Capacitief, contactloos dikte meten

Met ongekende nauwkeurigheden

Voor het meten van de dikte van een object kan natuurlijk een schuifmaat gebruikt worden, maar zeker in een geautomatiseerd productieproces is dit niet handig. In dat geval is het contactloos meten van de dikte vele malen sneller en levert bij het meten van tere objecten geen beschadigingen op. Een voorbeeld hiervan is het meten van de dikte van zonnecellen. Deze tere, dunne plaatjes kunnen het beste contactloos gemeten worden, iets waar de capacitieve sensoren van Micro-Epsilon een goede oplossing voor bieden.

Zonnecellen worden net als IC gemaakt uit een blok silicium waaruit wavers gezaagd worden. Deze wavers ondergaan verschillende bewerkingen om uiteindelijk een cel op te leveren die in een behuizing geplaatst kan worden. Bij het merendeel van de bewerkingen moet men in de gaten houden dat de dikte van de waver of de lagen die er op aangebracht worden wel overeenkomen met dat wat men wenst. Voor een zo hoog mogelijk rendement mag namelijk de waver niet te dik worden en ook bijvoorbeeld een antireflectielaag mag niet te dik zijn.
In de fabriek waar de cellen gemaakt worden, moet dus op meerdere plekken de dikte van het halfproduct gemeten worden om zo het productieproces constant te kunnen houden. Aangezien de wavers slechts 200 µm dik zijn en daardoor heel erg teer zijn, is het contactloos meten eigenlijk de enige goede oplossing. Voor deze bepaling zijn er meerdere mogelijkheden, maar een oplossing met een hele hoge nauwkeurigheid is het toepassen van capacitieve sensoren. Hiermee kan snel en eenvoudig de dikte bepaald worden om zo foute exemplaren uit het productieproces te halen.

Diëlectricum
Om te kunnen verklaren hoe met een condensator een dikte is te meten, moet allereerst weer even gekeken worden naar de opbouw en werking van een condensator. In figuur 1 is de condensator getekend plus de bijbehorende formule voor het bepalen van de waarde. Hierin is ε de diëlectrische constante van de stof tussen de platen (in dit geval die van lucht), A het oppervlak en d de afstand tussen de platen. Wordt er tussen de platen een ander materiaal dan lucht geschoven, dan zal de waarde van ε veranderen en daarmee de waarde van de condensator. Is deze stof dunner dan de afstand tussen de platen, dan ontstaat er een ε die bepaald wordt door de ε van de lucht en die van de stof. Door kalibratie is nu de verandering van de capaciteit om te rekenen naar de dikte van de stof die tussen de platen gehouden wordt. Op deze manier kan dus de dikte van elke niet geleidende stof bepaald worden, zolang er maar een duidelijk verschil is tussen de ε-waarde van de stof die van de omringende lucht.
Wordt er tussen de platen een geleidend (of halfgeleidend) materiaal gehouden, dan ontstaat er een compleet andere situatie. Het geleidende materiaal gaat zelf ook als condensatorplaat werken en we krijgen daardoor twee condensatoren die in serie geschakeld zijn. Ook nu kan de dikte van het geleidende materiaal bepaald worden omdat er nu boven en onder het materiaal twee luchtlagen zijn waarvan de totale dikte afhankelijk is van de dikte van het te meten materiaal.

Voor het complete artikel klikt u hier

Klik hier voor meer informatie over de diktebepaling van wavers voor zonnecellen.