CN107003107A - 位置测量装置及用于确定测量对象的位置的方法 - Google Patents

Abstract

在位置测量装置(5)和用以确定待测对象(3)的位置的方法中，提供至少一个电容式位置测量传感器(7)，以提供关于待测对象(3)的位置测量信号(P_M)，并且提供至少一个电容式基准测量传感器(14)，以提供基准测量信号(R_M)。测量传感器(7、14)连接到计算单元(8)，该计算单元被设计为从位置测量信号(P_M)和基准测量信号(R_M)计算位置信号(P)，以便确定位置。因为干扰信号(S)形式的干扰影响基本上相同程度地包含于位置测量信号(P_M)和基准测量信号(R_M)中，可以在计算中确定干扰信号(S)并消除干扰信号(S)。

Description

位置测量装置及用于确定测量对象的位置的方法

本专利申请要求德国专利申请DE 10 2014 224 221.5的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及位置测量装置和用于确定待测对象的位置的方法。

背景技术

用于确定待测对象的位置的电容式测量传感器是已知的。在借助于电容式测量传感器进行位置测量的情况下，总是需要存在增加测量精度的需求。

发明内容

本发明基于研发一种位置测量装置的目的，该位置测量装置用于确定待测对象的位置。其在确定位置时以简单的方式促进高精度。

该目的借助于具有权利要求1的特征的位置测量装置来实现。根据本发明，鉴于电容式测量传感器的日益小型化(即减小尺寸)，也导致其电容的减小，因此，干扰影响更强烈地包含在位置测量信号中。因为位置测量装置除了至少一个电容式位置测量传感器以外，还包括至少一个电容式基准测量传感器，可以通过计算单元对位置测量信号和基准测量信号进行评估，以识别和消除干扰影响。因此，计算单元计算出的位置信号从很大程度上摆脱了来自位置测量信号和关联的基准测量信号的干扰影响，所述位置信号比受到干扰影响的位置测量信号具有显著更大的精度。特别地，位置测量信号由待计算的位置信号和干扰信号构成，而基准测量信号由预定的基准信号和干扰信号构成。作为示例，干扰信号可以通过减去基准信号从基准测量信号确定，所述干扰信号进而可以从位置测量信号中减去，用以确定位置信号。因为该计算，位置测量信号摆脱了干扰信号，所以待测对象的位置可以从位置信号非常准确地确定。

因为载体由具有极低的热膨胀系数的材料构成，因此温度的变化基本不引起基准距离(从而基准信号)的变化。结果，基准测量传感器具有高漂移稳定度，因此可以产生非常恒定的基准信号。特别地，该材料是玻璃陶瓷材料。作为示例，具有低热膨胀系数的玻璃陶瓷材料是已知的商标ZERODUR或ULE。因此，位置测量装置确保了在确定位置时的高精确度。

如权利要求2所述的位置测量装置，确保了在确定位置过程中的高精度。因为信号线基本上在其整个长度上形成信号电缆，一方面，可以一起屏蔽信号线免受干扰影响，另一方面，干扰影响被同等程度地包含于位置测量信号中和基准测量信号中，使得起因于干扰影响的干扰信号可以从位置测量信号中被很大程度地消除。因此，特别地，可以消除单根信号电缆的电容变化，该变化由例如由扭结(kinking)引起。

如权利要求3所述的位置测量装置，如果位置测量装置包括多个位置测量传感器，则其确保了在确定位置时的高精度。因为专用的基准测量传感器被分配至每个位置测量传感器，前者可能相对于位置测量传感器以理想的方式布置，所以干扰影响通过位置测量传感器和基准测量传感器被同等程度地检测到。相应的位置测量传感器和关联的基准测量传感器可能包括公共测量传感器外壳或两个分别的测量传感器外壳。

如权利要求4所述的位置测量装置，在确定位置时结合相对低的构造成本，确保了高精度。因为多个位置测量传感器被分配到一个基准测量传感器，关联的基准测量传感器可能用于修正所有的位置测量信号。因此，用于分配到基准测量传感器的所有的位置测量传感器的位置信号从位置测量信号和基准测量信号中计算。因此，基准测量传感器的数目得到优化。

如权利要求5所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。因为至少一个基准测量传感器被布置到距关联的至少一个位置测量传感器较小的位置处，干扰影响通过至少一个基准测量传感器和关联的至少一个位置测量传感器被同等程度地检测到，所以在关联的位置信号的随后计算期间，可以很大程度上消除起因于干扰影响的干扰信号。

