专利名称：位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触式工作的距离传感器，其使得两个相对置的物件的相对位移和/或相对位置可通过电磁场的电场强度测量来进行测量，所述电磁场由发射线圈发射并通过接收线圈检测。具体而言，本发明涉及一种具有两个线圈的位置传感器，第一线圈 (发射线圈)以特定频率供电，以致于所述第一线圈发射恒定的电磁�。龅绱懦≡蛲ü诙呷�(接收线圈)来接收或检测。
背景技术：
测量两个物体彼此的相对位移的传感器是公知的。现有的不同的测量原理各自皆具有一些优点，也具有缺点。最佳方案的选择必须取决于精度要求、分辨率、温度依赖性、测量速度、长期稳定性、允许的功耗等等以及主要环境条件。在此方面的极高的需求涉及精密光学中的位置和位移测量。这涉及到纳米和亚纳米级别的精度。其中两个应用领域具有特殊的意义半导体制造的微定位以及星体观测用的反射望远镜的分节镜彼此之间的相对调节。迄今业已使用了若干不同的原理。非常精确的测量可通过光学传感器来完成。电容传感器同样非常精确。其实例叙述于法国专利FR 2 844 048 Al。该两种原理的主要缺点在于测量取决于湿度和尘埃的影响。它们在原理上也不适用于反射望远镜。根据涡流损耗原理而工作的路径传感器对水和尘不敏感，但测量的温度依赖性只可通过极高代价才能作出所需精度的补偿。待审查的法国专利申请FR 2 907 211 Al通过由具有导电的被测物体的线圈阵列构成的结构解决该问题，所述结构安装在相对的分节镜上。然后计算电感的变化，所述变化由所述被测物体产生作为其相对于所述阵列的各个线圈的位置的函数。通过该结构可以在三个轴线中进行测量。该结构的缺点在于其构型较大，因此很取决于机械变形，所述变形可以例如通过温度的变化而产生。所述线圈和被测物体的与温度相关的电导率也具有不可忽视的影响。因此，基于初级和次级线圈(发射和接收线圈)的变压器原理仍然是唯一的可能性。美国专利US 4，816，759为此目的叙述了一种具有振荡器的结构，其提供两个串联的发射线圈和两个接收线圈，每一所述接收线圈与并联的电容器构成振荡器电路。两个发射线圈的其中一个安装在镜单元的表面上。相应的接收线圈则定位在相对的分节镜的表面上。第二发射-接收对以相反的发射-接收方向来定位，并沿着所述表面在同一高度上偏移。在发射端和接收端之间的位移通过相位测量来计算。测量信号的相位的过零在此通过镜节的平面-平行协定而获得。该原理基本适用于所述分节镜的平行性的对准，但没有提供与所述分节镜彼此相对的角度和距离依赖性相关的额外信息。WO 2007/006910叙述了一种变压器原理，其具有两个串联的初级线圈(发射线圈)以及两个相对的次级线圈(接收线圈)。所述线圈布置成平面线圈，所述发射和接收线圈相互靠近地设置并彼此平行。发射线圈以AC信号反相地供电。通过该原理可藉由两个接收电压的差分测量而获得精确的零点记录。同时，通过将两个接收电压相加可以测量两个镜单元之间的距离。所述分节镜彼此之间的平行性测量的距离依赖性可以通过编排所述差分电压和相加电压的比率而消除。但是，角度依赖性就无法消除。另一缺点为上述线圈要求大的表面，因为例如由热膨胀引起的机械变形起了不可忽视的作用。
发明内容
