特許 6664394 位置測定装置、及び測定対象物の位置を測定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6664394

(24)【登録日】2020年2月20日

(45)【発行日】2020年3月13日

(54)【発明の名称】位置測定装置、及び測定対象物の位置を測定する方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20200302BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/00 101C

【請求項の数】18

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-528564(P2017-528564)

(86)(22)【出願日】2015年11月24日

(65)【公表番号】特表2018-501472(P2018-501472A)

(43)【公表日】2018年1月18日

(86)【国際出願番号】EP2015077450

(87)【国際公開番号】WO2016083346

(87)【国際公開日】20160602

【審査請求日】2018年11月21日

(31)【優先権主張番号】102014224221.5

(32)【優先日】2014年11月27日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】503263355

【氏名又は名称】カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(72)【発明者】

【氏名】ピーター フォークト

(72)【発明者】

【氏名】フロリアン バート

【審査官】 九鬼 一慶

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１９７２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１２２３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２４０５００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物の位置を検出する位置測定装置であって、
測定対象物（３）に関する位置測定信号（P_M）を供給する少なくとも１つの静電容量位置測定センサ（７）と、
基準測定信号（R_M）を供給する少なくとも１つの静電容量基準測定センサ（１４）と、
前記測定対象物（３）の位置を検出する演算部（８）とを備え、
前記演算部は前記少なくとも１つの位置測定センサ（７）及び前記少なくとも１つの基準測定センサ（１４）に接続され、
前記演算部は、前記位置を検出するために位置信号（Ｐ）が前記位置測定信号（P_M）及び前記基準測定信号（R_M）から算出されるように構成され、
前記少なくとも１つの基準測定センサ（１４）は支持体（２１）に配置された第１基準電極（１６）及び第２基準電極（１７）を備え、
前記支持体（２１）は温度２０℃における熱膨張率がαである材料からなり、絶対値としてα≦10・10^-8/Kが当てはまり、
前記演算部（８）は、信号線（１１，１１’，１１”，１３，１８，１８’，１８”，１９）によってそれぞれの前記位置測定センサ（７）及びそれぞれの前記基準測定センサ（１４）に接続され、前記信号線は少なくとも部分的に信号ケーブル（２０）を形成する、位置測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の位置測定装置において、前記信号線（１１，１１’，１１”，１３，１８，１８’，１８”，１９）の全長（Ｌ）の少なくとも７０％以上、特に少なくとも８０％以上、及び特に少なくとも９０％以上が前記信号ケーブル（２０）を形成する位置測定装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の位置測定装置において、前記基準測定センサ（１４）は、前記位置信号（Ｐ）を算出するために、前記位置測定センサ（７）の各々に割り当てられる位置測定装置。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の位置測定装置において、それぞれの前記位置信号（Ｐ）を算出するために、共通の前記基準測定センサ（１４）が複数の前記位置測定センサ（７）に割り当てられる位置測定装置。

【請求項5】

請求項１〜４の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記少なくとも１つの基準測定センサ（１４）は、関連する前記少なくとも１つの位置測定センサ（７）から、最大で１０ｍｍ、特に最大で８ｍｍ、及び特に最大で６ｍｍの距離（ｄ）をおいて配置される位置測定装置。

【請求項6】

請求項１〜５の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記第１基準電極（１６）及び前記第２基準電極（１７）は互いに対して変位可能でない位置測定装置。

【請求項7】

請求項１〜６の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記基準電極（１６，１７）は基準距離D_Rを定め、特に前記測定対象物（３）の平均位置D_Mの前記基準距離D_Rに対する比率に、0.7≦D_M/D_R≦1.3、特に0.8≦D_M/D_R≦1.2及び特に0.9≦D_M/D_R≦1.1が当てはまる位置測定装置。

【請求項8】

請求項６又は７に記載の位置測定装置において、前記熱膨張率αに、絶対値としてα≦8・10^-8/K、特にα≦6・10^-8/Kが当てはまる位置測定装置。

【請求項9】

請求項６〜８の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記支持体（２１）は中空の断面として構成され、前記基準電極（１６，１７）は前記支持体（２１）の対向する内面（２２，２３）に配置される位置測定装置。

【請求項10】

請求項６〜９の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記支持体（２１）は前記基準電極（１６，１７）の間に配置される位置測定装置。

【請求項11】

請求項６〜１０の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記支持体（２１）は前記測定対象物（３）によって形成される位置測定装置。

【請求項12】

請求項１〜５の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記少なくとも１つの基準測定センサ（１４）は、前記基準測定信号（R_M）が前記測定対象物（３）の位置に応じて変化するように配置される位置測定装置。

【請求項13】

請求項１〜１２の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記静電容量測定センサ（７，１４）のうちの少なくとも１つは、測定センサ筐体（９，１５）に組み込まれた、信号増幅のためのトランジスタ（２８）を備える位置測定装置。

【請求項14】

請求項１〜１３の何れか一項に記載の位置測定装置において、前記少なくとも１つの位置測定センサ（７）及び前記少なくとも１つの基準測定センサ（１４）は同じ構造である位置測定装置。