如权利要求6所述的位置测量装置确保了以简单的方式提供基准测量信号。至少一个基准测量传感器包括第一基准电极和关联的第二基准电极，其中第二基准电极可以实现为基准测量表面。基准电极以彼此之间预定的基准距离布置于载体上。基准距离是基本上不变的。在此，基本上意味着，基准距离的改变只由于干扰或环境影响而发生，例如环境条件的改变。因此，基准距离限定了基本上恒定的参考信号。作为示例，基准测量表面实现为载体上的金属涂层。作为示例，基准测量表面为铬的层。

如权利要求7所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。待测对象的平均位置D_M与基准距离D_R的比率确保了：基准距离D_R基本上对应于待测对象的平均位置D_M。因此，干扰影响被基本上且同等程度地包含于位置测量信号和关联的基准测量信号中，所以起因于干扰影响的干扰信号很大程度上是可消除的。

如权利要求8所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。

如权利要求9所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。因为基准电极布置于载体的相对的内侧面，对于位置测量传感器而言，周围的介质(例如空气)充当了电介质。因此，可以检测由于环境条件(例如湿度、气压或温度)而产生的基准测量信号中的干扰影响，并且随后从位置测量信号中消除这些影响。

如权利要求10所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。因为载体布置在基准电极之间，载体形成了电介质。在此，特别地，载体由具有低热膨胀系数的材料(例如玻璃陶瓷材料)形成。因为载体形成了电介质，环境条件几乎不包含在基准测量信号中，所以提供了恒定的基准信号。因此，特别地，由于信号电缆和/或测量电子器件，可以补偿干扰影响。

如权利要求11所述的位置测量装置，确保了简单且节省空间的设计。

如权利要求12所述的位置测量装置，确保了在确定位置时的高精度。基准测量传感器布置为，使得其充当第二位置测量传感器。在此，特别地，基准测量传感器布置在位置测量传感器的对面，所以位置测量传感器和基准测量传感器在理想情况下(没有干扰影响)将导致在添加时产生恒定的测量信号。作为示例，如果位置测量传感器和基准测量传感器被布置于距待测对象中心相等的距离处，如果不存在干扰影响，则通过形成被添加到位置测量信号的基准测量信号的平均值，使得关联的位置信号出现。从此，作为干扰影响的结果的干扰信号可能在位置测量信号和基准测量信号中、或者其总和中被识别，并且所述干扰信号可以被消除。

如权利要求13所述的位置测量装置改善了信噪比，并且作为其结果，确保了在确定位置时的高精度。因为晶体管被集成到测量传感器外壳中，原始的测量信号在发送至计算单元或测量电子器件之前就已经被放大。在由干扰影响导致的不变的干扰输入或干扰信号的情况下，如果被放大的测量信号被发送至计算单元或测量电子器件，信噪比将有所增加，因此在确定位置时，可以获得更高的精度。作为示例，至少一个电容式位置测量传感器和/或至少一个电容式基准测量传感器实现为具有集成晶体管。特别地，集成晶体管实现为场效应晶体管。

如权利要求14所述的位置测量装置以简单的方式确保了位置信号的计算。因为至少一个位置测量传感器和相应的关联的基准测量传感器具有等效结构，测量传感器原则上具有对应的测量特性，所以测量不准确不会由于测量传感器的不同配置而发生。因此，在不需要这种复杂的附加测量以补偿不同的测量特性的情况下，其可以保证在确定位置时的高精度。

本发明进一步基于开发定位器具的目的，该开发定位器具促进了在定位待测对象时的高精确度。特别地，定位精度应该处于在纳米范围或亚纳米范围中。

该目的通过具有权利要求15的特征的定位器具来实现。根据本发明的位置测量装置有助于确定待测对象的位置，因此，准确地说，能够以期望的精度定位待测对象。为此，特别地，定位器具形成定位控制回路，使得待测对象的期望的预期位置基于计算出的位置信号可以被准确地调节。定位器具的另外的优点对应于已描述的位置测量装置的优点。

