Metodo di misura a terahertz
Misura di sistemi monostrato e multistrato organici e dielettrici.
Il metodo di misura a terahertz consente la misura dello spessore dei rivestimenti e l'analisi dei materiali per una vasta gamma di materiali organici e dielettrici. Le onde terahertz possono penetrare fino a sette strati, in modo completamente non distruttivo, senza contatto e senza emissione di radiazioni ionizzanti.
Ecco come funziona la misura a terahertz.
Esistono molte tecniche che utilizzano onde elettromagnetiche nella gamma di frequenza dei terahertz. Una di queste è la Terahertz Time Domain Spectroscopy (TDS), un metodo consolidato per l'analisi dei materiali che utilizza onde terahertz a impulsi estremamente brevi in un ampio intervallo di frequenza, da 0,1 a 6 terahertz. Quando le onde terahertz colpiscono un materiale non conduttivo o debolmente conduttivo, lo penetrano e vengono parzialmente riflesse. Se i materiali sono applicati come sistemi multistrato su un materiale di base, come vernici su carrozzerie di auto o pellicole su materiali di supporto, le onde terahertz vengono parzialmente riflesse alle interfacce degli strati individuali.
Questi impulsi riflessi, chiamati "echi", vengono rilevati con differenze di tempo specifiche, permettendo di misurare il tempo di transito del segnale riflesso. Ciò consente di determinare con grande precisione e senza contatto le distanze tra le interfacce, ovvero lo spessore di ciascuno strato. La Terahertz Time Domain Spectroscopy è quindi in grado di rilevare lo spessore di ogni strato in un sistema multistrato con una singola misura.
Altri parametri, come omogeneità, porosità, conducibilità e mobilità dei portatori di carica liberi (2DEG), possono essere determinati. Le proprietà del substrato non influenzano la misura. Inoltre, questa tecnica filtra le radiazioni incoerenti causate, ad esempio, dalla temperatura o dalla luce ambientale.
Questo diagramma schematico illustra il principio di base della Terahertz Time Domain Spectroscopy:
- Le onde terahertz a impulsi ultracorti colpiscono il materiale in esame, lo penetrano e vengono parzialmente riflesse alle interfacce tra i vari strati.
- Le diverse riflessioni vengono rilevate in momenti differenti, fornendo informazioni sulle distanze tra gli strati e, di conseguenza, sugli spessori degli stessi.
Questo processo consente di misurare con precisione lo spessore dei materiali multistrato in modo non distruttivo.
La tecnologia di misura a terahertz è caratterizzata da un'elevata precisione: spessori di strati superiori a 10 μm possono essere determinati su una superficie di misura inferiore a 2 mm. Rispetto al metodo dell'induzione magnetica, che ha una risoluzione simile, la misurazione a terahertz offre una ripetibilità 10 volte migliore, con un'accuratezza dello 0,1%.
Poiché gli strati organici o dielettrici, come vernici o lacche, sono almeno parzialmente trasparenti alle onde terahertz, non influenzano i materiali. La misura è completamente non distruttiva. A differenza dell'induzione magnetica e della misura ad ultrasuoni, il metodo a terahertz funziona senza contatto, con una distanza di lavoro di diversi centimetri. Pertanto, anche strati umidi o morbidi possono essere misurati senza problemi.
Le onde terahertz si collocano nella gamma dell'infrarosso, il che significa che hanno meno energia rispetto alla luce visibile o ai raggi X. Pertanto, sono sicure e non ionizzanti. Gli strumenti a terahertz possono essere utilizzati senza necessità di protezione dalle radiazioni.
Dove viene utilizzato questo processo?
La tecnologia a terahertz può essere utilizzata in numerose applicazioni in diversi settori, come l'automotive, la produzione di semiconduttori e il colaludo di wafer, la produzione di batterie, l'estrusione/laminazione di plastica multistrato, l'aerospaziale, le celle a combustibile, il fotovoltaico, l'industria chimica, vernici e lacche, il settore farmaceutico, medicale e molti altri.
Applicazioni specifiche includono:
- Misura dello spessore di rivestimenti organici e dielettrici (non conduttivi o debolmente conduttivi) in sistemi monostrato e multistrato su substrati di plastica o metallo.
