為何選擇數位電容式感測器？

為何選擇數位電容式感測器？

電容探頭和目標表面之間形成的電容會隨這兩個表面之間的距離或間隙而變化。

平行板電容式感測器長期以來一直在解決測量問題，與其他感測系統相比，它們的優勢眾所周知。例如，感測器與目標之間沒有物理接觸，意味著零機械負載、探頭或目標無磨損，以及目標無變形。此外，穩定性、精確度和解析度與雷射干涉儀的能力相匹配或超越，而成本大約只有其三分之一。

電容探頭可在其他感測器無法觸及的惡劣環境中工作。它們可以承受高達 1,200 F (650 C) 的高溫以及低溫 (4 °K)。它們可以在非常強的磁場 (2 Tesla) 或真空 (10-7 Torr) 中工作。它們的服務記錄從海洋最深處延伸到太空外圍。

儘管這些測量憑證令人印象深刻，但 MTI Instruments 的新型數位電容技術提供了更強大的功能。請考慮該公司 Accumeasure™ D 系列放大器的這些主要功能：

• 24 位元解析度。精確度遠超常用 16 位元 A/D 轉換器，且沒有常見的雜訊和/或非線性誤差。
• 無漂移。內建數位可選濾波器可優化解析度和頻率響應，而不會增加額外的偏移和漂移。
• 數位量程擴展。使用者可以感測類比放大器無法實現的距離。訂購時可以添加多個量程擴展；最多可達 10 個。
• 卓越的線性度和準確性。數位 Accumeasure 放大器在量程的每個點數位校正其線性度，而不僅僅是位移曲線上的幾個點。典型的線性度規格為 0.01% 滿量程。
• 與「物聯網」相容。由於 Accumeasure D 系列放大器透過乙太網路和 USB 輸出擁抱新的物聯網，客戶可以將多個感測器聯網用於嵌入式或基於網路的應用程式，甚至在智慧型手機上顯示結果。

在本文中，讀者將發現傳統類比系統無法實現的數位電容式位移測量解決方案。以下應用涵蓋廣泛的產業領域。每個範例都展示了數位電容感測系統如何以極低的成本與更昂貴和複雜的測量系統的性能相媲美。

消費性電子產品：快速運動控制，5 微米以下精度

21 世紀的電子製造需要對微型元件進行快速、精確的定位。對於許多組裝線，製程控制已從毫米精度轉向微米甚至亞微米精度。為了跟上對更高精度的需求，需要壓電定位致動器和/或帶有閉迴路回饋控制的音圈馬達。

挑戰：傳統上，來自電容感測器的類比回饋已實現傳統定位台的閉迴路控制。然而，要利用音圈馬達或壓電台可實現的極高定位精度，需要來自位置感測器的運動台回饋。與類比系統相比，數位閉迴路控制提供更高的穩定性，且雜訊、干擾和/或失真更少。

解決方案：最近開發的數位電容感測器系統為涉及壓電致動器或音圈馬達的精密定位應用提供閉迴路回饋。這些感測器系統包括數位電容探頭和數位 Accumeasure 電容放大器。

在操作過程中，探頭即時測量壓電台位置。然後，數位 Accumeasure 放大器透過乙太網路輸出將台位置發送到可程式運動控制器。

運動控制器將這些回饋訊號與命令位置設定點進行比較，使控制器能夠以亞微米精度調整壓電平台. 如果指令發生設定點變化, 或發生製程干擾, 控制器會根據變化執行計算並返回一個值, 使運動平台精確地達到指令位置. 整體性能取決於控制器響應的速度, 以及所有定位組件和回饋感測器的協同作用.

數位優勢

• 內建卓越的24位元數位輸出, 無需獨立的A/D系統
• 適用於市售的閉迴路伺服軟體
• 數位可調濾波器, 實現最佳迴路響應/最高解析度
• 極低的線性誤差, 實現絕對定位的最高精度
• 多個探頭可聯網, 無訊號衰減
• 乙太網路輸出, 適用於遠端感測器位置

MTI數位電容放大器與MTI ASP-500M-ILA電容探頭, 嵌入在Piezo System Jena PX-100平台上. 數位放大器提供卓越的精度和線性度. 市售的控制程式使其易於使用和調整數位回饋.

半導體製造: 3D IC結構

為了提高設備性能, 今天的半導體和微電子製造商正在建造三維積體電路, 其特點是垂直堆疊的矽晶圓和晶粒. 其原理很簡單. 利用Z軸可以避免與二維製程相關的延遲和佔用空間. 然而, 實施該原理並非如此簡單. 垂直堆疊需要共面表面與所有引腳, 焊盤和柱體接觸.

挑戰: 通常, 製造商測量兩個平面之間的間隙以確定共面性. 鍵合工具致動器依賴這些角度/間隙測量來調整組件, 並確保所有設備引腳和/或焊球位於相同的幾何平面上, 以便它們正確地配合或鍵合在一起, 而沒有殘餘應力. 這個過程被稱為「主動平行度補償」.