如权利要求16所述的定位器具，确保了在定位待测对象时的高精度。

如权利要求17所述的投射曝光设备构成根据本发明的定位器具和根据本发明的位置测量装置的有利的应用。

本发明进一步基于研发一种用于确定待测对象位置的方法的目的，当确定位置时，其以简单的方式促进高精度。

该目的通过具有权利要求18的特征的方法实现。根据本发明的方法的优点对应于根据已描述的根据本发明的位置测量装置和定位器具的优点。特别地，也可以利用权利要求1至17的特征开发根据本发明的方法。

附图说明

本发明进一步的特征、优势和细节从以下多个示例性实施例的描述中展现。在图中：

图1示出了定位器具的示意图，该定位器具包括待定位的待测对象和用于确定待测对象的位置的位置测量装置，其为未详细描绘的投射曝光设备的一部分。

图2示出了根据图1的位置测量装置的基本设计的示意图，其包括至少一个电容式位置测量传感器和至少一个电容式基准测量传感器。

图3示出了根据第一示例性实施例的位置测量装置的示意图，其中基准测量传感器布置在载体上，并且周围的介质形成电介质。

图4示出了位置测量装置的示意图。该位置测量装置与第二示例性实施例一致，其中至少一个基准测量传感器布置在载体上，并且后者形成电介质。

图5示出了根据第三示例性实施例的位置测量装置的示意图，其中至少一个基准测量传感器布置在待测目标上，并且后者形成电介质。

图6示出了根据第四示例性实施例的位置测量装置的示意图。其中至少一个基准测量传感器被用作附加的位置测量传感器或者差值测量传感器。

图7示出了传统电容式测量传感器的设计的示意图。

图8示出了根据第一示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

图9示出了根据第二示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

图10示出了根据第三示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

图11示出了根据第四示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

图12示出了根据第五示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

图13示出了根据第六示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图，以及

图14示出了根据第七示例性实施例的电容式测量传感器的设计的示意图。

具体实施方式

投射曝光设备1(未详细绘示)包括定位器具2、至少一个致动器4和至少一个位置测量装置5，其中定位器具2包括待定位的待测对象3。两个致动器4在图1中以示例性方式绘出。致动器4布置在基部板6上，并且用以相对于基部板6移动待测对象3。作为示例，待测对象3(如图1所绘示)是板，对于投射曝光设备的功能，该板需要在纳米范围中(特别在亚纳米范围中)被准确地定位，例如通过线性位移和/或倾斜和/或变形。

为了确定待测对象3的位置x，位置测量装置5包括至少一个电容式位置测量传感器7，该电容式位置测量传感器7将与待测对象3的相关的位置测量信号P_M提供给计算单元8。在图1绘示的定位器具2中，电容式位置测量传感器7被分配到每个致动器4，所述位置测量传感器用以确定待测对象3的相应的位置x。计算单元8包括测量电子器件8a和信号处理8b，其将在下文详细描述。

电容式位置测量传感器7具有等效结构的实施例，所以在下文只描述其中一个电容式位置测量传感器7。位置测量传感器7包括测量传感器外壳9，其中至少部分地布置有第一电极10。第一电极10通过信号线11连接到计算单元8。属于位置测量传感器7的第二电极12实现为待测对象3上的测量表面。为此，待测对象3设置有与第一电极10相对的涂层，该涂层用作第二电极12或测量表面。第二电极12通过信号线13连接到计算单元8。

电容式位置测量传感器7的测量原理在原则上为已知的。电容式位置测量传感器7的作用大致类似于平板电容器，其电容C取决于电极10和12的距离或位置x。相应地，电容式位置测量传感器7将位置测量信号P_M提供至计算单元8，测量信号P_M表征待测对象3的位置x。在此，位置测量信号P_M由使用的信号或实际位置信号P、以及干扰信号S组成，干扰信号S作为干扰影响的结果，叠加在位置信号P上。这在图1中示意性地示例。

位置测量装置5还包括至少一个电容式基准测量传感器14，该电容式基准测量传感器将基准测量信号R_M提供给计算单元8。基准测量信号R_M通过基准测量传感器14被提供给计算单元8。进而，基准测量信号R_M由使用的信号或基准信号R、以及叠加的干扰信号S组成，干扰信号S作为干扰影响的结果。这在图1中示意性地表示。

取决于对定位器具2的要求，专用的基准测量传感器14可能被分配到每个位置测量传感器7，或者公共基准测量传感器14可以被分配到多个基准测量传感器7。计算单元8用于从基准测量信号R_M和相应的位置测量信号P_M计算每个位置测量传感器7的位置信号P。

