DE102014224221A1

DE102014224221A1 - Positions-Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102014224221A1
Application number: DE102014224221.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Vogt; Florian Bart
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-02
Also published as: JP6664394B2; JP2018501472A; CN107003107B; KR102572498B1; US20170261304A1; CN107003107A; WO2016083346A1; KR20170086527A; US10151571B2

Abstract

Bei einer Positions-Messeinrichtung (5) und einem Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts (3) ist zur Bereitstellung eines Positions-Messsignals (PM) zu dem Messobjekt (3) mindestens ein kapazitiver Positions-Messsensor (7) und zur Bereitstellung eines Referenz-Messsignals (RM) mindestens ein kapazitiver Referenz-Messsensor (14) vorgesehen. Die Messsensoren (7, 14) sind mit einer Recheneinheit (8) verbunden, die derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Positionen ein Positions-Signal (P) aus dem Positions-Messsignal (PM) und dem Referenz-Messsignal (RM) berechnet wird. Dadurch, dass Störeinflüsse als Stör-Signal (S) im Wesentlichen gleichermaßen in dem Positions-Messsignal (PM) und dem Referenz-Messsignal (RM) enthalten sind, kann das Stör-Signal (S) bei der Berechnung bestimmt und eliminiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positions-Messeinrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts.
Kapazitive Messsensoren zur Positionsermittlung von Messobjekten sind bekannt. Es besteht ein stetiger Bedarf, die Messgenauigkeit bei Positionsmessungen mittels kapazitiver Messsensoren zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts zu schaffen, die auf einfache Weise eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Positions-Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die zunehmende Miniaturisierung, also die Verkleinerung der kapazitiven Messsensoren dazu führt, dass sich auch deren Kapazität verkleinert, wodurch Störeinflüsse stärker in das Positions-Messsignal eingehen. Dadurch, dass die Positions-Messeinrichtung zusätzlich zu dem mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensor aufweist, können durch eine Auswertung des Positions-Messsignals und des Referenz-Messsignals mittels der Recheneinheit Störeinflüsse erkannt und eliminiert werden. Die Recheneinheit berechnet somit aus dem Positions-Messsignal und dem zugehörigen Referenz-Messsignal ein von Störeinflüssen weitestgehend befreites Positions-Signal, das eine deutlich höhere Genauigkeit als das mit Störeinflüssen behaftete Positions-Messsignal aufweist. Das Positions-Messsignal ist insbesondere aus dem zu berechnenden Positions-Signal und einem Stör-Signal zusammengesetzt, wohingegen das Referenz-Messsignal aus einem vordefinierten Referenz-Signal und dem Stör-Signal zusammengesetzt ist. Aus dem Referenz-Messsignal kann beispielsweise durch Subtraktion des Referenz-Signals das Stör-Signal ermittelt werden, das wiederum zur Ermittlung des Positions-Signals von dem Positions-Messsignal subtrahiert werden kann. Das Positions-Messsignal wird durch diese Berechnung von dem Stör-Signal befreit, so dass aus dem Positions-Signal die Position des Messobjekts äußerst genau ermittelbar ist.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass die Signalleitungen im Wesentlichen über ihre gesamte Länge ein Signalkabel ausbilden, können die Signalleitungen einerseits gemeinsam gegen Störeinflüsse abgeschirmt werden und geben andererseits Störeinflüsse gleichermaßen in das Positions-Messsignal und das Referenz-Messsignal ein, so dass das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal in dem Positions-Messsignal weitestgehend eliminiert werden kann. Insbesondere Änderungen in der Kapazität des Signalkabels, die beispielsweise durch Einknicken verursacht werden, können hierdurch eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung, wenn die Positions-Messeinrichtung mehrere Positions-Messsensoren aufweist. Dadurch, dass jedem Positions-Messsensor ein eigener Referenz-Messsensor zugeordnet ist, kann dieser optimal zu dem Positions-Messsensor angeordnet werden, so dass die Störeinflüsse gleichermaßen von dem Positions-Messsensor und dem Referenz-Messsensor erfasst werden. Der jeweilige Positions-Messsensor sowie der zugehörige Referenz-Messsensor können ein gemeinsames Messsensor-Gehäuse oder zwei separate Messsensor-Gehäuse aufweisen.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung in Verbindung mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand. Dadurch, dass ein Referenz-Messsensor mehreren Positions-Messsensoren zugeordnet ist, kann das zugehörige Referenz-Messsignal zur Korrektur aller Positions-Messsignale verwendet werden. Aus den Positions-Messsignalen und dem Referenz-Messsignal werden somit Positions-Signale für alle Positions-Messsensoren, die dem Referenz-Messsensor zugeordnet sind, berechnet. Hierdurch wird die Anzahl an Referenz-Messsensoren optimiert.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass der mindestens eine Referenz-Messsensor in einem geringen Abstand zu dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor angeordnet ist, werden Störeinflüsse gleichermaßen von dem mindestens einen Referenz-Messsensor und dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor erfasst, so dass bei der anschließenden Berechnung des zugehörigen Positions-Signals das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal weitestgehend eliminiert werden kann.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 6 gewährleistet in einfacher Weise die Bereitstellung des Referenz-Messsignals. Der mindestens eine Referenz-Messsensor weist eine erste Referenz-Elektrode und eine zugehörige zweite Referenz-Elektrode auf, wobei die zweite Referenz-Elektrode als Referenz-Messfläche ausgebildet sein kann. Die Referenz-Elektroden sind in einem vordefinierten Referenz-Abstand zueinander an dem Tragkörper angeordnet. Der Referenz-Abstand ist im Wesentlichen nicht veränderbar. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass eine Veränderung des Referenz-Abstandes lediglich infolge von Stör- bzw. Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Änderungen der Umgebungsbedingungen, erfolgt. Der Referenz-Abstand definiert somit ein im Wesentlichen konstantes Referenz-Signal. Die Referenz-Messfläche ist beispielsweise als metallische Beschichtung an dem Tragkörper ausgebildet. Beispielsweise ist die Referenz-Messfläche eine Chromschicht.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Durch das Verhältnis der mittleren Position D_M des Messobjekts zu dem Referenz-Abstand D_R wird gewährleistet, dass der Referenz-Abstand D_R im Wesentlichen der mittleren Position D_M des Messobjekts entspricht. Hierdurch gehen Störeinflüsse im Wesentlichen gleichermaßen in das Positions-Messsignal und das zugehörige Referenz-Messsignal ein, so dass das aus den Störeinflüssen resultierende Stör-Signal weitestgehend eliminierbar ist.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass der Tragkörper aus einem Material besteht, das einen äußerst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, verändert sich der Referenz-Abstand und somit das Referenz-Signal infolge von Temperaturänderungen im Wesentlichen nicht. Hierdurch weist der Referenz-Messsensor eine hohe Driftstabilität auf, wodurch ein äußerst konstantes Referenz-Signal erzeugbar ist. Bei dem Material handelt es sich insbesondere um ein glaskeramisches Material. Glaskeramische Materialien mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sind beispielsweise unter den Markenbezeichnungen ZERODUR oder ULE bekannt.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 9 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass die Referenz-Elektroden an gegenüberliegenden Innenseiten des Tragkörpers angeordnet sind, wirkt das Umgebungsmedium, wie beispielsweise die Luft, entsprechend dem Positions-Messsensor als Dielektrikum. Hierdurch können Störeinflüsse infolge der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Luftfeuchtigkeit, des Luftdrucks oder der Temperatur, in dem Referenz-Messsignal erfasst und nachfolgend in dem Positions-Messsignal eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 10 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass der Tragkörper zwischen den Referenz-Elektroden angeordnet ist, bildet der Tragkörper das Dielektrikum. Hierbei ist der Tragkörper insbesondere aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet, wie beispielsweise aus einem glaskeramischen Material. Dadurch, dass der Tragkörper das Dielektrikum ausbildet, gehen Umweltbedingungen in das Referenz-Messsignal kaum ein, so dass ein konstantes Referenz-Signal bereitgestellt wird. Hierdurch ist insbesondere die Kompensation von Störeinflüssen infolge des Signalkabels und/oder der Messelektronik möglich.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 11 gewährleistet einen einfachen und platzsparenden Aufbau.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 12 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Der Referenz-Messsensor ist derart angeordnet, dass dieser als zweiter Positions-Messsensor dient. Hierbei ist der Referenz-Messsensor insbesondere gegenüberliegend zu dem Positions-Messsensor angeordnet, so dass das Positions-Messsignal und das Referenz-Messsignal idealerweise, also ohne Störeinflüsse, in Addition ein konstantes Messsignal ergeben. Werden der Positions-Messsensor und der Referenz-Messsensor beispielsweise in gleichen Abständen zu einer mittleren Position des Messobjekts angeordnet, so ergibt sich das zugehörige Positions-Signal, wenn keine Störeinflüsse vorhanden sind, durch eine Mittelwertbildung des mit dem Positions-Messsignal addierten Referenz-Messsignals. Ausgehend hiervon können Stör-Signale infolge von Störeinflüssen in dem Positions-Messsignal und dem Referenz-Messsignal bzw. deren Summe erkannt und eliminiert werden.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 13 verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und gewährleistet hierdurch eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung. Dadurch, dass in das Messsensor-Gehäuse ein Transistor integriert ist, wird das ursprüngliche Messsignal bereits vor der Übertragung zu der Recheneinheit bzw. einer Messelektronik verstärkt. Wird das verstärkte Messsignal bei gleichbleibendem Störeintrag bzw. Stör-Signal infolge von Störeinflüssen zu der Recheneinheit bzw. der Messelektronik übertragen, so vergrößert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionsermittlung erzielbar ist. Beispielsweise sind der mindestens eine kapazitive Positions-Messsensor und/oder der mindestens eine kapazitiven Referenz-Messsensor mit einem integrierten Transistor ausgebildet. Der integrierte Transistor ist insbesondere als Feldeffekt-Transistor ausgebildet.
Eine Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 14 gewährleistet in einfacher Weise eine Berechnung des Positions-Signals. Dadurch, dass der mindestens eine Positions-Messsensor und der jeweils zugehörige Referenz-Messsensor baugleich sind, weisen die Messsensoren im Grundsatz eine übereinstimmende Messcharakteristik auf, so dass keine Messungenauigkeiten infolge einer unterschiedlichen Ausgestaltung der Messsensoren auftreten können. Hierdurch wird eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung gewährleistet, ohne dass aufwendige Zusatzmaßnahmen zur Kompensation unterschiedlicher Messcharakteristiken erforderlich wären.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung zu schaffen, die eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung eines Messobjekts ermöglicht. Die Positionsgenauigkeit soll insbesondere im Nanometerbereich bzw. im Subnanometerbereich liegen.
Diese Aufgabe wird durch eine Positionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung ermöglicht eine derart genaue Positionsermittlung des Messobjekts, dass das Messobjekt mit der gewünschten Genauigkeit positionierbar ist. Hierzu bildet die Positioniervorrichtung insbesondere einen Positions-Regelkreis aus, so dass auf Basis des berechneten Positions-Signals eine gewünschte Soll-Position des Messobjekts exakt einregelbar ist. Die weiteren Vorteile der Positioniervorrichtung entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der Positions-Messeinrichtung.
Eine Positionsvorrichtung nach Anspruch 16 gewährleistet eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung des Messobjekts.
