Kapazitive Positionssensoren

Präzise Position

Sensoren für den Sub-Nanometerbereich
Größtmögliche Messgenauigkeit mit Auflösungen im Nano- oder gar Sub-Nanometerbereich ist heute in vielen Bereichen obligatorisch: in der Halbleiterfertigung, der Biotechnologie, der Mikroskopie und der Qualitätssicherung im Automobilbau. Hierfür braucht man entsprechende Messeinrichtungen mit Sensoren, die sich für hochdynamische Bewegungen eignen.

Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Sensorik bestimmt maßgeblich die Ergebnisse jedes Positioniersystems. Wer auf höchste Präzision bis in den Nano- und Picometerbereich angewiesen ist, verwendet kapazitive Positionssensoren. Als Spezialist auf dem Gebiet der Nanopositioniersysteme gilt die Firma Physik Instrumente (PI), die die Entwicklung kapazitiver Hochpräzisions-Sensoren kräftig vorangetrieben hat. Heute gehören kapazitive Positionssensoren (mit Auflösungen bis in den Sub-Nanometerbereich) in unterschiedlichen Ausführungen zum Produktprogramm.

Die Sensoren messen die Ist-Position berührungslos und direkt am bewegten Objekt. Ihre Genauigkeit, Stabilität und Bandbreite liegen deutlich über den Werten, die mit konventionellen LVDT- oder DMS-Sensoren erreicht werden. Obendrein sind die kapazitiven Sensoren durch ihre kontaktlose Arbeitsweise verschleiß- und hysteresefrei und beeinflussen nicht die eigentliche Anwendung, bei der es ohnehin um hochsensitive Abstands- oder Schichtdickenänderungen geht.

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Ein- oder Zwei- Elektrodensensoren

Die kapazitiven Positionssensoren gibt es in zwei unterschiedlichen Grundbauformen, als Ein- oder Zwei-Elektrodensysteme. Sensoren mit nur einer Elektrode lassen sich besonders einfach in die jeweilige Applikation integrieren. Sie messen direkt gegen eine in der Anwendung vorhandene Oberfläche, die jedoch bestimmte Anforderungen erfüllen muss (elektrische Leitfähigkeit, Erdung, ausreichende Größe). Weil die Beschaffenheit der Target-Fläche die Homogenität des elektrischen Feldes beeinflusst, sollten auch Rauheiten vermieden werden. Um die Sensoren unter bestmöglichen Bedingungen zu kalibrieren, wird beim Hersteller eine extrem ebene, leitende Oberfläche als Target verwendet, die deutlich größer ist als die Sensoroberfläche.

Die Einelektroden-Sensoren eignen sich serienmäßig für Messbereiche von 20, 50 und 100 Mikrometer. Auf Anfrage sind Ausführungen für Messabstände bis in den Millimeterbereich verfügbar.

Während diese Einelektroden-Sensoren mit Auflösungen im Nanometerbereich arbeiten, lassen sich mit Zweielektroden-Sensoren sogar Werte bis 0,01 Nanometer realisieren, weil hier die beiden Kondensatorflächen definiert und in hoher Qualität vorhanden sind. Serienmäßig liegen die Messbereiche dieser Sensoren bei maximal 15, 50 oder 100 Mikrometer (erweiterte Bereiche bis 300 Mikrometer).

Auch bei den auf die Sensoren abgestimmten, besonders rauscharmen ein-, zwei- oder dreikanaligen Auswerteelektroniken hat man die Wahl zwischen unterschiedlichen Ausführungen. Sowohl für Ein- als auch Zweielektroden-Sensoren gibt es passende Elektroniken, die sich bei Bedarf um Piezoverstärkermodule, Displays oder PC-Interface-Module erweitern lassen. Bandbreite und Messbereich können bereits werksseitig auf die jeweilige Applikation abgestimmt werden. Bei Einelektroden-Systemen haben Anwender darüber hinaus die Möglichkeit, Bandbreite und Messbereich vor Ort selbst zu variieren, um ein optimales Messergebnis zu erzielen.

Applikation bestimmt den Sensortyp

Eine typische Anwendung für die Zweielektroden-Sensoren sind beispielsweise höchstauflösende Abstandsmessungen in der Nanostelltechnik. Durch die hohe Messfrequenz (bis zehn Kilohertz) sind auch Regelungen im dynamischen Betrieb möglich. Beim Einsatz in Mehrachsen-Positioniersystemen können alle Freiheitsgrade gleichzeitig gemessen und Führungsfehler aktiv eliminiert werden. Bei allerhöchsten Anforderungen an die Auflösung führen Zweielektroden-Sensoren zu besseren Ergebnissen. Manchmal ist ihr Einsatz applikationsbedingt jedoch nicht möglich, zum Beispiel weil sich keine zweite Elektrode anbringen lässt oder sich das Target senkrecht zur Messrichtung bewegt (und die beiden Sensorelektroden einander nicht mehr gegenüber liegen). Hier bieten sich die leicht integrierbaren Einelektroden-Systeme an. Auch sie erreichen Auflösungen bis unter einen Nanometer. Birgit Schulze, Ellen-Christine Reiff

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