由於鍵合成功取決於角度和間隙測量的精度, 主動平行度補償可能具有挑戰性且成本高昂 – 特別是當所需解析度在亞微米範圍內時.

解決方案: 為了實現高解析度位置控制, MTI採用ASP-50-ILA電容式位移探頭, D-300數位Accumeasure電容放大器和致動器/控制系統. 這些組件協同工作, 監測和調整鍵合平面(晶粒鍵合工具)和接地平面(晶粒或基板)之間的間隙/角度.

設置包括將探頭安裝到晶粒鍵合工具上; 至少需要三個電容探頭來建立平面. 同樣, 至少需要三個致動器來調整晶粒或基板, 以使其與晶粒鍵合工具共面.

間隙測量由D-300數位Accumeasure電容放大器處理. 放大器通過1000 Base乙太網路或USB與控制系統介面, 以監測共面性並向致動器提供位置控制. 放大器和控制系統以1,000點/秒的採樣率生成平面位置.

數位優勢

• 內建卓越的24位元數位輸出, 無需獨立的A/D系統
• 適用於市售的閉迴路伺服軟體
• 數位可調濾波器, 實現最佳迴路響應/最高解析度
• 極低的線性誤差, 實現絕對定位的最高精度
• 放大器線性度為滿量程範圍的0.01% • 在100 Hz迴路位置頻寬速度下, 解析度為5 nm p-p
• 漂移小於100 PPM

發電: 風力渦輪機間隙監測

風力渦輪機的產量一直在穩步增長, 以滿足對可再生能源日益增長的需求. 隨著發電量和安裝數量的攀升, 維護變得越來越重要. 營運商希望最大限度地減少停機時間並防止災難性故障.预测何时需要维护的能力对于确保实现这些目标大有帮助.

挑戰: 一家領先的風力發電機製造商向MTI尋求關鍵的間隙監測感測器。其目標是通過確保最佳間隙來維持峰值效率。此外，感測器需能承受嚴苛環境，使用壽命達十年以上，並能在高磁場中運作。感測器需配備長電纜以連接至控制面板。

解決方案: MTI 利用包含三個元件的感測系統滿足這些需求：一個被動式電容位移探頭；一條專門設計以減少磁環干擾的特殊連接電纜；以及一個Digital Accumeasure電容放大器。

這款厚度不到500微米的電容探頭，作為經典雙板電容間隙感測器中的一個電極運作。目標物形成第二個電極，通常為接地端。該堅固的探頭符合C4 ASTM環境標準，採用非磁性材料製成，並以聚醯亞胺密封以避免腐蝕。連接電纜則為客製化設計，防止磁感應電流產生造成噪音或燒壞感測器電纜。

Digital Accumeasure放大器完成了間隙監測系統的核心。放大器透過向探頭注入電流，並測量由探頭和目標形成的電容間隙阻抗來運作。測量的阻抗與間隙大小成正比，公式為：Gap = (探頭面積 × 空氣介電常數) / 間隙電容。

多套間隙監測感測系統已成功安裝並運行無虞。與斷線觸發器及其他非動態方案不同，MTI的電容系統提供持續且即時的測量。此外，該系統亦可用於監測轉子間隙，或於能源、航空及汽車產業測量小間隙。

數位優勢

• 間隙感測器的數位網路連接
• 因數位線性校正而提供卓越範圍及高精度
• 因數位設計而具優異熱穩定性
• 現場可程式設計的放大器頻寬

太陽能技術：監測非接地目標

當今半導體與太陽能產業推動更高密度晶片與更小關鍵尺寸的需求。為配合此需求，晶圓製造商尋求對矽產品更精準的尺寸控制。

非接觸式電容感測器提供平坦度、厚度變異及其他關鍵尺寸所需的精度、準確度及速度。通常，感測器作為經典雙板電容間隙測量方案中的一電極。接地目標—例如矽晶圓—構成第二電極。

然而，接地帶來挑戰。首先，它可能刮傷或損害脆弱且昂貴的晶圓。其次，它限制了必須移動晶圓以完成所有計量測量的感測場景。

雖有方法克服接地難題—寄生電容耦合、兩個相位相差180度的感測器，或用接地卡盤支撐晶圓—但其效果有限。這裡有一個更佳的解決方案：專為非接地目標設計的推拉式探頭。

挑戰: 以每秒一片的速度，測量156 mm²光伏(PV)晶圓的厚度與翹曲度。所需精度小於1微米。

解決方案: 在上述情境下，晶圓通過電容探頭時幾乎不可能接地。即使可行，接地不良會引入不可接受的噪音，破壞測量結果。

MTI的專有推拉式探針系統可測量未接地的半導體晶圓。基於傳統電容測量原理，該設計在一個探針機構中內置兩個電容感測器。每個感測器以相同的交流電壓驅動，信號之間存在180度相位差。這種相位差使電流可以在目標表面橫向傳播，而非通過目標接地，從而消除了由poorly grounded目標造成的不準確性。

