Método de medição Terahertz
Medição de sistemas orgânicos e dieléctricos de uma e várias camadas.
O método de medição terahertz permite a medição da espessura do revestimento, bem como a análise do material de uma vasta gama de materiais orgânicos e dieléctricos. Até sete camadas podem ser penetradas com ondas terahertz - sem contacto, completamente não destrutivas e não ionizantes.
É assim que funciona a medição por terahertz.
Existem muitas técnicas que utilizam ondas electromagnéticas na gama de frequências dos terahertz. Uma dessas técnicas é a Espectroscopia Terahertz no Domínio do Tempo (TDS) - um método estabelecido para a análise de materiais que utiliza ondas terahertz pulsadas extremamente curtas numa vasta gama de frequências de 0,1 a 6 terahertz. Quando as ondas terahertz atingem um material não condutor ou fracamente condutor, penetram-no e são parcialmente reflectidas. Se os materiais forem aplicados como sistemas multicamadas num material de base, como vernizes em carroçarias de automóveis ou folhas de alumínio em materiais de suporte, as ondas terahertz são parcialmente reflectidas nas interfaces das camadas individuais.
Estes impulsos de "eco" reflectidos são detectados com diferenças de tempo específicas, o que permite medir o tempo de trânsito do sinal refletido. Isto permite que as distâncias entre as interfaces - ou seja, a espessura de cada camada - sejam determinadas com muita precisão e sem contacto. Assim, a Espectroscopia Terahertz no Domínio do Tempo pode detetar a espessura de cada camada num sistema multicamada separadamente numa única medição.
Outros parâmetros como a homogeneidade, a porosidade, a condutividade e a mobilidade dos portadores de carga livre (2DEG) também podem ser determinados. As propriedades do substrato não têm qualquer influência na medição. Além disso, esta técnica elimina a radiação incoerente causada, por exemplo, pela temperatura ambiente ou pela luz ambiente.
Este diagrama esquemático ilustra o princípio básico da Espectroscopia de Terahertz no Domínio do Tempo.
- Ondas terahertz pulsadas ultra-curtas atingem o material em estudo, penetram-no e são parcialmente reflectidas nas interfaces das camadas.
- As diferentes reflexões são detectadas em tempos diferentes, o que fornece informações sobre as distâncias e, portanto, sobre as espessuras das camadas.
A tecnologia de medição Terahertz é caracterizada pela sua elevada precisão: Espessuras de camada de > 10 μm podem ser determinadas numa superfície de medição de menos de 2 mm. Em comparação com o método de indução magnética, que tem uma resolução semelhante, a medição por terahertz oferece uma repetibilidade 10 vezes melhor com 1 ‰.
Uma vez que as camadas orgânicas ou dieléctricas, como vernizes ou tintas, são, pelo menos parcialmente, transparentes às ondas terahertz, estas não afectam os materiais. A medição é completamente não-destrutiva. Ao contrário da indução magnética e da medição ultra-sónica, o método terahertz funciona completamente sem contacto, com uma distância de trabalho de vários centímetros. Assim, mesmo as camadas húmidas e moles podem ser medidas sem qualquer problema.
As ondas terahertz estão na gama do infravermelho distante, o que significa que têm menos energia do que a luz visível ou os raios X. Por conseguinte, não são ionizantes e são inofensivas. Os instrumentos de terahertz podem ser utilizados abertamente e não requerem proteção contra radiações.
Onde é que este processo é utilizado?
A tecnologia terahertz pode ser utilizada para numerosas aplicações em muitas indústrias diferentes, por exemplo, em sectores como o automóvel, o fabrico de semicondutores e o ensaio de bolachas, o fabrico de baterias, a extrusão/lamação de plásticos multicamadas, o sector aeroespacial, as células de combustível, a energia fotovoltaica, o sector químico, as tintas e vernizes, o sector farmacêutico, o sector médico e muitos outros.