基准测量传感器14具有等效结构的实施例，特别地，其实施例也具有与关联的位置测量传感器7相同的结构，所以在下文只描述其中一个基准测量传感器14。电容式基准测量传感器14包括测量传感器外壳15，其中至少部分地布置有第一电极或基准电极16。属于基准测量传感器14的第二电极或基准电极17实现为测量表面或基准测量表面，并且布置在第一基准电极16的对面。基准电极16和基准测量表面17的布置将在下文详细描述。第一基准电极16通过信号线18连接到计算单元8。相应地，第二基准电极17或基准测量表面17通过信号线19连接到计算单元8。

为了确定待测对象3的位置x，计算单元8以如下方式实现：干扰信号S从位置测量信号P_M和关联的基准测量信号R_M(及预定的基准信号R)计算，以便由此修正位置测量信号P_M或消除包含在其中的干扰信号S。在此，修正位置测量信号P_M基于以下假设：干扰信号S基本上且同等程度地包含于位置测量信号P_M中和关联的基准测量信号R_M中。测量传感器7和关联的基准测量传感器14的设计、安装条件和环境条件越接近地彼此对应，则该假设越适用。

为此，位置测量传感器7和关联的基准测量传感器14优选地以彼此可能的最小距离d布置，使得安装和/或环境条件很大程度上彼此对应。特别地，距离d至多10mm，特别地至多8mm，且特别地至多6mm。进一步地，信号线11、13、18和19很大程度上形成公共信号电缆20。特别地，信号线11、13、18和19在其总长度L的至少70％，特别地至少80％，且特别地至少90％上形成公共信号电缆20。这在图2中示例性地示例。

基准电极16、17限定了其之间的基准距离D_R。特别地，0.7≤D_M/D_R≤1.3，特别地，0.8≤D_M/D_R≤1.3，特别地，1.2≤D_M/D_R≤1.3，特别地，0.9≤D_M/D_R≤1.1，应用于待测对象3的平均位置D_M与基准距离D_R的比率。这基本上确保了：基准电极16、17之间的电介质的厚度基本上对应于位置测量传感器7的电极10、12之间的电介质厚度。作为示例，基准距离D_R是固定的，即，基准电极16、17相对于彼此是不可移动的。

图3示出了位置测量装置5的第一示例性实施例，其中基准测量传感器14布置在载体21上。作为示例，载体21布置在基部板6上。载体21具有这样的实施例，该实施例具有横截面上的中空型材，其中第一基准电极16和第二基准电极17(或者基准测量表面)布置在载体21的相对的内侧面22、23上，使得周围的介质作为布置在基准电极16、17之间的电介质。载体21优选地由在温度为20℃时具有热膨胀系数α的材料组成。对于其绝对值适用以下式子，α≤10·10^-8/K，特别地α≤8·10^-8/K，并且特别地α≤6·10^-8/K。特别地，材料是玻璃陶瓷材料。作为示例，该玻璃陶瓷材料是已知的商标ZERODUR或ULE。

作为示例，第二电极12和对应的第二基准电极17实现为通过涂覆生产的测量表面。基准电极16、17是相对于彼此不可移动的，所以基准距离D_R和关联的基准信号R是常数。由于材料并将载体21作为机械短路连接，基准测量传感器14对于漂移是稳定的，并且对温度变化几乎没有反应。由于基准测量传感器14和位置测量传感器7处的环境介质充当电介质，环境条件(例如湿度和/或气压)可能被检测为位置测量信号P_M和基准测量信号R_M中的干扰信号S，并且可以后续地在计算单元8中被补偿。由于基准测量传感器14产生恒定的基准信号R，其充当无源传感器。

图4示出了根据本发明的位置测量装置5的第二示例性实施例。与前述示例性实施例相比，载体21实现为板，基准电极16、17布置在其外侧面24、25上。在此，载体21形成基准测量传感器14的电介质。与前述示例性实施例相对应，载体21优选地由具有小热膨胀系数α的材料构成。因为基准电极16、17相对于彼此不可移动，并且载体21形成电介质，环境条件基本上不包含于基准测量信号R_M中，所以特别地，作为信号线11、13、18、19和测量电子器件8a的结果的干扰影响被检测和补偿。关于进一步的设计和进一步的功能，参考前述示例性实施例。

