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Auflösungen im Sub-Nanometerbereich

Kapazitive Positionssensoren und ihre Anwendungen
Auflösungen im Sub-Nanometerbereich

In vielen Anwendungsbereichen ist heute größtmögliche Messgenauigkeit obligatorisch mit Auflösungen im Nano- oder sogar Sub-Nanometerbereich. Beispiele reichen von der Halbleiterfertigung und Biotechnologie über Qualitätssicherungsaufgaben in der Automobilindustrie bis hin zu Metrologie und Mikroskopie. Auch im „normalen“ Maschinenbau muss bei vielen Automatisierungsaufgaben immer häufiger hochgenau positioniert werden; man braucht also entsprechende Messeinrichtungen. An die eingesetzten Sensoren stellt dies recht anspruchsvolle Anforderungen. Schließlich müssen sich die Sensoren möglichst einfach in die Applikation integrieren lassen und sich meist auch für hochdynamische Bewegungen eignen.

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI), Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der eingesetzten Sensorik bestimmt maßgeblich die Ergebnisse jedes Positioniersystems. Wer auf allerhöchste Genauigkeit bis in den Nano- und sogar Picometerbereich angewiesen ist, greift auf kapazitive Positionssensoren zurück. Als Spezialist auf dem Gebiet der Nanopositioniersysteme gilt die Firma Physik Instrumente (PI), die die Entwicklung dieser kapazitiven Hochpräzisionssensoren schon aus eigenem Interesse (Bild 1) kräftig vorangetrieben hat. Heute gehören kapazitive Positionssensoren in unterschiedlichen Ausführungen zum Produktprogramm, die mit Auflösungen bis in den Sub-Nanometerbereich arbeiten. Aber auch über die hohe Genauigkeit hinaus hat die kapazitive Messtechnik einiges zu bieten: Die Sensoren messen die Ist-Position berührungslos und direkt am bewegten Objekt; Genauigkeit, Stabilität und Bandbreite liegen deutlich über den Werten, die mit konventionellen LVDT- oder DMS-Sensoren erreicht werden. Obendrein sind die kapazitiven Sensoren durch ihre kontaktlose Arbeitsweise verschleiß- und hysteresefrei und beeinflussen nicht die eigentliche Anwendung, bei der es ohnehin um hochsensitive Abstands- oder Schichtdickenänderungen geht.
Kapazitives Messprinzip:
Schutzringgeometrie sorgt für größtmögliche Linearität
Der kapazitiven Messtechnik liegt ein ein-faches physikalisches Prinzip zu Grunde: Zwischen den Platten eines Kondensators (Bild 2) entsteht beim Anlegen einer Spannung ein homogenes elektrisches Feld. Eine Abstandsänderung der beiden Platten bzw. Flächen ist dem Ausgangssignal an der Messelektronik proportional. Voraussetzung für die Proportionalität ist allerdings, dass das elektrische Feld zwischen den Elektroden auch wirklich homogen ist. Um dies zu erreichen und um das Messergebnis eventuell verfälschende Randeffekte auszuschließen, ist bei den kapazitiven PISeca Sensoren die eigentliche Messfläche mit einem aktiven Schutzring umgeben, der das selbe elektrische Potenzial hat wie die Sensorfläche (Bild 3). Dieser Aufbau sorgt für eine optimale Abschirmung vor störenden elektrischen Feldern von Außen und eine genau definierte Abgrenzung der Messfläche. So wird ein äußerst homogenes elektrisches Feld erzeugt, was eine sehr hohe Linearität der Messwerte zur Folge hat. Typische Linearitätswerte liegen unter 0,01 % des nominalen Messbereichs. D.h. bei einem Messbereich von 100 µm würde die maximale Abweichung des Messwerts vom Istwert 10 Nanometer (0,01 µm) betragen. Linearitätsfehler haben dabei keinen Einfluss auf die Auflösung und die Reproduzierbarkeit der Messung. Prinzipiell sind – abhängig von der Auswerteelektronik – sogar Linearitäten bis 0,003 % möglich.
Für unterschiedliche Einsatzbereiche:
Ein- oder Zwei-Elektrodensensoren
