Joost Jansma
Joost is Consulting Engineer bij 3T en Competence Officer voor Sensor Interfaces technology. Hij blogt over technologie in zijn vakgebied.

Actieve demping

Capacitieve Sensor

Figuur 1: Voorbeeld capacitieve sensor (1)

In de chip productie industrie is nanometer nauwkeurigheid zeer belangrijk. Een klant van 3T heeft in zijn machine een tafel die in horizontale (X en Y) richting kan worden bewogen en zeer nauwkeurig gepositioneerd wordt. De positie wordt met een beeldsensor afgelezen van een plaat met een fijnmazig ruitjespatroon dat vast boven de tafel is opgehangen. Om hogere productie te behalen, wil de klant de tafel sneller laten bewegen. Ondanks de bijzonder stijve ophanging van de plaat, bleek dat door luchtverplaatsing de plaat enkele nanometers op en neer ging bewegen, waardoor de horizontale positiebepaling niet meer optimaal werkt. Omdat het hier gaat om hele laagfrequente trillingen (orde 0.2Hz) zijn mechanische dempers niet toe te passen en is besloten actieve dempers te gebruiken.

Zo’n demper heeft een aantal componenten: een sensor/actuator unit die de elektro-mechanische interface vormt, een interface unit voor analoog/digitaal omzetting (AD voor de sensor en DA voor de actuator) en een digitale motion controller voor het implementeren van de regeling.

3T heeft de interface unit gerealiseerd, die vanwege bijzondere eisen voor dissipatie bij de sensor/actuator is voorzien van een externe sensor voorversterker.

Capacitieve sensor

Er is gekozen voor een capacitieve sensor voor positie (afstands) meting. In wezen is dit een vlakke plaat capaciteit, waarbij de afstand tussen beide platen gemeten wordt. Zonder verdere maatregelen, zou zo’n sensor sterk niet lineair gedrag vertonen. Door guarding (3) kan de sensor compact blijven en toch goed lineair.

Formule afstandberekening Capacitieve Sensor

Figuur 2: Formule voor afstandberekening (2)

Bij deze toepassing was een hoge resolutie vereist. Van belang daarvoor zijn: een sterk signaal, een versterker met lage ruis en een korte kabel (maximaal een halve meter) tussen sensor en versterker. De elektronica kon echter niet dichterbij geplaatst dan 5 meter. Samen met de klant is een werkbare oplossing gevonden in een kleine versterker die op 0.5m van de sensor kon worden geplaatst. Eis was wel een zeer lage en constante dissipatie van maximaal 25mW.
Doorgaans is een lage dissipatie strijdig met een hoge resolutie (veel signaal en lage ruis). 3T heeft hiervoor een slimme topologie bedacht op basis van actief inregelen zodat alleen de kleine variaties in positie door de versterker doorgegeven hoeven te worden en de voedingsspanning en daarmee de dissipatie bijzonder laag kan blijven.

Preamp performance

Afmetingen: 9 cm2 (30mm x 30mm x 10mm)
Dissipatie: 24 mW
Resolutie (ruisdichtheid): 0.030 ppm/√Hz
Resolutie (in 100Hz, 1ste orde laag doorlaat): 0.37 ppm

PreAmp actieve demping

Resultaat

Het resultaat van dit project is dat de klant een duidelijke verbetering heeft gekregen in de nauwkeurigheid van positionering.

(1,2) Bron: MTI instruments, http://www.mtiinstruments.com/technology/Capacitance.aspx

(3) Guarding: Een ongewenste stroom tegengaan door de omgeving op dezelfde potentiaal te houden. Een veelgebruikte techniek bij meten en testen. Voorbeelden: in-circuit test (ICT), verminderen van de kabelcapaciteit bv bij medische elektrodekabels, verminderen van lekstroom over de print bij picoampere meters zoals bv in pH-sensor elektronica.