Sensori Capacitivi

Senza Contatto, Misura Diretta della Posizione con Accuratezza Sub-nanometrica

  • Misura assoluta della distanza, movimento, e vibrazione
  • Intervalli di misura da poche 10 µm a 2 mm sono possibili
  • Metrologia diretta: misura di posizione diretta di oggetti in movimento
  • Solo un minimo riscaldamento, nessuna luce diffusa
  • Compatibile vuoto fino a 10-9 hPa
  • Senza manutenzione, nessuna usura
  • Ampia larghezza di banda fino a 10 kHz
  • Elevata temperatura e stabilità a lungo termine (<0.1 nm/3 h)
  • Opzioni Invar per la massima stabilità di temperatura (5 ×­ 10-6/K)
  • Sensori a uno e due elettrodi compatti, design personalizzato
  • Elettroniche di elaborazioni in vari livelli di configurazione, dalle versioni analogiche Original Equipment Manufacturer (OEM) fino a sistemi di controllo digitali modulari che possono essere ampliati in qualsiasi momento

Principio di Misura Senza Contatto

Il modello è composto da due superfici conduttive: una corrente alternata ad alta frequenza genere un campo elettrico omogeneo tra le due superfici. Come per il capacitore a piastre parallele, la capacità è direttamente correlata alla distanza tra le superfici. La quantità misurata è la variazione nella capacità del campo elettrico.

Un Campo Elettrico Omogeneo Garantisce Elevata Linearità

La disposizione con un ulteriore elettrodo ad anello attivo di protezione, di PI, general un campo molto omogeneo nell'area attiva.

In aggiunta, tutte le elettroniche di PI utilizzano metodi di linearizzazione integrati che correggono gli errori di parallelismo tra le piastre del sensore. In base al materiale usato, i sensori capacitivi offrono una eccellente stabilità a lungo termine che è largamente indipendente dalle influenze termiche.

C Capacità
A Superficie attiva del sensore
d Distanza tra il sensore e la superficie di destinazione
ε0 Costante
εr La costante elettrica del materiale tra le piastre capacitive

Massima Accuratezza Tramite la Metrologia Diretta

Adeguatamente sistemati in un sistema di posizionamento di precisione, i sensori capacitivi misurano direttamente la posizione reale della parte in movimento in relazione al corpo di base (metrologia diretta). Le misure non vengono influenzate da errori nella trasmissione, nell'attuatore, nel braccio di leva o nel sistema di guida. Qualsiasi deviazione o isteresi che possa avvenire nella trasmissione viene così automaticamente eliminato.

I sistemi di nanoposizionamento piezo con controllo di posizione raggiungono linearità di movimento eccezionali, stabilità a lungo termine e un loop di posizione rigido e a risposta rapida, in quanto gli errori vengono immediatamente rilevati da un sensore e rispediti indietro.

Integrazione nei Sistemi di Posizionamento

Capacitivo sensori a singola piastra misurano tutti i tipi di superfici conduttive e sono più semplici da gestire meccanicamente, per esempio, durante l'installazione o il passaggio dei cavi. Il loro impiego è anche molto versatile, es. per rilevare movimenti perpendicolari alla direzione della misura.

I sensori capacitivi di posizione possono essere integrati nei sistemi di posizionamento o attaccati esternamente. Con i sensori a doppia piastra, le misure avvengono tra due piastre sensore definite con le superfici abbinate, e quindi con precisione sul campo, per dare risultati ottimali.

Processamento del Segnale con Linearizzazione

Le elettroniche di processo e di misura hanno mostrato solo un minimo rumore e impiegano un sistema di linearizzazione (ILS), che compensa le influenze dovute da errori di parallelismo tra le piastre capacitive.

I controllori digitali offrono la massima accuratezza attraverso algoritmi di linearizzazione aggiuntivi con polinomi di ordine superiore.

Tutti i sistemi vengono calibrati in PI e ottimizzati per l'ampiezza di banda e l'intervallo di misura richiesti. PI offre elettroniche per sensori capacitivi in vare configurazioni, da versioni OEM analogiche fino a sistemi di controllo digitali modulari che possono essere ampliati in qualsiasi momento.


Misura di Posizione Indiretta con Sensore Strain Gauge (SGS)

I sensori strain gauge consistono in fogli di metallo o semiconduttori sottili (piezo resistivi), che vengono attaccati ad una ceramica piezo o, per una migliore precisione, al sistema di guida di uno stage a flessione. Questo tipo di misura di posizione viene fatta a contatto e indirettamente, dato che la posizione della piattaforma in movimento è derivata da una misura sulla leva, la guida o lo stack piezo. I sensori Strain gauge traggono le informazioni sulla posizione dalla loro espansione. Circuiti full-bridge con diversi sensori strain gauge per asse migliorano la stabilità termica.


