Impact of the Patch Effect on Displacement Measurements by Capacitive Transducers
Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
Final Report Abstract
In dem Projekt sollte der Einfluss von lokalen Änderungen des Oberflächenpotentials, sogenannter Patch-Potentiale, auf kapazitive Verschiebemessungen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde ein Finite-Elemente-Methode-Simulationsmodell (FEM) entwickelt und der Einfluss der geometrischen Sensoreigenschaften sowie der Oberflächenformabweichung auf den Steigungsfehler und die Nichtlinearität simuliert. Das Simulationsmodell wurde um ringförmige Potentialunterschiede erweitert und der Einfluss der lateralen Ausdehnung der Patch-Potentiale sowie der Größe der Patch-Potentiale auf die kapazitive Verschiebemessung berechnet. Die Simulationen ergaben, dass die elektrischen Feldlinien durch Patch-Potentiale stark verzerrt werden und letztere somit einen Einfluss auf den Steigungsfehler und die Nichtlinearität haben. Im wissenschaftlichen Gerätebau der PTB wurden zylinderförmige Elektroden mittels Ultrapräzisionsdiamantdrehens hergestellt. Die Geometrie dieser Elektroden entspricht der Geometrie kommerziell erhältlicher kapazitiver Verschiebesensoren. Mit dem Kelvin-Probe-Force-Modus (KPFM) eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wurden die Topographie und die lokale Verteilung der Oberflächenpotentiale der PTB Elektroden sowie eines Sensors von Physik-Instrumente untersucht. Die lokalen Unterschiede in der Kontaktpotentialdifferenz betrugen bis zu 500 mV. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich die laterale Ausdehnung der Patch-Potentiale mit der Zeit verändert. Für die Validierung der Simulationsergebnisse wurden in der PTB Dünnschichtelektroden hergestellt, auf deren Oberfläche sich Ringe aus Aluminium, Gold und Chrom befanden. Durch den Materialkontrast entstanden auf der Oberfläche lokale Unterschiede in der Austrittsarbeit und somit Patch-Potentiale. Die Elektroden wurden mit KPFM charakterisiert. Bei Elektroden mit Chromringen betrug der lokale Unterschied im Oberflächenpotential 226 mV und bei den Elektroden mit Goldringen 349 mV. Es wurden Elektroden mit unterschiedlicher Anzahl an Ringen hergestellt, um den Einfluss der lokalen Verteilung der Patch-Potentiale auf die kapazitive Verschiebemessung zu untersuchen. Für die Untersuchung des Einflusses der Größe des Potentialunterschiedes wurde nicht wie im Projektantrag geplant eine spezielle Elektrode gefertigt, mit der sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einzelne Bereiche auf der Oberfläche ein Potentialunterschied einstellen lässt, weil die Fertigung einer Messelektronik zu zeitaufwendig und die Modellierung des elektrischen Ersatzschaltbildes für eine Interpretation zu komplex gewesen wäre. Stattdessen wurde der Einfluss der Größe des Potentialunterschiedes über die Verwendung von unterschiedlichen Materialien abgedeckt. Eine besondere Herausforderung bestand in der berührungslosen Justierung der Elektroden. Es wurden mehrere Möglichkeiten in Betracht gezogen. Am Ende wurde der Einfluss der Verkippung der Elektroden mit FEM simuliert und experimentell untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Steigungsfehler maximal und die Nichtlinearität minimal ist, wenn die Elektroden parallel zueinander sind. Basierend auf diesem Ergebnis wurde ein automatisierter und berührungsloser Justieralgorithmus entwickelt, nach dem der Kippwinkel zwischen Probe und Target kleiner als 1,5 mrad ist. Neben der Verkippung beeinflussen auch die Umweltbedingungen Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit die Kapazität eines kapazitiven Sensors. Eine Klimakammer wurde genutzt, um den Einfluss der Umweltbedingungen auf den Steigungsfehler und die Nichtlinearität relativer kapazitiver Verschiebemessungen zu untersuchen. Der Einfluss der Umweltbedingungen war, verglichen mit dem Einfluss der Verkippung, vernachlässigbar. Erste Versuchsreihen mit den Elektroden mit Goldringen wurden durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Goldringe einen vergleichsweise großen Einfluss auf den Steigungsfehler und einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Nichtlinearität hat. Im Rahmen einer Doktorarbeit werden die Messungen mit den Elektroden mit Aluminium- und Chromringen nach dem Ende des Projekts fortgeführt.
