Medição de espessura de filme com tecnologia dupla

Nota de aplicação LA05-0010

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Resumo

A tecnologia de detecção capacitiva pode medir a espessura de filmes não condutores, como papel ou plástico. O processo pode ser eficaz e direto para grandes alterações na espessura; no entanto, resolver a espessura em mícrons requer controle ou compensação de fontes de erro que geralmente estão presentes em um ambiente de produção. O problema essencial é a baixa sensibilidade de um sensor capacitivo a mudanças na espessura do filme e alta sensibilidade a mudanças no espaço entre o sensor e um alvo condutor. O uso conjunto das tecnologias de detecção capacitiva e de corrente de Foucault pode aliviar algumas das fontes de erro. Técnicas mecânicas e computacionais adicionais serão necessárias para produzir uma resolução em mícrons da espessura do filme.

Medição básica de filme com sensores capacitivos
Medição Não Condutora

Figura 1. Não condutores podem ser medidos passando o campo elétrico através deles para um alvo condutor estacionário atrás

Os sensores capacitivos fazem medições com base na capacitância entre a área de detecção da sonda e uma superfície condutora aterrada. Aplicações típicas de detecção capacitiva medem a mudança de capacitância à medida que o alvo se aproxima ou se aproxima da sonda. Mas a capacitância também é alterada alterando a constante dielétrica do material no espaço entre a sonda e a superfície condutora aterrada (figura 1). A maioria dos filmes possui uma constante dielétrica consideravelmente maior que o ar; por causa disso, alterações na espessura de um filme entre a sonda e uma superfície de referência condutora causam alterações na capacitância e alteram a tensão de saída do sensor. Para resultados confiáveis, o espaço entre a sonda e a superfície de referência deve ser mantido constante. Como a sensibilidade é muito maior nos movimentos da superfície condutora do que nas mudanças na espessura do filme, pequenas alterações na folga produzirão grandes erros na espessura do filme.

Considerações de sensibilidade

Sensores capacitivos com saídas lineares também fornecerão saídas lineares ao medir a espessura do filme, mas com uma sensibilidade muito reduzida. Um sensor que produz um volt de mudança por alguns mícrons de mudança na posição de um alvo condutor pode produzir apenas alguns milivolts de mudança por alguns mícrons de mudança na espessura do filme. Um dos fatores que determina a sensibilidade à espessura do filme é a constante dielétrica do material (ε). A sensibilidade é maior com constantes dielétricas mais altas. A tabela abaixo lista constantes dielétricas de alguns materiais comuns:

Material:

Constante dielétrica (ε)

ar 1
Mylar 3.1
neoprene 6.7
polietileno 2.25
Teflon 2.1

Outro fator importante na sensibilidade à espessura do filme é a faixa calibrada do sensor capacitivo. A sensibilidade do sensor capacitivo a mudanças na espessura do filme é inversamente proporcional à faixa do sensor. Maior sensibilidade à alteração da espessura do filme requer que o sensor capacitivo tenha um alcance muito pequeno e esteja muito próximo do filme. O gráfico abaixo mostra uma relação típica entre a faixa do sensor capacitivo e a sensibilidade às alterações de espessura do filme para duas constantes dielétricas diferentes.

Sensibilidade do filme em relação à faixa do sensor capacitivo

Calibrando a sensibilidade à espessura do filme

Sensores capacitivos são geralmente calibrados para mudanças na posição de um alvo condutor. Determinar a sensibilidade de um sensor capacitivo a mudanças na espessura do filme requer dois pedaços de filme de espessura conhecida. Cada peça é colocada no espaço entre o sensor e a superfície de referência e medida; a diferença entre as duas espessuras e suas respectivas medidas é a sensibilidade do sistema. Como a saída é linear em relação à espessura do filme, essa sensibilidade deve ser aplicada a todas as medições dentro da faixa do sensor.

Fontes de erro de produção primária
Rolos de metal

Em um ambiente de produção de filme, a maioria das medições de espessura ocorre quando o filme passa por um rolo de metal. O rolo fornece a superfície de referência necessária para o sensor capacitivo, mas a forma imperfeita do rolo que gira nos rolamentos imperfeitos faz com que o rolo se mova na direção e na distância da sonda capacitiva à medida que o rolo gira (figura 2).

