TWI460401B - 多維位置感測器 - Google Patents

Description

多維位置感測器

本發明涉及位置感測器，特別是一種用於多維度探測物體位置的位置感測器。

相關進展的簡述移動物體的定位方法有很多，比如利用雷達信號與道路斑馬線相結合以確定汽車位置的交通指揮系統，及其他利用無線電通信的定位系統。但是，這兩種系統需要在移動物體上安裝動力源，無線電波也容易受到建築物干涉和電信號干擾。

位置也可以通過如線性差動變壓器(LVDT)來確定，LVDT是一種位移功能變換器，它利用一個初級繞組和兩個二次繞組纏繞在一個圓柱形線軸上，一個可動鎳-鐵合金芯或電樞被固定在繞組中，通過測定合金芯的移動來確定移動物體的位置。霍爾效應感測器也是利用相似的理論方法來測定位移。LVDTs和霍爾效應創感器通常用於測定有限位移，如直線驅動器和活塞的位移。

對於高精度定位系統，如步進、懸浮和/或掃描台等等，傳統的位置測定方法利用捕捉、誘導、光學和鐳射感測器。這些感測器一般具有高解析度和低定位雜訊等特點，但是，總成本高、移動範圍有限和自由度要求縮小了它們的應用範圍。

通常在多數位置回饋裝置中，如正弦信號和餘弦信號 等都是通過感測器產生，信號發送到例如電動機控制器中類似於數位轉換器的裝置中，信號在數位域中進行處理，確定物體的位置。但是，正弦/餘弦週期和ADC解析度有可能不足以生成所需要的位置解析度，從而必須重新設計電動機控制器或者更換更昂貴的解碼器。

這對於利用相同的感測器和磁體測量確定二維位置和間隙寬度是有利的，也利於使用成本經濟、高解析度的解碼器。同時，這更利於在不使用諸如電動機控制器和/或解碼器等進行修正的條件下，在類比域中增加回饋裝置的解析度。

【發明內容及實施方式】

圖1所示為示範儀器中用於同時沿多個方向軸測距的感測器100的示意圖。儘管我們會圖解示範儀器，但我們應該清楚的安裝示範儀器方式有很多，另外，任何合適的尺寸、形狀、任何類型的元素或材料都可以應用。

示範儀器裝配的感測器100可以沿第一個軸線進行無線長度的位置測量，同時沿第二和第三軸線方向進行位置測量，由此得到一個如下所述的間距寬度。同時，備用儀器也沿其他適當軸線方向測量，作為非極限實例，感測器100可用於運輸系統中，系統裝有磁懸浮傳送器或壓板，類似裝置公開在美國專利出版No.2004/0151562中，在本文中全部作為參考使用預備體中的感測器100可應用於任何合適的運輸系統中，位置測量系統沿著產生任意適量位 移的運行方向(如X軸)測量傳送位置，沿著第二個產生任意適量位移的運行方向(如Z軸)測量傳送位置，同時測量如磁性壓板170與指定表面180之間(如Y軸)的間距寬度G。注意：根據X、Z、Y軸得出的參考值只能用於示範分析，這裏所說的位置測量可以應用到其他合適的軸線上，包括但是不局限於轉動軸。我們也應該清楚，示範感測器能夠感應任何合適的移動物體，包括但不局限於單向或多向移動的物體，如傳輸機、執行器以及其他驅動系統構件。位置測量感測器產生的信號用於電機換向以驅動諸如傳輸機或其他任意移動物體從第一個位置移動到第二個位置。需要認清的是，這裏所講的示範性實施例並不局限於與電動機聯合應用，它與任何需要單一或多向位置資訊的裝置都可以連用。

如圖1所示，在一個示範性實施例中，感測器100包括一個磁性壓板170和一個或多個感測器組130a-130n。感測器組包括一個或多個感測器，在下面加以介紹。磁性壓板170包括一個或多個磁體140，150，磁體排成一列或一個網格，磁體的極性互動式排列(如北-南-北-南等)，見圖1。磁體140，150的交互極性排列會產生波160，例如當磁體經過感測器130會產生正弦或餘弦波，這在下面進一步進行講解。磁體140和150可以是任意具有合適場強的磁體。示範性實施例中的磁體可以是永磁體，所以磁性壓板170不需要任何動力源被轉變成壓板170，預備體中的磁體則可以是電磁體。其他備選實施例中的壓板170 包含有任意合適的能被感測器130a-130n感應到的磁場產生台。壓板170也可以是包含有任意適當數量的具有合適構造的磁體。例如上面所提到的磁體可以排列成直線，可能多排和/或排成柱形，磁體也可以交叉排列，壓板170固定於待測物體120上。備選實施例中的壓板170和物體120可能是同一個。物體120可以是任意物體，包括但不局限於如運輸車、活塞/活塞桿、執行器、自動機械末端執行器、傳動軸、電動機轉子或其他任意需要位置測量的物體體。

感測器130a-130n可以是任意適當的感測器，而不局限於霍耳效應感測器、感應感測器和/或電容感測器。感測器130a-130n沿物體運行T方向佈置，需要注意的是運行方向可能有幾個，比如笛卡爾坐標系中的X、Y、Z方向(或者其中幾個方向的合向)或極坐標系中的R，θ方向(或任意合向)。備選實施例中的運行方向可與任何適當坐標系相聯繫。任意適當數量的感測器可以沿運行方向佈置，感測器130a-130n佈置在沿物體運行方向的預定距離內，由此物體120的位置就能被確定，這將在下面進行更詳細的描述。感測器130a-130n連接在控制器190上，控制器用於接收感測器的輸出並基於感測器輸出計算物體120沿運行方向的二維位置和感測器130a-130n的預定位置。備選實施例中的控制器計算物體的二維以上或以下位置。控制器也可以根據諸如磁場強度(如通量密度)等資訊計算間距寬度G，磁場強度由諸如壓板170和/或感測器 輸出信號的振幅生成。控制器190包含軟體和嵌入了處理程式和說明書的電腦程式，並利用帶有電腦可讀程式編碼的存儲裝置(如任意適合的電腦可讀介質)實施文中所述的計算工作。

文中所述的示範性實施例能夠精確定位一個物體的短距位移或長距位移，例如，加工廠中的FABS(如加工設備)或運輸車和負載口到處理站在其他示範性實施例中，位置測量系統可以用於設備的適當部件中，物體在設備中通過適當的自動材料處理系統傳送。

參見圖2A中示範性實施例中感測器100’的示範構造這一示範性實施例中的一對感測器沿物體運行T的120方向佈置，感測器200A-200n有可能呈直線排列或與運行方向共線排列。例如，磁感測器200A、200B形成第一對感測對，200C和200D形成第二對，以此類推。在備選實施例中，感測器200A-200n沿運行方向交錯排列，一些感測器會排列在其他感測器的上方或下方。在其他示範性實施例中，感測器200A-200n可能具有其他合適的結構。感測器200A-200n可以是任意適當的感測器，包括但不局限於上述的霍耳效應感測器、感應感測器和電容感測器。

在示範性實施例中，每一對感測器或感測器對被預定間距或頂點P間隔開，每一個感測器對都被隔開一段距離，距離大概是頂點P或4P的4倍。在備選實施例中，感測器200A-200n具有適當的間隔。感測器200A-200n中的感測器對由於固定在感測器上的磁極片或磁體210A- 210D，220A-220D的作用帶上不同磁性，或由移動物體120的其他部分作用帶不同磁性。需要認清的是任意適當的磁場生成器都可用，並且磁體不必一定具有南北極。在這一示例中，對應於感測器200A-200n的磁體210A-10D，220A-220D的磁極被排列在交互結構中。例如，磁體210A-210D的北極對應感測器200A-200n，磁體220A-220D的南極則對應感測器200A-200n當磁體210A-210D，220A-220D在感測器200A-200n作用下發生移動時，磁極片210A-210D，220A-220D的交互磁極產生正弦曲線型感測器輸出。在備選實施例中，磁體可能會任意適當結構排列。在這一示範性實施例中，磁體210A-210D，220A-220D被分開一定距離，距離大概是點P或2P的兩倍。在備選實施例中，磁極片210A-210D，220A-220D可以有任意適當的間距。

上述感測器200A-200n和磁體210A-210D，220A-220D的間距可以在構成每一個感測器對兩個感測器輸出信號中生成正弦/餘弦關係，由圖2B和2C可見。作為非極限示例，感測器200A生成如2B中的正弦波，而感測器200A則產生圖2C所示的餘弦波，反之亦然。感測器輸出信號可根據感測器200A-200n插入物體200的位置。例如，當兩個信號的比值的反正切角度確定後，物體120的插值位置就可以確定，該值與4p和感測器對的距離部分成正比。由於每個感測器對按預定間距安裝，插值位置能夠從預設間距中減去或加上，從而得到了物體1200的位 置。例如，如果感測器對200A和200B的間距為C，感測器對200A、200B和感測器對200C、200D之間的插值距離是螺距的2倍，則物體120的位置可能是間距C與2倍螺距的和(即C+2P)。

