Schichtdickenmessungen an Mehrschichtsystemen mittels Terahertz-Messtechnik

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1 Schichtdickenmessungen an Mehrschichtsystemen mittels Terahertz-Messtechnik J. Klier, S. Weber, S. Krimi, F. Ellrich, J. Jonuscheit und G. von Freymann Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Kaiserslautern Fraunhofer IPM / Folie 1

2 Inhalt Terahertz - Spektralbereich Terahertz - Zeitbereichsspektroskopie Mehrschichtanalyse Automobillacke Interieurfolien Turbinenschaufel Zusammenfassung Fraunhofer IPM / Folie 2

3 Terahertz-Spektralbereich 1 cm 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm Radio Mikrowelle Terahertz Infrarot VIS UV 1 GHz 10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz 1 PHz Elektronik Optik Terahertz in Zahlen: 0,1 THz 10 THz 3 mm 30 µm Fraunhofer IPM / Folie 3

4 Terahertz-Spektralbereich Eigenschaften Viele Werkstoffe wie Kunststoffe, Papier, Keramik, Halbleiter und Textilien sind transparent. Erkennen interner Strukturen und Fremdkörper Inspektion verpackter Produkte Metalle und andere elektrische Leiter sind Reflektoren. Starke Absorption durch polare Flüssigkeiten wie Wasser. Identifizierung fast aller polarer Moleküle ist möglich. Terahertz-Wellen sind gesundheitlich unbedenklich. Fraunhofer IPM / Folie 4

5 Terahertz-Spektralbereich Eigenschaften Viele Werkstoffe wie Kunststoffe, Papier, Keramik, Halbleiter und Textilien sind transparent. Metalle und andere elektrische Leiter sind Reflektoren. Kein Blick ins Bauteilinnere Untersuchung der Oberfläche und Beschichtung Starke Absorption durch polare Flüssigkeiten wie Wasser. Identifizierung fast aller polarer Moleküle ist möglich. Terahertz-Wellen sind gesundheitlich unbedenklich. Fraunhofer IPM / Folie 5

6 Terahertz-Spektralbereich Eigenschaften Viele Werkstoffe wie Kunststoffe, Papier, Keramik, Halbleiter und Textilien sind transparent. Metalle und andere elektrische Leiter sind Reflektoren. Starke Absorption durch polare Flüssigkeiten wie Wasser. Geringe Eindringtiefe in wasserhaltige Objekten Quantitative Bestimmung des Wassergehaltes Identifizierung fast aller polarer Moleküle ist möglich. Terahertz-Wellen sind gesundheitlich unbedenklich. Fraunhofer IPM / Folie 6

7 Terahertz-Spektralbereich Eigenschaften Viele Werkstoffe wie Kunststoffe, Papier, Keramik, Halbleiter und Textilien sind transparent. Metalle und andere elektrische Leiter sind Reflektoren. Starke Absorption durch polare Flüssigkeiten wie Wasser. Identifizierung fast aller polarer Moleküle ist möglich. Identifikation von Wirkstoffen und Drogen Erkennen von Strukturänderungen wie Polymorphismus Terahertz-Wellen sind gesundheitlich unbedenklich. Fraunhofer IPM / Folie 7

8 Terahertz-Spektralbereich Eigenschaften Viele Werkstoffe wie Kunststoffe, Papier, Keramik, Halbleiter und Textilien sind transparent. Metalle und andere elektrische Leiter sind Reflektoren. Starke Absorption durch polare Flüssigkeiten wie Wasser. Identifizierung fast aller polarer Moleküle ist möglich. Terahertz-Wellen sind gesundheitlich unbedenklich. Keine Veränderungen organischer Substanzen Keine besonderen Strahlenschutzmaßnahmen notwendig Fraunhofer IPM / Folie 8

9 Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie Prinzipieller Aufbau Aufspalten des Femtosekunden-Laserstrahls zum Schalten von Sender und Empfänger Synchronisierung der Lichtpulse durch Verzögerungsstrecke Fraunhofer IPM / Folie 9

10 Fasergekoppeltes Terahertz-Messsystem Abmessungen Messmodul: 75 x 75 x 220 mm 1,3 kg Basiseinheit: 420 x 500 x 265 mm 33,4 kg Kabel/Faser: 5 10 m Messmodul montiert auf XY-Scanner Fraunhofer IPM / Folie 10

11 Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie Messprinzip Messung des elektrischen Feldes Pulsdauer < 1 ps Dynamik > 60 db 40 Wellenformen pro Sekunde Fraunhofer IPM / Folie 11

