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DER KONSTRUKTEUR 5-6/2021

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DER KONSTRUKTEUR 5-6/2021

SENSORTECHNIK 01 02

SENSORTECHNIK 01 02 SPECIAL wie sie bei Wafern vorhanden sind. Der Messbereich wird vom Controller vorgegeben und kann daher nicht so flexibel wie beim konfokal-chromatischen Messsystem geändert werden. Uneingeschränkter Spitzenreiter in Sachen Genauigkeit ist allerdings das InterferoMeter. Es ist das präziseste optische System im Portfolio von Micro-Epsilon. Auflösungen bis zu 30 Pikometer können damit erreicht werden. Die Grenze des konfokalen Systems liegt bei 3 nm. Über analoge und digitale Schnittstellen wie Ethernet und EtherCAT ist eine einfache Anbindung der beiden Sensorsysteme möglich. Eine Besonderheit ist die Konfiguration, die über ein benutzerfreundliches Webinterface erfolgt. Ohne Softwareinstallation geschieht die Inbetriebnahme und Parametrierung auf einer verständlichen Benutzeroberfläche. Beide Systeme liefern mit ihren Vorteilen ein nahtlos ineinander übergehendes Produktportfolio für alle hochgenauen Anwendungen in Industrie, Forschung und Entwicklung, mit präzisen Ergebnissen bis in den Subnanometerbereich. KONFOKAL-CHROMATISCHES MESSPRINZIP Das konfokal-chromatische Messprinzip arbeitet mit polychromatischem Licht. Eine mehrlinsige Optik teilt dieses weiße Licht in die einzelnen Spektralfarben auf und fokussiert es in unterschiedlichen Abständen zum Sensor. Kurzwelliges, blaues Licht mit 400 nm wird stärker gebrochen als langwelliges, rotes Licht mit 700 nm. Der Messbereichsanfang liegt bei blauem Licht, das Messbereichsende bei rotem Licht. Durch die kontrollierte chromatische Abweichung liegt jede Wellenlänge in einer anderen Fokusebene. Mittels werkseitiger Kalibrierung wird jeder Wellenlänge ein bestimmter Abstandspunkt zum Messobjekt zugeordnet. Das Sensorsystem wertet die Wellenlänge für die Abstandsbestimmung aus, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Die Lichtreflexion wird über eine optische Anordnung auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, auf der die zugehörige Spektralfarbe erkannt und ausgewertet wird. Bei jeder Änderung des Brechungsindex, beim Übergang verschiedener Materialien, wird ein Teil des Lichts zurück reflektiert. So lassen sich auch einseitige Dickenmessungen von transparenten Materialien durchführen. Für Multilayer-Messungen werden mehrere Abstandspunkte ausgewertet. KONFOKAL-CHROMATISCHE MESSSYSTEME Konfokal-chromatische Sensoren bieten modernste Technologie, vereint mit höchster Geschwindigkeit und maximaler Präzision. Das Micro-Epsilon-Produktportfolio konfokal-chromatischer Sensoren bietet eine einmalige Vielfalt. Mit ihm werden schnelle Abstands- und Dickenmessungen beispielsweise in der Glasindustrie, der Medizintechnik, der Kunststoffproduktion oder im Bereich Consumer Electronics zuverlässig, berührungslos und verschleißfrei gelöst. Dank leistungsfähiger Controller und präziser Sensoren können kleinste Details und Strukturen auf nahezu allen Oberflächen hochgenau gemessen werden. Hochpräzise Messungen sind auf spiegelnden Oberflächen, wie hochglanzpolierten Metallen oder Flüssigkeiten, auf matten Oberflächen, wie Kunststoff oder schwarzem Gummi, und auf transparenten Materialien, wie Glas oder Kunststoffplatten, möglich. Dank der sehr schnellen Belichtungszeitregelung kann das ConfocalDT auch bei Materialwechsel von matt zu glänzend und umgekehrt stabil messen. Der extrem kleine Messfleck, der je nach System nur wenige μm umfasst, ermöglicht Messungen auf winzigen Objekten, wie beispielsweise IC-Pins auf Leiterplatten, Bonddrähten oder kleinen Konturen mechanischer Teile. Bis zu fünf Schichten lassen sich mit der Mehrschichtmessung auswerten. Dadurch können auch mehrschichtige Objekte wie z. B. Verbundglas zuverlässig vermessen werden. MESSPRINZIP INTERFEROMETER Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts. Diese führt dazu, dass sich überlagernde Wellen entweder verstärken oder auslöschen können, je nachdem, ob Wellenberg auf Wellenberg oder Wellenberg auf Wellental trifft. Teilt man einen Lichtstrahl so auf, dass er verschiedene Wege nimmt und sich die beiden Teilstrahlen im Anschluss wieder überlagern, tritt eine Interferenz auf, die von der Differenz der beiden Wege abhängig ist. Ändert sich die Länge eines der beiden Wege um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von positiver Interferenz (Verstärkung) zu negativer Interferenz (Auslöschung). Damit ist die Messmethode sehr empfindlich, die Genauigkeit liegt bis in den Sub-Nanometer-Bereich. Um mit dieser Methode z. B. Abstände 42 DER KONSTRUKTEUR 2021/05-06 www.derkonstrukteur.de