PISeca: Sensore Capacitivo a Singolo Elettrodo

I sensori capacitivi a singolo elettrodo PISeca misurano qualsiasi tipo di superficie conduttiva e sono semplici da maneggiare meccanicamente, per esempio, durante l'installazione o il passaggio dei cavi. Il loro impiego è anche molto versatile, es. per rilevare movimenti perpendicolari alla direzione della misura.

L' elettronica di processo stand-alone per PISeca, E-852 mostra solo un lieve rumore e integra un sistema di linearizzazione. Tutti i sistemi vengono calibrati in PI e ottimizzati per l'ampiezza di banda e l'intervallo di misura richiesti.

>> Sensori PISeca anche le relative elettroniche di processo che vengono proposte sono prodotti PI.


Applicazioni per Sensori Capacitivi Singolo e Doppio Elettrodo

Misurazione di Vibrazioni, Planarità, Spessore

L'elevata dinamica dei sistemi PISeca consente inoltre di effettuare misure di vibrazioni e oscillazioni con una risoluzione eccellente. In questo modo è possibile rilevare anche l'università di un pezzo in rotazione o differenze in spessore nel campo dei nanometri. Per esempio, uno dei possibili campi di applicazione è la produzione di unità disco o la compensazione attiva delle vibrazioni.

Misurazione di Distanze con Accuratezza Nanometrica

Affidabili sensori capacitivi misurano anche le distanze più corte. La quantità da essere misurata è il cambiamento di capacità tra la superficie della testa del sensore e la superficie di destinazione utilizzando un campo elettrico omogeneo. L'accuratezza ottenuta rientra nel campo dei sub-nanometri. I valori assoluti vengono determinati per mezzo di sistemi ben regolati e calibrati.

Metrologia Parallela / Misurazioni Multi-Asse ad Alta Precisione

Gli stages con sensori capacitivi combinando la metrologia diretta e la cinematica parallela, in operazioni di nanoposizionamento multi-asse, in closed loop. Quando vengono utilizzati in sistemi multiasse di nanoposizionamento, essi consentono di misurare nello stesso momento tutti i gradi di libertà e di compensare attivamente gli errori di guida (concetto di Controllo Attivo della Traiettoria). Qui, i sensori capacitivi sono i sistemi di misura più precisi per ottenere i migliori risultati nella risoluzione della posizione.

Misurazione dello Spessore dello Strato con Accuratezza Sub-micrometrica

Grazie al loro funzionamento senza contatto ed alle elevate prestazioni in alta dinamica, i sensori capacitivi sono la soluzione ideale per misurare lo spessore di un film o di uno strato di un materiale non conduttivo su una superficie conduttiva, in movimento (es. un tamburo rotante).

Misure e Compensazione Tip/Tilt

L'integrazione di sensori capacitivi in set-up di misurazione consente di misurare il movimento tip/tilt in modo precisa. L'angolo di tip dell'oggetto mosso viene misurato in modo differenziato, e se richiesto, compensato.
 

Sensori di Forza con Sensibilità nell'intervallo dei Micronewton

I sensori capacitivi a singola piastra vengono solitamente utilizzati come sensori di forza ad alta risoluzione per misure senza contatto nell'intervallo dei micronewton. In questi casi, le minime deviazioni nelle distanze vengono misurate senza contatto su lunghe distanze e con risoluzioni nel campo dei sub-nanometri senza interferire col processo da misurare. La rigidezza definita del sistema permette il calcolo della forza. 

Nanoposizionamento / Sistemi Closed Loop

Il nanoposizionamento è uno delle applicazioni delle misure di spostamento ad alta risoluzione. In questi casi, i sensori capacitivi a due piastre misurano con la massima precisione la distanza diretta e la posizione reale dell'oggetto mosso. La elevata ampiezza di banda del sensore inoltre consente un controllo in closed-loop nelle applicazioni dinamiche.

Misurazione della Linearità e della Planarità, e Compensazione Attiva del Cross Talk

Una possibile applicazione per questi prodotti è la misura del cross talk nel nanoposizionamento. Questi consentono di intercettare cross talk indesiderati del movimento verso un altro asse e la compensazione attiva in real-time. L'elevata ampiezza di banda del sensore fornisce prestazioni dinamiche eccellenti.

Misure Fuori dal Piano, Scansioni ad Altezza Costante e Misure Fuori Cerchio

Compensazione di movimenti ondulatori e oscillatori, sono ad esempio applicazioni nei quali i sensori capacitivi sono particolarmente indicati, le scansioni ad altezza constante o l'interferometria a luce bianca.

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