Terahertz meetmethode
Het meten van organische en diëlektrische enkel- en meerlagige systemen.
De terahertz meetmethode maakt zowel laagdiktemeting als materiaalanalyse van een breed scala aan organische en diëlektrische materialen mogelijk. Met terahertzgolven kunnen tot zeven lagen worden doorboord - contactloos, volledig niet-destructief en niet-ioniserend.
Dit is hoe terahertz meten werkt.
Er zijn veel technieken die gebruik maken van elektromagnetische golven in het terahertz frequentiebereik. Eén zo'n techniek is de Terahertz Time Domain Spectroscopy (TDS) - een gevestigde methode voor materiaalanalyse die gebruik maakt van extreem korte gepulste terahertzgolven in een breed frequentiebereik van 0,1 tot 6 terahertz. Wanneer de terahertzgolven een niet-geleidend of zwak geleidend materiaal raken, dringen ze er doorheen en worden ze gedeeltelijk gereflecteerd. Als de materialen als meerlagensystemen op een basismateriaal worden aangebracht, zoals lakken op autocarrosserieën of folies op dragermaterialen, worden de terahertzgolven gedeeltelijk gereflecteerd op de interfaces van de afzonderlijke lagen.
Deze gereflecteerde "echo"-pulsen worden gedetecteerd met specifieke tijdsverschillen, waardoor de transittijd van het gereflecteerde signaal gemeten kan worden. Hierdoor kunnen de afstanden tussen de interfaces - d.w.z. de dikte van elke laag - zeer nauwkeurig en contactloos worden bepaald. Terahertz-tijddomeinspectroscopie kan dus de dikte van elke laag in een meerlagensysteem afzonderlijk detecteren in één meting.
Andere parameters zoals homogeniteit, porositeit, geleidbaarheid en mobiliteit van vrije ladingsdragers (2DEG) kunnen ook worden bepaald. De eigenschappen van het substraat hebben geen invloed op de meting. Bovendien schermt deze techniek incoherente straling uit, bijvoorbeeld veroorzaakt door kamertemperatuur of omgevingslicht.
Dit schematische diagram illustreert het basisprincipe van Terahertz Tijddomeinspectroscopie.
- Ultrakorte gepulste terahertzgolven treffen het te onderzoeken materiaal, dringen het binnen en worden gedeeltelijk gereflecteerd op de interfaces van de lagen.
- De verschillende reflecties worden gedetecteerd op verschillende tijdstippen, wat informatie oplevert over de afstanden en dus over de laagdiktes.
Terahertz meettechnologie wordt gekenmerkt door zijn hoge precisie: Laagdiktes van > 10 μm kunnen worden bepaald op een meetoppervlak van minder dan 2 mm. Vergeleken met de magnetische inductiemethode, die een vergelijkbare resolutie hebben, biedt terahertzmeting een 10 keer betere herhaalbaarheid met 1 ‰.
Omdat organische of diëlektrische lagen, zoals lak of verf, ten minste gedeeltelijk transparant zijn voor terahertzgolven, hebben ze geen invloed op de materialen. Het meten is volledig niet-destructief. In tegenstelling tot magnetische inductie en ultrasone metingen werkt de terahertzmethode volledig contactloos met een werkafstand van enkele centimeters. Daarom kunnen zelfs vochtige en zachte lagen zonder problemen worden gemeten.
Terahertzgolven bevinden zich in het ver-infrarode bereik, wat betekent dat ze minder energie hebben dan zichtbaar licht of röntgenstraling. Daarom zijn ze niet-ioniserend en ongevaarlijk. Terahertz instrumenten kunnen openlijk gebruikt worden en vereisen geen stralingsbescherming.
Waar wordt dit proces gebruikt?
De terahertztechnologie kan worden gebruikt voor talloze toepassingen in veel verschillende industrieën, bijvoorbeeld in sectoren zoals de auto-industrie, halfgeleiderfabricage en wafertests, batterijfabricage, meerlaagse kunststofextrusie/laminage, lucht- en ruimtevaart, brandstofcellen, fotovoltaïsche cellen, chemische industrie, verf- en lakindustrie, farmaceutische industrie, medische industrie en nog veel meer.
