Name: Em Situ Surface Temperature Measurement em um forno de correia transportadora através de Termografia Infravermelha Inline (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 3 s
Description: Aprenda a instalar uma câmera infravermelha em fornos de correia transportadora para termografia em linha. Este método permite medição sem contato e em tempo real da temperatura de células solares de silício durante a produção industrial.

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Este trabalho é apoiado pelo Ministério Federal alemão para Assuntos Econômicos dentro do projeto "Feuerdrache" (0324205B). Os autores agradecem aos colegas que contribuíram para este trabalho e aos parceiros do projeto (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) pelo cofinanciamento e prestação de apoio excepcional.

1. Instalação de câmera IR em um forno de correia transportadora
<ol><li>Decida qual parte do forno deve ser medida pela câmera de RI. NOTA: Aqui, a zona de pico do processo de disparo é escolhida (veja a zona laranja destacada na área de disparo da Figura 1A).</li>
	<li>Defina a faixa de temperatura de interesse que a câmera IR deve detectar (por exemplo, 700-900 °C, a faixa de temperatura máxima típica do processo de disparo).</li>
	<li>Determine, ou pelo menos estimar (através de experimentos ou literatura), as emissões dependentes de temperatura, espectral e angular do objeto (por exemplo, célula solar de silício) para identificar a faixa de comprimento de onda(s) de maior emissão para a faixa de temperatura de interesse (sob um ângulo específico da câmera). NOTA: Aqui, a emissão é estimada com base na literatura anterior3 e em um software chamado RadPro10, que calcula a emissividade espectral, angular e dependente da temperatura para materiais de interesse.</li>
	<li>Decidindo sobre o tipo de câmera IR NOTA: Aqui, é utilizada uma câmera antimonida de índio (INSB) de infravermelho de ondas médias (MWIR).Table of Materials<ol>
<li>Escolha uma câmera que possa detectar a faixa de temperatura de interesse.</li>
		<li>Selecione uma câmera cujo comprimento de onda de detecção corresponde à faixa de comprimento de onda de maior emissão do objeto de interesse na faixa de temperatura de interesse.</li>
		<li>Evite o máximo possível de detecção de radiação parasitária pela câmera, evitando objetos que emitem ou refletem radiação no campo de visão da câmera (por exemplo, lâmpadas ir em um forno).</li>
		<li>Decida sobre a necessária resolução espacial e temporal da câmera (por exemplo, 640 px x 512 px e 125 Hz [imagem completa] para a câmera usada aqui).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Realize um caminho óptico suficiente da câmera IR para objeto (ver Figura 1B).<ol>
<li>Evite objetos perturbadores no caminho óptico (por exemplo, lâmpadas IR causando luz direta ou refletida).</li>
		<li>Posicione a câmera do lado de fora da câmara do forno, se possível. NOTA: A maioria das câmeras tem baixas temperaturas de funcionamento (por exemplo, até 50 °C). Certifique-se com antecedência de que a posição da câmera pode ser alterada, se desejar.</li>
		<li>Remova a parede do forno e o isolamento no local onde o caminho óptico deve estar e substitua o orifício por uma janela de IR isolante.<ol>
<li>Escolha o material apropriado para a janela que atenda às seguintes demandas: 1) o mais transparente possível para a faixa de comprimento de onda (λ) de detecção da câmera (por exemplo, janela de vidro de quartzo para ~0,2 μm < λ < 3 μm, janela de safira para ~0,4 μm < λ < 4,2 μm) e 2) capaz de isolar a câmara de forno termicamente. NOTA: As temperaturas resultantes da janela podem influenciar a transmissão da janela.</li>
			<li>Evite danos na janela ir. Não aperte a janela para evitar quebra durante a expansão do calor. NOTA: O material da janela deve ter uma quantidade suficiente de espaço para expandir quando aquecido.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verifique o campo de visão resultante (FOV) da câmera IR examinando a imagem da termografia através do software da câmera IR. Identifique o objeto-alvo e sua temperatura na imagem da termografia. Ajuste o FOV, se necessário.</li>
</ol>2. Correção global da temperatura do cliente de uma câmera IR calibrada de fabricação
ATENÇÃO: A fabricação da câmera IR deve incluir uma calibração radiométrica.
<ol><li>Detectar artefatos ópticos locais, como reflexão e radiação de fundo.</li>
	<li>Realize medições termopares clássicas do objeto enquanto grava simultaneamente o wafer, incluindo termopar com a câmera IR.<ol>
<li>Verifique a validade dos termopares usados. Procure por pontos de temperatura característicos conhecidos no perfil de temperatura do objeto processado que podem ser claramente detectados (por exemplo, interrupção em uma linha lisa). Se o termopar mede corretamente esses pontos de temperatura, o termopar é provavelmente corretamente calibrado.</li>
		<li>Exemplo usando células solares de silício<ol>
<li>Coloque o termopar no lado de alumínio traseiro do wafer. Faça um perfil de temperatura para um processo de disparo padrão11.</li>
