对涂覆基底的重量的基于x射线的测定的制作方法

所公开的实施方案涉及用于测量涂覆基底诸如涂覆膜或涂覆片的重量的装置。

背景技术：

涂覆陶瓷的聚乙烯(pe)或聚丙烯(pp)隔板膜为锂离子电池(lib)的性能的重要组件。隔板膜提供在阴极与阳极之间的离子可渗透屏障。这些膜是多孔的，并且如果未涂覆的话，则通常在约120℃的温度下开始降解，从而导致lib短路并因此失效。已知在膜上施加的陶瓷涂层(例如，al2o3)有助于将隔板的温度稳定性提高到高达约200℃。在高温下，涂覆隔板变得不可渗透，这妨碍了它们的操作，但这也防止了热失控事件。

技术实现要素：

提供本发明内容以介绍简化形式的公开概念的简要选择，其在下文包括所提供附图的具体实施方式中被进一步描述。该发明内容不旨在限制所要求保护的主题的范围。

本发明所公开的方面认识到，对于涂覆基底，诸如对于用于lib(锂离子电池)的涂覆隔板膜，每单位面积的在线重量测量是期望的质量控制测量。涂覆基底的常规重量感测是复杂的，因为它需要表征具有公知且均匀的膜和涂层厚度的许多校准样本。

本发明所公开的方面包括一种测量装置，该测量装置用于通过包括x射线传感器和第二传感器来测定涂覆基底的片材料上的至少涂层材料的每单位面积的重量，该x射线传感器提供测量的x射线信号值，该第二传感器包括提供第二传感器信号的β计量器或红外(ir)传感器，该第二传感器信号包含用于测定涂覆基底的每单位面积的总组合重量或片材料的每单位面积的重量的数据。测量装置实现本发明所公开的基于x射线的计算，该基于x射线的计算利用涂层材料和基底的吸收系数、测量的x射线信号值、x射线光谱和可由第二传感器直接测定的重量测量，或者计算系统本身也可在提供第二传感器信号时测定重量测量。当在本文中提及时，涂覆基底的基底本身通常被称为“片材料”。

使用由第二传感器直接提供或由第二传感器信号间接提供的重量测量允许本发明所公开的基于x射线的计算提供涂层材料的单位面积的重量和片材料的单位面积的重量中的至少一者，这使得能够提供片材料的单位面积的重量和涂层材料的单位面积的重量的完整测定。当第二传感器包括β计量器时，该β计量器提供第二传感器信号，该第二传感器信号包括用于获得涂覆基底的总重量(片材料的重量加上涂层材料的重量)的数据。涂覆基底的该总重量用于在数学上约束本发明所公开的基于x射线的计算。

当第二传感器包括ir传感器时，第二传感器信号包括用于获得仅片材料的每单位面积的重量的数据，该片材料通常包括聚合物。然后使用该片材料的每单位面积的重量测量结果在数学上约束基于x射线的计算，以使人们能够测定涂层材料的每单位面积的重量，并且因此测定涂覆基底的每单位面积的总重量，因为涂覆基底的每单位面积的总重量显然等于涂层材料的每单位面积的重量和片材料的每单位面积的总和。本发明所公开的基于x射线计算的方法避免了对如上所述正确制备许多校准样本的常规困难的需要。

附图说明

图1为包括x射线传感器和第二传感器的示例性测量装置的图示，该第二传感器包括β计量器或ir传感器以用于同时计算涂层材料的每单位面积的重量和片材料的每单位面积的重量。

图2示出了对于示出为pp(聚丙烯)和氧化铝的两种不同材料的x射线吸收系数相对于x射线能量(单位为kev)的示例性曲线图。

具体实施方式

参考附图描述了公开的实施方案，其中在所有附图中使用相同的附图标号来表示类似或等同元件。附图未按比例绘制，并且其仅提供用于说明某些公开的方面。下面参考用于说明的示例性应用来描述若干公开的方面。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开实施方案的完全理解。

