Kapazitive Sensoren

Kontaktfreie, direkte Positionsmessung mit Sub-Nanometer-Auflösung

  • Absolutmessung von Abstand, Bewegung, Vibration
  • Messbereiche zwischen wenigen 10 µm und ca. 2 mm
  • Direktmetrologie: Unmittelbare Positionsmessung am bewegten Objekt
  • Nur minimale Erwärmung, kein Streulicht
  • Vakuumkompatibel bis 10-9 hPa
  • Wartungsfrei, kein Verschleiß
  • Hohe Bandbreite bis 10 kHz
  • Hohe Temperatur- und Langzeitstabilität (<0.1 nm/3 h)
  • Invar-Versionen für höchste Temperaturstabilität (5 ×­ 10-6/K)
  • Kompakte Zweielektroden- und Einelektroden-Sensoren, kundenspezifische Ausführungen
  • Auswerteelektronik in verschiedenen Ausbaustufen, von analogen OEM-Versionen bis zum modular aufgebauten und jederzeit erweiterbaren digitalen Controllersystem

Kontaktfreies Messprinzip

Der Aufbau besteht aus zwei leitenden Flächen: Durch die Ansteuerung mit hochfrequentem Wechselstrom entsteht ein homogenes elektrisches Feld zwischen den beiden Flächen. Wie beim Plattenkondensator ist die Kapazität direkt vom Abstand zwischen den Flächen abhängig. Die Messgröße ist die Kapazitätsänderung im elektrischen Feld.

 

 

Homogenes elektrisches Feld sorgt für hohe Linearität

Die PI Anordnung mit zusätzlicher Schutzringelektrode erzeugt ein sehr homogenes Feld im aktiven Bereich.

Zusätzlich verwenden alle Elektroniken von PI integrierte Linearisierungsverfahren, die die Parallelität zwischen den Sensorplatten korrigieren. Abhängig vom verwendeten Material zeigen kapazitive Sensoren eine hervorragende Langzeitstabilität, die weitgehend unabhängig von thermischen Einflüssen ist.

C Kapazität
A Aktive Sensorfläche
d Abstand von Sensor zu Targetfläche
ε0 Konstante
εr die elektrische Konstante des Materials zwischen den Kondensatorplatten

Höchste Genauigkeit durch Direktmetrologie

Richtig innerhalb des Positioniersystems angebracht, messen kapazitive Sensoren direkt die Ist-Position des bewegten Teils relativ zum Grundkörper (Direktmetrologie). Eventuelle Fehler im Antriebsstrang wie im Aktor, dem Hebel oder der Führung beeinflussen diese Messung daher nicht. Drift oder Hysterese im Antriebsstrang werden dadurch automatisch eliminiert.

Positionsgeregelte Piezo-Nanostellsysteme erreichen damit eine herausragende Linearität der Bewegung, eine hohe Langzeitstabilität und eine steife, schnell ansprechende Regelung, da Störungen von außen unmittelbar vom Sensor erkannt und zurückgemeldet werden.

Integration im Stellsystem

Kapazitive Einplattensensoren messen gegen jede Art von leitender Oberfläche und sind einfacher in der mechanischen Handhabung beispielsweise beim Einbau oder der Kabelführung. Sie können außerdem vielseitiger eingesetzt werden, z.B. zur Erfassung von Bewegungen senkrecht zur Messrichtung.

Kapazitive Positionssensoren können dabei im Stellsystem integriert oder extern angebracht sein. Die Messung erfolgt beim Zweiplattensensor zwischen zwei definierten Sensorplatten, die durch aufeinander abgestimmte Oberflächen und damit Feldgenauigkeit optimale Ergebnisse liefern.

Linearisierte Auswerteelektronik

Die Auswerte- und Messelektronik zeigt nur ein minimales Rauschen und integriert ein Linearisierungssystem (ILS), das die Einflüsse von Parallelitätsfehlern zwischen den Kondensatorplatten kompensiert.

Digitale Controller bieten die höchste Genauigkeit durch zusätzliche Linearisierungsalgorithmen mit Polynomen höherer Ordnung.

