Schwerarbeit im Vakuum

Schwerpunkt Sensorik

Optosensoren – Die Arbeit im Vakuum fordert den eingesetzten Komponenten alles ab. Für optische Sensoren zum Beispiel kommen deshalb nur erlesene Materialien und ein variables Baukastensystem in Frage. Unentbehrlich ist auch hohes fachliches Know-how.

04. Mai 2012

Ohne Vakuum wären viele Prozesse nicht möglich, da sie chemisch sowie physikalisch auf eine völlig störungsfreie Umgebung angewiesen sind. Das ist zum Beispiel in der Beschichtungs- und Bedampfungstechnik oder bei der Halbleiterherstellung der Fall. Allerdings steigen damit die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten, denn das Vakuum kann Werte bis 10-8 Millibar erreichen und viele Bauteile an ihre Grenzen bringen.

Das gilt im Besonderen für die Sensorik. Herkömmliche optische Sensoren arbeiten im Vakuum nur hinter Schaugläsern, die in die Wände der Prozesskammern eingelassen sind. So lassen sich zwar Standard-Optosensoren grundsätzlich auch in anspruchsvollen Applikationen einsetzen, aber nur mit erheblichen Nebenkosten. Vor allem aber vergrößern Schaugläser die Wirkabstände zwischen Sensor und Objekt, was sehr zu Lasten der dringend geforderten Genauigkeit geht. Auch Niederschlag an den Scheiben sowie mechanische Deformationen beim Evakuieren können das Ergebnis deutlich verschlechtern.

Probleme gibt es auch mit manchen Werkstoffen: Kunststoffe neigen in hohem Vakuum zum Ausgasen und verunreinigen so den Prozess. Es gibt nur wenige Kunststoffe, die für Vakuumeinsätze geeignet sind.

So ist denn der richtige Werkstoff die wichtigste Größe bei der Konstruktion von Gehäusen, Optiken und elektrischen Leitungen optischer Sensoren fürs Vakuum. Im Fokus stehen dabei auch dessen Auswirkungen auf die Prozesse selbst. Insgesamt ist die Zahl der Lösungen, die die hohen Anforderungen im Vakuum erfüllen, sehr begrenzt. Optosensoren im Vakuum erfordern zudem fast immer individuelle Lösungen und sind aus dem Katalog nicht zu haben; die Anforderungen an Form, Funktion und Material fallen mitunter extrem aus.

Variabler Baukasten

Diesen Herausforderungen stellt sich die STM Sensor Technologie München GmbH mit Sitz in Neubiberg. Das Unternehmen bezeichnet sich als weltweit führenden Hersteller von optischen Sensoren für den Einsatz im Hochvakuum. STM hat dazu ein Modulsystem aus miniaturisierten optoelektronischen Präzisionsbaugruppen entwickelt. Dieser Baukasten erfüllt einerseits die technisch wichtigen Grundanforderungen für einen Einsatz im Ultrahochvakuum, andererseits ist er so variabel, dass sich funktionelle Lösungen schnell und kostengünstig in individuelle Sensorausführungen umsetzen lassen.

Die Erzeugung von hohem Vakuum ist technisch und zeitlich ein großer Aufwand. Darum ist es dringend ratsam, das evakuierte Volumen der Prozesskammern, einschließlich der zur Beschickung notwendigen Schleusen, konstruktiv so gering wie möglich zu gestalten. Dies beschränkt neben den extremen Umgebungsbedingungen den Platz zur Installation von Sensoren. Es gilt deswegen, den wesentlichen Teil der elektronischen Peripherie wie auch die Verarbeitung der Sensorsignale, außerhalb dieser kritischen Prozesszonen anzusiedeln.

Ist ein optischer Sensor in einer Vakuumanwendung aber unentbehrlich, gibt es zwei grundsätzliche Konstruktionsarten: Bei der Wandmontage wird der Sensor durch die Wand der Kammer geführt, so ist er von außen zugänglich, um ihn einzustellen oder auszutauschen. Die Optik ist in den Sensorkopf integriert. Das Gehäuse übernimmt dabei immer auch eine Abdichtfunktion. Je nach Anwendung können die Anforderungen an die Dichtung sehr hoch sein. Bei der zweiten Montageart befindet sich der Sensor vollständig innerhalb der Vakuumkammer. Die elektrischen Rohsignale werden über eine Vakuumdurchführung, wie in der Regel in jeder Anlage vorhanden, nach außen geleitet und dort weiter verarbeitet.

Gemeinsames Konstruktionsprinzip aller STM-Sensoren aus der Micromote-Familie ist der bereits erwähnte einfache Aufbau aus patentierten mikrooptischen Bauelementen. Diese von STM hergestellten Präzisions-LEDs und Fototransistoren mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften sind bereits vollständige Sender- und Empfänger-Baugruppen, die für die Anwendung mit einer separaten Elektronik ausgelegt sind.

Die Gesamtbaugröße eines Sensors ergibt sich aus den Minimaldimensionen, die notwendig sind, um in der richtigen räumlichen Anordnung von Sender und Empfänger die benötigte optische Funktion darzustellen. Die umschließenden Gehäuse bekommen damit eine rein mechanische Halteaufgabe und haben in der Regel nichts mehr mit den optischen oder elektrischen Eigenschaften des Sensors zu tun.

Dementsprechend lassen sich Materialien, Formen und sogar das Herstellungsverfahren frei wählen. Im Normalfall wählt STM inerte Materialien aus einer Liste von zugelassenen Stoffen aus, die den umgebenden Prozess nach Möglichkeit nicht beeinflussen. Nachdem der funktionelle Platzbedarf abgeklärt ist, kann der Kunden die Gehäusekonstruktion in den meisten Fällen selbst übernehmen.

Je nach gewählter Ausführung ist das Gehäuse entweder in die engsten Stellen innerhalb einer Vakuumkammer eingepasst oder für den Fall der Wandmontage mit der bevorzugten Dichtfunktion versehen. Die eigentliche Sensorfunktion bleibt davon weitgehend unberührt.

Getestet und protokolliert

Bei Optosensoren mit Dichtungsfunktion führt STM am Ende der Herstellung neben allen funktionellen Prüfungen für den Sensor auch eine Prüfung der Dichtheit der gesamten Konstruktion durch. Maximal zulässige Leckraten werden vom Anwender definiert, bei STM protokolliert und unter der jeweiligen Seriennummer gespeichert. Sensoren, die innerhalb von Vakuumkammern installiert werden, erhalten Zuleitungen aus möglichst inerten Mantelmaterialien. In den meisten Fällen ist dies Teflon, aber je nach Festlegung des Anwenders kommen auch PEEK oder Kapton dafür in Frage.

An den wenigen Stellen, an denen optische Kunststoffe unvermeidbar bleiben, setzt der Hersteller vakuumtaugliche Materialien ein. Bewährt hat sich zum Beispiel, die Mikrooptiken der Sender- und Empfängerbaugruppen aus Polymeren mit Raumfahrtzulassung zu gießen. Wegen ihrer minimalen Baugröße kann ein restlicher Ausgasungseffekt nur an winzigen Oberflächen stattfinden. Besondere Ausführungen dieser Optosensoren erhielten so bereits Zulassungen für den Einsatz im Ultrareinstvakuum. STM zufolge erlaubt ihr Modularsystem eine weitgehend individuelle Gestaltung der Sensoren, bei niedrigen Kosten und sehr schneller Umsetzung.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012