JP2923567B2 - 流体ゲージセンサ - Google Patents

流体ゲージセンサ

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般的には表面からの距離を検出するため
の装置に関し、かつとくに低容量の空気の大量の流れに
よる表面上の粒子汚染の最小の影響による小さなギヤツ
プを検出するための低流量の釣り合い空気式ブリツジに
かんするものである。
発明の背景 自動化された多くの機械的作業においてはしばしば表
面に対する距離を感知するかまたは２つの表面間に一定
の距離を維持することが必要である。幾らかの用途にお
いて感知または維持されるべきであるこの距離またはギ
ヤツプは、数ミクロンまたは百万分の数メートル程度に
おいて、非常に小さい。これらのギヤツプが検出または
維持される必要がある１つの用途は半導体の製造に使用
される装置のようなリソグラフ装置である。
代表的には、空気ゲージは２つの釣り合った側辺部ま
たは脚部間の圧力差の原理を応用して使用されている。
２本の脚部間の可撓性の薄膜の偏りが２つの表面間のギ
ヤツプまたは距離を測定するかまたは維持するのに使用
される。一方の表面は空気を放出するプローブでありか
つ他方の表面はそれからの距離が測定される表面であ
る。
これらの空気ゲージは大部分の用途に許容し得るが、
幾らかの用途においてそれらの性能は適切でない。例え
ば、空気ゲージは圧力差で差動するため圧力変化が長い
応答時間を結果として生じる空気導管の容積にわたって
積分されねばならない。この応答時間、または周波数応
答は200−300msec程度である。加えて、これらの空気ゲ
ージは汚染の可能性を増大する高い空気流を結果として
生じる比較的高い圧力で作動する。技術の進歩、かつと
くに半導体の製造に応用されるようなリソグラフ技術の
進歩に連れて、これらの応答時間は装置の性能を制限す
る。それゆえ、一般にかつとくに半導体の製造に使用さ
れるリソグラフ装置に応用されるような空気ゲージの応
答時間を改善する必要が存在する。
発明の概要 本発明は小さなギヤツプを迅速にかつ正確に検出する
ための空気式ブリツジ装置に向けられる。一定の圧力下
の空気源は２つのチヤンネルに分割される。これらのチ
ヤンネルは測定チヤンネルおよび基準チヤンネルであ
る。両チヤンネルはこれらを通る大量の空気流を正確に
制御するためにその中に配置される制限器を有する。各
チヤンネル内において空気流は再びプローブと大量の空
気流センサとの間で分割される。測定チヤンネルの末端
には測定プローブが取着されて空気が該測定プローブと
検出されるべき表面との間に存在するのを許容する。同
様に、基準プローブが基準チヤンネルの末端に取着され
て空気が基準プローブと基準表面との間に漏出するのを
許容する。大量の空気流センサは測定チヤンネルと基準
チヤンネルとの間に接続される。
測定プローブと検出されるべき表面との間のギヤツプ
および基準プローブと基準表面との間のギヤツプが等し
いとき空気式ブリツジは釣り合わされかつ大量の空気流
はチヤンネル間で大量の空気流センサによつて検出され
ない。測定プローブと検出されるべき表面との間のギヤ
ツプが変化するならば空気式ブリツジは釣り合わされず
かつ空気は２つのチヤンネル間に流れかつ大量の空気流
センサによつて検出される。
したがって、本発明の目的はサブミクロンの精度で表
面の運動を迅速に検出することである。
本発明の他の目的は表面またはウエーハに対する汚染
を最小にする空気ゲージセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は容易に製造することができ
る製造を有する空気ゲージセンサを提供することであ
る。
本発明のさらに他の目的は僅かな較正により装置間で
交換可能である空気ゲージセンサを提供することにあ
る。
本発明の他の目的は安定である空気ゲージセンサを提
供することである。
本発明のさらに他の目的は周囲の圧力変化に感応しな
い空気ゲージセンサを提供することである。
これらおよび他の目的は以下のより詳細な説明を考慮
してより容易に明らかとなる。
第１図は本発明を例示する概略図である。空気供給源
10は調整器20に圧縮空気（流体）を供給する。フィルタ
30は空気（流体）導管32への空気（流体）の導入前に該
空気からどのような不純物をもろ過する。空気導管32へ
導入後ろ過されかつ調整された空気は第１または測定チ
ヤンネル40および第２または基準チヤンネル42に分かれ
る。測定および基準チヤンネル40および42の各々はその
中に第１および第２精密開口または制限器44および46を
有している。２つの開口または制限器44および46はチヤ
ンネル40および42を通る大量の空気（流体）流を制御す
る。制限器44および46は好ましくは大量の空気流を等し
く制限する。これは各チヤンネル内に置かれている等し
い大きさの精密開口によつて達成されることができる。