感測器200A-200n與磁極片210A-210D，220A-220D(由此物體120)的間距寬度G可以通過計算每個感測器對的兩個感測信號輸出值的平方和的平方根確定，並獲得間距中感測器的磁通密度。在備選實施例中，任意適當的計算都可用來計算間距磁通密度可用於確定感測器200A-200n與磁極片210A-210D，220A-220D的間隙G。在備選實施例中，間隙寬度G可以用任意其他方法計算確定。例如，磁間隙G的寬度範圍能夠通過幾種方法獲得，這些方法包括(但不局限於)：查找表法，包括由間距測得的通量值和感測器對磁體運行點在去磁曲線上波動的敏感度。間隙G的計算將在下面進行更詳細的介紹。

由感測器200A-200n的數量和感測器100’的解析度可以根據下面的N位元感測器計算公式計算：

其中，N代表位數文中所述的位置測量系統的解析度僅限於由環境類似噪音和系統輸出的比特數(類比/數位比特)造成的不確定性測量。感測器200A-200n間距或螺距(即每個感測器對的間距P和對與對之間的間距4P)以及磁體210A-210D，220A-220D之間的間距會按比例增加或減少，從而提高或降低感測器100’的解析度。

在操作過程中，感測器200A-200n排列線被控制器190連續掃描輸出，同時第一個感測器也被掃描，如感測器200A，從而確定沿感測器掃描線的基礎間距感測器200A-200n的掃描過程可得出物體120具有高解析度或最大解析度的絕對位置測量結果。

參考圖1和圖3，圖中所示為一個示範性實施例的感測器100”的示意圖。示範性實施例中的感測器300A-300n沿物體的運行T120方向佈置，感測器300A-300n有可能呈直線排列或與運行方向共線排列。在備選實施例中，感測器300A-300n沿運行方向交錯排列，一些感測器會位於其他感測器的上方。在其他備選實施例中，感測器300A-300n可能會以任意適當結構排列。感測器300A-300n可以是任意適當的感測器，包括但不局限於上述的霍耳效應感測器、感應感測器和電容感測器。

如圖3所示，感測器300A-300n沿運行方向被隔開預定間距或螺距P，在備選實施例中的感測器可以具有任意適當的間距。感測器300A，300B，300E是第一種類型的感測器，成本較低。在較長時間段內跟蹤的物體位置取決於構成另一部分系統的感測器100"的幾何分佈特性，第二種感測器300C和300D(即一個感測器對)在感測器分佈線上，在第一種感測器的位置上(見圖3)，相比於第一種感測器類型300A、300B、300E，它具有如成本較高和高靈敏度等特性。在備選實施例中，第二種感測器的使用數量大於或小於兩個。在其他備選實施例中，所有感測器 (包括感測器和感測器對)全部是低成本感測器或高成本感測器。同時，感測器可以以任意適當方式固定在低成本和高成本感測器之間。低成本感測器與一個或多個感測器對結合利用構成一個低成本位置測量精確系統，通過單一感測器或感測器單線，該系統可以跟蹤到物體的一個粗略位置(如準確度低於利用感測器對測量的位置)，在位置的高度關注區域內，感測器對用來精確測量物體的位置。通過利用單一感測器跟蹤物體，感測器對也可用來校準物體位置，但第一感測器可能會產生物體測量的偏差和變化。高成本感測器300C和300D被隔開預定間距，該間距距離約為螺距或1/4螺距的1-4倍，因此感測器300C和300D會生成具有正弦/餘弦關係輸出信號，基本與上述圖2B和2C所示方式相似。

感測器300A-300n因連接在移動物體120上或者是其組成部分磁極片或磁體320A-320n的作用帶相反磁性。需要認清的是，任意適當的磁場生成器都可用，並且磁體不必一定具有南北極。對應於感測器300A-300n的磁極排列成交互結構，磁體320A，320C，320E，320G的北極與感測器300A-300n接觸，磁體320B，320D，320F的南極則與感測器300A-300n接觸當感測器300A-300n驅動磁體320A-320n，磁極片320A-320n的交互磁極生成正弦曲線圖，見圖3B。在交替體中，磁體可以以任意適當結構排列。在這個實例中，當磁體經過單個感測器300A,300B,300E，將產生正弦曲線感測輸出SW。當磁體經過感測器 對300C,300D時，感測器300C將生成正弦曲線輸出SW，而感測器300D將生成餘弦輸出CW，這與感測器300C的輸出或間距P有關(即正弦/餘弦關係)。在這個示範性實施例中，磁體320A-320n彼此分開有一定間隔，間距大約是螺距P或2P的兩倍。在交替體中，磁體320A-320n之間的距離或大或小於2P。

感測器300A-300n的輸出信號通過數學運算可確定在一個基圓節距內(本例中的P)物體120的位置。如上所述，由於感測器300A-300n中每個感測器的位置都是已知的，在基圓節距P中，物體的確切位置可以通過感測器300A-300n中的兩個感測器的已知位置做加減運算，由此得到物體120的位置。間隙G可以利用上述相似的方法計算得出，我們會結合圖7以及平行場方法在下面進行更詳細的論述。在備選實施例中，間隙G可以通過其他方法求得，包括但不限於這裏所講的方法。感測器300A-300n的輸出信號用於感測器之間的物體間距插值測量。

在操作過程中，感測器300A-300n被控制器190連續掃描輸出，同時第一個感測器也被掃描，如感測器300A，從而確定沿感測器掃描線的基距。感測器300A-300n的掃描結果可得出物體120具有高解析度或最大解析度的絕對位置測量結果

在一個示範性實施例中，圖3A所示的示範感測器構造可用於低成本準確定位長距離運動物體，比如製造單元或FABS等，這將在下面詳細介紹。圖3A所示另一示範 性實施例的感測器構造可用於任意適宜設備中發生物體傳輸的部件中進行測距。類似的設備包括半導體加工設備，機動產品生產設備，或其他任何設備，如機械化材料處理設備等。

參考圖4中磁性壓板400的示意圖，可見感測器S1-S4。示範性實施例中，磁性壓板400包含4排磁極片，磁極片沿Z方向堆疊，並沿X方向排列成7列。注意：圖4中顯示的磁極片只是壓板400中磁體的一部分，在交替體中，壓板400則可能包含適當數量的磁極片排和/或列。本例中，磁極片行具有交互磁極，交錯排列或彼此分隔開約P/2距離，見圖4。同樣的，磁極片列也具有交互磁極，交錯排列或彼此分隔開約P/2距離。任一排或列中兩個磁體之間的螺距是P。在交替體中，磁極片的排列和間距則是任意的。

示範性實施例中的4個感測器S1-S4定位於磁性壓板400產生的對稱磁場中，在交替體中，可以應用4個以上或以下的感測器。感測器S1-S4與圖2A和3A中所描述的感測器特性相似。如圖4所示，感測器S1和S2是第一對感測器，它們在X方向共線排列，彼此之間預置有約P/2或一半螺距左右的間距。感測器S3和S4構成第二對感測器，它們實質上也在X方向共線排列，彼此之間預置有約P/2左右的間距。S3和S4感測器對在X方向偏移出S1和S2感測器對一定距離，約P/4，感測器對S3和S4在X方向偏移出S1和S2感測器對約P/4距離。在備選實施例 中，感測器對中的感測器分佈則具有任意適當的間距。在其他交替體中，感測器對之間也具有任意適當的間距。

在這一示範性實施例中，感測器S1-S4回應磁場組成，這對磁極片平面很正常(即測量位置的正常場法)感測器對S1，S2和S3，S4提供輸出信號，信號呈正弦/餘弦關係，實際上與圖2B和2C所述類似。例如，在這一示範性實施例中，感測器S2的信號減去感測器S2的信號所得的信號結果與沿X軸產生的位移的正弦值呈正比。與沿X軸向上的間距的正弦成正比的信號，按等同於磁體螺距P的空間週期重複出現，用感測器S3的信號減去感測器S4的信號，所得信號結果與X軸向上的間距的餘弦成正比。與沿X軸向上的間距的餘弦成正比的信號，按等同於磁體螺距P的空間週期重複出現。

除了沿X軸向測量位置外，感測器S1-S4和壓板400也可用於Z軸向的位置測量。例如，如果感測器S2的信號加上S1的信號，所得信號結果與Z軸向上的間距的正弦成正比。與沿Z軸向上的間距的正弦成正比的信號，按等同於磁體螺距P的空間週期重複出現，用感測器S3的信號加上感測器S4的信號，所得信號結果與Z軸向上的間距的餘弦成正比。與沿Z軸向上的間距的餘弦成正比的信號，按等同於磁體螺距P的空間週期重複出現。

正弦和餘弦信號可在一個間距內生成0度到360度不等的角度，該間距等同於磁螺距，可確定感測器陣列相對於磁體陣列的準確位置，反之亦然。

參見圖5，圖4中的位置測量系統將在下文中加以詳細論述。感測器對S1，S2，S3，S4的位置彼此各不相同。例如，圖5中的感測器對S3，S4位於感測器對S1，S2的下方，而在圖4中，感測器對S3，S4則位於感測器對S1，S2的上方。在備選實施例中，感測器對具有適當構造，並/或彼此隔開，因此感測器對之間存在正弦/餘弦關係。由圖5可見，感測器組530由感測器S1-S4構成，與包含磁極單元510和520的磁性壓板540相鄰或距離最近。如圖5所示，磁極單元以某種交互結構排列，其中磁極單元510的北極與感測器組530相接觸，磁極單元520的南極與感測器組530相接觸，磁極單元的距離與上面圖4中所示相似。在備選實施例中，磁極單元510和520具有適當的間距。