本发明的基本任务为尽可能避免现有技术在以往所遇到的障碍。本发明涉及一种具有两个线圈的位置传感器，第一线圈(发射线圈)以特定频率供电，以致所述第一线圈发射恒定的电磁�。龅绱懦≡蛲ü诙呷�(接收线圈)来接收或检测。这涉及一种具有两个线圈的位置传感器，第一线圈(发射线圈)以特定频率供电，以致所述第一线圈发射恒定的电磁场，而所述电磁场则通过第二线圈(接收线圈)来接收或检测。本发明的基本原理在于两个线圈形成变压器，即一个线圈作为初级线圈(发射线圈)，第二线圈作为次级线圈(接收线圈)。在所述两个线圈彼此的相对位置改变时，在所述线圈之间的耦合会变化。所述两个线圈设置成使它们彼此成直角，所述发射线圈的轴线与所述发射线圈的平面平行。根据图2所示，发射线圈1以恒定幅值的高频交流电压来供电。具有相同频率的电压通过电磁交变场而在接收线圈3中感生。该电压的电平取决于线圈的耦合，其在此情况下是取决于线圈彼此的相对位置。在特定的结构(图6)中，被测物体的位置通过若干线圈来确定。两个发射线圈Ia 和Ib以具有相同或不同频率以及幅度相同或幅度不同但幅值恒定的交流电压来供给。通过相同的供电，所述线圈可以并联或串联。在发射线圈Ib对面的接收线圈3中感生了电压。在接收线圈5和6内也感生了电压。该些线圈2和3相互平行地设置，并设置在发射线圈Ia对面。通过在ζ方向上的线圈3、在X和Y方向上的线圈2和3就可以进行测量 平行于线圈Ia的线圈2和3在χ方向的位移与来自E5和E6的信号的差(E5-E6)成正比。 在另一方面，线圈5和6相对于线圈Ia的在y方向上的距离变化与来自E5和E6的信号的和(E5+E6)成正比。发射线圈Ia和Ib可用公知的振荡器电路来驱动。为所述线圈补充并联的电容器和驱使它们谐振是有用的，因为灵敏度会特别高，而电流需求则会低。根据本发明的测量结构的特征在于具有极高的灵敏度(就测量而言)，从而获得极高的分辨率。亚纳米级别的分辨率可以用测量范围在500微米的典型结构来实现。其中要求的线圈尺寸相对较小。为了减少EMC辐射，线圈Ia和Ia可以进行反相操作。电磁场在远场中消除，以致于降低了远场中的干扰影响。为了降低对接收线圈3的干扰的敏感度，可将来自E3的信号与来自E5及E6的加和信号的比率E3/(E5+E6)用于测量。因此，可基本上消除相等地作用于线圈3和5和6的干扰影响(例如，EMC干扰或尤其是温度影响)。必要条件为所述线圈3和5和6要相互足够接近地设置，以达到相同的效果。以同样的方式，通过将5和6的差值与和值形成的比率((E5-E6) / (E5+E6))，可以为χ方向上的位移测量实现对干扰影响的补偿。通过特定的实例可对本发明作出最佳的说明适当的测量范围可用于三个方向上的位置检测，即传感器板B相对于传感器单元 A(y方向)的距离变化、或传感器板B相对于传感器单元A(x方向)的位移、或者在ζ方向的位移。通过线圈相对于彼此的结构，可以为方向X，y和ζ产生三个独立的信号。将线圈相互靠近地设置是有用的，可获得紧凑的设计，还可达到补偿所需的相同影响。所述线圈， 例如可设计为在普通电路板上的平面线圈。因此，制造将特别简单和具有成本效益，但其并非特别地热稳定，而且没有长期稳定性。用于驱动和计算所述线圈的电子设备也可设置在电路板上，以致于结构也可以紧凑和有利。另一实例的特征在于用公知的方法将所述线圈制成为在陶瓷基板上的平面线圈。如果在陶瓷多层基板上生产线圈且其中线圈处于夹层结构的内部之内，就会极为有利。然后，所述线圈可通过在多层陶瓷层的生产过程中出现的密封封装而完全地与周围环境隔离。因此，就可得到特别长期稳定和热稳定的线圈设计。所以，所生产的线圈的特征在于优良的环境稳定性(密封封装)和长期稳定性。如果要开发高分辨率的测量结构，这正是优势。如果不将线圈设计成圆形线圈，而是设计成具有矩形表面的线圈，就特别地有利。 由此在所述线圈表面内产生的电磁场则几乎恒定。在计算y方向上的测量期间，由此产生的测量值则仅仅取决于在y方向上的磁场强度的下降(大约与距离成反比)而不取决于线圈形状，这对计算有正面效应。所述的测量结构可用于任何要测量非常精确的距离和位置的地方。