Alle Systeme werden im Hause PI kalibriert und für die vorgesehene Bandbreite und den Messbereich optimiert. PI bietet Auswerteelektronik für kapazitive Sensoren in verschiedenen Ausbaustufen an, von analogen OEM-Versionen bis zum modular aufgebauten und jederzeit erweiterbaren digitalen Controllersystem.


Indirekte Positionsmessung mit Dehnmessstreifen-Sensoren

Dehnmessstreifen-Sensoren bestehen aus einer dünnen Metall- (DMS) oder Halbleiterfolie (piezoresistiv, PRS), die auf der Piezokeramik oder für verbesserte Präzision auf dem Führungssystem eines Flexure-Verstellers aufgebracht ist. Diese Art der Positionsmessung erfolgt mit Kontakt und indirekt, da die Position der bewegten Plattform aus einer Messung am Hebel, an der Führung oder am Piezostapel abgeleitet wird. Dehnmesssensoren leiten die Positionsinformation aus ihrer Ausdehnung ab. Vollbrückenschaltungen mit mehreren Dehnmessstreifen je Achse verbessern die thermische Stabilität.


PISeca: Kapazitive Einelektrodensensoren

Kapazitive PISeca Einelektrodensensoren messen gegen jede Art von leitender Oberfläche und sind einfacher in der mechanischen Handhabung, beispielsweise beim Einbau oder der Kabelführung. Sie können außerdem vielseitiger eingesetzt werden, z. B. zur Erfassung von Bewegungen senkrecht zur Messrichtung.

Die E-852 Stand-alone Auswerteelektronik für PISeca zeigt nur ein minimales Rauschen und integriert ein Linearisierungssystem. Alle Systeme werden im Hause PI kalibriert und für die vorgesehene Bandbreite und den Messbereich optimiert.

>> PISeca Sensoren werden, wie auch die passenden Auswerteelektronik von PI als Produkt angeboten.


Anwendungsfälle für kapazitive Ein- und Zweielektrodensensoren

Vibrationsmessung, Ebenheitsmessung, Dickenmessung

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 Nanometer-Bereich können somit ebenfalls detektiert werden. Ein mögliches Einsatzgebiet ist zum Beispiel die Herstellung von Diskettenlaufwerken oder die aktive Schwingungskompensation.

Abstandsmessung mit Nanometer-Genauigkeit

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-Nanometer-Bereich erreicht. Ein kalibriertes und justiertes System bestimmt Absolutwerte.

Parallelmetrologie / hochgenaue Mehrachsenmessungen

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.

Schichtdickenmessung mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit

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.

Verkippungsmessung und -kompensation

Die Integration von kapazitiven Sensoren in einen Messaufbau sorgt für präzise Verkippungsmessung. Hier wird die Verkippung des bewegten Objekts differenziell bestimmt und gegebenenfalls kompensiert.

Kraftsensoren mit Mikro-Newton-Empfindlichkeit

Häufig werden kapazitive Einplattensensoren als hochauflösende Kraftsensoren für die kontaktlose Messung im Mikro-Newton-Bereich eingesetzt. Hier werden minimale Abstandsänderungen über größere Abstände berührungslos mit Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich gemessen ohne den zu messenden Prozess zu beeinflussen. Über die definierte Steifigkeit des Systems ergibt sich die Kraft.

Nanostelltechnik / positionsgeregelte Systeme

Eine Anwendung der hochauflösenden Abstandsmessung ist die Nanostelltechnik. Kapazitive Zweiplattensensoren 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.

Geradheits- und Ebenheitsmessung und aktive Übersprechkompensation

Über längere Stellwege ist die Messung von Geradheit oder Ebenheit einer Bewegung mit hervorragender Auflösung durch den Einsatz kapazitiver Einplattensensoren 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.

Out-of-Plane Messung, Constant-Height- und Unrundmessung

Insbesondere zur Kompensation von welligen Bewegungen bzw. Wellenschwingungen, beispielsweise bei Constant-Height-Scans oder in der Weißlichtinterferometrie kommen kapazitive Sensoren zum Einsatz.

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