虹科直播精彩回顾 | 太赫兹TDS技术的工业测厚与表征应用

 

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太赫兹时域光谱技术

 

随着电磁波频谱的开发以及光学电子学领域的技术突破，处于微波与红外之间的太赫兹波（0.1-10THz）被人们所发现，其优异的穿透性特点在工业检测方面具有极佳的应用前景，适用的材料包括木材、纸张、陶瓷、塑料以及多种复合材料。并且无需接触样品表面，非接触测量更易于工业自动化集成，而其不具有电离辐射的特点对操作的人员提供了安全保障。

特别的是，基于飞秒激光与光电导天线的光学方法产生的脉冲太赫兹波具有宽频谱与指纹频谱的特性，通过光电导采样可以相干探测到太赫兹波，从而检测出物质在太赫兹波段的时域光谱和频域光谱，对物质实现结构分析和识别分拣的作用。更重要的，太赫兹光谱技术还可以根据光谱信息实现成像、参数表征与厚度测量的功能，因此在工业领域极具潜能。

然而，现有的太赫兹时域光谱仪多是针对实验室环境的大体积设备，应用于工业领域需要设备能够适配工业环境（比如高度自动化集成），且针对性解决工业问题。虹科针对汽车、风电，以及光伏半导体等材料行业提出了基于太赫兹时域光谱仪的工业完整解决方案。

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太赫兹工业测厚方案及应用

 

基于太赫兹波的穿透性，通过分析每个界面的反射太赫兹信号即可对被测材料的厚度实现检测。不同行业具有不同的涂层方案与测厚标准，适用的环境也是多种多样。因此，虹科提出了针对汽车与风电行业涂层需求的不同解决方案。

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汽车车身涂层测厚——虹科Irys系统

针对于汽车行业多层涂层、测厚精度要求高、高度集成化以及塑料基底使用率显著增加的现状，虹科提供了专业的太赫兹测厚平台IRYS系统。它是针对汽车车身涂层测厚的完整解决方案，其太赫兹探头适用于任何穿透机械手臂，适用于自动化程度高的汽车产线。

同时，结合三角激光定位系统，能够保持定位的法向误差小于0.2°。最后，应用专利的测厚算法，可测层数高达5层，能够实现最薄5um材料的测厚，以及最优1um的测厚精度。

此外，虹科还提供 IPA 大数据分析可视化平台，它具有高度交互性的用户友好界面，它可以收集实时厚度数据和涂装过程的关键参数：如车型、车身ID、颜色、生产线、定时生产等。并且允许为每个最终用户，如制造工厂经理，涂装线经理，质量控制负责人等不同用户构建定制的图形界面。太赫兹技术结合强大的分析工具，可以找出涂装过程中的优化区域，实现更好的汽车涂装流程控制。

相较于其他传统的测厚技术，基于太赫兹技术的Irys系统是唯一完整的工业解决方案，最大优势在于其适用基底范围广泛，包括金属、塑料与复合材料基底。此外，非接触的探测方式易于自动化，一次测量就可以得到每一层厚度的实时数据。最后，没有电离辐射，安全性得到保证。

虹科Irys 系统自2020年起第一次落地于大众西班牙纳瓦拉的工厂，经过计算，Irys系统的使用有助于在涂装过程中节省15%的成本，减少材料、能源和缺陷工件的支出，并相应减少对环境的影响。

得益于虹科 Irys 系统，汽车的涂装工艺在喷漆过程中可以减少二氧化碳排放量50kWh/辆，这意味着每年可减少超过16 GWh/年的二氧化碳排放量。

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风电叶片涂层厚度与附着力检测—虹科Notus系统

风电叶片是风电涡轮机最关键的部件，它的结构长期暴露在环境条件下，由此可能产生一些损伤，因此通常要对叶片采用涂层保护。一方面，每一层涂层的厚度与汽车行业要求一样，需要达到规定的标准；另一方面在于涂层表面以下的一些附着性缺陷（比如气泡、孔洞等）也是需要检测的重点。

虹科提供的Notus系统具有足够强功率的太赫兹波，适用于500um-4mm范围的风电叶片涂层厚度，其分辨率为层厚的5%。另一个要点在于其具有附着力检测的功能，基于缺陷位置回波信号的特异性，Notus系统采用了附着指数 (AdI) 算法来评估涂层的附着性。

ADI是一种分类器算法，通过采集的数据分析可将样本的附着性结果分为两个结果：附着性通过或失败。该附着系数与传统方式拉拔测试的数据一样，但是并不需要破坏性检测以及专业人员，根据直观结果可以判断被测涂层位置是否存在肉眼不可见的内部缺陷，比如涂层内部的孔洞、气孔、气泡等缺陷。

得益于 Notus 系统，西门子歌美飒可以在生产过程中和整个使用寿命期间获得有关风车叶片涂层状况的实时数据。Notus 的使用表明，风电场运营商每年可能节省10%的运维成本，每年为风能行业节省运维支出约150亿，是一个巨大的节省成本的机会。

 

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太赫兹工业表征方案及应用

 

科研院所的材料研究以及工业领域的材料生产与质量控制流程中，都需要利用一些表征技术对所用材料的性质与质量做出判断。传统表征方法具有一定缺陷，比如四探针法得到被测样品的电导率，但必须接触样品造成损伤，因此不适用于生产检测。而对于纳米尺寸的材料而言，常用的拉曼光谱、AFM和TEM方法可以通过非接触、非破坏性的方式得到分辨率高达nm级别的图像，然而这需要复杂的样品制备步骤与较长的扫描时间，仅适用实验环境使用。

虹科Onxy系统是市场上第一个旨在实现石墨烯、薄膜和其他2D材料的全区域无损表征的系统。通过反射式采集样品的多种电参数，包括电导率、电阻率、电荷载流子迁移率、电荷载流子密度、载流子散射时间与均匀性。

虹科Onyx系统填补了宏观和纳米尺度表征工具之间的空白，同时具有快速表征（12cm2/min）和高分辨率（50um），并且探测面积可从0.5 mm2到更大面积(m2)，促进了材料研究领域的工业化。

目前，CIEMAT已经利用Onyx系统对各类石墨烯制作的光伏器件做电学参数的表征；CIC nanogune利用了Onxy系统对石墨烯材料与其他表征方法对比，验证了太赫兹测量电学参数的准确性；IHP则利用Onxy系统为将先进材料的晶圆集成到微电子元件中提供了一种无损，非接触式，快速且更可靠的质量控制过程，可以在生产过程的最早阶段识别有缺陷的零件。

虹科Onxy系统采用了太赫兹技术，相较于其他检测技术，更满足工业应用的快速大面积的检测要求。

 

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总结

 

虹科基于太赫兹时域光谱技术，提供针对性解决多行业问题的太赫兹工业解决方案：针对于汽车行业涂层测厚的太赫兹系统Irys，搭配大数据分析平台，能够实现汽车涂装产线的质量控制；针对风电行业，提供风电叶片厚度与附着性无损检测的Notus系统，并且具有适配各种应用环境（实验室、工厂与现场）的不同设备版本；针对光伏与晶圆材料检测领域，虹科Onxy系统能够以无损、非接触、高速与高分辨率的方式一次性表征材料的多种电参数，是产业化检测的最佳选择。