Anwendungen kapazitiver Positionssensoren
Kapazitive Positionsmesstechnik
Abstandsmessung mit Nanometergenauigkeit Nanostelltechnik/positionsger egelte Systeme Parallelmetrologie/hochgenaue Mehrachsenmessungen
Kapazitive Sensoren messen zuverlässig kleinste Abstände. Messgröße ist hierbei die Kapazitätsänderung zwischen der Oberfläche des Sensorkopfs und einer Targetfläche bei homogenem elektrischen Feld. Dabei werden Genauigkeiten im Sub-Nanometerbereich erreicht. Ein kalibriertes und justiertes System bestimmt Absolutwerte. Eine Anwendung der hochauflösenden Abstandsmessung ist die Nanostelltechnik. Kapazitive Zweiplatten-Sensoren messen hier direkt Abstand und Ist-Position des bewegten Objekts mit allerhöchster Präzision. Durch die hohe Bandbreite der Sensoren ist die Regelung auch im dynamischen Betrieb möglich. Für mehrachsige geregelte Nanopositionieraufgaben kombinieren hochgenaue Versteller mit kapazitiven Sensoren Direktmetrologie und Parallelkinematik.
Beim Einsatz in Mehrachsen-Nanopositioniersystemen können somit alle Freiheitsgrade gleichzeitig gemessen und Führungsfehler aktiv eliminiert werden (Aktive Führung). Kapazitive Sensoren sind hier die genauesten Messsysteme für beste Positionsauflösung.

Geradheits- und Ebenheitsmessung/Aktive Übersprechkompensation Out-of-Plane Messung/Constant-Height/Unrundmessung Verkippungsmessung/-kompensation
Über längere Stellwege ist die Messung von Geradheit oder Ebenheit einer Bewegung mit hervorragender Auflösung durch den Einsatz kapazitiver Einplatten-Sensoren möglich. Eine mögliche Anwendung hierfür ist die CrossTalk-Messung in der Nanostelltechnik.
Unerwünschtes Übersprechen der Bewegung in eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Die hohe Bandbreite der Sensoren ermöglicht eine hohe Dynamik.		 Insbesondere zur Kompensation von welligen Bewegungen bzw. Wellenschwingungen beispielsweise bei Constant-Height-Scans oder in der Weißlichtinterferometrie kommen kapazitive Sensoren zum Einsatz. Die Integration von kapazitiven Sensoren in einen Messaufbau sorgt für präzise Verkippungsmessung. Hier wird die Verkippung des bewegten Objekts differenziell bestimmt und gegebenenfalls kompensiert.

Vibrationsmessung, Ebenheitsmessung, Dickenmessung Kraftsensoren mit Mikro-Newton Empfindlichkeit Schichtdickenmessung mit Sub-Mikrometergenauigkeit
Die hohe Dynamik des PISeca™ Systems erlaubt auch die Messung von Vibrationen oder Schwingungen mit sehr hoher Auflösung.
Die Ebenheit eines rotierenden Werkstückes oder Dickenunterschiede im Nanometerbereich können somit ebenfalls detektiert werden.
Ein mögliches Einsatzgebiet ist zum Beispiel die Herstellung von Diskettenlaufwerken oder die aktive Schwingungskompensation.		 Häufig werden kapazitive Einplatten-Sensoren als hochauflösende Kraftsensoren für die kontaktlose Messung im Mikro-Newtonbereich eingesetzt. Hier werden minimale Abstandsänderungen über größere Abstände berührungslos mit Auflösung im Sub-Nanometerbereich gemessen ohne den zu messenden Prozess zu beeinflussen. Über die definierte Steifigkeit des Systems ergibt sich die Kraft. Für die Dickenmessung von Nicht-Leitern auf einer bewegten, leitenden Oberfläche (z.B. einer Walze) eignen sich die Sensoren aufgrund des berührungslosen Messprinzips und der hohen Dynamik.


Kapazitive Positionsmesstechnik
Überblick
Eigenschaften kapazitiver Sensoren von PI
  • Messbereiche von 10 bis 500 µm und mehr
  • Positionsauflösung im Sub-Nanometerbereich
  • Kontaktlose Absolutmessung von Abstand/Bewegung/Vibration
  • Verschleißfreies Verfahren
  • Ideal für Mehrachsmessungen
  • ILS Linearisierungselektronik für bessere Linearität
  • Hohe Bandbreite bis 10 kHz
  • Unmittelbare Positionsmessung am bewegten Objekt (Direktmetrologie)
  • Hohe Temperatur- und Langzeitstabilität (<0,1 nm/3 h)
  • Vakuum kompatibel
  • Kompakte Zweielektroden- und Einelektroden-Sensoren, kundenspezifische Ausführungen
  • Invar-Versionen für höchste Temperaturstabilität (5 x 10-6/K)
Ein- und Zwei-Elektroden Sensoren
Kapazitive Sensoren messen kontaktlos geometrische Größen wie Abstand, Position, Länge oder Dimension mit Subnanometer-Genauigkeit. PI bietet hierfür kapazitive Sensoren zur Integration in Kundensystemen sowohl in der Ausführung als höchst genaue Zweiplatten-Kondensatoren an, als auch als PISeca™ Einplatten-Sensoren für die flexiblere Anwendung.