			<li>Valide os termopares determinando se há uma interrupção no perfil de temperatura da etapa 2.2.2.1 em torno da temperatura eutectica Al-Si de 577 °C na forma de uma curva mais plana (como é o caso da Figura 2D). NOTA: Se a interrupção ocorrer na temperatura em torno de 577 °C, é um sinal de que a medição da temperatura pelo termopar é precisa. Use apenas termopares validados para as etapas seguintes.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Realizar medições termopares na faixa de temperatura de interesse no mesmo ponto de objeto (várias vezes por razões estatísticas), em seguida, em pontos espacialmente vários pontos aleatórios (por razões estatísticas) para obter perfis de temperatura-tempo.</li>
	</ol></li>
	<li>Determine a temperatura do objeto de termografia não corrigida local sob os termopares a partir das medidas termopar a partir da etapa 2.2.3 enquanto coloca o termopar na parte superior do objeto.<ol>
<li>Verifique se há uma possível queda de temperatura local ao redor do termopar de contato (devido à dissipação de calor e sombreamento). Assuma a temperatura nas proximidades do termopar como a temperatura do objeto diretamente sob o termopar, se uma queda de temperatura local não estiver presente.</li>
		<li>Execute as seguintes etapas se houver uma queda de temperatura local.<ol>
<li>Determine o gradiente de temperatura espacial da atual queda de temperatura na parte que não está coberta pelo termopar. NOTA: Recomenda-se determinar o gradiente em vários pontos ao redor da queda de temperatura (radialmente) e determinar um gradiente médio.</li>
			<li>Estime a contribuição de possíveis artefatos ópticos induzidos pelo termopar (exemplo de protocolo para um caso em que a temperatura homogênea ao longo da direção de profundidade celular é assumida, como em células solares si).<ol>
<li>Coloque o termopar na superfície oposto à superfície medida e repita a medida termopar e a termórica nesta configuração (como mostrado na Figura 3A). Gire o objeto, incluindo o termopar, ao redor para que o termopar não esteja no caminho óptico entre a câmera e o objeto. NOTA: Se o gradiente da queda de temperatura local for o mesmo para o termopar estar dentro e fora do caminho óptico (ou seja, ligado à superfície medida ou oposta), é um sinal de que o termopar provavelmente não induz artefatos ópticos.</li>
				<li>Extrapolar o gradiente da queda de temperatura no caso do termopar entrar em contato com a superfície medida (ou seja, dentro do caminho óptico) para a área coberta pelo termopar para obter a temperatura do objeto sob o termopar.</li>
				<li>Repita 2.3.2.2.2 para cada medição da etapa 2.2.3.</li>
			</ol>
</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Alternativa a 2.3: Determine a temperatura do objeto de termografia não corrigida local sob os termopares a partir das medidas do termopar a partir da etapa 2.2.3 enquanto coloca o termopar no lado inferior do objeto. Para determinar a temperatura das células solares termográficas locais sob o termopar, extraia a temperatura local na posição do termopar. NOTA: Manter o termopar no lado traseiro impede que o termopar bloqueie a visão do objeto pela câmera. Portanto, por um lado, a correção da temperatura é significativamente mais simples. Por outro lado, os termopares geralmente não estão posicionados no lado inferior do objeto durante o processo de disparo, podendo levar a complicações operacionais, razão pela qual essa alternativa precisa ser realizada com cuidado extra.</li>
	<li>Corrija a imagem termografia não corrigida em relação às temperaturas medidas do termopar com os dados gerados a partir das etapas 2.3 ou 2.4.<ol>
<li>Plote as temperaturas medidas através de termospetos contra as temperaturas determinadas através da termografia ir não corrigida. Conduza um encaixe de curva.</li>
		<li>Aplique o ajuste de curva obtido como uma fórmula de correção global uniforme geral para a imagem termografia não corrigida.</li>
	</ol></li>
	<li>Repita a correção de temperatura para cada novo tipo ou configuração do objeto, especialmente quando os parâmetros ópticos diferem.</li>
</ol>3. Avaliação da distribuição da temperatura da superfície espacial via termografia do IR
NOTA: As condições de disparo são consideradas idênticas para esta seção.
<ol><li>Criação de um mapa de distribuição de temperatura máxima bidimensional (ver Figura 4A)<ol>
<li>Escreva um script com uma linguagem de programação apropriada para rastrear a temperatura do objeto superficial para cada ponto de superfície do objeto ao longo de toda a câmera FOV, ou seja, agindo como um "termopar virtual" colocado em todos os pontos do objeto simultaneamente. NOTA: Aqui, o script está escrito no MATLAB.</li>
		<li>Extrair o valor máximo, ou seja, a temperatura máxima, para cada ponto do objeto e plotar essas temperaturas em um mapa de distribuição 2D correspondente.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Distribuição média de temperatura e perpendicular à direção de rendimento do objeto (ver Figura 4B)<ol>
<li>Na direção de rendimento: média da distribuição de temperatura 2D na dimensão oposta à direção de rendimento. O que resta é a distribuição média de temperatura 1D na direção de rendimento.</li>
