Phương pháp đo bằng tia terahertz
Đo độ dày của hệ thống đơn lớp và đa lớp hữu cơ và điện môi.
Phương pháp đo bằng tia terahertz cho phép đo độ dày và phân tích vật liệu của một loạt các vật liệu hữu cơ và điện môi. Tia terahertz có thể xuyên qua tối đa bảy lớp vật liệu – không tiếp xúc, hoàn toàn không phá hủy và không gây ion hóa.
Cách hoạt động của phương pháp đo bằng tia terahertz.
Có nhiều kỹ thuật sử dụng sóng điện từ ở dải tần terahertz. Quang phổ Thời gian Terahertz (TDS) là một kỹ thuật phổ biến để phân tích vật liệu sử dụng các xung tia Terahertz cực ngắn trong một dải tần rộng từ 0.1 đến 6 terahertz. Khi các sóng Terahertz chiếu vào một vật liệu không dẫn điện hoặc dẫn điện yếu, chúng sẽ xuyên qua vật liệu và bị phản xạ một phần. Nếu các vật liệu được áp dụng dưới dạng hệ thống đa lớp trên một vật liệu nền, chẳng hạn như sơn trên thân xe ô tô hoặc màng mỏng trên vật liệu mang, các sóng Terahertz sẽ bị phản xạ một phần tại các giao diện của từng lớp.
Các xung phản xạ "echo" này được phát hiện với các khoảng thời gian khác nhau, cho phép đo thời gian truyền của tín hiệu phản xạ. Điều này cho phép xác định khoảng cách giữa các giao diện - tức là độ dày của từng lớp - một cách rất chính xác và không tiếp xúc. Do đó, Quang phổ miền thời gian Terahertz có thể phát hiện độ dày của từng lớp trong hệ thống đa lớp riêng biệt trong một lần đo.
Ngoài ra, các thông số khác như đồng nhất, độ xốp, độ dẫn điện và độ di chuyển của các hạt mang điện tự do (2DEG) cũng có thể được xác định. Các tính chất của vật liệu nền không ảnh hưởng đến phép đo. Ngoài ra, kỹ thuật này loại bỏ bức xạ không đồng nhất do nhiệt độ phòng hoặc ánh sáng xung quanh gây ra.
Sơ đồ này minh họa nguyên lý cơ bản của Quang phổ thời gian Terahertz.
- Xung tia terahertz siêu ngắn chiếu vào vật liệu đang được nghiên cứu, xuyên qua vật liệu và bị phản xạ một phần tại các bề mặt của các lớp.
- Các phản xạ khác nhau được phát hiện tại các thời điểm khác nhau, cung cấp thông tin về khoảng cách và do đó về độ dày của các lớp.
Phương pháp đo bằng tia Terahertz được đặc trưng bởi độ chính xác cao: Độ dày lớp > 10 μm có thể được xác định trên bề mặt đo nhỏ hơn 2 mm. So với phương pháp cảm ứng từ có độ phân giải tương tự, phương pháp đo bằng tia Terahertz cung cấp độ lặp lại tốt hơn 10 lần với 1 ‰.
Do các lớp hữu cơ hoặc điện môi, chẳng hạn như sơn mài hoặc sơn, ít nhất là một phần trong suốt đối với sóng Terahertz, chúng không ảnh hưởng đến vật liệu. Việc đo hoàn toàn không phá hủy. Không giống như cảm ứng từ và đo siêu âm, phương pháp Terahertz hoạt động hoàn toàn không tiếp xúc với khoảng cách làm việc vài cm. Do đó, ngay cả các lớp ẩm và mềm cũng có thể được đo mà không gặp vấn đề gì.
Sóng Terahertz nằm trong vùng hồng ngoại xa, nghĩa là chúng có năng lượng thấp hơn ánh sáng nhìn thấy hoặc tia X. Do đó, chúng không ion hóa và vô hại. Các thiết bị Terahertz có thể được vận hành công khai và không yêu cầu bảo vệ bức xạ.
Quá trình này được sử dụng ở đâu?
Công nghệ tia terahertz có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, ví dụ như trong các lĩnh vực như ô tô, sản xuất chất bán dẫn và kiểm tra wafer, sản xuất pin, ép đùn/cán nhựa đa lớp, hàng không vũ trụ, pin nhiên liệu, pin quang điện, hóa chất, sơn và sơn mài, dược phẩm, y tế...