Messprinzip
Das zugrunde liegende Funktionsprinzip ist in beiden Fällen dasselbe: Zwei leitende Flächen erzeugen ein homogenes elektrisches Feld, eine Abstandsänderung der beiden Flächen ist dem Ausgangssignal an der Messelektronik proportional. Die Messung erfolgt beim Zweiplatten-Sensor zwischen zwei definierten Sensorplatten, die durch perfekt aufeinander abgestimmte Oberflächen und damit Feldgenauigkeit optimale Ergebnisse liefern. Kapazitive Einplatten-Sensoren messen prinzipiell gegen jede Art von leitender Oberfläche und zeichnen sich durch einfachere mechanische Handhabung beispielsweise beim Einbau oder der Kabelführung aus.

Nanopositioniertechnik und Nanomesstechnik
PI bietet weltweit die größte Auswahl an hochdynamischen und hochauflösenden Nanopositioniersystemen. Die Präzision und Reproduzierbarkeit sind nicht denkbar ohne den Einsatz höchstauflösender Messverfahren. Hier bieten kapazitive Sensoren die besten Ergebnisse. Sowohl Sensoren als auch die entsprechende Elektronik werden bei PI von erfahrenen Entwicklungs- und Fertigungsteams betreut.

Test und Systemabgleich
Die hauseigenen Nanometrologielabors entsprechen modernsten Standards und sind mehrfach gegen seismische, thermische und elektromagnetische Einflüsse isoliert. Jedes kapazitive Messsystem wird hier vermessen. Diese Präzision ist die Grundvoraussetzung für alle Produkte von PI, Standard- wie Sonderanfertigungen, und sichert die optimale Umsetzung von spezifischen Kundenanforderungen.
E-852 Signalauswerte-Elektronik für PISeca™ Einelektroden-Sensoren mit D-510.020 Sensor


Die Standardmodelle kapazitiver Zweiplatten-Sensoren D-015, D-050 und D-100 (vorne von links) und eine Auswahl von OEM-Sensoren zum Vergleich
 
Funktion, Eigenschaften, Vorteile

Genauigkeit
Genauigkeit, Linearität, Auflösung, Stabilität und Bandbreite liegen dabei deutlich über den Werten, die mit konventionellen LVDT- oder DMSSensoren erreicht werden. Dabei ist die Messung durch das kontaktlose Prinzip vollkommen verschleiß- und hysteresefrei und beeinflusst die eigentliche Anwendung nicht.

Schutzringkondensator für verbesserte Linearität
Die Sensorgeometrie hat großen Einfluss auf die Linearität der Messung. Durch den von PI verwirklichten Aufbau mit zusätzlicher Schutzringelektrode werden störende Randeffekte ausgeschlossen. Im Messbereich wird so ein sehr homogenes elektrisches Feld erzeugt, was eine sehr hohe Linearität zur Folge hat.

Ein- und Mehrkanalelektronik
Die von PI entwickelte Messelektronik wurde speziell auf die konstruktiven Eigenschaften der Sensoren abgestimmt, um die Vorteile des kapazitiven Messprinzips optimal umzusetzen. PI bietet Signalauswerteelektronik mit minimalem Rauschen für ein bis drei Kanäle an. Die Mehrkanalelektronik basiert auf dem modularen E-500 Controllersystem. Bandbreite und Messbereich können werkseitig optimal auf die Applikation abgestimmt werden. Die einkanalige Version E-852 für PISeca™ Einelektroden-Sensoren bietet dem Kunden die Möglichkeit, Bandbreite und Messbereich selbst zu variieren, um ein optimales Messergebnis zu erzielen.

Optimierte Linearität durch integriertes Linearisierungssystem (ILS)
Alle Elektroniken von PI verwenden das integrierte Linearisierungs-System (ILS), das die Einflüsse von Parallelitätsfehlern zwischen den Kondensatorplatten kompensiert.

Einfache Handhabung und Integration
Insbesondere die Einelektroden-Sensoren der PISeca™ Serie zeichnen sich durch einfache und flexible Handhabung aus. Eine optische Justagehilfe an der Einkanal-Elektronik erleichtert den Einbau in die Messanordnung bei verschiedenen einstellbaren Messbereichen. Für die Mehrkanalelektronik stehen Display- und PC-Interface/Display-Module zur Verfügung.

Ideal für positionsgeregelte Piezo-Nanostellsysteme
Für den Betrieb geregelter Systeme mit kapazitiven Sensoren bietet PI Sensor-/Servocontrollermodule auf Basis der Serie E-500 an. Hier können pro Modul bis zu drei externe oder im Stellsystem integrierte Positionssensoren angeschlossen werden. Drift bzw. Hysterese, die im spannungsgesteuerten Piezobetrieb auftreten, werden dadurch automatisch eliminiert.

Für Nanopositionieraufgaben mit den höchsten Genauigkeitsanforderungen stehen digitale Controller von PI zur Verfügung.


Kapazitive Zweiplatten-Sensoren D-100, D-050 und D-015 (von links) und die Auswerteelektronik E-509.C3A


D-510.050: Einfache Handhabung und Systemintegration durch LEMO-Steckverbindung


Das Piezo-Nanopositioniersystem P-752.11C mit integrierten kapazitiven Sensoren bietet eine Positionsauflösung bis 0,1 nm