วิธีการวัดแบบเทระเฮิรตซ์
การวัดผิวชุบชั้นเดียวและหลายชั้นแบบอินทรีย์และไดอิเล็กทริก.
วิธีการวัดเทราเฮิร์ตซ์ช่วยให้สามารถวัดความหนาของชั้นเคลือบ รวมถึงการวิเคราะห์วัสดุของวัสดุอินทรีย์และไดอิเล็กตริกหลากหลายประเภท. สามารถทะลุผ่านคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ได้ถึงเจ็ดชั้น – แบบไม่สัมผัส ไม่ทำลายผิวโดยสิ้นเชิง และ non-ionizing.
นี่คือวิธีการทำงานของการวัดเทราเฮิร์ตซ์.
มีเทคนิคมากมายที่ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่เทราเฮิร์ตซ์. เทคนิคหนึ่งดังกล่าวคือ Terahertz Time Domain Spectroscopy (TDS) ซึ่งเป็นวิธีการที่กำหนดไว้สำหรับการวิเคราะห์วัสดุที่ใช้คลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์แบบพัลส์ที่สั้นมากในช่วงความถี่กว้างตั้งแต่ 0.1 ถึง 6 เทราเฮิร์ตซ. เมื่อคลื่นเทราเฮิร์ตซ์กระทบกับวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าหรือเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอย่างอ่อน พวกมันจะทะลุผ่านวัสดุนั้นและจะสะท้อนบางส่วนออกไป. หากวัสดุถูกนำไปใช้เป็นระบบหลายชั้นบนวัสดุฐาน เช่น แล็กเกอร์บนตัวรถหรือฟอยล์บนวัสดุพาหะ คลื่นเทราเฮิร์ตซ์จะสะท้อนบางส่วนที่ส่วนต่อประสานของแต่ละชั้น.
พัลส์ "echo" ที่สะท้อนเหล่านี้จะถูกตรวจจับด้วยความแตกต่างของเวลาที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งช่วยให้สามารถวัดเวลาการส่งผ่านของสัญญาณที่สะท้อนได้. ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดระยะห่างระหว่างส่วนต่อประสาน เช่น ความหนาของแต่ละชั้นได้อย่างแม่นยำและไม่ต้องสัมผัสกัน. ดังนั้น Terahertz Time Domain Spectroscopy จึงสามารถตรวจจับความหนาของแต่ละชั้นในระบบหลายชั้นแยกกันในการวัดครั้งเดียว.
พารามิเตอร์อื่นๆ เช่น ความสม่ำเสมอ ความพรุน การนำไฟฟ้า และการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุอิสระ (2DEG) ก็สามารถกำหนดได้เช่นกัน. คุณสมบัติของวัสดุพิมพ์ไม่มีผลต่อการวัดค่า. นอกจากนี้ เทคนิคนี้ยังคัดกรองรังสีที่ไม่ต่อเนื่องกันที่เกิดจากอุณหภูมิห้องหรือแสงโดยรอบ.
แผนภาพนี้แสดงหลักการพื้นฐานของสเปกโทรสโกปีโดเมนเวลาเทราเฮิร์ตซ์.
- คลื่นเทอร์เฮิรตซ์พัลส์ที่สั้นเป็นพิเศษกระทบกับวัสดุที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบ เจาะเข้าไปและสะท้อนบางส่วนที่ส่วนต่อประสานของชั้น.
- การสะท้อนที่แตกต่างกันจะถูกตรวจจับในเวลาที่ต่างกัน ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับระยะทางและความหนาของชั้น.
เทคโนโลยีการวัดแบบเทราเฮิร์ตซ์โดดเด่นด้วยความแม่นยำสูง: สามารถกำหนดความหนาของชั้น > 10 μm บนพื้นผิวการวัดที่น้อยกว่า 2 มม. เมื่อเทียบกับวิธีการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กซึ่งมีความละเอียดใกล้เคียงกัน การวัดเทราเฮิร์ตซ์มีความสามารถในการทำซ้ำได้ดีกว่า 10 เท่าด้วย 1 ‰.