上述第二个结构尤其适用于在所有三个空间坐标中的测量，其中特别高的分辨率和稳定性要求是至关重要的。这方面的例子有-半导体生产(晶圆级)中的微定位在该种情况下，在半导体生产过程中，晶片必须相对于曝光轴线非常精确地对齐。随着在现今半导体工艺中所用结构的宽度越来越�。灾柿慷裕匦胍芯范ㄎ弧Ｎ蠢吹耐ü鼸UV辐射工作的曝光系统要求皮米级的定位精度。通过本测量结构，这是可能的。-反射望远镜中的分节镜的定位现代的反射望远镜不再包括一个大的镜，而是包括设置成蜂窝状的无数个单体镜。各个镜必须相互精确地对准，以便在星体观测时使光线精确地聚焦在焦点上。由于通过这些望远镜观测的距离很远，各个镜的定位精度为几个纳米。所述镜就必须在全部三个空间方向上都精确地对准，以实现在焦点上的聚焦。
有许多不同的可能性来有利地配置和修改本发明的启示。为此，可在一方面参考权利要求1的从属权利要求，在另一方面可参考以下的参照附图的本发明的较佳实例的说明。连同参照附图的本发明的较佳实例的说明，本文还大体说明了较佳实施例和所述启示的改型。在附图中图1所示为现有技术的公知结构的示意图；图2所示为本发明的实施例的示意图3所示为本发明的实施例的示意图；图4所示为本发明的作为图1和2的结构的组合的实施例的示意图；图5所示为本发明的实施例的示意图；图6所示为本发明的扩大到三个测量轴线的实施例的示意图；图7所示为本发明的实施例的示意图；图8所示为本发明的实施例的示意图。
具体实施例方式根据图1所示，优选的矩形线圈⑴以恒定幅值的特定频率供电⑶，以致于所述线圈发出恒定的电磁场。所述电磁场通过第二线圈(2)接收，所述第二线圈的轴线设置成与所述发射线圈的轴线相同。接收电压(E2)直接取决于发射线圈和接收线圈之间的距离， 即在y方向上的距离。该电压非线性地取决于距离，并随着距离的增大而不断地减小。为了能反相测量所述线圈之间的距离，该特性必须通过计算或电路来线性化。图2所示为本发明的结构的实施例。完美的矩形线圈⑴以恒定幅值的特定频率供电(S)，以致于所述线圈发出恒定的电磁场。所述电磁场通过第二线圈(3)接收，所述第二线圈的轴线相对于所述发射线圈的轴线成90°、在垂直方向(ζ)上。如果线圈(3)相对于线圈(1)处于中心，在线圈两端不会产生感应电压(E3)，因为产生的磁力线与线圈(3)并没相交。通过不对称地作用的电磁�。谙呷Φ牧蕉瞬说缪梗湓谥行奈恢玫牧蕉嗽谔囟ǚ段纤嫫叫卸ㄎ坏奈灰�(ζ方向)线性地变化，并且在该种情况下，相对于发射信号在通过中心位置的通道上将相位旋转180°。因此，可以实现一种简单的传感器，通过所述传感器就可测量两个线圈相对于彼此的平行位移，可得到的测量路径则稍微小于发射线圈的线圈直径。如上所述，感生的接收电压在中心区域是线性的， 并且向着所述区域的末端而变得越来越非线性。该特性曲线在测量路径上的斜度则取决于线圈的基本距离。根据图3所示，优选的矩形线圈⑴以恒定幅值的特定频率供电⑶，以致于所述线圈发出恒定的电磁场。所述电磁场通过第二线圈(4)接收，所述第二线圈的轴线相对于所述发射线圈的轴线成90°、在水平方向(χ)上。如果线圈(4)相对于线圈(1)处于中心，与图2类似，在线圈两端不会产生感应电压(E4)。通过不对称地作用的电磁�。谙呷Φ牧蕉瞬说缪梗湓谥行奈恢玫牧蕉嗽谔囟ǚ段纤嫫叫卸ㄎ坏奈灰�(χ方向)线性地变化，并且在该种情况下，相对于发射信号在通过中心位置时将相位旋转180°。因此，可以实现一种简单的传感器，通过所述传感器就可测量两个线圈相对于彼此的平行位移，可得到的测量路径则稍微小于发射线圈的线圈直径。如上所述，感生的接收电压在中心区域是线性的，并且向着所述区域的末端而变得越来越非线性。