【請求項15】

位置決め装置であって、
位置決めされる測定対象物（３）と、
前記測定対象物（３）を位置決めするアクチュエータ（４）と、
請求項１〜１４の何れか一項に記載の位置測定装置（５）とを備える位置決め装置。

【請求項16】

請求項１５に記載の位置決め装置において、前記演算部（８）は、前記アクチュエータ（４）が前記算出された位置信号（Ｐ）に基づいて駆動されるように構成され、前記アクチュエータ（４）の位置決め精度は少なくとも１．０ｎｍ、特に少なくとも０．５ｎｍ、及び特に少なくとも０．１ｎｍである位置決め装置。

【請求項17】

請求項１５又は１６に記載の位置決め装置（２）を備える投影露光装置。

【請求項18】

測定対象物の位置を検出する方法であって、
請求項１〜１４のいずれかに記載の位置測定装置（５）を用意するステップと、
位置決めされる前記測定対象物（３）に関する前記位置測定信号（P_M）を少なくとも１つの前記静電容量位置測定センサ（７）によって供給するステップと、
前記基準測定信号（R_M）を少なくとも１つの前記静電容量基準測定センサ（１４）によって供給するステップと、
前記測定対象物（３）の位置を検出するために、前記測定信号（P_M, R_M）を前記演算部（８）に送信するステップと、
前記位置測定信号（P_M）及び前記基準測定信号（R_M）から前記位置信号（Ｐ）を算出して前記位置を検出するステップとを含む方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願はドイツ特許出願第１０２０１４２２４２２１．５号に基づいて優先権を主張するものであり、その内容を本明細書に参照として援用する。

【技術分野】

【0002】

本発明は位置測定装置、及び測定対象物の位置を検出する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

測定対象物の位置を検出する静電容量測定センサが知られている。静電容量測定センサによる位置測定では測定精度の向上が常に求められてきた。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、位置検出を高精度で容易に行うことのできる、測定対象物の位置を検出する位置測定装置を開発することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この目的は請求項１の特徴を有する位置測定装置によって達成される。本発明によれば、静電容量測定センサの小型化、すなわちサイズの縮小は、その静電容量の減少をももたらし、その結果、位置測定信号に含まれる干渉の影響がより強くなることがわかった。位置測定装置が少なくとも１つの静電容量位置測定センサに加えて少なくとも１つの静電容量基準測定センサを備えることにより、演算部によって位置測定信号及び基準測定信号を評価することにより、干渉の影響を検出して取り除くことができる。よって、演算部は位置測定信号及び関連する基準測定信号から干渉の影響を大幅に取り除いた位置信号を算出し、この位置信号は干渉の影響を受けた位置測定信号よりも著しく高い精度を有する。具体的には、位置測定信号は算出される位置信号及び干渉信号によって構成されるのに対し、基準測定信号は所定の基準信号及び干渉信号で構成される。例えば、干渉信号は基準測定信号から基準信号を減算することによって求めることができ、位置測定信号からこの干渉信号を減算することによって位置信号を求めることができる。この算出により、位置測定信号は干渉信号を取り除かれ、このため、測定対象物の位置を位置信号から極めて正確に検出することができる。

【0006】

支持体は熱膨張率の極めて低い材料から構成されているため、基準距離及び基準信号は温度変化によってほとんど変化しない。このため、基準測定センサは高いドリフト安定性を有し、非常に一定した基準信号が生成可能である。具体的には、この材料はガラスセラミック材料である。例えば、熱膨張率の低いガラスセラミック材料は、登録商標ZERODUR又はULEで知られている。このため、位置測定装置は位置検出時の高精度を保証する。

【0007】

請求項２に記載の位置測定装置は位置検出時の高精度を保証する。信号線がそのほぼ全長に亘って信号ケーブルを形成することにより、一方では信号線を干渉の影響に対してまとめてシールドすることが可能であり、他方では干渉の影響から生じる干渉信号が位置測定信号から大幅に取り除かれるように、干渉信号を位置測定信号と基準測定信号とに同等に含めることができる。この結果、例えば、よじれによって生じる信号ケーブルの静電容量の変化をなくすことが可能となる。

【0008】

請求項３に記載の位置測定装置は、位置測定装置が複数の位置測定センサを備える場合に、位置検出時の高精度を保証する。各位置測定センサに専用の基準測定センサが割り当てられているため、基準測定センサは位置測定センサに対して、位置測定センサと基準測定センサとで同程度の干渉の影響が検出されるように、最適に配置することができる。位置測定センサ及び関連する基準測定センサはそれぞれ、共通の測定センサ筐体、又は２つの別個の測定センサ筐体を有することができる。

【0009】

請求項４に記載の位置測定装置は、比較的少ない構築費用と共に、高精度の位置検出を保証することができる。１台の基準測定センサに複数の位置測定センサが割り当てられるため、関連する基準測定センサを用いて全ての位置測定信号を補正することができる。従って、基準測定センサに割り当てられる全ての位置測定センサの位置信号は、位置測定信号及び基準測定信号から算出される。このため、基準測定センサの数は最適化される。

