I nanosensori di spostamento capacitivo sono realizzati su misura in ambienti estremi

La nuova serie NanoCeramic (NC) NanoSensor di Queengate, un produttore specializzato nel Regno Unito di prodotti di nanoposizionamento ad alta precisione, offre metrologia su scala nanometrica su misura per gli ambienti di ricerca più esigenti, combinando la compatibilità con il vuoto ultraelevato (UHV) e la durezza delle radiazioni con il funzionamento a temperature criogeniche fino a temperature elevate.

Per il contesto, Queensgate Portafoglio di prodotti NanoSensor comprende una famiglia consolidata di sistemi di misurazione della posizione senza contatto (il Serie Nx) basato sul principio della micrometria capacitiva. Due piastre del sensore - un bersaglio e una sonda - formano un condensatore a piastre parallele, con la distanza delle piastre misurata utilizzando un controller elettronico.

Sono disponibili campi di misura da 20 µm a 1250 µm con risposte in frequenza fino a 20 kHz (ideale per il monitoraggio delle vibrazioni e il rilevamento del rumore nella strumentazione di precisione). Inoltre, i nanosensori della serie NX garantiscono una linearità fino allo 0.02% e una risoluzione di misura fino a 7:10 (RMS), il tutto in un gruppo non autoriscaldante e con design selezionati adatti per il funzionamento UHV fino a XNUMX^-9 Torre.

Fatto su misura

Sulla base degli stessi principi fondamentali, il serie NC rappresenta un'estensione dell'offerta NX per l'implementazione in condizioni estreme: in effetti, una linea personalizzata di NanoSensor che porta la compatibilità UHV a un livello superiore (10 ^{all'10 ottobre} Torr) fornendo allo stesso tempo un funzionamento stabile e affidabile in ambienti con radiazioni aggressive (con 10⁷ cablaggio Gy) e in un ampio intervallo di temperature (da 80 K a 423 K).

"Utilizziamo tecniche di produzione qualificate per il settore militare e aerospaziale per produrre la serie NC", spiega John Clarke, principale ingegnere progettista meccanico presso Queensgate. "Sebbene i sensori, per la maggior parte, siano progettati su misura, la producibilità della tecnologia NC è tale che possiamo fornire coordinate prestazionali multiple e molto precise a un prezzo competitivo".

Al centro del sottosistema di misurazione NC ci sono le piastre del sensore capacitivo in ceramica placcate in oro (tipicamente basate su "oro bianco", una lega di platino-oro), mentre la maggior parte dei modelli include anche uno smalto vetroceramico per proteggere le facce del sensore e prevenire accidentali cortocircuito tra le piastre. Altrettanto importanti sono gli alloggiamenti dei sensori specifici per l'applicazione dell'NC, anche quando si tratta di garantire un design a bassa espansione termica. Gli alloggiamenti in invar, ad esempio, forniscono stabilità termica a temperature criogeniche (fino a 80 K); l'acciaio inossidabile SS316 è ideale per abbinare l'espansione del sensore a una struttura in acciaio inossidabile; e gli alloggiamenti in alluminio non magnetico sono utilizzati al meglio quando si abbina l'espansione termica alle strutture in alluminio.

"Fondamentalmente", osserva Clarke, "la serie NC comprende un pacchetto di materiali avanzati e innovazioni per garantire la compatibilità tra una varietà di applicazioni in ambienti estremi". Un esempio calzante: una delle prime implementazioni NC NanoSensor - per monitorare la flessione del cristallo di silicio in un monocromatore di Bragg su una linea di luce di sincrotrone - ha combinato una risoluzione di misurazione di 2–5 nm con un 100 Gamma µm e funzionamento a temperature criogeniche (circa 80 K).

La costruzione a basso degassamento ha consentito anche la distribuzione in condizioni UHV (fino a 10^-9 Torr), mentre il cablaggio "resistente alle radiazioni" e la struttura in ceramica/metallo garantivano che il sensore potesse sopportare una dose massima equivalente di radiazioni all'interno della linea di luce di 143 Gy/ora. "Questa prima soluzione NC soddisfaceva tutte le esigenze in termini di miglioramento delle prestazioni", aggiunge Clarke.

Si tratta di controllo

Una caratteristica distintiva della serie di sensori NC (e della linea di prodotti principale NX) è l'elettronica di controllo digitale di alta qualità, che combina un'uscita digitale a basso rumore a 20 bit e una frequenza di aggiornamento di 50 kHz come parte di un sistema di misurazione integrato. C'è anche una capacità di trasmissione via cavo più lunga (rispetto ai modelli analogici della generazione precedente) per garantire che l'uscita digitale sia meno sensibile al rumore.

“Tutto ciò significa che è molto più semplice per gli utenti finali integrare i sensori NC nel loro sistema di controllo senza introdurre rumore sul segnale”, spiega Clarke. "La conversione immediata al digitale significa che l'utente finale può trasmettere il segnale del sensore tramite un cavo digitale a un PC, dove può essere analizzato e inserito in un circuito di controllo".

Altre specifiche della serie NC includono l'uscita ad alta linearità prima della calibrazione (0.05% tipica), con calibrazione di quarto ordine corretta digitalmente lineare allo 0.005% (tipica). C'è anche la sostituzione plug-and-play o la riparazione dell'elettronica di controllo quando le testine del sensore sono inaccessibili, ad esempio all'interno di una camera a vuoto.

La serie NC è una linea di prodotti in espansione. Se il modello richiesto non è disponibile, Queensgate produrrà secondo specifiche personalizzate soggette a criteri di quantità minima d'ordine.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/capacitive-displacement-nanosensors-are-made-to-measure-in-extreme-environments/