Terahertz-Schichtdickenmessung im industriellen Umfeld

Am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern, werden inlinefähige Terahertz-Messtechnik-Systeme entwickelt, mit denen unter anderem im industriellen Umfeld Schichtdicken gemessen werden können. Als neueste Version des Terahertz-Schichtdickenmesssystems steht nun ein einfach skalierbares System zur Verfügung, bei dem nahezu beliebig viele Messköpfe an eine Versorgungseinheit angeschlossen und synchron betrieben werden können. Das System eignet sich vor allem zur inline-Prüfung von Bahnware wie Folien aller Art. Schwerpunkte der laufenden Aktivitäten sind die Schichtdickenmessung der Elektrodenbeschichtung von Batterien und von mehrlagigen Beschichtungen auf Kunststoffteilen.

Für die optimale Performanz der Batterie muss die Beschichtung der Elektroden hinsichtlich Schichtdicke und Homogenität hohe Anforderungen erfüllen. Die Beschichtung wird meist als Flüssigkeit (Slurry genannt) auf Kupfer- oder Aluminiumfolien aufgetragen. Bisher setzt die Industrie Beta- und Röntgen-Strahlung ein, um die Schichtdicken zu ermitteln. Diese haben den Nachteil, dass sie nur die Gesamtdicke, also Folie mitsamt Beschichtung, erfassen und damit Differenzmessungen vor und nach dem Beschichten erfordern. Wird nicht immer an derselben Bandposition gemessen, summieren sich die Messfehler dabei drastisch.

Schneller und genauer messen kann man mit Terahertz-Strahlung. Diese Technik misst in Reflexion und erfasst so direkt die Schichtdicke; sie benötigt für eine Messung weniger als fünf Millisekunden. Die Sensorik lässt sich flexibel in Anzahl und Position der Messköpfe sowie der Messfrequenz an die Messaufgabe anpassen. Die Optimierung auf Frequenzen zwischen 50 GHz und 1 THz, Frequenzstabilisierung durch bessere Treiberelektronik und angepasster Signalverarbeitung ermöglicht präzise Dickenmessungen an dünnen, stark absorbierenden sowie elektrisch leitfähigen Schichten. In ersten Feldversuchen zu nassbeschichteten Elektroden konnte die neue Sensorik erfolgreich eingesetzt werden.

Mehrere Hersteller arbeiten bereits an der Trockenbeschichtung von Batteriefolien, die durch die Verkürzung des Trocknungsprozesses eine signifikante CO₂-Reduzierung und damit eine Verbesserung der Umweltbilanz des Herstellungsprozesses bewirkt. Der Einsatz der Terahertz-Messtechnik ist hier besonders vorteilhaft, da Beta- und Röntgen-Strahlung prozessbedingt nicht eingesetzt werden können.

Bei mehrlagigen Kunststofffolien oder Autolackierungen sind zur Erfassung der Einzelschichten besondere Auswerteverfahren notwendig. Bei der am weitesten verbreiteten Auswertetechnik erfolgt die Schichtdickenbestimmung durch einen Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Signalverläufen. Messzeiten im Millisekundenbereich pro Messpunkt sind möglich, da die Auswertung der Messung erfolgt, während gleichzeitig schon das nächste Messsignal aufgenommen wird. Die Auswertezeit für die Messung von bis zu fünf Schichten ist damit vernachlässigbar kurz.

Das Terahertz-System ist insbesondere für Hersteller von Automobilen und Flugzeugen sowie von Kunststofffolien und -rohren interessant. Hier kann das Messsystem zur Qualitätskontrolle in der Endkontrolle des Herstellungsprozesses eingesetzt werden.