β计量器主要测量在片材料上包括涂层材料的涂覆基底的总重量(或质量)，其中用于lib的涂层材料通常包括高z涂层，诸如氧化铝。通常在涂层180b中的高z材料在本文中被限定为具有至少一种原子种类，所述至少一种原子种类具有至少是原子序数为13的铝的原子序数。

x射线传感器的响应在很大程度上取决于涂覆基底中元素的原子序数，这意味着在高z涂层(通常为高z陶瓷涂层)的情况下，其将主要对涂层材料敏感。已经认识到，可以非常高的准确度预测x射线传感器的响应(包括对穿过涂覆基底的x射线的响应)，使得x射线传感器不需要校准。还认识到，在片材料诸如聚合物上包括涂层材料的涂覆基底中的相应材料具有不同的x射线吸收光谱。如本文所公开，可通过了解涂层材料的组成计算x射线传感器的响应，而无需任何上述常规校准，对于lib而言该涂层材料通常为氧化铝(al2o3)。本发明所公开的基于x射线的计算依赖于对x射线传感器所产生的x射线波长的深入了解，以及通常公开可获得的涂层材料和片材料的吸收系数的数据库。

本发明所公开的方法通常从针对所使用的特定类型的x射线管以及所使用的特定高压操作条件而计算的x射线光谱开始。可以假设涂层材料180b和片材料180a具有一些初始厚度。然后基于传输能量分布计算预测的x射线信号值，以用于与测量的x射线信号值进行比较。然后通常迭代相应层(涂层材料和片材料)的重量(每单位面积)值，直到预测的x射线信号充分紧密地匹配测量的x射线信号值。数学卡方最小化技术可用于加速上述迭代计算过程。

根据迭代约束的基于x射线的计算进行的方法可通过以涂覆基底180的每单位面积的初始重量开始，然后计算预测的x射线信号值自动进行，该预测的x射线信号值利用涂层材料和片材料的吸收系数、x射线光谱以及涂层材料的组成。然后，在预测的x射线信号值相对于测量的x射线信号值过低的情况下，对预测的x射线信号值的这种计算向上调整涂覆基底180的每单位面积的重量，或者在预测的x射线信号值相对于测量的x射线信号值过高的情况下向下调整涂覆基底180的每单位面积的重量，并且然后重新计算更新的预测x射线信号值。然后重复对涂覆基底的每单位面积的重量的调整，直到测定最终更新的预测x射线信号值与测量的x射线传感器值充分匹配。

上述基于x射线的计算过程可存在至少一个复杂因素。一个复杂因素可能是所测量的x射线信号值仅提供片材料(通常为塑料)和涂层材料(例如，高z涂层)的组合响应。仅从测量的x射线信号值无法辨别涂覆基底(涂层材料和片材料)是包括30克/平方米(gsm)塑料和5gsm氧化铝，还是包括50gsm塑料和2gsm氧化铝。如上所述，包括β计量器或ir传感器的第二传感器120提供用于获得涂覆基底的重量测量的数据，该重量测量包括约束基于x射线的计算过程的涂覆基底的每单位面积的总重量或片材料的每单位面积的总重量。在数学上包括该重量测量作为导致一组独特的重量测量结果的迭代过程中的约束。在上述示例中，总重量分别为35gsm和52gsm，它们各自产生如β计量器或ir传感器所见显著不同的响应。

第二个可能的复杂因素可以是x射线管光谱、吸收系数(例如，来自公共国家标准和技术协会(nist)数据库)和x射线检测器特性的模型的组合不确定度可能导致特定用户应用的准确度不足。在这种情况下，可使用“校准片”。在涂层材料包含氧化铝的情况下，校准片可包含纯铝或除氧化铝之外的另一种材料，但通常为基重已知(具有高准确度)的非常薄的材料。该校准片通常不是与涂层材料相同的材料(例如，铝对氧化铝)，但是可以使用计算来补偿该材料差异，而不需要任何现场校准。可在组装x射线传感器之后测量该校准片，并且施加可用于确保模型提供令人满意的答案的任何校正。

