Johdanto: siirtyminen rivianalyysiin-

Spektroskooppinen instrumentointi on siirtynyt analyyttisen laboratorion työpöydältä tuotantolattialle. Puolijohdekankaat valvovat kalvon paksuutta ja etsauskemiaa reaaliajassa. Litium-ioniakkujen valmistajat seuraavat elektrolyytin koostumusta ja pinnoitteen tasaisuutta. Lääkevalmistajat validoivat vaikuttavien aineiden pitoisuuden jatkuvasti mieluummin kuin pelkästään eränäytteiden avulla. Kaikissa näissä tapauksissa mittauksen suorittava instrumentti on riippuvainen diffraktiohilasta, joka erottaa aallonpituudet riittävällä resoluutiolla ja stabiiliudella prosessin poikkeaman havaitsemiseksi ennen kuin siitä tulee romua.

Tämä muutos luo selkeän teknisen ongelman instrumenttien valmistajille. Pöytälaboratoriospektrometriin määritellylle ritilälle, joka toimii ilmasto-säädellyssä huoneessa ja joka kalibroidaan uudelleen jokaisen käyttökerran välillä, on hyvin erilaisia ​​vaatimuksia kuin tuotantolinjaan pultattu 24/7 prosessianalysaattoriin upotettu ritilä, joka altistuu tärinälle, lämpötilan vaihteluille ja vuosien jatkuvalle toiminnalle huoltovälien välillä. Tässä artikkelissa tarkastellaan, mitä teolliset prosessinohjaussovellukset todellisuudessa vaativat diffraktiohilasta ja kuinka näiden vaatimusten tulisi muokata hankintapäätöksiä instrumenttivalmistajille, jotka rakentavat tätä seuraavan sukupolven prosessianalytiikkalaitteistoa.

Miksi teollisen prosessin ohjaus on erilainen suunnitteluongelma kuin laboratoriospektroskopia?

Laboratoriospektrometrejä käyttävät yleensä koulutetut teknikot, ne kalibroidaan uudelleen usein ja ne sijaitsevat ympäristöissä, jotka on suunniteltu minimoimaan lämpö- ja tärinähäiriöt. Prosessinohjauslaitteissa ei ole mitään näistä ylellisyyksistä. Heiltä odotetaan:

Jokainen näistä käyttöolosuhteista painaa erityisesti diffraktiohilaa. Lämpöryömintä substraatissa siirtää urien etäisyyttä ja virittää aallonpituuden kalibroinnin. Mekaaninen tärinä vuosien käytön aikana voi heikentää huonosti asennetun ritilän kohdistusta. Syövyttävästä ilmakehästä johtuva pinnoitteen hajoaminen vähentää diffraktiotehokkuutta ajan myötä ja heikentää hiljaisesti signaalin -/-kohinasuhdetta, kunnes prosessin kulkua ei havaita.

Sovellus 1: Puolijohdekalvo ja prosessin valvonta

Puolijohteiden valmistus perustuu optiseen metrologiaan useissa prosessivaiheissa - kalvon paksuuden mittaus, etch-päätepisteen havaitseminen ja yhä useammin kerrostumiskemian spektroskooppinen seuranta. Nämä sovellukset toimivat tyypillisesti UV-Vis- ja lähellä-infrapuna-alueella ja vaativat sekä korkeaa resoluutiota että pitkän-aallonpituuden vakautta, koska jatkuvaa tuotantoa harjoittava tehdas ei siedä metrologisen työkalun ajautumista pois kalibroinnin puolivälissä{5}}.

Holografiset ritilätovat usein suositeltuja tässä tilassa niiden vähäisen hajavalon ja erinomaisen uurteiden tasaisuuden vuoksi, millä on väliä suoraan ohut{0}}kalvointerferenssimittauksissa, joissa hienovaraiset spektriominaisuudet on selvitettävä kirkasta heijastuvaa taustaa vasten. Hila, jossa on korotettu hajavalo, voi peittää juuri sellaisen pienen spektrisiirron, joka osoittaa kalvon paksuuden poikkeaman, joka kannattaa kiinnittää ennen kiekon siirtymistä seuraavaan prosessivaiheeseen.

Koska puolijohdeelementit edustavat teollisuuden vaativimpia valmistusympäristöjä mittausten yhtenäisyyden kannalta, tätä alaa palvelevien laitevalmistajien tulee asettaa etusijalle toimittajat, jotka pystyvät osoittamaan erien{0}}to{1}}tuotannon yhdenmukaisuuden, ei vain yhtä hyvin-suorittavaa näyteritilää. JYOPTIXin valmistusprosessi sekä viiva- että holografisille ritileille rakentuu sen tiedostamisen ympärille, että puolijohde- ja{4}}kehittyneet valmistusasiakkaat tarkistavat instrumenttien suorituskyvyn tuotantolinjan{5}}käyttöaikavaatimuksia vastaan, eivät vain alkuperäisten vaatimustenmukaisuutta.

Sovellus 2: uuden energian - aurinkosähkö- ja litium-ioni-akkujen tuotanto

Uudesta energianvalmistussektorista - aurinkokennojen tuotanto ja litium-ioni-akkujen valmistus - on tullut yhdeksi nopeimmin-kasvavista inline-spektroskooppisen prosessiohjauksen markkinoista, ja sillä on omat erilliset ritilävaatimukset.