測定チヤンネル40内の空気流はさらに第１大量空気（流
体）流チヤンネル48において分割される。残りの空気
（流体）流は測定プローブチヤンネル54を通りかつ測定
プローブ58から出る。この点において空気（流体）は周
囲環境に対して自由でありかつ測定プローブ58と表面66
との間のギヤツプを満たす。同様に、基準チヤンネル42
内の空気流は基準の大量空気流チヤンネル52と基準のプ
ローブチヤンネル56との間で分割される。空気流は基準
のプローブチヤンネル56を通って基準プローブ60に継続
する。該基準プローブ60において空気流は周囲環境に対
して自由である。空気流は基準プローブ60と基準表面68
との間の基準ギヤツプ64を満たす。
大量空気流センサ50は測定脚部51と基準脚部53との間
に位置決めされる。空気は大量空気流センサ50を通って
自由に流れる。大量（mass）空気流せんさ50は測定脚部
51と基準脚部53との間の空気量の移動を検出しかつ測定
する。空気流を測定するための１つの技術は空気流の通
路中に置かれる熱線を用いる。この方法は加熱された線
からそれを取り巻く流体への熱移動量が線を横切る流体
の大量の流れに比例するという物理的原理を使用する。
線が熱移動により温度を変えると、線の抵抗がまた変わ
りかつ結果として生じる電流の変化が電気回路によって
測定される。市場で手に入れることができる大量（全
体）空気流センサはハネウエル社の１事業部であるマイ
クロスイツチによつて販売されるマイクロブリツジAWM2
000である。測定ギヤツプ62が基準ギヤツプに等しいと
き、２つの精密開口または制限器44および46が空気流に
対して同一抵抗を有するならば、センサ50を通る正味の
大量空気流はない。異なる大きさの制限器44および46は
空気式ブリツジ空気ゲージセンサを釣り合わすために２
つのギヤツプ61および64が同一でない場合に使用され
る。この方法においてブリツジはギヤツプ62および64が
等しくないとしても釣り合わせられることができる。
作動において、ギヤツプ62が基準ギヤツプ64より大き
くなるとき大量空気流は基準空気流チヤンネル52からセ
ンサ50を通って測定大量空気流チヤンネル48に向かって
移動する。大量空気流センサ50はこの運動を検出しかつ
ギヤツプの広がりを示す信号を供給する。同様に、ギヤ
ツプ62が減少するとき大量空気流は測定された大量空気
流チヤンネル48からセンサ50を通って基準大量空気流チ
ヤンネル52にむけられる。
装置内の空気による雑音は層流かつ圧縮不能な流体流
を供給するのに十分な初期の空気流圧力を供給すること
により減じられることができる。加えて、不規則性、ま
たは鋭い屈曲、または他の障害を有しないチヤンネルは
空気による雑音の可能性をさらに減じる滑らかなまたは
層状の空気流を供給するのに役立つ。ほとんどの大気の
場合に、同一圧力で排出する測定プローブおよび基準プ
ローブは周囲圧力の変化に無視し得る作用を結果として
生じる。同様に、音響圧力レベルは、測定プローブと基
準プローブとの間に位相差が大き過ぎないならば、ほぼ
同一方法において、最初の程度に、無効にする。より高
い背景雑音の程度は共通モドの雑音低減によつて減少さ
れることができる。これは背景雑音を採取するのに使用
される別個のチヤンネルを設けることにより達成される
ことができる。雑音はその場合に混合された雑音および
信号から減じられて所望の信号のみを結果として残す。
本発明は圧力測定よりむしろ大量空気流に依存するの
で、ギヤツプを通って流れる空気の量は第３のパワーに
上昇されたギヤツプの偏りに比例して変化する。また、
流れの変化は音速によつて制御され、その速度において
プローブを通る流れ抵抗の変化が空気式ブリツジの残部
に上流に伝搬されることができる。これは空気圧力差装
置においては圧力がそれ自体プローブと圧力センサとの
間の装置のよどんだ空気容積にわたつて積分しなければ
ならないため圧力差を測定する空気ゲージより速い応答
時間である。本発明に関しては応答時間は10−15msec程
度であるが、圧力差装置を使用する同様な空気ゲージに
関しては応答時間は200−300msec程度である。
第２図は第１図に示した測定プローブ58と表面66との
間のギヤツプ62を示す電圧出力を供給するのに使用され
ることができる回路を示す。大量空気流センサ50はホイ
ートストンブリツジの１部分からなる。該ブリツジは抵
抗器72,74,82および84によつて形成される。温度の関数
として電気抵抗を変化する特性を有する材料から作られ
る抵抗器はサーミスタである。矢印80によつて示される
大量空気流がサホミスタ82および84を横切って流れると
き、該２つのサーミスタ82および84は大量空気流への熱
移動により抵抗を変化する。第１交点76と第２交点78と
の間の電圧はサーミスタ82および84の抵抗の変化の結果
として変化する。前期第１および第２交点76および78と
の間のブリツジの出力電圧は可変抵抗器70によつて僅か
にずらされることができる。
第１および第２交点76および78からの信号は増幅器88
によつて増幅される。増幅器88の利得は可変抵抗器86に
よつて調整されることができる。増幅器88の出力は任意
の電気的フイルタ90によつて調節されることができる。
出力は次いで他の装置を制御して第１図に示した測定プ
ローブと表面66との間の変化するギヤツプ距離62の結果
として所望の作用を行うのに使用されることができる。
本発明に使用される流体としての空気の説明は好適な
流体としてのみである。理解されるべきことは、流体の
特性を有するどのような材料も本発明において使用する
ことができるということである。
幾つかの実施例が例示されかつ説明されたが、種々の
変更がこの発明の精神および範囲から逸脱することなし
になされることができることは当該技術に熟練した者に
は明らかである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を示す機械的な概略図、 第２図は大量空気流を検出するための回路を示す概略電
気回路図である。 図中、符号10は空気（流体）供給源、20は調整器、30は
フイルタ、32は空気（流体）導管、40は測定チヤンネ
ル、42は基準チヤンネル、44,46は制限器（精密開
口）、50は大量空気流センサ、51は測定脚部、53は基準
脚部、58は測定プローブ、60は基準プローブ、62は測定
ギヤツプ、64は基準ギヤツプ、66は表面、68は基準表
面、72,74,82,84は抵抗器（サーミスタ）である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 13/00 - 13/24 G01F 1/68

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体導管と、 前記流体導管と連通する第１チャンネルと、 前記流体導管と連通する第２チャンネルと、 前記第１チャンネル内の流体流を制限する第１制限器
    と、 前記第２チャンネル内の流体流を制限する第２制限器
    と、 表面との間で第１ギャップを形成する前記第１チャンネ
    ルの末端にある測定プローブと、 基準表面との間で第２ギャップを形成する前記第２チャ
    ンネルの末端にある基準プローブと、 前記第１チャンネルおよび前記第２チャンネルに連通し
    て、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルとの間を
    流れる流体の移動量を検出する流体流センサ手段と、を
    備えたことを特徴とする流体ゲージセンサ。
  2. 【請求項２】前記第１制限器および前記第２制限器は同
    一サイズの開口であることを特徴とする請求項１に記載
    の流体ゲージセンサ。
  3. 【請求項３】前記流体流センサ手段は、１対のサーミス
    タと、流体流が前記１対のサーミスタに対して向けられ
    る流体流チャンネルと、を有したことを特徴とする請求
    項１に記載の流体ゲージセンサ。
  4. 【請求項４】前記１対のサーミスタはホイートストンブ
    リッジの１部分を形成することを特徴とする請求項３に
    記載の流体ゲージセンサ。
  5. 【請求項５】さらに、前記流体導管が調整器を備えたこ
    とを特徴とする請求項４に記載の流体ゲージセンサ。
  6. 【請求項６】さらに、前記流体導管がフィルタを備えた
    ことを特徴とする請求項５に記載の流体ゲージセンサ。
  7. 【請求項７】前記流体は空気であることを特徴とする請
    求項６に記載の流体ゲージセンサ。
  8. 【請求項８】２つの表面間の空気ギャップを検出するた
    めの空気ゲージセンサにおいて、 空気供給源と、 前記空気供給源によって供給された空気圧を調整するた
    めの、前記空気供給源と連係する調整器手段と、 前記空気供給源からの空気がそれを通って流れるフィル
    タと、 空気導管と、 前記空気導管を基準チャンネルと測定チャンネルとに分
    割する合流点と、 前記測定チャンネルおよび前記基準チャンネルの各々に
    配置され、かつ各々ほぼ同一サイズの開口を有する制限
    器と、 基準表面と予め定めた基準ギャップを形成し、それによ
    り空気が前記基準ギャップを通って前記基準チャンネル
    から解放される前記基準チャンネルの末端にある基準プ
    ローブと、 表面とギャップを形成し、それにより空気が前記ギャッ
    プを通って前記測定チャンネルから解放される前記測定
    チャンネルの末端にある測定プローブと、 前記測定チャンネルおよび前記基準チャンネルに連通し
    て、前記測定チャンネルと前記基準チャンネルとの間を
    流れる空気の移動量を感知する空気流センサ手段と、を
    備えたことを特徴とする空気ゲージセンサ。
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