双重技术薄膜厚度测量

应用笔记LA05-0010

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总结

电容式传感器技术可以测量非导电膜(例如纸或塑料)的厚度。 对于较大的厚度变化,该过程可能有效且简单; 然而,要确定微米级的厚度,需要控制或补偿生产环境中经常出现的误差源。 根本问题是电容式传感器对薄膜厚度变化的敏感性较低,而对传感器探头与导电靶之间的间隙变化的敏感性较高。 电容式和电涡流传感器技术一起使用可以减轻某些误差源。 将需要额外的机械和计算技术来实现微米分辨率的薄膜厚度。

电容式传感器的基本薄膜测量
非导体测量

图1。 可以通过使非导体通过电场并将其传递到后面的固定导电目标来进行测量

电容式传感器根据其探头检测区域和接地的导电表面之间的电容进行测量。 典型的电容式检测应用会在目标靠近或远离探头时测量电容的变化。 但是,通过改变探头和接地导电表面之间间隙中材料的介电常数,电容也会改变(图1)。 大多数薄膜的介电常数远高于空气。 因此,探头和导电参考表面之间的薄膜厚度变化将导致电容变化,并改变传感器的输出电压。 为了获得可靠的结果,探头和参考表面之间的间隙必须保持恒定。 因为对导电表面运动的敏感性比对膜厚度的变化要高得多,所以间隙的小变化将在膜厚度上产生较大的误差。

敏感性考虑

具有线性输出的电容式传感器在测量薄膜厚度时也将提供线性输出,但灵敏度大大降低。 对于导电靶的位置的几微米变化产生一伏变化的传感器,对于膜厚度的几微米变化仅产生几毫伏的变化。 决定对薄膜厚度敏感度的因素之一是材料的介电常数(ε)。 介电常数越高,灵敏度越高。 下表列出了一些常用材料的介电常数:

材料

介电常数(ε)

空气 1
聚酯薄膜 3.1
氯丁橡胶 6.7
聚乙烯 2.25
特氟隆 2.1

对薄膜厚度敏感度的另一个重要因素是电容式传感器的校准量程范围。 电容式传感器对薄膜厚度变化的灵敏度与传感器的量程范围成反比。 对薄膜厚度变化的更高灵敏度要求电容式传感器的量程非常小并且非常靠近薄膜。 下图显示了在两种不同介电常数的情况下,电容式传感器量程范围与薄膜厚度变化的敏感性之间的典型关系。

相对于电容式传感器量程范围的薄膜灵敏度

校准膜厚灵敏度

通常针对导电目标的位置变化来校准电容式传感器。 确定电容式传感器对薄膜厚度变化的敏感性需要两片已知厚度的薄膜。 每一块都放在传感器探头和参考表面之间的间隙中并进行测量; 两种厚度之间的差异及其各自的测量值就是系统的灵敏度。 因为输出相对于薄膜厚度是线性的,所以此灵敏度应适用于传感器校准量程范围内的所有测量。

生产错误的主要来源
金属滚轮

在薄膜生产环境中,大多数厚度测量是在薄膜经过金属滚轮上时进行的。 滚轮为电容式传感器提供了所需的参考表面,但是在滚轮转动时,滚轮的不完美形状和不完美轴承会导致滚轮朝着或远离电容式探头移动(图2)。

图2。 轴承上的滚轮不完美会给电容式传感器带来严重的误差源

扫描

许多薄膜检测应用需要扫描整个卷材上的薄膜厚度。 这通常是通过使传感器平行于滚轮,并在整个卷材上移动来实现的。 扫描系统的结构也不完美,并且会导致扫描过程中滚轮与传感器的间隙发生变化(图3)。

图3。 不完善的扫描仪设备也会为电容式传感器造成严重的误差源

 

因为电容式传感器对导电目标的运动更加敏感,所以在滚轮和传感器之间的间隙的这些变化中会掩盖薄膜厚度的变化。

电涡流传感器解决了滚轮和扫描问题

电涡流传感器无法检测薄膜或任何其他非导体。 但电涡流传感器可用于监视滚轮和电容式传感器探头之间的间隙变化。 电涡流传感器测量的间隙变化可以从电容传感器测量的总变化中减去,从而得到仅测量薄膜厚度(图4)。

电容式和电涡流传感器的差分测量可消除系统中的间隙变化误差

传感器不完善

如果电容式和电涡流传感器都是理想的,那么双重技术的膜厚传感器将是理想的解决方案,并且将简化膜厚测量。 由于电容式传感器对薄膜厚度变化的敏感性较低,因此通常在电容式和电涡流传感器中微不足道的小误差成为测量薄膜厚度的重要因素。 要将双重技术传感器解决方案用于薄膜厚度测量,必须将电容式传感器和电涡流传感器的误差源控制在小于所需最小薄膜厚度分辨率的水平。 如果应用需要测量以2mV表示的10µm膜厚变化,则误差源必须大大小于10mV。 对于非接触式测量,有几种常见的误差源将是重要的考虑因素。 下面将分别讨论它们。

