KR100331453B1 - 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 ｘｙ 스테이지의위치 검출 장치 - Google Patents

시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 ｘｙ 스테이지의위치 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전 구동형 XY 스테이지의 위치 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 XY 스테이지(stage) 각 축의 고정자(stator)에 위상차를 가지는 여기 신호를 주입하여 이의 응답인 캐패시턴스 변화량을 시분할로 검출하여 스테이지의 X축과 Y축의 위치를 검출하는 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치에 관한 것이다. 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치는 기록 매체를 이동시키는 이동 판, 이와 연결되어 전기적으로 등전위를 가지는 이동자 콤(rotor comb)과 소정 축의 고정자 콤들 사이에 차동 캐패시터를 구성하는 스테이지; 상기 스테이지에 연결되어 출력되는 위치 정보 사이에 간섭이 일어나지 않도록 시상수가 설계되어 시분할 방식으로 상기 위치 정보값을 출력하는 증폭부; 타이밍 제어신호에 의해 상기 증폭부에서 출력되는 시분할 위치 정보를 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드부; 및 상기 증폭부의 시분할 위치 정보가 최대가 되는 시점에서 샘플링 및 홀드 할 수 있도록 제어신호를 출력하고, 샘플/홀드부에서 출력되는 위치 정보를 독출하고 상기 축에 인가하는 위상차를 가지는 여기 신호를 발생하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 시분할 다중화 방식을 이용하여 하나의 검출 회로로서 다축의 가속도 또는 위치를 검출함으로써 검출회로의 면적을 감소할 수 있는 효과가 있다.

Description

시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 ＸＹ 스테이지의 위치 검출 장치{Position sensing apparatus for an electrostatic XY-stage using time-division multiplexing}
본 발명은 정전 구동형 XY 스테이지의 위치 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 XY 스테이지 각 축의 고정자에 위상차를 가지는 여기 신호를 주입하여 이의 응답인 캐패시턴스 변화량을 시분할로 검출하여 스테이지의 X축과 Y축의 위치를 검출하는 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치에관한 것이다.
최근 회전형 자기 기록 장치의 기록 밀도의 한계를 극복하기 위하여 SPM(scaning probe microscopy) 원리를 이용한 고밀도 기록 장치의 연구가 진행되고 있다. 핵심 기술로는 탐침(tip)과 칸티레버(cantilever)의 제조, 매체의 기록 및 재생의 원리, 신호 처리, XY 스테이지의 제조 등을 들 수 있다. 특히 XY 스테이지와 신호 처리를 위한 회로 부분이 상기한 기록 장치의 면적의 대부분을 차지하기 때문에 시스템의 소형화를 위하여 XY 스테이지의 단위 면적당 구동력을 높이거나 회로 부분을 단일 칩으로 구성하는 연구가 진행되고 있다.
본 발명에서의 XY 스테이지 위치 검출은 기존의 정전형 가속도계의 가속도 검출 원리인 캐패시턴스(capacitance) 검출을 사용하고 본 발명의 원리가 가속도 검출에 적용이 가능하기 때문에 기존의 가속도계 검출 방식의 문제점을 설명한다.
다축의 정전형 가속도계의 가속도 검출 방법으로 각 축마다 가속도계를 사용하고 있는 방법이 있다. 그러나 이러한 방식은 축간 간섭이 없도록 가속도계를 배치하기가 어렵고 축마다 가속도계를 설치하여야 하기 때문에 가격이 높다는 단점이 있다. 이러한 방식의 단점을 보완하기 위하여 하나의 실리콘 웨이퍼 상에 주어진 축에 대해서만 민감하게 응답하는 Proof Mass들을 배치하고 각 축의 검출 회로를 집적하여 각 축의 가속도를 검출하는 방법이 제안되었다. 그러나 여러 개의 Proof Mass로부터 다축의 가속도를 검출하는 방식보다 칩 면적을 적게 차지하며 가격면에서 유리한 단일 Proof Mass로부터 다축의 가속도를 검출하는 방식이 제안되었다.