在本示範性實施例中，四個感測器S1-S4生成兩組信號，兩組中的信號成正弦/餘弦關係(即感測器S1，S2的輸出信號成正弦/餘弦關係，感測器S3，S4的輸出信號成正弦/餘弦關係)。如上所述，圖5所示的感測器S1-S4的結構是感測器能夠感應到與磁性壓板540垂直的磁場，如對示範坐標系統500的解釋所示。圖6A和9A表示磁性壓板540生成的一個磁場的三維圖，其中，所繪製的Y軸向上的磁場強度與沿X軸和Z軸向的位置相反。圖6B和9B分別表示根據圖6A和9A中的磁場強度圖繪製的感測器輸出的二維圖。

在圖4和5所示的位置測量正常場法中，兩個感測器 對S1、S2和S3、S4的正弦和餘弦關係用來計算固定於磁性壓板540上的物體120的位置。例如，沿X軸向的感測信號的正弦值可用如下公式計算：

沿X軸向的感測信號的餘弦值可用如下公式計算：

螺距P內，物體120在Z軸向的位置可以通過sinz和cosz計算得到，如下式：

其中，X與沿磁螺距的部分間距成正比，由於感測器組530中的每個感測器之間都有一定的預設距離，用預設距離減去或加上對應於X的插值位置Dx就可以獲得物體120的位置。例如，假設530感測器組沿X軸線的預設距離為C，插值位置Dx等於P/3，則物體120在X軸線的位置可能是間距C加上Dx(即C+P/3)。

類似Z軸向的位置可以通過計算Z軸向的感測信號的正弦和餘弦值確定，如下：

螺距P內，物體120在Z軸向的位置可以通過sinz和cosz計算得到，如下式：

其中，Z與沿磁螺距的部分間距成正比，感測器組530中的每個感測器沿Z軸都有一定的預設距離，因此， 用預設距離減去或加上對應於Z的間距Dz就可以獲得物體120的位置。例如，假設530感測器組沿Z軸線的預設距離為B，插值位置Dz等於P/3，則物體120在Z軸線的位置可能是間距B加上Dz(即B+P/3)。

計算得到正弦和餘弦平方和的平方根，磁通密度就可以確定。磁通密度與磁體整理或壓板540與感測器530之間的間距G成正比，這樣，感測器組530與磁性壓板540(即Y軸向的位置)之間的間隙G就可以通過下式確定：

其中，t和A是由磁體分佈確定的常量。

如圖7所示，位置測量系統由感測器組730和磁性壓板740組成。磁性壓板740與圖5所述的壓板基本相同，它包括有磁極單元710(北極單元)，720(南極單元)，710和720以對話模式排列，見圖7。該示範性實施例中的感測器組730含有4個感測器S1-S4。在備選實施例中，感測器組730可以由任意適量的感測器組成，S1-S4可以是任意合適類型的感測器，包括但不限於霍耳效應感測器、感應感測器或電容感測器。感測器S1，S2構成第一個感測器對，S3和S4構成第二對。感測器S1和S2在Z軸基本呈共線排列(從代表700的示範座標體系可見)，並彼此分隔開相當於磁體螺距1/4左右的距離。感測器S3和S4在X軸基本呈共線排列，也彼此分隔開相當於磁體螺距1/4左右的距離。在備選實施例中，感測器之 間的間距可以是任意的。如圖7所示，在X軸向，感測器S1、S2位於S3和S4之間，而在Z軸向，感測器S3、S4則位於S1和S2之間。在備選實施例中，感測器S1、S2與S3、S4之間的空間關係是任意的。感測器與磁螺距P之間的間距為P/4會產生具有正弦/餘弦關係的信號輸出。例如，感測器S1和S2沿Z軸成餘弦關係，感測器S3和S4則沿X軸成正弦/餘弦關係。

圖8A、10A和11A所示為通過平行場感應得到的X軸和Z軸方向的磁場強度三維圖圖8B、10B和11B所示為根據圖8A、10A和11A表示的磁場強度得到的感測輸出的二維圖。由圖8B可見，感測器S3與S4以及S1與S2均成正弦/餘弦關係。

這些正/餘弦關係式能夠確定磁性壓板740相對於感測器組730沿X軸和Z軸的位置。感測器輸出之間的正弦/餘弦關係也可用來計算壓板740和感測器組730之間的在Y軸向的間隙G。例如，壓板740沿X軸的位置可按下式計算：

其中，X與沿磁螺距的部分間距成正比。由於每個感測器組730之間都有一定的預設距離，用預設距離減去或加上對應於X的插值位置Dx就可以獲得壓板740相對於感測器730的位置(以及固定於壓板740的物體120的位置)。例如，假設730感測器組沿X軸線的預設距離為C，插值位置Dx等於P/3，則物體120在X軸線的位置可 能是間距C加上Dx(即C+P/3)。

壓板740沿Z軸的位置可按下式計算：

其中，Z與沿磁螺距的部分間距成正比，由於每個感測器組730之間都有一定的預設距離，用預設距離減去或加上對應於Z的插值位置Dz就可以獲得壓板740相對於感測器730的位置(以及壓板740連接的物體120的位置)。例如，假設730感測器組沿X軸線的預設距離為B，插值位置Dz等於P/3，則物體120在X軸線的位置可能是間距B加上Dz(即B+P/3)。

感測器組730與磁性壓板740之間的間隙(即Y軸向的位置)可以按下式計算：

其中，t和A是由磁體分佈確定的常量。

參見圖26-34，示範性實施例中的位置測量系統由磁陣列M(包含磁極單元2601，2602)，第一感測器組A1-A5，第二感測器組B1-B5，類比電子2630和模數轉換器2640，2645組成。注意：類比電子2630和模數轉換器2640，2645是控制器190的部件。在備選實施例中，類比電子2630和模數轉換器2640，2645是相互獨立的，但都與控制器190相連接。在其他備選實施例中，感測器A1-A5，B1-B5用來提供數位輸出。在本示範性實施例中，每一個感測器組中的兩個感測器都具有一定間距，其間距等於磁陣列中磁體的磁螺距P與每組中感測器的個數(n) 的比值或P/n，其中P表示磁螺距，n表示每個感測器組中感測器的個數。在備選實施例中，每一個感測器組中的感測器之間的間距不一定等於P/n，兩個感測器組A1-A5，B1-B5之間約有D/2左右的偏移。每組中感測器的間距以及兩個感測器組之間的偏移是任意的。如上所述，當磁性陣列M沿某一方向，如X軸向移動經過感測器時，感測器組A1-A5,B1-B5會生成週期信號。在該示範性實施例中，感測器A1-A5，B1-B5十分接近磁性陣列M，因此每個感測器都達到飽和極限。感測器A1-A5生成的示範信號見圖27-31，正弦曲線信號2700，2800，2900，3000，3100的穩定或水準部分表明每個感測器都達到飽和極限。與圖27-31所示類似，感測器B1-B5均達到其飽和極限。(儘管輸出沿X軸和其他軸線發生了改變)類比電子2630加和感測器A1-A5的輸出信號而生成信號A，見圖32。類比電子加和感測器B1-B5的輸出信號而生成信號B，見圖33。在備選實施例中，感測器生成數位輸出，則類比電子可以用數位電子替換。注意：當對感測器信號求和時，一些諸如從感測器A2和A4(如每兩個間隔感測信號)生成的信號可以是相反的。在備選實施例中，任意感測器的感測信號都可能是相反的。在其他備選實施例中，信號則不能顛倒。如圖32和33所示，對每一個感測器組A1-A5和B1-B5，飽和信號的總和生成周相移動的鋸齒信號3200，3300。信號A3200，B3300用於確定磁性陣列或壓板M相對於感測器A1-A5和B1-B5的位置，以下 詳細論述。我們進一步注意到，與圖34所示的一對非飽和正弦/餘弦波相比，飽和信號生成的波形週期較短，這決定了感測器對磁性陣列M的回應變化率較高，並提高了感測器解析度。

我們已經認識到，測量過程都會存在一定的誤差，其原因有很多，包括不均勻磁場等。正常場測量方法所產生的誤差可能是由於電動機線圈生成了磁場而引起的。也可能是由磁性壓板本身引起的。由不均勻磁場等產生的位置測量誤差可以用多種方法加以修正，包括但不限於增加感測器、查詢表和/或磁體優化等方法。

附加感測器添加到位置測量系統中，感測器之間的螺距就會減小以增加感測器解析度和抗擾度。以平常場測量方法為例，添加兩個感測器後，就可以計算出角度或正切的4個組合。在一個螺距內，這3個角度會產生正切的4個週期，見圖12A。類似的，如果附加的4個感測器安裝進感測器組530和730中，一個磁螺距就會產生正切的8個週期。

修正因數也用來提供增高的抗擾度，並提高感測器的準確度。例如，在平行場法中，參見圖12C，感測器S1-S4顯示出資料(圖12C，元件1200)，初始位置測量方法利用如下公式計算(圖12C，元件1200)：

