Misurazione dello spessore del film a doppia tecnologia

Nota applicativa LA05-0010

Copyright © 2009 Lion Precision. www.lionprecision.com

sommario

La tecnologia di rilevamento capacitivo può misurare lo spessore di pellicole non conduttive come carta o plastica. Il processo può essere efficace e diretto per grandi variazioni di spessore; tuttavia, la risoluzione dello spessore in micron richiede il controllo o la compensazione di fonti di errore che sono spesso presenti in un ambiente di produzione. Il problema essenziale è la bassa sensibilità di un sensore capacitivo alle variazioni di spessore del film e l'elevata sensibilità alle variazioni della distanza tra il sensore e un target conduttivo. L'uso congiunto di tecnologie di rilevamento capacitivo e a correnti parassite può alleviare alcune delle fonti di errore. Ulteriori tecniche meccaniche e computazionali saranno necessarie per produrre una risoluzione micron dello spessore del film.

Misura di base del film con sensori capacitivi
Misura non conduttrice

Figura 1. I non conduttori possono essere misurati facendo passare il campo elettrico attraverso di essi verso un bersaglio conduttivo fisso dietro

I sensori capacitivi effettuano misurazioni in base alla capacità tra l'area di rilevamento della sonda e una superficie conduttiva collegata a terra. Le tipiche applicazioni di rilevamento capacitivo misurano il cambiamento di capacità quando il bersaglio si avvicina o si allontana dalla sonda. Ma la capacità viene cambiata anche cambiando la costante dielettrica del materiale nello spazio tra la sonda e la superficie conduttiva messa a terra (figura 1). La maggior parte dei film ha una costante dielettrica considerevolmente superiore all'aria; per questo motivo, i cambiamenti di spessore di un film tra la sonda e una superficie di riferimento conduttiva causeranno cambiamenti nella capacità e cambieranno la tensione di uscita del sensore. Per risultati affidabili, lo spazio tra la sonda e la superficie di riferimento deve essere mantenuto costante. Poiché la sensibilità è molto più elevata ai movimenti della superficie conduttiva che ai cambiamenti nello spessore del film, piccoli cambiamenti nello spazio produrranno grandi errori nello spessore del film.

Considerazioni sulla sensibilità

I sensori capacitivi con uscite lineari forniranno anche uscite lineari durante la misurazione dello spessore del film ma con una sensibilità notevolmente ridotta. Un sensore che produce un volt di variazione per alcuni micron di variazione della posizione di un target conduttivo può produrre solo pochi millivolt di variazione per alcuni micron di variazione dello spessore del film. Uno dei fattori che determina la sensibilità allo spessore del film è la costante dielettrica del materiale (ε). La sensibilità è maggiore con costanti dielettriche più elevate. La tabella seguente elenca le costanti dielettriche di alcuni materiali comuni:

Materiale

Costante dielettrica (ε)

Aria 1
Mylar 3.1
neoprene 6.7
Polietilene 2.25
Teflon 2.1

Un altro fattore importante nella sensibilità allo spessore del film è la gamma calibrata del sensore capacitivo. La sensibilità del sensore capacitivo alle variazioni di spessore del film è inversamente proporzionale alla portata del sensore. Una maggiore sensibilità al cambiamento di spessore del film richiede che il sensore capacitivo abbia una portata molto ridotta e sia molto vicino al film. La tabella seguente mostra una relazione tipica tra la gamma di sensori capacitivi e la sensibilità alle variazioni di spessore del film per due diverse costanti dielettriche.

Sensibilità del film relativa alla gamma del sensore capacitivo

Calibrazione della sensibilità allo spessore del film

I sensori capacitivi sono generalmente calibrati per i cambiamenti nella posizione di un bersaglio conduttivo. La determinazione della sensibilità di un sensore capacitivo alle variazioni di spessore del film richiede due pezzi di film di spessore noto. Ogni pezzo viene posizionato nello spazio tra il sensore e la superficie di riferimento e misurato; la differenza tra i due spessori e le rispettive misure è la sensibilità del sistema. Poiché l'uscita è lineare rispetto allo spessore del film, questa sensibilità dovrebbe applicarsi a tutte le misurazioni entro l'intervallo del sensore.

Fonti di errore di produzione primaria
Rulli di metallo

In un ambiente di produzione di film, la maggior parte delle misure di spessore avvengono mentre il film passa su un rullo di metallo. Il rullo fornisce la superficie di riferimento richiesta per il sensore capacitivo, ma la forma imperfetta del rullo che ruota su cuscinetti imperfetti fa sì che il rullo si sposti verso e lontano dalla sonda capacitiva mentre il rullo gira (figura 2).

