Anisotropie

Inhaltsübersicht

Messung der elektrischen Anisotropie mittels Wirbelstrom | Was ist elektrische Anisotropie? | Messungen

Messung der elektrischen Anisotropie mittels Wirbelstrom

Mehrere Doppel-Sensorkopf-Konfiguration 4x md 4x td für die Inline-Messung der elektrischen Anisotropie

Die Messung der elektrischen Anisotropie durch Wirbelstrom-Anisotropie-Sensoren ermöglicht die präzise Messung der Anisotropiestärke und Anisotropierichtung ohne Probenpräparation oder gar Berührung des Prüfobjekts. Der Schlüssel zu dieser Innovation ist die Induktion gerichteter Wirbelströme in dünne Schichten und die anschließende Bestimmung gerichteter Schichtwiderstände durch Elektromagnetfeld (EMF)-Sensoren. Anisotropie-Sensoren und -Geräte bringen eine enorme Zeitersparnis, da eine Messung in Milli-Sekunden durchgeführt werden kann. Weitere Vorteile sind

  • Keine Probenvorbereitung
  • Berührungslos & zerstörungsfrei
  • Messung durch Verkapselung
  • Bestimmung der Anisotropie-Stärke
  • Bestimmung der Anisotropierichtung
  • Hohe Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit
  • Großer Anisotropie-Messbereich 0,25 bis 4 (MD / TD, größer auf Anfrage)

Diese Technologie wird seit 2015 in industriellen Anwendungen eingesetzt. Die dedizierte EddyCus SR-A-Serie umfasst Einzelpunkt-, Imaging- und Inline-Geräte. Diese Systeme bestimmen den gerichteten Schichtwiderstand in zwei oder vier Richtungen und stellen die Daten als Zahlen, grafische Balken oder als Anisotropiebilder dar.

Terminologie - Was ist elektrische Anisotropie?

Definition

Die verfügbaren Definitionen der elektrischen Anisotropie beziehen sich oft auf den Hintergrund ihrer Anwendung. Die allgemeine Definition der elektrischen Anisotropie beschreibt die Variation einer elektrischen Eigenschaft in Abhängigkeit von der lateralen oder vertikalen Richtung (x,y,z), in der ein Strom fließt. Mit anderen Worten, der Begriff "elektrische Anisotropie" beschreibt die Richtungsabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit oder des spezifischen Widerstandes oder anderer elektrischer Begriffe wie Schichtwiderstand oder Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Skala der Anisotropie kann mikroskopisch oder makroskopisch sein und sogar auf kleiner und großer Skala unterschiedlich sein.

Konzept und Terminologie der Schichtwiderstandsanisotropie

 

 

 

Veranschaulichung der Maschinenrichtung und Traversenrichtung bei der Inline Messung der elektrischen Anisotropie

 

  MD = Machine Direction                                       TD = Transversal Direction

RMD = Schichtwiderstand in MD                            RTD = Schichtwiderstand in TD

Die Anisotropie ist abhängig vom Material, der Prozessart und den Prozessparametern. Es gibt isotrope oder eher isotrope Prozesse wie PVD- oder CVD-Prozesse. Es gibt auch Prozesse mit hohem Durchsatz wie Slot-Die-Beschichtung oder Curtain-Coating, die Anisotropie in Abhängigkeit von Prozessparametern wie Geschwindigkeit oder wenn Maßnahmen zur Verringerung oder Erhöhung der Anisotropie getroffen werden, erzeugen. Darüber hinaus gibt es auch Anwendungen mit hoher Anisotropie, wie z. B. der Siebdruck in der PV-Industrie, bei dem die Metallgitterstrukturen (Finger) für einen effizienten Stromtransport zu den Kollektoren ausgelegt sind. Eine Übersicht in typischen Anisotropieverhältnissen wird hier gegeben.

Isotrope Prozesse RMD = RTD      
Anisotrope Prozesse

RMD < RTD

RTD / RMD = 1.0 - 1.2 or 1.2 - 2.0

Erzwungene anisotrope Prozesse
(z. B. durch Netzgestaltung)

RMD << RTD

RTD / RMD = 2 - 200 (und größer)

Berechnung der Anisotropie des Schichtwiderstandes

Die relevanten Richtungen für die Berechnung der Anisotropie sind die minimale (R-Richtung min) und die maximale (R-Richtung max) Schichtwiderstandsrichtung. Die meisten Inline-Fertigungsprozesse neigen dazu, die Drähte in Maschinenrichtung auszurichten, wenn Draht- oder Rohrmaterial auf eine laufende Bahn übertragen wird. Daher liegt der beste oder minimale Schichtwiderstand in Maschinenrichtung vor. Folglich wird der schlechteste oder höchste Schichtwiderstand in Verlegerichtung erreicht.

RRichtung max =  RTD                                RRichtung min = RMD

Im Allgemeinen steht die Richtung des besten Schichtwiderstands RRichtung min senkrecht zur Richtung des schlechtesten Schichtwiderstands RRichtung max.

