In veel hightech toepassingen is gewone lucht eerder een last dan een hulp. In de halfgeleiderindustrie, precisie-instrumentatie en labautomatisering wordt daarom gewerkt in vacuümomgevingen. In deze ruimtes zijn bijna geen luchtdeeltjes meer aanwezig. Dat voorkomt vervuiling en verstoring, maar stelt ook extreme eisen aan componenten zoals sensoren die daar hun werk moeten doen. In deze blog duiken we in de wereld van sensoren in vacuüm: wat maakt meten in zo’n omgeving zo uitdagend, en welke oplossingen zijn er?
In een normale omgeving heerst een atmosferische druk die typisch zo’n 1000 millibar (of 100 kilopascal) bedraagt. Dat is de waarde die je afleest op een barometer waarmee kenners het weer kunnen voorspellen. Voor veel (hightech) toepassingen is het noodzakelijk om in een speciale geconditioneerde vacuümomgeving te werken. Denk aan de semiconindustrie waar het gebruikte EUV-licht door de lucht geabsorbeerd wordt. Of aan hoognauwkeurige positiemetingen waarvoor verstoringen door luchtstromingen en turbulentie tot een absoluut minimum moeten worden beperkt.
Rondvliegende stofdeeltjes en moleculen kunnen in dat soort applicaties een vervuilende en zelfs belemmerende factor vormen die - zeker als ze beginnen op te hopen - het proces onmogelijk maakt.
Tussen de atmosferische druk en het – alleen theoretisch haalbare – perfecte vacuüm van 0 Pa zijn er heel wat gradaties. Of het nou gaat om de halfgeleiderindustrie, (medische) instrumenten, labautomatisering of nanomaterialen, elke toepassingsgebied heeft zijn eigen specifieke eisen aan hoe hoog het vacuüm moet zijn, aan welke mate van vervuiling nog toelaatbaar is en aan welke moleculen het meest kritiek zijn. Voor specialisten in vacuümtechnologie is het heel gebruikelijk om te werken met vacuümomgevingen tot zo’n 3 Pa.
Een omgeving met die minieme luchtdruk is niet eenvoudig te realiseren en stelt daarom hoge eisen aan alle objecten en materialen die je in zo’n vacuümkamer wil plaatsen. Dat geldt ook voor de gewenste sensoren. En die zijn vrijwel altijd nodig. Denk aan een druksensor om te bepalen hoe hoog het vacuüm in de kamer daadwerkelijk is, een temperatuursensor of afstandsmetingen om het proces te monitoren, of aan encoders om bewegingen in het vacuüm te kunnen reguleren. In deze blog bespreken we de uitdagingen en de oplossingen, en laten we zien welke mogelijkheden er zijn.
Sensoren in vacuümomgevingen: uitdagingen en oplossingen
Meten in vacuümomgevingen brengt unieke uitdagingen met zich mee. Materialen kunnen uitgassen, warmte kan nergens heen en niet elk component is bestand tegen het luchtledige. Toch moeten sensoren onder deze omstandigheden betrouwbaar blijven presteren. Welke uitdagingen en oplossingen kom je tegen bij sensoren in vacuümomgevingen?
Uitgassen
Een van de grote uitdagingen is dat alle materialen in een vacuüm ‘uitgassen’ (Eng: outgassing). Via verdamping of sublimatie geven ze in een vacuümomgeving kleine hoeveelheden gas af die niet of nauwelijks met een vacuümpomp kunnen worden weggezogen en dus de vacuümkamer vervuilen. Bij verontreinigingen zoals restanten vocht, kit of smeermiddel, of als verkeerde lijmen en epoxy’s worden gebruikt, is dat goed voor te stellen. Maar ook heel wat harde materialen zoals metalen of glas stoten in een vacuüm kleine hoeveelheden gas uit.
De eerste stap is vanzelfsprekend om sensoren en materialen te kiezen die zo min mogelijk last hebben van uitgassing, bijvoorbeeld omdat ze goed kunnen worden voorbehandeld. Een goede selectie is essentieel. Zo helpt het om sensorkoppen in keramiek uit te voeren. En voor pottingen is bijvoorbeeld Tra-Con Bipax een veel gebruikte materiaal. Pottingen worden gebruikt voor de afwerking van componenten en voor de opvulling van lege ruimtes in een systeem die anders lastig vacuüm getrokken kunnen worden.
De tweede stap in het minimaliseren van outgassing is om alle componenten extreem goed schoon te maken voordat ze het vacuüm ingaan. Want hoe minder vervuiling er wordt geïntroduceerd, hoe hoger het haalbare vacuümniveau wordt. Dat betekent een scherp ingericht productieproces en uiteraard gewoon heel goed poetsen met de juiste reinigingsmiddelen. Maar het gaat verder. Ook de bouwvorm van een systeem is belangrijk. Diepe hoeken of een profiel op een onderdeel kunnen handig zijn in de productie, of esthetisch interessant, maar het zijn plekken waar contaminaties zich kunnen ophopen. Denk dus altijd goed na over hoe essentieel en functioneel designkeuzes zijn want ze kunnen een vacuümomgeving beïnvloeden.
