KR101178039B1 - 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟 - Google Patents

용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟에 관한 것으로서, 상기 용량형 변위 센서로부터 소정의 거리 이격되어 있는 제1 면과, 상기 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면을 포함하는 절연층과, 상기 절연층과 평행하게 상기 제2 면에 접합되는 금속층을 포함한다.

Description

용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟{Calibration Sensor Target for Capacitive Displacement Sensor}
본 발명은 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟에 관한 것이다.
최근에 나노 포지셔닝 기술이 빠르게 발전하고 있는데, 이 기술의 필수 요소 중의 하나가 정확한 거리 내지 변위 측정이다. 이러한 거리 내지 변위 측정 기술로서 용량형 변위 센서가 개발되고 있는데, 용량형 변위 센서는 높은 정밀도를 가지며 공기/진공 중에서뿐만 아니라 액체 속에서도 사용될 수 있는 장점이 있다. 그런데 용량형 변위 센서는 온도, 습도, 압력과 같은 환경 변화뿐만 아니라 설치 조건에 대해서 민감한 단점이 있다. 따라서, 용량형 변위 센서는 환경, 작동 조건 및 설치 조건에 주의가 필요하다. 특히 용량형 변위 센서와 측정 대상면이 평행하지 않고 서로에 대해서 기울어져 있는 경우의 오차 성분이 크게 작용한다. 따라서 용량형 변위 센서와 측정 대상면의 기울어짐을 제거하는 것이 정밀도 확보에 중요하게 작용한다.
용량형 변위 센서의 에러를 보정하는 전형적인 방법은 센서의 측정 신호와 여러 가지 종류의 간섭계(interferometer)의 신호를 비교하는 간섭측정법(interferometery)이다. 그 밖에도 Griffith와 Griggs가 제안한(Griffith J E and Griggs D A, 1993, Dimensional metrology with scanning probe microscopes, Journal of Applied Physics 74 R83) 고해상도 이차원 그레이팅(two-dimensional grating with high resolution)과, 미국특허 제6,538,802호에 개시되어 있는 보상 방법 등이 있다.
그러나 이러한 종래 기술에 의한 방법은, 비용이 많이 들며, 보정 과정에 오랜 시간이 걸리며, 숙련된 기술자가 필요한 단점이 있다.
본 발명은, 간단한 구조의 용량형 변위 센서의 타겟 센서를 제공함으로써 종래 기술의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟에 관한 것으로서, 상기 용량형 변위 센서로부터 소정의 거리 이격되어 있는 제1 면과, 상기 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면을 포함하는 절연층과, 상기 절연층과 평행하게 상기 제2 면에 접합되는 금속층을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 보정용 센서 타겟은, 상기 용량형 변위 센서로부터 소정의 거리 이격되어 있는 제1 면과 상기 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면을 포함하는 제1 금속층과, 상기 제1 금속층의 제2 면에서 상기 제1 금속층과 평행하게 접합되는 절연층과, 상기 절연층이 제1 금속층과 접합되는 반대쪽 면에 접합되며 상기 절연층과 평행하게 제공되는 제2 금속층을 포함한다.
본 발명에 의하면 간단한 구조로 용량형 변위센서의 보정용 센서 타겟을 구성할 수 있으므로 센서와 타겟간의 기울어짐으로 인한 에러를 추정 후 보상 또는 제거할 수 있는 효과가 제공된다.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 보정용 센서 타겟의 블록도.
도 3은 이송 스테이지에 장착된 보정용 센서 타겟의 블록도.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 보정용 센서 타겟의 원리를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 1에서는 측정 대상에 대해서 센서(10)가 소정의 각도(θ)만큼 기울어져 있는 경우를 상정했다. 본 발명에 의한 보정용 센서 타겟에는 절연층(30)의 절연계수(kins)와 두께(t)를 알고 있는 절연층(30)을 금속층(40)과 센서(10) 사이에 배치시킨다.
