JP4198306B2 - 静電容量型センサ、半導体製造装置および液晶表示素子製造装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量型センサ、静電容量型センサ部品および物体搭載体に関し、特に、静電容量変化を利用した近接センサであって、FA機器、検査機、ロボット、半導体製造装置等に利用可能な静電容量型センサ、静電容量型センサ部品および当該センサ部品を備えた物体搭載体に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は、特開平7−29467号公報に示されている従来の静電容量型近接スイッチのセンサ部及びアンプ部の前段部分を示す図である。本図においてセンサ部111は3層のプリント基板112によって構成されている。このプリント基板112の一方の面に形成される第1層のパターンは物体検知領域に対向して配置された検知電極112aであり、プリント基板112の内部のパターンはこの検知電極112aをシールドするための第2層パターン、即ち同相シールドパターン112bである。このプリント基板12の他方の面に形成される第3層のパターンをシールドアースパターン112cとしている。シールドアースパターン112cは検知電極112a、同相シールドパターン112bに対する外来ノイズの影響を少なくするためのパターンである。そしてパターン112a、112bをシールドケーブル113の芯線及び被覆線にそれぞれ接続し、主回路部114側に接続している。主回路部114において検知電極112aが接続される芯線はバッファ回路115の入力端に接続されている。そしてバッファ回路115の出力端はシールド線113の被覆線に接続され、さらにシュミットトリガインバータ116の入力端に接続されている。帰還抵抗Rはシュミットトリガインバータ116の出力端とバッファ回路115の入力端との間に接続されている。
【0003】
ここで検知電極112aに、接地された物体が近接すればその間の静電容量Cdが増加する。バッファ回路115とシュミットトリガインバータ116はこの静電容量Cdと帰還抵抗Rを時定数として発振する発振回路117を構成しており、その出力は周期カウンタ118に接続される。周期カウンタ118は発振回路の発振周期を測定するものであって、その出力はリニアライザ119に与えられる。リニアライザ119は周期の変化を物体までの距離に対する変化として直線化するものである。リニアライザ119の出力は表示回路120及び比較回路121に入力される。比較回路121は入力信号を所定の閾値で弁別するものであり物体の有無の判別信号として出力回路122により出力される。
【0004】
このような構成によれば、検知電極112aと同相シールドパターン112bとはシールドケーブル113を介してバッファ回路115の入出力端に接続されているため、常に同位相、同電圧となる。そのため検知電極112aは同相シールドパターン112bとの間の静電容量の影響を受けなくなる。このためシールドケーブル113によって検知電極を有するセンサ部と電子回路部とを分離することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特開平7−29467によれば、センサ部は、物体検出に向けられた検出電極の第1層パターン112aと、シールドの第2層のパターン112bと、接地された第3層の電極パターンから成る。また、アンプ部から検出部各電極まではシールド線113で接続されており、別に接地配線を施している。これらの構造では以下の問題を有する。
▲1▼検出電極線、シールド線、接地線を必要とし複雑でコストを費やす。
▲2▼検出、シールド、接地の各電極を必要とし複雑でコストを費やす。
また、縦方向に複数個の検出部を設置した場合には、
▲3▼直上検出部の接地電極とその直下の検出電極との間の容量と、本来の検出物体と検出電極との間の容量とを区別するのに複雑なアンプ回路を必要とする。
▲4▼横方向の物体に対して誤検出する可能性がある。
【0006】
従って、本発明の主な目的は、構造が簡単な静電容量型センサ、静電容量型センサ部品および当該静電容量型センサ部品を備えた物体搭載体を提供することにある。
【0007】
本発明の他の目的は、横方向の物体に対しての誤検出を防止可能な静電容量型センサ、静電容量型センサ部品および当該静電容量型センサ部品を備えた物体搭載体を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1によれば、
静電容量型検出部と、
出力端子と反転入力端子との間に帰還インピーダンス回路が接続された演算増幅器と、
前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記静電容量型検出部との間に接続された信号線と、
前記演算増幅器の非反転入力端子に接続された交流信号発生手段と、
前記信号線の少なくとも一部をシールドすると共に前記演算増幅器の前記非反転入力端子および前記交流信号発生手段に接続されたシールド手段と、を備える静電容量型センサであって、
前記静電容量型検出部は検出電極とシールド電極とを備え、
前記検出電極は、被検出物体を検出する検出部検出電極と前記検出部検出電極まで電極を導入する電極導入部検出電極とを有し、
前記シールド電極が前記シールド手段に接続され、
前記電極導入部検出電極の少なくとも一部が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする静電容量型センサが提供される。
【0009】
請求項2によれば、
静電容量型検出部と、
出力端子と非反転入力端子とがイマジナルショート状態の演算増幅器と、
前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記静電容量型検出部との間に接続された信号線と、
前記信号線の少なくとも一部をシールドすると共に前記演算増幅器の前記非反転入力端子に接続されたシールド手段と、を備える静電容量型センサであって、
前記静電容量型検出部は検出電極とシールド電極とを備え、
前記検出電極は、被検出物体を検出する検出部検出電極と前記検出部検出電極まで電極を導入する電極導入部検出電極とを有し、
前記シールド電極が前記シールド手段に接続され、
前記電極導入部検出電極の少なくとも一部が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする静電容量型センサが提供される。
【0010】
請求項3によれば、
前記検出電極と前記シールド電極とがそれぞれ平板状の電極であって、互いに異なる層となるように積層されて設けられ、
前記積層方向から平面図的に見た場合に、前記電極導入部検出電極の少なくとも一部と前記シールド電極とが重なるように前記検出電極とシールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサが提供される。
【0011】
請求項4によれば、
前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサが提供される。
【0012】
ここでより好ましくは、請求項4において、
前記検出電極と前記シールド電極とがそれぞれ平板状の電極であって、互いに異なる層となるように積層されて設けられ、
前記積層方向から平面図的に見た場合に、前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極と前記シールド電極とが重なるように前記検出電極とシールド電極とが設けられていることを特徴とすることによって、より単純で低コストの誤検出の少ない静電容量型センサが提供される。
【0013】
請求項5によれば、
前記静電容量型検出部が第2のシールド電極をさらに備え、
前記第2のシールド電極が平板状の電極であって、前記検出電極に対して前記シールド電極と反対側に積層されて設けられ、
前記積層方向から平面図的に見た場合に、前記電極導入部検出電極の少なくとも一部と前記シールド電極とが重なり、前記検出部検出電極と前記シールド電極とが重ならず、前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極と前記第2のシールド電極とが重なるように前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項3記載の静電容量型センサが提供される。
【0014】
請求項6によれば、
前記検出部検出電極が平板状の電極であって、前記平板の主面に垂直な方向から平面図的に見た場合に、前記シールド電極の少なくとも一部が前記検出部検出電極の側方にあるように前記検出電極と前記シールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサが提供される。
【0015】
請求項6において、好ましくは、
前記平板の主面に垂直な方向から平面図的に見た場合に、前記シールド電極の少なくとも一部が前記検出部検出電極の周囲にあるように前記検出電極と前記シールド電極とが設けられていることを特徴とすることにより、より誤検出を少なくすることができた静電容量型センサが提供される。
【0016】
請求項7によれば、
前記平板の主面に垂直な方向から平面図的に見た場合に、前記シールド電極が前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極の周囲にあるように前記検出電極と前記シールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項6記載の静電容量型センサが提供される。
【0017】
請求項8によれば、
前記検出電極と前記シールド電極とが同一層内に設けられていることを特徴とする請求項6または7記載の静電容量型センサが提供される。
【0018】
請求項9によれば、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極とが被搭載物体を搭載可能な絶縁体と一体化され、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが被搭載物体を搭載可能な絶縁体と一体化されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の静電容量型センサが提供される。
【0019】
請求項10によれば、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極とが絶縁層によって覆われ、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが絶縁層によって覆われていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の静電容量型センサが提供される。
【0020】
請求項9または10において、好ましくは、
前記絶縁体がセラミックスであり、前記検出電極と前記シールド電極とが絶縁層によって覆われている場合には、前記絶縁層がセラミックスであり、前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが絶縁層によって覆われている場合には、前記絶縁層がセラミックスであることを特徴とすることで、高温や過酷な条件でも使用可能で、より誤検出を少なくできる静電容量型センサが提供される。
【0036】
請求項11によれば、請求項1乃至10のいずれかに記載の静電容量型センサを備えることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【0037】
請求項12によれば、請求項1乃至10のいずれかに記載の静電容量型センサを備えることを特徴とする液晶表示素子製造装置が提供される。
【0038】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0039】
図1は、本発明の一実施の形態の半導体ウェーハ検出機能付き搬送アームを説明するための概略部分横断面図である。図2は、本発明の一実施の形態の半導体ウェーハ検出機能付き搬送アームを説明するための概略縦断面図である。
【0040】
本実施の形態のウェーハ検出機能付き搬送アーム10は、絶縁体11と検出電極32とシールド電極21、31、41とを備えている。絶縁体11は、絶縁体層12〜16が一体化されて構成されている。絶縁体層12〜16の各層の厚さはそれぞれ0.5mmである。絶縁体層12にはシールド電極21が形成され、絶縁体層14には検出電極32とシールド電極31とが形成され、絶縁体層16にはシールド電極41が形成されている。絶縁体層16上に絶縁体層15を挟んで絶縁体層14が積層され、その上に絶縁体層13を挟んで絶縁体層12が積層されている。
【0041】
このウェーハ検出機能付き搬送アーム10は、アルミナ系のセラミックスを用い、シート成形によってシートを成形した後、シートに電極をスクリーン印刷して、さらに位置合わせをし、積層後、アームの形状に切断成形し、同時焼成により作成した。
【0042】
次に、このようにして形成されたウェーハ検出機能付き搬送アーム10の検出電極32およびシールド電極21、31、41の構造およびこれらの電極間の位置関係を説明する。
【0043】
シールド電極41上に絶縁体層15を介して検出電極32およびシールド電極31が形成され、検出電極32およびシールド電極31上に絶縁体層13を介してシールド電極21が形成されている。
【0044】
検出電極32は、被検出物体を検出する円形の検出部検出電極322と検出部検出電極まで電極を導入する電極導入部検出電極321とを備えている。シールド電極31は検出電極32と同一層内に設けられている。シールド電極31は、検出電極32の周囲を検出電極32の主面と平行な方向において取り囲んでいる。シールド電極31は、検出部シールド電極312と電極導入部シールド電極311とを備えている。検出部シールド電極312は、検出部検出電極322を検出電極32の主面と平行な方向において取り囲んでいる。検出部シールド電極312と検出部検出電極322との間には絶縁体11が存在する。検出電極32の主面と平行な方向における電極導入部検出電極321の両側には2つの電極導入部シールド電極311が、電極導入部検出電極321と平行にそれぞれ設けられている。電極導入シールド電極311と電極導入検出電極321との間には絶縁体11が存在する。
【0045】
シールド電極21は電極導入部シールド電極211からなり、電極導入部シールド電極211は、電極導入部検出電極321およびその両側の電極導入部シールド電極311に対面して設けられている。電極導入部シールド電極211と、電極導入部検出電極321およびその両側の電極導入部シールド電極311との間には、絶縁体11が存在する。シールド電極21は、検出部検出電極322とは対向して設けられておらず、検出部検出電極322は、シールド電極21から露出している。従って、被検出物体とこの検出部検出電極322との間に形成される容量値を測定することによって、被検出物体を検出することができる。
【0046】
シールド電極41は、検出部シールド電極412と電極導入部シールド電極411とを備えている。検出部シールド電極412は、検出部検出電極321およびその周囲の検出部シールド電極312に対面して設けられている。電極導入部シールド電極411は、電極導入部検出電極321およびその両側の電極導入部シールド電極311に対面して設けられている。シールド電極41と、検出電極32およびシールド電極31との間には、絶縁体11が存在する。
【0047】
本実施の形態においては、後に説明する演算増幅器を備えるZ/V変換(インピーダンス−電圧変換)装置を使用して、検出電極32を演算増幅器の反転入力端子に接続し、シールド電極21、31、41を演算増幅器の非反転入力端子に接続する。この演算増幅器の2つの入力端子(反転入力端子および非反転入力端子)がイマジナルショート状態にあるので、検出電極32とシールド電極21、31、41とは、同一電位となる。従って、これらの間に形成される寄生容量に影響されることなく、検出部検出電極322と被検出物体とによって形成されるインピーダンス成分の値(本実施の形態では容量値)のみに依存した電圧を得ることができ、インピーダンス値が非常に大きくても(インピーダンスが容量の場合は、容量値が微小であっても)高精度のZ/V変換が可能になる。
【0048】
その結果、上述した特開平7−29467号公報記載の技術と比較して、接地線を必要とせずコスト削減となり、また、接地電極を必要とせずコスト削減となる。
【0049】
さらに、上述したように、検出部検出電極322が、検出電極32の主面と平行な方向において検出部シールド電極312によって取り囲まれているので、ウェーハ検出機能付き搬送アーム10の横方向の物体に対して検出することなく、性能が向上する。
【0050】
さらに、上述したように、検出部検出電極322直下には、検出部シールド電極412が設けられているので、ウェーハ検出機能付き搬送アーム10の下方向の物体によって影響を受けることなく、性能が向上する。また、ウェーハ検出機能付き搬送アーム10を縦方向に複数個配置した場合でも、ある特定のウェーハ検出機能付き搬送アーム10はその検出部検出電極322直上に配置された対象被検出物体のみを検出することになり、性能は向上する。
【0051】
上述のように、本実施の形態においては、検出電極32とシールド電極21、31、41とが同一電位となり、これらの間に形成される寄生容量に影響されることなく、検出部検出電極322と被検出物体とによって形成されるインピーダンス成分の値(本実施の形態では容量値)のみに依存した電圧を得ることができ、インピーダンス値が非常に大きくても(インピーダンスが容量の場合は、容量値が微小であっても)高精度のZ/V変換が可能になる。このように、静電容量を高精度に検出できるセンサ回路なので、センサは鈍くても良く、電極構造を簡素化することができる。従って、検出電極32のみを設けたウェーハ検出機能付き搬送アーム10でもよく、また、シールド電極21、31および41のうちのいずれか一つを設けた構造のものでも性能が向上する。従って、わずか1枚のセラミックス基板板の片面に検出電極とシールド電極とを設けた構造のものでアームを構成することもでき、1枚のセラミックス基板の両面に電極を焼き付けたもので、アームを構成することもできる。
【0052】
なお、絶縁体11用の材料としては、樹脂、セラミック等、半導体製造工程で使用する高温仕様のものが好適に使用される。
【0053】
また、検出電極32およびシールド電極21、31、41は樹脂、セラミック等の絶縁体層で覆われていることが好ましく、このようにすれば、高温での電極劣化が防止される。
【0054】
次に、図3〜8を参照して、本実施の形態で使用するZ/V変換装置の構成を詳細に説明する。
【0055】
図3は、本実施の形態に係るZ/V変換装置の第1の実施例を概略的に示す回路図である。図3において、演算増幅器1は入力インピーダンスと利得が極めて大きい演算増幅器であり、その出力端子2と反転入力端子(−)との間に帰還インピーダンス素子3が接続されて演算増幅器1に負の帰還ループが形成されている。演算増幅器1の非反転入力端子(+)には交流電圧を発生する交流信号発生器4が接続され、演算増幅器1の反転入力端子(−)には、信号線5の一端が接続されている。信号線5の他端には、未知の値のインピーダンス成分すなわち被検出インピーダンス成分(対象物)6の検知電極61(本実施の形態では検出電極32)が接続される。対象物6の他方の電極62は接地されるか、直流の一定のバイアス電位に固定されるか、あるいは、開放状態とされる。
【0056】
なお、他方の電極62に交流バイアスを加えることもできるが、このときには、演算増幅器1の出力電圧の数学的解析が複雑になる。
【0057】
外部からのノイズ等の不要信号が信号線5に誘導されるのを防止するために、信号線5の周囲はシールド手段7によって包囲されている。このシールド手段7は1つのシールド層からなり、アースされず、演算増幅器1の非反転入力端子(+)に接続される。なお、本実施の形態では、シールド電極21、31、41がこのシールド手段7に接続される。
【0058】
演算増幅器1には帰還インピーダンス素子3を介して負帰還がかかっており、しかも、演算増幅器1は入力インピーダンスと利得が極めて大きい演算増幅器であるので、演算増幅器1の反転入力端子(−)及び非反転入力端子(+)はイマジナリショート状態にあり、電位差は実質的にゼロである。したがって、信号線5とシールド手段7とは同電位にあるので、信号線5とシールド手段7との間に生じる浮遊容量をキャンセルすることができる。このことは、信号線5の長さにも無関係に成立する。したがって、信号線5の移動や折り曲げ、折り返し等による信号線5とシールド線7との間に生じる浮遊容量の変化は、出力される出力電圧の変化には現れない。
【0059】
いま、交流信号発生器4の交流出力電圧をViとし、被検出インピーダンス成分すなわち対象物6の検出すべきインピーダンス値をZx、対象物6を流れる電流をi1、既知の帰還インピーダンス回路3のインピーダンス値をZf、帰還インピーダンス回路3を流れる電流をi2とし、演算増幅器1の反転入力端子(−)における電圧をVm、演算増幅器1の出力電圧をVoとすると、演算増幅器1の2つの入力端子は前述のとおりイマジナリショート状態にあるので、反転入力端子(−)における電圧Vmは交流信号発生器4の交流信号出力電圧Viと同電位となる。すなわち、Vi=Vm
【0060】
また、
【数1】
i1=−Vm/Zx=−Vi/Zx
i2=(Vm−Vo)/Zf=(Vi−Vo)/Zf
が成り立つ。
ここで、i1=i2であるから、演算増幅器1の出力電圧Voは、
【数2】
Vo=Vi(1+Zf/Zx) (1)
となる。式(1)は、演算増幅器1がインピーダンス値Zxに依存して変化する交流電圧を出力することを表している。
【0061】
以上のことから、信号線5、シールド手段7、交流信号発生器4、演算増幅器1及び帰還インピーダンス素子3を含む部分(図3の一点鎖線で囲まれたブロック8)は、信号線5の他端に接続される対象物6のインピーダンスZxをそれに対応する電圧Voへ変換するZ/V変換装置を構成していることがわかる。
【0062】
ここで留意すべきは、演算増幅器1の反転及び非反転入力端子はイマジナリ・ショート状態にあるので、信号線5とシールド手段7の間に生じる浮遊容量が演算増幅器1の2つの入力端子の間に現れることはないということである。これにより、演算増幅器1の出力電圧Voは、信号線5とシールド手段7との間に生じる浮遊容量に関係する項を全く含まないので、対象物6のインピーダンスZxが非常に大きくても、演算増幅器1からは、この非常に大きなインピーダンスZxのみに対応した電圧Voが出力される。
【0063】
演算増幅器1の出力電圧Voは上記式(1)のように表され、式(1)において、帰還インピーダンス回路3のインピーダンスZf並びに交流信号Viの周波数及び振幅は既知である。また、演算増幅器1の交流出力電圧Voは、周波数が交流信号Viの周波数と同一であり、振幅は演算増幅器1の出力のピーク値を検出することにより得ることができる。従って、式(1)を逆算することにより、インピーダンス値Zxを得ることができる。例えば、対象物6のインピーダンスZxが容量成分Cxである場合、CxとVoの振幅とは、ある実験においては図4のグラフに示されるようになった。なお、ZxとVoの関係を予め記憶した関数テーブルを検索することによっても、インピーダンス値Zxを得ることができる。
【0064】
さらに、交流出力電圧Voを適宜の回路に供給して該交流出力電圧に対応する直流電圧Vddを生成し、該回路によって得られた直流電圧Vddに基づき、インピーダンス値Zxを得ることもできる。直流電圧Vddを生成する回路として、例えば整流平滑回路等の任意のAC−DC変換回路を採用することができる。また、必要に応じて、出力電圧Voを増幅した後にAC−DC変換してもよい。
【0065】
このように、図3の一点鎖線で囲まれたブロック8と、演算増幅器1の出力電圧Vo又は該電圧Voに対応する直流電圧VddからインピーダンスZxを求める処理回路とを組み合わせることにより、対象物6のインピーダンス値Zxを検出することができる。
【0066】
図3に示した第1の実施例において、シールド手段7はパイプ状のシールド手段とすることができる。また、信号線5及びシールド手段7からなる同軸ケーブルに可撓性を持たせるために、シールド手段7を細い金属ストリップを編み込んだ1重層のメッシュ構造に形成することもできる。
【0067】
ただし、シールド手段7を1重層のメッシュ構造にした場合、交流信号発生器4の周波数を高周波にすると、該高周波信号が信号線5からシールド手段7の微細な穴を介してリークしてしまい、交流出力電圧Voに影響を与えてしまう恐れがある。また、高周波の外乱ノイズがシールド手段7により遮蔽されずに信号線5に載ってしまうこともあり、この場合も交流出力電圧Voに外乱ノイズの影響が顕れてしまう。さらに、このような同軸ケーブルに手を触れた場合、演算増幅器1からの出力電圧Voが変動してしまうことがある。
【0068】
図5は、シールド手段をメッシュ構造にして可撓性を持たせた場合でも、高精度でZ/V変換を行うことができる、本実施の形態のZ/V変換装置の第2の実施例を示している。図5において、図3の第1の実施例と同一の構成要素には同一の参照番号を付しており、第2の実施例は、シールド手段が、ともに演算増幅器1の非反転入力端子に接続される内側シールド手段(第1のシールド層)71、外側シールド手段(第2のシールド層)72の2重のメッシュ構造になっている点で、第1の実施例と相違している。
【0069】
第2の実施例においては、シールド手段を2重のメッシュ構造にしているので、1重のメッシュ構造のものと比較して、シールド手段の穴の径が小さくなり、交流信号発生器4の周波数が高周波であっても信号線5からシールド手段71、72へのリークが低減され、また外来ノイズによる影響も低減されるので、検出すべきインピーダンスZxに正確に対応する出力電圧Voを得ることができる。例えば、本実施の形態において、シールド手段を1重メッシュ構造にして静電容量を検出した場合、1MHz程度の周波数では同軸ケーブルに手が触れると数百ppm程度の出力変動が生じるが、2重メッシュ構造にすると、手が触れても変動が殆ど生じることがない。
【0070】
図6(A)及び(B)は、第1の実施例と第2の実施例を水分計として用いて、1重のシールド手段及び2重のシールド手段によって生じるノイズの影響を実験により検証した場合の、実験結果を示している。この実験においては、交流信号発生器4から1MHzの交流信号Viを発生させ、また、同軸ケーブルを間欠的に手で握ることによって、出力電圧Voに現れる影響を検出した。
【0071】
図6の(A)及び(B)から明らかなように、1重メッシュ構造を採用している第1の実施例の場合には、手で握った期間T1、T2、T3で出力電圧Voに大きなノイズが重畳されているのに対して、2重メッシュ構造を採用している第2の実施例においては、出力電圧にノイズが重畳されていない。したがって、実験結果から、シールド手段を2重メッシュ構造とすればノイズの影響を殆どゼロにすることができることが実証された。
【0072】
図7は、本実施の形態のZ/V変換装置の第3の実施例を示している。該第3の実施例は、第2の実施例と同様に、シールド手段を2重のメッシュ構造とし、かつ内側シールド手段71を演算増幅器1の非反転入力端子に接続しているが、外側シールド手段72を接地している点で、第2の実施例と相違している。
【0073】
ただし、第3の実施例のように外側シールド手段72を接地すると、内側シールド手段71と外側シールド手段71との間に1000pF/m以上の層間容量すなわち寄生容量が生じ、該寄生容量は、同軸ケーブル(信号線5及び内側及び外側シールド手段71、72)が長くなると、大きくなる。また、交流信号発生器4の周波数が高くなると、寄生容量のインピーダンスが低下し信号リークが大きくなる。したがって、第3の実施例は、検知電極61と演算増幅器1とが比較的近接して配置されて同軸ケーブルが比較的短い場合及び交流信号発生器4の周波数が比較的低い場合に、適用することが好ましい。
【0074】
本実施の形態の第1〜第3の実施例において、シールド手段7又は内側及び外側シールド手段71、72により信号線5を全てシールドすることが好ましい。しかしながら、使用状況等によっては、信号線5の一部のみ(10%以上)をシールドしてもよい。さらに、信号線5のみならず、検知電極61以外の全ての装置をシールドすることが、より効果的である。
【0075】
また、第1〜第3の実施例において、対象物6の被検出インピーダンス成分を、抵抗、コンデンサ、コイル等の任意のインピーダンス成分とすることができる。
【0076】
被検出インピーダンス成分として容量素子Cxを用いた場合、第1〜第3の実施例は容量−電圧変換装置となり、容量型センサを構成する。この場合、容量素子Cxの信号線5に接続されない電極62(又はそれに相当するもの)は接地されるか、適宜のバイアス電位に設定されるか、あるいは、空間に解放されている。
【0077】
測定対象の被検出インピーダンス成分が容量成分の場合は、帰還インピーダンス回路3としてコンデンサを採用し、抵抗成分の場合は、帰還インピーダンス回路3として抵抗又はコンデンサを採用し、誘導成分の場合には帰還インピーダンス回路3としてコイル、抵抗、コンデンサの中で最もS/N比の良いものを採用することが好ましい。帰還インピーダンス回路3と対象物6の被検出インピーダンス成分とを同一特性とした場合、ノイズがより低減されることが多い。
【0078】
なお、異なる性質のもの組み合わせを採用しても良いことは勿論であり、例えば、図8に示すように、対象物6が容量成分Cxの場合に、帰還インピーダンス回路3として抵抗を採用してもよい。帰還インピーダンス回路として抵抗を用いるので、演算増幅器と帰還抵抗とを1チップとして形成することが容易となる。この場合、交流信号発生器4の出力の角周波数をωとし、帰還抵抗3の抵抗値をRfとすると、出力電圧Voは、式(1)から以下のように表すことができる。
【数3】
Vo=Vi(1+jωRf・Cx) (2)
【0079】
帰還インピーダンス回路3として、抵抗とコンデンサの並列回路等を採用してもよい。その他、任意の組み合わせが可能である。
【0080】
また、式(1)から明らかなように、帰還インピーダンス回路3と対象物6の接続位置を取り替えてもよい。すなわち、演算増幅器1の反転入力端子と出力端子との間に検出すべき対象物を接続し、信号線5の一端に既知の値のインピーダンス素子又は回路を接続しても良い。この場合、シールド手段は、被検出インピーダンス成分の2つの検知電極と演算増幅器の反転入力端子及び出力端子との間をそれぞれ接続する2つの線に被覆する必要がある。
【0081】
さらに、帰還インピーダンス回路3も未知のインピーダンス値であるとしてもよい。この場合、式(1)の右辺のZf及びZxはともに未知の値であるため、出力電圧VoはZfとZxの比の値(=Zf/Zx)に対応した電圧値となる。
【0082】
一方、例えば図8に示したZ/V変換装置において、帰還インピーダンス回路3も未知の抵抗成分とし、該抵抗成分及び対象物6の容量成分がともにある変量Y(例えば、圧力、温度等)に対して線形変化する場合、これらのインピーダンスの比の値Zf/Zx=jωCxRfが変量Yに応じて変化することになり、変量Yに対応して変化する出力電圧Vo(=Vi(1+Zf/Zx)=Vi(1+jωCxRf))が得られる。
【0083】
ここで、2つの未知のインピーダンス成分がそれぞれ、ある変量Yに対して線形変化しないものであっても、その組み合わせにより、出力電圧Voを変量Yに対して線形変化させることができ、逆に、各インピーダンス成分が変量Yに対して線形変化するものであっても、出力電圧Voを非線形変化させることができる。
【0084】