【0010】

請求項５に記載の位置測定装置は、位置検出時の高精度を保証する。少なくとも１つの基準測定センサは、関連する少なくとも１つの位置測定センサから短い距離をおいて配置されているので、同程度の干渉の影響が少なくとも１つの基準測定センサ及び関連する少なくとも１つの位置測定センサによって検出され、干渉の影響によって生じる干渉信号は、続いて行われる関連する位置信号の算出中に大幅に削減することができる。

【0011】

請求項６に記載の位置測定装置は、基準測定信号が簡単な方法で確実に提供されるようにする。少なくとも１つの基準測定センサは第１基準電極及び関連する第２基準電極を備え、第２基準電極は基準測定面として構成することができる。基準電極は相互に所定の基準距離をおいて支持体上に配置される。基準距離はほぼ変更不可能である。ここで「ほぼ」とは、基準距離の変化が干渉又は環境の影響、例えば周囲条件が変化した結果としてのみ発生することを意味する。従って、基準距離はほぼ一定した基準信号を定める。例えば、基準測定面は支持体の金属被覆として構成される。例えば、基準測定面はクロム層である。

【0012】

請求項７に記載の位置測定装置は位置検出時の高精度を保証する。測定対象物の平均位置D_Mの基準距離D_Rに対する比率は、基準距離D_Rが測定対象物の平均位置D_Mにほぼ相当することを保証する。この結果、干渉の影響は位置測定信号及び関連する基準測定信号にほぼ同等に含まれ、よって干渉の影響によって生じる干渉信号を大幅に取り除くことができる。

【0013】

請求項８に記載の位置測定装置は、位置検出時の高精度を保証する。

【0014】

請求項９に記載の位置測定装置は、位置検出時の高精度を保証する。支持体の対向する内面に配置される基準電極により、空気等の周囲媒質は位置測定センサに応じて絶縁体として作用する。このため、干渉の影響を、例えば、湿度、空気圧又は温度などの周囲条件の結果として基準測定信号中に検出し、続いて位置測定信号から取り除くことが可能である。

【0015】

請求項１０に記載の位置測定装置は、位置検出時の高精度を保証する。支持体は、基準電極の間に配置されることにより、絶縁体を形成する。ここで、支持体は、例えばガラスセラミック材料などの、熱膨張率の低い材料で形成される。支持体は絶縁体を形成するため、周囲条件はほとんど基準測定信号中に含まれず、そのため一定の基準信号が供給される。この結果、具体的には、信号ケーブル及び／又は測定電子機器による干渉の影響を補償することができる。

【0016】

請求項１１に記載の位置測定装置は、シンプルで場所をとらない構造を保証する。

【0017】

請求項１２に記載の位置測定装置は、位置検出時の高精度を保証する。基準測定センサは第２位置測定センサとして機能するように配置される。ここで、基準測定センサは、具体的に、位置測定センサの反対側に配置され、よって、位置測定信号及び基準測定信号は、理想的に、すなわち干渉の影響を受けることなく、加算時に一定した測定信号となる。例えば、位置測定センサ及び基準測定センサが測定対象物の中心位置から等しい距離に配置されると、干渉の影響がなければ、位置測定信号に加算されれた基準測定信号の平均をとることによって関連する位置信号を得ることができる。これに基づき、干渉の影響の結果としての干渉信号を、位置測定信号中及び基準測定信号中、あるいはこれらの合計中に識別して取り除くことができる。

【0018】

請求項１３に記載の位置測定装置は信号対雑音比を向上させ、その結果、位置検出時の高精度を保証する。元の測定信号は、トランジスタが測定センサ筐体に組み込まれていることにより、演算部又は測定電子機器に送信される前にすでに増幅されている。干渉の影響による干渉入力又は干渉信号が変化しない場合に、増幅された測定信号が演算部又は測定電子機器に送信されると、信号対雑音比が増加し、その結果、位置検出時に高精度が得られる。例えば、少なくとも１つの静電容量位置測定センサ及び／又は少なくとも１つの静電容量基準測定センサは、集積トランジスタで構成される。具体的には、集積トランジスタは電界効果トランジスタとして構成される。

【0019】

請求項１４に記載の位置測定装置は、簡単な方法での位置信号の算出を保証する。少なくとも１つの位置測定センサ及びそのそれぞれに関連する基準測定センサが同じ構造を有することにより、測定センサは原則として対応する測定特性を有し、このため、測定センサの構造が異なる場合であっても不正確な測定は発生しない。この結果、異なる測定特性を補償する複雑な追加手段を必要とせず、位置検出時の高精度が保証される。

【0020】

本発明は更に、測定対象物を位置決めする際の高精度を助長する位置決め装置を開発する目的に基づく。具体的には、位置決め精度の範囲はナノメートル又はサブナノメートルである。

【0021】

この目的は請求項１５の特徴を有する位置決め装置によって達成される。本発明による位置測定装置は、測定対象物が所望の精度で位置決め可能なように、測定対象物の位置の正確な検出を容易にする。このため、具体的には、位置決め装置は位置決め制御ループを形成して、測定対象物の所望の意図する位置が算出された位置信号に基づいて正確に調整できるようにする。位置決め装置の更なる利点はすでに記載した位置測定装置の利点に相当する。

