Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
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这项工作得到了德国联邦经济事务部在"Feuerdrache"项目（0324205B）中的支持。作者感谢为这项工作做出贡献的同事和项目合作伙伴（InfraTec、Rehm 热力系统、贺利氏贵族灯、Trumpf 光子组件）共同资助和提供出色的支持。

1. 将红外摄像机安装到传送带炉中
<ol><li>确定应用红外摄像机测量炉子的哪个部分。 注：此处选择射击过程的峰值区域（参见图 1 A 射击区域中的 橙色突出显示区域）。</li>
	<li>定义红外摄像机应检测到的温度范围（例如，700~900 °C，点火过程的典型峰值温度范围）。</li>
	<li>确定或至少估计（通过实验或文献），感兴趣的物体（如硅太阳能电池）的温度、?...

<ol>
	<li>Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).</li><li>Breitenstein, O., Warta, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+Simulation+of+Emissivity+of+Silicon-Related+Materials+and+Structures.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Solar+Wafer+Temperature+Measurement+during+Firing+Process+via+Inline+IR+Thermography.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+wafer+temperature+measurement+during+firing+process+via+inline+infrared+thermography.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+Use+of+IR+Belt+Furnace+for+Rapid+Thermal+Firing+of+Screen-Printed+Contacts+to+Si+Solar+Cells.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+understanding+of+printed+thick-film+front+contacts+of+crystalline+Si+solar+cells-Review+of+existing+models+and+recent+developments.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aluminum+Alloying+in+Local+Contact+Areas+on+Dielectrically+Passivated+Rear+Surfaces+of+Silicon+Solar+Cells.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+firing+step+on+Al+2+O+3+passivation+on+p-type+Czochralski+Si+wafers:+Electrical+and+chemical+approaches.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RAD-PRO:+Effective+Software+for+Modeling+Radiative+Properties+in+Rapid+Thermal+Processing.">RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing.</a> 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=22.8%+efficient+silicon+solar+cell.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PERC+:+industrial+PERC+solar+cells+with+rear+Al+grid+enabling+bifaciality+and+reduced+Al+paste+consumption.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+burnout+phase+of+the+contact+firing+process+for+industrial+PERC.">Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC.</a> AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).</li></ol>

通常，通过测量和调整物体的光学参数、透射窗口和路径以及物体的环境温度和透射窗口2来校正热成像温度。作为替代方法，本协议介绍了一种基于热电偶测量的温度校正技术。对于后一种方法，不需要了解上述参数。对于此处显示的应用程序，此方法就足够了。但是，无法保证热电偶方法足以满足输送带炉中的所有热成像应用。
在协议中，对热成像图像?...

输送带1中处理物体的过程控制和质量保证，通过 测量物体的表面温度，是十分重要的。目前，温度通常由热电偶1测量。由于热电偶测量需要与物体接触，热电偶不可避免地会损坏物体。因此，通常选择一批具有代表性的样品进行温度测量，因为温度测量损坏后不再进行进一步处理。然后，这些受损物体的测量温度将推广到批次中剩余的样品，这些样品将进一步处理。因此，热电偶测量必须中断生产。此外，接触是局部的，每次测量后需要重新调整，并影响当地温度。
与传统的热电偶测量相比，红外 （IR） 热成像 2 具有许多优势，它代表了一种非接触式、就地、实时、省时和空间解析的温度测量方法。使用此方法，可以在不中断生产的情况下测量批次的每个样本，包括进一步处理的样品。此外，还可以测量表面温度分布，从而深入了解过程中的温度均匀性。实时功能允许实时校正温度设置。到目前为止，在传送带炉中不使用红外热成像的可能原因是 1） 未知光学参数的热物体（特别是非金属3）和 2） 在熔炉中寄生环境辐射（即红外摄像机检测到的反射辐射以及物体发射的辐射），导致错误温度输出2。
在这里，作为输送带炉中红外热成像的代表性概念验证示例，我们成功地将一个内联热成像系统安装到红外灯供电的太阳能燃烧炉（图1），用于工业Si太阳能电池的接触燃烧过程（图2A，B）4，5。4,5A,B发射过程是工业太阳能电池生产结束的关键一步。在此步骤中，细胞的触点形成7,7，8，表面钝化被激活9。要成功实现后者，必须准确实现发射过程中的时间温度剖面（图2C）。因此，需要充分和有效的温度控制。该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，并评估目标物体的空间表面温度分布。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:665px;" width="665">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Datalogger incl. Thermal barrier</td>
			<td style="width:121px;">Datapaq Ltd.</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography camera &#34;Image IR 8300&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography software &#34;IRBIS Professional 3.1&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Solar cells</td>
			<td style="width:121px;">Fraunhofer ISE</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Solar firing furnace &#34;RFS 250 Plus&#34;</td>
			<td style="width:121px;">Rehm Thermal Systems GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sheath thermocouples type K</td>
			<td style="width:121px;">TMH GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Thermocouple quartzframe</td>
			<td style="width:121px;">Heraeus Noblelight GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography

测量输送带炉中加工物体的表面温度是过程控制和质量保证的重要工具。目前，输送带炉中加工的物体的表面温度通常通过热电偶测量。然而，与热电偶测量相比，红外 （IR） 热成像具有多种优势，因为它是一种非接触式、实时和空间解析方法。在这里，作为一个具有代表性的概念验证的例子，一个内联热成像系统成功地安装在IR灯供电的太阳能发射炉，用于工业Si太阳能电池的接触发射过程。该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，以及对目标物体的空间表面温度分布进行评估。

如图3 Figure 3B+D所示，示例对象（此处为硅太阳能电池;严格地说，钝化发射器和后电池 [PERC]12;图2A，B） 可由红外摄像机在不同配置4中清晰检测。不同的配置是单面金属化（图3B），双面金属化13（图3C）和非金属性 PERC 样品（<str...

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

该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，并评估感兴趣的物体的空间表面温度分布。示例对象是工业硅太阳能电池。

通过内联红外热成像在输送带炉中的原点表面温度测量

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

由于测量内联炉中处理物体的温度至关重要，因此，我们在此介绍内联热成像学是热电偶经典温度测量的有希望的替代方案。热电偶损坏物体，测量局部温度，并要求生产中断。然而，我们的内联热成像摄像机以非接触式、实时、空间解析的方式测量物体温度。我们使用内联炉进行硅太阳能电池的接触式发射。因此，我们在熔炉中安装了热成像摄像机，以研究这些优点。选择具有检测波长范围的摄像机，该摄像机尽可能与感兴趣的温度范围内感兴趣的物体的最高发射对象的波长范围相匹配。要将摄像机安装在炉室外，请拆下炉壁，并在光路应位于的位置隔离，避免在光路中干扰物体（如红外线灯）。用一个窗口关闭孔，该窗口以热方式隔离炉室，同时尽可能透明地测量摄像机的波长范围。然后，将相机放在车窗上方，以便摄像机在移动皮带上具有视觉对象。避免相机在摄像机的检测波长范围内发出或反射辐射的附近物体，从而尽可能避免寄生辐射检测。然后，通过红外摄像机软件检查热成像图像，以检查摄像机的结果视野。对于硅太阳能电池的客户温度校正，首先检查太阳能电池中是否本地光学伪影。由于温度校正基于热电偶，为了检查热电偶的有效性，请将热电偶安装在晶圆的后铝侧，并测量标准点火过程的时间温度轮廓。如果时间温度剖面显示铝硅温度为 577 摄氏度时，以平坦曲线的形式出现中断，则热电偶很可能被正确校准。使用安装在太阳能电池后侧的经过验证的热电偶进行热电偶测量，然后使用红外摄像机记录晶圆。在同一对象点和空间上不同的随机对象点的温度范围内进行多次热电偶测量，以获得具有统计显著性的时间温度剖面。要确定热电偶下局部未校正的热成像太阳能电池温度，请提取热电偶位置的局部温度。通过未校正的红外热成像，通过热电偶对照确定的温度记录测量温度，并获取曲线拟合，作为未校正热成像图像的通用均匀全局校正公式。然后使用此曲线拟合数据全局校正未校正的热成像图像。要创建二维峰值温度分布图，请用适当的编程语言编写脚本，沿整个摄像机视场跟踪每个物体表面点的表面温度，以充当同时放置在所有晶圆点的虚拟热电偶。然后，提取每个点的峰值温度值，并在相应的 2D 分布图中绘制这些温度。要按吞吐量方向执行平均温度分布，请对垂直于吞吐量方向的维度中的 2D 温度分布进行平均。要执行垂直于吞吐量方向的平均值温度分布，请将吞吐量方向的维度中的 2D 温度分布平均。如图所示，红外摄像机可以清楚地检测到不同配置的硅太阳能电池的校正温度。单面金属化、双面金属化和非金属化的 perk 样品。在这些分析中，感兴趣的温度范围类似于点火过程的典型峰值温度范围。如此图像所示，太阳能电池后侧的接触热电偶会导致周围温度下降，很可能是由于散热和阴影。与热电偶测量的温度相比，后一种下降对于估计无热电偶发射期间的电池温度非常重要，如热电偶接触时，该电池定位在框架上。如果直接放置在传送带上，红外摄像机允许通过传送带观察电池的局部散热。此图显示了具有代表性的二维空间太阳能电池峰值温度分布，以及推导的平均分布在和垂直于传输方向。当我们使用内联炉接触发射硅太阳能电池时，我们在熔炉中安装了红外摄像机，以创造创新的热成像应用。在发射过程中获得空间解析的峰值温度分布，可以调查温度分布与空间解析的太阳能电池参数的相关性，而发射对它们的影响很大。

Research

JoVE Journal

Engineering

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