本実施の形態で使用するZ/V変換装置は、上記したように構成されているので、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)演算増幅器の2つの入力端子のイマジナルショートにより、検出すべき対象物の被検出インピーダンス成分に接続された信号線とそれを包囲するシールド手段とが同一電位となるので、これらの間に形成される寄生容量に影響されることなく、被検出インピーダンス成分の値のみに依存した電圧を得ることができる。よって、インピーダンス値が非常に大きくても高精度のZ/V変換が可能になる。
(2)被検出インピーダンス成分の一方の電極が或る電位にバイアスされていても、そのインピーダンス値に対応した電圧を求めることができる。
(3)シールド手段を2重のメッシュ構造にすることにより、信号線及びシールド手段からなる同軸ケーブルに可撓性を持たせつつ、信号線からの信号リーク及び信号線への外来ノイズの回り込みを低減することができ、より高精度のZ/V変換が可能となる。
(4)帰還インピーダンス回路を被検出インピーダンス成分とした場合、2つの被検出インピーダンス成分のインピーダンス比に対応する出力電圧を、信号線の寄生容量に影響されずに高精度で得ることができる。
(5)信号線が長くなってもシールドとの寄生容量に影響されないので、非常に大きいインピーダンスを高精度に測定することができる。
【0085】
本実施の形態では、このような優れた特性のZ/V変換装置を上述した構造のウェーハ検出機能付き搬送アーム10に使用するので、簡単な構造のウェーハ検出機能付き搬送アームであっても高精度に半導体ウェーハの検出を行うことができる。
【0086】
なお、上記においては、半導体ウェーハを対象としたウェーハ検出機能付き搬送アームを本発明の一実施の形態として説明したが、本発明は、液晶表示素子形成用のガラス基板等を対象としたその他の被検出物検出機能付き搬送アームにも好適に適用でき、ウェーハ検出機能付き搬送アームを備えた半導体製造装置や液晶表示素子形成用のガラス基板検出機能付き搬送アームを備えた液晶表示素子製造装置にも好適に適用できる。
【0087】
【実施例】
上述した本発明の一実施の形態のウェーハ検出機能付き搬送アーム10を作成した。図1を参照すると、電極導入部シールド電極211の幅aを30mm、シールド電極31の幅bを6mm、電極導入部検出電極321の幅dを12mm、電極導入部シールド電極311と電極導入部検出電極321との間cを4mm、検出部検出電極322の直径fを50mm、検出部シールド電極312の外径gを70mm、電極導入部シールド電極411の幅eを30mm、検出部シールド電極412の直径hを70mmとした。
【0088】
この様にしてできたウェーハ検出機能付き搬送アーム10の検出電極32を、図3に示すZ/V変換装置の信号線5に接続し、ウェーハ検出機能付き搬送アーム10のシールド電極21、31、41をシールド手段7に接続し、対象物(この場合シリコンウェーハ)の検出を行ったところ、アーム10の上面側(つまり、円形の検出部検出電極322がシールドされていない側)にウェーハが接触するか、数センチの近傍に来たときこの回路の出力電圧に充分認識可能な変動(近傍にきたときには数ミリボルトの出力電圧の変動、接触したときには数百ミリボルトの出力電圧の変動)が見られた。一方でアーム10の裏面(円形の検出部検出電極322のシールド側)では、まったくこうした変動が見られず、検出効果の確認が出来た。
【0089】
【発明の効果】
本発明によれば、構造が簡単であるが高精度な静電容量型センサ、静電容量型センサ部品および当該静電容量型センサ部品を備えた物体搭載体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の半導体ウェーハ検出機能付き搬送アームを説明するための概略部分横断面図である。
【図2】本発明の一実施の形態の半導体ウェーハ検出機能付き搬送アームを説明するための概略縦断面図である。
【図3】本発明の一実施の形態に係るインピーダンス−電圧(Z/V)変換装置の第1の実施例を示す回路図である。
【図4】本発明の一実施の形態に係るZ/V変換装置において、被検出インピーダンスを容量成分とした場合のCxと出力電圧Voとの関係の実験による一例を示すグラフである。
【図5】本発明の一実施の形態に係るZ/V変換装置の第2の実施例を示す回路図である。
【図6】第1の実施例と第2の実施例を用いて、ノイズによる影響を実機テストにより検証した場合のテスト結果を示すグラフである。
【図7】本発明の一実施の形態に係るZ/V変換装置の第3の実施例を示す回路図である。
【図8】第1の実施例において、被検出インピーダンス成分として静電容量を、帰還インピーダンス回路として抵抗を採用した場合の回路図である。
【図9】従来の静電容量型近接センサを示す図である。
【符号の説明】
1…演算増幅器
2…出力端子
3…帰還インピーダンス回路
4…交流信号発生器
5…信号線
6…検出すべき対象物
61…検出電極
62…電極
7…シールド手段
71…内側シールド手段
72…外側シールド手段
10…アーム
11…絶縁体
12〜16…絶縁体層
21、31、41…シールド電極
211、311、411…電極導入部シールド電極
312、412…検出部シールド電極
32…検出電極
321…電極導入部検出電極
322…検出部検出電極
Claims (12)
- 静電容量型検出部と、
出力端子と反転入力端子との間に帰還インピーダンス回路が接続された演算増幅器と、
前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記静電容量型検出部との間に接続された信号線と、
