Wprowadzenie: przejście do-analizy liniowej

Oprzyrządowanie spektroskopowe zostało przeniesione z laboratorium analitycznego na halę produkcyjną. Fabryki półprzewodników monitorują grubość warstwy i skład chemiczny trawienia w czasie rzeczywistym. Producenci akumulatorów litowo-jonowych monitorują skład elektrolitu i jednorodność powłoki na bieżąco. Producenci farmaceutyków sprawdzają stężenie składnika aktywnego w sposób ciągły, a nie wyłącznie poprzez pobieranie próbek seryjnych. W każdym z tych przypadków instrument wykonujący pomiar opiera się na siatce dyfrakcyjnej, która oddziela długości fal z wystarczającą rozdzielczością i stabilnością, aby wychwycić odchylenie procesu, zanim stanie się ono odpadem.

Ta zmiana stwarza wyraźny problem inżynieryjny dla producentów instrumentów. Siatka przeznaczona dla laboratoryjnego spektrometru laboratoryjnego, pracującego w-klimatyzowanym pomieszczeniu i ponownie kalibrowana po każdym użyciu, stawia czoła zupełnie innym zestawom wymagań niż siatka wbudowana w analizator procesowy pracujący 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, przykręcony do linii produkcyjnej, narażony na wibracje, wahania temperatury i lata ciągłej pracy pomiędzy okresami między przeglądami. W tym artykule przyjrzymy się, jakie faktycznie wymagania stawiane są siatce dyfrakcyjnej przez aplikacje do kontroli procesów przemysłowych i jak te wymagania powinny kształtować decyzje dotyczące zaopatrzenia dla producentów przyrządów budujących sprzęt do analizy procesów nowej generacji.

Dlaczego kontrola procesu przemysłowego jest innym problemem projektowym niż spektroskopia laboratoryjna

Spektrometry laboratoryjne są zazwyczaj obsługiwane przez przeszkolonych techników, często poddawane ponownej kalibracji i umieszczane w środowiskach zaprojektowanych tak, aby minimalizować zakłócenia termiczne i wibracyjne. Przyrządy do kontroli procesu nie mają żadnego z tych luksusów. Oczekuje się od nich:

Każdy z tych warunków pracy wywiera szczególny nacisk na siatkę dyfrakcyjną. Dryft termiczny w podłożu przesuwa odstępy między rowkami i rozstraja kalibrację długości fali. Wibracje mechaniczne powstające przez lata użytkowania mogą pogorszyć ustawienie źle zamontowanej kratki. Degradacja powłoki pod wpływem atmosfery korozyjnej zmniejsza z czasem skuteczność dyfrakcji, po cichu pogarszając stosunek sygnału-do-szumu, dopóki odchylenie od procesu nie zostanie wykryte.

Zastosowanie 1: Monitorowanie folii półprzewodnikowej i procesu

Produkcja półprzewodników opiera się na metrologii optycznej na wielu etapach procesu - pomiarze grubości warstwy, wykrywaniu punktu końcowego trawienia i coraz częściej na wbudowanym monitorowaniu spektroskopowym chemii osadzania. Zastosowania te zazwyczaj działają w zakresie UV-widzialnego i bliskiej-podczerwieni i wymagają zarówno wysokiej rozdzielczości, jak i długoterminowej-stabilności długości fali, ponieważ supernowoczesna produkcja ciągła nie toleruje odchyleń narzędzia metrologicznego od kalibracji w połowie-zmiany.

Siatki holograficznesą często preferowane w tej przestrzeni ze względu na niski poziom światła rozproszonego i doskonałą jednorodność rowków, co ma bezpośrednie znaczenie w przypadku pomiarów interferencji cienkowarstwowej, gdzie należy rozróżnić subtelne cechy widmowe na jasnym odbitym tle. Siatka z podwyższonym światłem rozproszonym może maskować dokładnie ten rodzaj małego przesunięcia widma, który wskazuje odchylenie grubości warstwy, które warto uchwycić, zanim płytka przejdzie do następnego etapu procesu.

Ponieważ fabryki półprzewodników reprezentują jedne z najbardziej wymagających środowisk produkcyjnych pod względem spójności pomiarów w całej branży, producenci przyrządów obsługujących ten sektor powinni priorytetowo traktować dostawców, którzy mogą wykazać spójność produkcji-od-partii, a nie tylko jedną dobrze-działającą siatkę próbkową. Proces produkcyjny JYOPTIX, zarówno w przypadku siatek liniowych, jak i siatek holograficznych, opiera się na założeniu, że klienci zajmujący się półprzewodnikami i-zaawansowaną produkcją weryfikują wydajność przyrządów pod kątem wymagań-czasu pracy linii produkcyjnej, a nie tylko zgodności z początkową specyfikacją.

Zastosowanie 2: Nowa energia - Fotowoltaika i litowo-Produkcja akumulatorów jonowych

Nowy sektor produkcji energii - produkcja ogniw słonecznych i produkcja akumulatorów litowo-jonowych - stał się jednym z najszybciej-rosnących rynków spektroskopowej kontroli procesów na linii produkcyjnej i ma własne, odrębne wymagania dotyczące siatek.