Eine Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 17 stellt eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung und der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung dar.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts zu schaffen, das in einfacher Weise eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung bzw. der Positioniervorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 17 weitergebildet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Positioniervorrichtung mit einem zu positionierenden Messobjekt und einer Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung der Position des Messobjekts, die Teil einer nicht näher dargestellten Projektionsbelichtungsanlage sind,
2 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Positions-Messeinrichtung gemäß 1 mit mindestens einem kapazitiven Positions-Messsensor und mindestens einem kapazitiven Referenz-Messsensor,
3 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem der Referenz-Messsensor an einem Tragkörper angeordnet ist und das Umgebungsmedium ein Dielektrikum ausbildet,
4 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor an einem Tragkörper angeordnet ist und dieser ein Dielektrikum ausbildet,
5 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor an dem Messobjekt angeordnet ist und dieses ein Dielektrikum ausbildet,
6 eine schematische Darstellung einer Positions-Messeinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem der mindestens eine Referenz-Messsensor als zusätzlicher Positions-Messsensor bzw. als Differenz-Messsensor eingesetzt ist,
7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines üblichen kapazitiven Messsensors,
8 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
9 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
10 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
11 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
12 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
13 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, und
14 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kapazitiven Messsensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
Eine nicht näher dargestellte Projektionsbelichtungsanlage 1 weist eine Positioniervorrichtung 2 auf, die ein zu positionierendes Messobjekt 3, mindestens einen Aktuator 4 und mindestens eine Positions-Messeinrichtung 5 umfasst. In 1 sind beispielhaft zwei Aktuatoren 4 dargestellt. Die Aktuatoren 4 sind auf einer Basisplatte 6 angeordnet und dienen zur Verlagerung des Messobjekts 3 relativ zu der Basisplatte 6. Das Messobjekt 3 ist beispielsweise – wie in 1 dargestellt ist – eine Platte, die im Nanometerbereich, insbesondere im Subnanometerbereich, für die Funktion der Projektionsbelichtungsanlage exakt positioniert werden muss, beispielsweise durch eine lineare Verschiebung und/oder eine Verkippung und/oder eine Verformung.
Zur Ermittlung einer Position x des Messobjekts 3 weist die Positions-Messeinrichtung 5 mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor 7 auf, der einer Recheneinheit 8 ein Positions-Messsignal P_M zu dem Messobjekt 3 bereitstellt. Bei der in 1 dargestellten Positioniervorrichtung 2 ist jedem Aktuator 4 ein kapazitiver Positions-Messsensor 7 zugeordnet, der zur Ermittlung einer jeweiligen Position x des Messobjekts 3 dient. Die Recheneinheit 8 umfasst eine Messelektronik 8a sowie eine Signalverarbeitung 8b, die nachfolgend im Detail beschrieben sind.
Die kapazitiven Positions-Messsensoren 7 sind baugleich ausgebildet, so dass nachfolgend lediglich einer der kapazitiven Positions-Messsensoren 7 beschrieben ist. Der Positions-Messsensor 7 weist ein Messsensor-Gehäuse 9 auf, in dem zumindest teilweise eine erste Elektrode 10 angeordnet ist. Die erste Elektrode 10 ist über eine Signalleitung 11 mit der Recheneinheit 8 verbunden. Eine zu dem Positions-Messsensor 7 gehörige zweite Elektrode 12 ist als Messfläche an dem Messobjekt 3 ausgebildet. Hierzu ist das Messobjekt 3 gegenüberliegend zu der ersten Elektrode 10 mit einer Beschichtung versehen, wobei die Beschichtung als zweite Elektrode 12 bzw. Messfläche wirkt. Die zweite Elektrode 12 ist über eine Signalleitung 13 mit der Recheneinheit 8 verbunden.
Das Messprinzip des kapazitiven Positions-Messsensors 7 ist grundsätzlich bekannt. Der kapazitive Positions-Messsensor 7 wirkt näherungsweise als Plattenkondensator, dessen Kapazität C von dem Abstand bzw. der Position x der Elektroden 10 und 12 abhängig ist. Dementsprechend stellt der kapazitive Positions-Messsensor 7 der Recheneinheit 8 das Positions-Messsignal P_M bereit, das die Position x des Messobjekts 3 charakterisiert. Hierbei setzt sich das Positions-Messsignal P_M aus einem Nutz-Signal bzw. dem eigentlichen Positions-Signal P und einem Stör-Signal S zusammen, das infolge von Störeinflüssen dem Positions-Signal P überlagert ist. Dies ist schematisch in 1 veranschaulicht.
Die Positions-Messeinrichtung 5 weist ferner mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensor 14 auf, der der Recheneinheit 8 ein Referenz-Messsignal R_M bereitstellt. Das von dem Referenz-Messsensor 14 der Recheneinheit 8 bereitgestellte Referenz-Messsignal R_M setzt sich wiederum aus einem Nutz-Signal bzw. Referenz-Signal R und einem infolge von Störeinflüssen überlagerten Stör-Signal S zusammen. Dies ist in 1 schematisch angedeutet.
In Abhängigkeit der an die Positioniervorrichtung 2 gestellten Anforderungen kann jedem Positions-Messsensor 7 ein eigener Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein oder mehreren Positions-Messsensoren 7 ein gemeinsamer Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein. Aus dem Referenz-Messsignal R_M und dem jeweiligen Positions-Messsignal P_M wird für jeden Positions-Messsensor 7 ein Positions-Signal P mittels der Recheneinheit 8 berechnet.
Die Referenz-Messsensoren 14 sind baugleich ausgebildet und insbesondere auch baugleich zu den zugehörigen Positions-Messsensoren 7 ausgebildet, so dass nachfolgend lediglich einer der Referenz-Messsensoren 14 beschrieben ist. Der kapazitive Referenz-Messsensor 14 weist ein Messsensor-Gehäuse 15 auf, in dem zumindest teilweise eine erste Elektrode bzw. Referenz-Elektrode 16 angeordnet ist. Eine zu dem Referenz-Messsensor 14 gehörige zweite Elektrode bzw. Referenz-Elektrode 17 ist als Messfläche bzw. Referenz-Messfläche ausgebildet und gegenüberliegend zu der ersten Referenz-Elektrode 16 angeordnet. Die Anordnung der Referenz-Elektrode 16 und Referenz-Messfläche 17 ist nachfolgend im Detail beschrieben. Die erste Referenz-Elektrode 16 ist mittels einer Signalleitung 18 mit der Recheneinheit 8 verbunden. Entsprechend ist die zweite Referenz-Elektrode bzw. Referenz-Messfläche 17 über eine Signalleitung 19 mit der Recheneinheit 8 verbunden.
