Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

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 me...

<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>

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. ...

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 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

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 metalizada...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

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

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 detecção da câmera. Em seguida, coloque a câmera acima das janelas para que a câmera tenha um visual no cinto móvel.Evite o máximo possível de detecção de radiação parasitária pela câmera, evitando objetos próximos que emitem ou refletem radiação no alcance de comprimento de onda de detecção da câmera. Em seguida, examine a imagem da termografia através do software da câmera infravermelha para verificar o campo de visão resultante da câmera. Para uma correção de temperatura do cliente para células solares de Silício, primeiro verifique a célula solar em busca de artefatos ópticos locais.Como a correção da temperatura é baseada em termopares, para verificar a validade do termopar, monte o termopar no lado de alumínio traseiro do wafer e meça o perfil de temperatura do tempo para um processo de disparo padrão. Se o perfil de temperatura do tempo mostrar uma interrupção na forma de uma curva mais plana na temperatura eutectica de silício de alumínio de 577 graus Celsius, o termopar é provavelmente corretamente calibrado. Realize medições termopares com o termopar validado montado na parte traseira da célula solar e grave o wafer com a câmera infravermelha.Realize múltiplas medições termopares na faixa de temperatura de interesse no mesmo ponto do objeto e em pontos de objetos aleatórios espacialmente para obter perfis de temperatura de tempo estatisticamente significativos. Para determinar a temperatura das células solares termográficas locais sob o termopar, extraia a temperatura local na posição do termopar. Registre as temperaturas medidas através de termoscopes contra as temperaturas determinadas através da termografia infravermelha não corrigida, e obtenha uma curva fit como uma fórmula geral uniforme de correção global para a imagem termografia não corrigida.Em seguida, use esses dados de ajuste de curva para corrigir a imagem termografia não corrigida globalmente. Para criar um mapa de distribuição de temperatura máxima bidimensional, escreva um script em uma linguagem de programação apropriada para rastrear a temperatura da superfície para o ponto de superfície de cada objeto ao longo de todo o campo de visão da câmera para agir como um termopar virtual colocado em todos os pontos de wafer simultaneamente. Em seguida, extrair o valor de temperatura máxima para cada ponto e traçar essas temperaturas em um mapa de distribuição 2D correspondente.Para realizar uma distribuição média de temperatura na direção de rendimento, a média é a distribuição de temperatura 2D na dimensão perpendicular à direção de throughput. Para realizar uma distribuição média de temperatura perpendicular à direção de rendimento, a média é a distribuição de temperatura 2D na dimensão na direção de throughput. Como demonstrado nesta figura, a temperatura corrigida desta célula solar de Silício pode ser claramente detectada pela câmera infravermelha em diferentes configurações.Amostras de vantagens monofacialmente metalizadas, bifacialmente metalizadas e não metalizadas. Nestas análises, a faixa de temperatura de interesse assemelhava-se à faixa de temperatura máxima típica do processo de disparo. Como observado nesta imagem, o termopar de contato na parte traseira da célula solar faz com que uma queda de temperatura em torno de si mesma, provavelmente devido à dissipação de calor e sombreamento.Esta última gota é importante para estimar a temperatura da célula durante o disparo sem termoscouples, em comparação com a temperatura medida pelo termopar, como para esta célula posicionada em um quadro quando contatada por um termopar. Se colocada diretamente na correia, a câmera infravermelha permite a observação da dissipação de calor local das células pela correia transportadora. Esta imagem mostra uma distribuição representativa de temperatura máxima de células solares espaciais bidimensionais, e a distribuição média deduzida na direção de transporte e perpendicular à direção do transporte.Como usamos fornos inline para disparar contato de células solares de silício, instalamos uma câmera infravermelha em nosso forno para criar uma aplicação de termografia inovadora. A obtenção de distribuições de temperatura máxima espacialmente resolvidas durante o processo de disparo permite a investigação de correlações de distribuição de temperatura aos parâmetros espacialmente resolvidos das células solares que são significativamente efetuados pelo disparo.

Research

JoVE Journal

Engineering

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering de fibra chalcogenide para Geração supercontinuum infravermelho médio

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

Engenharia

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Métodos experimentais avançados para baixa temperatura Magnetotransporte Medição de novos materiais

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

A medição da pressão de superfície instável Usando um microfone sonda remota

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

Recombinação Dynamics em Thin-film materiais fotovoltaicos via Condutividade Microondas resolvida no tempo

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

Fabricação de alta temperatura de nanoestruturado ria-Stabilized Zirconia-Scaffolds (ZEI) pela<em&gt; In Situ</em&gt; Carbono Templating xerogéis

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

Comportamento de antipreparação adesão e alta temperatura de uma superfície escorregadia em aço inoxidável

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Geração de tamanho controlado poli (etileno glicol) Diacrylate gotículas através de Semi-3-Dimensional Flow focando Microfluidic dispositivos

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

Técnica de medição de temperatura infravermelha para a água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...