【0022】

請求項１６に記載の位置決め装置は、測定対象物の位置決め時の高精度を保証する。

【0023】

請求項１７に記載の投影露光装置は、本発明による位置決め装置及び本発明による位置測定装置の有利な用途を構成する。

【0024】

本発明はまた、簡単な方法で位置を検出する際の高精度を助長する、測定対象物の位置検出を行う方法を開発する目的に更に基づくものである。

【0025】

この目的は請求項１８の特徴を持つ方法によって達成される。本発明による方法の利点は、すでに記載した本発明による位置測定装置及び位置決め装置の利点に相当する。本発明による方法は、具体的には、請求項１〜１７の特徴を使用して開発することもできる。

【0026】

本発明の更なる特徴、利点及び詳細は、以下の複数の例示的実施形態から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】詳述しない投影露光装置の一部である、位置決めされる測定対象物、及びこの測定対象物の位置を検出する位置測定装置を備える位置決め装置を示す概略図である。

【図2】少なくとも１つの静電容量位置測定センサ及び少なくとも１つの静電容量基準測定センサを備える、図１による位置測定装置の基本構造を示す概略図である。

【図3】基準測定センサが支持体上に配置され、周囲媒質が絶縁体を形成する、第１の例示的実施形態に係る位置測定装置の概略図である。

【図4】少なくとも１つの基準測定センサが支持体上に配置され、支持体が絶縁体を形成する、第２の例示的実施形態に係る位置測定装置の概略図である。

【図5】少なくとも１つの基準測定センサが測定対象物上に配置され、測定対象物が絶縁体を形成する、第３の例示的実施形態に係る位置測定装置の概略図である。

【図6】少なくとも１つの基準測定センサが追加の位置測定センサ又は差異測定センサとして使用される、第４の例示的実施形態に係る位置測定装置の概略図である。

【図7】従来の静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図8】第１の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図9】第２の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図10】第３の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図11】第４の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図12】第５の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図13】第６の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【図14】第７の例示的実施形態に係る静電容量測定センサの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

投影露光装置１（詳細は図示せず）は位置決め装置２を備え、これは、位置決めされる測定対象物３、少なくとも１つのアクチュエータ４及び少なくとも１つの位置測定装置５を有する。図１には２つのアクチュエータ４が例示的な方法で示されている。アクチュエータ４は基板６上に配置され、測定対象物３を基板６に対して変位させる。例えば図１に示される様に、測定対象物３は、直線変位及び／又は傾斜及び／又は変形によって、投影露光装置の動作のために、ナノメートル範囲、具体的にはサブナノメートル範囲で正確に位置決めされる必要のあるプレートである。

【0029】

測定対象物３の位置ｘを検出するために、位置測定装置５は少なくとも１つの静電容量位置測定センサ７を備え、これは測定対象物３に関する位置測定信号P_Mを演算部８ａに供給する。図１に示す位置決め装置２では、測定対象物３のそれぞれの位置ｘを検出する静電容量位置測定センサ７は各アクチュエータ４に割り当てられる。演算部８は以下に詳述する測定電子機器８ａ及び信号処理部８ｂを備える。

【0030】

静電容量位置測定センサ７はどちらも同じ構成であるため、片方のみについて以下に説明する。位置測定センサ７は測定センサ筐体９を備え、その中の少なくとも一部に第１電極１０が配置されている。第１電極１０は信号線１１によって演算部８に接続される。位置測定センサ７に属する第２電極１２は測定対象物３の測定面として構成される。このため、測定対象物３には、第２電極１２又は測定面として作用する、第１電極１０に対向する被覆が設けられる。第２電極１２は信号線１３によって演算部８に接続される。

【0031】

静電容量位置測定センサ７の測定原理は一般的に知られている。静電容量位置測定センサ７はおおよそ平板コンデンサのように作用し、その静電容量Ｃは電極１０，１２の距離又は位置ｘに依存する。従って、静電容量位置測定センサ７は演算部８に、測定対象物３の位置ｘを特徴付ける位置測定信号P_Mを供給する。ここで位置測定信号P_Mは有効信号又は実際位置信号Ｐより構成され、干渉信号Ｓは干渉の影響によって位置信号Ｐに重畳される。これは図１に例示的に示される。

【0032】

位置測定装置５は演算部８に基準測定信号R_Mを供給する少なくとも１つの静電容量基準測定センサ１４を更に備える。基準測定センサ１４によって演算部８に供給される基準測定信号R_Mは、有効信号又は基準信号Ｒ、及び干渉の影響によって重畳された干渉信号Ｓによって構成される。これは図１に概略的に示される。

【0033】

位置決め装置２への要求事項に応じて、専用の基準測定センサ１４を各位置測定センサ７に割り当ててもよいし、共通の基準測定センサ１４を複数の位置測定センサ７に割り当ててもよい。演算部８は基準測定信号R_M及びそれぞれの位置測定信号P_Mから各位置測定センサ７の位置信号Ｐを算出するために使用される。

