Haargenaue Abstandswächter

Präzisionssensorik - Viele Anwendungen erfordern Messgenauigkeiten mit Auflösungen bis in den Sub-Nanometerbereich. Erreichen lässt sich das mit kapazitiven Positionssensoren. Sie bieten eine praktisch unbegrenzte Auflösung, arbeiten kontaktlos und lassen sich einfach integrieren.

16. Oktober 2007

Hochgenaue Positionierung erfordert entsprechende Messeinrichtungen. Gerade in Hochtechnologie-Branchen wie Halbleitertechnologie, Medizintechnik, Biowissenschaften oder Photonik lassen sich exakte Ergebnisse deshalb oft nur mit Messsystemen erreichen, die besonders präzise arbeiten und mit Auflösungen im Nanometer- oder sogar Sub-Nanometer-Bereich arbeiten.

Langjährige Erfahrung

Ein Unternehmen, das sich dieser Aufgabe schon seit vielen Jahren widmet, ist die Physik Instrumente (PI) GmbH mit Hauptsitz in Karlsruhe. Die Nordbadener bieten weltweit eines der größten Sortimente an hochdynamischen Nano-Positioniersystemen. Das Unternehmen entwickelt dabei alle Schlüsseltechnologien selbst. Um den eigenen Präzisionsanforderungen gerecht zu werden, begannen die Karlsruher bereits vor 15 Jahren, sogenannte kapazitive Sensoren zu entwickeln, die Ergebnisse mit einer Genauigkeit bis in den Picometerbereich liefern. Gegen über konventionellen LVDToder DMS-Sensoren bieten kapazitive Sensoren klare Vorteile bei Genauigkeit, Linearität, Auflösung, Stabilität und Bandbreite. Zudem beeinflusst das kontaktlose Arbeitsprinzip die eigentliche Anwendung nicht.

Diese Sensoren erfassen die Stärke eines homogenen elektrischen Feldes zwischen den Platten eines Kondensators, an denen eine elektrische Spannung anliegt. Beeinflusst wird die Kapazität des Kondensators dabei bis auf konstante Faktoren nur von den Plattenflächen und ihrem Abstand. Die Auswertungselektronik vergleicht deshalb die gemessene Kapazität mit einem Referenzkondensator und erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zur Abstandsänderung ist.

Je nach Einsatzbereich arbeiten die kapazitiven Messsysteme mit einer oder zwei Elektroden. Bei Zweielektrodensystemen sind beide Kondensatorflächen definiert und in hoher Qualität vorhanden. Sie ermöglichen damit Auflösungen bis zu 0,01 Nanometer und sind deshalb die geeignete Wahl für nanometergenaue Messaufgaben in Positionierung, Scanning und Metrologie, die größtmögliche Genauigkeit erfordern. Kapazitive Messsysteme mit Zweiplatten-Sensoren messen zuverlässig kleinste Abstände und werden insbesondere in der Nanostelltechnik für Systeme mit Parallelkinematik eingesetzt, wo sie alle Freiheitsgrade gleichzeitig messen können, sodass sich Führungsfehler eliminieren lassen. Die hohe Bandbreite der Sensoren bis 10 kHz ermöglicht eine zuverlässige Regelung auch im dynamischen Betrieb. Serienmäßig werden diese Sensoren für Messbereiche von 15, 50 oder 100 Mikrometer angeboten, die auf bis zu 300 Mikrometer erweitert werden können.

Eine Elektrode genügt

Wo der Einsatz von Zweielektroden-Sensoren nicht möglich ist, etwa weil die zweite Elektrode nicht angebracht werden kann oder die Elektroden nach Targetbewegungen nicht mehr einander gegenüber liegen, bieten sich Einelektroden-Messsysteme an, die direkt gegen eine in der Anwendung vorhandene Oberfläche messen. Diese muss allerdings bestimmte Anforderungen erfüllen, etwa elektrische Leitfähigkeit, Erdung und eine ausreichende Größe.

Schutz vor Verzerrung

Um mögliche Feldverzerrungen und unerwünschte Randeffekte auszuschließen, besitzen die kapazitiven Einelektroden-Sensoren von PI einen aktiven Schutzring mit demselben elektrischen Potenzial wie die Sensorfläche, der die eigentliche Sensorfläche umgibt. Dieser Aufbau erzeugt ein äußerst homogenes elektrisches Feld sowie eine genau definierte Messfläche und gewährleistet so die Linearität der Messergebnisse. Ein typischer Linearitätswert von 0,01 Prozent über einen Messbereich von 100 Mikrometer ergibt eine mögliche Abweichung des Messwertes zum Ist-Wert von nur 0,01 Mikrometer ohne zusätzlichen Einfluss auf Auflösung und Reproduzierbarkeit der Messung. Prinzipiell lassen sich mit der entsprechenden Auswerteelektronik Linearitätswerte bis zu 0,003 Prozent erreichen. Da die Beschaffenheit der Target- Fläche die Homogenität des elektrischen Feldes beeinflusst, sollten aber auch Rauheiten etc. vermieden werden. Bei Messungen gegen gewölbte Flächen wird der Messwert gemittelt.

Einelektroden-Sensoren eignen sich serienmäßig für Messbereiche von 20, 50 und 100 Mikrometer, als Sonderanfertigung sind Ausführungen für Messabstände bis in den Millimeterbereich verfügbar.

Durch die hohe Dynamik und das berührungslose Messprinzip eignen sie sich ideal für die Erfassung von welligen Bewegungen wie bei Unrundmessungen, Constant-Height-Scans oder in der Weißlichtinterferometrie. Bei der Herstellung von Diskettenlaufwerken messen sie Vibrationen und Schwingungen mit sehr hoher Auflösung. Die Kombination mehrerer Sensoren ermöglicht Verkippungsmessungen von hoher Genauigkeit. Die Verkippung des bewegten Objekts wird dabei differentiell bestimmt und gegebenenfalls kompensiert.

Daneben eignen sich kapazitive Einelektroden-Sensoren als kontaktlose Kraftsensoren für Messungen im Mikro-Newtonbereich auf Basis der definierten Steifigkeit des Systems.

Birgit Schulze, Physik

Instrumente (PI)/bt

Erschienen in Ausgabe: 07/2007