图5示出了根据本发明的位置测量装置5的第三示例性实施例，其中待测对象3形成载体21。因此，待测对象3布置在基准测量传感器14的基准电极16、17之间，并且为其形成电介质。基准电极16、17布置在待测对象3的外侧面24、25上。特别地，第二基准电极17实现为通过涂覆生产的基准测量表面。基准电极17或基准测量表面，同时地为位置测量传感器7充当第二电极12或者测量表面。待测对象3优选地由与前述示例性实施例一致的材料组成，该材料具有小热膨胀系数α。位置测量装置5具有简单的设计并且节省空间。关于另外的设计和另外的功能，参考前述示例性实施例。

图6示出了根据本发明的位置测量装置5的第四示例性实施例。与前述示例性实施例(其中基准测量传感器14作为带有恒定基准距离D_R的无源传感器进行操作)相比，基准传感器14作为有源传感器或差传感器进行操作。因此，基准测量传感器14以如下方式布置：使得基准测量信号R_M或基准信号R根据待测对象3的位置x改变。为此，基准测量传感器14布置在待测对象3的一侧上，位于位置测量传感器7的对面。第二基准电极17布置在待测对象3的外侧面24上，而第二电极12布置在外侧面25上。第二电极12、17实现为通过涂覆制作的测量表面。关于第二电极12，第一电极10具有对应于平均基准距离D_R的平均距离或平均位置D_M。因为这种布置，距离D_M和D_R之和为常数，并且基本上对应于两倍的距离D_M或D_R。由于这种布置，位置信号P和基准信号R之和必须为常数，因此可能由此确定或消除干扰信号S。因此，特别地，可以检测和补偿由环境条件造成的干扰影响、以及由信号线11、13、18、19和测量电子器件8a造成的干扰影响。关于进一步的设计和进一步的功能，参考前述示例性实施例。

根据本发明的位置测量装置5的特征，特别是单独的示例性实施例的特征，可能根据需要进行相互结合，以便借助于至少一个位置测量装置14来补偿干扰影响。特别地，根据本发明的位置测量装置5允许补偿信号电缆的干扰影响，例如因为弯曲或布线、环境影响(例如温度、湿度和/或压力)、测量电子器件8a中的漂移和噪声引发的干扰影响、共模干扰、超过其使用寿命的位置测量传感器7中的变化引发的漂移、和/或测量电子器件8a发热引发的干扰影响。因此，根据本发明的位置测量装置5对干扰影响时变得更加鲁棒(robust)，并且在确定位置时具有更高精确度。特别地，位置测量装置5可以在开启后，即刻被使用。优选地，至少一个基准测量传感器14在设计和安装方面对应于关联的位置测量传感器7。特别地，应适当地选择测量传感器7、14的测量电子器件8a、接线、插头、安装、实施例和设计。干扰影响的补偿或位置信号P的计算可以在实时以离散的时间间隔进行。

在信号处理8b中，将计算出的位置信号P与预期位置进行比较。从系统偏差中，在信号处理8b中实现的位置控制器产生致动信号U，借助于所述致动信号U来致动关联的致动器4，以便将待测对象3的位置x调整至期望的预期位置。为了在纳米或亚纳米范围中获得期望的定位精度，致动器4必须有助于相应的定位精度。特别地，致动器4的定位精度为至少1.0nm，特别地为至少0.5nm，并且特别地为至少0.1nm。相应的陈述适用于位置测量装置5的测量精度。电容式位置测量传感器7可以直接测量待测对象3的位置，或间接测量在关联的致动器4的运动学中的位置，两者同等地有助于确定待测对象3的位置。

下文详细描述至少一个电容式位置测量传感器7和/或至少一个电容式基准测量传感器14的不同示例性实施例。由于以下的说明同等地应用于位置测量传感器7和基准测量传感器14，基于电容式测量传感器7、14来大体地说明不同示例性实施例。此外，测量电子器件8a将相应的测量信号P_M或R_M提供至信号处理8b，测量电子器件8a被认为是测量传感器7、14的一部分。