【0034】

複数の基準測定センサ１４は同じ構造を有し、特に関連する位置測定センサ７とも同じ構造を有するので、基準測定センサ１４のうちの１つのみを以下に説明する。静電容量基準測定センサ１４は、少なくとも部分的に第１電極又は基準電極１６が配置された測定センサ筐体１５を備えている。基準測定センサ１４に属する第２電極又は基準電極１７は測定面又は基準測定面として構成され、第１基準電極１６に対向して配置される。基準電極１６及び基準測定面１７の配置を以下に詳述する。第１基準電極１６は信号線１８によって演算部８に接続される。相応に、第２基準電極又は基準測定面１７は信号線１９によって演算部８に接続される。

【0035】

演算部８は、測定対象物３の位置ｘを検出するために、干渉信号Ｓが位置測定信号P_M及び関連する基準測定信号R_M並びに所定の基準信号Ｒから算出可能であり、これにより位置測定信号P_Mが補正されるか、あるいはそれに含まれる干渉信号Ｓが取り除かれるように構成される。この場合、位置測定信号P_Mの補正は、干渉信号Ｓが位置測定信号P_M及び関連する基準測定信号R_Mにほぼ同じ程度に含まれるという仮定に基づいて行われる。この仮定は、位置測定センサ７及び関連する基準測定センサ１４の構成、取り付け条件並びに周囲条件がより密接に相互に対応するほど、より一層当てはまる。

【0036】

このため、位置測定センサ７及び関連する基準測定センサ１４は、好適には、互いに最小の距離ｄをおいて配置され、取り付け及び／又は周囲条件が互いに大幅に一致するようにする。具体的には、距離ｄは最大で１０ｍｍ、特に最大で８ｍｍ、特に最大で６ｍｍである。更に、信号線１１，１３，１８及び１９の大部分は共通の信号ケーブル２０を形成する。具体的には、信号線１１，１３，１８及び１９は、その全長Ｌの少なくとも７０％以上、特に少なくとも８０％以上、特に少なくとも９０％以上が共通の信号ケーブル２０を形成する。この概要は図２に示される。

【0037】

基準電極１６，１７はその間に基準距離D_Rを定める。特に0.7≦D_M/ D_R≦1.3、特に、 0.8≦D_M / D_R≦1.3、特1.2≦D_M / D_R≦1.3及び特に0.9≦D_M / D_R≦1.1が、測定対象物３の平均位置D_Mの基準距離D_Rに対する比率に当てはまる。これによって基準電極１６，１７間の絶縁体の厚さが位置測定センサ７の電極１０，１２間の絶縁体の厚さにほぼ相当することが保証される。例えば、基準距離D_Rは固定され、すなわち、基準電極１６及び１７は互いに対して変位することができない。

【0038】

図３は、基準測定センサ１４が支持体２１上に配置された、位置測定装置５の第１の例示的実施形態を示している。例えば、支持体２１は基板６上に配置される。支持体２１の断面は中空状であり、周囲媒質が基準電極１６，１７の間に絶縁体として配置されるように、第１基準電極１６及び第２基準電極１７、又は基準測定面は支持体２１の対向する内面２２及び２３に配置される。支持体２１は、好適には、２０℃における熱膨張率がαの材料より構成され、α≦10・10^-8 / K、特にα≦8・10^-8 / K、特にα≦6・10^-8 / Kが絶対値として当てはまる。具体的に、この材料はガラスセラミックである。例えば、このようなガラスセラミック材料はZERODUR又はULEの登録商標で知られている。

【0039】

例えば、第２電極１２及び対応する第２基準電極１７は、被覆によって生成される測定面として構成される。基準電極１６，１７は互いに対して変位可能でないため、基準距離D_R及び関連する基準信号Ｒは一定している。材料、及び機械的な短絡リンクとして支持体２１を構成することにより、基準測定センサ１４はドリフトに対して安定し、温度変化にほとんど反応しない。周囲媒質は基準測定センサ１４及び位置測定センサ７において絶縁体として作用するので、湿度及び／又は気圧などの周囲条件は位置測定信号P_M及び基準測定信号R_M中に干渉信号Ｓとして検出することができ、次に演算部８で補償することができる。基準測定センサ１４は一定した基準信号Ｒを生成するので、受動型センサとして作用する。

【0040】

図４は本発明による位置測定装置５の第２の例示的実施形態を示す。先述の例示的実施形態とは対照的に、支持体２１はプレートとして構成され、基準電極１６，１７はその外面２４，２５に配置される。この場合、支持体２１は基準測定センサ１４用の絶縁体を形成する。支持体２１は、先述の例示的実施形態に対応して、熱膨張率αの小さな材料から構成されることが好ましい。基準電極１６，１７が互いに対して変位可能でないこと、及び支持体２１が絶縁体を形成することにより、周囲条件は基準測定信号R_M,に実質的に含まれず、従って具体的には、信号線１１，１３，１８，１９及び測定電子機器８ａによる干渉の影響が検出されて補償される。その他の構成及び機能に関しては先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0041】

図５は本発明による位置測定装置５の第３の例示的実施形態を示し、この形態において測定対象物３は支持体２１を形成する。よって、測定対象物３は基準測定センサ１４の基準電極１６と１７との間に配置され、これらの基準電極用の絶縁体を形成する。基準電極１６，１７は測定対象物３の外面２４，２５に配置される。具体的には、第２基準電極１７は被覆によって生成された基準測定面として構成される。基準電極１７又は基準測定面は同時に位置測定センサ７の第２電極１２又は基準面として機能する。測定対象物３は、好適には、先述の例示的実施形態による熱膨張率αの小さな材料で構成される。位置測定装置５の構造はシンプルであり、場所をとらない。その他の構成及び機能に関しては先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0042】