		<li>Perpendicular à direção de rendimento: média da distribuição de temperatura 2D na dimensão que está na direção de throughput. O que resta é a distribuição média de temperatura 1D perpendicular à direção de rendimento. NOTA: Recomenda-se deixar de fora o último centímetro (pelo menos) da borda para a média, uma vez que artefatos ópticos na borda do objeto podem falsificar a média de temperatura resultante.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aXu%2C+J+%22Conveyor+Belt+Furnace+Thermal+Processing%22">Conveyor Belt Furnace Thermal Processing</a>. , Springer. Heidelberg, Germany. (2018).</li>
<li>Breitenstein, O., Warta, M. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBreitenstein%2C+O+%22Langenkamp+Lock-in+Thermography%3A+Basics+and+Use+for+Evaluating+Electronic+Devices+and+Materials%22">Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials</a>. , Springer. Heidelberg, Germany. (2010).</li>
<li>Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+and+Simulation+of+Emissivity+of+Silicon-Related+Materials+and+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electronic+Materials%22%5BJournal%5D)">Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures.</a> Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).</li>
<li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Solar+Wafer+Temperature+Measurement+during+Firing+Process+via+Inline+IR+Thermography%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+Status+Solidi+%28RRL%29+-+Rapid+Research+Letters%22%5BJournal%5D)">In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography.</a> Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270(2019).</li>
<li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+wafer+temperature+measurement+during+firing+process+via+inline+infrared+thermography%5BTitle%5D)+AND+%22AIP+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography.</a> AIP Conference Proceedings. 2156, 020013(2019).</li>
<li>Cooper, I. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+and+Use+of+IR+Belt+Furnace+for+Rapid+Thermal+Firing+of+Screen-Printed+Contacts+to+Si+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Letters%22%5BJournal%5D)">Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).</li>
<li>Schubert, G., Huster, F., Fath, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+understanding+of+printed+thick-film+front+contacts+of+crystalline+Si+solar+cells-Review+of+existing+models+and+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).</li>
<li>Rauer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aluminum+Alloying+in+Local+Contact+Areas+on+Dielectrically+Passivated+Rear+Surfaces+of+Silicon+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Letters%22%5BJournal%5D)">Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).</li>
<li>Pawlik, M., Vilcot, J. -P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+of+the+firing+step+on+Al+2+O+3+passivation+on+p-type+Czochralski+Si+wafers%3A+Electrical+and+chemical+approaches%5BTitle%5D)+AND+%22Japanese+Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21(2015).</li>
<li>Lee, B. J., Zhang, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RAD-PRO%3A+Effective+Software+for+Modeling+Radiative+Properties+in+Rapid+Thermal+Processing%5BTitle%5D)+AND+%222005+13th+International+Conference+on+Advanced+Thermal+Processing+of+Semiconductors%22%5BJournal%5D)">RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing.</a> 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , Santa Barbara, CA. (2005).</li>
<li>Temperature Measurements. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://meettechniek.info/measuring/temperature.html">https://meettechniek.info/measuring/temperature.html</a> (2020).</li>
<li>Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((22.8%25+efficient+silicon+solar+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">22.8% efficient silicon solar cell.</a> Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).</li>
<li>Dullweber, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PERC%2B%3A+industrial+PERC+solar+cells+with+rear+Al+grid+enabling+bifaciality+and+reduced+Al+paste+consumption%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%3A+Research+and+Applications%22%5BJournal%5D)">PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).</li>
<li>Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+burnout+phase+of+the+contact+firing+process+for+industrial+PERC%5BTitle%5D)+AND+%22AIP+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC.</a> AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015(2019).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Comumente, a temperatura da termografia é corrigida através da medição e adaptação dos parâmetros ópticos do objeto, janela e caminho transmissivos e temperatura ambiental do objeto e janela transmissiva2. Como método alternativo, uma técnica de correção de temperatura baseada em medidas termoparentais é descrita neste protocolo. Para este último método, não é necessário conhecimento dos parâmetros mencionados acima. Para a aplicação aqui mostrada, este método é suficiente. No entanto, não se pode...