- Medição da espessura de revestimentos de sistemas orgânicos e dieléctricos (não condutores ou pouco condutores) de uma ou várias camadas em substratos de plástico ou metal
- Medição da espessura de revestimentos secos e húmidos, duros e macios, lisos ou rugosos
- Medição da condutividade sem contacto (por exemplo, células solares, wafer 2DEG, grafeno)
- Controlo de qualidade e ensaios não destrutivos (NDT), imagiologia através do material, deteção de defeitos e inclusões ocultas, medição espectroscópica
- Caracterização e desenvolvimento de materiais
- Medição de propriedades relevantes para o radar, como a transmissão e a reflexão do radar
Que factores podem influenciar a medição?
Na tecnologia de medição de terahertz, vários factores podem afetar a precisão e a fiabilidade dos resultados.
Aplicação em vários materiais e superfícies
Diferentes materiais têm diferentes propriedades de absorção e reflexão na gama de frequências terahertz. A composição, densidade, condutividade, rugosidade da superfície e transparência do material podem afetar a medição com ondas terahertz. Além disso, a forma da superfície pode ter um impacto na medição. Por conseguinte, devem ser tidas em conta as propriedades específicas do material.
Movimento do objeto a ser medido
Se o objeto a medir se encontrar num suporte móvel, como uma linha de montagem, a medição pode ser influenciada pela velocidade da linha de montagem. O movimento do objeto faz com que as ondas terahertz penetrem em diferentes áreas do objeto durante a medição. Isto pode levar a uma desfocagem ou distorção dos dados de medição. A nossa inovadora compensação de vibração intrínseca minimiza esta influência.
Influências devidas à temperatura
As ondas terahertz são absorvidas e dispersas pela matéria, e as propriedades de absorção e dispersão dependem da temperatura. Se o objeto a medir não tiver uma temperatura uniforme, isto pode levar a alterações na intensidade e distribuição dos sinais de reflexão que são detectados. Para obter resultados de medição precisos, a temperatura do objeto a medir deve ser tida em conta e corrigida, se necessário.
Qualidade do ar
A humidade, as partículas, o pó e os contaminantes no ar podem absorver ou dispersar as ondas terahertz, resultando em perda e distorção do sinal. Especialmente em ambientes com elevada poluição atmosférica, como as zonas industriais, estes efeitos podem ser amplificados. A tecnologia Clean-Trace da Helmut Fischer garante condições de medição estáveis e reprodutíveis e evita a desfocagem dos resultados de medição.
Espessura da camada
A espessura total da camada do objeto de medição também é decisiva para a medição. Se o material for demasiado espesso, as ondas terahertz não conseguem penetrar completamente. Como resultado, os sinais reflectidos deixam de poder ser detectados e a medição fica incompleta.
Ao mesmo tempo, é um desafio medir camadas muito finas de alguns µm. Os sinais terahertz reflectidos de camadas muito finas têm pequenos intervalos de tempo. Para distinguir estes "ecos" uns dos outros, o sistema de medição necessita de uma resolução temporal elevada. Isto, por sua vez, requer uma elevada largura de banda, conforme exigido pelo teorema de amostragem de Nyquist-Shannon. No entanto, esta largura de banda não pode ser infinitamente elevada.
Além disso, os ecos podem ser sobrepostos por ruído de fundo, o que pode afetar a precisão da medição. Por conseguinte, deve ser investigado em cada caso individual onde se encontram os limites superior e inferior individuais na análise da espessura da camada.
Que norma é aqui aplicada?
Revestimentos não condutores - Medição não destrutiva da espessura do revestimento - Método de medição terahertz no domínio do tempo de acordo com DIN 50996
Sistemas terahertz - Terminologia de acordo com VDI/VDE 5590 Folha 1
Sistemas terahertz - Espectrómetros no domínio do tempo (sistemas TDS) de acordo com VDI/VDE 5590 Folha 2