เนื่องจากชั้นอินทรีย์หรืออิเล็กทริก เช่น แลคเกอร์หรือสี มีความโปร่งใสบางส่วนเป็นคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์เป็นอย่างน้อย จึงไม่ส่งผลกระทบต่อวัสดุ. การวัดจะไม่ทำลายอย่างสมบูรณ์. ตรงกันข้ามกับการวัดการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กและอัลตราโซนิก วิธีเทระเฮิร์ตซ์ทำงานแบบไร้การสัมผัสโดยสิ้นเชิงโดยมีระยะการทำงานหลายเซนติเมตร. ดังนั้นจึงสามารถวัดได้แม้กระทั่งชั้นที่ชื้นและอ่อนนุ่มโดยไม่มีปัญหาใด.
คลื่นเทราเฮิร์ตซ์อยู่ในช่วงอินฟราเรด ซึ่งหมายความว่าคลื่นเหล่านี้มีพลังงานน้อยกว่าแสงที่ตามองเห็นหรือรังสีเอกซ์. ดังนั้นจึงไม่ก่อให้เกิดไอออนและไม่เป็นอันตราย. เครื่องมือเทราเฮิร์ตซ์สามารถใช้งานได้อย่างเปิดเผยและไม่จำเป็นต้องป้องกันรังสี.
กระบวนการนี้ใช้ที่ไหน?
เทคโนโลยีเทราเฮิร์ตซ์สามารถนำไปใช้ในการใช้งานจำนวนมากในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย เช่น ในภาคส่วนต่างๆ เช่น ยานยนต์ การผลิตเซมิคอนดักเตอร์และการทดสอบเวเฟอร์ การผลิตแบตเตอรี่ การอัดขึ้นรูป/การเคลือบพลาสติกหลายชั้น การบินและอวกาศ เซลล์เชื้อเพลิง พลังงานแสงอาทิตย์ เคมี สีและแลคเกอร์ ยา การแพทย์ และอื่นๆ อีกมากมาย.
- การวัดความหนาของการเคลือบของผิวชั้นเดี่ยวและหลายชั้นแบบอินทรีย์และไดอิเล็กทริก (ไม่นำไฟฟ้าหรือนำไฟฟ้าต่ำ) บนพื้นผิวพลาสติกหรือโลหะ
- การวัดความหนาของผิวเคลือบทั้งแบบแห้งและเปียก แบบแข็งและแบบอ่อน แบบเรียบหรือแบบหยาบ
- การวัดค่าการนำไฟฟ้าแบบไม่สัมผัส (เช่น เซลล์แสงอาทิตย์, เวเฟอร์ 2DEG, กราฟีน)
- การควบคุมคุณภาพและการทดสอบแบบไม่ทำลายผิว (NDT), การถ่ายภาพผ่านวัสดุ, การตรวจจับข้อบกพร่องและการรวมตัวที่ซ่อนอยู่, การวัดทางสเปกโทรสโกป
- ลักษณะเฉพาะและการพัฒนาของวัสดุ
- การวัดคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับเรดาร์ เช่น การส่งผ่านเรดาร์ และการสะท้อนของเรดาร์
ปัจจัยใดที่มีอิทธิพลต่อการวัด?
ในเทคโนโลยีการวัดเทราเฮิร์ตซ์ มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์.
การประยุกต์ใช้กับวัสดุและพื้นผิวต่างๆ
วัสดุที่แตกต่างกันมีคุณสมบัติการดูดซับและการสะท้อนที่แตกต่างกันในช่วงความถี่เทราเฮิร์ตซ์. องค์ประกอบ ความหนาแน่น การนำไฟฟ้า ความหยาบของพื้นผิว และความโปร่งใสของวัสดุอาจส่งผลต่อการวัดด้วยคลื่นเทราเฮิร์ตซ์. นอกจากนี้ รูปร่างพื้นผิวยังส่งผลต่อการวัดอีกด้วย. ดังนั้นควรคำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุเฉพาะด้วย.