图7示出了常规的电容式测量传感器7、14的基本设计。由于有限的安装空间和为了避免有害的热流，测量电子器件8a在空间上被布置为远离测量传感器外壳9、15和包含在其中的第一电极10、16，以及第二电极12、17。为此，测量电极8a通过以下被称为测量线11、18的信号线连接到测量电子器件8a，并且第二电极12通过以下被称为供电线13、19的信号线连接到测量电子器件8a。供电线13、19通过交流电压源26连接到参考电位27。交流电压源26产生依赖于测量传感器7、14的电容C的测量信号，所述测量信号经由测量线11、18被发送至测量电子器件8a。测量信号通晶体管28被前置放大，并且通过放大器电路29被进一步地被放大和准备。晶体管28的工作点通过欧姆电阻器R₁和R₂设定。欧姆电阻器R₃在输入端将晶体管28连接至参考电位27。设置在放大器电路29的下游的是信号测量30和信号评估31，其从放大的测量信号中确定相关测量变量，例如电容C、以及电极10、12或16、17的关联位置或关联距离x。确定的测量变量提供给信号处理8b，被用来进行例如位置控制等。信号评估31信号连接到控制器32，控制器32控制交流电压源26或激励信号。根据要求，测量电子器件8a可以具有模拟和/或数字实施例。相应地，根据要求，信号处理8b可能具有模拟和/或数字实施例。

图8示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第一示例性实施例。根据本发明，用于放大或前置放大测量信号的晶体管28布置在测量传感器外壳9、15中，临近第一电极10、16。因此，晶体管28被集成到测量传感器外壳9、15中。晶体管28实现为场效应晶体管，并且包括栅极端子33、源极端子34、漏极端子35和体端子36。栅极端子33经由连接线37连接到第一电极10、16。连接线37布置在测量传感器外壳9、15中，并且具有小于100mm的长度，特别地小于10mm，并且特别地小于1mm。漏极端子35通过测量线11、18，连接到测量电子器件8a和包含于其中的放大器电路29。源极端子34在测量传感器外壳9、15中与栅极端子36短接，并且通过另外的测量线11’、18’连接到测量电子器件8a。在测量电子器件8a中，测量线11’、18’经由欧姆电阻器R₂连接到参考电位27。与前述示例性实施例一致，欧姆电阻器R₁和R₂限定了晶体管28的工作点，该晶体管28现在布置在测量传感器外壳9、15中。与前述示例性实施例一致，第二电极12、17经由供电线13、19连接到交流电压源26和参考电位27。晶体管28已经前置放大了测量信号，该测量信号属于测量传感器外壳9、15中的(即，临近第一电极10、16)连接线37，使得经由测量线11、18发送的测量信号P_M、R_M相比于根据图7的示例性实施例被放大数倍。特别地，测量信号P_M、R_M被至少放大10倍，特别地至少20倍，并且特别地至少50倍。因此，干扰影响例如经由测量线11、18作为干扰信号S被耦合至测量信号P_M、R_M中，其基本上不太显著。换言之，通过上述因素改善了信噪比。测量精度通过改善的信噪比而改善，这可以被用于更精确的位置测量或位置确定，和/或减少对信号电缆20和/或测量电子器件8a的技术要求。信号线11、11’和13，以及18、18’和19，被优选地在信号电缆20中结合在一起。

前置放大测量信号P_M、R_M在放大器电路29中再次被放大，并且在信号评估31中与来自交流电压源26的激励信号相比较，因此建立期望的测量变量。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图9示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第二示例性实施例。与前述示例性实施例相比，连接线37经由欧姆电阻器R₃连接到参考电位27。欧姆电阻器R₃被布置在测量传感器外壳9、15中。原则上，参考电位27是容许限度内的任意、固定且已知的电位。作为示例，参考电位27为接地电位。连接线37中的电位由欧姆电阻器R₃限定。为此，应选择具有高阻值的电阻R₃，并且特别地，电阻至少10kΩ，特别地至少100kΩ，且特别地至少1000kΩ。在直接临近测量传感器壳体9、15处，参考电位27需要具有足够低的干扰，以便没有干扰(将使改善的信噪比变得无效)经由参考电位27耦合。作为示例，由于欧姆电阻器R₃连接到导电性良好的金属部件，接地电位可以被选作参考电位27。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图10示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第三示例性实施例。与前述示例性实施例相比，源极端子34连接到参考电位27。因此，可以省略测量线11’和18’以及欧姆电阻器R₂。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图11示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第四示例性实施例。与前述示例性实施例相比，源极端子34和欧姆电阻器R₃形成节点，该节点连接到参考电位27。因为与参考电位27的连接，可以省略测量线11’、18’和欧姆电阻器R₂。此外，连接线37具有限定的电势。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图12示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第五示例性实施例。与前述示例性实施例相比，连接线37经由欧姆电阻器R₃和另外的信号线11”、18”连接到测量电子器件8a。在测量电子器件8a中，供电线11”、18”通过交流电压源38连接到参考电位27。信号线11”、18”的电势可通过直流电压源38自由地选择，因此晶体管28可以在操作状态下保持静态，这对于测量是有利的。特别地，以这种方式静态地克服晶体管28的阈值电压是有利的。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图13示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第六示例性实施例。与前述示例性实施例相比，源极端子34和欧姆电阻器R₃形成节点，该节点通过信号线11”、18”和直流电压源38连接到参考电位27。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