本发明所公开的基于x射线的计算是计算密集型的，但却并不复杂，并且通常可以由适当的计算设备诸如在一些可通过商购获得的扫描仪系统上可用的个人计算机(pc)来执行。图1是本发明所公开的示例性测量装置100的图示，其中示为180的涂覆基底被示出为包括片材料180a上的涂层材料180b，该涂层材料可包括高z材料。

如上所述的片材料180a可以包括聚合物或聚合物层(例如，聚乙烯(pe)或pp)。涂层材料180b可以包括陶瓷材料，诸如al2o3、sio2或zro2的颗粒。涂层材料180b通常是不仅由高z陶瓷颗粒构成的层，而且通常还可包括粘结剂材料。

测量装置100被配置为计算至少涂覆基底180的涂层材料的每单位面积的重量。如上所述，另一个相关的个体重量是片材料180a的每单位面积的重量。如上所述，由于涂覆基底180的每单位面积的总重量等于其涂层材料180b和片材料180a组分的重量之和，因此这3个重量中的任何一个可由其他2个重量测定。

扫描器头160包括顶部扫描器头160a和底部扫描器头160b，该扫描器头在其中具有两个传感器，这些传感器中的一个是x射线传感器110以及包括ir传感器或β计量器的第二传感器120。如图所示，示出为tx110a和tx120a的发射器在顶部扫描器头160a中，并且示出为rx110b和rx120b的接收器在底部扫描器头160b中。在扫描头160a、160b内部，相应传感器110、120沿着可以平行于纵向(md)或沿横向(cd)取向的线安装。扫描器头160a、160b可以在涂覆基底180(有时称为幅材)上扫描，以形成在扫描器头160a、160b之间移动的涂覆基底180的表示。扫描器头160的位置的控制是众所周知的。扫描器头160可以在涂覆基底180的部分宽度或整个宽度上方扫描。

本领域中已知的β计量器是用于基于材料对β射线的吸收来测量材料的厚度或重量的设备，β射线是由某些放射性材料的放射性衰变发出的快速移动电子。β计量器包括β射线辐射源(诸如kr-85、sr-90或pm-147)，并且是具有相对于β射线源定位在涂覆基底180的相对侧上的辐射检测器(或接收器)的基于传输的传感器，该辐射检测器(或接收器)示出为rx120b，其中β计量器可测量各种材料(诸如塑料、纸和金属及相关联复合材料)的每单位面积的重量。在涂层材料180b已经被施加到片材料180a之后，扫描器头160用于扫描涂覆基底180上方的相应传感器110、120。

x射线传感器110包括：示出为tx110a的x射线源，该x射线源通常包括x射线管，该x射线管具有示出为hvps112的耦接到所述x射线源的高压电源，该x射线源用于以多种能量发射包括x射线的x射线光谱；以及示出为rx110b的射线检测器，该射线检测器用于响应于传输穿过涂覆基底180之后接收到的x射线提供测量的x射线信号值，该涂覆基底包括具有涂层材料180b的片材料180a。x射线光谱通常由特定x射线管在特定高压条件下的物理模型来计算。

在高压(例如，4kv至10kv)下操作的x射线传感器110提供了一种测量的x射线信号值，由于更高的密度和更高的原子序数，该测量的x射线信号值对于涂层材料180b重量的敏感度比对于片材料180a的重量的敏感度高约5至10倍，该片材料在lib的情况下通常是塑料膜。另选地，当第二传感器120包括ir传感器时，ir传感器将提供一种重量测量，该重量测量对于片材料180a重量(例如，包括pe)最敏感，因此通常对于涂层材料180b的重量不敏感。

计算设备150被耦接以从x射线传感器110接收所测量的x射线信号值，并且从第二传感器120接收包括用于获得重量测量的数据的第二传感器信号。计算设备150包括具有相关联的存储器152的处理器151，其中处理器151被配置为实现所公开的基于x射线的计算。基于x射线的计算利用涂层材料180b和片材料180a的吸收系数(作为多种不同材料的x射线能量的函数的吸收系数可得自公共nist数据库)、测量的x射线信号值、x射线光谱和重量测量作为计算约束，以用于计算至少涂层材料的每单位面积的重量。