Die Recheneinheit 8 ist zur Ermittlung der Position x des Messobjekts 3 derart ausgebildet, dass aus dem Positions-Messsignal P_M und dem zugehörigen Referenz-Messsignal R_M sowie einem vordefinierten Referenz-Signal R das Stör-Signal S berechenbar ist, um so das Positions-Messsignal P_M zu korrigieren bzw. das darin enthaltene Stör-Signal S zu eliminieren. Die Korrektur des Positions-Messsignals P_M beruht hierbei auf der Annahme, dass das Stör-Signal S im Wesentlichen gleichermaßen in dem Positions-Messsignal P_M und dem zugehörigen Referenz-Messsignal R_M enthalten ist. Diese Annahme trifft umso mehr zu, je mehr der Aufbau, die Einbaubedingungen und die Umgebungsbedingungen des Positions-Messsensors 7 und des zugehörigen Referenz-Messsensors 14 einander entsprechen.
Hierzu sind der Positions-Messsensor 7 und der zugehörige Referenz-Messsensor 14 vorzugsweise in einem möglichst geringen Abstand d voneinander angeordnet, so dass die Einbau- und/oder Umgebungsbedingungen einander weitestgehend entsprechen. Der Abstand d beträgt insbesondere höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 8 mm, und insbesondere höchstens 6 mm. Ferner bilden die Signalleitungen 11, 13, 18 und 19 weitestgehend ein gemeinsames Signalkabel 20 aus. Die Signalleitungen 11, 13, 18 und 19 bilden insbesondere über mindestens 70 %, insbesondere über mindestens 80 % und insbesondere über mindestens 90 % ihrer gesamten Länge L das gemeinsame Signalkabel 20 aus. Dies ist prinzipiell in 2 veranschaulicht.
Die Referenz-Elektroden 16, 17 definieren zwischen sich einen Referenz-Abstand D_R. Für ein Verhältnis einer mittleren Position D_M des Messobjekts 3 zu dem Referenz-Abstand D_R gilt insbesondere 0,7 ≤ D_M / D_R ≤ 1,3, insbesondere 0,8 ≤ D_M / D_R ≤ 1,3, insbesondere 1,2 ≤ D_M / D_R ≤ 1,3, und insbesondere 0,9 ≤ D_M / D_R ≤ 1,1. Hierdurch ist im Wesentlichen gewährleistet, dass die Dicke des Dielektrikums zwischen den Referenz-Elektroden 16, 17 im Wesentlichen der Dicke des Dielektrikums zwischen den Elektroden 10, 12 des Positions-Messsensors 7 entspricht. Der Referenz-Abstand D_R ist beispielsweise fest, also die Referenz-Elektroden 16, 17 zueinander nicht verlagerbar.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Positions-Messeinrichtung 5, bei dem der Referenz-Messsensor 14 an einem Tragkörper 21 angeordnet ist. Der Tragkörper 21 ist beispielsweise auf der Basisplatte 6 angeordnet. Der Tragkörper 21 ist im Querschnitt als Hohlprofil ausgebildet, wobei die erste Referenz-Elektrode 16 und die zweite Referenz-Elektrode 17 bzw. die Referenz-Messfläche an gegenüberliegenden Innenseiten 22, 23 des Tragkörpers 21 angeordnet sind, so dass zwischen den Referenz-Elektroden 16, 17 das Umgebungsmedium als Dielektrikum angeordnet ist. Der Tragkörper 21 besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei einer Temperatur von 20°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α hat, für den betragsmäßig α ≤ 10·10^–8/K, insbesondere α ≤ 8·10^–8/K, und insbesondere α ≤ 6·10^–8/K gilt. Das Material ist insbesondere ein glaskeramisches Material. Derartige Materialien sind beispielsweise unter den Markenbezeichnungen ZERODUR oder ULE bekannt.
Die zweite Elektrode 12 und die entsprechende zweite Referenz-Elektrode 17 sind beispielsweise als Messflächen ausgebildet, die durch eine Beschichtung hergestellt sind. Die Referenz-Elektroden 16, 17 sind zueinander nicht verlagerbar, so dass der Referenz-Abstand D_R sowie das zugehörige Referenz-Signal R konstant sind. Aufgrund des Materials sowie der Ausbildung des Tragkörpers 21 als mechanischer Kurzschlussbügel ist der Referenz-Messsensor 14 driftstabil und reagiert nur äußerst gering auf Temperaturänderungen. Da das Umgebungsmedium bei dem Referenz-Messsensor 14 sowie bei dem Positions-Messsensor 7 als Dielektrikum wirkt, können Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise die Luftfeuchtigkeit und/oder der Luftdruck, als Stör-Signal S in dem Positions-Messsignal P_M und dem Referenz-Messsignal R_M erfasst und anschließend in der Recheneinheit 8 kompensiert werden. Da der Referenz-Messsensor 14 ein konstantes Referenz-Signal R erzeugt, wirkt dieser als passiver Sensor.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung 5. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist der Tragkörper 21 als Platte ausgebildet, an deren Außenseiten 24, 25 die Referenz-Elektroden 16, 17 angeordnet sind. Der Tragkörper 21 bildet hierbei ein Dielektrikum für den Referenz-Messsensor 14. Der Tragkörper 21 besteht vorzugsweise entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel aus einem Material, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweist. Dadurch, dass die Referenz-Elektroden 16, 17 nicht zueinander verlagerbar sind und der Tragkörper 21 ein Dielektrikum bildet, gehen in das Referenz-Messsignal R_M die Umgebungsbedingungen im Wesentlichen nicht ein, so dass insbesondere Störeinflüsse infolge der Signalleitungen 11, 13, 18, 19 und der Messelektronik 8a erfasst und kompensiert werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf das vorangegangene Ausführungsbeispiel verwiesen.