Die kapazitiven Positionssensoren stehen in zwei unterschiedlichen Grundbauformen zur Verfügung, nämlich als Ein- oder Zwei-Elektrodensysteme. Sensoren mit nur einer Elektrode lassen sich besonders einfach in die jeweilige Applikation integrieren. Sie messen direkt gegen eine in der Anwendung vorhandene Oberfläche, die jedoch bestimmte Anforderungen erfüllen muss. Die Wichtigsten sind elektrische Leitfähigkeit, Erdung und ausreichende Größe. Da die Beschaffenheit der Target-Fläche die Homogenität des elektrischen Feldes beeinflusst, sollten aber auch Rauheiten etc. vermieden werden. Um die Sensoren unter idealen Bedingungen zu kalibrieren, wird beim Hersteller deshalb eine extrem ebene, leitende Oberfläche, die deutlich größer ist als die Sensoroberfläche, als Target verwendet (Bild 4). Natürlich sind auch Messungen gegen gewölbte Flächen möglich (Bild 5) In diesem Fall muss der Messwert allerdings gemittelt werden. Die Einelektroden-Sensoren eignen sich serienmäßig für Messbereiche von 20, 50 und 100 µm, auf Anfrage sind sogar Ausführungen für Messabstände bis in den Millimeterbereich verfügbar.
Während diese Einelektroden-Sensoren mit Auflösungen im Nanometerbereich arbeiten, lassen sich mit Zweielektroden-Sensoren sogar Werte bis 0,01 nm realisieren, da hier die beiden Kondensatorflächen definiert und in hoher Qualität vorhanden sind (Bild 6). Serienmäßig angebotene Messbereiche liegen bei diesen Sensoren bei maximal 15, 50 oder 100 µm, erweiterte Messbereiche sind bis 300 µm möglich. Auch bei den perfekt auf die Sensoren abgestimmten, besonders rauscharmen ein-, zwei- oder dreikanaligen Auswerteelektroniken hat der Anwender die Wahl zwischen unterschiedlichen Ausführungen (Bild 7). Sowohl für Ein- oder Zweielektroden-Sensoren gibt es passende Elektroniken, die sich bei Bedarf um Piezoverstärkermodule, Display oder PC-Interface-Module erweitern lassen. Bandbreite und Messbereich können bereits werksseitig optimal auf die jeweilige Applikation abgestimmt werden; bei Einelektroden-Systemen haben Anwender darüber hinaus die Möglichkeit, Bandbreite und Messbereich vor Ort selbst zu variieren, um ein optimales Messergebnis zu erzielen. Bei dieser Auswahl wundert es nicht, dass die Anwendungsmöglichkeiten für die Präzisionssensoren breit gefächert sind.
Von der Abstands- bis zur Schichtdickenmessung
Eine typische Anwendung für die Zweielektroden-Sensoren beispielsweise sind höchstauflösende Abstandsmessungen in der Nanostelltechnik (Bild 8a). Durch die hohe Messfrequenz von bis zu 10 kHz sind hier auch Regelungen im dynamischen Betrieb problemlos möglich. Beim Einsatz in Mehrachsen-Positioniersystemen können alle Freiheitsgrade gleichzeitig gemessen und Führungsfehler aktiv eliminiert werden (Bild 8b). Bei allerhöchsten Anforderungen an Auflösung führen Zweielektroden-Sensoren zu besseren Ergebnissen, manchmal ist ihr Einsatz applikationsbedingt jedoch nicht möglich, z.B. weil sich keine zweite Elektrode anbringen lässt, oder sich das Target senkrecht zur Messrichtung bewegt und die beiden Sensorelektroden einander nicht mehr gegenüber liegen. Hier bieten sich dann die einfach integrierbaren Einelektroden-Systeme an. Auch sie erreichen Auflösungen bis unter 1 nm.
Weitere typische Applikationen für die Letztgenannten finden sich überall dort, wo wellige Bewegungen erfasst und kompensiert werden müssen (Bild 8c), z. B. bei Constant-Height-Scans oder in der Weißlichtinterferometrie. Durch die hohe Dynamik sind Vibrations- und Schwingungs- oder Ebenheitsmessungen rotierender Werkstücke (Bild 8d) ebenso möglich wie Dickemessungen von Nichtleitern auf bewegten, leitenden Oberflächen, z.B. einer Walze (Bild 8e). Hier profitiert man vor allem von der berührungslosen Arbeitsweise und der hohen Dynamik. Kombiniert man zwei Sensoren, sind Verkippungsmessungen realisierbar (Bild 8f). Die Verkippung des bewegten Objekts wird differenziell bestimmt und dann gegebenenfalls kompensiert. Häufig werden kapazitive Einelektroden-Sensoren außerdem als hochauflösende Kraftsensoren für kontaktlose Messungen im Mikronewton-Bereich eingesetzt. Über die definierte Steifigkeit des Systems ergibt sich die Kraft (Bild 8g).
Physik Instrumente, Karlsruhe/Palmbach
QE 517
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