本專利申請(qǐng)要求德國(guó)專利申請(qǐng)de102014224221.5的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。

本發(fā)明涉及位置測(cè)量裝置和用于確定待測(cè)對(duì)象的位置的方法。

背景技術(shù)：

用于確定待測(cè)對(duì)象的位置的電容式測(cè)量傳感器是已知的。在借助于電容式測(cè)量傳感器進(jìn)行位置測(cè)量的情況下，總是需要存在增加測(cè)量精度的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于研發(fā)一種位置測(cè)量裝置的目的，該位置測(cè)量裝置用于確定待測(cè)對(duì)象的位置。其在確定位置時(shí)以簡(jiǎn)單的方式促進(jìn)高精度。

該目的借助于具有權(quán)利要求1的特征的位置測(cè)量裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，鑒于電容式測(cè)量傳感器的日益小型化(即減小尺寸)，也導(dǎo)致其電容的減小，因此，干擾影響更強(qiáng)烈地包含在位置測(cè)量信號(hào)中。因?yàn)槲恢脺y(cè)量裝置除了至少一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器以外，還包括至少一個(gè)電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器，可以通過(guò)計(jì)算單元對(duì)位置測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，以識(shí)別和消除干擾影響。因此，計(jì)算單元計(jì)算出的位置信號(hào)從很大程度上擺脫了來(lái)自位置測(cè)量信號(hào)和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的干擾影響，所述位置信號(hào)比受到干擾影響的位置測(cè)量信號(hào)具有顯著更大的精度。特別地，位置測(cè)量信號(hào)由待計(jì)算的位置信號(hào)和干擾信號(hào)構(gòu)成，而基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)由預(yù)定的基準(zhǔn)信號(hào)和干擾信號(hào)構(gòu)成。作為示例，干擾信號(hào)可以通過(guò)減去基準(zhǔn)信號(hào)從基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)確定，所述干擾信號(hào)進(jìn)而可以從位置測(cè)量信號(hào)中減去，用以確定位置信號(hào)。因?yàn)樵撚?jì)算，位置測(cè)量信號(hào)擺脫了干擾信號(hào)，所以待測(cè)對(duì)象的位置可以從位置信號(hào)非常準(zhǔn)確地確定。

因?yàn)檩d體由具有極低的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，因此溫度的變化基本不引起基準(zhǔn)距離(從而基準(zhǔn)信號(hào))的變化。結(jié)果，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器具有高漂移穩(wěn)定度，因此可以產(chǎn)生非常恒定的基準(zhǔn)信號(hào)。特別地，該材料是玻璃陶瓷材料。作為示例，具有低熱膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷材料是已知的商標(biāo)zerodur或ule。因此，位置測(cè)量裝置確保了在確定位置時(shí)的高精確度。

如權(quán)利要求2所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置過(guò)程中的高精度。因?yàn)樾盘?hào)線基本上在其整個(gè)長(zhǎng)度上形成信號(hào)電纜，一方面，可以一起屏蔽信號(hào)線免受干擾影響，另一方面，干擾影響被同等程度地包含于位置測(cè)量信號(hào)中和基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中，使得起因于干擾影響的干擾信號(hào)可以從位置測(cè)量信號(hào)中被很大程度地消除。因此，特別地，可以消除單根信號(hào)電纜的電容變化，該變化由例如由扭結(jié)(kinking)引起。

如權(quán)利要求3所述的位置測(cè)量裝置，如果位置測(cè)量裝置包括多個(gè)位置測(cè)量傳感器，則其確保了在確定位置時(shí)的高精度。因?yàn)閷Ｓ玫幕鶞?zhǔn)測(cè)量傳感器被分配至每個(gè)位置測(cè)量傳感器，前者可能相對(duì)于位置測(cè)量傳感器以理想的方式布置，所以干擾影響通過(guò)位置測(cè)量傳感器和基準(zhǔn)測(cè)量傳感器被同等程度地檢測(cè)到。相應(yīng)的位置測(cè)量傳感器和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器可能包括公共測(cè)量傳感器外殼或兩個(gè)分別的測(cè)量傳感器外殼。

如權(quán)利要求4所述的位置測(cè)量裝置，在確定位置時(shí)結(jié)合相對(duì)低的構(gòu)造成本，確保了高精度。因?yàn)槎鄠€(gè)位置測(cè)量傳感器被分配到一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器，關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器可能用于修正所有的位置測(cè)量信號(hào)。因此，用于分配到基準(zhǔn)測(cè)量傳感器的所有的位置測(cè)量傳感器的位置信號(hào)從位置測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中計(jì)算。因此，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器的數(shù)目得到優(yōu)化。

