente pour les capteurs capacitifs et à courants de Foucault.

Erreur de linéarité

Tous les capteurs de déplacement présentent une petite erreur de linéarité. Les erreurs de linéarité se produisent lorsque la sensibilité entre les points de mesure est incohérente sur la plage du capteur. Une spécification d'erreur de linéarité courante pour les capteurs capacitifs et à courants de Foucault est ± 0.2% de la plage de pleine échelle. Dans le pire des cas, les capteurs capacitifs et à courants de Foucault présenteraient des erreurs de linéarité de polarité opposées au même point de leurs plages respectives. Cela entraînerait une erreur combinée de 0.4% full scale. Pour une sortie 0-10V, la tension d'erreur à ce point serait 40mV. En vous référant au graphique de la magnitude d'erreur relative à la fin de cette section, 40mV équivaut environ à une erreur 5µm d'épaisseur de film pour la plage la plus sensible indiquée dans le graphique et à une erreur 20µm pour le calibrage le moins sensible (écart le plus large). Ce système, en l'état, ne pouvait pas mesurer de manière fiable les variations d'épaisseur de film de 1 ou 2µm. La «maîtrise» du système peut grandement réduire cette erreur. Nous discuterons de maîtrise après discussion sur la dérive thermique.

Dérive thermique

Tous les capteurs de déplacement présentent une faible dérive thermique. Les changements de température entraînent des modifications mécaniques de la structure de la sonde et une dérive électrique de certains composants électroniques. Celles-ci sont généralement assez petites, mais avec les faibles sensibilités associées à la mesure d'épaisseur de film, elles peuvent être significatives. La dérive thermique est principalement un décalage de courant continu dans la sortie. La sensibilité (gain) peut être affectée, mais cet effet est beaucoup plus petit que le décalage CC. Une spécification typique de la dérive thermique pour les capteurs capacitifs et à courants de Foucault est ± 0.04% Full Scale / ° C. Lors de l'utilisation de deux capteurs, il est possible que leurs dérives thermiques respectives soient opposées, ce qui double l'erreur potentielle en% 0.08 Full-Scale / ° C. Pour un changement de 3 ° C, la sortie peut changer 24mV; cela équivaut à 3µm d'épaisseur de film pour la plage la plus sensible et sur 10µm à la plage la moins sensible.

Maîtriser pour réduire les erreurs

La plupart des erreurs générées lors de la mesure de l'épaisseur d'un film à double technologie résultent des différences d'erreur entre les deux capteurs. Si les erreurs des deux capteurs pouvaient être mises en correspondance, les erreurs seraient alors réduites à presque zéro lorsque les mesures sont combinées mathématiquement. Cela peut être accompli par un processus appelé «mastering». La masterisation implique des tests occasionnels et une compensation des performances du capteur pendant la production. Cela peut être fait manuellement, mais est généralement une partie automatisée d'un système contrôlé par ordinateur.

Maîtriser pour réduire les erreurs de linéarité

Réduire les erreurs de linéarité (ou toute autre erreur de sensibilité) implique de déplacer les capteurs du film et de les calibrer à mesure que l'espace entre le rouleau et les capteurs change. Cela peut être accompli avec un mécanisme qui déplace les capteurs de haut en bas ou une cible à plusieurs hauteurs peut être déplacée dans plusieurs positions sous les capteurs. Les données sont collectées à partir de chaque capteur pour les différentes lacunes. À l'aide d'une table de correspondance ou en calculant des polynômes, les deux capteurs sont calibrés mathématiquement pour produire des résultats identiques à des intervalles différents. Étant donné que la linéarité et la sensibilité ne sont pas aussi susceptibles de changer, le processus de mastering n'a pas besoin d'être fréquent.

Maîtriser pour réduire les erreurs de dérive thermique

La réduction des erreurs thermiques ne nécessite que le déplacement de capteurs hors du film pour mesurer le rouleau en l'absence de film. Hors du film, les sorties des capteurs sont mathématiquement mises à zéro et la mesure reprend. Si une dérive thermique se produit, elle est supprimée en remettant les deux capteurs à zéro une fois le film retiré. La fréquence de cette opération sera déterminée par l'environnement thermique de l'installation et la stabilité thermique des capteurs. Des changements de température fréquents et / ou importants nécessiteront une maîtrise plus fréquente.

Capteur Bruit Electrique

Tous les appareils électriques, y compris les capteurs, produisent une faible quantité de bruit électrique en sortie. Comme avec d'autres sources d'erreur, ce bruit est assez petit mais peut devenir important lors de la mesure de petits changements (microns) d'épaisseur du film. Le bruit électrique est réparti sur un large spectre de fréquences. Pour cette raison, un filtre passe-bas ou un capteur à faible bande passante peut éliminer une partie du bruit et ainsi réduire cette source d'erreur. Les valeurs de résolution réelles dépendent des capteurs et de l'étalonnage spécifiques, mais les valeurs de bruit typiques d'un capteur capacitif sont 0.004% à pleine échelle à la largeur de bande 15kHz, uniquement 0.002% à 100Hz. Avec une sortie 0-10V, il s'agit de 0.2mV. Les capteurs à courants de Foucault ont des valeurs de résolution typiques autour de 0.008% à pleine échelle à 15kHz et 0.004% à 100Hz. Avec une sortie 0-10V, il s'agit de 0.4mV.

Magnitude d'erreur relative

Les graphiques ci-dessous montrent l'évolution de la tension du capteur pour 1µm, les modifications de l'épaisseur du film et les tensions d'erreur possibles dans les scénarios les plus défavorables pour les systèmes de détection à double technologie non maîtrisés.

Tensions de source d'erreur Realtive Tensions de bruit

Les magnitudes de la sensibilité du film et des sources d'erreur sont des approximations généralisées. Les valeurs spécifiques dépendront de la configuration finale du système.

Zones cibles du capteur

L'utilisation de capteurs capacitifs et à courants de Foucault adjacents peut s'avérer efficace, mais les différences d'emplacement des zones de détection constituent une source d'erreur dans le système. Les modifications de l'espace entre le capteur capacitif et la cible conductrice ne correspondront pas aux modifications de l'espace à l'emplacement du capteur de courant de Foucault; quand une résolution d'épaisseur de film de quelques microns est nécessaire, cette erreur peut être prohibitive. Une application idéale d'un système d'épaisseur à double technologie nécessite que les capteurs capacitifs et à courants de Foucault mesurent le même emplacement; cela nécessite que les capteurs soient concentriques. Des sondes à double technologie spécialement conçues peuvent rendre cela possible.