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung 5, bei dem das Messobjekt 3 den Tragkörper 21 bildet. Das Messobjekt 3 ist somit zwischen den Referenz-Elektroden 16, 17 des Referenz-Messsensors 14 angeordnet und bildet für diesen ein Dielektrikum. Die Referenz-Elektroden 16, 17 sind an Außenseiten 24, 25 des Messobjekts 3 angeordnet. Die zweite Referenz-Elektrode 17 ist insbesondere als Referenz-Messfläche ausgebildet, die durch eine Beschichtung hergestellt ist. Die Referenz-Elektrode 17 bzw. die Referenz-Messfläche dient gleichzeitig als zweite Elektrode 12 bzw. Messfläche für den Positions-Messsensor 7. Das Messobjekt 3 besteht vorzugsweise aus einem Material entsprechend den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweist. Die Positions-Messeinrichtung 5 ist einfach aufgebaut und platzsparend. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung 5. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, bei denen der Referenz-Messsensor 14 als passiver Sensor mit einem konstanten Referenz-Abstand D_R betrieben wurde, wird der Referenz-Sensor 14 als aktiver Sensor bzw. Differenz-Sensor betrieben. Der Referenz-Messsensor 14 ist also derart angeordnet, dass sich das Referenz-Messsignal R_M bzw. das Referenz-Signal R in Abhängigkeit der Position x des Messobjekts 3 ändert. Hierzu ist der Referenz-Messsensor 14 an einer zu dem Positions-Messsensor 7 gegenüberliegenden Seite des Messobjekts 3 angeordnet. Die zweite Referenz-Elektrode 17 ist an der Außenseite 24 des Messobjekts 3 angeordnet, wohingegen die zweite Elektrode 12 an der Außenseite 25 angeordnet ist. Die zweiten Elektroden 12, 17 sind als Messflächen ausgebildet, die durch eine Beschichtung hergestellt sind. Die erste Elektrode 10 weist zu der zweiten Elektrode 12 einen mittleren Abstand bzw. eine mittlere Position D_M auf, die einem mittleren Referenz-Abstand D_R entspricht. Durch diese Anordnung ist die Summe der Abstände D_M und D_R konstant und entspricht im Wesentlichen dem zweifachen Abstand D_M bzw. D_R. Da aufgrund dieser Anordnung die Summe aus dem Positions-Signal P und dem Referenz-Signal R konstant sein muss, kann hieraus das Stör-Signal S bestimmt und eliminiert werden. Hierdurch können insbesondere Störeinflüsse infolge der Umgebungsbedingungen und Störeinflüsse infolge der Signalleitungen 11, 13, 18, 19 sowie der Messelektronik 8a erfasst und kompensiert werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Merkmale der erfindungsgemäßen Positions-Messeinrichtung 5, insbesondere der einzelnen Ausführungsbeispiele, können beliebig miteinander kombiniert werden, um Störeinflüsse mittels mindestens eines Referenz-Messsensors 14 zu kompensieren. Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung 5 Störeinflüsse von Signalkabeln, beispielsweise durch Biegung oder das Routing, Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Druck, Störeinflüsse infolge von Drift und Rauschen der Messelektronik 8a, Common-Mode-Störungen, Drift durch Veränderungen des Positions-Messsensors 7 über dessen Lebensdauer und/oder Störeinflüsse infolge einer Erwärmung der Messelektronik 8a kompensiert werden. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Positions-Messeinrichtung 5 robuster gegenüber Störeinflüssen und weist eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung auf. Insbesondere kann die Positions-Messeinrichtung 5 sofort nach dem Einschalten eingesetzt werden. Vorzugsweise entspricht der mindestens eine Referenz-Messsensor 14 im Aufbau sowie im Einbau dem zugehörigen Positions-Messsensor 7. Insbesondere die Messelektronik 8a, die Verkabelung, Stecker, die Anbringung, Ausführung und das Design der Messsensoren 7, 14 sollten entsprechend gewählt werden. Die Kompensation der Störeinflüsse bzw. die Berechnung des Positions-Signals P kann in Echtzeit oder in diskreten Zeitabständen durchgeführt werden.
Das berechnete Positions-Signal P wird in der Signalverarbeitung 8b mit einer Soll-Position verglichen. Aus der Regelabweichung erzeugt eine in der Signalverarbeitung 8b implementierte Positions-Regelung ein Stell-Signal U, mit dem der zugehörige Aktuator 4 angesteuert wird, um die Position x des Messobjekts 3 an die gewünschte Soll-Position anzupassen. Um die gewünschte Positioniergenauigkeit im Nanometerbereich bzw. Subnanometerbereich zu erzielen, muss der Aktuator 4 eine entsprechende Positioniergenauigkeit ermöglichen. Die Positioniergenauigkeit des Aktuators 4 beträgt insbesondere mindestens 1,0 nm, insbesondere mindestens 0,5 nm, und insbesondere mindestens 0,1 nm. Entsprechendes gilt für die Messgenauigkeit der Positions-Messeinrichtung 5. Der kapazitive Positions-Messsensor 7 kann entweder direkt die Position des Messobjekts 3 messen oder indirekt eine Position in der Kinematik des zugehörigen Aktuators 4 messen, die gleichermaßen eine Ermittlung der Position des Messobjekts 3 ermöglicht.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele des mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensors 7 und/oder des mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensors 14 im Detail beschrieben. Da die nachfolgenden Ausführungen gleichermaßen für den Positions-Messsensor 7 und den Referenz-Messsensor 14 gelten, sind die verschiedenen Ausführungsbeispiele allgemein anhand eines kapazitiven Messsensors 7, 14 erläutert. Zudem wird die Messelektronik 8a, die der Signalverarbeitung 8b das jeweilige Messsignal P_M bzw. R_M bereitstellt, als Teil des Messsensors 7, 14 betrachtet.