Figura 2. I rulli imperfetti sui cuscinetti imperfetti creano una fonte di errore significativa per il sensore capacitivo

scansioni

Molte applicazioni cinematografiche devono scansionare lo spessore del film su tutto il web. Questo di solito si ottiene spostando il sensore attraverso il nastro parallelamente al rullo. Anche i meccanismi del sistema di scansione sono imperfetti e causano la modifica del gap del sensore del rullo durante la scansione (figura 3).

Figura 3. La meccanica dello scanner imperfetta crea anche una significativa fonte di errore per il sensore capacitivo

 

Poiché il sensore capacitivo è molto più sensibile ai movimenti del target conduttivo, i cambiamenti nello spessore del film vengono persi in questi cambiamenti dello spazio tra il rullo e il sensore.

I sensori a correnti parassite risolvono i problemi del rullo e della scansione

Un sensore a correnti parassite non è in grado di rilevare film o altri non conduttori. Un sensore a correnti parassite può essere utilizzato per monitorare i cambiamenti nello spazio tra il rullo e il sensore capacitivo. Le variazioni di gap misurate dal sensore a correnti parassite possono essere sottratte dalle variazioni misurate dal sensore capacitivo con conseguente misurazione dello spessore del film (figura 4).

La misurazione differenziale con sensori capacitivi e a correnti parassite elimina dal sistema gli errori di cambio spazio

Sensori imperfetti

Se i sensori capacitivi e a correnti parassite fossero ideali, allora il sensore di spessore del film a doppia tecnologia sarebbe una soluzione ideale e la misurazione dello spessore del film sarebbe semplificata. A causa della sensibilità relativamente bassa del sensore capacitivo alle variazioni di spessore del film, piccoli errori che di solito sono insignificanti nei sensori capacitivi e in correnti parassite diventano fattori significativi nella misurazione dello spessore del film. Per utilizzare una soluzione di sensore a doppia tecnologia per filmare la misurazione dello spessore, le fonti di errore per i sensori capacitivi e a correnti parassite devono essere controllate a un livello inferiore alla risoluzione minima dello spessore del film richiesta. Se l'applicazione richiede la misurazione di variazioni di 2 µm dello spessore del film, rappresentato da 10 mV, le fonti di errore devono essere significativamente inferiori a 10 mV. Esistono diverse fonti di errore comuni al rilevamento senza contatto che saranno considerazioni importanti. Ognuno di essi è discusso di seguito.

Fonti di errore del sensore

Le fonti di errore del sensore hanno il potenziale di essere più grandi della sensibilità dei sensori a piccoli cambiamenti nello spessore del film. Quando si utilizza un sistema a doppia tecnologia, gli errori possono raddoppiare in ampiezza se la polarità dell'errore è diversa per i sensori capacitivi e per correnti parassite.

Errore di linearità

Tutti i sensori di spostamento presentano un piccolo errore di linearità. Si verificano errori di linearità quando la sensibilità tra i punti di misurazione è incoerente nell'intervallo del sensore. Una specifica di errore di linearità comune per sensori capacitivi e correnti parassite è ± 0.2% dell'intervallo di fondo scala. Nello scenario peggiore, i sensori capacitivi e a correnti parassite avrebbero errori di linearità di polarità opposta nello stesso punto delle rispettive gamme. Ciò comporterebbe un errore combinato del 0.4% del fondo scala. Per un'uscita 0-10 V, la tensione di errore in quel punto sarebbe 40 mV. Facendo riferimento al grafico della magnitudine dell'errore relativo alla fine di questa sezione, 40mV sarebbero all'incirca uguali a un errore di 5 µm nello spessore del film per l'intervallo più sensibile elencato nel grafico e un errore di 20 µm per la calibrazione meno sensibile (gap più ampio). Questo sistema così com'è non è stato in grado di misurare in modo affidabile variazioni di 1 o 2 µm nello spessore del film. Il "mastering" del sistema può ridurre notevolmente questo errore. Discuteremo del mastering dopo aver discusso della deriva termica.

Deriva termica

Tutti i sensori di spostamento presentano una piccola deriva termica. Le variazioni di temperatura causano variazioni meccaniche nella struttura della sonda e deriva elettrica in alcuni dei componenti elettronici. Di solito sono piuttosto piccoli, ma con le basse sensibilità legate alla misurazione dello spessore del film, possono essere significativi. La deriva termica è principalmente uno spostamento CC in uscita. La sensibilità (guadagno) può essere influenzata, ma quell'effetto è molto più piccolo del DC shift. Una specifica tipica della deriva termica per sensori capacitivi e a correnti parassite è ± 0.04% fondo scala / ° C. Quando si utilizzano due sensori, è possibile che le rispettive derive termiche siano opposte, il che raddoppia il potenziale errore a 0.08% a fondo scala / ° C. Per una variazione di 3 ° C, l'uscita potrebbe cambiare 24mV; questo equivale a 3 µm di spessore del film per l'intervallo più sensibile e oltre 10 µm per l'intervallo meno sensibile.

