24.02.2011 | Wenn der Standard-Sensor den gesetzten Anforderungen nicht genügt, greifen Anwender häufig zu kundenspezifischen Lösungen. Nur was ist zu tun, wenn die Anforderungen die physikalischen Möglichkeiten der Sensoren übersteigen? In diesen Fällen hilft die neue ECT-Technik für kapazitive Sensoren und Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon. Damit werden die Einsatzgrenzen der Sensoren deutlich verschoben.
Wer meint die klassische Wegmessung mit
elektromagnetischen Verfahren spielt heute eine eher untergeordnete Rolle im
Vergleich zu den optischen Sensoren, der irrt sich gewaltig. Zahlreiche
Anwendungen belegen, dass Wirbelstromsensoren und kapazitive Sensoren in vielen
Einsätzen unersetzbar sind. Insbesondere die neu entwickelte "Embedded
Coil Technology", kurz ECT, von Micro-Epsilon beweist die Vielfältigkeit
der Sensoren durch neueste Fertigungsverfahren und bisher ungeahnte
Einsatzmöglichkeiten.
Spulentechnik
neu erfunden
Klassische Wirbelstromsensoren arbeiten
mit einer Luftspule als Kern, dadurch werden sie durch umliegende
elektromagnetische Felder nicht beeinflusst und können höhere Grenzfrequenzen
leisten, als Sensoren mit einem ferromagnetischen Kern. Sie sind erste Wahl,
wenn sehr schnelle und dynamische Messungen nötig sind. Wirbelstromsensoren
arbeiten mit Trägerfrequenzen von 100 kHz bis 5 MHz. Bei Grenzfrequenzen von
über 100 kHz sind sie damit ideal für die Erfassung von schnellen Bewegungen. Die
neuen eddyNCDT ECT Sensoren verzichten gänzlich auf eine herkömmlich gewickelte
Spule. Stattdessen wird eine zweidimensionale Spule in ein anorganisches
Material form- und temperaturstabil eingebettet. Dadurch können mit diesen
Sensoren völlig neue Geometrien und Größen erreicht werden. Die neuen eddyNCDT
ECT Sensoren weisen stets eine sehr besondere Bauform auf, da sie immer für
einen bestimmten Anwendungsfall konstruiert wurden. Erkennbar sind die Sensoren
immer durch ihre blaue Sensorfläche in der sich die Spule befindet.
Die neue Technologie mutet zwar sehr
unscheinbar an, besitzt aber einige entscheidende Vorteile in der Anwendung. So
sind ECT-Sensoren aufgrund des anorganischen Trägermaterials äußerst
Temperaturstabil und sind für Einsätze bis 350°C geeignet. Einsätze in
Ultra-Hochvakuum und starken elektromagnetischen Feldern wurden bereits bei
höchster Präzision erfolgreich umgesetzt. Mit gewöhnlichem Sensoraufbau wäre
eine optimale Lösung der Aufgabe undenkbar gewesen.
Eine
der ersten Anwendungen beschäftigte sich mit dem Ausrichten der Spiegelsegmente
im größten chinesischen Spiegelteleskop LAMOST. 70 Spiegelsegmente werden hier mit
600 eddyNCDT ECT Sensoren zueinander submikrometergenau ausgerichtet. Entscheidend hierfür ist die hohe Temperaturstabilität, die
beim Öffnen des Dachs des Observatoriums bei freiem Sternenhimmel nötig ist. Ein
weiteres Anwendungsbeispiel ist der erfolgreiche Serieneinsatz in der
Halbleiterlitographie mit Nanometerauflösung.
Weitere signifikante Vorteile ist die
hohe mechanische Stabilität, da die Spule und die elektronischen Bauelemente
direkt in das Trägermaterial eingebettet sind. So wurde zum Beispiel bei der
Messung von Mahlspalten bei Refinern in der Papierindustrie ein Sensor
entwickelt, der die hohen Vibrationen während dem Betrieb langfristig
übersteht.
Äußerst flexibel ist auch die geometrische
Ausprägung der Sensoren. Je nach Kundenanforderung kann der Sensor entsprechend
angepasst werden. Dabei kann der Sensor mit der Elektronik zusammen eingebettet
oder auch abgesetzt gefertigt werden. Bislang wurde die Technologie
ausschließlich bei besonderen Projekten für Kunden angewendet. Künftig soll das
Verfahren auch auf die Standardsensoren übertragen werden und hier die
entsprechenden technologischen Vorteile mitbringen.