由包括电子滤波器、模数转换器(adc)和放大器的电子器件(未示出)处理如本领域已知的来自rx110b、120b的测量信号。在由adc处理之后，然后将所得的数字信号传送到计算设备150。

关于本发明所公开的迭代约束的基于x射线的计算方法，可以计算初始(理论的，或如本文所使用的“预测的”)x射线信号值(在本文中称为rt)。该计算使用x射线传感器110的x射线光谱、涂覆基底180的涂层材料180b和片材料180a两者的x射线吸收系数、以及从第二传感器120获得的第二传感器信号(ir传感器信号或β计量器信号)测量的重量。

定量地，rt值可通过使用如下积分方程获得的相应值的比率来计算：

rt＝v^t/vo^t，其中：

以及

在这些积分方程中，i(e)是x射线的能量“e”处的相对x射线管光谱强度，并且emax是由x射线管(tx110a)在由hvps112提供的所施加的高压下输出的最大能量。

具体地讲，用于测定vo^t的第一积分方程中的总和是在不测量片材料时在x射线源与其检测器之间存在的所有那些材料(这些包括空气和接收器窗口)上的总和，μj是材料的吸收系数，并且wj是其重量。在用于测定v^t的第二积分方程中，两种测量的材料(涂层材料和片材料)被加到第2求和的积分中，如下所述。指数吸收项中的附加求和仅包含两种涂覆片组分即本文称为片材料(w1)和涂层材料(w2)的基底的重量和吸收系数：

在第二传感器120包括ir传感器的情况下，ir传感器提供基底的每单位面积的重量(w1)，只剩w2待求解。在第二传感器120包括β计量器的情况下，求和可重写为：

其中β计量器提供涂覆基底180的总重量(wt)，该总重量包括片材料(基底)的重量加上涂层材料的重量，再次只剩下w2待求解。

图2示出了对于以pp和氧化铝作为示例所示的两种不同材料的x射线吸收系数相对于x射线能量(单位为kev)的曲线图。如上所述，可从公共nist数据库获得多种材料(诸如这类材料)的吸收系数数据。可以看出氧化铝在1.6kev左右具有明显的相对吸收峰。

可以应用所公开的实施方案来大体测定任何片材料180a上的任何涂层材料180b的相应重量，例如聚合物基底上的陶瓷涂层。片材料180a还可包括多层的不同聚合物，例如pe/pp/pe、pp/pe/pp、pe/pp/pe/pp/pe。

实施例

可使用“多维最小化算法”诸如levenberg-marquart(lm)算法来执行本发明所公开的约束的基于x射线的重量计算。这些类型的算法可从第二传感器120即β计量器获取涂覆基底180的总重量并获取片材料180a的重量(其小于总重量)，并且计算测量的x射线信号值与预测的x射线信号值之间的差值作为输出，这继而使用那些nist系数、x射线光谱的知识以及涂层材料180b的组成的知识以及从第二传感器120获得的重量。这些算法大致快速收敛于涂层材料180b和片材料180a的每单位面积的最终重量值。

关于使用校准片的参考校准测量，参考校准片样本用于：(a)确认x射线传感器110的准确性，(b)建立真实重量与测量重量之间的简单关系，或者(c)细微地改变输入x射线光谱，使得预测与校准片样本之间的匹配基本上完美。可采用多种方法来增强真实重量和测量重量之间的匹配。校准片样本可引入线性校准系数。另选地，使用校准片的参考校准可用于修改如上所述针对x射线传感器110计算的理论x射线光谱。光子相对数量相对于能量的曲线图的形状将影响x射线传感器的预测，并且因此可以对其进行修改以获得一致。这确认了理论x射线光谱预测不完美的事实。

虽然上面已经描述了各种所公开的实施方案，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。在不脱离本公开的实质或范围的情况下，可根据本公开对本文公开的主题进行许多改变。此外，虽然可使用仅关于若干实现方式中的一者来公开特定特征，但是此类特征可与其他实现方式的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望或有利的那样。