Въведение: Преходът към-поточен анализ

Спектроскопските инструменти се преместиха от аналитичната лаборатория на производствения етаж. Полупроводниковите фабрики наблюдават дебелината на филма и химията на ецване в реално време. Производителите на литиево-йонни батерии проследяват електролитния състав и равномерността на покритието на линия. Фармацевтичните производители валидират концентрацията на активната съставка непрекъснато, а не само чрез партидно вземане на проби. Във всеки един от тези случаи инструментът, извършващ измерването, зависи от дифракционна решетка за разделяне на дължини на вълните с достатъчна разделителна способност и стабилност, за да улови отклонение на процеса, преди да стане скрап.

Тази промяна създава ясен инженерен проблем за производителите на инструменти. Решетка, определена за настолен лабораторен спектрометър, работещ в стая с-контролиран климат и прекалибриран между всяка употреба, е изправен пред много различен набор от изисквания в сравнение с решетка, вградена в 24/7 вграден процес анализатор, закрепен към производствена линия, изложен на вибрации, температурни колебания и години на непрекъсната работа между сервизните интервали. Тази статия разглежда какво всъщност изискват приложенията за контрол на промишлени процеси от дифракционната решетка и как тези изисквания трябва да оформят решенията за снабдяване за производителите на инструменти, които изграждат това следващо поколение хардуер за анализ на процеси.

Защо управлението на промишлени процеси е различен проектен проблем от лабораторната спектроскопия

Лабораторните спектрометри обикновено се експлоатират от обучени техници, често се прекалибрират и се помещават в среда, проектирана да минимизира топлинните и вибрационните смущения. Инструментите за контрол на процеси нямат нито един от тези луксове. От тях се очаква:

Всяко едно от тези работни условия оказва натиск конкретно върху дифракционната решетка. Топлинният дрейф в субстрата измества разстоянието между жлебовете и разстройва калибрирането на дължината на вълната. Механичните вибрации през годините на експлоатация могат да влошат подравняването на лошо монтирана решетка. Разграждането на покритието от корозивни атмосфери намалява ефективността на дифракцията с течение на времето, като тихо намалява съотношението сигнал-към-шум, докато отклонението на процеса остане незабелязано.

Приложение 1: Полупроводников филм и мониторинг на процеси

Производството на полупроводници разчита на оптична метрология при множество стъпки на процеса - измерване на дебелината на филма, откриване на крайни точки с ецване и все по-често вградено спектроскопско наблюдение на химията на отлагането. Тези приложения обикновено работят в UV-Vis ​​и близкия-инфрачервен диапазон и изискват както висока разделителна способност, така и дългосрочна-стабилност на дължината на вълната, тъй като фабрика, работеща в непрекъснато производство, не може да толерира измервателен инструмент, който излиза от калибриране по време на-смяна.

Холографски решеткиса често предпочитани в това пространство поради слабата си разсеяна светлина и отличната равномерност на жлебовете, което има пряко значение за измервания на интерференция с тънък-слой, където фините спектрални характеристики трябва да бъдат разрешени на фона на ярък отразен фон. Решетка с повишена разсеяна светлина може да маскира точно този вид малко спектрално изместване, което показва отклонение в дебелината на филма, което си струва да се улови, преди пластината да премине към следващата стъпка на процеса.

Тъй като полупроводниковите фабрики представляват едни от най-взискателните производствени среди за съгласуваност на измерванията навсякъде в промишлеността, производителите на инструменти, обслужващи този сектор, трябва да дадат приоритет на доставчици, които могат да демонстрират последователност на много-до-партиди производство, а не само на една добре-работеща решетка за проби. Производственият процес на JYOPTIX както за линейчати, така и за холографски решетки е изграден около признанието, че клиентите в областта на полупроводниците и напредналите-производства утвърждават производителността на инструмента спрямо изискванията за-работа на производствената линия, а не само съответствие с първоначалните спецификации.

Приложение 2: Производство на нови енергийни - фотоволтаични и литиево-йонни батерии

Новият енергиен производствен сектор - производство на слънчеви клетки и производство на литиево-йонни батерии - се превърна в един от най-бързо-развиващите се пазари за вградено спектроскопско управление на процеси и представя свои собствени различни изисквания за решетка.