其中，α表示X軸向的未修正位置，β表示Z軸向的 未修正位置。修正因數δ1，δ2，δ3，δ4...δn由查詢表(圖12C，元件1200)獲得。修正因數δ1-δn可以是任意通過試驗、感測器靈敏度資訊、去磁曲線上的磁體工作點和/或其他資訊等得到的修正因數。修正因數δ1-δn用來計算修正的感測器輸出值S1’-S4’(見圖12C，組件1230)計算，如下所示：

沿X軸、Z軸的修正位置和感測器組730與磁性壓板740之間的修正間隙可以利用下面的公式計算：(圖12C，組件1240)

其中，t和A是由磁體分佈確定的常量。圖13和14所示為應用修正因數後，間隙測量和Z軸向測量的示範曲線圖。儘管修正因數的應用是以平行場法為例進行論述的，修正因數也可以應用於正常場法中，其應用方法與上述方法基本相同。

如上所述，磁體優化後可以提高位置測量系統的準確度。在圖中所示的示範性實施例中，磁性壓板上的磁體呈圓形或菱形。但是，磁體可以成任意合適的形狀，包括但 不限於正方形、菱形、橢圓形、矩形、梯形、圓形和三角形等。

將由不均勻磁場引起的最小誤差應用到測量過程，則磁性壓板上的磁體形狀優化後可以生成正弦曲線波等。磁體的最優化將根據菱形和圓形磁體在下面做以講述，這裏所講的最優化方法可以應用到任意適當形狀的磁體中。

圖15A-15C所示為示範磁性壓板。由圖15A可見，非優化磁性壓板包含有圓形陣列或圓柱形磁體。圖15B和15C所示為圓柱形磁體的最優化形式，此磁體陣列中的每個磁體都呈(具有一個平頂的)圓錐形。圖15B表示具有50度邊或平衡角的磁體，而圖15C表示具有60度邊或縱傾角的磁體。圖16A表示非優化結構中的菱形磁體，圖16B表示具有50度邊或縱傾角的優化菱形磁體備選實施例中的磁體可以具有任意適當的邊角。在其他備選實施例中的磁體可以是任意合適形狀，而非圓錐形。

圖17表示當壓板經過感測器時，諸如圖15A所示的非優化圓柱形磁體生成的正弦曲線波。由圖17可見，正弦波並不平滑，沿所有軸向(X，Z和磁場強度軸線)的波形都存在波動。對於菱形磁體，圖19A-19C表示非優化磁性壓板1900生成的信號(同時見圖16A)，這進一步闡釋了平行場法。由圖19A中的1910和1920可見，X軸向和Z軸向的磁場強度是沿X軸和Z軸的相反位置繪製的，具有不均勻的波峰和波谷。二維圖1930中也存在這些不均勻波峰和波谷，其中的磁場強度根據X軸向和Z軸 向的位置繪製。當沿X軸或Z軸的位置確定後，由位置結果繪製的圖表如圖19B所示，由正弦曲線波的角度所得的位置資料點分佈在最佳擬合線1950的兩邊。類似的，繪製出的磁性壓板和感測器之間的間隙距離圖並不是如圖19C所示的具有相同的間距測量。

圖18表明當壓板經過感測器時，諸如圖15B，15C和16B所示的優化磁體生成的正弦曲線波。由圖18可見，正弦波平滑，因此從優化正弦波中獲得的位置測量的準確度比從非優化正弦波中的高。圖20A表示一個示範優化磁性壓板2000，磁性壓板2000的結構與圖4中所描述的結構基本相同。由圖20A可見，當磁場強度沿X軸、Z軸或者X軸和Z軸的反方向繪製時，所得正弦曲線波2010，2020，2030較平滑，因此測量誤差最小。由圖20B可見，由正弦曲線波得到的位置資料點基本沿線2050分佈。類似的，繪製出的磁性壓板和感測器之間的間隙距離圖並不是如圖20C所示的具有相同的間距測量。

磁場優化可以通過諸如修飾磁性壓板的單個磁體的邊緣來實現。縱傾角度的值可以利用標準偏差σ確定，σ表示在感測區域的磁場變形。例如，見圖22，當菱形磁體的邊緣角為50度左右(見點「J」)或圓錐形磁體的邊緣角約為60度(見點「K」)時，標準差σ接近於0。由圖21可見，當菱形磁體的縱傾角約為50度或圓錐形磁體的縱傾角為60度左右時，磁場強度的標準化功率最大，其中標準化功率定義為：

其中，σ表示標準差，weight代表磁性壓板的重量，RMS代表磁場強度的均方根(圖5中的NE值)。圖23進一步表明了磁場強度與磁性壓板的磁體間距之間的關係，而圖24表明了一個非優化菱形磁體與優化的菱形和圓錐形磁體的磁場效應。在備選實施例中，磁場優化可以通過任意適當的方式來實現。

在另一個示範性實施例中，位置感測解析度增強器(PSRE)能夠增加位置回饋裝置的解析度，比如在這裏所述的類比區域中。一個示範性實施例中PRSE可以定位在一個或多個感測器輸出與一個電動機控制器的輸入之間。在備選實施例中，PRSE可以定位在任意恰當位置，以修正感測器的生成信號。需要注意的是，當電動機控制器應用在本例中時，控制器可以是任意能夠接收位置感測器信號的控制器。示範性實施例中的PSRE通過一次或多次乘、除和兩倍、四倍放大等運算處理位置感測信號，諸如位置線號的正弦曲線分佈的頻率能夠分別通過因數2和4等增加位置感測解析度。在其他示範性實施例中，PSRE可用於信號振幅的優化監測，這種優化監測是一種轉子-定子測量裝置。備選實施例中的信號振幅優化監測可以用在旋轉或線性應用程式中的任意診斷工作，比如(但與不限於)文中所述的那些應用。

在一個示範性實施例中，對感測器信號的正弦值和餘弦值求平方得到導出信號，這些信號也是正弦曲線信號， 但週期分別是原始信號週期的一半，在本例中，感測器解析度加倍。但是，如果信號振幅是隨由諸如變化間隙和/或溫度引起的磁感測器的變化而變化的，數位轉化器類裝置一般會生成更少量的比特，這種比特具有較小的振幅，有效降低了位置解析度。變化振幅所生成的信號必須用與振幅成正比關係值做補償。為了避免變化振幅所帶來的問題，示範性實施例將信號振幅分段，這可以通過求正弦信號和餘弦信號的平方以及對振幅的平方數求和來確定，振幅變化可以通過信號平方與振幅平方的商基本消除，由此，相相關信號保持在數位轉換器範圍，從而提供不依賴於信號變化的相同角度解析度如前所述，連續信號平方使位置解析度翻倍。

我們還需要認識到，如果感測器的振幅用來處理諸如感應磁間距變化或其他程式，振幅信號的平方就可以在類比區域進行預處理，以此得到所需範圍內的最優化線性和解析度。

圖35表示上面所述的解析度增強。示例中，感測器感應磁場所得的信號呈正弦曲線分佈，對信號求平方並做補償，從而得到直流電的希望值，該值是信號解析度的2倍(4倍等)。由圖35可見，線50100代表初始感測信號，線50101代表是加倍後的信號，以下將作介紹。從圖中可見，雙倍信號50101的週期為初始信號50100的一半，圖35所示為示範處理過程的結構圖，該處理過程是對一個感測器解析度進行雙倍和4倍增加處理。在備選實 施例中，感測器的解析度可以用任意合適的方法進行雙倍(4倍等)增加處理。圖36中，S1和S2表示初始感測信號，如圖37所示，其中：S 1=A sin(x ) [22]

而S2 =A sin(x+Φ) [23]

其中，Φ表示兩個信號之間的固定相位變化，A表示振幅。在一個示範性實施例中，Φ可能是硬體確定相位變化。在備選實施例中，Φ的值可通過任意適當方法確定。為了簡化解釋，與正弦曲線信號分佈相關的位置將以「頻率」這一概念在本文中加以引用。在一個示範性實施例中，要獲得4倍頻的正弦和餘弦信號，Φ值約等於22.5°。在備選實施例中，Φ值可以是任意適合的值以得到所需頻率。如圖36所示，S1² ，S2² 表示補償和修正平方之後的信號S1，S2。S1² ，S2² 的頻率是雙倍增之後的值。

注意：在示範性實施例中，偏移可以通過基於初始sin(x)和sin(x+Φ)信號以構造餘弦信號得以修正，它們之間的數學關係為：sin(x +Φ)=sinx cos Φ+cosx sin Φ [24]

其中，sin Φ和cos Φ是由感測間距確定的已知常量係數。在備選實施例中，sin Φ和cos Φ可以是任意值。

上面的示範方程[24]的物理意義為：A sin(x +Φ)=A sinx cos Φ+A cosx sin Φ [25]

其中，A表示電壓晃動信號的振幅。同樣的，

sin(x)和cos(x)在平方後可計算振幅，如下式：A ² sin² (x )+A ² cos² (x )=A ² [27]