Mastering per ridurre gli errori

La maggior parte degli errori creati in una misurazione dello spessore del film a doppia tecnologia deriva dalle differenze di errori tra i due sensori. Se si potessero abbinare gli errori dei due sensori, gli errori sarebbero ridotti a quasi zero quando le misurazioni fossero combinate matematicamente. Ciò può essere realizzato mediante un processo chiamato "mastering". Il mastering prevede test occasionali e compensazione delle prestazioni dei sensori durante la produzione. Questo può essere fatto manualmente, ma di solito è una parte automatizzata di un sistema controllato da computer.

Mastering per ridurre gli errori di linearità

La riduzione degli errori di linearità (o di qualsiasi altro errore di sensibilità) comporta lo spostamento dei sensori fuori dal film e la loro calibrazione man mano che lo spazio tra il rullo e i sensori viene modificato. Ciò può essere realizzato con un meccanismo che sposta i sensori su e giù o un obiettivo con altezza multipla può essere spostato in più posizioni sotto i sensori. I dati vengono raccolti da ciascun sensore per le diverse lacune. Utilizzando una tabella di consultazione o calcolando i polinomi, entrambi i sensori sono calibrati matematicamente per produrre risultati identici a diversi spazi. Poiché la linearità e la sensibilità non sono sensibili ai cambiamenti, il processo di mastering non deve essere frequente.

Mastering per ridurre gli errori di deriva termica

La riduzione degli errori termici richiede solo di spostare i sensori fuori dal film per misurare il rullo senza pellicola presente. Mentre sono fuori dal film, le uscite dei sensori sono matematicamente impostate su zero e la misurazione riprende. Se si verifica una deriva termica, questa viene rimossa ripristinando a zero entrambi i sensori quando si è fuori dalla pellicola. La frequenza di questa operazione sarà determinata dall'ambiente termico dell'installazione e dalla stabilità termica dei sensori. Frequenti e / o grandi cambiamenti di temperatura richiederanno un controllo più frequente.

Rumore elettrico del sensore

Tutti i dispositivi elettrici, compresi i sensori, producono una piccola quantità di rumore elettrico in uscita. Come con altre fonti di errore, questo rumore è piuttosto piccolo ma può diventare significativo quando si misurano piccoli cambiamenti (micron) nello spessore del film. Il rumore elettrico è distribuito su un ampio spettro di frequenze. Per questo motivo, un filtro passa-basso o un sensore a bassa larghezza di banda può rimuovere parte del rumore e ridurre così questa fonte di errore. I valori di risoluzione effettivi dipendono da specifici sensori e calibrazione, ma i valori tipici di rumore per un sensore capacitivo sono 0.004% a fondo scala con larghezza di banda di 15 kHz, solo 0.002% a 100 Hz. Con un'uscita 0-10 V, questo è 0.2 mV. I sensori a correnti parassite hanno valori di risoluzione tipici intorno allo 0.008% a fondo scala a 15kHz e allo 0.004% a 100Hz. Con un'uscita 0-10 V, questo è 0.4 mV.

Magnitudo relativa dell'errore

Le tabelle seguenti mostrano la variazione di tensione del sensore per variazioni di 1 µm nello spessore del film e le tensioni di errore possibili negli scenari peggiori per i sistemi di rilevamento a doppia tecnologia non presidiati.

Le dimensioni della sensibilità del film e le fonti di errore sono approssimazioni generalizzate. I valori specifici dipenderanno dalla configurazione finale del sistema.

Aree target del sensore

L'uso di sensori capacitivi e a correnti parassite adiacenti può essere efficace, ma le differenze nella posizione delle aree di rilevamento costituiranno una fonte di errore nel sistema. I cambiamenti nello spazio tra il sensore capacitivo e l'obiettivo conduttivo non corrisponderanno ai cambiamenti nello spazio nella posizione del sensore a correnti parassite; quando è necessaria una risoluzione dello spessore del film di micron, questo errore può essere proibitivo. Un'applicazione ideale di un sistema di spessore a doppia tecnologia richiede che i sensori capacitivi e a correnti parassite misurino la stessa posizione; ciò richiede che i sensori siano concentrici. Sonde a doppia tecnologia appositamente progettate possono renderlo possibile.