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.