- Misura dello spessore di rivestimenti asciutti e bagnati, duri e morbidi, lisci o ruvidi.
- Misura senza contatto della conducibilità (ad esempio celle solari, wafer 2DEG, grafene).
- Controllo qualità e test non distruttivi (NDT), imaging attraverso il materiale, rilevamento di difetti nascosti e inclusioni, misurazioni spettroscopiche.
- Caratterizzazione e sviluppo di materiali.
- Misura delle proprietà rilevanti per il radar, come la trasmissione e la riflessione radar.
Quali fattori possono influenzare la misura?
Nella tecnologia di misura a terahertz, diversi fattori possono influenzare l'accuratezza e l'affidabilità dei risultati.
Applicazione su vari materiali e superfici
Materiali diversi presentano proprietà di assorbimento e riflessione differenti nella gamma di frequenza dei terahertz. La composizione, densità, conducibilità, rugosità della superficie e trasparenza del materiale possono influenzare la misura con onde terahertz. Inoltre, anche la forma della superficie può avere un impatto sulla misura. Pertanto, è importante considerare le specifiche proprietà del materiale durante l'analisi, per garantire la precisione dei risultati.
Movimento dell'oggetto da misurare
Se l'oggetto da misurare si trova su un supporto in movimento, come una catena di montaggio, la misura può essere influenzata dalla velocità della catena di montaggio. Il movimento dell'oggetto fa sì che le onde terahertz penetrino in aree diverse dell'oggetto durante la misura. Questo può portare a sfocature o distorsioni dei dati di misura. La nostra innovativa compensazione delle vibrazioni intrinseche minimizza questo tipo di interferenze, garantendo misurazioni accurate anche in presenza di movimento.
Influenze dovute alla temperatura
Le onde terahertz vengono assorbite e diffuse dalla materia e le proprietà di assorbimento e diffusione dipendono dalla temperatura. Se l'oggetto da misurare non ha una temperatura uniforme, ciò può causare variazioni nell'intensità e nella distribuzione dei segnali di riflessione rilevati. Per ottenere risultati di misura accurati, è importante considerare la temperatura dell'oggetto da misurare e, se necessario, applicare correzioni.
Qualità dell'aria
L'umidità, le particelle, la polvere e i contaminanti presenti nell'aria possono assorbire o disperdere le onde terahertz, con conseguente perdita e distorsione del segnale. Soprattutto in ambienti ad alto inquinamento atmosferico, come le aree industriali, questi effetti possono essere amplificati. La tecnologia Clean-Trace di Helmut Fischer garantisce condizioni di misura stabili e riproducibili ed evita l'offuscamento dei risultati di misura.
Spessore dello strato
Lo spessore totale dello strato dell'oggetto da misurare è un fattore decisivo. Se il materiale è troppo spesso, le onde terahertz non possono penetrarlo completamente, rendendo impossibile rilevare i segnali riflessi e quindi la misura risulta incompleta.
Allo stesso tempo, misurare strati molto sottili, nell'ordine di pochi µm, è una sfida. I segnali terahertz riflessi da strati sottili hanno intervalli di tempo ridotti. Per distinguere questi "echi" l'uno dall'altro, il sistema necessita di una risoluzione temporale elevata, che a sua volta richiede una banda passante ampia, come indicato dal teorema del campionamento di Nyquist-Shannon. Tuttavia, questa larghezza di banda non può essere infinita.
Inoltre, i segnali di eco possono essere sovrapposti al rumore di fondo, influenzando l'accuratezza della misura. Pertanto, è necessario determinare caso per caso quali sono i limiti superiori e inferiori per l'analisi dello spessore dello strato.
Quale norma viene applicata in questo caso?
Rivestimenti non conduttivi - Misura non distruttiva dello spessore del rivestimento - Metodo di misura Terahertz Time Domain Spectroscopy secondo DIN 50996
Sistemi a terahertz - Terminologia secondo VDI/VDE 5590 Foglio 1
Sistemi a terahertz - Terahertz Time Domain Spectroscopy (sistemi TDS) secondo VDI/VDE 5590 Foglio 2