這個振幅用於偏移修正和信號調節，比如把信號都除以A² ，使振幅變成最優水準用於進一步處理。

從而產生與振幅變化無關的信號。第二次偏移校正以及倍增兩個正弦/餘弦信號後，四倍頻可以根據初始輸入信號S1，S2(如圖39所示)獲得。需要注意的是，可以對信號進行多次重複調整，以獲得要求的準確度，圖36所示，兩倍信號S1² ，S2² 再次加倍得到四倍信號(S1² )² ，(S2² )² 。在理想信號條件下(如圖40所示)，文中所述的倍頻會引起位置準確度的提高。由圖40可見，線50200和50201都代表反正切(正弦/餘弦的反函數)方程用於位置計算。預計線50200是一個頻率為f(或螺距為p)的信號，而線50201是頻率為4f(螺距為P/4)的信號由圖40可見，示範性實施例實際上降低了螺距，增加了位置感測器的解析度，文中所述的感測器也符合這一情況。

解析度增強的穩定性將根據圖41-44進行論述。在下面的例子中將介紹相關輸入信號的隨意生成干擾在示例中，圖41表示誤差為5%的輸入信號，圖42表示其對應的輸出信號。如上所述，如果利用對感測信號頻道求雙倍 平方，任何附件雜訊都成4倍增。動力自動化增益控制匹配單個振幅與數位轉換器範圍和優化數位化固有誤差，可以減低雜訊放大，雜訊高頻帶可以在信號處理運行之前被過濾掉，穿越對應頻道(如振幅計算)，從而至少在一定程度上衰減同步殘餘雜訊和相關的非同步殘餘雜訊，求出四倍位置解析度。在備選實施例中，雜訊放大可通過任意適當方法降低。要注意，在某些情況下，由感測電子引入的雜訊可以忽略。

根據示範性實施例，位置回饋系統的位置解析度可以利用正弦曲線方程來估算。舉例說明：回饋系統使用兩個固定霍耳效應感測器定位1/4螺距(即90°相位移動)，感應由裝有永磁體的轉軸/壓板生成的正弦曲線磁場。在備選實施例中，系統可以使用任意適當數量或類型的感測器。需要認清的是，兩個感測器生成轉軸/壓板依賴正弦曲線的信號(如正弦/餘弦信號)。計算出這兩個信號的值之比的正切。

電動機的週期位置就可以確定。方程[30]中的正弦和餘弦表示信號，而不是函數。備選實施例中的回饋系統利用適當數量的感測器確定在某一測量單元內的電動機位置。為計算位置解析度誤差ε_α ，由方程[30]求偏導數/sin和/cos如下：

其中，ε_sin 和ε_cos 分別表示正弦信號和餘弦信號誤 差。利用如下簡化：

可以發現ε_α 等於

如果用正弦和餘弦函數[35]替代正弦和餘弦信號，則方程可寫成：

其中，A表示信號的振幅。假設數位轉換器類比量的範圍相當於2A(伏特)(即利用數位轉換器類比量的全範圍)，信號不確定誤差的主要來源是數位轉換器解析度N(比特)=(2×A)/2^N (伏特)，則線性位置解析度ε_X 可如下表示：

其中，P表示正弦/餘弦信號週期(如螺距)。由方程[37]可見，感測器的總解析度是45、135、225和315度最大值的週期函數，如圖45所示。在感測器與數位轉換器類比量通過解析度倍增器相連接處，如圖47的結構圖所 示(注意：圖47表示示範倍增器，備選實施例中的倍增器可以具有適當的結構和構件，用來實現這裏所說的信號倍增)，倍增器產生的輸出信號雜訊水準不應該超過數位轉換器類比量的解析度。基於連續信號倍增值的數目得出的雜訊可以表達成：

其中，n表示倍增值的數量。如上所述，正弦曲線函數的平方生成具有雙倍頻率的正弦曲線函數(例如半週期)，由此線性位置解析度ε_X 可以寫成：

其中，P表示初始信號的週期每一個附加信號倍增值是回饋裝置的線性解析度的兩倍。需要認清的是，以上函數表明線性位置解析度僅僅是一種典型例子，位置解析度可以用任意適合的函數求得。

示範性實施例的位置解析度增強信號振幅變化，間隙資訊。例如，當間隙變化、雜訊和不完整磁場(或其他因素)引起輸入信號變化時，上面所講的解析度增強能夠使信號在其振幅內正常化，並生成非失真的正弦/餘弦輸出信號。例如，圖43表示應用與輸入振幅的具有20%雜訊的輸入信號圖44表示圖43中的一個信號輸出經過解析度增強器處理後的圖。間隙尺寸或其他資訊可以確定計算的信號振幅(如圖44所示)，由此解析度增強器可增加間隙尺寸的解析度。例如，一旦間隙範圍確定了，數位轉換 器的完全類比量則只能用來分析所確定的間隙範圍。作為非極限示例，如果間隙不小於5mm，並且不大於8mm，則數位轉換器類比量範圍可以用來分析5mm到8mm區域。

如上所述，正弦曲線信號的振幅決定於間隙值，間隙可定義為：

其中，B和t是硬體依賴常量，sin和cos表示正弦曲線信號(非函數)，A表示信號的振幅。備選實施例中的B和t可以是任意適合的常數值。對方程[40]進行偏微分，間隙測量的解析度ε_G 為：

其中，ε_sin 和ε_cos 分別表示正弦和餘弦信號的誤差。使用如下簡化公式

間隙尺寸的解析度可用下式表示：

假設數位轉換器類比量的範圍相當於2A(伏特)(例如 利用數位轉換器類比量的全範圍)，信號不確定性/誤差的主要來源是數位轉換器類比量，N(比特)=(2×A)/2^N (伏特)，函數[45]可寫成：

如果正弦和餘弦信號用正弦和餘弦函數替代，則有：

或

與於上述的位置解析度類似，方程[48]表明，總間隙的解析度是45、135、225和315度最大值的一個週期函數。當感測器通過解析度增強器等與數位轉換器類比量相連接時，間隙資訊可以由在類比區域衍生/預處理所得的正弦和餘弦信號的振幅獲得，如增強的位置解析度。信號放大能夠被轉換為間隙資訊，被壓縮到感興趣的區域內並被發送到數位轉換器類比中。在這種情況下，間隙解析度可以近似表示為：

其中△G表示感興趣的區域面積

注意，上面的例子是結合信號的雙倍增(如初始信號的雙倍或經過倍增的信號)介紹的，示範性實施例也可以用於對初始信號或因其他倍增因數(如1，2，3，4等)得到的倍增信號進行倍增程式。

如上所述，示範位置測量系統可以在任意具有機械運 輸系統的適當設備中使用，如將產品從一個位置傳輸到另一個位置。為舉例說明問題，示範位置測量系統的運行將結合半導體處理設備做以介紹，但需要注意的是，示範位置測量系統能夠應用於任意上述的適當設備中。

參考圖48，一個示範半導體基板處理儀器3510應用在所示的的示範性實施例中。處理設備3510與環境前端模組(EFEM)3514相連接，模組3514包含有一定數量的負載埠3512。負載埠3512能夠支援一定量的基板存儲罐，比如傳統的FOUP罐，也可使用其他合適類型。EFEM3514通過負載閉鎖3516與處理設備聯繫，3516與處理設備相聯繫。EFEM3514(對環境開放)具有一個基板傳輸設備(為表示出)，能夠將基板從負載埠3512傳輸到負載鎖口3516，EFEM3514也具有基板校正功能、組處理功能、基板和載體確認功能及其它功能。對於備選實施例而言，在負載鎖扣具有批次處理功能或直接將晶片從FOUP傳送到鎖扣的功能的情況下，負載鎖口3516與負載埠3512直接接觸。一些類似設備公開在2002年7月22日申請的美國專利號6,071,821，6,071,059，6,375,925，6,461,094，5,588,789，5,613,821，5,607,276，5,644,925，5,954,472，6,120,229以及美國專利申請號10/200,218中，所有這些都作為參考引用在本文中。備選實施例可以用其他負載鎖口。

還是參考圖48，上文提到處理設備3510用於處理半導體基板(如200/300mm晶片或其他合適尺寸晶片)，平 板顯示器基板或其他類型的基板，構成傳輸室3518，處理模組3520和至少一個基板傳輸設備3522，基板傳輸設備3522與室3518聯成一體，在這個示範性實施例中，處理模組安裝在室3518的兩側，在其他示範性實施例中，模組3520可以安置在室3518的一側，如圖50所示。圖48顯示，處理模組3520彼此相對，安置在行列Y1，Y2或垂直面在其他備選實施例中，處理模組可以彼此交錯排列在傳輸室的相對兩側，或者沿垂直方向彼此堆疊。傳輸設備3522包含運輸車3522C，3522C在室3518中移動，可以在負載鎖口與處理室3520之間傳送基板。所示儀器只安裝有車3522C，而在備選實施例中，可以安裝多個運輸車。由圖48可見，傳輸室3518(抽成真空或充有惰性氣體，或者具有清潔環境，或是其內部組合)具有一定的結構，並應用基板傳輸設備3522將處理模組按笛卡爾排列在室3518，模組基本垂直於基板或行列平行排列。這一結果使處理模組3510具備了比傳統處理設備(即具有相同數量處理模組的傳統處理模組)更緊湊的足跡，見圖54。另外，傳輸室3522的長度可以是任意所需長度，並附加任意數量的處理模組，從而增加儀器的處理容量，下面將進一步加以闡釋。傳輸室也能夠支援所需數量的傳輸設備，並允許傳輸設備在不彼此干擾的情況下，到達要求的處理室。這有效地減少了傳輸設備中處理設備的處理容量，因此處理設備的處理容量變成有限處理，而非悠閒操縱。相應的，處理容量可以通過上述增加處理模組和同一 平臺的通訊能力增加。

