Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Neuer Justieralgorithmus ermöglicht einfachere und bessere Nutzung von kapazitiven Sensoren

03.11.2021

Kapazitive Sensoren ermöglichen berührungslose Verschiebungsmessungen im Mikrometerbereich mit Sub-Nanometer Auflösung. Aufgrund ihrer Kompaktheit und ihres einfachen Designs werden sie in vielen Bereichen der maschinellen Fertigung und der Metrologie, beispielsweise in Positioniersystemen, eingesetzt. Hierbei bilden zwei Elektroden einen Kondensator. Bei einer Verschiebung einer der beiden Elektroden führt die Änderung des Plattenabstands zu einer Änderung der elektrischen Kapazität, die beispielsweise mit einer Wechselstrommessbrücke gemessen werden kann.

Bei kapazitiven Verschiebemessungen führen Verzerrungen der elektrischen Feldlinien zu Messabweichungen [1]. Zum einen gibt es eine Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gemessenen Verschiebeweg, die als Steigungsfehler bezeichnet wird. Darüber hinaus treten während der Messung Nichtlinearitäten auf. Die beiden größten Einflussfaktoren auf die elektrischen Feldlinien sind die Geometrie der Elektroden sowie deren Verkippung zueinander. Im Rahmen einer Promotion im Fachbereich 5.1 wurde nun untersucht, ob die Oberflächenrauheit und die lokale Verteilung von Oberflächenpotentialen (Patch-Potentiale) ebenfalls einen Einfluss auf die kapazitive Verschiebemessung haben.

Basierend auf FEM-Simulationen wurde ein Experiment aufgebaut, in dem kapazitive Verschiebemessungen mit einer maximalen Verschiebung von 50 µm gegen ein Laserinterferometer als Referenz durchgeführt werden konnten. Die Standardabweichung von 20 kapazitiven Messungen betrug dabei 6 nm. Die große Herausforderung dieses Experiments bestand in der reproduzierbaren und berührungslosen Justierung der Innenflächen der Elektroden, um den Einfluss der Verkippung auf die Verschiebemessung soweit zu reduzieren, dass der Einfluss der Oberfläche untersucht werden konnte.

Aus diesem Grund wurde ein berührungsloser und automatisierbarer Justieralgorithmus entwickelt, der auf einem intrinsischen Effekt beruht und keine zusätzlichen Messinstrumente benötigt. FEM-Simulationen und die experimentelle Untersuchung des Einflusses der Verkippung ergaben, dass im Fall eines kalibrierten Sensors der Steigungsfehler und die Nichtlinearität ein Minimum aufweisen, wenn die Elektroden parallel zueinander ausgerichtet sind. Das Ziel des Justieralgorithmus ist daher die Minimierung des Steigungsfehlers und der Nichtlinearität. In Abbildung 1 ist das Ergebnis eines Justierprozesses mit zwei Zylinderelektroden dargestellt. [2] Eine Elektrode steht fest und die zweite Elektrode wird in Schritten von 1.5 mrad verkippt. Bei jeder Verkippung werden der Steigungsfehler und die Nichtlinearität ermittelt. Bis Justierschritt 8 erfolgt die Justierung im Neigen und anschließend im Gieren. Am Ende der Justierung wurde der Steigungsfehler um 949 nm und die Nichtlinearität um 164 nm reduziert. Für sechs wiederholte Justierungen beträgt die Standardabweichung für den Steigungsfehler 17 nm und für die Nichtlinearität 5 nm.



Abbildung 1: Ergebnis des berührungslosen und automatisierten Justieralgorithmus mit dem Ziel der Minimierung des Steigungsfehlers und der Nichtlinearität


Literatur

[1] Daul L, Jin T, Busch I and Koenders L 2021 Influence of Geometric Properties of Capacitive Sensors on Slope Error and Nonlinearity of Displacement Measurements Sensors 21 4270

[2] Daul L, Jin T, Busch I, Koenders L, Meeß R and Wolff H 2022 Non-contact, automated adjustment procedure for capacitive displacement sensors, Meas. Sci. Technol. 33 014004.

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig