DE69725071T2

DE69725071T2 - Vorrichtung zur Detektion der Position

Info

Publication number: DE69725071T2
Application number: DE69725071T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Ueno; Takaaki Yagi; Mitsuchika Saito
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: EP0821216A2; US5861754A; EP0821216B1; DE69725071D1; JPH1038508A; EP0821216A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionserfassungsvorrichtung, die beispielsweise in Verbindung mit einem Hochpräzisions-Positionierungsmechanismus verwendet werden kann. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf eine Positionierungsvorrichtung, die eine präzise Steuerung von einer Positionierungsvorrichtung, für beispielsweise ein Sondenziel in einem Rastersondenmikroskop, oder von einer Speichervorrichtung eines beweglichen Mediumtyps liefert.
Ein typisches Rastersondenmikroskop ist eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um die Entfernung zwischen der Spitze einer Sondennadel und einer Testprobenoberfläche, die auch als Sondenziel bezeichnet wird, zu messen. Eine solche Entfernung wird durch Messen der physischen Größen zwischen der Sondennadelspitze und der Testoberfläche bestimmt. Das Rastersondenmikroskop kann beispielsweise die elektrostatische Kapazität und die Kontaktspannung zwischen der Sondennadelspitze und der Testoberfläche oder einen Tunnelstrom, der durch die Sondennadelspitze und die Testoberfläche fließt, messen. Ein Rastersondenmikroskop kann physische Größen, wie z. B. eine Entfernung, in einem extrem kleinen Bereich der Testprobenoberfläche erfassen. Dieser Bereich kann Abmessungen in der Ordnung von mehreren Nanometern aufweisen.
Die Rastersondenmikroskop-Technik kann bei verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps, die eine Rastersondenmikroskop-Technik beinhaltet, ein Bit von Informationen aufzeichnen und reproduzieren, die in einem extrem kleinen Bereich gespeichert sind. Dieser Bereich kann einen Durchmesser von etwa 30 Nanometern aufweisen.
Bei Anwendungen, wie z. B. einem Rastersondenmikroskop oder einer Speichervorrichtung, müssen die Sonde und das Sondenziel mit einem Fehler von weniger als der gewünschten räumlichen Auflösung relativ zueinander positioniert werden können. In einer Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps müssen die Sonde und das Sondenziel beispielsweise mit einem Fehler von weniger als der Größe des Bereichs, der zum Aufzeichnen eines Bits verwendet wird, relativ zueinander positioniert werden. Die Vorrichtung muß die Sonde oder das Sondenziel mit einem Positionsfehler positionieren können, der kleiner als die Abmessungen des kleinstmöglichen Bereichs der Zieloberfläche ist, die sie exakt auflösen soll. Dementsprechend beeinflußt die Präzision, mit der die Sonde oder die Sondenzielpositionierung gesteuert wird, wie klein ein Bereich sein kann, auf den durch eine solche Vorrichtung zugegriffen wird. Da außerdem die meisten Positionierungsvorrichtungen Vorrichtungen mit geschlossenem Regelkreis sind, die eine Positionserfassungsvorrichtung umfassen, kann die Genauigkeit, mit der die Positionierungsvorrichtung das Sondenziel positionieren kann, von der Genauigkeit abhängen, mit der die Positionserfassungsvorrichtung die Position des Sondenziels erfassen kann.
In der EP-A-0023732 wird eine Positionserfassungsvorrichtung basierend auf mehreren variablen Kondensatoren beschrieben.
In Piezo/Electrostrictive Actuators, Seiten 94–102, Morikita Shuppan (1990), offenbarte K. Uchino verschiedene Verfahren, die verwendet werden können, um eine Positionserfassungsvorrichtung des Typs zu implementieren, der zum Positionieren eines Sondenziels mit einer Präzision in der Ordnung von der oben beschriebenen erforderlich ist. Die meisten Vorrichtungen, die durch Uchino offenbart werden, sind jedoch physisch groß und können daher nicht als Teil einer integrierten Schaltung gefertigt werden.
1 zeigt eine Positionserfassungsvorrichtung, die auf einer Kapazität basiert und die einen Teil einer integrierten Schaltung bilden kann. Eine typische Kapazitäts-Typ- Positionserfassungsvorrichtung umfaßt vier Kondensatoren, die angeordnet sind, um die Wechselstrom-Brückenschaltung 21 zu bilden, die in 2 gezeigt ist. Einer der Kondensatoren, der die Wechselstrom-Brückenschaltung 21 bildet, umfaßt die erste Elektrode A, die an der Zielstufe 23 befestigt ist, und umfaßt die zweite Elektrode B, die am Substrat 24 befestigt ist. Die Elektroden A und B sind senkrecht zur Richtung der Bewegung der Zielstufe ausgerichtet. Die verbleibenden drei Kondensatoren der Wechselstrom-Brückenschaltung sind feststehende Kondensatoren. Die Positionserfassungsvorrichtung erfaßt eine Veränderung in der relativen Position zwischen der Zielstufe und dem Substrat von der Variation der Kapazität des Kondensators, der durch die Elektroden A und B gebildet ist. Solche Variationen der Kapazität resultieren von den entsprechenden Veränderungen im Zwischenraum d zwischen den Elektroden A und B des Kondensators.
Die Differentialausgangsspannung zwischen den Ausgangsknoten der Wechselstrombrücke 21 hängt von der Veränderung des Zwischenraums d zwischen den Kondensatorelektroden A und B ab. Diese Spannung wird der Erfassungsschaltung 6 zugeführt, die den Differentialverstärker 36, die synchrone Detektorschaltung 121 und das Tiefpaßfilter 20 umfaßt. Die synchrone Detektorschaltung 121 erfaßt die verstärkte Differentialausgangsspannung der Wechselstrombrücke. Das Tiefpaßfilter 20 entfernt die Hochfrequenzkomponente des Signals, das durch den synchronen Detektor erzeugt wird, um ein Gleichstromausgangssignal zu liefern, das die relative Verschiebung zwischen der Sondenstufe 23 und dem Substrat 24 darstellt.
Um die Positionserfassungsempfindlichkeit in der vorstehend beschriebenen Elektrostatische-Kapazität-Positionserfassungsvorrichtung zu verbessern, muß der Bereich der Kondensatorelektroden erweitert werden. Da die Kondensatorelektroden senkrecht zu den Hauptoberflächen der Zielstufen des Substrats angeordnet sind, würde dies voraussetzen, daß relativ große Zubehörteile, die die Kondensatorelektroden tragen, an der Zielstufe und dem Substrat angebracht sein müssen. Infolgedessen müssen Sondenvorrichtungen, die solche Positionserfassungstechniken verwenden, relativ groß sein. Als solche sind sie für Anwendungen wie integrierte Schaltungen nicht nützlich.
Es besteht ein Bedarf an einer Positionserfassungsvorrichtung, die eine hohe Erfassungsauflösung, ein Ausgangssignal, das eine Position linear darstellt, aufweist und die ohne weiteres als Teil einer integrierten Schaltung gefertigt werden kann.
Die Erfindung schafft eine Positionserfassungsvorrichtung vor, die verwendet werden kann, um die relative Position zwischen zwei Substraten präzise zu erfassen. Diese Substrate können beispielsweise eine sondenintegrierte Schaltung und eine stufenintegrierte Schaltung sein. Die Positionserfassungsvorrichtung kann in eine Sondenvorrichtung integriert sein, ohne die Größe der Sondenvorrichtung erheblich zu erweitern. Die erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung kann beispielsweise als Teil einer integrierten Schaltung gefertigt sein, die einen Teil der Sondenvorrichtung bildet.
Die erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung weist ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, eine Wechselstrombrücke, die aus vier variablen Kondensatoren besteht, und eine Erfassungsschaltung auf. Das erste und das zweite Substrat weisen eine erste Flachelektrodenoberfläche bzw. eine zweite Flachelektrodenoberfläche auf. Das zweite Substrat ist entgegengesetzt zum ersten Substrat befestigt, wobei die erste Elektrodenoberfläche entgegengesetzt zur zweiten Elektrodenoberfläche und getrennt von der zweiten Elektrodenoberfläche um einen winzigen Zwischenraum ist. Das zweite Substrat und das erste Substrat sind in der Ebene der Elektrodenoberflächen relativ zueinander beweglich.
Jeder der variablen Kondensatoren, die die Wechselstrombrücke darstellen, besteht aus einer ersten Kondensatorelektrode, die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert ist, und einer zweiten Kondensatorelektrode, die entgegengesetzt zur ersten Kondensatorelektrode auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert ist. Die Kondensatorelektroden von zwei der variablen Kondensatoren sind lange Kondensatorelektroden, und die Kondensatorelektroden der verbleibenden zwei der variablen Kondensatoren sind kurze Kondensatorelektroden. Die kurzen Kondensatorelektroden sind kürzer als die langen Kondensatorelektroden in der Erfassungsrichtung der Positionserfassungsvorrichtung. Die langen Kondensatorelektroden, die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert sind, sind in die Erfassungsrichtung relativ zu den langen Kondensatorelektroden, die auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert sind, versetzt, wenn das erste Substrat in seiner Startposition ist. Die Erfassungsschaltung leitet ein Positionsanzeigesignal von der Ausgangsspannung, die durch die Wechselstrombrücke erzeugt wird, ab. Das Positionsanzeigesignal stellt die relative Position des ersten Substrats und des zweiten Substrats in der Erfassungsrichtung dar.
Der Überlappungsbereich zwischen dem Paar von Kondensatorelektroden, die jeweils die variablen Kondensatoren darstellen, hängt von relativen Positionen zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ab, z. B. zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung. Demzufolge variieren die Kapazitäten der vier variablen Kondensatoren linear, abhängig von der relativen Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung. Jeder variable Kondensator bildet einen Arm der Wechselstrombrückenschaltung, so daß sich die Ausgangsspannung der Wechselstrombrücke linear, abhängig von der relativen Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung verändert. Dies ermöglicht, daß die relative Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung durch Erfassen der Brückenausgangsspannung bestimmt werden kann. Dies ist darin begründet, daß die Brückenausgangsspannung von der Kapazität abhängt, die von dem positionsabhängigen Bereich der Überlappung zwischen den Kondensatorelektroden von jedem variablen Kondensator resultiert.
Da die Kondensatorelektroden parallel zu den Elektrodenoberflächen der Substrate ausgerichtet sind, und da alle Kondensatoren, die die Wechselstrombrücke bilden, variable Kondensatoren sind, schafft die Erfindung eine Positionserfassungsvorrichtung, die eine kleinere Form aufweist und eine verbesserte Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Elektrostatische-Kapazität-Positionserfassungsvorrichtungen. Da alle Kondensatoren der Wechselstrombrücke variable Kondensatoren sind, ist die Positionserfassungsvorrichtung gegenüber Positionsveränderungen in die zwei Richtungen orthogonal zur Erfassungsrichtung unempfindlich. Da alle Kondensatoren der Wechselstrombrücke variable Kondensatoren sind, variiert das Positionsanzeigesignal linear mit der relativen Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung. Die Positionserfassungsvorrichtung weist den weiteren Vorteil auf, daß sie einfach zu fertigen ist, da die Kondensatorelektroden auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung unter Verwendung einer Standardfertigungstechnologie für integrierte Schaltungen gebildet sein können, und die Positionserfassungsschaltung kann gleichzeitig in die integrierte Schaltung unter Verwendung von ähnlichen Fertigungstechniken gebaut werden.
Die Kondensatorelektroden sind durch ein Dielektrikum getrennt. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Dielektrikum Luft. Eine parasitäre Kapazität kann jedoch zwischen den Kondensatorelektroden und der integrierten Schaltung mit dem Zwischenschichtisolator eintreten, der die Kondensatorelektroden von der integrierten Schaltung, die das Dielektrikum liefert, isoliert. Eine solche parasitäre Kapazität kann größer als die Kapazität der variablen Kondensatoren sein, die die Wechselstrombrückenschaltung bilden. Ferner ist eine solche parasitäre Kapazität von der relativen Position zwischen der sondenintegrierten Schaltung und der stufenintegrierten Schaltung nahezu unabhängig und ist mit den variablen Kondensatoren, die die Wechselstrombrücke bilden, parallel geschaltet. Dementsprechend verringert die parasitäre Kapazität die Empfindlichkeit der Positionserfassungsvorrichtung.
Um eine hohe Positionserfassungsempfindlichkeit ungeachtet der Effekte der parasitären Kapazität zu schaffen, kann die Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung eine Wächterelektrode umfassen, die auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenschichtisolators von jeder Kondensatorelektrode positioniert ist. Eine Kopplungsschaltung legt die Spannung auf der Kondensatorelektrode an die darunterliegende Wächterelektrode an. Diese Spannung hebt den Effekt der parasitären Kapazität auf und verhindert, daß die parasitäre Kapazität die Empfindlichkeit der Wechselstrombrücke verringert.
Bei einer bevorzugten Variation sind zwei benachbarte der Kondensatorelektroden, die auf der einen der Elektrodenoberflächen positioniert sind, elektrisch miteinander verbunden, um einen Ausgangsknoten der Wechselstrombrücke zu schaffen. In diesem Fall kann die Positionserfassungsvorrichtung zusätzlich eine Wächterelektrode, die Isolationsschicht und eine Kopplungsschaltung aufweisen. Die Wächterelektrode ist auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert und liegt unter den miteinander verbundenen Kondensatorelektroden, die auf dieser Elektrodenoberfläche positioniert sind. Die Isolationsschicht ist zwischen der Wächterelektrode und dem Kondensatorelektroden sandwichartig angeordnet. Die Kopplungsschaltung koppelt die Spannung vom Ausgangsknoten mit der Wächterelektrode, um den Effekt der parasitären Kapazität zu neutralisieren.
Die miteinander verbundenen Kondensatorelektroden sind in eine erste Richtung zueinander benachbart. Die Erfassungsvorrichtung kann zusätzlich eine zusätzliche Wächterelektrode und eine zusätzliche Isolationsschicht aufweisen. Die zusätzliche Wächterelektrode ist auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert und liegt unter den zwei nicht miteinander verbundenen der Kondensatorelektroden, die auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert sind. Die nicht miteinander verbundenen Kondensatorelektroden sind in die erste Richtung zueinander benachbart. Die zusätzliche Isolationsschicht ist zwischen den nicht miteinander verbundenen Kondensatorelektroden und der zusätzlichen Wächterelektrode sandwichartig angeordnet. Die Kopplungsschaltung koppelt zusätzlich die Spannung vom Ausgangsknoten mit der zusätzlichen Wächterelektrode.
Ein Eliminieren der Effekte der parasitären elektrostatischen Kapazität ermöglicht, daß Luft oder ein anderes Gas als das Dielektrikum der variablen Kondensatoren, die die Wechselstrombrücke bilden, verwendet werden kann. Die Verwendung von Luft ermöglicht den Kondensatorelektroden, sich frei zueinander zu bewegen. In dieser Weise wird die Erfassungsempfindlichkeit, die durch die Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ansprechend auf relative Positionsveränderungen der sondenintegrierten Schaltung und der stufenintegrierten Schaltung geliefert wird, erheblich erhöht.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich gemacht werden. Die Erfassungsschaltung kann die Ausgangsspannung der Wechselstrombrücke durch die Amplitude der Antriebsspannung teilen. Dies macht das Positionsanzeigensignal weniger von den Effekten der Temperaturdrift in der Amplitude der Wechselstrombrücken-Antriebsspannung abhängig.
Positionserfassungsfehler, die von einer differentiellen Wärmeausdehnung resultieren, die durch unterschiedliche Temperaturveränderungen zwischen der sonden- und stufenintegrierten Schaltung bewirkt wird, können ebenfalls vermindert werden. Diese Fehler können durch Senken des Temperaturunterschieds zwischen der sonden- und stufenintegrierten Schaltung verringert werden. Der Temperaturunterschied kann durch Verschmälern des Zwischenraums zwischen den Elektrodenoberflächen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung auf weniger als etwa 2 Mikrometer minimiert werden.
Der Temperaturunterschied, und daher die Positionserfassungsfehler, können ferner durch Versiegeln eines Edelgases, wie z. B. Stickstoff oder Helium, in dem Zwischenraum zwischen der sondenintegrierten Schaltung und der stufenintegrierten Schaltung verringert werden. Solche Gase weisen einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als der von Luft auf und liefern eine nähere thermische Kopplung zwischen den zwei integrierten Schaltungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun ausschließlich mittels eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 die Schaltung einer herkömmlichen Kapazität-Typ-Positionserfassungsvorrichtung.
2 die Anordnung der Elektroden in einer herkömmlichen Positionserfassungsvorrichtung.
3 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kapazität-Typ-Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
4A Draufsichten, die relative Positionen der Konden- bis 4D satorelektroden in verschiedenen Positionen der stufenintegrierten Schaltung in der Positionserfassungsvorrichtung, die in 3 gezeigt ist, zeigen.
5 ein Schaltungsdiagramm der Wechselstrombrücke, die durch die Kondensatorelektroden in der Positionserfassungsvorrichtung, die in 3, 4A und 4B gezeigt ist, gebildet ist.
6 die Schwankung der Brückenausgangsspannung der Wechselstrombrücke in den verschiedenen Positionen der stufenintegrierten Schaltung, die in 4A–4D gezeigt ist.
7 die parasitären Kapazitäten, die auftreten können, wenn die Kondensatorelektroden auf einer integrierten Schaltung gebildet sind.
8 ein Graph, der die Kapazität zwischen den Kondensatorelektroden und der parasitären Kapazität in einer tatsächlichen integrierten Schaltung zeigt.
9 eine Ersatzschaltung, die parasitäre Kapazitäten zeigt, die der Wechselstrombrückenschaltung, die in 5 gezeigt ist, hinzugefügt wurden.
10 den Effekt der parasitären Kapazität auf die Schwankung der Brückenausgangsspannung der Wechselstrombrücke in den verschiedenen Positionen der stufenintegrierten Schaltung, die in 4A –4D gezeigt ist.
11 eine schematische Anordnung der Wächterelektroden, die zum Entfernen des Effekts der parasitären Kapazität vorgesehen sind.
12A Draufsichten und eine Querschnittsansicht eines bis 12C zweiten Ausführungsbeispiels der Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der jede Wächterelektrode unter zwei benachbarten Kondensatorelektroden liegt.
13 ein Schaltungsdiagramm einer Erfassungsschaltung ist, die eine Teilerschaltung umfaßt, um die Stabilität der Vorrichtung im Hinblick auf die Temperatur zu verbessern.
14A die Betriebssignalverläufe an verschiedenen Punk- bis 14F ten in der Erfassungsschaltung, die in 13 gezeigt ist.
15 eine alternative Erfassungsschaltung, die eine Multipliziererschaltung verwendet.
16 ein Ausführungsbeispiel der Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die in einem beweglichen Mediumtypspeicher beinhaltet ist.
17 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung der Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die in ein bewegliches Tunnelmikroskop eingebaut ist.
3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung 0. Die Positionserfassungsvorrichtung erfaßt die relative Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung 1 und der sondenintegrierten Schaltung 2 in eine Richtung, die als die Erfassungsrichtung bezeichnet wird. Zusätzliche Positionserfassungsvorrichtungen können vorgesehen sein, um die relative Position zwischen der stufenintegrierten Schaltung 1 und der sondenintegrierten Schaltung 2 in zusätzliche Erfassungsrichtungen zu erfassen. Neben der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltun umfaßt die Positionserfassungsvorrichtung auch die Kondensatorelektroden 3a–3d und 3e–3h (siehe 4A und 4B), die Aufhängung 4, den Abstandshalter 5 und die Erfassungsschaltung 6.
Die stufenintegrierte Schaltung umfaßt die Flachstufen-Elektrodenoberfläche 1a, und die sondenintegrierte Schaltung umfaßt die Flachsonden-Elektrodenoberfläche 2a. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in eine Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps eingebaut ist, ist ein Aufzeichnungsmedium auf einem Teil der Stufenelektrodenoberfläche gebildet. Daten werden auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums durch Sonden (nicht gezeigt), die auf oder in einem Teil der Sondenelektrodenoberfläche gebildet sind, gelesen und geschrieben.
Die stufenintegrierte Schaltung 1 wird durch die Aufhängung 4 mit der Stufenelektrodenoberfläche 1a gegenüber und parallel zu der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung 2 unterstützt. Die stufenintegrierte Schaltung wird so unterstützt, daß die Stufenelektrodenoberfläche von der Sondenelektrodenoberfläche durch einen minimalen Zwischenraum getrennt ist. Die Breite des Zwischenraums ist vorzugsweise kleiner als mehrere Mikrometer und kann durch die Dicke der Abstandshalter 5 definiert sein. Die Aufhängung behält die stufenintegrierte Schaltung in einer Position bei, in der die Stufenelektrodenoberfläche im wesentlichen parallel zu der Sondenelektrodenoberfläche ist. Die Position der stufenintegrierten Schaltung in einer Ebene parallel zu der Sondenelektrodenoberfläche kann zumindest in eine Richtung durch eine Kraft verändert werden, die durch ein Betätigungsglied (nicht gezeigt) angewendet wird. Mehrere geeignete Typen von Betätigungsgliedern sind in der Technik bekannt. Die Richtung, in die das Betätigungsglied die stufenintegrierte Schaltung bewegt, fällt bevorzugter Weise mit der Erfassungsrichtung der Positionserfassungsschaltung 0 zusammen. Die Erfassungsschaltung 6 ist als eine Schaltung gezeigt, die auf der sondenintegrierten Schaltung positioniert ist, jedoch auf der stufenintegrierten Schaltung positioniert sein kann oder zwischen den zwei oder zwischen den zwei integrierten Schaltungen aufgeteilt werden kann.
3 zeigt ein Paar der kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3c und das Paar der langen Kondensatorelektroden 3b, 3d, die auf gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen 1a und 2a der stufenintegrierten Schaltung 1 und der sondenintegrierten Schaltung 2 positioniert sind. Die Kondensatorelektroden sind in die Erfassungsrichtung der Positionserfassungsvorrichtung 0 „kurz" oder „lang". Bei dem in 3 gezeigten Beispiel fällt die Erfassungsrichtung mit der x-Richtung in 4A zusammen.
Das Paar der kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3c und das Paar der langen Kondensatorelektroden 3b, 3d bildet jeweils einen variablen Kondensator, der Luft als ein Dielektrikum aufweist und dessen Kapazität von der Position der stufenintegrierten Schaltung in die Erfassungsrichtung abhängt. Ein zusätzliches Paar von kurzen Kondensatorelektroden und ein zusätzliches Paar von langen Kondensatorelektroden (das hinter den Kondensatorelektroden 3a–3d verborgen ist und daher in 3 nicht gezeigt ist) bilden zwei weitere variable Kondensatoren, die an Kapazität ebenfalls von der Position der stufenintegrierten Schaltung abhängt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, können die zusätzlichen Kondensatorelektroden vorgesehen sein, um variable Kondensatoren zu bilden, deren Kapazität von der Position der stufenintegrierten Schaltung in eine zusätzliche Erfassungsrichtung abhängt. Die zusätzliche Erfassungsrichtung kann beispielsweise die y-Richtung, orthogonal zur x-Richtung sein, die in 4A gezeigt ist.
Wie vorstehend angemerkt, umfaßt die Positionserfassungsvorrichtung 0 gemäß der Erfindung tatsächlich vier Paare von Kondensatorelektroden, zwei Paare von kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3c und 3e, 3h und zwei Paare von langen Kondensatorelektroden 3b, 3d und 3f, 3g. Die Kondensatorelektroden, ihre relativen Größen und Positionsbeziehungen zwischen denselben sind in der Draufsicht des Teils der sondenintegrierten Schaltung 2, die in 4A gezeigt ist, und in der Draufsicht der stufenintegrierten Schaltung 1, die in drei Positionen in 4B–4D gezeigt ist, gezeigt. Die Kondensatorelektroden 3a, 3b, 3e und 3f sind auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung positioniert, und die Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3g und 3h sind auf der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung gegenüber der Stufenelektrodenoberfläche positioniert.
4A zeigt die Formen und Positionen der Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3g und 3h, die auf einem Teil der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung 2 positioniert sind. Die Länge der langen Kondensatorelektroden 3d und 3g in die x-Richtung, d. h. in die Erfassungsrichtung der Positionserfassungsvorrichtung 0, ist größer als die der kurzen Kondensatorelektroden 3c und 3h. Bevorzugter Weise ist die Länge 2L₀ der langen Kondensatorelektroden 3d und 3g zweimal der Länge L₀ der kurzen Kondensatorelektroden 3c und 3h. Die Kondensatorelektroden, die auf der sondenintegrierten Schaltung 2 positioniert sind, sind in den 4A–4D als Elektroden gezeigt, die die gleiche Breite W wie jene aufweisen, die auf der stufenintegrierten Schaltung 1 befestigt sind, dies ist jedoch nicht von Bedeutung. Die Kondensatorelektroden, die auf der sondenintegrierten Schaltung positioniert sind, können eine andere Breite als jene aufweisen, die auf der stufenintegrierten Schaltung positioniert sind. Außerdem können die Kondensatorelektroden zur Realisierung der Bewegung der stufenintegrierten Schaltung in die y-Richtung Breiten aufweisen, die größer als ihre Längen sind, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 12A–12C gezeigt ist.
Die Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3g und 3h sind in 4A als Elektroden gezeigt, die eine rechtwinklige Anordnung aufweisen, jedoch ist die Anordnung der Kondensatorelektroden nicht von Bedeutung, vorausgesetzt, daß eine beträcht liche elektrostatische Interaktion zwischen den zwei benachbarten Elektroden verhindert wird.
4B zeigt die Formen und Positionen der Kondensatorelektroden 3a, 3b, 3e und 3f, die auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung 1 positioniert sind. Jede der Kondensatorelektroden 3a, 3b _; 3e und 3f ist gegenüber der entsprechenden der Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3h bzw. 3g positioniert und weist eine ähnliche Länge in die x-Richtung auf. Die Länge in die x-Richtung der langen Kondensatorelektroden 3b, 3f ist vorzugsweise mit derjenigen der langen Kondensatorelektroden 3d, 3g identisch, und die der kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3e ist vorzugsweise mit der der kurzen Kondensatorelektroden 3c, 3h identisch. Die Länge in die x-Richtung 2L₀ der langen Kondensatorelektroden 3b, 3f ist bevorzugter Weise zweimal der Länge L₀ der kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3e.
Die kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3e bzw. 3c, 3h sind entgegengesetzt zueinander positioniert, wohingegen die langen Kondensatorelektroden 3b, 3f bzw. 3d, 3g voneinander in die Erfassungsrichtung versetzt sind, d. h. in die x-Richtung. Der Betrag des Versatzes in die x-Richtung ist vorzugsweise gleich der Länge der kurzen Kondensatorelektroden in die x-Richtung und gleich der Hälfte von der der langen Elektroden.
4B zeigt die stufenintegrierte Schaltung 1 in einer Position, die als ihre Startposition bezeichnet wird. In der Startposition überlappen die kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3e bzw. 3c, 3h einander vollständig in die x-Richtung. Die langen Kondensatorelektroden 3b, 3f bzw. 3d, 3g überlappen einander um 50% ihrer Länge. Dies ist durch Vergleichen von 4A und 4B zu ersehen.
4C zeigt die stufenintegrierte Schaltung 1, die von ihrer Startposition in die + x-Richtung um eine Entfernung von L₀/2 verschoben ist, während 4D die stufenintegrierte Schaltung 1 zeigt, die von ihrer Startposition in die + x-Richtung um eine Entfernung von L₀ verschoben ist. Die Überlappung zwischen den Kondensatorelektroden, die auf der stufenintegrierten Schaltung 1 positioniert sind, wobei die entsprechenden Kondensatorelektroden auf der sondenintegrierten Schaltung 2 in diesen Positionen positioniert sind, kann durch Vergleichen von 4A mit der relevanten von 4C und 4D ersehen werden. 4C und 4D werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Wenn die Paare von Kondensatorelektroden 3a, 3c; 3b, 3d; 3e, 3h; und 3f, 3g relativ zueinander in einer beliebigen der Positionen positioniert sind, die in 4A–4D gezeigt sind, bilden sie die variablen Kondensator 31, 32, 33 und 34, die in 5 gezeigt sind. Die Kondensatorelektroden 3a–3h sind, wie in 5 gezeigt ist, elektrisch miteinander verbunden, so daß die Kondensatoren 31– 34 die Brückenschaltung 30 bilden. Die Kondensatorelektroden sind so miteinander verbunden, daß die Kondensatoren 31 bzw. 33, die aus den Paaren von kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3c und 3e, 3h bestehen, ein Paar von gegenüberliegenden Armen der Brückenschaltung darstellen, und die Kondensatoren 32 bzw. 34, die aus den langen Kondensatorelektrodenpaaren 3b, 3d und 3f, 3g bestehen, das andere Paar der gegenüberliegenden Arme der Brückenschaltung darstellen. Die einander gegenüberliegenden Eingangsknoten der Brückenschaltung sind mit dem Oszillator 35 verbunden, der die alternierende Antriebsspannung V₁ erzeugt, so daß die Brückenschaltung und der Oszillator zusammen eine Wechselstrombrücke bilden. Die gegenüberliegenden Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung sind mit dem Differentialverstärker 36 verbunden, der einen Teil der Erfassungsschaltung 6 bildet, die nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Differentialverstärker 36 nimmt die Differenz zwischen den Spannungen der Ausgangsknoten der Brückenschaltung, um die Brückenausgangsspannung V₀ zu erzeugen. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Differential verstärkung des Differentialverstärkers so, daß die Brückenausgangsspannung V₀ gleich der Differentialspannung zwischen den Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung 30 ist.
Wenn die stufenintegrierte Schaltung 1 in ihrer Startposition ist, die in 4B gezeigt ist, sind die Bereiche der überlappenden Abschnitte der vier Paare von Kondensatorelektroden 3a–3h jeweils L₀ × W, wobei W die Breite der Kondensatorelektroden ist. Dementsprechend sind die Kapazitäten der vier variablen Kondensatoren 31–34 gleich, und die Brückenschaltung 30 ist abgeglichen. Dementsprechend ist die Brückenausgangsspannung V₀, die durch den Differentialverstärker 36 erzeugt wird, null.
4A und 4C zeigen die relativen Positionen der Kondensatorelektroden 3a–3h, wenn die stufenintegrierte Schaltung 1 sich von der Startposition um eine Entfernung von L₀/2 in die + x-Richtung bewegt hat. In dieser Position ist der Bereich der überlappenden Abschnitte der kurzen Kondensatorelektroden 3a und 3e auf der stufenintegrierten Schaltung und der entsprechenden kurzen Kondensatorelektroden 3c und 3h auf der sondenintegrierten Schaltung 2 gleich L₀/2 × W. Außerdem ist der Bereich der überlappenden Abschnitte der langen Kondensatorelektroden 3b und 3f auf der stufenintegrierten Schaltung und der entsprechenden langen Kondensatorelektroden 3d und 3g auf der sondenintegrierten Schaltung gleich 3L₀/2 × W. Wenn somit die stufenintegrierte Schaltung und die sondenintegrierte Schaltung, wie in 4A und 4C gezeigt ist, relativ zueinander positioniert sind, ist die Brückenschaltung 30 teilweise unabgeglichen, und der Differentialverstärker erzeugt eine Brückenausgangsspannung V₀ gleich V₁/2, was die Hälfte der Amplitude V_i der Antriebsspannung ist, die an die Brückenschaltung 30 durch den Oszillator 35 angelegt wird.
4A und 4D zeigen die relativen Positionen der Kondensatorelektroden 3a–3h, wenn sich die stufenintegrierte Schaltung 1 von der Startposition um eine Entfernung von L₀ in die + x-Richtung bewegt hat. In dieser Position liegt keine Überlappung zwischen den kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3e auf der stufenintegrierten Schaltung und den entsprechenden kurzen Kondensatorelektroden 3c, 3h auf der sondenintegrierten Schaltung 2 vor. Andererseits ist der Bereich der überlappenden Abschnitte der langen Kondenstorelektroden 3b, 3f auf der stufenintegrierten Schaltung und der entsprechenden langen Kondensatorelektroden 3d, 3g auf der sondenintegrierten Schaltung gleich 2L₀ × W. Infolgedessen ist die Brückenschaltung 30 völlig unabgeglichen, und der Differentialverstärker 36 erzeugt eine Brückenausgangsspannung V₀ gleich der Amplitude V₁ der Antriebsspannung, die an die Brückenschaltung durch den Oszillator 35 angelegt wird.
Der Bereich der Positionserfassung der Positionserfassungsvorrichtung 0 ist gleich der Länge L₀ der kurzen Kondensatorelektroden. Um die Position über dem vollständigen Bereich der Bewegung der stufenintegrierten Schaltung 1 zu erfassen, sollte die Länge der kurzen Kondensatorelektroden gleich oder etwas größer als der Bereich der Bewegung der stufenintegrierten Schaltung sein.
6 zeigt, daß, wenn die stufenintegrierte Schaltung 1 und die sondenintegrierte Schaltung 2 relativ zueinander positioniert sind, wie in 4A–4D gezeigt ist, die Wechselstrombrücke 30, der Oszillator 35 und der Differentialverstärker 36, die in 5 gezeigt sind, eine Brückenausgangsspannung V₀ erzeugen, die proportional zur Position der stufenintegrierten Schaltung 1 in die x-Richtung ist. Somit kann die Position der stufenintegrierten Schaltung 1 von der Brückenausgangsspannung V₀, die durch den Differentialverstärker 36 erzeugt wird, bestimmt werden.
Zusätzliche Positionserfassungsvorrichtungen, die jeweils einen Aufbau ähnlich jenem, der in 3, 4A und 4B und 5 gezeigt ist, aufweisen, können neben der Positionserfassungsvorrichtung 0, die soeben bestimmt wurde, verwendet werden, um die Position der stufenintegrierten Schaltung in zusätzliche Richtungen zu bestimmen. Eine weitere Positionserfassungsvorrichtung kann beispielsweise verwendet werden, um die Position der stufenintegrierten Schaltung in die y-Richtung, neben der Position in die x-Richtung zu bestimmen. Dies kann durch Positionieren einer zweiten Positionserfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) auf der sondenintegrierten Schaltung 2 und der stufenintegrierten Schaltung 1 neben der Positionserfassungsvorrichtung 0, die soeben beschrieben wurde, erfolgen. Die Kondensatorelektroden der zweiten Positionserfassungsvorrichtung haben ihre Längen in die y-Richtung ausgerichtet, und die langen Kondensatorelektroden, die auf der sondenintegrierten Schaltung positioniert sind, und jene, die auf der stufenintegrierten Schaltung positioniert sind, sind voneinander in die y-Richtung versetzt. Jede Positionserfassungsvorrichtung ist gegenüber Positionsveränderungen in die Richtungen orthogonal zu ihrer Erfassungsrichtung unempfindlich.
Die Kondensatorelektroden und Schaltungen der Positionserfassungsvorrichtung 0 gemäß der Erfindung können ohne weiteres auf und in einer integrierten Schaltung gebildet sein. Somit ist die Erfindung für Anwendungen, in denen die Größe ein kritischer Faktor ist, wie z. B. einer Positionserfassungsvorrichtung für einen Speicher eines beweglichen Medientyps, hinreichend geeignet.
7 stellt ein Problem dar, das eintritt, wenn die Kondensatorelektroden der Positionserfassungsvorrichtung, die in 3, 4A und 4B gezeigt ist, auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung positioniert sind. In 7 sind die Kondensatorelektroden 3a und 3c ein Paar der Kondensatorelektroden, die auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung 1 bzw. der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung 2 positioniert sind. Jede Kondensatorelektrode ist von ihrer jeweiligen integrierten Schaltung durch die Zwischenschichtisolatoren 7a und 7c isoliert. Der überlappende Abschnitt der Kondensatorelektroden 3a und 3c erzeugt die Zwischenelektrodenkapazität 8, die durch die Positionserfassungsvorrichtung verwendet wird. Zusätzlich existieren bei einer tatsächlichen integrierten Schaltung die parasitären Kapazitäten 9a–9d zwischen den Kondensatorelektroden 3a und 3c und den integrierten Schaltungen 1 und 2.