该特性曲线在测量路径上的斜度则取决于线圈的基本距离。图4所示为图1和2的结构的组合。该两个线圈⑵及(3)相互嵌套。线圈(3) 的线圈平面位于线圈O)的轴线上。为了使接收电压(E3)的特征曲线的斜度不取决于到线圈(1)的距离，场强度必须通过第二线圈(2)来测量(接收电压E2)。通过编排该两个接收电压的比率(E3/E2)，可在特定位移范围上实现在ζ方向中的定位测量的距离无关性。应该紧记，由于从主要的场方向产生了相位旋转，在过零时的正负号被倒转。图5所示为结构的另一可能性，即使用两个发射线圈(Ia)及(Ib)，它们在同一平面(Iab)上彼此靠近地设置。两个接收线圈( 及C3)也以相同的距离上彼此靠近地设置， 并且机械地刚性连接。发射线圈同时以恒定的交流电压⑶供给。如图4所示，通过比率生成(E3/E》而实现在ζ方向上的位置测量的距离无关性在此同样适用。同样地，线圈(4)及⑵的组合也是可能的，也应被视为具有创造性。图6所示为本发明的扩大到三个测量轴线的另一实施例。为了要求最少数目的发射线圈，可将两个接收线圈(5)及(6)相互非�？拷厣柚谩Ｕ饪稍讦址较蚧颚品较蛏贤瓿�。如图6所示，如果两个线圈这样设置以致于它们的共同轴线在χ方向上延伸，则下文适用从两个所得的接收电压(E5)及(E6)的总和，可以获取到发射线圈(Ia)的距离的信号以及从而到平面(Iab)的距离的信号，其中所述两个线圈(Ia)及(Ib)处于所述平面(Iab)上。两个电压的差(E5-E6)给出在χ方向上的相对于发射线圈(1)的中心的位置。通过比率生成((Ε5-Ε6) / (Ε5+Ε6))，在χ方向上的位置测量因此再次独立于两个线圈相对于平面(Iab)的距离。同时，在ζ方向的与距离无关的位置测量可同样地通过比率(Ε3/ (Ε5+Ε6的))来确定。所有该些结构皆要求通过电缆来连接所述发射线圈和交流电源。图7所示为本发明的另一实施例，即可以无需电缆连接的另一可能性。额外的线圈(Ic)与发射线圈设置在同一平面上，所述额外线圈作用为输电用的接收线圈。与接收线圈(3)、(5)及(6)机械连接的发射线圈(7)处于线圈(Ic)的对面。通过提供恒定的交流电压(SS)，所述发射线圈发射恒定的电磁场。然后，在线圈(Ic)中感生的电压通过直接的电连接而传送到两个发射线圈(Ia)及(lb)。在根据图8所示的本发明的额外实施例的情况下，例如在两个传感器单元A(接收线圈)和B (发射线圈)的组装期间出现的角度相关测量误差(角度a)可以被补偿。为此， 可将额外的线圈8定位在两个接收线圈2和3之间的中心部份。接收电压E2及E3的总和再次给出在y方向上的测量距离，以便允许例如两个传感器单元A和B在组装期间的相对于彼此的精确定位，而且可以同时测量也取决于角度a的接收电压E8及差分电压(E2-E3) 并通过机械调节而设定成零。因此，就可进行极精确的校准。由任何存在的角度误差而产生的差分电压(E2-E;3)也在两个传感器单元A和B在 χ方向上位移的期间保持为恒定。因此，可通过计算来消除误差，而不是通过机械对齐来排除误差，在该种情况下，在差分电压(E2-E;3)中产生的、作为角度a的函数并且同时在接收电压E8中以相同的比率出现的角度误差k，可乘以匹配因数m并从信号E8中减去。在这种情况下，在χ方向上的位移可通过电压比率(E8_kXm)/(E2+E;3)来测量。为了优化所有这些结构的灵敏度，可有利地通过并联的电容器将所述线圈连接成振荡器电路，所述振荡器电路的谐振调节到所用的频率。这可降低在发射线圈的发射端所要求的馈电电流，并且在接收端提供大的接收电压，通过相对于发射线圈的紧密间距，所述接收电压只稍微低于或甚至大于发射电压(在接收线圈的电感大于发射线圈的电感时)。 因此，可获得极佳的信噪比。所述结构当然只作为范例。原则上，可以想象出该类型的其它构型。