O controle de processos e a garantia de qualidade dos objetos processados nos fornos da correiatransportadora 1 são importantes e realizados medindo a temperatura da superfície do objeto. Atualmente, a temperatura é tipicamente medida por um termopar1. Como as medidas termoparentas requerem contato com o objeto, os termopares inevitavelmente danificam o objeto. Portanto, é comum escolher amostras representativas de um lote para medições de temperatura, que não são processadas mais uma vez que ficam danificadas. As temperaturas medidas desses objetos danificados são então generalizadas para as amostras restantes do lote, que são processadas posteriormente. Assim, a produção deve ser interrompida para medições termoparesas. Além disso, o contato é local, precisa ser reajustado após cada medição, e influencia a temperatura local.
A termografia infravermelha (IR)2 tem uma série de vantagens sobre as medições clássicas do termopar e representa um método de medição de temperatura sem contato, in situ, em tempo real, economia de tempo e espacialmente resolvido. Utilizando este método, cada amostra do lote, incluindo as que são processadas, pode ser medida sem interromper a produção. Além disso, a distribuição da temperatura da superfície pode ser medida, o que fornece uma visão da homogeneidade da temperatura durante o processo. O recurso em tempo real permite a correção das configurações de temperatura em tempo real. Até agora, as possíveis razões para não usar a termografia de IR em fornos de correia transportadora são 1) parâmetros ópticos desconhecidos de objetos quentes(especialmentepara não metálicos 3 ) e 2) radiação ambiental parasitária no forno (ou seja, radiação refletida detectada pela câmera IR, além da radiação emitida do objeto), o que leva à falsa saída de temperatura2.
Aqui, como exemplo representativo de prova de conceito da termografia de IR em um forno de correia transportadora, instalamos com sucesso um sistema de termografia inline em um forno de disparo solar movido a lâmpada IR(Figura 1),que é usado durante o processo de disparo de contato das células solares Si industriais(Figura 2A,B)4,5. O processo de disparo é um passo crucial no final da produção industrial de células solares6. Durante esta etapa, os contatos da célula são formados7,,8, e a passivação da superfície é ativada9. Para alcançar este último com sucesso, o perfil de temperatura de tempo durante o processo de disparo (Figura 2C) deve ser realizado com precisão. Portanto, é necessário um controle de temperatura suficiente e eficiente. Este protocolo descreve como instalar uma câmera IR em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e avaliar a distribuição da temperatura da superfície espacial de um objeto alvo.