前記演算増幅器の非反転入力端子に接続された交流信号発生手段と、
前記信号線の少なくとも一部をシールドすると共に前記演算増幅器の前記非反転入力端子および前記交流信号発生手段に接続されたシールド手段と、を備える静電容量型センサであって、
前記静電容量型検出部は検出電極とシールド電極とを備え、
前記検出電極は、被検出物体を検出する検出部検出電極と前記検出部検出電極まで電極を導入する電極導入部検出電極とを有し、
前記シールド電極が前記シールド手段に接続され、
前記電極導入部検出電極の少なくとも一部が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする静電容量型センサ。 - 静電容量型検出部と、
出力端子と反転入力端子との間に帰還インピーダンス回路が接続され、前記反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナルショート状態の演算増幅器と、
前記演算増幅器の前記反転入力端子と前記静電容量型検出部との間に接続された信号線と、
前記信号線の少なくとも一部をシールドすると共に前記演算増幅器の前記非反転入力端子に接続されたシールド手段と、を備える静電容量型センサであって、
前記静電容量型検出部は検出電極とシールド電極とを備え、
前記検出電極は、被検出物体を検出する検出部検出電極と前記検出部検出電極まで電極を導入する電極導入部検出電極とを有し、
前記シールド電極が前記シールド手段に接続され、
前記電極導入部検出電極の少なくとも一部が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする静電容量型センサ。 - 前記検出電極と前記シールド電極とがそれぞれ平板状の電極であって、互いに異なる層となるように積層されて設けられ、
前記積層方向から平面図的に見た場合に、前記電極導入部検出電極の少なくとも一部と前記シールド電極とが重なるように前記検出電極とシールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサ。 - 前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極が前記シールド電極によってシールドされていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサ。
- 前記静電容量型検出部が第2のシールド電極をさらに備え、
前記第2のシールド電極が平板状の電極であって、前記検出電極に対して前記シールド電極と反対側に積層されて設けられ、
前記積層方向から平面図的に見た場合に、前記電極導入部検出電極の少なくとも一部と前記シールド電極とが重なり、前記検出部検出電極と前記シールド電極とが重ならず、前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極と前記第2のシールド電極とが重なるように前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項3記載の静電容量型センサ。 - 前記検出部検出電極が平板状の電極であって、前記平板の主面に垂直な方向から平面図的に見た場合に、前記シールド電極の少なくとも一部が前記検出部検出電極の側方にあるように前記検出電極と前記シールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の静電容量型センサ。
- 前記平板の主面に垂直な方向から平面図的に見た場合に、前記シールド電極が前記検出部検出電極および前記電極導入部検出電極の周囲にあるように前記検出電極と前記シールド電極とが設けられていることを特徴とする請求項6記載の静電容量型センサ。
- 前記検出電極と前記シールド電極とが同一層内に設けられていることを特徴とする請求項6または7記載の静電容量型センサ。
- 前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極とが被搭載物体を搭載可能な絶縁体と一体化され、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが被搭載物体を搭載可能な絶縁体と一体化されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の静電容量型センサ。 - 前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極とが絶縁層によって覆われ、
前記静電容量型検出部が前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とを備える場合には、前記検出電極と前記シールド電極と前記第2のシールド電極とが絶縁層によって覆われていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の静電容量型センサ。 - 請求項1乃至10のいずれかに記載の静電容量型センサを備えることを特徴とする半導体製造装置。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の静電容量型センサを備えることを特徴とする液晶表示素子製造装置。
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