图14示出了根据本发明的电容式测量传感器7、14的第七示例性实施例。与前述的示例性实施例(其中第一电极10、16和晶体管28形成分立的部件)相比，第一电极10、16和场效应晶体管28实现为集成电路。因此，第一电极10、16和场效应晶体管28使用微电子设计的方法在集成电路中实现。在集成中，利用了场效应晶体管28自身在栅极端子33(或栅极)与体端子36(或体极)之间已形成电容器的事实。特别地，该电容器通过位于栅极端子33下方的沟道39形成，如图14所示。因此，场效应晶体管28本应该只考虑为单纯的信号放大器，但在该示例性实施例中，其为测量传感器7、14的集成部件，这是由于待测电场直接作用于场效应晶体管28的沟道39。有利的是，特别地，在第一电极10、16和栅极端子33之间的对干扰敏感的连接线37具有非常短的实施例和小于1μm的长度。因此，通过待测电场对自身放大的影响来测量该待测电场，这使对干扰的敏感度减小到了最低。此外，由于第一电极10、16和场效应晶体管28合并成一个单元，所需的安装空间显著地减小。原则上，第一电极10、16和场效应晶体管28的集成可以应用于每个前述的示例性实施例中。相应的电路图不会因此改变，只有布局或集成设计不同于离散设计。关于测量传感器7、14和位置测量装置5的进一步设计和进一步功能，参考前述示例性实施例。

根据本发明的电容式测量传感器7、14有助于在安装空间的限制影响变量、放热和待实现的测量精度之间实现更好的折衷。通过根据本发明的电容式测量传感器7、14可以显著地增加测量精度，而不会使通常可用的安装空间受到有害的影响，和/或使得由于晶体管28的附加放热成为不利的。获得的测量精度可以选择性地用于简化测量精度8a和/或信号电缆20。因为晶体管28，测量信号在其产生的位置已经被放大，所以放大的测量信号P_M、R_M已经发送至在空间上以一定距离布置的测量电子器件8a。因此，有效地提高了信噪比。

原理上，所述的电容式测量传感器7、14不限于测量位置或距离，而是也可以用于测量其他机械变量，例如填充水平和气压。

在所述的位置测量装置5中或定位器具2中，确定位置时的高精度通过以下方式获得，首先，将基准测量传感器14分配到至少一个位置测量传感器7，使得可以从位置测量信号P_M消除干扰影响。第二，确定位置时增加的精度通过以下方式获得，将晶体管28集成到相应的测量传感器外壳9、15中，使得在位置测量信号P_M或基准测量信号R_M在传送至测量电子器件8a之前已经被放大了，即，从而获得改善的信噪比。这两种方法可以单独或一起使用。作为示例，相应的位置测量传感器7和关联的基准测量传感器14可以具有常规设计，如图7所示。在这种情况下，增加的精度只有通过消除干扰影响才可以得到。进一步的，可以没有基准测量传感器14分配给例如相应的位置测量传感器7，而是位置测量传感器7可以装配有集成到测量传感器外壳9中的晶体管28，如图8至14所示。在这种情况下，增加的精度只有通过改善信噪比才可以得到。但是，如果这两种方法相互结合，则可以获得理想的精度，即，如果将相关联的基准测量传感器14分配给相应的位置测量传感器7以便消除干扰影响，并且相应的位置测量传感器7和关联的参考测量传感器14都实现为具有集成到相应的测量传感器外壳9、15中的晶体管28，以便改善信噪比。

Claims (18)

