[发明专利]利用THz传感器对连续非均匀织物的卡尺度涂层测量

说明书

相关申请的引用

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求2012年2月8日提交的共同未决申请No.61/596,595的优先权，通过引用将该申请并入于此。

技术领域

本发明总体涉及用于确定涂层和薄膜层的厚度、基重以及相关性质的技术，该技术利用太赫兹光谱测量。

背景技术

为了测试和控制的目的，连续织物材料的工业生产通常需要对卡尺度(caliper)或基重(每面积单位的重量)的测量。例如，在制造涂层、共挤塑料以及相关的多层产品的情况下，通常有必要测量每个层和/或每个涂层的卡尺度或基重。用于确定连续织物涂层的卡尺度的标准手段包括例如依赖于核测量或x射线测量的差分称重技术。这种非接触式方案利用双扫描器，每个扫描器都配备有传感器，该双扫描器在涂覆过程之前和之后测量织物重量，其中差异为涂层重量。类似的双扫描器方法是接触式差分卡尺度测量，其中涂层过程之前和之后织物卡尺度的相减产生涂层重量。最后，红外辐射探测利用涂层的独特IR特征来探测和测量涂层重量。

这些现有技术卡尺度测量技术的功用受多个缺点限制。双扫描器差分系统过度昂贵且需要过多的空间来容纳这两个扫描器。此外，对于探测被涂敷到厚基底材料上的相对薄的涂层，该技术自身并不可靠。确实，双扫描器测量通常产生所计算出的具有显著误差的涂层厚度。基层的可变性是双扫描器系统中的另一个误差来源。为了补偿该可变性，双扫描器系统通常包括同点软件，其比较由这两个扫描器从移动织物上的相同点获得的测量结果。不幸的是，扫描器并不保持完美对准，并且其不能跟随相同点使测量变得无用，尤其是当扫描器正在测量厚度在机器方向上不均匀的行进的织物时。已经表明，传统的双扫描器系统在测量基板上的薄聚合物涂层时可能展现出比所测量的涂层厚度大的误差。最后，由于测量材料中的高IR衰减或者缺少将允许涂层材料差异化的独特IR特征，IR感测有时不可能实现。本领域需要一种准确且可重复的技术，用于测量在连续的、行进的非均匀织物上形成的涂层和薄膜的厚度以及相关性质。

发明内容

本发明部分地基于分析模型的开发，其描述了太赫兹辐射脉冲通过有涂层的织物以及尤其是通过连续织物样本材料的涂层和基底衬底层的传播。随着辐射行进通过这些层时，其行进的方向和速度尤其受到这些层的厚度以及它们的折射率的影响。相应地，在模型中使用的数学关系并入了层厚度和层折射率作为变量，来预测入射辐射在其透射通过有涂层的织物时如何表现。假定可以测量入射和透射辐射并且可以初始查明或测量折射率，那么在迭代过程中查明样本中的涂层的厚度，借此将已知特性的入射电磁辐射导向到有涂层的织物，并且此后，将实际测量与所预测的透射辐射特性进行比较。调整模型的层的所指派的厚度并且重复该过程，直到实际测量与所预测的透射电磁辐射值处于期望限制内，此时，所指派的厚度表示被测卡尺度值。

当采用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)实施时，卡尺度测量特别准确和精确，该太赫兹时域光谱系统创建参考脉冲的连续集合，借此可以跟踪和校正样本脉冲的相位和幅度。本发明可以利用优选地采用两个传感器头且配备有用于测量传感器头之间的z距离的装置的设备而实施。在操作中，被分析的样本(例如具有非均匀厚度的行进织物)被定位在两个传感器头之间。通过实时测量z距离和THz信号，可以校正THz信号以增强光谱仪测量精度。非接触式卡尺度涂层测量实际上对在其上涂敷有涂层的基底衬底(例如，纸)的基重、厚度或者其它物理参数的变化不敏感。

相应地，在一个方面中，本发明涉及一种测量有涂层的连续织物上的涂层的厚度的方法，包括以下步骤：

(a)开发具有一个或多个涂层以及衬底层的有涂层的连续织物的分析模型，其中该模型表示作为以下各项的函数的、电磁场穿过有涂层的连续织物的透射：(i)每个涂层的厚度；(ii)衬底层的厚度；(iii)每个涂层以及衬底的折射率，其值被初始指派；以及(iv)太赫兹辐射到有涂层的连续织物上的入射角；

(b)通过采用时域太赫兹光谱设备来建立有涂层的连续织物样本的样本测量，该时域太赫兹光谱设备包括生成辐射脉冲的发射器和接收辐射脉冲的探测器，该建立是通过包括以下步骤的技术来进行的：

(i)沿发射器与探测器之间的光学路径定位分束器，以形成参考辐射脉冲和被导向到样本的样本辐射脉冲，并且参考辐射脉冲不与样本交互；

(ii)将第一镜定位为将样本辐射脉冲反射到探测器；以及

(iii)将第二镜定位为将参考辐射脉冲反射到探测器，并且利用反射的辐射脉冲监测参考辐射脉冲的相位和幅度的波动；