7 zeigt den prinzipiellen Aufbau des kapazitiven Messsensors 7, 14, wie dieser üblich ist. Aufgrund einer Limitierung des Bauraums sowie zur Vermeidung eines unerwünschten Wärmeeintrags ist die Messelektronik 8a räumlich entfernt von dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 und der darin aufgenommenen ersten Elektrode 10, 16 sowie der zweiten Elektrode 12, 17 angeordnet. Hierzu ist die Messelektronik 8a über die nachfolgend als Messleitung 11, 18 bezeichnete Signalleitung und die zweite Elektrode 12 über die nachfolgend als Versorgungsleitung 13, 19 bezeichnete Signalleitung mit der Messelektronik 8a verbunden. Die Versorgungsleitung 13, 19 ist über eine Wechselspannungsquelle 26 mit einem Bezugspotential 27 verbunden. Die Wechselspannungsquelle 26 erzeugt ein von einer Kapazität C des Messsensors 7, 14 abhängiges Messsignal, das über die Messleitung 11, 18 zu der Messelektronik 8a übertragen wird. Das Messsignal wird mittels eines Transistors 28 vorverstärkt und mittels einer Verstärkerschaltung 29 weiter verstärkt und aufbereitet. Durch ohmsche Widerstände R₁ und R₂ wird ein Arbeitspunkt des Transistors 28 festgelegt. Ein ohmscher Widerstand R₃ verbindet den Transistor 28 eingangsseitig mit dem Bezugspotential 27. Der Verstärkerschaltung 29 ist eine Signalmessung 30 und eine Signalauswertung 31 nachgeordnet, die aus dem verstärkten Messsignal relevante Messgrößen ermitteln, wie beispielsweise die Kapazität C und die zugehörige Position bzw. den zugehörigen Abstand x der Elektroden 10, 12 bzw. 16, 17. Die ermittelten Messgrößen werden der Signalverarbeitung 8b zugeführt, die diese beispielsweise für die Positions-Regelung verwendet. Die Signalauswertung 31 ist in Signalverbindung mit einer Steuerung 32, die die Wechselspannungsquelle 26 bzw. das Erregersignal steuert. Die Messelektronik 8a kann je nach Bedarf analog und/oder digital ausgebildet sein. Entsprechend kann die Signalverarbeitung 8b je nach Bedarf analog und/oder digital ausgebildet sein.
8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Erfindungsgemäß ist der Transistor 28 zur Verstärkung bzw. Vorverstärkung des Messsignals in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 nahe der ersten Elektrode 10, 16 angeordnet. Der Transistor 28 ist also in das Messsensor-Gehäuse 9, 15 integriert. Der Transistor 28 ist als Feldeffekt-Transistor ausgebildet und weist einen Gate-Anschluss 33, einen Source-Anschluss 34, einen Drain-Anschluss 35 und einen Bulk-Anschluss 36 auf. Der Gate-Anschluss 33 ist über eine Verbindungsleitung 37 mit der ersten Elektrode 10, 16 verbunden. Die Verbindungsleitung 37 ist in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 angeordnet und weist eine Länge von weniger als 100 mm, insbesondere von weniger als 10 mm, und insbesondere von weniger als 1 mm auf. Der Drain-Anschluss 35 ist über die Messleitung 11, 18 mit der Messelektronik 8a und der darin ausgebildeten Verstärkerschaltung 29 verbunden. Der Source-Anschluss 34 ist in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15 mit dem Bulk-Anschluss 36 kurzgeschlossen und über eine weitere Messleitung 11’, 18’ mit der Messelektronik 8a verbunden. Die Messleitung 11’, 18’ ist in der Messelektronik 8a über den ohmschen Widerstand R₂ mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel definieren die ohmschen Widerstände R₁ und R₂ den Arbeitspunkt des nun im Messsensor-Gehäuse 9, 15 angeordneten Transistors 28. Die zweite Elektrode 12, 17 ist entsprechend dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel über die Versorgungsleitung 13, 19 mit der Wechselspannungsquelle 26 und dem Bezugspotential 27 verbunden. Durch den Transistor 28 wird das zu der Verbindungsleitung 37 gehörige Messsignal bereits in dem Messsensor-Gehäuse 9, 15, also nahe der ersten Elektrode 10, 16 vorverstärkt, so dass das Messsignal P_M, R_M, das über die Messleitung 11, 18 übertragen wird, im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 um ein Vielfaches verstärkt ist. Das Messsignal P_M, R_M ist insbesondere mindestens um den Faktor 10, insbesondere mindestens um den Faktor 20, und insbesondere mindestens um den Faktor 50 verstärkt. Hierdurch fallen Störeinflüsse, die als Stör-Signal S, beispielsweise über die Messleitung 11, 18 in das Messsignal P_M, R_M eingekoppelt sind, wesentlich weniger ins Gewicht. Anders ausgedrückt, verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis um den oben erwähnten Faktor. Durch das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis wird die Messgenauigkeit verbessert, was für eine genauere Positionsmessung bzw. Positionsermittlung und/oder für eine Reduktion der technischen Anforderungen an das Signalkabel 20 und/oder die Messelektronik 8a genutzt werden kann.
Die Signalleitungen 11, 11’ und 13 bzw. 18, 18’ und 19 sind vorzugsweise gemeinsam in dem Signalkabel 20 zusammengefasst.