1.一种用于确定待测对象的位置的位置测量装置，包括：

-至少一个电容式位置测量传感器(7)，用以提供与待测对象(3)相关的位置测量信号(P_M)，

-至少一个电容式基准测量传感器(14)，用以提供基准测量信号(R_M)，

-计算单元(8)，用以确定所述待测对象(3)的位置，

--所述计算单元连接到所述至少一个位置测量传感器(7)和所述至少一个基准测量传感器(14)，并且

--所述计算单元以如下方式实现：计算位置信号(P)，用以从所述位置测量信号(P_M)和所述基准测量信号(R_M)确定所述位置，

其特征在于：所述至少一个基准测量传感器(14)包括第一基准电极(16)和第二基准电极(17)，所述基准电极布置在载体(21)处，

且在于：所述载体(21)由在20℃的温度下具有热膨胀系数α的材料组成，其绝对值应用下式：α≤10·10^-8/K。

2.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述计算单元(8)通过信号线(11、11'、11”、13、18、18'、18”、19)连接到相应的位置测量传感器(7)和相应的关联的基准测量传感器(14)，所述信号线至少部分地在其总长度(L)的至少70％上，特别地在至少80％上，且特别地在至少90％上，形成信号电缆(20)。

3.如权利要求1或2所述的位置测量装置，其特征在于，为了计算所述位置信号(P)的目的，将所述基准测量传感器(14)分配到每个位置测量传感器(7)。

4.如权利要求1或2所述的位置测量装置，其特征在于，为了计算相应的位置信号(P)的目的，将公共基准测量传感器(14)分配到多个位置测量传感器(7)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述至少一个基准测量传感器(14)被布置在距离关联的至少一个位置测量传感器(7)至多10mm，特别地至多8mm，及特别地至多6mm的距离(d)处。

6.如权利要求1至5中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述第一基准电极(16)和所述第二基准电极(17)不能相对于彼此位移。

7.如权利要求1至6中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述基准电极(16、17)限定基准距离D_R，其中应用下式，特别地，对于所述待测对象(3)的平均位置D_M与基准距离D_R的比率：0.7≤D_M/D_R≤1.3，特别地，0.8≤D_M/D_R≤1.2，并且特别地，0.9≤D_M/D_R≤1.1。

8.如权利要求6或7所述的位置测量装置，其特征在于，对热膨胀系数α的绝对值应用下式：α≤8·10^-8/K，并且特别地，α≤6·10^-8/K。

9.如权利要求6至8中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述载体(21)在横截面上实现为中空型材，并且所述基准电极(16、17)布置于所述载体(21)的相对的内侧面(22、23)。

10.如权利要求6至9中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述载体(21)布置在所述基准电极(16、17)之间。

11.如权利要求6至10中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述载体(21)由所述待测对象(3)形成。

12.如权利要求1至5中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述至少一个基准测量传感器(14)以如下方式布置：所述基准测量信号(R_M)根据所述待测对象(3)的位置改变。

13.如权利要求1至12中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述电容式测量传感器(7、14)中的至少一个包括用于信号放大的晶体管(28)，该晶体管集成到测量传感器外壳(9、15)中。

14.如权利要求1至13中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，所述至少一个位置测量传感器(7)和所述至少一个基准测量传感器(14)具有相同的构造。

15.一种定位器具，包括：

-待测对象(3)，其为待定位的，

-致动器(4)，用以定位所述待测对象(3)，

-如任何权利要求1至14中任一项所述的位置测量装置(5)。

16.如权利要求15所述的定位器具，其特征在于，所述计算单元(8)以如下方式实现：所述致动器(4)基于计算出的位置信号(P)被致动，其中，所述致动器(4)具有，特别地至少1.0nm，特别地至少0.5nm，以及特别地至少0.1nm的定位精度。

17.一种投射曝光设备，其包括如权利要求15或16所述的定位器具(2)。

18.一种用于确定待测对象的位置的方法，其包括以下步骤：

-通过至少一个电容式位置测量传感器(7)，提供与待定位的待测对象(3)相关的位置测量信号(P_M)，

-通过至少一个电容式基准测量传感器(14)，提供基准测量信号(R_M)，

-发送所述测量信号(P_M、R_M)至计算单元(8)，以确定所述待测对象(3)的位置，并且

-从所述位置测量信号(P_M)和所述基准测量信号(R_M)计算位置信号(P)，以确定所述位置。