传感器错误源

传感器误差源的潜在影响可能大于传感器对薄膜厚度微小变化的敏感性。 使用双重技术系统时,如果电容式和电涡流传感器的误差极性不同,则误差的大小可能会加倍。

线性度误差

所有位移传感器都表现出小的线性误差。 当测量点之间的灵敏度在传感器量程范围内不一致时,会发生线性误差。 电容式和电涡流传感器的常见线性误差规格是满量程范围的±0.2%。 在最坏的情况下,电容式传感器和电涡流传感器在其各自范围的同一点将具有极性相反的线性误差。 这将导致0.4%满量程的综合误差。 对于0-10V输出,此时的错误电压为40mV。 参考本节末尾的相对误差幅度图,对于表中列出的最敏感范围,40mV大约等于膜厚度的5µm误差,对于最小敏感度(最大间隙)的校准,20µm误差将与1µm误差相等。 该系统无法可靠地测量2或XNUMXµm薄膜厚度的变化。 “匹配”系统性能可以大大减少此错误。 在讨论热漂移之后,我们将讨论如何匹配。

热漂移

所有位移传感器都表现出很小的热漂移。 温度的变化会引起探头结构的机械变化以及某些电子组件的电气漂移。 这些通常很小,但是由于薄膜厚度测量的灵敏度较低,所以它们可能很重要。 热漂移主要是输出中的直流偏移。 灵敏度(增益)可能会受到影响,但这种影响远小于直流偏移。 电容式和电涡流传感器的典型热漂移规格为±0.04%满量程/°C。 当使用两个传感器时,它们各自的热漂移可能会相反,这会使潜在误差翻倍,达到0.08%满量程/°C。 对于3°C的变化,输出可能会变化24mV。 对于最大敏感的量程范围,这等于3µm的薄膜厚度;对于最低敏感的量程范围,这等于10µm的薄膜厚度。

匹配系统性能以减少错误

双重技术薄膜厚度测量中产生的大多数误差是由两个传感器之间的误差差异引起的。 如果两个传感器的误差可以对应处理,则在数学上组合测量时,误差将减少到几乎为零。 这可以通过称为“匹配”的过程来完成。匹配涉及偶尔的测试和生产过程中传感器性能的补偿。 这可以手动完成,但通常是计算机控制系统的自动化部分。

匹配以减少线性误差

减少线性误差(或任何其他灵敏度误差)包括将传感器移出薄膜,并在改变滚轮和传感器探头之间的间隙时进行校准。 这可以通过上下移动传感器的机械装置来实现,或者可以将多个高度目标移动到传感器下方的多个位置。 从每个传感器收集不同间隙的数据。 使用查找表或通过计算多项式,可以对两个传感器进行数学校准,以在不同的间隙处产生相同的结果。 由于线性和灵敏度不易改变,因此匹配操作过程不需要很频繁。

匹配以减少热漂移误差

减少热误差仅需要将传感器从薄膜上移开即可测量不存在薄膜的滚轮。 离开薄膜时,传感器的输出在数学上设置为零,然后恢复测量。 如果发生任何热漂移,请在离开薄膜时将两个传感器都重置为零以将其消除。 此操作的频率将取决于设备的热环境和传感器的热稳定性。 温度的频繁变化和/或较大变化将需要更频繁的匹配操作。

传感器电噪声

所有电气设备(包括传感器)在输出中都会产生少量电气噪声。 与其他误差源一样,此噪声非常小,但在测量薄膜厚度的微小变化(微米)时会变得非常明显。 电噪声分布在很大的频谱范围内。 因此,低通滤波器或低带宽传感器可以消除一些噪声,从而减少此误差源。 实际分辨率值取决于特定的传感器和校准,但电容式传感器的典型噪声值为0.004kHz带宽时为15%满量程,而在0.002Hz时仅为100%。 使用0-10V输出,这是0.2mV。 电涡流传感器的典型分辨率值在0.008kHz时约为满量程的15%,在0.004Hz时约为100%。 使用0-10V输出,这是0.4mV。

相对误差幅度

下图显示了传感器厚度变化1µm时的电压变化以及在最差的情况下对于未匹配的双重技术检测系统可能出现的误差电压。

薄膜灵敏度和误差源的大小是广义的近似值。 具体值取决于最终的系统配置。

传感器目标区域

使用相邻的电容式传感器和电涡流传感器可能是有效的,但是检测区域位置的差异将成为系统中的误差源。 电容式传感器和导电目标之间的间隙变化将与涡流传感器位置处的间隙变化不匹配; 当需要微米级的膜厚分辨率时,此误差可能会令人望而却步。 双重技术厚度系统的理想应用要求电容式和电涡流传感器测量相同的位置。 这要求传感器是同心的。 特殊设计的双重技术探头可以实现这一目标。