8 zeigt ein kalkuliertes Beispiel der Beziehung zwischen der Zwischenelektrodenkapazität 8 und den parasitären Kapazitäten 9a–9d, die in 7 gezeigt sind. Bei diesem Beispiel beträgt die Dicke der Kondensatorelektroden 3a und 3c 0,6 Mikrometer; die Dicke der Zwischenschichtisolatoren 7a und 7c beträgt 0,6 Mikrometer; der Luftzwischenraum zwischen den Kondensatorelektroden beträgt 1,0 Mikrometer und die Länge des überlappenden Abschnitts der Kondensatorelektroden ist 30 Mikrometer. Wie in 8 gezeigt ist, verändert sich die Zwischenelektrodenkapazität 8 zwischen den Kondensatorelektroden in ihrer Proportion zum Bereich der Überlappung zwischen den Kondensatorelektroden und weist ein Maximum von etwa 230 fF/m auf, wie durch die Kurve A (Skala links) angezeigt ist. Die parasitäre Kapazität ist etwa zehnmal größer als diese und weist ein Maximum von etwa 2 pF/m auf, wie durch die Kurve B (Skala rechts) angezeigt ist.
Wenn der Wert der parasitären Kapazität als Cp definiert ist, kann er durch eine parasitäre Kapazität von 2 Cp zwischen jedem Ausgangsknoten 37, 38 der Brückenschaltung 30 und Masse, wie in 9 gezeigt ist, dargestellt werden. Aufgrund der parasitären Kapazität wird die prozentuale Veränderung der Kapazität, die aus der stufenintegrierten Schaltung resultiert, die sich in die x-Richtung bewegt, verringert. Infolgedessen wird die Veränderung der Brückenausgangsspannung V₀, die aus der Bewegung der stufenintegrierten Schaltung in die x-Richtung resultiert, im wesentlichen reduziert. In einem praktischen Beispiel senkt die parasitäre Kapazität die maximale Brückenausgangsspannung V₀ von V₁ auf etwa 0,16 V₁, wie in 10 gezeigt ist.
11 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau, der die Abnahme der Empfindlichkeit der Brückenschaltung 30, die durch die parasitäre Kapazität bewirkt wird, verhindern kann. Dabei sind die Wächterelektroden 10a, 10c jeweils zwischen den Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c und den Oberflächen der stufenintegrierten Schaltung 1 und der sondenintegrierten Schaltung 2 angeordnet. Die Wächterelektroden 10a, 10c sind jeweils mit den Ausgängen der Pufferverstärker 11a, 11c verbunden. Die parasitären Kapazitäten ähnlich den parasitären Kapazitäten 9c, 9d, die in 7 gezeigt sind, existieren jeweils zwischen der Elektrode 3a und der Wächterelektrode 10a und zwischen der Elektrode 3c und der Wächterelektrode 10c mit den Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c jeweils als Dielektrika. Die Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker 11a, 11c legen jeweils die Spannung an jeder Elektrode 3a, 3c an die Wächterelektrode 10a, 10c an, die jeweils unter der Elektrode liegt. Diese Spannung neutralisiert die parasitäre Kapazität zwischen der Elektrode und ihrer jeweiligen Wächterelektrode, weil die Spannungsdifferenz zwischen jeder Elektrode und ihrer jeweiligen Wächterelektrode, d. h. die Spannung über dem Zwischenschichtisolator, stets null ist. Dementsprechend bleibt die Brückenausgangsspannung V₀, die durch die Brückenschaltung erzeugt wird, von der parasitären Kapazität unbeeinträchtigt. Die Brückenausgangsspannung hängt nur von den Veränderungen in der Zwischenelektrodenkapazität über dem Zwischenraum zwischen den Kondensatorelektroden 3a, 3c und nicht von der parasitären Kapazität über den Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c ab.
12A–12C zeigen ein Beispiel der Form und der Plazierung der Kondensatorelektroden 3a–3h in einem praktischen Beispiel einer Positionserfassungsvorrichtung, die mit Wächterelektroden ausgestattet ist. Die Positionserfas sungsvorrichtung ist mit der stufenintegrierten Schaltung 1 in ihrer Startposition gezeigt. In dieser Position beträgt die Brückenausgangsspannung, die durch den Differentialverstärker 36 ansprechend auf die Spannung zwischen den Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung 30, die in 5 gezeigt ist, erzeugt wird, null. Die Kondensatorelektroden 3a–3h sind in dem Ausführungsbeispiel, das in den 12A und 12B gezeigt ist, im Vergleich zu jenem, das in 4A–4D gezeigt ist, unterschiedlich angeordnet. Die langen Kondensatorelektroden 3f–3g wechseln sich mit den kurzen Kondensatorelektroden 3e, 3h ab, um ein Überkreuzen in den Zwischenverbindungen, die die Brückenschaltung von den Kondensatorelektroden bilden, aufzuheben. Im Gegensatz zu den Kondensatorelektroden, die in 4A–4D gezeigt sind, sind die Kondensatorelektroden in 12A und 12B als in die y-Richtung, d. h. in die Richtung senkrecht zur Erfassungsrichtung, länglich gezeigt. In anderen Worten ist die Breite der Elektroden, die in 12A und 12B gezeigt sind, im wesentlichen größer als die Länge. Diese Elektrodenform stellt einen entsprechenden Bereich der Überlappung zwischen den Kondensatorelektroden von jedem variablen Kondensator sicher, wenn die stufenintegrierte Schaltung sich zum äußersten Ende ihres Bewegungsbereichs in die y-Richtung bewegt.
Wie vorstehend in Verbindung mit 4A erörtert wurde, ist die Länge der kurzen Kondensatorelektroden 3a, 3c, 3e und 3h in die x-Richtung, d. h. in die Erfassungsrichtung, L₀, und die Länge der langen Kondensatorelektroden 3b, 3d, 3f und 3g in die x-Richtung ist 2L₀. Wenn die stufenintegrierte Schaltung sich um eine Entfernung von L₀ von der Startposition bewegt, ist die Wechselstrombrücke 30 völlig unabgeglichen.
Bei der sondenintegrierten Schaltung 2, die in 12A gezeigt ist, ist die Anschlußfläche 12a über die Bahnen mit den Kondensatorelektroden 3c und 3d elektrisch verbunden. Die Anschlußfläche 12a liefert den Eingangsknoten 47 der Brückenschaltung 30, mit dem die alternierende Antriebsspannung Vi vom Oszillator 35 verbunden ist, wie in 5 gezeigt ist. Die Anschlußfläche 12b ist über Bahnen mit den Kondensatorelektroden 3g und 3h elektrisch verbunden. Die Anschlußfläche 12d liefert den Eingangsknoten 48 der Brückenschaltung 30 und ist mit Signalmasse elektrisch verbunden.
Bei der stufenintegrierten Schaltung 1, die in 12B gezeigt ist, ist die Anschlußfläche 13a über eine Bahn mit den Kondensatorelektroden 3a und 3f elektrisch verbunden. Die Anschlußfläche 13a liefert den Ausgangsknoten 37 der Brückenschaltung 30, die in 5 gezeigt ist. Die Anschlußfläche 13b ist über eine Bahn mit den Kondensatorelektroden 3b und 3e elektrisch verbunden. Die Anschlußfläche 13b liefert den Ausgangsknoten 38 der Brückenschaltung 30.
Bei dem in den 12A–12C gezeigten Ausführungsbeispielen verwenden zwei der benachbarten Kondensatorelektroden eine gemeinsame Wächterelektrode. 12A zeigt die Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3g, 3h, die auf der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung 2 angeordnet sind. Die Wächterelektrode 10c liegt unter den benachbarten Kondensatorelektroden 3c und 3g, und die Wächterelektrode 10d liegt unter den benachbarten Kondensatorelektroden 3d und 3h. Bei der sondenintegrierten Schaltung sind die benachbarten Kondensatorelektroden, die eine gemeinsame Wächterelektrode gemeinsam verwenden, nicht miteinander elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen erfolgen zu den Wächterelektroden 10c und 10d über die Anschlußflächen 12c bzw. 12d.
12B zeigt die Kondensatorelektroden 3a, 3b, 3e und 3f, die auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung 1 positioniert sind. Die Wächterelektrode 10a liegt unter den benachbarten Kondensatorelektroden 3a und 3f, und die Wächterelektrode 10b liegt unter den be nachbarten Kondensatorelektroden 3b und 3e. Bei der stufenintegrierten Schaltung sind die benachbarten Kondensatorelektroden, die eine gemeinsame Wächterelektrode gemeinsam verwenden, durch die Bahnen, die mit den Anschlußflächen 13a und 13 verbunden sind, miteinander elektrisch verbunden. Die elektrischen Verbindungen erfolgen zu den Wächterelektroden 10a und 10b über die Anschlußflächen 13c bzw. 13d.
Bei sowohl der stufenintegrierten Schaltung 1 als auch der sondenintegrierten Schaltung 2 sind die Kondensatorelektroden, die eine gemeinsame Wächterelektrode gemeinsam verwenden, in die gleiche Richtung zueinander benachbart. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Kondensatorelektroden, die eine gemeinsame Wächterelektrode gemeinsam verwenden, in die y-Richtung, orthogonal zu der Erfassungsrichtung zueinander benachbart. Die Wächterelektroden 10a–10d sind so dimensioniert, daß sie sich in der Ebene der Elektrodenoberfläche 1a und 2a über die Kondensatorelektroden 3a–3h hinaus erstrecken.