12 Elektrisches Feld [bel. Einh.] Schichtanalyse Signalverhalten an Grenzflächen Grenzfläche n = 1 n = 1.5 Fraunhofer IPM / Folie 12

13 Elektrisches Feld [bel. Einh.] Schichtanalyse Signalverhalten an Grenzflächen Einzelschicht auf Metall n = 1 n = 1.5 Metall R 0 Mehrfachreflexionen R 1 R 2 Fraunhofer IPM / Folie 13

14 Schichtdickenbestimmung in Reflexion - Messprinzip n 1 n 2 d 1 d 2 Fraunhofer IPM / Folie 14

15 Schichtdickenbestimmung in Reflexion - Messprinzip d = Dt c 0 / n / 2 n 1 n 2 Δt 1 Δt 2 d 1 d 2 Fraunhofer IPM / Folie 15

16 Schichtdickenmessung Flussdiagramm der Auswertung Schicht 1: n(f) k(f) Dicke d 1 Schicht 2: n(f) k(f) Dicke d 2 Schicht 3: n(f) k(f) Dicke d 3... N Referenz Messung Übertragungsfunktion Simulation Vergleich / Korrelation Schwellwert Y Ergebnis d 1 d 2 d 3 Fraunhofer IPM / Folie 16

17 Schichtdickenmessung Konvergenz der Auswertung Korrelation KTL kathodische Tauchlackierung FÜ Füller BC Basislack CC Klarlack Fraunhofer IPM / Folie 17

18 Schichtdickenmessung Konvergenz der Auswertung Anfangszustand 10 Iterationen (70 ms) 20 Iterationen (140 ms) 50 Iterationen (350 ms) Klarlack = 50 µm Basislack = 6 µm Füller = 13 µm KTL = 22 µm Fraunhofer IPM / Folie 18

19 Automobillacke BMW Group Fraunhofer IPM / Folie 19

20 Schichtdickenmessung Dreischicht-Lacksystem auf Metall Epoxidharz CC Schicht Terahertz [µm] Querschliff [µm] CC 45.2 ± BC 13.5 ± KTL 24.2 ± BC KTL Zink Metall Epoxidharz Vergleich mit»goldstandard«: Querschliff und Mikroskop CC BC KTL Zink Metall Fraunhofer IPM / Folie 20

21 Schichtdickenmessung Vierschicht-Metallic-Lacksystem auf Metall Fraunhofer IPM / Folie 21

22 Abweichung / - Normiertes elektrisches Feld / - Schichtdickenmessung Zweischicht-Lacksystem auf CFK 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-1,2 0,10 0,05 0,00-0,05-0,10 Messung Simulation Zeit / ps Dicke (µm) Schicht µm µm Klarlack Basislack µm Terahertz Querschliff Klarlack 100 ± ± 1 Basislack 95 ± 1 94 ± 1 Fraunhofer IPM / Folie 23

23 Robotergestützte Schichtdickenmessung Fraunhofer IPM / Folie 24

24 Interieurfolien Fraunhofer IPM / Folie 25

25 Normiertes elektrisches Feld / - Mehrschichtanalyse Zweilagige Kunststofffolie 1,0 0,8 0,6 0,4 max. min. Deckschicht 0,2 0,0-0,2-0,4-0, Zeit / ps Fraunhofer IPM / Folie 26

26 Dicke / µm Mehrschichtanalyse Zweilagige Kunststofffolie graue Schicht (max.) graue Schicht (min.) Schwarze Schicht 200 Querschnitt der untersuchten Zeile X / mm Fraunhofer IPM / Folie 27

27 Turbinenschaufel MTU Aero Engines AG Fraunhofer IPM / Folie 28

28 Schichtdickenmessung Keramikschicht auf Metall Messebene Fraunhofer IPM / Folie 29

29 Zusammenfassung Robotergestützte, berührungslose Mehrschichtanalyse möglich Schichtanzahl nahezu beliebig Mögliche Beschichtungsmaterialien: Lacke Kunststoffe Keramiken Gesundheitlich unbedenklich Präzision: ± 1 µm Messgeschwindigkeit: 40 Wellenformen pro Sekunde Auswertezeit: < 1 Sekunde Messbereich: µm Arbeitsabstand: mm Messfleckgröße: Ø 1 2 mm Fraunhofer IPM / Folie 30

30 Dr. Joachim Jonuscheit Fraunhofer IPM Fraunhofer-Platz Kaiserslautern Tel joachim.jonuscheit@ipm.fraunhofer.de Fraunhofer IPM / Folie 31

31 Fraunhofer IPM / Folie 32