還參見圖48，該示範性實施例中的傳輸室3518是普通的矩形，而備選實施例中的傳輸室可以其其他形狀。傳輸室3518呈細長形(即長度遠大於寬度)，並定義了其中傳輸設備的線形傳輸路徑。傳輸室3518具有徑向的側壁3518S，側壁3518S具有傳輸口或埠3518O，傳輸埠3518O的尺寸大小要足以保證基板能夠通過埠(埠能通過閥門)，進出傳輸室。由圖48可見，示範性實施例中的處理模組3520安裝在側壁3518s的外側，3518室中的每個處理模組與相應傳輸埠3518O排列成直線。每個處理模組3520繞著對應傳輸埠3518O的週邊，倚靠傳輸室3518的側壁3518S密封，從而保持傳輸室3518的真空轉臺。每個處理模組3520具有一個閥門，通過一定的方式控制，在需要時關閉傳輸埠3518O。傳輸埠3518O都位於同一個水平面上。相應的，傳輸室3518中的處理模組3520也排列在同一個水平面上。備選實施例中的傳輸埠3518O佈置在不同的水平面上。由圖48所示，在這個示範性實施例中，負載鎖口3516安裝在兩個位於最前端的傳輸埠3518O的傳輸室側壁3518S上，這就保證負載鎖口3516與位於處理設備前方的EFEM3514相鄰。在備選實施例中，負載鎖口3516可以安裝在傳輸室3518的其他3518O傳輸口上，見圖50。傳輸室3518的六面體形狀使傳輸室3518的長度可以是所需任意長度，從而安裝所需排數的處理器模組。(例如，圖49，51-53所示為其他示範性實施 例，傳輸室的長度能夠滿足安裝足夠數量的處理器模組)。

如前面提到的，圖48所示的示範性實施例中的傳輸室3518具有一個包含一個傳輸車3522C的基板傳輸設備3522，3522。傳輸裝置3522整合在傳輸室中，驅動傳輸車3522C在傳輸室內的前方位置3518F和後方位置3518B之間來回移動。傳輸設備3522的傳輸車3522C具有多個末端執行器，能夠帶動一個或多個基板移動。傳輸車3522C還鉸接臂或可移動傳輸機械3522A，用來擴大和縮小末端執行器實現在處理模組3520或負載埠3516中採集或釋放基板。為了在處理模組/負載埠中採集或釋放基板，傳輸設備3522與要求的模組/埠排列成直線，鉸接臂通過對應的埠3518O控制延伸/收縮，可以在模組/埠內部定位末端執行器，用來進行基板採集/釋放。

傳輸設備3522，如圖48所示，是一種具有代表性的傳輸裝置，它有一個傳輸車3522C，通過線性支撐/驅動桿控制。該傳輸裝置與美國專利出版物No.2004/151562所述的磁懸浮傳輸設備基本相同，但也可用其他傳輸裝置。線性支撐/驅動桿安裝在側壁318S、傳輸室底面或頂面上，並可以延伸傳輸室的長度。這就保證傳輸車3522C和設備能夠橫穿過傳輸室的長度範圍。傳輸車3522C具有支撐鉸接臂的框架，該框架也支撐隨框架或相對於框架移動的角輪底盤或壓板3522B，其他適當的電動機，如連續的同步線形電動機，驅動壓板3522B，並由此驅動傳輸車 3522C。在該示範性實施例中，鉸接臂通過適當的聯接裝置/傳動裝置與壓板3522B相聯接，因此當壓板3522B受驅動機產生相應移動時，鉸接臂即發生延伸或收縮。比如，安裝傳動裝置後，當壓板3522B沿桿彼此移動分離時，鉸接臂向左延伸，當移動回來時，鉸接臂從左收縮。壓板3522B也可以用線形電動機操控，使鉸接臂3522A向/從右側延伸/收縮。

線形電動機作為驅動時，通過滑動桿對壓板3522B的移動控制、對壓板3522B和傳輸車3522C的位置感應，以及鉸接臂的延伸/收縮位置，利用上文所述的位置測量系統都可以實現。以磁性壓板MP為例，比如示範壓板400固定在傳輸壓板3522B上或者是每個傳輸壓板3522B的部件上，由此，壓板MP產生的磁場指向傳輸室3518中的側壁3518S(圖55，結構圖4200)。感測器組群Q(每個感測器組都包含一個感測器組(如圖4，5，7所示)，感測器對(如圖2A和3A所示)，單個感測器(圖3A所示)，或者它們之間的任意組合)以上述的某種方式沿側壁3518S放置，傳輸室3518沿傳輸車3522C的運行路徑和傳輸壓板3522A，3522B佈置。注意：為表達清楚，只有少量感測器組Q在圖中可見。還需注意的是，不同的位置感測系統可單獨或部分組合都可以用來準確確定傳輸車3522C的位置。

控制器3590可被建構用於連續掃描感測器Q組群，用於輸出點3580處的感測器，該感測器被建構為第一被 掃描感測器，由此傳輸車3522C的位置被以點3580為參考點，以提供絕對位置測量(圖55，結構圖4210)。如上所述，每個感測器組Q的位置與傳輸室3518中的參考點有預定間距，當磁性壓板MP經過感測器時，則可以大致確定磁性壓板的位置。磁性壓板MP和傳輸車3522C的更精確位置可以通過對上述的感測輸出進行數學運算確定(圖55，結構圖4220)。在本例中，由於每個壓板3522B包括一個磁性壓板MP，每個壓板3522B的位置可以分別確定，由此所有壓板3522B可以在同一方向同時啟動，從而使整個傳輸車/設備在傳輸室3518內沿徑向移動；或者分別驅動壓板，由傳輸車3522C攜帶的鉸接臂3522A就會被伸長或收縮。需要注意的是，對應於傳輸室壁的傳輸車3522C的位置(如室壁與車之間的間隙)可以測量並做相應調整，則車3522C在兩個室壁3518S之間的位置就確定了，該預定位置可以處理模組3520的基板的準確佈局。

圖49表示另一個基板處理設備3510’，它與3510大致相同。在該示範性實施例中，傳輸室3518’具有兩個傳輸裝置3622A和3622B。傳輸裝置3622A，3622B與上面所講的3522基本相同，參見圖48。傳輸裝置3622A，3622B都由一組普通的徑向滑動桿支撐。對應於每個傳輸設備的傳輸車的壓板用同一個線性電動機驅動。線性電動機的不同驅動區域允許每個傳輸車3622A、3622B上單個壓板的獨立驅動，因此單個傳輸車3622A、3622B也可以 獨立驅動。需要瞭解的是，用某一(類似於上述的)方式操縱線性電動機，每個裝置的鉸接臂就可以獨立地延伸/收縮。但是，在這種情況下，基板傳輸裝置3622A、3622B不能在傳輸室中經過彼此，除非應用獨立滑行系統。如上所述，傳輸成的每個壓板都包括磁性壓板MP，MP與固定在室壁3518’上的感測器組Q相聯繫。在該示範性實施例中，處理模組沿傳輸室3518’長度佈置，所以基板被傳送到處理模組3518’中進行處理，這可以避免傳輸裝置3622A、3622B彼此干擾。例如，用於塗層的處理模組在加熱模組之前已經定位，冷卻模組和蝕刻模組最後定位。

但是，傳輸室3518’含有另外兩個傳輸區域3518A’和3518B’，它們允許兩個傳輸裝置穿越過彼此(類似於邊桿，分路桿或不需要支撐桿的磁懸浮區域)。在這種情況下，其他傳輸區域可以定位在處理模組所在的平板的上方或下方。每個傳輸區域3518A’和3518B’具有自己的感測器組Q，因此，當傳輸車分別在各自的傳輸區域3518A’和3518B’中時，可以獨立跟蹤傳輸車3622A，3622B。示範性實施例中的傳輸裝置具有兩個滑動桿，每個傳輸裝置一個。一個滑動桿定位在傳輸室的底面或側壁上，另一個滑動桿定位在傳輸室頂部。在備選實施例中，應用線性驅動系統同時驅動並懸浮傳輸車，傳輸車將獨立地發生水準移動或垂直運動，由此彼此獨立地傳遞或傳送基板。需要注意的是，感測器組Q與磁性壓板MP相結合可用於跟蹤 3622A，3622B每個傳輸車的豎直位置，它們從彼此的上方/下方經過以避免相撞，這種相撞可能破環運輸車或運輸車所攜帶的基板。在所有應用電動繞組的儀器中，在傳輸室需要加熱除氣(如去除水蒸氣)時，繞組也可用作熱阻。在該情況下，每個傳輸裝置由專用線性驅動電動機驅動或在傳輸車所在的專用驅動區域被驅動。