図６は本発明による位置測定装置５の第４の例示的実施形態を示す。基準測定センサ１４が一定の基準距離D_Rを有する受動型センサとして作動する先述の例示的実施形態とは対照的に、基準測定センサ１４は能動型センサ又は差動型センサとして作動する。よって、基準測定センサ１４は、基準測定信号R_M又は基準信号Ｒが測定対象物３の位置ｘに応じて変化するように配置される。このため、基準測定センサ１４は、測定対象物３の、位置測定センサ７とは反対側に配置される。第２基準電極１７は測定対象物３の外面２４に配置されるのに対し、第２電極１２は外面２５に配置される。第２電極１２，１７は被覆によって生成される測定面として構成される。第２電極１２に対して、第１電極１０は平均基準距離D_Rに相当する平均距離又は平均位置D_Mを有する。この配置により、距離D_MとD_Rの合計は一定となり、距離D_M又はD_Rのほぼ２倍に相当する。この配置のため、位置信号Ｐと基準信号Ｒの合計は一定でなくてはならないので、それから干渉信号Ｓを特定して取り除くことができる。これにより、具体的には、周囲条件による干渉の影響と、信号線１１，１３，１８，１９及び測定電子機器８ａによる干渉の影響とを検出して補償することができる。その他の構成及び機能に関しては先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0043】

本発明、具体的には各例示的実施形態による位置測定装置５の特徴は、少なくとも１つの基準測定センサ１４によって干渉の影響を補償するために、所望通りに相互に組み合わせることができる。具体的には、本発明による位置測定装置５は、例えば、曲げ又は取り回しによる信号ケーブルの干渉の影響、例えば温度、湿度、及び／又は圧力などの周囲の影響、測定電子機器８ａ内のドリフト及びノイズによる干渉の影響、コモンモード干渉、位置測定センサ７の耐用年数に亘る変化によるドリフト、及び／又は測定電子機器８ａの加熱による干渉の影響の補償を可能にする。この結果、本発明による位置測定装置５は干渉の影響に対してよりロバストになり、位置を検出する際の精度が高まる。具体的には、位置測定装置５は起動後すぐに使用することができる。好適には、少なくとも１つの基準測定センサ１４は、構成及び取り付けについて、関連する位置測定センサ７に対応する。具体的には、測定センサ７，１４の測定電子機器８ａ、配線、プラグ、取り付け、実装及び構成は適切に選択されるべきである。干渉の影響の補償又は位置信号Ｐの算出はリアルタイム又は離散時間間隔で行うことができる。

【0044】

算出された位置信号Ｐは信号処理部８ｂによって所望の位置と比較される。信号処理部８ｂ内に実現される位置コントローラはシステム偏差から動作信号Ｕを生成し、これによって関連するアクチュエータ４は駆動されて、測定対象物３の位置ｘを所望の位置に調整する。ナノメートル範囲又はサブナノメートル範囲において所望の位置決め精度を達成するために、アクチュエータ４はそれに見合った位置決め精度を実現させなければならない。具体的には、アクチュエータ４の位置決め精度は少なくとも１．０ｎｍ、特に少なくとも０．５ｎｍ、及び特に少なくとも０．１ｎｍである。これは位置測定装置５の測定精度にも当てはまる。静電容量位置測定センサ７は、測定対象物３の位置を直接的に測定、又は関連するアクチュエータ４の運動中の位置を間接的に測定することができ、これらは同等に測定対象物３の位置の検出を可能にする。

【0045】

少なくとも１つの静電容量位置測定センサ７及び／又は少なくとも１つの静電容量基準測定センサ１４の種々の例示的実施形態を以下に説明する。以下の説明は位置測定センサ７及び基準測定センサ１４に等しく適用されるので、種々の例示的実施形態は、一般に静電容量測定センサ７，１４に基づいて説明する。更に、測定信号P_M，R_Mをそれぞれ信号処理部８ｂに供給する測定電子機器８ａは測定センサ７，１４の一部と考える。

【0046】

図７は静電容量測定センサ７，１４の従来の基本的な構成を示す。取り付けスペースが限られているため、そして望ましくない熱の流入を回避するために、測定電子機器８ａは測定センサ筐体９、１５及びそれに含まれる第１電極１０，１６並びに第２電極１２、１７から離して配置される。このため、測定電子機器８ａは以下に測定ライン１１，１８と称する信号線によって測定電子機器８ａに接続され、第２電極１２は以下に供給ライン１３、１９と称する信号線によって測定電子機器８ａに接続される。供給ライン１３，１９はＡＣ電圧源２６によって基準電位２７に接続される。ＡＣ電圧源２６は測定センサ７，１４の静電容量Ｃに応じて測定信号を生成し、測定信号は測定ライン１１，１８を介して測定電子機器８ａに送信される。測定信号はトランジスタ２８によって前増幅され、増幅回路２９によって更に増幅されて生成される。トランジスタ２８の動作点はオーム抵抗器R₁，R₂によって設定される。オーム抵抗器R₃はトランジスタ２８の入力側を基準電位２７に接続する。増幅回路２９の下流には信号測定器３０及び信号評価器３１が配置され、これらは例えば電極１０，１２又は１６，１７の静電容量Ｃ及び関連する位置又は距離ｘなどの、増幅された測定信号に関連する測定変数を検出する。検出された測定変数は信号処理部８ｂに供給され、この処理部はこれらの変数を例えば位置制御のために使用する。信号評価器３１はＡＣ電圧源２６又は励磁信号を制御するコントローラ３２と信号接続されている。測定電子機器８ａは要求事項に応じてアナログ構成及び／又はデジタル構成とすることができる。従って、信号処理部８ｂは要求事項に応じてアナログ構成及び／又はデジタル構成とすることができる。

