Kapazitive Sensoren und Wirbelstromsensoren 1

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.

Autor: Johann Salzberger Wer meint die klassische Wegmessung mit elektro-magnetischen Verfahren spielt heute eine 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, beweist die Vielfältigkeit der Sensoren durch neueste Fertigungsverfahren und bisher ungeahnte Einsatzmöglichkeiten.

Klassische Wirbelstromsensoren arbeiten mit einer Luftspule als Kern. Dadurch werden sie durch umliegende elektro-magnetische Felder nicht beeinflusst und können höhere Grenzfrequenzen leisten als Sensoren mit einem ferromagnetischen Kern. Sie sind die 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 gut geeignet 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 Sensoren weisen stets eine besondere Bauform auf, da sie immer für einen bestimmten Anwendungsfall konstruiert wurden. Erkennbar sind die Sensoren durch ihre blaue Sensorfläche, in der sich die Spule befindet. Die 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 für Einsätze bis 350 °C geeignet.

Einsätze im Ultra-Hochvakuum und in starken elektro-magnetischen Feldern wurden bereits bei sehr hoher Präzision erfolgreich umgesetzt. Mit gewöhnlichem Sensor-aufbau wäre eine 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 submikrometer-genau 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 Halb-leiterlitographie mit Nanometerauflösung. Ein weiterer Vorteil 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 des Betriebs langfristig übersteht. 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. 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 zur gedruckten Spule, eingebettet in anorganisches Trägermaterial. Erst aktuelle werkstofftechnische Entwicklungen ebneten den Weg zum neuen ECT-Verfahren. Die Anforderungen an den Werkstoff lauten: Das Trägermaterial darf weder metallischer Natur sein, noch darf es ausgasen. Und ein möglichst niedriger Tempera-turausdehnungskoeffizient ist Voraussetzung.

Temperaturstabil

Anwendungen bei 350°C Einsatztemperatur waren auch mit bisherigen Sensoren 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 inte-grierter 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.

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 Mikro-elektroniken 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 dieser 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 wegen der aufwendigen Schaltungstechnik teurer. Dafür sorgen sie für eine bislang nicht erreichte Präzision. Es sind Auflösungen von bis zu 0,037 nm möglich. Die capaNCDT-CSH-Wegsensoren sind ebenfalls in das ECT-Material eingebettet, daher temperaturstabil und mit nur vier Millimeter Sensorhöhe sehr kompakt.

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