<table><tbody><tr><td>Datalogger incl. Barreira térmica</td><td>Datapaq Ltd.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Câmera termográfica IR "Image IR 8300"</td><td>InfraTec GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software de termografia IR "IRBIS Professional 3.1"</td><td>InfraTec GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Células solares</td><td>Fraunhofer ISE</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Forno de queima solar "RFS 250 Plus"</td><td>Rehm Thermal Systems GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Termopares de bainha tipo K</td><td>TMH GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Termopar quartzframe</td><td>Heraeus Noblelight GmbH</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

em situ surface temperature measurement em um forno de correia transportadora através de termografia infravermelha inline

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

Medir a temperatura superficial dos objetos que são processados em fornos de correia transportadora é uma ferramenta importante no controle de processos e garantia de qualidade. Atualmente, a temperatura superficial dos objetos processados em fornos de correia transportadora é tipicamente medida através de termopares. No entanto, a termografia infravermelha (IR) apresenta múltiplas vantagens em comparação com as medidas termoparentais, pois é um método sem contato, em tempo real e espacialmente resolvido. Aqui, como exemplo representativo de prova de conceito, um sistema de termografia inline é instalado com sucesso em um forno de disparo solar alimentado por lâmpadas IR, que é usado para o processo de disparo de contato de células solares Si industriais. Este protocolo descreve como instalar uma câmera IR em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e realizar a avaliação da distribuição de temperatura da superfície espacial em um objeto alvo.

Como mostrado na Figura 3B−D, o objeto de exemplo (aqui, uma célula solar de silício; estritamente falando, um emissor passivado e célula traseira [PERC]12; Figura 2A,B) pode ser claramente detectada pela câmera IR em diferentes configurações4. As diferentes configurações são monofacialmente metalizadas(Figura 3B),amostras de PERC metalizadas bifacital...

Este protocolo descreve como instalar uma câmera infravermelha em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e avaliar a distribuição da temperatura da superfície espacial de um objeto de interesse. Os objetos de exemplo são células solares de silício industriais.

Em Situ Surface Temperature Measurement em um forno de correia transportadora através de Termografia Infravermelha Inline

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

Como é crucial medir a temperatura dos objetos processados em fornos inline, aqui apresentamos a termografia inline como uma alternativa promissora às medições clássicas de temperatura por termopares. Os termopares danificam o objeto, medem a temperatura localmente e requerem uma interrupção da produção. Nossa câmera de termografia inline, no entanto, mede a temperatura do objeto de uma maneira sem contato, em tempo real, espacialmente resolvida.Usamos fornos inline para disparar de células solares de silício. Por isso, instalamos uma câmera de termografia em nossa fornalha para investigar essas vantagens. Selecione uma câmera com uma faixa de comprimento de onda de detecção que corresponda à faixa de comprimento de onda da maior emissão do objeto de interesse na faixa de temperatura de interesse tanto quanto possível.Para instalar a câmera fora da câmara do forno, remova a parede do forno e o isolamento no local onde o caminho óptico deve ser localizado, evitando objetos perturbadores, como lâmpadas infravermelhas, no caminho óptico. Feche o orifício com uma janela que isola a câmara do forno termicamente, sendo o mais transparente possível para o alcance do comprimento de onda de

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