【0047】

図８は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第１の例示的実施形態を示す。本発明によれば、測定信号を増幅又は前増幅するトランジスタ２８は測定センサ筐体９，１５内の第１電極１０，１６の近傍に配置される。従って、トランジスタ２８は測定センサ筐体９，１５に組み込まれている。トランジスタ２８は電界効果トランジスタとして構成され、ゲート端子３３、ソース端子３４、ドレイン端子３５及びバルク端子３６を備える。ゲート端子３３は接続ライン３７を介して第１電極１０，１６に接続される。接続ライン３７は測定センサ筐体９，１５内に配置され、長さは１００ｍｍ未満、特に１０ｍｍ未満、特に１ｍｍ未満である。ドレイン端子３５は測定ライン１１，１８によって、測定電子機器８ａ及びその中に構成された増幅回路２９に接続される。ソース端子３４は測定センサ筐体９，１５内でバルク端子３６と短絡して、別の測定ライン１１’，１８’によって測定電子機器８ａに接続される。測定電子機器８ａ内では、測定ライン１１’，１８’はオーム抵抗器R₂を介して基準電位２７に接続される。先述の例示的実施形態によれば、オーム抵抗器R₁，R₂は測定センサ筐体９、１５内に配置されているトランジスタ２８の動作点を定める。先述の例示的実施形態によれば、第２電極１２，１７はＡＣ電圧源２６及び基準電位２７に供給ライン１３，１９を介して接続される。トランジスタ２８は測定センサ筐体９，１５内、すなわち第１電極１０，１６の近傍にある接続ライン３７に属する測定信号を既に前増幅しており、このため、測定ライン１１，１８を介して送信される測定信号P_M，R_Mは、図７による例示的実施形態と比べて数倍増幅される。具体的には、測定信号P_M，R_Mは少なくとも１０倍、特に少なくとも２０倍、特に少なくとも５０倍増幅される。この結果、例えば測定ライン１１，１８によって干渉信号Ｓとして測定信号P_M, R_M中に結合される干渉の影響は大幅に減少する。換言すれば、上記の倍率だけ信号対雑音比が向上する。向上した信号対雑音比によって測定精度が高まり、これをより正確な位置測定若しくは位置検出のために、及び／又は、信号ケーブル２０及び／又は測定電子機器８ａに対する技術的要求事項の削減のために利用することができる。信号線１１，１１’及び１３並びに１８，１８’及び１９は、好適には、信号ケーブル２０内に組み合わせられる。

【0048】

前増幅された測定信号P_M，R_Mは増幅回路２９で再度増幅され、信号評価器３１でＡＣ電圧源２６からの励磁信号と比較され、その結果、所望の測定変数が確立される。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の他の構成及び機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0049】

図９は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第２の例示的実施形態である。先述の例示的実施形態とは対照的に、接続ライン３７はオーム抵抗器R₃を介して基準電位２７に接続される。オーム抵抗器R₃は測定センサ筐体９，１５内に配置される。原則的に、基準電位２７は許容範囲内で任意に固定される既知の電位である。例えば、基準電位２７は接地電位である。接続ライン３７の電位はオーム抵抗器R₃によって定められる。このため大きな抵抗、特に少なくとも10 kW、特に少なくとも100 kW、特に少なくとも1000kWの抵抗器R₃が選択される。基準電位２７は、向上した信号対雑音比を無効にする干渉が基準電位２７を介して結合されないよう、測定センサ筐体９，１５のすぐ近傍では十分に低い干渉を伴って利用可能である必要がある。例えば、導電性の良い金属コンポーネントにオーム抵抗器R₃を接続することにより、基準電位２７として接地電位を選択することができる。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0050】

図１０は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第３の例示的実施形態を示す。先述の例示的実施形態とは対照的に、ソース端子３４は基準電位２７に接続される。このため、測定ライン１１’，１８’及びオーム抵抗器R₂は省いてもよい。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0051】

図１１は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第４の例示的実施形態を示す。先述の例示的実施形態とは対照的に、ソース端子３４及びオーム抵抗器R₃は基準電位２７に接続されるノードを形成する。基準電位２７に接続させることによって測定ライン１１’，１８’及びオーム抵抗器R₂を省くことができる。更に、接続ライン３７は所定の電位を有する。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0052】