12C ist eine Querschnittsansicht der stufenintegrierten Schaltung 1 und eines Teils der sondenintegrierten Schaltung 2, wobei die Anordnung der Kondensatorelektroden 3a–3h, die Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c und die Wächterelektroden 10a–10d gezeigt sind. Die Kondensatorelektroden 3a–3h und die Wächterelektroden 10a–10d sind auf gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c positioniert.
12C zeigt in schematischer Weise die Verbindungen zwischen den Kondensatorelektroden, den Pufferverstärkern 11a, 11b und den Kondensatorelektroden. Die Anschlußflächen 12a–12d und 13a–13d sind zur Vereinfachung der Zeichnung ausgelassen worden. Der Eingang des Einheitsverstärkungs-Pufferverstärkers 11a ist mit der elektrischen Verbindung zwischen den Kondensatorelektroden 3a, 3f, die den Ausgangsknoten 37 der Brückenschaltung 30 liefert, verbun den. Der Ausgang des Einheitsverstärkungs-Pufferverstärkers 11a ist mit den Wächterelektroden 10a und 10c verbunden, die unter den Kondensatorelektroden 3a, 3f und 3c, 3g liegen. Der Eingang des Einheitsverstärkungs-Pufferverstärkers 11b ist mit der elektrischen Verbindung zwischen den Kondensatorelektroden 3b, 3e verbunden, die den Ausgangsknoten 38 der Brückenschaltung liefern. Der Ausgang des Einheitsverstärkungs-Pufferverstärkers 11b ist mit den Wächterelektroden 10b und 10d verbunden, die jeweils unter den Kondensatorelektroden 3b, 3e und 3d, 3h liegen.
Die benachbarten Kondensatorelektroden, die eine gemeinsame Wächterelektrode gemeinsam verwenden, ermöglichen, daß die gegenüberliegenden Wächterelektroden 10a, 10c durch den Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker 11a angetrieben werden können, und ermöglichen, daß die gegenüberliegenden Wächterelektroden 10b, 10d durch den Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker 11b, der in 12C gezeigt ist, angetrieben werden können. Die gegenüberliegenden Wächterelektroden werden jeweils durch die Signale an den Ausgangsknoten 37, 38 der Brückenschaltung 30 angetrieben. Da die Differentialspannung zwischen den Ausgängen der Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker 11a, 11b gleich der Differentialspannung zwischen den Ausgangsknoten der Brückenschaltung 30 ist, ist der Eingang des Differentialverstärkers 36 mit den Ausgängen der Pufferverstärker verbunden, wie in 13 gezeigt ist. 13 wird nachstehend beschrieben. Die Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker isolieren die Ausgangsknoten der Brückenschaltung von der Eingangsimpedanz des Differentialverstärkers 36.
Das soeben beschriebene Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung gefertigt. Die Positionserfassungsvorrichtung kann jedoch alternativ, z. B. auf einer Oberfläche einer gedruckten Schaltungsplatine hergestellt werden, auf der mehrere Verdrahtungsschichten verwendet werden, um die elektroni schen Vorrichtungen miteinander zu verbinden, die auf einem Glasepoxyd, Polyimid, oder PTFE-Glassubstrat befestigt sind.
13 zeigt ein Beispiel einer vollständigen Erfassungsschaltung 6, die ein Gleichstrom-Positionsanzeigesignal von der Differentialausgangsspannung zwischen den Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung 30 in einer Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung ableitet. Neben dem Differentialverstärker 36 umfaßt die Erfassungsschaltung den Zeitgebungsgenerator 14, die Probe- und Halteschaltungen 15, 16 und den Teiler 17. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 5 angemerkt, sind die vier variablen Kondensatoren 31, 32, 33, 34, die durch die in 4A und 4B oder 12A und 12B gezeigten Elektroden 3a–3h gebildet sind, miteinander verbunden, um die Brückenschaltung 30 zu bilden. Die Wächterelektroden sind unter den Kondensatorelektroden, die vorstehend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben wurden, positioniert.
13 zeigt ebenfalls in schematischer Weise die parasitäre Kapazität 2Cp, die durch die Wächterelektroden 10a– 10d (12A–12C) gebildet ist, wobei die Elektroden 3a –3h und die Zwischenschichtisolatoren 7a, 7c als Dielektrikum dienen, wie vorstehend beschrieben. Die Brückenschaltung 30 wird durch das Antriebssignal V₁, das durch den Oszillator 35 erzeugt wird, angetrieben. Die Wechselstromsignale an den Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung werden jeweils den Wächterelektroden 10a, 10c bzw. 10b, 10d durch die Einheitsverstärkungs-Pufferverstärker 11a und 11b zugeführt, um die Effekte der parasitären Kapazitäten 2Cp aufzuheben. Die Pufferverstärker 11a, 11b sollten eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, um zu verhindern, daß die Verstärkereingangsimpedanz die Spannungen an den Ausgangsknoten der Brückenschaltung dämpft. Wie vorstehend angemerkt, schaffen die Ausgänge der Pufferverstärker 11a, 11b die Ausgänge der Brückenschaltung 30 neben dem Antreiben der Wächterelektroden.
Die Ausgänge der Pufferverstärker 11a, 11b sind mit den Eingängen des Differentialverstärkers 36 verbunden. Der Differentialverstärker 36 sollte ein hohes Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis bei der Frequenz des Antriebssignals V_j aufweisen. Das Ausgangssignal V₀ des Differentialverstärkers weist eine Amplitude auf, die proportional zur Position der stufenintegrierten Schaltung in die Erfassungsrichtung ist.
14A–14F zeigen die Signalverläufe an verschiedenen Punkten in der Signalverarbeitungsschaltung, die in 13 gezeigt ist.
14A zeigt den Signalverlauf des Antriebssignals V₁ vom Oszillator 35, der die Brückenschaltung 30 treibt. Der Spitzenwert des Antriebssignals V₁ ist V_ip.
14B zeigt das Brückenausgangssignal V₀, das durch den Differentialverstärker 36 ansprechend auf die Differenz zwischen den Spannungen auf den Ausgangsknoten 37 und 38 der Brückenschaltung 30 erzeugt wird. Die Spitzenspannung V_op des Brückenausgangssignals ist proportional zur Entfernung der stufenintegrierten Schaltung 1 von ihrer Startposition.
Die Spitzenwerte des Antriebssignals und des Brückenausgangssignals, das durch den Differentialverstärker 36 ausgegeben wird, werden durch die Probe- und Halteschaltungen 15 und 16 abgetastet. Der Zeitgebungsgenerator 14 erzeugt einen Abtastimpuls synchron mit jeder positiven Spitze des Antriebssignals und führt die Abtastimpulse der Abtastschaltung und der Halteschaltung 15 und 16 zu. 14C zeigt den Signalverlauf der Abtastimpulse, die durch den Zeitgebungsgenerator 14 erzeugt werden.
14D und 14E zeigen die Ausgangssignalverläufe, die durch die Abtastschaltung und die Halteschaltung 15 und 16 ansprechend auf die Abtastimpulse erzeugt werden. Beide Signalverläufe sind Gleichstromspannungen, die den Spitzenwerten V_ip und V_op des Antriebssignals bzw. des Brückenausgangssignals entsprechen. Der Oszillator 35, der das Antriebssignal V₁ erzeugt, umfaßt vorzugsweise eine automatische Verstärkungssteuerung, um sicherzustellen, daß die Amplitude des Antriebssignals konstant bleibt.
Wenn die in 13 gezeigten Schaltungen auf einer integrierten Schaltung zusammen mit den Kondensatorelektroden 3a –3h gefertigt werden, kann die Amplitude des Antriebssignals aufgrund der Temperaturveränderungen, die von einer Wärme resultieren, die durch die integrierte Schaltung erzeugt wird, driften. Dementsprechend kann das Brückenausgangssignal V₀, das an einer gegebenen Position der stufenintegrierten Schaltung erzeugt wird, abhängig von der Temperatur der integrierten Schaltung variieren. Somit umfaßt die Signalverarbeitungsschaltung, die in 13 gezeigt ist, den Teiler 17, der den Effekt der Temperaturdrift auf die Amplitude des Antriebssignals und daher auf das Brückenausgangssignal im wesentlichen eliminiert. Der Gleichstrom-Ausgangspegel, der durch die Abtast- und Halteschaltung 15 erzeugt wird, entspricht dem Spitzenwert V_op des Brückenausgangssignals und des Eingangsignals des Teilers 17. Der Gleichstrompegel, der durch die Abtast- und Halteschaltung 15 erzeugt wird, entspricht dem Spitzenwert V_ip des Antriebssignals und wird ebenfalls in den Teiler eingegeben. Der Gleichstrompegel, der V_op entspricht, ist der Zähler, und der Gleichstrompegel, der V_ip entspricht, ist der gemeinsame Nenner in der Divisionsoperation, die durch den Teiler ausgeführt wird. Das Ergebnis der Divisionsoperation, die durch den Teiler ausgeführt wird, ist ein Gleichstromsignal, das der Position der Stufe entspricht.