W produkcji fotowoltaicznej techniki spektroskopowe stosuje się do monitorowania jednorodności powłoki, stężenia domieszki i działania warstwy antyrefleksyjnej-na liniach produkcyjnych, na których produkt stale przemieszcza się. W produkcji akumulatorów coraz częściej stosuje się spektroskopię-bliskiej podczerwieni i spektroskopię Ramana do monitorowania grubości powłoki elektrody, składu elektrolitu i konsystencji zawiesiny,- gdzie nawet niewielkie błędy wpływają na wydajność akumulatora i problemy z bezpieczeństwem w dalszej części procesu.

W takich środowiskach produkcyjnych łączą się jednocześnie dwa wymagające czynniki: ciągła-praca z dużą przepustowością, która pozostawia niewielką tolerancję na przestoje przyrządu lub cykle ponownej kalibracji, oraz często mniej kontrolowane pod względem środowiskowym warunki fabryczne niż w pomieszczeniu czystym półprzewodników. Zastosowane tu kraty wymagają powłok i podłoży wybranych pod kątem odporności na wahania temperatury, a w niektórych kontekstach produkcji akumulatorów, narażenie na opary rozpuszczalników.Szerokopasmowy samolot podczerwieni rządził kratami- zaprojektowane w celu utrzymania wydajności w szerokich oknach widmowych, takich jak 500–5000 nm lub 1500–10600 nm - są szczególnie istotne dla tego sektora, ponieważ wiele nowych-pomiarów procesów energetycznych obejmuje wiele cech absorpcji w szerokim zakresie bliskiej-podczerwieni, a nie izolowanie pojedynczego wąskiego pasma.

Zastosowanie 3: Technologia analizy procesów farmaceutycznych

W produkcji farmaceutycznej zastosowano technologię analizy procesu (PAT) - wykorzystującą pomiary spektroskopowe na linii i-na linii do ciągłego monitorowania i kontrolowania procesów produkcyjnych, zamiast polegać wyłącznie na testach laboratoryjnych na końcu--partii. Spektroskopia w bliskiej-podczerwieni jest szeroko stosowana do sprawdzania jednorodności mieszanki, konsystencji powłoki tabletki i stężenia aktywnego składnika farmaceutycznego podczas produkcji.

Oczekiwania regulacyjne w produkcji farmaceutycznej dodają wymiar, z którym inne sektory przemysłu nie mają do czynienia w takim samym stopniu: przyrządy muszą nie tylko działać niezawodnie, ale muszą także działać w sposób widoczny i odtwarzalny, wystarczająco dobrze, aby spełnić wymogi walidacji i audytu. Siatka wprowadzająca nawet niewielką zmienność pomiaru w czasie może skomplikować zdolność producenta przyrządu do wspierania klienta farmaceutycznego poprzez walidację procesu, ponieważ każdy błąd pomiaru musi zostać wyjaśniony i kontrolowany.

To sprawia, że ​​spójność produkcyjna - tej samej jakości rowków, wydajności powłoki i tolerancji mechanicznej w różnych partiach rusztów produkcyjnych - jest dla producentów instrumentów obsługujących klientów farmaceutycznych prawdziwie komercyjnym czynnikiem, a nie tylko technicznym szczegółem.

Aplikacja 4: Monitoring środowiska i bezpieczeństwa

Poza dyskretnymi sektorami produkcyjnymi, instrumenty spektroskopowe zbudowane w oparciu o siatki dyfrakcyjne są szeroko stosowane do monitorowania atmosfery, jakości wody i zanieczyszczenia gleby, a także do testowania bezpieczeństwa żywności oraz wykrywania narkotyków i materiałów wybuchowych w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem. Przyrządy te często działają poza kontrolowanymi środowiskami, całkowicie - zamontowane na stacjach monitorujących, rozmieszczone w mobilnych jednostkach terenowych lub zintegrowane z przenośnym sprzętem detekcyjnym -, który kładzie najwyższy nacisk na odporność mechaniczną i termiczną ze wszystkich omawianych tutaj kategorii zastosowań.

W przypadku producentów instrumentów budujących-możliwy do wdrożenia sprzęt do wykrywania środowiska lub bezpieczeństwa- przy wyborze siatek często należy priorytetowo traktować wytrzymałość i stabilne działanie w szerokim zakresie temperatur roboczych, a nie bezwzględną szczytową wydajność osiągalną w warunkach laboratoryjnych.

Ukryty koszt niedostatecznego-Określenie: dlaczego awarie pola mają swój początek w siatce

Producenci przyrządów rozwiązywanie problemów związanych ze skargą dotyczącą niezawodności pola często rozpoczynają od sprawdzenia detektora, elektroniki lub modelu kalibracji oprogramowania - i docierają do siatki dopiero po wyczerpaniu tych możliwości. Na liście kontrolnej przeglądu projektu warto uwzględnić trzy tryby awarii:

Co producenci instrumentów powinni zabrać

W tych czterech obszarach zastosowań wyłania się spójny wzorzec: wymagania dotyczące kratek, które mają największe znaczenie w zastosowaniach przemysłowych i terenowych, rzadko są uwzględniane wyłącznie w specyfikacjach rozdzielczości i wydajności. Długoterminowa-stabilność długości fali, trwałość powłoki, spójność partii produkcyjnej oraz odporność termiczna i mechaniczna to najważniejsze czynniki sukcesu w terenie.