SENSORTECHNIK 03 01 Zur Einhaltung der Produktionstoleranzen wird die Kontur von optischen Linsen, wie z. B. Brillengläsern, mit konfokalchromatischen Sensoren abgetastet 02 Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts 03 Vergleich Interferometer und konfokal-chromatische Sensoren zu messen, wird einer der beiden Teilstrahlen am Messobjekt reflektiert und anschließend mit dem Referenzstrahl überlagert. Ändert sich der Abstand zum Messobjekt, lässt sich diese Abstandsänderung sehr empfindlich an der Interferenz feststellen. Sollen Dicken etwa von Folien oder Gläsern gemessen werden, wird ausgenutzt, dass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Messobjekts MIT DER WEISSLICHT-TECHNOLOGIE ERFOLGEN STABILE ABSTANDS- UND DICKENMESSUNGEN BIS IN DEN SUB-NM-BEREICH reflektieren. Dickenänderungen sorgen dann ebenfalls für die Änderung des Interferenzsignals zwischen den beiden Oberflächen. Ein separater Referenzstrahl ist dabei nicht notwendig. Eine Besonderheit der Dickenmessung: Da die beiden interferierenden Teilstrahlen von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt. INTERFEROMETER FÜR NM-GENAUIGKEIT Die Sensoren der Reihe InterferoMeter von Micro-Epsilon erreichen mit einer Auflösung von < 30 Pikometer höchste Präzision in der optischen Messtechnik. Je nach Anwendung stehen drei verschiedene Ausführungen zur Verfügung: das IMS5400-DS für hochpräzise und industrielle Abstandsmessungen, das IMS5600- DS mit vakuumtauglicher Ausführung für Abstandsmessungen in Sub-Nanometer-Genauigkeit sowie das IMS5400-TH für hochpräzise Dickenmessungen. Das IMS5400-TH wird zur Dickenmessung von dünnen transparenten Materialien eingesetzt. Die Messung erfolgt mit nur einem Sensor unabhängig vom Abstand zum Messobjekt, wodurch Flattern oder Positionierunregelmäßigkeiten ignoriert werden können. Dank der nah-infraroten Lichtquelle können auch Dickenmessungen von anti-reflexbeschichtetem Glas durchgeführt werden. Das IMS5400-DS wird zur industriellen Abstandsmessung eingesetzt. Das Messsystem liefert absolute Messwerte und kann beispielsweise Stufen und Kanten zuverlässig und ohne Sig- nalverlust erfassen. Das IMS5600-DS ist für Abstandsmessungen im Reinraum und im Vakuum (bis UHV) konzipiert. Ein Sonderabgleich des Controllers ermöglicht eine Sub-Nanometer-Auflösung, die beispielsweise bei der Wafer-Ausrichtung oder bei der Stagepositionierung erforderlich ist. Die InterferoMeter bestehen aus einem Controller, einem Sensor und einem Lichtleiterkabel. Die Sensoren sind für industrielle Messaufgaben entwickelt worden. Daher sind sie mit robusten Metallgehäusen und flexiblen Kabeln ausgestattet. Dank der kompakten Bauformen können die Sensoren auch in beengten Bauräumen integriert werden. STABILE DICKENMESSUNG VON FLACHGLAS Bewegliches Flachglas ab nur 35 μm bis 1,4 mm Dicke wird vom InterferoMeter auf ± 100 nm genau erfasst. Dabei kann sich das Glas in einem Arbeitsbereich von 7 mm bewegen. Um die gleiche Genauigkeit mit konfokalen Sensoren zu erzielen, müsste ein extrem kleiner Messbereich von nur 100 μm gewählt werden. Die Messergebnisse des Interferometers sind äußerst stabil. Während konfokal-chromatische Sensoren bei Glas, das in der Produktionslinie durch den Messbereich läuft, jeweils eine andere Wellenlänge fokussieren, nutzt das Interferometer die Glasrückseite als Referenz. Dies ermöglicht auch bei Schwingungen und Abstandsänderungen des Messobjekts hochgenaue und stabile Ergebnisse. FAZIT Der große Messbereich kombiniert mit der extrem hohen Genauigkeit schreibt dem InterferoMeter eine Vorreiterrolle in der optischen Präzisionsmesstechnik zu. Dies zeigt sich besonders deutlich am Beispiel der Glasdickenmessung, die mit bis unter 1 nm Auflösung erfolgt. Durch die Kombination konfokal-chromatischer Systeme mit den Interferometern ergibt sich ein leistungsstarkes Sensorportfolio, das den Anforderungen der Halbleiterindustrie, der Glasindustrie, der Medizintechnik und der Kunststoffproduktion gerecht wird. Bilder: MICRO-EPSILON www.micro-epsilon.de www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2021/05-06 43

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