In dem Teiler 17 ist der Gleichstrompegel, der den Spitzenwert V_ip des Antriebssignals entspricht, typischerweise ein konstanter Wert. Wenn jedoch der Gleichstrompegel den V_ip-Veränderungen entspricht, hängt das Verhältnis der Amplitu den V_ip und V_op von nur den relativen Positionen der Kondensatorelektroden ab. Dementsprechend ist die Ausgabe des Teilers 17 von der Amplitude des Antriebssignals unabhängig, und eine stabile Operation der Positionserfassungsvorrichtung ist sichergestellt.
Durch Verwenden der Erfassungsschaltung 6, die in 13 gezeigt ist, kann die Positionserfassungsvorrichtung so erzeugt werden, daß sie gegenüber Temperaturveränderungen resistent ist. Ferner kann die Positionserfassungsvorrichtung mit einer größeren Präzision vorgenommen werden, indem der Ausgang der Erfassungsschaltung von der Antriebsamplitude unter Verwendung des Teilers unabhängig gemacht wird und indem eine herkömmliche automatische Verstärkungssteuerung verwendet wird, um die Antriebsamplitude zu stabilisieren. Dementsprechend ist dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Verwendung als eine Positionserfassungsvorrichtung in einer Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps hinreichend geeignet, wo eine präzise und stabile Positionserfassung über einen langen Zeitraum hinweg und unter variierenden Umgebungsbedingungen erforderlich ist.
Die vorstehend beschriebene Erfassungsschaltung 6 ist für eine Hochpräzisions-Positionserfassung geeignet, wenn jedoch dieser Präzisionspegel nicht erforderlich ist, kann stattdessen eine einfachere Erfassungsschaltung, wie z. B. die Erfassungsschaltung 39, die in 15 gezeigt ist, verwendet werden. Die Erfassungsschaltung 39, die in 15 gezeigt ist, besteht aus einer seriellen Anordnung des Phasenschiebers 18, des Multiplizierers 19, und des Tiefpaßfilters 20. Die Eingänge zum Phasenschieber 18 und zum Multiplizierer 19 sind jeweils mit den Punkten C und C' in der Schaltung, die in 13 gezeigt ist, verbunden. Der Phasenschieber 18 setzt die Phase des Brückenausgangssignals, das durch den Differentialverstärker 36 erzeugt wird, auf 1, wo die Ausgabe des Tiefpaßfilters 20 ein Maximum ist, um die höchstmögliche Erfassungsempfindlichkeit zu liefern.
Möglichkeiten zum Verringern der Temperaturabhängigkeit der Position, die durch die Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung erfaßt wird, werden nun beschrieben. Wenn die Position mit einer Genauigkeit in der Ordnung von Nanometern gemessen wird, müssen die Temperaturschwankungen in der Meßumgebung allgemein minimiert werden. Dies ist darin begründet, daß die Wärmeausdehnung der strukturellen Elemente der Positionsmeßvorrichtung, wie z. B. der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung, ausreichend groß ist, um bei der Positionserfassungsgenauigkeit als Faktor zum Tragen zu kommen. Bei einer Speichervorrichtung des beweglichen Medientyps, die eine stufenintegrierte Schaltung und eine sondenintegrierte Schaltung aufweist, kann eine andere Wärmeausdehnung zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung die Positionserfassungsgenauigkeit verschlechtern. Dies gilt, selbst wenn die Temperatur der umgebenden Umgebung stabil ist, weil die Temperaturveränderungen in der Ordnung von mehreren Zehnteln Grad Celsius durch die integrierten Schaltungen an sich erzeugt werden, während sie hoch- oder runtergefahren werden.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium ist beispielsweise 2,6 ppm/C. Ein Temperaturanstieg von etwa 40 Grad bewirkt, daß sich eine stufenintegrierte Schaltung, die aus einem ein Quadratzentimeter großen Siliziumchip gefertigt ist, sich um etwa 1 Mikrometer ausdehnt. Dieser Betrag der Wärmeausdehnung würde es unmöglich machen, eine Sonde mit der Genauigkeit zu positionieren, die zum Lesen oder Schreiben von Daten in einer Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps, bei der die Größe eines Bits in der Ordnung von mehreren Zehnteln von Nanometern ist, erforderlich ist, es sei denn, es wäre eine Kompensation für eine Wärmeausdehnung gegeben.
Dieses Problem wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Beibehalten eines extrem schmalen Zwischenraums von weniger als etwa 2 Mikrometern zwischen den Elektrodenoberflächen 1a und 2a der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung 2 gelöst. Die Wärmeausdehnung kann ferner durch Versiegeln des Zwischenraums unter Verwendung bekannter Techniken und durch Plazieren eines Edelgases mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten in dem Zwischenraum verringert werden. Selbst wenn nur Luft in dem Zwischenraum versiegelt ist, verringert ein Beibehalten eines Zwischenraums von weniger als etwa 2 Mikrometern die Temperaturdifferenz zwischen den Elektrodenoberflächen der integrierten Schaltungen auf weniger als 1 Grad. Ein Beibehalten eines solchen kleinen Zwischenraums ist ebenfalls wünschenswert, weil es die Kapazität zwischen den Kondensatorelektroden 3a–3h erhöht. Dies trägt dazu bei, die Ausgangsimpedanz der Brückenschaltung 30 bei der Antriebsfrequenz beträchtlich kleiner zu gestalten als die Eingangsimpedanz der Pufferverstärker 11a und 11b und trägt somit dazu bei, zu verhindern, daß die Eingangsimpedanz der Pufferverstärker die Empfindlichkeit der Brückenschaltung verringert.
Für das Gas, das in dem Zwischenraum versiegelt ist, ist es wünschenswert, einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten aufzuweisen. Dies entspricht einem kleinen Akkommodations-Koeffizienten. Der Akkommodations-Koeffizient mißt den Betrag der Energie, die durch das Gas einbehalten wird, wenn die Moleküle des Gases mit der Oberfläche der sonden- und der stufenintegrierten Schaltungen kollidieren. Der Akkommodations-Koeffizient von Luft ist etwa 0,9. Im Gegensatz dazu ist der von Stickstoff 0,35 und der von Helium 0,04. Durch Versiegeln eines Akkommodations-Verhältnisses dieser Gase in dem Zwischenraum anstelle von Luft kann die Temperaturdifferenz zwischen den Elektrodenoberflächen der integrierten Schaltungen weiter verringert werden. Unter Verwendung eines anderen Gases als Luft kann beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen den Elektrodenoberflächen auf weniger als 0,1 Grad verringert werden. Diese Temperaturdifferenz entspricht einem Positionierungsfehler von etwa 2,6 Nanometern in einer 1 Quadratzentimeter großen integrierten Siliziumschaltung.
16 zeigt eine Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps, die ein Ausführungsbeispiel der Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung beinhaltet. Die Speichervorrichtung 40 des beweglichen Medientyps umfaßt die stufenintegrierte Schaltung 1 und die sondenintegrierte Schaltung 2. Die Sonde 42 ist ein Exemplar von mehreren Sonden, die in einem Array in oder auf der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung gebildet sind. Das Speichermedium 43 ist auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung positioniert. Die stufenintegrierte Schaltung wird gegenüber der sondenintegrierten Schaltung durch geeignete Halterungen (nicht gezeigt) unterstützt, so daß die Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung parallel zur Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung angeordnet ist und von derselben durch einen kleinen Zwischenraum getrennt ist. Das Betätigungsglied 91 sieht eine relative Bewegung zwischen der stufenintegrierten Schaltung und der sondenintegrierten Schaltung in die x- und die y-Richtungen ansprechend auf die Positionsinformationen von der Positionserfassungsvorrichtung vor.
Bei der Speichervorrichtung 40 eines beweglichen Medientyps werden ein Lesen und Schreiben zwischen der Sonde 42 und dem Speichermedium 43 ausgeführt. Die Kondensatorelektroden 3c, 3d, 3g, 3h sind auf der Sondenelektrodenoberfläche 2a der sondenintegrierten Schaltung 2 positioniert, und entsprechende Kondensatorelektroden (nicht gezeigt) ähnlich den Kondensatorelektroden 3a, 3b, 3e und 3f, die in 12A und 12B gezeigt sind, sind auf der Stufenelektrodenoberfläche 1a der stufenintegrierten Schaltung 1 in einer Anordnung ähnlich jener, die in 12A–12C gezeigt ist, positioniert. Gegenüberliegende Paare der Kondensatorelektroden bilden Kondensatoren mit einem Dielektrikum aus Luft oder einem anderen Gas, das den Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen 1a und 2a füllt. Die Kondensatorelektroden, die gezeigt sind, sind die Kondensatorelektroden von einer von zwei orthogonalen Positionserfassungsvorrichtungen, die auf den Elektrodenoberflächen der sondenintegrierten Schaltung und der stufenintegrierten Schaltung positioniert sind, um eine Positionserfassung in sowohl die x- als auch die y-Richtungen zu schaffen. Die durch die Positionserfassungsvorrichtungen erfaßten Positionen werden wieder dem Betätigungsglied 91 zugeführt, um einen geschlossenen Regelkreis zu bilden.
