Zweiseitige Dickenmessung eines Wafers, Bild: Micro-Epsilon

Zweiseitige kapazitive Dickenmessung eines Wafers. Bild: Micro-Epsilon

Die Funktionsweise des kapazitiven Sensors an sich ist sehr einfach und schnell erläutert. Letztlich wird eine Kapazitätsänderung gemessen. Aus der Schulphysik ist der Versuch mit einem Plattenkondensator bekannt. Die Erkenntnis daraus: Man kann die Kapazität zwischen zwei Platten konstanter Größe dadurch verändern, dass man deren Abstand verändert oder ein Dielektrikum in den Messspalt einbringt.

Das Besondere ist, dass mit diesen Sensoren in der Abstandsmessung höchste Auflösungen geboten werden können, die bis in den Pikometer-Bereich gehen. Kaum ein anderes System kann zudem Linearitätsabweichungen bis 0,005 Prozent besser über den ganzen Messbereich erfassen. Trotz vergleichsweise hoher Leitungskapazitäten bis zu ein Nanofarad lässt sich bei Micro-Epsilon-Sensoren trotzdem die Messkapazität auf etwa 0,25 Attofarad auflösen, ein Verhältnis von 1:4.000.000.000. Erreicht wird dies durch Feinheiten in den Komponenten, vom Sensor über das Sensoranschlusskabel bis in den Controller.

Bei Micro-Epsilon sind die kapazitiven Sensoren in erster Linie passiv konstruiert. Das wiederum bedeutet, dass es keine temperaturempfindlichen elektronischen Bauteile gibt. Ein weiterer Aspekt: Die kapazitiven Sensoren bieten über weite Temperaturbereiche von minus 270 Grad Celsius bis plus 200 Grad Celsius höchste Messwertstabilität.

Ein großer Vorteil ist die volle Tauschbarkeit. Das bedeutet, jeder Sensor kann aufgrund der vollständigen Kompatibilität mit jedem Controller verwendet werden. Sowohl Controller als auch Sensoren sind deshalb modular aufgebaut, sodass eine Anpassung der Komponenten an ganz unterschiedliche Anforderungen möglich ist.

Was und wo wird gemessen?

Berührungslose Weg- und Abstandssensoren sind zentrale Elemente in Maschinen und Anlagen. Sie überwachen Bewegungen, Toleranzen von Teilen oder werden zum Regeln von Prozessen eingesetzt. Vielfältig sind die zu messenden Parameter:

Der Controller Capa-NCDT 6222 aus der Capa-NCDT-Familie, Bild: Micro-Epsilon
Der Controller Capa-NCDT 6222 aus der Capa-NCDT -Familie. Mit einer Bandbreite von 20 Kilohertz wird er zur Überwachung schneller Prozesse eingesetzt. Bild: Micro-Epsilon

Schwingung, Auslenkung, Spiel, Position, Verkippung, Ebenheit, Profil, Verformung, Spalt, Hub, Rundheit, Dicke, Verschiebung, Kontur und weitere mehr.

Genauigkeit, Stabilität, Auflösungsvermögen und Geschwindigkeit sind dabei die wichtigsten Eigenschaften. Capa-NCDT-Systeme werden zur Wegmessung von leitenden Messobjekten, wie Metallen, Graphit, Silizium oder Wasser, eingesetzt. Außerdem sind Weg- und Dickenmessung von Isolatoren aus Kunststoffen, Porzellan oder Glas möglich.

Zweiseitige Dickenmessungen werden mit mindestens einem Sensorpaar durchgeführt, das in einer Achse zueinander montiert ist. Dieses Sensorpaar misst synchron auf das Messobjekt. Die Differenz der Messergebnisse (C-A-B) ergibt die Messobjektdicke.

Wo werden die Sensoren eingesetzt?

Kapazitive Sensoren werden in einem sehr breiten Anwendungsbereich eingesetzt. In der Halbleiterindustrie werden mit den kapazitiven Sensoren beispielsweise Wafer auf Dicke vermessen. Genauso werden die Sensoren in Objektiven zur höchstpräzisen Positionsmessung von Linsen im Sub-Nanometerbereich eingesetzt. Ein universeller Einsatz erfolgt in Prüflaboren, wo verschiedenste Abstandsmessungen mit wechselnden Sensoren erfüllt werden können.

In der Medizintechnik wird mit den kapazitiven Sensoren die Gleichmäßigkeit von Gelatine zur Tablettenumhüllung gemessen. An anderer Stelle wird ein kapazitives Messsystem als verschleißfreier Schalter in Operationsmikroskopen eingesetzt. In Tiefsttemperaturen kann bei minus 269 Grad Celsius gegen Kupferleiterpakete gemessen und deren Verformung bei Bestromung erfasst werden.

Wer würde vermuten, dass die kapazitiven Sensoren problemlos in flüssigem Stickstoff bei minus 190 Grad Celsius direkt auf eine Metallwand messen können? In der Automobilindustrie wird die Bremsscheibendicke mit intelligenter Auswertesoftware ohne Lichtschranken oder andere Indikatoren zur Umdrehungserfassung gemessen, sowohl in der Qualitätssicherung als auch im Verschleißprüfstand bei staubiger und heißer Umgebung.