圖52和53所示為其他示範性實施例中，其他基板處理裝置與位置測量系統的整合圖。由圖52和53可見，傳輸室被拉長以安置附加處理模組。圖52所示的裝置具有12個處理模組，它們與傳輸室相連接，圖53中的每個裝置(所示為兩個裝置)具有4個與傳輸室相連的處理模組。所示示範性實施例的模組數量僅作為示例，設備所包含的處理模組數量可以是任意的，如前所述。與前面所討論的相似，處理模組沿傳輸室的兩側呈笛卡爾排列。但是，處理模組行列的數量都有大幅增加(如圖52中所示的6排，圖53中所示的12排)。圖52所示的示範性實施例中，EFEM可以卸掉，負載埠可與負載鎖扣直接連接。圖52和圖53中的傳輸室具有多個傳輸裝置(即圖52中的3個，圖53中的6個)，能夠處理負載鎖扣和處理室中的基板。所顯示的傳輸裝置的數量僅僅作為一個例子，實際裝置的數量可或多或少。傳輸裝置與上面所述的大體相同，包括一個鉸接臂和一個傳輸車，其中車的位置和鉸接臂的延伸/收縮用多維位置測量系統跟蹤。但是，該條件下，傳輸車由傳輸室側壁上的線性電動機驅動支 撐，線性電動機驅動傳輸車在兩個正交坐標軸(即傳輸室內為徑向和垂向)上產生平移。相應的，傳輸裝置能夠在傳輸室內經過彼此。傳輸室具有位於處理模組所在平板的上方和/或下方的「經過」或傳送區域，傳輸裝置需要設定路線以避免傳輸裝置相撞(即收集/釋放處理模組中的基板)或傳輸裝置沿相反方向運行。基板傳輸裝置有一個控制器，可以控制多個基板傳輸裝置的移動。

仍然參見圖53，基板處理裝置3918A和3918B直接與控制器3900相連接。

從圖49，50，52-53可以看到，傳輸室3518可以按要求延伸，橫穿出處理設備PF。由圖53和以下進一步的論述可知，傳輸室與各種部件或隔間，3918A，1918B處理設備PF，如儲存、光刻工具、金屬沉積工具或其他適合的工具隔間連接並通訊。未與傳輸室3518相連接的隔間也可以設置成程式隔間或3918A，3918B程式。每個隔間具有所需工具(如光刻、金屬沉積、熱浸漬、清潔)以完成給定的半導體工件製造程式。在每種情況下，傳輸室3518中的處理模組與設備隔間中的各種工具通訊連接，保證半導體工件在傳輸室和處理模組之間傳送。因此，傳輸室沿其長度具有不同的環境條件，如大氣、真空、高真空、注入氣體或其他條件，該環境與連接到傳輸室的不同處理模組有關。相應的，一個給定程式的傳輸室部件3518P1，或間隔3518A，3518B，或者間隔的一部分，可能具有一個環境條件(如大氣)，而另一個部件 3518P2，3518P3可能具有一個不同的環境條件。如前面所提到的，具有不同環境條件的部件3518P1，3518P2，3518P3位於設備不同的間隔艙內，或者都在同一個間隔艙。圖53表示具有3個部件3518P1，3518P2，3518P3的傳輸室，其中三個部件環境條件的不同，僅以此舉例說明。示範性實施例中的室3518根據環境的不同具有不同的部件。部件3918A，3918B，3518P1，3518P2，3518P3中的每一個都有感測器組Q，感測器組沿傳輸部件側壁定位。對於不需要傳輸車3266A的高精度位置的傳輸部件，如3518P2，可使用如圖3A所示的感測器構造，從而使傳輸車3266A的成本有效降低，並能夠被準確跟蹤。在備選實施例中，示範位置測量裝置的任意組合系統可以應用到3918A，3918B，3518P1，3518P2，3518P3傳輸部件中的任意一個中。

由圖53可見，類似於傳輸艙3518中的3622A(見圖49)的傳輸設備能夠實現在3518P1，3518P2，3518P3部件之間不同環境中轉換。因此，從圖53可知，傳輸裝置3622A利用一個採集基板把一個半導體工件從處理設備的某個程式或間隔3518A中的工具，移動到另一個具有不同環境的不同程式或間隔3518A中的工具。例如，傳輸裝置3622A從處理模組3901中採集一個基板，可以是部件3518P1中的一個大氣模組、光刻模組、刻蝕模組或其他所需處理模組，傳輸裝置3622A沿箭頭指定方向移動，圖53所示為從傳輸室的部件3518P1移動到3518P3。在部件 3518P1中，傳輸裝置3622A將基板放置在所要求的處理模組3902中。

由圖53可知，傳輸室可以是模組，它與室模組相連接，構成傳輸室3518，這種模組包含3518I內壁，類似於圖48中的壁3518F，3518R，用來分離傳輸室中的部件3518P1，3518P2，3518P3，3518P4內壁3518I包括溝槽閥門或其他適當閥門，保證部件3518P1，3518P4能夠與一個或多個相鄰部件通訊連接。溝槽閥門3518V的尺寸要保證一個或多個傳輸車能夠通過閥門，從部件3518P1，3518P4運行到其他部件。用這種方法，車3622A可以移動到傳輸室3518的任何地方。閥門關閉後，能夠將部件3518P1，3518P2，3518P3，3518P4隔開，這樣，不同部件就可以包含不同的環境。進一步的，傳輸室模組的內壁是固定的，以便形成負載鎖扣3518P4，見圖48。負載鎖扣3518P4(圖53中只有一個，以示說明)定位在室3518中，並擁有所需數量的傳輸車。

參考圖54所示為一個示範製造設備圖，它是使用一個自動化材料運輸系統(AMHS)4120。在這個示範性實施例中，AMHS工件從儲料器4130傳送到一個或多個處理工具4110處，AMHS包含有一個或多個傳輸車4125和一個傳輸軌跡4135，傳輸軌跡4130可以是任意適當路徑。傳輸路徑包括感測器組群Q，Q如上所述，沿軌跡分佈。傳輸車4125包括一個或多個磁性壓板MP，MP與感測器組群Q相互作用，提供對4125的位置測量值。

待測或所跟蹤的物體120的位置可利用距物體120末端較近的感測器進行跟蹤，因此控制器可以容許多個物體沿同一傳輸路徑移動，它跟蹤每一個物體以避免物體之間的接觸。在備選實施例中，如果物體的長度已知，則使用在物體120末端附近的一個感測器跟蹤物體120，這裏，控制器使用位置測量所得的物體第一末端的位置資料加上或者減去物體的長度值，來確定物體沿著傳輸路徑所產生的空間距離。

需要清楚的是，這裏所論述的示範性實施例是參照線性驅動系統加以表述的，示範性實施例經改動後也可以應用於旋轉驅動系統中。例如，所述示範性實施例能夠用於跟蹤圓柱體內一個物體的旋轉速度和軸向位置，同時測量旋轉物體與圓柱體某個內壁之間的距離。

這裏所說的示範性實施例裝有位置測量系統，能夠測量沿第一軸向移動的無限長度，並同時測量沿第二和第三軸向的位置。位置測量系統可以整合到任意適當傳輸設備中。儘管這裏所講的示範性實施例能夠同時測量3個軸向的物體位置，但一個測量系統可以聯合使用，來測量3個以上軸向上的位置。相反的，示範性實施例也可以應用於或構造成能夠測量3個以下軸向位置的測量系統。還需要瞭解的是，示範性實施例可以單個使用，也可以組合起來使用。示範性實施例所具有的位置測量系統，可以不必賦予可移動物體動力就能獲得物體的位置資訊。但是，儘管示範性實施例具有固定在可移動物體上的磁性壓板，磁 性壓板也可以固定在物體傳輸路徑的固定表面上，感測器則固定在可移動物體上。

還需要瞭解的是，示範性實施例可以單個使用，也可以組合起來使用。另外，前述內容只是說明示範性實施例工作流程和性能。利用藝術技巧，可以對示範性實施例進行不同的選擇和修改。相應的，目前的示範性實施例設計趨向於囊括附注說明範圍內的所有選擇、修改和差異

100‧‧‧感測器

120‧‧‧待測物體

140，150‧‧‧磁體

170‧‧‧磁性壓板

180‧‧‧指定表面

190‧‧‧控制器

500‧‧‧坐標系統

510，520‧‧‧磁極單元

圖1所示為根據一個示範性實施例的位置測量系統的局部示意圖；圖2A所示為一個示範性實施例的位置測量系統的局部示意圖；圖2B和2C表示圖2中的位置測量系統的感測器構件的輸出信號；圖3A則表示另一個示範性實施例的位置測量系統的局部示意圖；圖3B表示圖3A中的位置測量系統的感測器構件的輸出信號；圖4表示一個示範性實施例的磁性壓盤和感測器構造圖；圖5表示另一個示範性實施例的磁性壓盤和感測器構造圖；圖6A和6B表示圖5中的感測器感應到的磁性壓盤產 生的磁場強度曲線圖；圖7則表示另一個示範性實施例繪製的磁性壓盤和感測器構造圖；圖8A和8B表示圖7中的感測器感應到的磁性壓盤產生的磁場強度曲線圖；圖9A和9B表示示範性實施例的感測器輸出曲線圖；圖10A-11B表示示範性實施例的感測器輸出曲線圖；圖12A和12B表示示範性實施例中一個磁螺距內不同數量的感測器所生成的感測週期；圖12C表示一個示範性實施例的工作流程圖；圖13和14表示一個示範性實施例的校正位置測量圖；圖15A-15C所示為多個示範性實施例的磁性壓板構造；圖16A和16B所示為其他示範性實施例的磁性壓盤構造；圖17所示為一個非最優化磁性壓板產生的磁場曲線圖；圖18表示一個最優化磁性壓板產生的磁場曲線圖；圖19A-19C表示由示範性實施例的非最優化磁性壓板產生的磁場幾何圖；圖20A-20C表示由一個示範性實施例的最優化磁性壓盤產生的磁場幾何圖；圖21-25表示一個示範性實施例的磁性壓板優化的圖 表和圖片；圖26所示為示範性實施例的位置測量系統局部示意圖；圖圖27-31表示示範性實施例感測器的輸出曲線圖；圖32-33表示示範性實施例附加感測器的輸出曲線圖；圖34表示另一示範性實施例感測器的輸出曲線圖；圖35表示一個示範性實施例的示範信號倍增；圖36是一個示範性實施例的信號倍增結構圖；圖37-39表示示範性實施例的信號倍增；圖40表示一個示範性實施例的倍頻信號；圖41-44表示一個示範性實施例計信號誤差的輸入和輸出信號；圖45和46分別表示示範性實施例的感測和間距解析度函數；圖47表示一個示範性實施例的示範解析度增強器；圖48-54所示為具有示範性實施例特性的處理器示意圖；圖55表示示範性實施例的工作流程圖。

100‧‧‧感測器

120‧‧‧待測物體

160‧‧‧波

170‧‧‧磁性壓板

180‧‧‧指定表面

190‧‧‧控制器

130a-130n‧‧‧感測器組

Claims (29)

1. 一種位置測量設備，包括：一個控制器；與控制器通訊連接的工件傳輸裝置，控制器具有一個可移動部分和傳輸路徑；以及一個多維度位置測量裝置，包括至少一個固定於可移動部件上的磁場產生台，至少一個沿傳輸路徑定位並與控制器通訊連接的感測器組，其中磁場產生台用於位置測量和驅動可移動部件，至少一個感測器組用來感應由至少一個磁場產生台生成的磁場，控制器用於計算可移動部件的多維位置，計算以感測器組中的一個感測器的輸出為依據，多維位置包括至少一個平面位置和工件傳輸與至少一個感測器組之間的間隙。
2. 如請求項1中的位置測量設備中，至少一個感測器組用於感應至少一個作為絕對位置測量值的平面位置。
3. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少一個磁場產生台由一定形狀的磁體構成，用來提供一個磁場的基本不失真的正弦曲線。
4. 如請求項3中的位置測量設備，其中磁體由邊緣角約為50度的菱形磁體或邊緣角約為50或60度的圓錐形磁體組成。
5. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少安裝一個感測器組用於感測磁場產生台產生的磁場的法向分量，其中法向分量垂直於磁場產生台的一個表面。
6. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少安裝一個感測器組用於感應磁場產生台產生的磁場的平行分量，其中平行分量平行於磁場產生台的一個表面。
7. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少一個感測器組由單一感測器組成，至少有另一個感測器組由感測器對組成，其中由感測器對中的感測器提供的輸出信號成正弦/餘弦關係。
8. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少一個感測器組由感測器對構成，其中由感測器對中的感測器提供的輸出信號成正弦/餘弦關係。
9. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少有一個感測器組由第一感測器對和第二感測器對組成，其中，第一感測器對以交錯關係位於第二感測器對的上方。
10. 如請求項9中的位置測量設備，其中第一感測器對的輸出信號成正弦/餘弦關係，第二感測器對的輸出信號具有正弦/餘弦關係。
11. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少有一個感測器組由第一感測器對和第二感測器對組成，其中，第一感測器對以正交關係位於第二感測器對的兩個感測器之間。
12. 如請求項11中的位置測量設備，其中第一感測器對的輸出信號沿第一移動軸向成正弦/餘弦關係，第二感測器對的輸出信號沿第二移動軸向成正弦/餘弦關係。
13. 如請求項1中的位置測量設備，其中至少一個感 測器組定位在接近至少一個磁場產生台的位置上，則至少一個感測器組中的感測器達到飽和極限。
14. 如請求項13中的位置測量設備，其中每一個感測器組中的感測器的飽和輸出被加入，生成相位移動鋸齒信號，用以確定可移動部件的位置。
15. 如請求項1中的位置測量設備，其中該控制器可以確定可移動物體沿第一軸向和第二軸向的位置，它通過計算至少一個感測器組沿每個移動軸向的輸出信號的比值的反正切值，其中，輸出信號成正弦/餘弦關係，反正切值與磁場產生器的螺距的部分間距成正比。
16. 如請求項15中的位置測量設備，其中藉通過求至少一個感測器組的輸出信號的平方和的平方根，配置另一個控制器可確定移動部件沿第三軸向的位置，其中，平方和的平方根與磁場產生台和至少一個感測器組之間的間距成正比。
17. 如請求項1中的位置測量設備，其中該至少一個感測器組包括複數的感測器組，這些感測器組彼此隔開相當於基圓節距的間距，該控制器被建構用來連續掃描複數感測器組用於輸出，其中，該複數感測器組中的第一感測器組對應於沿該至少一感測器組的掃描線的基礎間距，以此提供可移動部件在一個基圓節距內位置的絕對測量值。
18. 如請求項1中的位置測量設備，其中該控制器被建構用來調整從至少一個感測器組收到的輸出的正弦曲線週期，由調整信號得到的位置測量值比由未調整正弦曲線 週期的輸出獲得的值更準確。
19. 一種位置測量系統，用於測量由材料傳輸系統傳輸的移動物體在預定區域內的位置，該位置測量系統包括：一個移動物體，包括一個磁場產生台；一個第一位置測量部件，包括與磁場產生台相互作用的感測器單體；一個第二位置測量部件，包括與磁場產生台相互作用的感測器組；以及一個與感測器單體和感測器組相連接的控制器可以接收感測器單體和感測器組生成的位置確定信號，用來計算移動物體的位置，其中，第二位置測量部件內之位置測量的準確度比第一位置測量部件內之位置測量的準確度還高。
20. 如請求項19所述的位置測量系統，其中該位置測量系統整合在材料傳輸系統中，且第二位置測量部件包含複數第二位置測量系統，該複數第二位置測量系統的每一者對應於生產工具沿著該材料傳輸系統的位置，且該第一位置測量部件位在該複數第二位置測量系統的每一者之間。
21. 一個位置測量系統，包括：一個位於移動物體上的磁場產生台；彼此隔開有預定間距的一定數量的感測器，這些數量的感測器用來生成一個對應於磁場產生台生成的磁場的正 弦曲線輸出信號；和一個連接到一定數量感測器的控制器，控制器用來調整正弦曲線輸出信號，預定因數倍增正弦曲線輸出信號的頻率，其中，位置測量系統的解析度可以通過相當於預定因數的量得以增加。
22. 如請求項21中的位置測量系統，其中調整了正弦曲線輸出，也增加了類比區域中位置測量系統的解析度。
23. 如請求項21中的位置測量系統，其中控制器可以根據正弦曲線輸出來確定移動物體的多維位置，其中，多維位置包括一個間隙測量。
24. 一種用於位置測量的方法，包括：藉由一個磁場產生台生成一個磁場，其中該磁場產生台部分驅動附接在其上的物體；藉由複數感測器組感測該磁場的至少一個分量；以及由該複數感測器組的輸出來決定該物體的至少一個三維位置，其中該至少一個三維位置包括在該磁場產生台和該複數感測器組其中一者之間的間隙。
25. 如請求項24之用於位置測量的方法，其中該磁場是由具有一定形狀的磁體產生，建構該形狀用來提供一個實質上不失真的正弦磁場。
26. 如請求項24之用於位置測量的方法，其中用來確定三維位置的方法包括：通過計算感測器組沿每個軸向輸出信號的比值的反正切值，確定物體沿第一軸向和第二軸向的位置，其中，輸 出信號成正弦/餘弦關係，反正切值與磁場產生台和至少一個感測器組之間的一小部分間距成正比；和通過求定量感測器組輸出信號的平方和的平方根，確定移動部件沿第三軸向的位置，其中，輸出信號成正弦/餘弦關係，平方和的平方根與磁場產生台和至少一個定量感測器組之間的間距成正比。
27. 如請求項24之用於位置測量的方法，其中感測該磁場的至少一個分量的步驟，包括：感測磁場產生台產生的磁場的法向分量，其中法向分量垂直於磁場產生台的一個表面；或者感測磁場產生台產生的磁場的平行分量，其中平行分量平行於磁場產生台的一個表面。
28. 如請求項24之用於位置測量的方法，另外包括連續掃描複數感測器組用於輸出，使得磁場產生台的位置被以複數被掃描感測器組中的第一感測器組作為參考點，用來提供絕對位置測量。
29. 如請求項24之用於位置測量的方法，其中輸出是正弦輸出，這個方法包括調整正弦輸出的週期，使得由調整後之輸出所獲得的位置測量比由具有未調整正弦週期之輸出所獲得的位置測量更準確。