17 zeigt die Grobbewegungsstufe 45 eines Rastermikroskops, das ein Ausführungsbeispiel der Positionserfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung beinhaltet. Die Grobbewegungsstufe umfaßt die stufenintegrierte Schaltung 1, die substratintegrierte Schaltung 52, die Kondensatorelektroden 3a–3d und vier zusätzliche Kondensatorelektroden (nicht gezeigt), die auf den Elektrodenoberflächen 1a und 52a der sondenintegrierten Schaltung bzw. der stufenintegrierten Schaltung jeweils positioniert sind, die Aufhängung 4 und die Abstandshalter 5 in einer ähnlichen Anordnung zu der, die vorstehend unter Bezugnahme auf 3, 4A und 4B beschrieben wurde. Die Meßprobe wird auf die Oberfläche der stufenintegrierten Schaltung 1 gegenüber der Stufenelektrodenoberfläche 1a plaziert. Die Aufhängung 4 positioniert die stufenintegrierte Schaltung relativ zu der substratintegrierten Schaltung, so daß die Stufenelektrodenoberfläche im wesentlichen parallel zur Substratelektrodenoberfläche und von der Substratelektrodenoberfläche um einen winzigen Zwischenraum von weniger als mehreren Mikrometern getrennt ist. Die Aufhängung ermöglicht auch, daß sich die stufenintegrierte Schaltung im wesentlichen parallel zu der substratintegrierten Schaltung frei bewegen kann.
Die Kondensatorelektroden 3a bis 3d und vier weitere Kondensatorelektroden (nicht gezeigt), jedoch ähnlich zu den Kondensatorelektroden 3e bis 3h, die in 4A und 4B gezeigt sind, sind auf den Elektrodenoberflächen 1a und 52a der stufenintegrierten Schaltung 1 und der substratintegrierten Schaltung 52 positioniert. Bei dem in 17 gezeigten Beispiel bilden die Elektroden 3a und 3c und die Elektroden 3b und 3d Kondensatoren mit einem Luftdielektrikum. Ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Speichervorrichtung eines beweglichen Medientyps werden zwei orthogonal angeordnete Positionserfassungsvorrichtungen. geschaffen, um die Position der stufenintegrierten Schaltung in sowohl die x- als auch y-Richtungen zu erfassen.
Obwohl die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird ein Fachmann ohne weiteres erkennen, daß andere Anwendungen durch jene, die hierin angeführt sind, ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, der durch die unten angeführten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Eine Positionserfassungsvorrichtung (0) zum Erfassen einer Position in eine Erfassungsrichtung, wobei die Positionserfassungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist: ein erstes Substrat (1), das eine flache erste Elektrodenoberfläche (1a) umfaßt; ein zweites Substrat (2), das eine flache zweite Elektrodenoberfläche (2a) umfaßt, wobei das zweite Substrat gegenüber dem ersten Substrat angebracht ist, wobei die erste Elektrodenoberfläche gegenüber der zweiten Elektrodenoberfläche und getrennt von der zweiten Elektrodenoberfläche um einen Zwischenraum ist, und das erste Substrat relativ zu dem zweiten Substrat beweglich ist; eine Wechselstrombrücke (30), die aus vier variablen Kondensatoren (31, 32, 33, 34) besteht, wobei jeder der variablen Kondensatoren ein Elektrodenpaar (3a, 3c; 3b, 3d; 3e, 3h; 3f, 3g) umfaßt, das aus einer ersten Kondensatorelektrode (3a, 3b, 3e, 3f), die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert ist, und einer zweiten Kondensatorelektrode (3c, 3d, 3h, 3g), die gegenüber der ersten Kondensatorelektrode auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert ist, besteht, wobei die Kondensatorelektroden (3b, 3d; 3f, 3g) von zwei der variablen Kondensatoren (32, 34) lange Kondensatorelektroden sind, wobei die Kondensatorelektroden (3a, 3c; 3e, 3h) von verbleibenden zwei der variablen Kondensatoren (31, 33) kurze Kondensatorelektroden sind, wobei die kurzen Kondensatorelektroden kürzer als die langen Kondensatorelektroden in der Erfassungsrichtung sind, wobei die langen Konden satorelektroden (3b, 3f), die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert sind, in der Erfassungsrichtung relativ zu den langen Kondensatorelektroden (3d, 3g), die auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert sind, versetzt sind, wenn die kurzen Kondensatorelektroden (3a, 3e) auf der ersten Elektrodenoberfläche mit den kurzen Kondensatorelektroden (3c, 3h) auf der zweiten Elektrodenoberfläche ausgerichtet sind; und eine Erfassungsschaltungseinrichtung (6) zum Ableiten aus einer Ausgangsspannung, die durch die Wechselstrombrücke erzeugt wird, eines Signals, das die relative Position des ersten Substrats und des zweiten Substrats in der Erfassungsrichtung darstellt.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die variablen Kondensatoren (32, 34), die durch die langen Kondensatorelektroden gebildet sind, in gegenüberliegenden Armen der Wechselstrombrücke (30) positioniert sind.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die langen Kondensatorelektroden (3b, 3d; 3f, 3g) zweimal so lang wie die kurzen Kondensatorelektroden (3a, 3c; 3e, 3h) in der Erfassungsrichtung sind.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der: die Kondensatorelektroden (3a–3h) jeweils eine Länge in der Erfassungsrichtung aufweisen; und die langen Kondensatorelektroden (3b, 3f), die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert sind, in der Erfassungsrichtung relativ zu den langen Kondensatorelektroden (3b, 3g), die auf der zweiten Elektroden- Oberfläche angeordnet sind, um einen Abstand näherungsweise gleich der Länge (L₀) der kurzen Kondensatorelektroden versetzt sind.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Erfassungsschaltungseinrichtung (6) folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (16) zum Erzeugen eines ersten Signals mit einem Wert proportional zu einem Maximalwert der Ausgangsspannung, die durch die Wechselstrombrücke erzeugt wird; eine Einrichtung (15) zum Erzeugen eines zweiten Signals mit einem Wert proportional zu einem Maximalwert eines Treibersignals, das an die Wechselstrombrücke angelegt ist; und eine Einrichtung (17) zum Teilen des ersten Signals durch das zweite Signal, um das Signal zu erzeugen, das die relative Position des ersten Substrats und des zweiten Substrats in der Erfassungsrichtung darstellt.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Erfassungsschaltungseinrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (19) zum Multiplizieren der Ausgangsspannung, die an der Wechselstrombrücke erzeugt wird, mit einem Treibersignal, das an die Wechselstrombrücke angelegt ist, um ein Zwischenausgangssignal zu erzeugen; und eine Tiefpaßfiltereinrichtung (20) zum Entfernen einer Treibersignalkomponente von dem Zwischenausgangssignal, um das Signal zu erzeugen, das die relative Position des ersten Substrats und des zweiten Substrats in der Erfassungsrichtung darstellt.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen versiegelten Bereich zwischen der ersten Elektrodenoberfläche (1a) und der zweiten Elektrodenoberfläche (1b); und ein Gas, das den versiegelten Bereich füllt.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine Schutzelektrode (z. B. 10a), die unter jeder Kondensatorelektrode (z. B. 3a) liegt, wobei die Schutzelektrode eine breitere Außenabmessung aufweist als die der Kondensatorelektrode; eine Isolationsschicht (z. B. 7a), die zwischen den Kondensatorelektroden und den Schutzelektroden sandwichmäßig angeordnet ist; und eine Kopplungsschaltungseinrichtung (z. B. 11a) zum Koppeln einer Spannung von der Kondensatorelektrode zu der darunterliegenden Schutzelektrode.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der: zwei benachbarte (z. B. 3a, 3f) der Kondensatorelektroden (3a, 3b, 3e, 3f), die auf der ersten Elektrodenoberfläche (1a) positioniert sind, elektrisch miteinander verbunden sind, um einen Ausgangsknoten (z. B. 37) der Wechselstrombrücke (30) zu liefern; und wobei die Positionserfassungsvorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine Schutzelektrode (z. B. 10a), die auf der ersten Elektrodenoberfläche positioniert ist und unter den miteinander verbundenen Kondensatorelektroden (z. B. 3a, 3f) liegt, eine Isolationsschicht (z. B. 7a), die zwischen der Schutzelektrode und den miteinander verbundenen Kondensatorelektroden sandwichartig angeordnet ist, und eine Kopplungsschaltungseinrichtung (z. B. 11a) zum Koppeln einer Spannung von dem Ausgangsknoten zu der Schutzelektrode.
Die Positionserfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der: die zwei elektrisch miteinander verbundenen Kondensatorelektroden (z. B. 3a, 3f) in einer ersten Richtung zueinander benachbart sind; und wobei die Erfassungsvorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine zusätzliche Schutzelektrode (z. B. 10c), die auf der zweiten Elektrodenoberfläche positioniert ist und unter zwei nicht miteinander verbundenen (z. B. 3c, 3g) der Kondensatorelektroden (3c, 3d, 3g, 3h) liegt, die auf der zweiten Elektrodenoberfläche (2a) positioniert sind, wobei die zwei nicht miteinander verbundenen der Kondensatorelektroden in der ersten Richtung zueinander benachbart sind, und eine zusätzliche Isolationsschicht (7c), die zwischen den nicht miteinander verbundenen Kondensatorelektro den und der zusätzlichen Schutzelektrode sandwichartig angeordnet ist; und wobei die Kopplungsschaltungseinrichtung (z. B. 11a) zusätzlich zum Koppeln der Spannung von Ausgangsknoten zu der zusätzlichen Schutzelektrode (z. B. 10c) dient.