- Laagdiktemeting van organische en diëlektrische (niet-geleidende of laaggeleidende) enkel- en meerlagige systemen op kunststof of metalen substraten.
- Laagdiktemeting van droge en natte, harde en zachte, gladde of ruwe coatings
- Contactloze geleidbaarheidsmeting (zoals bij zonnecellen, wafer 2DEG, grafeen)
- Kwaliteitscontrole en niet-destructief onderzoek (NDT), beeldvorming door het materiaal heen, detectie van verborgen gebreken en insluitingen, spectroscopisch meten
- Materiaalkarakterisering en -ontwikkeling
- Meten van radarrelevante eigenschappen, zoals radartransmissie en radarreflectie
Welke factoren kunnen de meting beïnvloeden?
In de terahertz-meettechnologie kunnen verschillende factoren de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de resultaten beïnvloeden.
Toepassing op verschillende materialen en oppervlakken
Verschillende materialen hebben verschillende absorptie- en reflectie-eigenschappen in het terahertz frequentiebereik. De samenstelling, dichtheid, geleidbaarheid, oppervlakteruwheid en transparantie van het materiaal kunnen de meting met terahertzgolven beïnvloeden. Bovendien kan de vorm van het oppervlak van invloed zijn op de meting. Daarom moet er rekening worden gehouden met specifieke materiaaleigenschappen.
Beweging van het te meten object
Als het te meten object zich op een bewegende drager bevindt, zoals een lopende band, kan de meting beïnvloed worden door de snelheid van de lopende band. De beweging van het object zorgt ervoor dat de terahertzgolven tijdens het meten verschillende gebieden van het object binnendringen. Dit kan leiden tot vervaging of vervorming van de meetgegevens. Onze innovatieve intrinsieke trillingscompensatie minimaliseert deze invloed.
Invloeden door de temperatuur
Terahertzgolven worden geabsorbeerd en verstrooid door materie en de absorptie- en verstrooiingseigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur. Als het te meten object geen uniforme temperatuur heeft, kan dit leiden tot veranderingen in de intensiteit en de verdeling van de reflectiesignalen die worden gedetecteerd. Om nauwkeurige meetresultaten te verkrijgen, moet rekening worden gehouden met de temperatuur van het te meten object en moet deze zo nodig worden gecorrigeerd.
Luchtkwaliteit
Vocht, deeltjes, stof en verontreinigingen in de lucht kunnen de terahertzgolven absorberen of verstrooien, wat leidt tot signaalverlies en vervorming. Vooral in omgevingen met veel luchtvervuiling, zoals industriële gebieden, kunnen deze effecten versterkt worden. De Clean-Trace technologie van Helmut Fischer garandeert stabiele en reproduceerbare meetomstandigheden en voorkomt wazigheid in de meetresultaten.
Laagdikte
De totale laagdikte van het meetobject is ook bepalend voor de meting. Als het materiaal te dik is, kunnen de terahertzgolven er niet volledig doorheen dringen. Hierdoor kunnen de gereflecteerde signalen niet meer worden gedetecteerd en is de meting onvolledig.
Tegelijkertijd is het een uitdaging om zeer dunne lagen van enkele µm te meten. De gereflecteerde terahertz signalen van zeer dunne lagen hebben kleine tijdsintervallen. Om deze "echo's" van elkaar te kunnen onderscheiden, heeft het meetsysteem een hoge temporele resolutie nodig. Dit vereist op zijn beurt een hoge bandbreedte, zoals vereist door het Nyquist-Shannon bemonsteringstheorema. Deze bandbreedte kan echter niet oneindig hoog zijn.
Bovendien kunnen de echo's bedekt worden door achtergrondruis, wat de meetnauwkeurigheid kan beïnvloeden. Daarom moet in elk afzonderlijk geval worden onderzocht waar de individuele boven- en ondergrenzen liggen in de laagdikteanalyse.
Welke norm wordt hier toegepast?
Niet-geleidende coatings - Niet-destructieve meting van laagdikte - Terahertz tijd-domein meetmethode volgens DIN 50996
Terahertz systemen - Terminologie volgens VDI/VDE 5590 blad 1
Terahertz systemen - Tijd-domein spectrometers (TDS systemen) volgens VDI/VDE 5590 blad 2