RRichtung max RRichtung min + 90 Grad                                Rdirection min = RRichtung max + 90 Grad     

Es gibt zwei gängige Möglichkeiten, die Anisotropie zu beschreiben. Entweder wird das Verhältnis zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Schichtwiderstand genommen. Ein alternativer Weg ist die Beschreibung der Differenz der beiden Richtungen geteilt durch den Mittelwert.

Relative Anisotropy =  RTD / RMD                            Anisotropy [%] = 0.5  (RMD -  RTD) / (RMD +  RTD)

Elektrische Anisotropie in transparenten, leitfähigen Materialien.

Transparente leitfähige Materialien zeichnen sich durch elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig durch optische Transparenz aus. Die Herausforderung für TCM-Hersteller besteht darin, dass der elektrische Widerstand durch Hinzufügen von mehr Material verbessert werden kann, was wiederum die Transparenz verschlechtert. Viele Unternehmen konkurrieren darum, das beste Verhältnis von Schichtwiderstand zu Transparenz zu bieten. Nanodraht-, Röhren- und Netzstrukturen sind in der Lage, hervorragende SR/OT-Verhältnisse zu akzeptablen Kosten zu liefern. Es gibt einige Fälle, in denen die Leitfähigkeit einer Folie auf die Elektroden gelenkt wird, was zu einem noch besseren SR-zu-OT-Verhältnis führt. Die Eckpunkte dieses Konzepts sind hier dargestellt:

Anisotrope Drahtfolie

Darstellung einer anisotropischen Verteilung von Drähten in einer Schicht

Isotrope Drahtfolie

Darstellung einer isotropen Verteilung von Drähten in einer Schicht
  • Die Anisotropie kann entsprechend dem Layout des Kontaktmusters optimiert werden
  • Anisotropie kann Material einsparen und die optische Transparenz verbessern
  • Anisotropie kann berührungslos mit dem Inline-Anisotropiesensor EddyCus TF gemessen werden
  • Es wird mehr von dem leitfähigen (und intransparenten) Material benötigt, um diese Struktur ausreichend mit Strom zu versorgen
„

Messung der elektrischen Anisotropie

Schematische Darstellung der Messanordnung einer Inline-Messung der elektrischen Anisotropie

Die Messung der Widerstandsanisotropie kann Erkenntnisse über die Materialstruktur und Streuprozesse in anisotropen und niedrigdimensionalen Materialien aufdecken. Die Anisotropie wird durch die Geometrie von Leitern, deren Verbindung, die Anzahl der Kontaktpunkte und Längenwege und die wirksamen Parallelwiderstände beeinflusst.

Ein Unterschied im lateralen (y,x) Schichtwiderstand / Widerstand / Leitfähigkeit innerhalb eines Materials oder einer Schicht kann durch Kontakt- oder kontaktlose Prüfmethoden gemessen werden. Kontaktmethoden erfordern den Ausschnitt von schmalen und langen Materialabschnitten im Verhältnis 1 : 20 (z. B. 1 cm x 20 cm). Dabei beschreibt die Richtung des Ausschnittes die Messrichtung. Der Schichtwiderstand kann nach dem Aufbringen eines Kontaktpads auf die Materialfolie mittels Kontaktmessung gemessen werden. Die Art dieses Aufbaus hat den Nachteil, dass eine Messung an der gleichen Stelle nicht möglich ist. Das Layout der möglichen Ausschnitte ist rechts dargestellt.

Die berührungslose Messung der elektrischen Anisotropie erfolgt mit SURAGUS Wirbelstrom-Anisotropiesensoren. Diese sind speziell für die Induktion von Strömen in definierten Richtungen wie MD = Machine Direction | TD - Transversal Direction ausgelegt. Es gibt Einzelpunktmesssysteme und bildgebende Messsysteme, die detailliert Auskunft über Anisotropiestärke und -richtung über die gesamte Probe geben. Beispiele für die Darstellung der Schichtwiderstandsanisotropie sind unten dargestellt. Die ersten Bilder zeigen die einzelnen Schichtwiderstände RMD und RTD und die absoluten und relativen berechneten Werte. Das rechte Bild stellt die Anisotropieverteilung über eine Probe dar, wobei blau isotrope Bereiche und rot anisotrope Bereiche darstellt. Das schwarz-weiße Linienbild stellt die Anisotropiestärke als Länge der Linien dar, wobei Punkte isotrope Bereiche und lange Linien anisotrope Bereiche darstellen. Die Richtung der Anisotropie wird durch die Richtung einer Linie dargestellt.

Einzelpunkt / Inline Imaging
Einzelpunktmessung der elektrischen Anisotropie mittel SURAGUS Software

 

Bildliche Darstellung der elektrischen Anisotropie

 

Einzelpunkt-Anisotropie-Auswertung mit der EddyCus® TF-Labor Serie SR-A

Anisotropy Image of Spray Coated Silver Nanowires.

 

Prüfgeräte für Anisotropie-Messungen

Industrie und F&E-Labore haben unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der Anzahl der Messproben pro Tag, der Messpunktdichte und des Automatisierungsgrades. Im Ergebnis werden üblicherweise vier Hauptprüfarten angewendet

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