การเคลื่อนที่ของวัตถุที่จะวัด
หากวัตถุที่จะวัดอยู่บนพาหะที่เคลื่อนที่ เช่น สายการประกอบ การวัดอาจได้รับอิทธิพลจากความเร็วของสายการประกอบ. การเคลื่อนที่ของวัตถุทำให้คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ทะลุผ่านพื้นที่ต่างๆ ของวัตถุในระหว่างการวัด. ซึ่งอาจนำไปสู่การเบลอหรือบิดเบือนข้อมูลการวัดได้. การชดเชยการสั่นสะเทือนจากภายในที่เป็นนวัตกรรมของเราช่วยลดอิทธิพลนี้ให้เหลือน้อยที่สุด.
อิทธิพลเนื่องจากอุณหภูมิ
คลื่นเทราเฮิร์ตซ์ถูกดูดกลืนและกระเจิงตามสสาร และคุณสมบัติการดูดกลืนแสงและการกระเจิงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ. หากวัตถุที่จะวัดมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในความเข้มและการกระจายของสัญญาณการสะท้อนที่ตรวจพบได้. เพื่อให้ได้ผลการวัดที่แม่นยำ ควรคำนึงถึงอุณหภูมิของวัตถุที่จะวัดและแก้ไขหากจำเป็น.
คุณภาพอากาศ
ความชื้น อนุภาค ฝุ่น และสิ่งปนเปื้อนในอากาศสามารถดูดซับหรือกระจายคลื่นเทราเฮิร์ตซ์ ส่งผลให้สัญญาณสูญเสียและการบิดเบือน. โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีมลพิษทางอากาศสูง เช่น พื้นที่อุตสาหกรรม ผลกระทบเหล่านี้สามารถขยายออกไปได้. เทคโนโลยี Clean-Trace ของ Helmut Fischer รับประกันสภาวะการวัดที่เสถียรและทำซ้ำได้ และหลีกเลี่ยงความผิดพลาดของผลการวัด.
ความหนาของชั้นเคลือบ
ความหนาของชั้นรวมของวัตถุการวัดก็มีความสำคัญในการวัดเช่นกัน. หากวัสดุมีความหนาเกินไป คลื่นเทราเฮิร์ตซ์จะไม่สามารถทะลุผ่านวัสดุได้ทั้งหมด. ส่งผลให้ไม่สามารถตรวจจับสัญญาณที่สะท้อนได้อีกต่อไป และการวัดไม่สมบูรณ์.
ในเวลาเดียวกัน การวัดชั้นบางมากที่มีขนาดไม่กี่ µm ถือเป็นเรื่องท้าทาย. สัญญาณเทราเฮิร์ตซ์ที่สะท้อนจากชั้นบางๆ มีช่วงเวลาน้อย. เพื่อแยกแยะ "echoes" เหล่านี้ออกจากกัน ระบบการวัดจำเป็นต้องมีความละเอียดทางเวลาสูง. ซึ่งต้องใช้แบนด์วิธสูง ตามที่กำหนดโดยทฤษฎีบทสุ่มตัวอย่าง Nyquist-Shannon. อย่างไรก็ตาม แบนด์วิธนี้ไม่สามารถสูงได้อย่างไม่จำกัด.
นอกจากนี้ เสียงสะท้อนยังสามารถซ้อนทับด้วยเสียงรบกวนพื้นหลัง ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด. ดังนั้นจึงต้องมีการตรวจสอบในแต่ละกรณีที่ขีดจำกัดบนและล่างของแต่ละบุคคลอยู่ในการวิเคราะห์ความหนาของชั้น.
ใช้มาตรฐานใด?
การเคลือบที่ไม่นำไฟฟ้า – การวัดความหนาของชั้นเคลือบโดยไม่ทำลายผิว – Terahertz time-domain measuring ตามมาตรฐาน DIN 50996
ระบบเทราเฮิร์ตซ์ – Terminology according VDI/VDE 5590 แผ่นที่ 1
ระบบเทราเฮิร์ตซ์ – Time-domain spectrometers (ระบบ TDS) ตามมาตรฐาน VDI/VDE 5590 แผ่นที่ 2