Aurinkosähköisessä valmistuksessa spektroskooppisia tekniikoita käytetään pinnoitteen tasaisuuden, seostusaineen pitoisuuden ja heijastuksenestokerroksen suorituskyvyn seurantaan tuotantolinjoilla, jotka siirtävät tuotetta jatkuvasti. Akkujen valmistuksessa lähi--infrapuna- ja Raman-spektroskopiaa käytetään yhä useammin elektrodien pinnoitteen paksuuden, elektrolyytin koostumuksen ja lietteen sakeuden - mittauksissa, joissa pienetkin virheet vaikuttavat akun suorituskykyyn ja turvallisuusongelmiin.

Näissä tuotantoympäristöissä on taipumus yhdistää kaksi haastavaa tekijää samanaikaisesti: jatkuva korkean{0}}suorituskyvyn toiminta, joka jättää vain vähän toleranssia instrumenttien seisokkeille tai uudelleenkalibrointisykleille, ja usein vähemmän ympäristöllisesti valvottuja tehdasolosuhteita kuin puolijohteiden puhdastila. Täällä käytettävät ritilät tarvitsevat pinnoitteita ja substraatteja, jotka on valittu kestävyyttä vastaan ​​lämpötilan vaihtelua vastaan ​​ja joissakin akkujen valmistuksen yhteyksissä liuotinhöyryille altistumisesta.Laajakaistaiset infrapunatasoviivat ritilät-, joka on suunniteltu ylläpitämään tehokkuutta laajoissa spektriikkunoissa, kuten 500–5000 nm tai 1500–10 600 nm -, ovat erityisen tärkeitä tälle alalle, koska monet uudet-energiaprosessimittaukset kattavat useita absorptioominaisuuksia laajalla lähes{7}}infrapuna-alueen eristämisen sijaan.

Sovellus 3: Pharmaceutical Process Analytical Technology

Lääketeollisuus on omaksunut Process Analytical Technologyn (PAT) -, jossa käytetään inline- ja at{1}}spektroskooppisia mittauksia tuotantoprosessien jatkuvaan seurantaan ja ohjaukseen sen sijaan, että luottaisivat vain -lopun-erälaboratoriotestaukseen. Lähi{5}}infrapunaspektroskopiaa käytetään laajalti seoksen tasaisuuden, tabletin päällysteen konsistenssin ja aktiivisen farmaseuttisen ainesosan pitoisuuden tarkistamiseen tuotannon aikana.

Lääkevalmistuksen sääntelyyn liittyvät odotukset lisäävät ulottuvuuden, jota muut teollisuudenalat eivät kohtaa samassa määrin: instrumenttien on toimittava luotettavasti, niiden on toimittava todistetusti ja toistettavasti riittävän hyvin validointi- ja auditointivaatimusten täyttämiseksi. Hila, joka tuo mukanaan vaatimattomankin mittausvaihtelun ajan myötä, voi vaikeuttaa instrumenttien valmistajan kykyä tukea lääkeasiakasta prosessin validoinnilla, koska kaikki mittauspoikkeamat on selitettävä ja valvottava.

Tämä tekee valmistuksen johdonmukaisuudesta - saman uran laadun, pinnoitteen suorituskyvyn ja mekaanisen toleranssin yhdestä ritilän tuotantoerästä toiseen - aidon kaupallisen näkökohdan lääkeasiakkaita palveleville instrumenttivalmistajille, ei vain teknistä hienoutta.

Sovellus 4: Ympäristö- ja turvallisuusvalvonta

Erillisten valmistusalojen lisäksi diffraktioritiöiden ympärille rakennettuja spektroskooppisia instrumentteja käytetään laajalti ilmakehän, veden laadun ja maaperän saastumisen seurantaan sekä elintarviketurvallisuuden testaamiseen ja huumausaineiden ja räjähteiden havaitsemiseen turvallisuussovelluksissa. Nämä instrumentit toimivat usein valvottujen ympäristöjen ulkopuolella kokonaan - asennettuina valvonta-asemille, asennettuina liikkuviin kenttäyksiköihin tai integroituina kannettaviin havainnointilaitteisiin -, mikä asettaa mekaanisen ja lämpökestävyyden korkeimman arvon tässä käsitellyistä sovellusluokista.

Laitevalmistajien, jotka rakentavat kenttäkäyttöön soveltuvia ympäristö- tai turvallisuus{1}}laitteita, ritilän valinnassa on usein asetettava etusijalle kestävyys ja vakaa suorituskyky laajalla käyttölämpötila-alueella laboratorio-olosuhteissa saavutettavan absoluuttisen huipputehokkuuden sijaan.

Ali{0}}määrittelyn piilokustannukset: miksi kenttävikoja jäljitetään ritilälle

Laitteiden valmistajat aloittavat usein kentän luotettavuusvalituksen vianetsinnän tutkimalla ilmaisinta, elektroniikkaa tai ohjelmiston kalibrointimallia - ja pääsevät ritilälle vasta, kun nämä keinot on käytetty loppuun. Kolme vikatilaa kannattaa sisällyttää suunnittelun tarkistuslistaan:

Mitä laitevalmistajien tulisi viedä

Näillä neljällä sovellusalueella on johdonmukainen kuvio: teollisessa ja kenttäkäytössä tärkeimmät ritilävaatimukset selviävät harvoin pelkistä resoluutio- ja tehokkuusmäärityksistä. Pitkän-aallonpituuden vakaus, pinnoitteen kestävyys, valmistuserän tasaisuus sekä lämpö- ja mekaaninen kestävyys ovat kentän menestyksen äärimmäisiä tekijöitä.