이러한 방식으로 연구논문[M.A.Lemkin, B.E.Boser, D.Auslander andJ.H.Smith, "A 3-axis force balanced accelerometer using a sing proof-mass" International Conference on Solid-State Sensor and Actuators(TRANSDUCERS '97), Vol. 2, pp1185∼1188]에서는 Proof Mass에는 반송 신호(carrier signal)를 주입하여 이에 대한 응답을 복조하여 각 축의 고정자로부터 캐패시턴스 변화량을 측정하거나, 연구논문[K.Jono, M.Hashimoto and M.Esashi, "Electrostatic servo system for multi-axis accelerometers" IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS '94) pp251∼256]에서는 각 축의 고정자에 다른 주파수의 반송 신호를 주입하여 Proof Mass에 각 축마다 다른 주파수의 동기 복조기(synchronous demodulator)를 연결하여 각 축 방향의 가속도를 측정할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 반송 신호와 동기 시켜야 하는 어려움이 있고 또한 복조를 위한 회로가 각 축마다 필요하기 때문에 칩 면적을 많이 차지하는 단점이 있다.
연구논문[H.Ahmad, A.J.Al-Khalili, L.M.Landsberger and M.Kahrizi, 'A two-dimensional micromachined acclerometer" IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 46, No. 1, pp18∼26, 1999]에서 12개의 스위치를 이용하여 선로(signal path)를 절환하여 축간 간섭을 제거하고 시분할로 여기 신호 응답의 일부분을 이용하여 캐패시턴스의 변화량을 전하 증폭기(charge amplifier)와 저역 통과 필터를 이용하여 측정하는 방법이 제안되었다. 그러나 많은 스위치와 각 축마다 신호처리를 위한 회로가 필요하고, 캐패시턴스 변화량과 비례하는 펄스 모양의 출력 전압을 저역 통과 필터를 사용하여 여기 신호의 주기에대한 평균 전압을 얻기 때문에 신호의 크기가 작고 노이즈의 영향을 받기 쉬운 단점이 있다.
미국 특허 USP 5,939,633(1999.8)에서 각 축마다 동적 Proof Mass의 전압을 두 번 측정하고 그 차이를 계산하여 캐패시턴스의 변화량을 구할 수 있는 방법이 제시되었으나, Proof Mass의 전압을 주기마다 초기화를 시켜주어야 하며 시간 차를 가지고 측정한 두 번의 Proof Mass의 전압으로부터 가속도를 계산하여야 하는 어려움과 높은 주파수의 전압을 고정자에 인가하지 않으면 축간 간섭의 영향을 받고 각 축마다 복조 회로가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 정전형 XY 스테이지의 각 축의 고정자에 위상차를 가지는 여기 신호를 주입하여 이동 판으로부터 시분할로 캐패시턴스 변화량을 검출하여 스테이지의 X축과 Y축의 위치를 검출하는 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치 중 스테이지와 Charge Amplifier의 회로도이다.
도 3은 도 1의 장치에서 사용되는 제1 실시 예의 타이밍도 이다.
도 4는 도 1의 장치에서 사용되는 제2 실시 예의 타이밍도 이다.
도 5는 도 1의 장치에서 구현되는 시뮬레이션 파형도 이다.
도 6은 3 축 스테이지의 위치 검출에 사용되는 타이밍도 이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치는 기록 매체를 이동시키는 이동 판과 연결되어 전기적으로 등전위를 가지는 이동자 콤(rotor comb)과 소정 축의 고정자 콤들 사이에 차동 캐패시터를 구성하는 스테이지; 상기 스테이지에 연결되어 출력되는 위치 정보 사이에 간섭이 일어나지 않도록 시상수가 설계되어 시분할 방식으로 상기 위치 정보값을 출력하는 증폭부; 타이밍 제어신호에 의해 상기 증폭부에서 출력되는 시분할 위치 정보를 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드부; 및 상기 증폭부의 시분할 위치 정보가 최대가 되는 시점에서 샘플링 및 홀드 할 수 있도록 제어신호를 출력하고, 샘플/홀드부에서 출력되는 위치 정보를 독출하고 상기 축에 인가하는 위상차를 가지는 여기 신호를 발생하는 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시분할 다중화 방식을 이용한 정전형 XY 스테이지의 위치 검출 장치의 구성을 보이는 블록도 이다.
도 1에 도시된 장치는 정전형 XY 스테이지(10), 축간 위치 정보 사이에 간섭이 일어나지 않도록 파라미터가 설계되고 시분할 방식으로 위치 정보값을 출력하는 전하 증폭기(charge amplifier, 이하 C/A라 표기함)(11), 타이밍 제어신호에 의해 C/A(11)의 출력을 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드부(sample/hold, 이하 S/H라 표기함)(12), S/H(12)에서 출력되는 위치 정보를 디지털 변환하는 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, 이하 ADC라 표기함)(13), S/H(12)가 시분할 위치 정보를 소정의 시간에 샘플링할 수 있도록 타이밍 제어신호를 출력하고, ADC(13)에서 출력되는 위치 정보를 독출하여 스테이지(10) 구동 신호 및 여기 신호를 출력하는 제어부(14)로 구성된다.
본 발명에서 스테이지(10)는 이동 판(10-1), 이동 판(10-1)을 기준으로 x축 양의 방향 고정자 콤(10-2)과 이동자 콤(10-3),이동 판(10-1)을 기준으로 x축 음의 방향 고정자 콤(10-4)과 이동자 콤(10-5), 이동 판(10-1)을 기준으로 y축 양의 방향 고정자 콤(10-6)과 이동자 콤(10-7), 이동 판(10-1)을 기준으로 y축 음의 방향고정자 콤(10-8)과 이동자 콤(10-9)로 구성된다. 여기서 10-10은 이동 판(10-1)과 고정부(10-11)과 연결되어 기계적으로 스프링 작용을 하며 전기적으로 공통 노드를 구성한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치 중 정전형 XY 스테이지의 등가회로와 Charge Amplifier의 회로도이다. 도 3은 도 1의 장치에서 사용되는 제1 실시 예의 타이밍도 이다. 도 4는 도 1의 장치에서 사용되는 제2 실시 예의 타이밍도 이다. 도 5는 도 1의 장치에서 구현되는 시뮬레이션 파형도 이다. 도 6은 3 축 스테이지의 위치 검출에 사용되는 타이밍도 이다.
이어서, 도 1∼도 5를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 적용되는 정전형 XY 스테이지(10)는 이동 판(10-1), 이동 판(10-1)을 기준으로 x축 양의 방향 고정자 콤(10-2)과 이동자 콤(10-3),이동 판(10-1)을 기준으로 x축 음의 방향 고정자 콤(10-4)과 이동자 콤(10-5), 이동 판(10-1)을 기준으로 y축 양의 방향 고정자 콤(10-6)과 이동자 콤(10-7), 이동 판(10-1)을 기준으로 y축 음의 방향 고정자 콤(10-8)과 이동자 콤(10-9)로 구성된다. 각 축의 이동자 콤과 고정자 콤은 도 2에서와 같이 4개의 비선형 캐패시터 cx1, cx2, cy1, cy2를 형성하며 구동부로 작용한다. 즉 양 단자간 전압을 인가하면 정전력이 발생되어 이동판(10-1)을 x축과 y축 방향으로 구동할 수 있다. 여기서 10-10은 이동 판(10-1)과 고정부(10-11)과 연결되어 기계적으로 스프링 작용을 하며 전기적으로 공통 노드를 구성한다.
각 축 구동부의 스프링(10-10)이 상수이고 축간 간섭이 없다고 가정하면 수학식 1과 같은 변위 x에 대한 2차 운동 방정식을 얻을 수 있다.
여기서 m은 스테이지(10)의 질량, d는 damping 상수, k는 스프링 상수이다. fx는 x축의 고정자 콤(10-2) sx1와 이동자 콤(10-3), x축 고정자 콤(10-4) sx2와 이동자 콤(10-5) 간에 인가된 전압 vsx1, vsx2에 의해 발생된 정전력의 차이이다.
만약 ∂cx1/∂x = -∂cx2/∂x ≡ ∂c/∂x로 서로 대칭의 구조를 가진다면 다음 수학식 2와 같은 정전력 fx를 구할 수 있다.
여기서 ∂c/∂x = Nε0h/g, N은 x축 방향의 콤의 수, ε0는 공기의 유전율(=8.854e-12N/m), h는 구조물의 높이, g는 gap 간격, VB는 바이어스 전압, vdx는 x축 방향의 구동 전압이다.
y축에 대한 운동 방정식과 정전력 fy는 동일한 방법으로 구할수 있다.
x축 양의 방향의 비선형 캐패시터 cx1에 흐르는 전류를 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
여기서 X0은 평형 상태에서의 고정자 콤(10-2)과 이동자 콤(10-3)이 서로 겹치는 길이이다. 수학식 3에서 보는 바와 같이 전기 시스템과 기계 시스템이 결합되어 있음을 명확히 알 수 있다. 마찬가지로 비선형 캐패시터 cx2, cy1, cy2에 흐르는 전류를 구할 수 있다.
C/A(11)의 구성은 다음과 같다. C/A(11)의 반전 단자는 고정부(10-11)과 연결되어 있고 비 반전 단자는 접지되어 있으며 출력 단자는 병렬로 연결된 캐패시터 Cf와 저항 Rf가 반전 단자와 연결되어 있다. C/A(11)가 이상적인 OP-Amp의 특성, 즉 입력 임피던스가 무한대이고 반전, 비 반전 단자간 전위차가 0 이면 앞에서 각 축의 비 선형 캐패시터(cx1, cx2, cy1, cy2)에 흐르는 전류의 합 iin은 수학식 4와 같이 C/A(11)의 피드백으로 연결된 캐패시터 Cf와 저항 Rf으로 흐르게 된다.
여기서 ix1, ix2, iy1, iy2는 각각 cx1, cx2, cy1, cy2에 흐르는 전류이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 여기(excitation) 신호를 각 축에 인가하여 이에 대한 응답을 C/A(11)에서 검출한다. 도 3은 1 사이클(cycle)당 1번의 위치를 검출하기 위한 타이밍도 이고, 도 4는 1 사이클 당 2번의 위치를 검출하기 위한 타이밍도 이다. x축 고정자(10-2) sx1에는 구형파의 여기신호 vex1를 인가하고 x축 고정자(10-4) sx2에는 vex1와 180도의 위상차를 가지는 구형파의 여기신호 vex2를 인가한다. 마찬가지로 y축 고정자(10-6와 10-8) sy1과 sy2에 여기신호 vey1와 vey2를 인가하지만 x축 여기신호와는 90도의 위상차를 가진다.
이러한 여기 신호를 인가하면 비선형 캐패시터(cx1, cx2, cy1, cy2)에 흐르는 전류들의 합 iin은 수학식 5과 같이 구할 수 있다.
여기서 vex= vex1-vex2, vey= vey1-vey2이다.
수학식 5에서 보는 바와 같이 전류 iin는 각 축의 변위와 여기 신호의 미분값 간의 선형 조합으로 이루어져 있으나 여기 신호가 90도의 위상차를 가지고 있으므로 전류 iin는 여기 신호 주기 Te에 대하여 4개의 펄스 형태가 되며 그 크기는 변위 x와 y에 비례한다. 따라서 전류 iin의 응답인 C/A(11)의 출력전압을 S/H(12)를 이용하여 검출함으로써 하나의 회로로 x축과 y축의 위치를 검출할 수 있다.
C/A(11)의 출력 전압 vco와 입력 전류 iin은 라플라스(Laplace) 변환에 의해 수학식 6과 같은 관계식을 가진다.
여기서 ωf -1= RfCf= τf이다.
수학식 6에서 보는 바와 같이 입력 전류 iin에 대하여 C/A(11)의 출력 전압 vco는 1차 시스템으로 시 상수 τf에 의해 시간 응답이 결정된다. 따라서 Te/4 시간마다 입력되는 전류 펄스에 대한 응답이 서로 겹치지 않도록 하기 위하여 수학식 7을 만족하는 시 상수 τf를 결정한다.
여기서 α는 5 이상의 상수이다. 또한 수학식 5에서 보는 바와 같이 Rf가 DC 이득이므로 Rf는 크게 Cf는 작게 수학식 7의 조건을 만족하도록 설정한다.
제어부(14)는 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 C/A(11)의 출력 vco가 최대가 되는 시점에서 제어신호 vsh를 S/H(12)에 인가한다. 수학식 5에서 보는 바와 같이 여기 신호의 하강 에지(edge)에서 부호가 반대가 되므로 각 여기 신호의 상승 에지에 대한 응답을 검출한다.
여기 신호의 하강 에지에 대한 응답을 이용하여 한 사이클에 위치를 두 번검출하려면 도 4와 같이 제어부(14)는 하강 에지에 대한 응답이 최대가 되는 시점에서도 제어신호 vsh를 S/H(12)에 인가하고 검출한 값의 부호를 바꾸어 사용한다.
샘플 및 홀드된 신호는 ADC(13)에서 디지털 값으로 변환되고, 제어부(14)에 위치 검출 신호 vxy(read)로써 입력된다.
도 5는 본 발명에서 구현되는 시뮬레이션 파형도로써, 도 5a와 같이 y축의 고정자(10-4,10-3) sy1, sy2에는 바이어스 전압(VB) 7.5V, 크기 5.0V, 주파수 100Hz의 정현파의 구동 전압과 주파수 25kHz, 크기 0V-1V의 구형파 여기신호를 인가하였고, x축 고정자(10-2,10-3) sx1, sx2에는 바이어스 전압(VB) 7.5V, 크기 5.0V, 주파수 100Hz의 사인 파형의 90도 지연된 구동 전압과 주파수 25kHz, 크기 0V-1V의 구형파 여기신호를 인가하였다.
도 5b는 C/A(11)의 출력 전압으로 x축과 y축의 고정자에 인가한 여기 신호에 대한 응답이 모두 나타나 있다. 도 5c는 C/A(11)의 출력 전압을 확대한 것으로 각 여기 신호에 대한 응답이 시간 Te/4 안에 충분히 감쇠하여 신호간 간섭이 없음을 알 수 있다. 이 전압을 읽기 위한 제어 신호 vsh와 S/H(13) 출력 전압을 나타내었다. 도 5d 및 도 5e는 각 축의 실제 변위와 시분할 다중화 방식에 의해 검출된 변위를 동시에 나타내었으며 본 발명에서 제안된 시분할 다중화 방식에 의한 XY 스테이지의 위치 검출이 유효함을 알 수 있다.
지금까지는 2축 시스템인 XY 스테이지에 시분할 다중화 방식의 검출에 대하여 알아보았으나, n축 시스템으로의 확장이 용이하다. 각 축에 인가하는 여기 신호는 서로 180/n도의 위상차를 가지도록 인가하고 C/A(11)의 시상수가의 조건을 만족하도록 설정한다. 따라서 각 여기 신호에 대한 응답이 최대가 될 때 S/H(12)에 의해 전압을 측정하면 n축의 위치 정보를 시분할로 검출할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 사상 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 시분할 다중화 방식을 이용하여 단일 Mass로부터 하나의 검출 회로로서 다축의 가속도 또는 위치를 검출함으로써 검출회로의 면적을 감소할 수 있고, 신호 검출을 위해 회로의 절환을 위한 스위치를 사용하지 않고 아날로그 시스템을 사용하여 스위칭에 의한 영향이 없고 안정한 신호를 검출할 수 있으며, 다축의 시스템으로 확장이 용이한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 기록 매체를 이동시키는 이동 판, 이와 연결되어 전기적으로 등전위를 가지는 이동자 콤(rotor comb)과 소정 축의 고정자 콤들 사이에 차동 캐패시터를 구성하는 스테이지;
    상기 스테이지에 연결되어 출력되는 위치 정보 사이에 간섭이 일어나지 않도록 시상수가 설계되어 시분할 방식으로 상기 위치 정보값을 출력하는 증폭부;
    타이밍 제어신호에 의해 상기 증폭부에서 출력되는 시분할 위치 정보를 샘플링 및 홀드하는 샘플/홀드부; 및
    상기 증폭부의 시분할 위치 정보가 최대가 되는 시점에서 샘플링 및 홀드 할 수 있도록 제어신호를 출력하고, 샘플/홀드부에서 출력되는 위치 정보를 독출하고 상기 축에 인가하는 위상차를 가지는 여기 신호를 발생하는 제어부를 포함하는 스테이지의 위치 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 증폭부는
    반전 단자가 상기 고정부와 연결 되어있고, 비 반전 단자는 접지되어 있으며, 출력 단자에 병렬로 연결된 저항과 캐패시터가 상기 반전 단자에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스테이지의 위치 검출장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 증폭부의 저항과 캐패시터는 각각 변화값을 가지며 이 변화값의 조정에 의해 상기 스테이지에서 출력되는 위치 정보가 시분할 방식으로 출력하는 것을 특징으로 하는 스테이지의 위치 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스테이지는
    다축의 고정자로 구성된 것을 특징으로 하는 스테이지의 위치 검출 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 스테이지가 다축의 고정자로 구성된 경우 상기 제어부는 상기 축 수에 따라 구동신호 및 소정의 위상차를 가지는 여기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 스테이지의 위치 검출 장치.
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