- Đo độ dày lớp phủ hữu cơ và điện môi (không dẫn điện hoặc dẫn điện thấp) trên các sản phẩm nhựa hoặc kim loại
- Đo độ dày của các lớp khô, ướt, cứng, mềm, mịn hoặc thô
- Đo độ dẫn điện không tiếp xúc (như năng lượng mặt trời, wafer 2DEG, graphene)
- Kiểm soát chất lượng và kiểm tra không phá hủy (NDT), chụp ảnh xuyên qua vật liệu, phát hiện các khuyết tật và tạp chất ẩn, đo quang phổ
- Phân tích và phát triển vật liệu
- Đo các tính chất liên quan đến radar, chẳng hạn như khả năng truyền và phản xạ radar.
Những yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến phép đo?
Trong công nghệ đo terahertz, một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.
Ứng dụng trên nhiều vật liệu và bề mặt khác nhau
Các vật liệu khác nhau có tính chất hấp thụ và phản xạ khác nhau trong dải tần Terahertz. Thành phần, mật độ, độ dẫn điện, độ nhám bề mặt và độ trong suốt của vật liệu có thể ảnh hưởng đến phép đo bằng sóng Terahertz. Ngoài ra, hình dạng bề mặt có thể ảnh hưởng đến việc đo lường. Do đó, cần xem xét các tính chất vật liệu cụ thể.
Sự di chuyển của vật cần đo
Nếu vật thể cần đo nằm trên một băng tải di chuyển, tốc độ của băng tải có thể bị ảnh hưởng đến phép đo. Sự di chuyển động của vật thể làm cho tia Terahertz xuyên qua các vùng khác nhau của vật thể trong quá trình đo. Điều này có thể dẫn đến sự mờ nhòe hoặc biến dạng của dữ liệu đo. Công nghệ bù rung động nội tại sáng tạo của chúng tôi giảm thiểu ảnh hưởng này.
Ảnh hưởng do nhiệt độ
Tia Terahertz bị hấp thụ và tán xạ bởi vật chất, và các tính chất hấp thụ và tán xạ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu vật thể cần đo không có nhiệt độ đồng nhất, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi cường độ và phân bố của các tín hiệu phản xạ được phát hiện. Để đạt được kết quả đo chính xác, cần xem xét nhiệt độ của vật thể cần đo và hiệu chỉnh nếu cần.
Chất lượng không khí
Độ ẩm, hạt bụi, bụi và chất ô nhiễm trong không khí có thể hấp thụ hoặc tán xạ sóng Terahertz, dẫn đến mất tín hiệu và biến dạng. Đặc biệt trong môi trường ô nhiễm không khí cao, chẳng hạn như các khu công nghiệp, những ảnh hưởng này có thể bị khuếch đại. Công nghệ Clean-Trace của Helmut Fischer đảm bảo điều kiện đo ổn định và có thể lặp lại, đồng thời tránh làm mờ kết quả đo.
Độ dày lớp
Độ dày lớp tổng của vật đo cũng có tính quyết định phép đo. Nếu vật liệu quá dày, sóng terahertz không thể xuyên qua hoàn toàn. Kết quả là các tín hiệu phản xạ không còn được phát hiện và phép đo sẽ không hoàn chỉnh.
Đồng thời, việc đo các lớp rất mỏng chỉ vài µm cũng là một thách thức. Các tín hiệu terahertz phản xạ từ các lớp rất mỏng có khoảng thời gian nhỏ. Để phân biệt các "âm vang" này với nhau, hệ thống đo lường cần có độ phân giải thời gian cao. Điều này lại đòi hỏi băng thông cao, như yêu cầu của định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon. Tuy nhiên, băng thông này không thể cao vô hạn.
Ngoài ra, các âm vang có thể bị chồng lấn bởi nhiễu nền, điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Do đó, cần phải điều tra từng trường hợp cụ thể để xác định giới hạn trên và dưới cá nhân trong phân tích độ dày lớp.
Tiêu chuẩn nào được áp dụng ở đây?
Lớp phủ không dẫn điện – Đo độ dày lớp phủ không phá hủy – Phương pháp đo miền thời gian Terahertz theo tiêu chuẩn DIN 50996
Hệ thống Terahertz – Thuật ngữ theo VDI/VDE 5590 Trang 1
Hệ thống Terahertz – Máy quang phổ miền thời gian (hệ thống TDS) theo VDI/VDE 5590 Trang 2