При фотоволтаичното производство се използват спектроскопски техники за наблюдение на равномерността на покритието, концентрацията на добавката и ефективността на анти{0}}отражателния слой в производствените линии, които движат продукта непрекъснато. В производството на батерии, близката{2}}инфрачервена и Раманова спектроскопия се прилагат все по-често за наблюдение на дебелината на покритието на електродите, електролитния състав и консистенцията на суспензията -, където дори малки грешки се вливат в производителността на батерията и проблемите с безопасността надолу по веригата.

Тези производствени среди са склонни да съчетават два предизвикателни фактора едновременно: непрекъсната работа с висока-производителност, която оставя малък толеранс за престой на инструмента или цикли на повторно калибриране, и често по-малко контролирани от околната среда фабрични условия в сравнение с чиста стая за полупроводници. Решетките, разположени тук, се нуждаят от покрития и субстрати, избрани за издръжливост срещу температурни цикли и, в някои контексти на производство на батерии, излагане на изпарения на разтворители.Широколентови инфрачервени равнинни решетки-, проектирани да поддържат ефективност в широки спектрални прозорци като 500–5000 nm или 1500–10600 nm - са особено подходящи за този сектор, тъй като много нови-измервания на енергийни процеси обхващат множество характеристики на поглъщане в широк близък-инфрачервен обхват, вместо да изолират една тясна лента.

Приложение 3: Аналитична технология на фармацевтичен процес

Фармацевтичното производство възприе технологията за анализ на процеси (PAT) -, използвайки вградени и-линейни спектроскопични измервания за непрекъснато наблюдение и контрол на производствените процеси, вместо да разчита единствено на край-на-лабораторни тестове на партиди. Близката{5}} инфрачервена спектроскопия се използва широко за проверка на еднородността на сместа, консистенцията на покритието на таблетката и концентрацията на активната фармацевтична съставка по време на производството.

Регулаторните очаквания във фармацевтичното производство добавят измерение, пред което други промишлени сектори не са изправени в същата степен: инструментите трябва не само да работят надеждно, те трябва да работят доказуемо и възпроизводимо достатъчно добре, за да удовлетворят изискванията за валидиране и одит. Решетка, която въвежда дори скромна променливост на измерването с течение на времето, може да усложни способността на производителя на инструмента да подкрепи фармацевтичен клиент чрез валидиране на процеса, тъй като всяко отклонение на измерването трябва да бъде обяснено и контролирано.

Това прави производствената консистенция - едно и също качество на канала, производителност на покритието и механична толерантност от една производствена партида решетки до следващата - истинско търговско съображение за производителите на инструменти, обслужващи фармацевтични клиенти, а не само технически нюанс.

Приложение 4: Мониторинг на околната среда и безопасността

Отвъд отделните производствени сектори, спектроскопичните инструменти, изградени около дифракционни решетки, са широко разпространени за мониторинг на атмосферата, качеството на водата и замърсяването на почвата, както и тестове за безопасност на храните и откриване на наркотици и експлозиви в приложения за сигурност. Тези инструменти често работят извън контролирани среди изцяло - монтирани на станции за мониторинг, разположени в мобилни полеви единици или интегрирани в преносимо оборудване за откриване -, което поставя най-високото предимство на механичната и термична устойчивост от всяка категория приложения, обсъждана тук.

За производителите на инструменти, които изграждат полево-разполагаемо оборудване за откриване на околната среда или безопасност-, изборът на решетка често трябва да даде приоритет на здравината и стабилната производителност в широк работен температурен диапазон пред абсолютната максимална ефективност, постижима в лабораторни условия.

Скритата цена на недостатъчното{0}}специфициране: защо грешките на полето се проследяват обратно към решетката

Производителите на инструменти, които отстраняват неизправности при оплакване за надеждност на полето, често започват с изследване на детектора, електрониката или модела за калибриране на софтуера - и достигат до решетката едва след като тези пътища са изчерпани. Три режима на повреда си струва да бъдат включени в контролен списък за преглед на дизайна:

Какво трябва да премахнат производителите на инструменти

В тези четири области на приложение се очертава последователен модел: изискванията към решетката, които имат най-голямо значение при промишлено и полево внедряване, рядко се обхващат само от спецификациите за резолюция и ефективност. Дългосрочната-стабилност на дължината на вълната, издръжливостта на покритието, консистенцията на производствената партида и термичната и механична устойчивост са крайните фактори за успех на полето.