Das vorverstärkte Messsignal P_M, R_M wird in der Verstärkerschaltung 29 nochmals verstärkt und in der Signalauswertung 31 mit dem Erregersignal der Wechselspannungsquelle 26 verglichen, wodurch die gewünschten Messgrößen ermittelt werden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 37 über den ohmschen Widerstand R₃ mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Der ohmsche Widerstand R₃ ist innerhalb des Messsensor-Gehäuses 9, 15 angeordnet. Das Bezugspotential 27 ist prinzipiell ein beliebiges, festes und bekanntes Potential innerhalb zulässiger Grenzen. Beispielsweise ist das Bezugspotential 27 das Massepotential. Durch den ohmschen Widerstand R₃ wird das Potential der Verbindungsleitung 37 definiert. Der Widerstand R₃ wird hierzu hochohmig gewählt und beträgt insbesondere mindestens 10 kΩ, insbesondere mindestens 100 kΩ, und insbesondere mindestens 1000 kΩ. Das Bezugspotential 27 muss in der unmittelbaren Umgebung des Messsensor-Gehäuses 9, 15 hinreichend störungsarm zur Verfügung stehen, so dass über das Bezugspotential 27 keine Störungen eingekoppelt werden, die das verbesserte Signal-Rausch-Verhältnis zunichte machen würden. Beispielsweise kann als Bezugspotential 27 das Massepotential gewählt werden, indem der ohmsche Widerstand R₃ mit einem elektrisch gut leitenden Metallbauteil verbunden ist. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist der Source-Anschluss 34 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Die Messleitung 11’, 18’ und der ohmsche Widerstand R₂ können hierdurch entfallen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bildet der Source-Anschluss 34 und der ohmsche Widerstand R₃ einen Knoten aus, der mit dem Bezugspotential 27 verbunden ist. Durch die Verbindung mit dem Bezugspotential 27 kann die Messleitung 11’, 18’ und der ohmsche Widerstand R₂ entfallen. Zudem weist die Verbindungsleitung 37 ein definiertes Potential auf. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
12 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist die Verbindungsleitung 37 über den ohmschen Widerstand R₃ und eine weitere Signalleitung 11’’, 18’’ mit der Messelektronik 8a verbunden. In der Messelektronik 8a ist die Signalleitung 11’’, 18’’ über eine Gleichspannungsquelle 38 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Über die Gleichspannungsquelle 38 ist das Potential der Signalleitung 11’’, 18’’ frei wählbar, wodurch der Transistor 28 statisch in einem für die Messung vorteilhaften Betriebszustand gehalten werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, auf diese Weise eine Schwellspannung des Transistors 28 statisch zu überwinden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
13 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel bildet der Source-Anschluss 34 und der ohmsche Widerstand R₃ einen Knoten aus, der über die Signalleitung 11’’, 18’’ und die Gleichspannungsquelle 38 mit dem Bezugspotential 27 verbunden. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
14 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensors 7, 14. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, bei denen die erste Elektrode 10, 16 und der Transistor 28 diskrete Bauelemente ausgebildet haben, sind die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt-Transistor 28 als integrierte Schaltung ausgebildet. Die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt-Transistor 28 sind also mit Methoden des Mikroelektronik-Designs in einem integrierten Schaltkreis implementiert. Bei der Integration wird die Tatsache genutzt, dass der Feldeffekt-Transistor 28 bereits selbst einen Kondensator ausbildet, nämlich zwischen dem Gate-Anschluss 33 bzw. dem Gate-Pol und dem Bulk-Anschluss 36 bzw. dem Bulk-Pol. Dieser Kondensator wird insbesondere durch einen in 14 angedeuteten Kanal 39 unterhalb des Gate-Anschlusses 33 gebildet. Der Feldeffekt-Transistor 28 ist somit nicht lediglich als reiner Signalverstärker anzusehen, sondern ist bei diesem Ausführungsbeispiel integraler Bestandteil des Messsensors 7, 14, da das zu messende elektrische Feld unmittelbar auf den Kanal 39 des Feldeffekt-Transistors 28 wirkt. Vorteilhaft ist insbesondere, dass die potentiell störempfindliche Verbindungsleitung 37 zwischen der ersten Elektrode 10, 16 und dem Gate-Anschluss 33 äußerst kurz ausgebildet ist und eine Länge von weniger als 1 µm aufweist. Das zu messende elektrische Feld wird somit durch seinen Einfluss auf die Verstärkung selbst gemessen, was die Störempfindlichkeit auf ein Minimum reduziert. Zusätzlich wird der benötigte Bauraum erheblich verkleinert, da die erste Elektrode 10, 16 und der Feldeffekt-Transistor 28 zu einer Einheit verschmelzen. Die Integration der ersten Elektrode 10, 16 und des Feldeffekt-Transistors 28 kann prinzipiell auf jedes der vorangegangenen Ausführungsbeispiele angewandt werden. Der jeweilige Schaltplan wird dadurch nicht verändert, lediglich das Layout bzw. der integrierte Aufbau unterscheidet sich von dem diskreten Aufbau. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise des Messsensors 7, 14 und der Positions-Messeinrichtung 5 wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Der erfindungsgemäße kapazitive Messsensor 7, 14 ermöglicht einen vergleichsweise besseren Kompromiss zwischen den beschränkenden Einflussgrößen Bauraum, Wärmeentwicklung und zu erreichender Messgenauigkeit. Mit dem erfindungsgemäßen kapazitiven Messsensor 7, 14 kann die Messgenauigkeit erheblich erhöht werden, ohne dass in der Regel der zur Verfügung stehende Bauraum beeinträchtigt wird und/oder die zusätzliche Wärmeentwicklung infolge des Transistors 28 nachteilig wäre. Die gewonnene Messgenauigkeit kann wahlweise zur Vereinfachung der Messelektronik 8a und/oder des Signalkabels 20 genutzt werden. Durch den Transistor 28 wird das Messsignal bereits am Ort des Entstehens verstärkt, so dass bereits das verstärkte Messsignal P_M, R_M zu der räumlich entfernt angeordnete Messelektronik 8a übermittelt wird. Hierdurch ist das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert.
Der beschriebene kapazitive Messsensor 7, 14 ist grundsätzlich nicht auf die Messung einer Position bzw. eines Abstands begrenzt, sondern kann auch zur Messung anderer mechanischer Größen, wie beispielsweise von Füllständen und Drücken eingesetzt werden.
