Kapazitive Verschiebesensoren: Einfluss von Oberflächenrauheit und Patch-Potentialen

Kapazitive Wandler sind die am häufigsten verwendeten, nichtoptischen Sensoren für die Überwachung der Position und Messung der Verschiebung von Objekten. Für die Messung von geringen Abstandsänderungen werden eine Sensorelektrode mit einem Schutzring und eine Gegenelektrode in der Form eines Plattenkondensators verwendet und der Zusammenhang zwischen der Kapazität und dem Plattenabstand genutzt.
Streukapazitäten und Verzerrungen der elektrischen Feldlinien führen zu Messabweichungen, die in industriellen Anwendungen kalibriert und empirisch korrigiert werden. Aus metrologischer Sicht wird eine modellbasierte Korrektur bevorzugt, welche die bekannten Einflussfaktoren mit einbezieht. In dieser Arbeit wird das Fundament einer solchen Korrektur ausgebaut, um darüber hinaus systematische Sensorverbesserungen zu ermöglichen. Der Fokus liegt auf der Untersuchung des Einflusses von Oberflächenrauheit und von Patch-Potentialen.
Anhand eines FEM-Modells wird der Einfluss der Ausbreitung des elektrischen Feldes auf die Kapazität des Sensors und die kapazitive Verschiebemessung simuliert. Es wird gezeigt, dass der Einfluss einer Rauheit vernachlässigbar gegenüber dem Einfluss einer Welligkeit ist und dass Patch-Potentiale die effektive Fläche eines kapazitiven Sensors beeinflussen. Anschließend werden Elektroden mit definierten Topographien und Patch-Potentialen hergestellt und mit dem Kelvin-Probe-Force-Mikroskopie-Modus eines AFM charakterisiert. Auf den Sensoroberflächen befinden sich Patch-Potentiale mit einer lokalen Potentialdifferenz von mehr als 400mV.
Es wird ein Experiment aufgebaut, in dem kapazitive Verschiebemessungen gegen ein Laserinterferometer durchgeführt und die Abweichungen vom idealen Fall ermittelt werden. Die Kombination aus einem berührungslosen und automatisierten Justierprozesses sowie einer Messroutine mit einer Wiederholbarkeit kleiner als 20nm bildet die Grundvoraussetzung für vergleichbare Messungen.
Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei heutigen Fertigungsgenauigkeiten der Einfluss der Rauheit vernachlässigbar ist. Ferner wird zum ersten Mal experimentell nachgewiesen, dass Patch-Potentiale die Nichtlinearität relativer kapazitiver Verschiebemessungen beeinflussen. Aus den Ergebnissen in dieser Arbeit wird ein besseres Verständnis für die kapazitive Messtechnik generiert und es werden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt. Capacitive transducers are the most commonly used non-optical sensors for monitoring the position and measuring displacements of objects. A capacitive sensor consists of a sensor electrode with a guard ring and a counter electrode forming a capacitor. For the measurement of small changes in distance, the relationship between the capacitance and the plate distance is used.
Stray capacitances and distortions of the electric field lines lead to measurement deviations which are calibrated and empirically corrected in industrial applications. From a metrological point of view, a model-based correction is preferred, which includes the known influencing factors. In this work, the foundation of such a correction will be extended to further enable systematic sensor improvements. The focus lies on the investigation of the influence of surface roughness and patch-potentials.
Using an FEM model, the influence of electric field propagation on capacitance and capacitive displacement measurement is simulated. It is shown that the influence of a roughness is negligible compared to the influence of a waviness and that patch-potentials have an impact on the effective area of a capacitive sensor. Electrodes with defined topographies and patch-potentials are fabricated and characterized using the KPFM mode of an AFM. Patchpotentials with a local potential difference of more than 400mV are observed on the sensor surfaces.
An experiment is set up in which capacitive displacement measurements are performed against a laser interferometer and the deviations from the ideal case are determined. The combination of a non-contact and automated adjustment process as well as a measurement routine with a repeatability smaller than 20nm is the basis for comparable measurements.
From the experimental investigations it is concluded that the influence of roughness is negligible at present manufacturing accuracies. Furthermore, it is experimentally demonstrated for the first time, that patch-potentials affect the nonlinearity of relative capacitive displacement measurements. From the results in this thesis, a better understanding of capacitive metrology is generated and opportunities for improvement are identified.