Kontinuierliche
Sensorentwicklung
Bereits seit 1980 entwickelt und fertigt
Micro-Epsilon eigene Wirbelstromsensoren. Seither wird die Technologie ständig
weiterentwickelt und an neue Anforderungen angepasst. Bei der
Sensorminiaturisierung sind sie bis heute mit ihrem im Durchmesser 2,4 mm
Sensor ungeschlagen. Die Entwicklungsanstrengungen führten die herkömmlichen
Sensoren bis an die physikalischen Grenzen. Deshalb musste eine neue
Technologie gefunden werden, welche die Sensoren für neue Anwendungen
prädestinieren. Die Forschung und Entwicklung der letzten Jahre führte zu der
gedruckten Spule eingebettet in anorganisches Trägermaterial. Erst aktuelle werkstofftechnische
Entwicklungen ebneten den Weg zum neuen ECT-Verfahren. Anforderungen an den
Werkstoff lauten: Das Träger-Material darf weder metallischer Natur sein, noch
darf es ausgasen; und ein möglichst niedriger Temperaturausdehnungskoeffizient sind
Voraussetzung.
Temperaturstabil
bis 350°C
Anwendungen bei 350°C Einsatztemperatur
waren auch mit bisherigen Sensoren bereits möglich, werden jedoch durch den
besonderen Werkstoff deutlich besser kontrollierbar. Durch den mehrschichtigen
Aufbau, der sogar elektronische Bauteile aufnehmen kann, sind Lösungen mit
abgesetzter oder auch integrierter Elektronik möglich. Auf eine hermetisch
dichte Kapselung wird bei Anwendungen im Vakuum zurückgegriffen.
Je nach Kundenanforderung können die
vielen unterschiedlichen Vorteile des ECT verschieden miteinander kombiniert
werden. Vielfach wird nach Lösungen mit integrierten elektronischen
Bauelementen gefragt, wodurch auf eine nachgelagerte Elektronikeinheit
verzichtet werden kann.
Gruppendynamik
Möglich wurde die neue Technik nur, da
Micro-Epsilon unterschiedliche Kompetenzen an unterschiedlichen Standorten
innerhalb der Unternehmensgruppe bündelt. So ist die Tochter Micro-Hybrid aus
Hermsdorf großteils an der ECT-Entwicklung beteiligt. In Hermsdorf werden die
Mikroelektroniken für die Micro-Epsilon Unternehmensgruppe gefertigt. Micro-Hybrid
ist Spezialist für „Electronic Manufacturing Services“ und Mikrosensorik.
Eingebettete
Kapazität
Ähnliche Eigenschaften gelten auch für
kapazitive Sensoren mit ECT, die in ihrer Form und Stabilität neue Einsätze
erlauben. Zum Beispiel bei der Nanopositionierung in Rasterkraftmikroskopen. Bei
einer Umgebungstemperatur von -269°C messen capaNCDT CSH Sensoren die Bewegung
einer Probe. Dabei wird eine Oberflächentopographie mit Nanometerauflösung
erzeugt. Zwei Sensoren der capaNCDT CSH-FL Baurreihe erfassen die
Positionierung in x- und y-Richtung. Die Probe wird dafür mit flüssigem Helium
auf 4 K gekühlt. Sowohl bei Zimmertemperatur, als auch bei starken
elektromagnetischen Feldern, einem Ultrahochvakuum und nahe dem absoluten
Nullpunkt erreichen die Sensoren eine Auflösung im Nanometerbereich. Die besonderen
Werkstoffe, die bei den kapazitiven Sensoren zum Einsatz kommen, ermöglichen
es, diese extremen Anforderungen zu meistern.
Im Gegensatz zu Wirbelstromsensoren
brauchen kapazitive Sensoren einen sauberen Messspalt sind langsamer und teurer
wegen der aufwändigen Schaltungstechnik. Dafür sorgen sie für eine bislang
unerreichte Präzision. Es werden Auflösungen von bis zu 0,037 nm erreicht. Die
neuen capaNCDT-CSH-Wegsensoren sind ebenfalls in das ECT-Material eingebettet,
daher besonders temperaturstabil und kompakt mit nur 4 mm Sensorhöhe für
Anwendungsfälle in der Halbleiterindustrie im Belichtungsobjektiv von
Lithografieanlagen einsetzbar. Derzeit werden Messbereiche zwischen 0,2 und 1,2
mm angeboten. Auch hier kommt das neue ECT-Verfahren zum Einsatz.