Figura 2. Rolos imperfeitos em rolamentos imperfeitos criam uma fonte de erro significativa para o sensor capacitivo

scans

Muitos aplicativos de filmes precisam digitalizar a espessura do filme em toda a Web. Isso geralmente é realizado movendo o sensor pela bobina paralelamente ao rolo. A mecânica do sistema de escaneamento também é imperfeita e faz com que a folga do sensor de rolo seja alterada durante o escaneamento (figura 3).

Figura 3. A mecânica imperfeita do scanner também cria uma fonte de erro significativa para o sensor capacitivo

 

Como o sensor capacitivo é muito mais sensível aos movimentos do alvo condutor, as alterações na espessura do filme são perdidas nessas alterações do espaço entre o rolo e o sensor.

Sensores de corrente de Foucault resolvem problemas de rolo e digitalização

Um sensor de corrente de Foucault não pode detectar filme ou qualquer outro não condutor. Um sensor de corrente de Foucault pode ser usado para monitorar alterações na folga entre o rolo e o sensor capacitivo. As alterações de folga medidas pelo sensor de corrente de Foucault podem ser subtraídas das alterações medidas pelo sensor capacitivo, resultando em medições apenas da espessura do filme (figura 4).

A medição diferencial com sensores capacitivos e de corrente de Foucault remove os erros de alteração de folga do sistema

Sensores imperfeitos

Se os sensores capacitivos e de corrente de Foucault fossem ideais, o sensor de espessura de filme de tecnologia dupla seria uma solução ideal e a medição de espessura de filme seria simplificada. Devido à sensibilidade relativamente baixa do sensor capacitivo em relação à espessura da película, pequenos erros que geralmente são insignificantes nos sensores capacitivos e de corrente de Foucault tornam-se fatores significativos na medição da espessura da película. Para usar uma solução de sensor de dupla tecnologia para medição de espessura de filme, as fontes de erro para os sensores capacitivos e de corrente de Foucault devem ser controladas para um nível menor que a resolução mínima de espessura de filme necessária. Se a aplicação exigir a medição de alterações de 2 µm na espessura do filme, representada por 10mV, as fontes de erro deverão ser significativamente menores que 10mV. Existem várias fontes de erro comuns à detecção sem contato que serão considerações importantes. Cada um deles é discutido abaixo.

Fontes de erro do sensor

As fontes de erro do sensor podem ser maiores do que a sensibilidade dos sensores a pequenas alterações na espessura do filme. Ao usar um sistema de tecnologia dupla, os erros podem dobrar de magnitude se a polaridade do erro for diferente para os sensores capacitivos e de corrente de Foucault.

Erro de linearidade

Todos os sensores de deslocamento exibem um pequeno erro de linearidade. Erros de linearidade ocorrem quando a sensibilidade entre os pontos de medição é inconsistente ao longo do alcance do sensor. Uma especificação de erro de linearidade comum para sensores capacitivos e de correntes de Foucault é de ± 0.2% da faixa de escala completa. No pior cenário, os sensores capacitivos e de corrente de Foucault teriam erros de linearidade de polaridade opostos no mesmo ponto de suas respectivas faixas. Isso resultaria em um erro combinado de 0.4% da escala completa. Para uma saída de 0-10V, a tensão de erro nesse ponto seria 40mV. Referindo-se ao gráfico de Relative Error Magnitude no final desta seção, 40mV seria aproximadamente igual a um erro de 5µm na espessura do filme para a faixa mais sensível listada na tabela e um erro de 20µm para a calibração menos sensível (gap mais amplo). Este sistema, como está, não pode medir com segurança alterações de 1 ou 2 µm na espessura do filme. "Dominar" o sistema pode reduzir bastante esse erro. Discutiremos o domínio depois de discutirmos o desvio térmico.

Tração térmica

Todos os sensores de deslocamento exibem um pequeno desvio térmico. Mudanças de temperatura causam alterações mecânicas na estrutura da sonda e desvio elétrico em alguns componentes eletrônicos. Geralmente são muito pequenos, mas com as baixas sensibilidades envolvidas na medição da espessura do filme, elas podem ser significativas. A deriva térmica é principalmente uma mudança de CC na saída. A sensibilidade (ganho) pode ser afetada, mas esse efeito é muito menor que o deslocamento de corrente contínua. Uma especificação de desvio térmico típico para sensores capacitivos e de corrente de Foucault é ± 0.04% em escala completa / ° C. Ao usar dois sensores, é possível que seus respectivos desvios térmicos sejam opostos, o que duplica o erro potencial para 0.08% de escala completa / ° C. Para uma mudança de 3 ° C, a saída pode mudar 24mV; isso é equivalente a 3 µm de espessura de filme para a faixa mais sensível e acima de 10 µm para a faixa menos sensível.