Bake-out oven
Ultra cleanliness bereik je natuurlijk door alle componenten goed voor te behandelen voordat ze de vacuümruimte ingaan. Dat kan onder meer door het uitgasproces vooraf te laten plaatsvinden in een zogenaamde bake-out oven. Door de hitte verdampen en sublimeren alle ‘losse’ deeltjes, zodat je daar geen last meer van hebt als dat component of die module later in een vacuüm wordt geplaatst. Bij Sentech hebben we een bake-out oven om onze sensormodules ultraschoon te kunnen aanleveren.
Hoe lang en bij welke temperatuur een component de bake-out oven in moet, is afhankelijk van hoe hoog de eisen zijn aan het vacuüm waar het voor is bedoeld. Er zitten wel limieten aan hoe hoog de temperatuur kan worden opgestookt. Alle sensoren hebben een maximale temperatuur waartegen ze bestand zijn. En omdat het proces ook duurder wordt als de oven langer of op hogere temperatuur aan staat, is het zaak om steeds de juiste balans te vinden.
Steekproefsgewijs moet een productieproces worden gecontroleerd. Dat gebeurt voor deze stap aan de hand van een restgasanalyse (RGA). Omdat we niet ons eigen vlees willen keuren, laten we die extern uitvoeren door een gekwalificeerde partij. Dat soort controles is in de hele keten nodig. Als namelijk achteraf blijkt dat er ergens een foutje is gemaakt en het niveau van verontreiniging te hoog is, is het heel ingewikkeld om de root cause te achterhalen. Door continu te blijven valideren en monitoren, kunnen we eventuele problemen vroegtijdig afvangen.
Bake-out is een proces waarbij materialen worden verhit om gassen, vocht, oplosmiddelen of andere verontreinigingen te verwijderen.
Temperatuur en koeling
Een vacuüm heeft als nadeel dat er letterlijk niks is om eventuele warmte van het proces of van de (elektronica)componenten af te voeren. Koeling aan de hand van luchtconvectie behoort dus niet tot de mogelijkheden. Dat maakt dat je goed over de temperatuurhuishouding moet nadenken. Als een systeem opwarmt, kan temperatuurdrift een sensormeting nadelig beïnvloeden; warmteontwikkeling gaat ten koste van de nauwkeurigheid. Kies daarom voor sensoren met een laag energieverbruik, zodat de opwarming minimaal is. Want ook hier geldt het cliché: voorkomen is beter dan genezen.
Als het toch echt noodzakelijk is, en het ontwerp daar ruimte voor laat, bestaat de optie om actieve koeling toe te voegen. Bijvoorbeeld door de warmte af te voeren via waterleidingen. Zo’n oplossing zorgt er wel voor dat een ontwerp gelijk een stuk complexer wordt.
Vacuümbestendige componenten
Het ligt voor de hand, maar alle componenten, elektronische onderdelen en sensoren die in een vacuümkamer worden gebruikt, moeten ook bestand zijn tegen het luchtledige. Communicatie en ervaring zijn daarbij ontzettend belangrijk want vacuümbestendigheid is een eigenschap die over het algemeen niet in een spec sheet staat. Als modulebouwer of systeemleverancier moet je voortdurend in gesprek blijven met fabrikanten én met opdrachtgevers. Het is een ketenverantwoordelijkheid. En omdat het bovendien een vakgebied is dat zich blijft ontwikkelen, leert iedereen van elkaar en tillen toeleveranciers, specialisten en eindgebruikers de vacuümontwikkelingen als partners naar een hoger niveau.
Signaaloverdracht
Het meetsignaal van een sensor moet worden verwerkt. Zeker bij nauwkeurige metingen is het belangrijk dat ook de verwerking nauwkeurig gebeurt. Het is verstandig die processing unit buiten de vacuümkamer te plaatsen want de benodigde elektronica genereert meer warmte dan in die omgeving wenselijk is, en neemt bovendien kostbare ruimte in beslag.
Er zijn heel wat zogenaamde feed-through-oplossingen beschikbaar die kunnen zorgen voor de signaaloverdracht van binnen naar buiten de vacuümkamer. Het maakt daarbij niet uit welke sensortechnologie wordt gekozen – optisch, inductief, capacitief. Uiteraard is het ook weer zaak om kabels te selecteren die geschikt zijn voor gebruik in vacuüm.
7 tips voor sensoren in vacuüm
- Kies materialen die goed te reinigen zijn en die zo min mogelijk uitgassen;
- Pas de bouwvorm aan zodat er geen verbogen hoeken en gaten zijn;
- Gebruik low-power componenten omdat warmteafvoer een uitdaging is;
- Plaats de signaalverwerking buiten de vacuümkamer;
- Maak gebruik van geschikte kabeldoorvoer voor de overgang van vacuüm- naar atmosferische omgeving;
- Test modules onder realistische omstandigheden zodat niemand aan het eind voor verrassingen komt te staan;
- Werk samen met een specialist in vacuümintegratie; samen weet je meer.
Hulp bij jouw sensorintegratie in vacuüm
Als je als engineer werkt met toepassingen in vacuümomgevingen, weet je hoe complex het kan zijn om sensoren betrouwbaar te laten presteren. Materialen, warmtebeheer en signaaloverdracht vragen om specialistische kennis en ervaring. Onze sensorexperts hebben jarenlange ervaring met sensoroplossingen in vacuüm en weten precies waar je op moet letten.
Wil je even van gedachten wisselen over sensorintegratie in jouw vacuümtoepassing? Vul het contactformulier in, dan nemen we zo snel mogelijk contact met je op.