权利要求
1.一种具有两个线圈的位置传感器，第一线圈(发射线圈)以特定频率供电，以致所述第一线圈发射恒定的电磁�。龅绱懦≡蛲ü诙呷�(接收线圈)来接收或检测，其特征在于所述第二线圈的轴线相对于所述第一线圈的轴线成一角度，优选是相对于所述第一线圈的轴线成90°角。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其特征在于所述第一线圈设计成矩形线圈。
3.根据权利要求1和2所述的位置传感器，其特征在于所述第二线圈设计成矩形线圈。
4.根据权利要求1至3所述的位置传感器，其特征在于与所述第二线圈机械连接的第三线圈，所述第三线圈的轴线与所述第一线圈的轴线在相同的方向对齐。
5.根据权利要求4所述的位置传感器，其特征在于所述第三线圈设计成矩形线圈。
6.根据权利要求4和5所述的位置传感器，其特征在于所述第三线圈接收或检测所述第一线圈的电磁场。
7.根据权利要求4至6所述的位置传感器，其特征在于所述第二和第三线圈相互嵌套，其中一个线圈的平面位于另一线圈的轴线上。
8.根据权利要求4和5所述的位置传感器，其特征在于发射恒定电磁场的第四线圈， 而所述恒定电磁场则通过所述第三线圈来接收或检测，所述第三线圈与所述第四线圈机械连接，所述第四线圈的轴线与所述第一和第三线圈的轴线位于相同的方向，相互靠近的所述第一和第四线圈彼此的距离与相互靠近的所述第二和第三线圈彼此的距离相同。
9.根据权利要求8所述的位置传感器，其特征在于所述发射线圈同时由恒定的交流电压供电。
10.根据权利要求9所述的位置传感器，其特征在于两个接收线圈相互非�？拷厣柚茫丛讦址较蛏媳舜丝拷蛘咴讦品较蛏媳舜丝拷宜堑墓餐嵯咴谙嗤姆较蛏涎由�。
11.根据权利要求9所述的位置传感器，其特征在于三个接收线圈相互非常靠近地设置，即在χ方向上彼此靠近或者在ζ方向上彼此靠近，而且它们的共同轴线在相同的方向上延伸。
12.根据权利要求1至11所述的位置传感器，其特征在于在与所述发射线圈或多个发射线圈相同的平面上设置的额外线圈，所述额外线圈用作用于输电的接收线圈。
13.根据权利要求12所述的位置传感器，其特征在于相对于所述额外线圈设置的发射线圈，所述发射线圈优选与所述接收线圈机械地固接，其中藉由馈送优选为恒定的交流电压而通过所述发射线圈来发射恒定的电磁场；以及其中在所述额外线圈中感生的电压通过直接的电连接而传送到两个发射线圈。
14.根据权利要求1至13所述的位置传感器，其特征在于所述发射线圈的磁场方向被设置为使它们相互消除在远距离上的误差。
15.根据权利要求1至14所述的位置传感器，其特征在于所述线圈被连接成振荡器电路。
16.根据权利要求1至15所述的位置传感器，其特征在于所述线圈在多层陶瓷层之上或之内形成。
全文摘要
一种位置传感器，包括两个线圈，第一线圈(发射线圈1)以特定频率供电，使所述第一线圈发射恒定的电磁�。龅绱懦≡蛲ü诙呷�(接收线圈3)来接收和/或检测，其特征在于所述第二线圈的轴线相对于所述第一线圈的轴线成一角度，优选地相对于所述第一线圈的轴线成90°角地设置。
文档编号G01D5/20GK102272557SQ201080004324
公开日2011年12月7日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年3月2日
发明者F·赫鲁布斯 申请人:微-埃普西龙测量技术有限两合公司
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