Masterização para reduzir erros

A maioria dos erros criados em uma medição de espessura de filme de tecnologia dupla resulta das diferenças de erros entre os dois sensores. Se os erros dos dois sensores pudessem corresponder, os erros seriam reduzidos a quase zero quando as medidas forem combinadas matematicamente. Isso pode ser conseguido por um processo chamado "masterização". A masterização envolve testes e compensações ocasionais do desempenho do sensor durante a produção. Isso pode ser feito manualmente, mas geralmente é uma parte automatizada de um sistema controlado por computador.

Masterização para reduzir erros de linearidade

Reduzir erros de linearidade (ou quaisquer outros erros de sensibilidade) envolve mover os sensores para fora do filme e calibrá-los à medida que a diferença entre o rolo e os sensores é alterada. Isso pode ser conseguido com um mecanismo que move os sensores para cima e para baixo ou um alvo de várias alturas pode ser movido para várias posições sob os sensores. Os dados são coletados de cada sensor para as diferentes lacunas. Usando uma tabela de consulta ou calculando polinômios, os dois sensores são calibrados matematicamente para produzir resultados idênticos em diferentes intervalos. Como a linearidade e a sensibilidade não são tão suscetíveis a mudanças, o processo de masterização não precisa ser frequente.

Masterização para reduzir erros de desvio térmico

A redução de erros térmicos requer apenas a retirada dos sensores do filme para medir o rolo sem o filme presente. Enquanto estiver fora do filme, as saídas dos sensores são matematicamente definidas para zero e a medição é retomada. Se ocorrer algum desvio térmico, ele será removido redefinindo os dois sensores para zero quando estiver fora do filme. A frequência desta operação será determinada pelo ambiente térmico da instalação e pela estabilidade térmica dos sensores. Mudanças freqüentes e / ou grandes de temperatura exigirão um domínio mais frequente.

Ruído elétrico do sensor

Todos os dispositivos elétricos, incluindo sensores, produzem uma pequena quantidade de ruído elétrico na saída. Como em outras fontes de erro, esse ruído é bastante pequeno, mas pode se tornar significativo ao medir pequenas alterações (mícrons) na espessura do filme. O ruído elétrico é distribuído por um amplo espectro de frequências. Por esse motivo, um filtro passa-baixo ou sensor de largura de banda baixa pode remover parte do ruído e, assim, reduzir essa fonte de erro. Os valores reais de resolução dependem de sensores e calibração específicos, mas os valores típicos de ruído para um sensor capacitivo são 0.004% de escala completa a 15kHz de largura de banda, apenas 0.002% a 100Hz. Com uma saída de 0-10V, isso é 0.2mV. Os sensores de corrente parasita têm valores de resolução típicos em torno de 0.008% em escala completa a 15kHz e 0.004% a 100Hz. Com uma saída de 0-10V, isso é 0.4mV.

Magnitude do erro relativo

As tabelas abaixo mostram a mudança de tensão do sensor para alterações de 1 µm na espessura do filme e as tensões de erro possíveis nos piores cenários para sistemas de detecção de tecnologia dupla não controlados.

Magnitudes da sensibilidade do filme e fontes de erro são aproximações generalizadas. Valores específicos dependerão da configuração final do sistema.

Áreas-alvo do sensor

O uso de sensores capacitivos e de corrente de Foucault adjacentes pode ser eficaz, mas as diferenças na localização das áreas de detecção serão uma fonte de erro no sistema. As alterações no espaço entre o sensor capacitivo e o alvo condutor não corresponderão às alterações no espaço no local do sensor de corrente de Foucault; quando a resolução da espessura do filme em mícrons é necessária, esse erro pode ser proibitivo. Uma aplicação ideal de um sistema de espessura de dupla tecnologia requer que os sensores capacitivos e de corrente de Foucault medam o mesmo local; isso requer que os sensores sejam concêntricos. As sondas de tecnologia dupla especialmente projetadas podem tornar isso possível.