MTI的AS-562-PP放大器將個別輸出信號相加，產生一個與探針與晶圓間距成正比的0至10 VDC輸出。在探針距離目標最多2毫米的情況下，可實現亞微米精度。

優點

• 推拉式探針是被動的，並且在寬溫度範圍內極其穩定
• 推拉技術可用於高體積電阻率目標
• 無需為目標材料變化重新校準探針
• 推拉放大器設計可消除可能在目標中感應的共模電氣雜訊
• MTI的PV-1000數位控制器接受三個電容厚度通道，並提供數位校正以實現極高線性度，並執行其他數位功能，如晶圓分類命令、通過/失敗測量計算
• 推拉探針是MTI Accumeasure™放大器系列的獨特版本。這種特殊設計為晶圓彎曲和厚度提供準確的表面信息。

汽車技術：剎車盤厚度變化

當今的汽車和卡車提供前所未有的燃油效率和操控特性 - 部分歸功於車輛輕量化。應用於所有車輛部件，輕量化降低了應力和應變，以提高里程並提升整體性能。

順應這一趨勢，當今的剎車盤比幾年前更薄、更輕。此外，許多剎車盤還具有冷卻通風孔以進一步改善性能。然而，這些變化減少了可用剎車表面，迫使汽車工程師考慮替代材料和設計。

挑戰：由於剎車期間產生的極端溫度和力可輕易導致盤變形和故障，對任何新設計進行動態測試是強制性的。必須持續收集盤偏擺、厚度變化、錐形或翹曲以及溫度的數據，以評估原型單元對真實條件的響應。

解決方案：MTI最新的多通道剎車盤測量系統 - Accumeasure™ D系列，滿足兩種測試場景的要求。該放大器使用先進技術，將可靠的電容電場測量轉換為高精度24位數位讀數。這消除了與模擬濾波、線性化、範圍擴展和通道求和相關的誤差。

單端電容探針或"推/拉"電容感測器監測探針與旋轉盤之間的距離。使用推/拉技術，一個探針機構中的兩個感測元件消除了對電氣接地剎車盤的需求。探針由因科鎳和陶瓷材料製成，可承受高達1200° F（650°C）的溫度。

多家主要車輛製造商已將MTI的Accumeasure高溫感測器和Accumeasure™ D系列放大器標準化用於其測試要求。除剎車測試外，這些產品還用於測量和監測主軸和軸偏擺、發動機振動、熱膨脹/收縮以及懸架行程。

優勢

• 數位Accumeasure是一個可由24VDC供電的緊湊單元。它可提供四個單端探針通道（用於接地目標）或兩個推拉探針（用於未接地轉子）。
• 數位線性校正允許遠程探針遠離熱轉子表面而不失準確性。
• 數位Accumeasure的特點包括高線性度以實現準確測量，以及Ethernet和USB接口。和探測範圍延伸用於大型遠距離偵測。
• MTI的Accumeasure™ D系列放大器在堅固、緊湊的放大器套件中提供多達四個獨立的測量通道。功能包括多單元同步、範圍延伸、次微米解析度，以及0.01%的全量程線性誤差。推/拉探測設計允許對旋轉目標進行無接地、非接觸式測量。

工業加工：油系統污染

眾所周知，水對油的不利影響。負面後果包括：

• 更高的黏度
• 降低承載能力
• 水解（形成酸、污泥和漆）
• 泡沫形成和空氣捲入
• 添加劑耗盡
• 金屬表面腐蝕
• 潤滑膜強度降低導致磨損增加
• 空化
• 濾網堵塞

挑戰：隨著油系統可靠性下降，維護和維修活動增加。必須在發生"超出限制"情況之前採取糾正措施，以避免運營成本不斷上升。

解決方案：內置電容探測器可用於自動和持續監測潤滑系統中的水滲入。通常，油的介電常數在2-5範圍內。水的介電常數為80，因此即使極少量的水也會顯著改變水狀態讀數。

工作原理：將一個電容探測器放置在攜帶待監測油供應的非導電管段上。第二個參考探測器放置在密封的非導電管中，其中包含潤滑油樣本。兩個管子應彼此保持熱接觸。MTI提供可輕鬆粘合到管子上的扁平柔性電容探測器。

每個電容探測器測量探測器面與管子另一側接地板之間的介電場。如果油流通道的介電讀數與樣本讀數偏離，監控CPU會觸發警報。

通過持續測量油與油/水混合物的電容比，可以最大限度地減少水分含量，消除腐蝕，提高系統可靠性。維護從被動模式轉變為主動模式。

優勢

• 數位Accumeasure具有內置的特殊校準程序，可處理此類介電校準。
• 數位Accumeasure還可以與現成的USB警報模組通信，以構建完整的警報系統。
• 數位Accumeasure運行在常用的24VDC上。
• MTI的靈活、現成的扁平探測器可以用環氧樹脂輕鬆粘合到管子上，模塑成塑料/玻璃油管的形狀，並持續監測通過的油或油/水混合物的電容。D200數位Accumeasure作為監測傳感器信號調理器。對熱漂移免疫，並且易於校準水在油中的敏感性，並提供數位限值警報模組。

 

_{Don Welch, Director of New Business Development, MTI Instruments}