図１２は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第５の例示的実施形態を示す。先述の例示的実施形態とは対照的に、接続ライン３７は測定電子機器８ａにオーム抵抗器R₃及び更に信号線１１''，１８”を介して接続される。測定電子機器８ａにおいて、信号線１１''，１８”はＤＣ電圧源３８によって基準電位２７に接続される。信号線１１''，１８”の電位はＤＣ電圧源３８によって自由に選択することができ、このため、トランジスタ２８を測定に有利な動作状態に静的に保持することができる。具体的には、トランジスタ２８の閾値電圧はこのように静的に克服するのが有利である。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0053】

図１３は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第６の例示的実施形態を示す。先述の例示的実施形態とは対照的に、ソース端子３４及びオーム抵抗器R₃はノードを形成し、これは信号線１１''，１８”及びＤＣ電圧源３８を介して基準電位２７に接続される。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0054】

図１４は本発明による静電容量測定センサ７，１４の第７の例示的実施形態を示す。第１電極１０，１６及びトランジスタ２８が個別のコンポーネントを形成している先述の例示的実施形態とは対照的に、第１電極１０，１６及び電界効果トランジスタ２８は集積回路として構成される。このように、第１電極１０，１６及び電界効果トランジスタ２８はマイクロエレクトロニクス構成の手法を使って集積回路内に実装される。集積するに当たり、電界効果トランジスタ２８自体は、すなわちゲート端子３３又はゲート電極とバルク端子３６又はバルク電極との間にコンデンサをすでに形成しているという事実を利用する。具体的には、このコンデンサは図１４でゲート端子３３の下に示されるチャネル３９によって形成される。従って、本例示的実施形態において電界効果トランジスタ２８を単なる純粋な信号増幅器として考えるのではなく、測定センサ７，１４の一体化コンポーネントとして考えるべきである、というのも測定される電界は電界効果トランジスタ２８のチャネル３９に直接作用するからである。具体的に、有利には、第１電極１０，１６とゲート端子３３との間にある、潜在的に干渉に対して敏感な接続ライン３７が１μｍ未満という非常に短い長さを有する。従って、被測定電界は、この電界の増幅自体への影響によって測定され、このため干渉に対する感度は最小限に低減される。更に、第１電極１０，１６及び電界効果トランジスタ２８は１つのユニットにまとめられるので、必要とされる取り付けスペースが大幅に減少される。原則として、第１電極１０，１６と電界効果トランジスタ２８との集積は上述の各例示的実施形態に適用することができる。それによって個々の回路図は変化せず、レイアウト又は集積構造のみが個別の設計と異なる。測定センサ７，１４及び位置測定装置５の別の構成及び別の機能に関しては、先述の例示的実施形態を参照されたい。

【0055】

本発明による静電容量測定センサ７，１４は、取り付けスペース、熱の発生、及び達成される測定精度といった制限を加える影響変数どうしの間の比較的良好な妥協を促進する。本発明による静電容量測定センサ７，１４によれば、通常使用可能なスペースが悪影響されることなく、及び／又はトランジスタ２８による追加的な熱の発生が不利になることなく、測定精度を大幅に向上させることができる。得られた測定精度は、測定電子機器８ａ及び／又は信号ケーブル２０を簡素化するために、選択的に使用することができる。トランジスタ２８によって測定信号はその発生場所で増幅されるため、増幅された測定信号P_M,R_Mが距離をおいて配置された測定電子機器８ａに送信される。このため、信号対雑音比は大幅に向上する。

【0056】

原則として、記載する静電容量測定センサ７，１４は位置又は距離の測定に限定されず、例えば充填レベルや圧力などの機械的変数の測定にも使用することができる。

【0057】

記載する位置測定装置５又は位置決め装置２では、先ず、位置検出時の高精度が、位置測定信号P_Mから干渉の影響が取り除かれるように、基準測定センサ１４を少なくとも１つの位置測定センサ７に割り当てることによって達成される。次に、位置検出時の精度の向上が、位置測定信号 P_M又は基準測定信号R_Mが測定電子機器８ａに送信される前に増幅されるよう、すなわち、向上された信号対雑音比が得られるように、個々の測定センサ筐体９，１５内にトランジスタ２８を組み込むことによって得られる。これらの方法は別々に行ってもよいし、一緒に行ってもよい。例えば、位置測定センサ７及び関連する基準測定センサ１４はそれぞれ、図７に例示する様に、従来の構成とすることができる。この場合、精度の向上は干渉の影響を取り除くことによってのみ得られる。更に、例えばそれぞれの位置測定センサ７に基準測定センサ１４を割り当てることはできないが、図８〜図１４に例示するように、位置測定センサ７は測定センサ筐体９に組み込まれたトランジスタ２８を備えることができる。この場合、精度の向上は信号対雑音比の向上によってのみ得られる。しかしながら、理想的な精度は両方の方法を組み合わせることによって得られ、すなわち、関連する基準測定センサ１４をそれぞれの位置測定センサ７に割り当てて干渉の影響を除去すること、及び、それぞれの位置測定センサ７と関連する基準測定センサ１４との両方をそれぞれの測定センサ筐体９、１５に組み込まれたトランジスタ２８と共に構成して信号対雑音比を向上させることによって得られる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】