Bei der beschriebenen Positions-Messeinrichtung 5 bzw. der Positioniervorrichtung 2 wird eine hohe Genauigkeit bei der Positionsermittlung einerseits dadurch erzielt, dass dem mindestens einem Positions-Messsensor 7 ein Referenz-Messsensor 14 zugeordnet ist, so dass Störeinflüsse in dem Positions-Messsignal P_M eliminierbar sind. Andererseits wird eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionsermittlung dadurch erzielt, dass der Transistor 28 in das jeweilige Messsensor-Gehäuse 9, 15 integriert ist, so dass das Positions-Messsignal P_M bzw. das Referenz-Messsignal R_M vor der Übertragung zu der Messelektronik 8a bereits verstärkt ist, also ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Beide Methoden können isoliert oder gemeinsam Anwendung finden. Beispielsweise können der jeweilige Positions-Messsensor 7 und der zugehörige Referenz-Messsensor 14 herkömmlich aufgebaut sein, wie dies in 7 veranschaulicht ist. Die erhöhte Genauigkeit wird in diesem Fall ausschließlich durch das Eliminieren der Störeinflüsse erzielt. Weiterhin kann beispielsweise dem jeweiligen Positions-Messsensor 7 kein Referenz-Messsensor 14 zugeordnet sein, jedoch der Positions-Messsensor 7 mit einem in das Messsensor-Gehäuse 9 integrierten Transistor 28 ausgestattet sein, wie dies in den 8 bis 14 veranschaulicht ist. In diesem Fall wird die erhöhte Genauigkeit ausschließlich durch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erzielt. Eine optimale Genauigkeit wird jedoch dann erzielt, wenn beide Methoden miteinander kombiniert werden, also dem jeweiligen Positions-Messsensor 7 ein zugehöriger Referenz-Messsensor 14 zugeordnet ist, um Störeinflüsse zu eliminieren, und sowohl der jeweilige Positions-Messsensor 7 als auch der zugehörige Referenz-Messsensor 14 mit einem in das jeweilige Messsensor-Gehäuse 9, 15 integrierten Transistor 28 ausgebildet ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Claims

Positions-Messeinrichtung zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts, umfassend: – mindestens einen kapazitiven Positions-Messsensor (7) zur Bereitstellung eines Positions-Messsignals (P_M) zu einem Messobjekt (3), – mindestens einen kapazitiven Referenz-Messsensor (14) zur Bereitstellung eines Referenz-Messsignals (R_M), – eine Recheneinheit (8) zur Ermittlung von Positionen des Messobjekts (3), – die mit dem mindestens einen Positions-Messsensor (7) und dem mindestens einen Referenz-Messsensor (14) verbunden ist und – die derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Positionen aus dem Positions-Messsignal (P_M) und dem Referenz-Messsignal (R_M) ein Positions-Signal (P) berechnet wird.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) mittels Signalleitungen (11, 11’, 11’’, 13, 18, 18’, 18’’, 19) mit dem jeweiligen Positions-Messsensor (7) und dem jeweils zugehörigen Referenz-Messsensor (14) verbunden ist, die zumindest abschnittsweise, insbesondere über mindestens 70 %, insbesondere über mindestens 80 % und insbesondere über mindestens 90 % ihrer gesamten Länge (L), ein Signalkabel (20) ausbilden.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Positions-Messsensor (7) ein Referenz-Messsensor (14) zur Berechnung des Positions-Signals (P) zugeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Positions-Messsensoren (7) ein gemeinsamer Referenz-Messsensor (14) zur Berechnung des jeweiligen Positions-Signals (P) zugeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) zu dem zugehörigen mindestens einen Positions-Messsensor (7) in einem Abstand (d) von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 8 mm, und insbesondere von höchstens 6 mm angeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) eine erste Referenz-Elektrode (16) und eine zweite Referenz-Elektrode (17) aufweist, die an einem Tragkörper (21) angeordnet sind und/oder nicht zueinander verlagerbar sind.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Elektroden (16, 17) einen Referenz-Abstand D_R definieren, wobei für ein Verhältnis einer mittleren Position D_M des Messobjekts (3) zu dem Referenz-Abstand D_R insbesondere gilt: 0,7 ≤ D_M/D_R ≤ 1,3, insbesondere 0,8 ≤ D_M/D_R ≤ 1,2, und insbesondere 0,9 ≤ D_M/D_R ≤ 1,1.
Positions-Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (21) aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur von 20°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α hat, für den betragsmäßig gilt: α ≤ 10∙10^–8/K, insbesondere α ≤ 8∙10^–8/K, und insbesondere α ≤ 6∙10^–8/K.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (21) im Querschnitt als Hohlprofil ausbildet und die Referenz-Elektroden (16, 17) an gegenüberliegenden Innenseiten (22, 23) des Tragkörpers (21) angeordnet sind.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (21) zwischen der Referenz-Elektroden (16, 17) angeordnet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (21) durch das Messobjekt (3) ausgebildet ist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) derart angeordnet ist, dass sich das Referenz-Messsignal (R_M) in Abhängigkeit der Position des Messobjekts (3) ändert.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der kapazitiven Messsensoren (7, 14) einen in ein Messsensor-Gehäuse (9, 15) integrierten Transistor (28) zur Signalverstärkung aufweist.
Positions-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Positions-Messsensor (7) und der mindestens eine Referenz-Messsensor (14) baugleich sind.
Positioniervorrichtung mit – einem zu positionierenden Messobjekt (3), – einem Aktuator (4) zur Positionierung des Messobjekts (3), – einer Positions-Messeinrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (8) derart ausgebildet ist, dass anhand des berechneten Positions-Signals (P) der Aktuator (4) angesteuert wird, wobei der Aktuator (4) insbesondere eine Positioniergenauigkeit von mindestens 1,0 nm, insbesondere von mindestens 0,5 nm, und insbesondere von mindestens 0,1 nm aufweist.
Projektionsbelichtungsanlage mit einer Positioniervorrichtung (2) nach Anspruch 15 oder 16.
Verfahren zur Ermittlung von Positionen eines Messobjekts mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Positions-Messsignals (P_M) zu einem zu positionierenden Messobjekt (3) mittels mindestens eines kapazitiven Positions-Messsensors (7), – Bereitstellen eines Referenz-Messsignals (R_M) mittels mindestens eines kapazitiven Referenz-Messsensors (14), – Übermitteln der Messsignale (P_M, R_M) an eine Recheneinheit (8) zur Ermittlung einer Position des Messobjekts (3), und – Berechnen eines Positions-Signals (P) aus dem Positions-Messsignal (P_M) und dem Referenz-Messsignal (R_M) zur Ermittlung der Positionen.