도 1에서 센서(10)와 금속층(40)이 기울어져 있지 않고 서로 평행하게 정렬되어 있다면, 측정된 거리와 실제 센서(10)와 금속층(40) 사의 거리와의 관계는 다음과 같은 수학식에 의해서 정의된다.
Figure 112011011839750-pat00001
위 수학식 1에서 dmeas는 측정되는 캐패시턴스에 기초하여 계산을 통해 산출되는 거리 값이며, d는 실제로 센서(10)과 금속층(40)의 표면 사이의 거리값이다.
도 2에는 본 발명에 의한 보정용 센서 타켓의 블록도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 보정용 센서 타겟은, 용량형 변위 센서(10)를 마주보는 제1 금속층(20)과, 제1 금속층(20)에 접합되는 절연층(30)과, 상기 절연층(30)에 접합되는 제2 금속층(40)을 포함한다. 제1 금속층(20)과 절연층(30)의 두께는 미리 알려져 있다. 제1 금속층(20)은, 용량현 변위 센서(10)로부터 소정의 거리(d1)만큼 이격되어 있는 제1 면(21)과, 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면(22)을 포함한다. 절연층(30)은, 제1 금속층(20)의 제2 면(22)에 접합되는 제3 면(31)과, 제3 면(31)의 반대쪽에서 제3 면(31)과 평행한 제4 면(32)을 포함한다. 제2 금속층(40)은, 절연층(30)의 제4 면(32)에 접합하는 제5 면(41)과, 제5 면(41)의 반대쪽에서 제5 면(41)과 평행하게 제공되는 제6 면(42)을 포함한다. 그리고 제1 금속층(20) 및 제2 금속층(40)은 기저전극으로 스위칭할 수 있는 스위치(50)가 연결되는데, 스위치 부재(55)가 제1 접점(25)에 연결되면 제1 금속층(20)이, 제2 접점(45)에 연결되면 제2 금속층(40)이 기저전극으로 스위칭된다.
제1 금속층(20), 절연층(30) 및 제2 금속층(40)은 서로에 대해 증착되거나 도포되어 접합된다. 그리고 이 보정용 센서 타겟은 이송 스테이지(100; 도 3 참조)의 단부에 부착되어 사용된다.
다음으로 본 발명에 의한 보정용 센서 타겟의 작동에 대해서 설명한다.
먼저 스위치 부재(55)는 제2 접점(45)에 연결되어 제2 금속층(45)이 기저전극에 스위칭되게 한다. 그렇게 되면, 전술한 바와 같이 용량변위형 센서(10)와 제2 금속층(40) 사이에 절연층(30)이 배치되는 상태가 된다. 이 상태에서 측정된 캐패시턴스로부터 거리 d2를 측정하고, 이 거리가 이론적으로 계산되는 거리와 다르면 이는 보정용 센서 타겟(1)이 용량형 변위 센서(10)에 대해서 서로 기울어져 있다는 표식이 되므로, 그에 따라서 에러가 있음을 추정하고 보정을 수행한다.
이론적으로 계산되는 거리는, 센서(10)와 제2 금속층(40)이 서로에 대해서 평행하다는 가정하에 계산되는 거리이다.
한편, 제2 금속층(40)으로 스위칭될 때 제1 금속층(20)은 동일한 전위를 가지게 되어 조재하지 않는 공간으로 간주된다.
그러한 보정을 수행한 후에 스위치 부재(55)를 제1 접점(25)에 연결시켜 제1 금속층(20)을 기저전극으로 스위칭한 후에 원하는 거리 및 변위 측정을 수행하면, 기울어짐에 의한 에러 없이 정확한 측정이 가능해진다.
도 3에는 도 2와 같은 센서 타겟(1)이 이동 스테이지(100)에 부착되어 사용되는 경우의 블록도가 도시되어 있다.
이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 첨부 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.
1: 보정용 센서 타겟
10: 용량형 변위 센서
20: 제1 금속층
30: 절연층
40: 제2 금속층
50: 스위치

Claims (2)

  1. 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟에 있어서,
    상기 용량형 변위 센서로부터 소정의 거리 이격되어 있는 제1 면과, 상기 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면을 포함하는 절연층과,
    상기 절연층과 평행하게 상기 제2 면에 접합되는 금속층을 포함하는,
    보정용 센서 타겟.
  2. 용량형 변위 센서에 의한 거리 측정 장치에 사용되는 보정용 센서 타겟에 있어서,
    상기 용량형 변위 센서로부터 소정의 거리 이격되어 있는 제1 면과 상기 제1 면의 반대쪽에서 제1 면과 평행한 제2 면을 포함하는 제1 금속층과,
    상기 제1 금속층의 제2 면에서 상기 제1 금속층과 평행하게 접합되는 절연층과,
    상기 절연층이 제1 금속층과 접합되는 반대쪽 면에 접합되며 상기 절연층과 평행하게 제공되는 제2 금속층을 포함하는,
    용량 변위 센서 보정용 센서 타겟.
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