如權(quán)利要求5所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。因?yàn)橹辽僖粋€(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器被布置到距關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)位置測(cè)量傳感器較小的位置處，干擾影響通過(guò)至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器和關(guān)聯(lián)的至少一個(gè)位置測(cè)量傳感器被同等程度地檢測(cè)到，所以在關(guān)聯(lián)的位置信號(hào)的隨后計(jì)算期間，可以很大程度上消除起因于干擾影響的干擾信號(hào)。

如權(quán)利要求6所述的位置測(cè)量裝置確保了以簡(jiǎn)單的方式提供基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器包括第一基準(zhǔn)電極和關(guān)聯(lián)的第二基準(zhǔn)電極，其中第二基準(zhǔn)電極可以實(shí)現(xiàn)為基準(zhǔn)測(cè)量表面?；鶞?zhǔn)電極以彼此之間預(yù)定的基準(zhǔn)距離布置于載體上。基準(zhǔn)距離是基本上不變的。在此，基本上意味著，基準(zhǔn)距離的改變只由于干擾或環(huán)境影響而發(fā)生，例如環(huán)境條件的改變。因此，基準(zhǔn)距離限定了基本上恒定的參考信號(hào)。作為示例，基準(zhǔn)測(cè)量表面實(shí)現(xiàn)為載體上的金屬涂層。作為示例，基準(zhǔn)測(cè)量表面為鉻的層。

如權(quán)利要求7所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。待測(cè)對(duì)象的平均位置dm與基準(zhǔn)距離dr的比率確保了：基準(zhǔn)距離dr基本上對(duì)應(yīng)于待測(cè)對(duì)象的平均位置dm。因此，干擾影響被基本上且同等程度地包含于位置測(cè)量信號(hào)和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中，所以起因于干擾影響的干擾信號(hào)很大程度上是可消除的。

如權(quán)利要求8所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。

如權(quán)利要求9所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。因?yàn)榛鶞?zhǔn)電極布置于載體的相對(duì)的內(nèi)側(cè)面，對(duì)于位置測(cè)量傳感器而言，周圍的介質(zhì)(例如空氣)充當(dāng)了電介質(zhì)。因此，可以檢測(cè)由于環(huán)境條件(例如濕度、氣壓或溫度)而產(chǎn)生的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中的干擾影響，并且隨后從位置測(cè)量信號(hào)中消除這些影響。

如權(quán)利要求10所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。因?yàn)檩d體布置在基準(zhǔn)電極之間，載體形成了電介質(zhì)。在此，特別地，載體由具有低熱膨脹系數(shù)的材料(例如玻璃陶瓷材料)形成。因?yàn)檩d體形成了電介質(zhì)，環(huán)境條件幾乎不包含在基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中，所以提供了恒定的基準(zhǔn)信號(hào)。因此，特別地，由于信號(hào)電纜和/或測(cè)量電子器件，可以補(bǔ)償干擾影響。

如權(quán)利要求11所述的位置測(cè)量裝置，確保了簡(jiǎn)單且節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。

如權(quán)利要求12所述的位置測(cè)量裝置，確保了在確定位置時(shí)的高精度。基準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置為，使得其充當(dāng)?shù)诙恢脺y(cè)量傳感器。在此，特別地，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置在位置測(cè)量傳感器的對(duì)面，所以位置測(cè)量傳感器和基準(zhǔn)測(cè)量傳感器在理想情況下(沒(méi)有干擾影響)將導(dǎo)致在添加時(shí)產(chǎn)生恒定的測(cè)量信號(hào)。作為示例，如果位置測(cè)量傳感器和基準(zhǔn)測(cè)量傳感器被布置于距待測(cè)對(duì)象中心相等的距離處，如果不存在干擾影響，則通過(guò)形成被添加到位置測(cè)量信號(hào)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)的平均值，使得關(guān)聯(lián)的位置信號(hào)出現(xiàn)。從此，作為干擾影響的結(jié)果的干擾信號(hào)可能在位置測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)中、或者其總和中被識(shí)別，并且所述干擾信號(hào)可以被消除。

如權(quán)利要求13所述的位置測(cè)量裝置改善了信噪比，并且作為其結(jié)果，確保了在確定位置時(shí)的高精度。因?yàn)榫w管被集成到測(cè)量傳感器外殼中，原始的測(cè)量信號(hào)在發(fā)送至計(jì)算單元或測(cè)量電子器件之前就已經(jīng)被放大。在由干擾影響導(dǎo)致的不變的干擾輸入或干擾信號(hào)的情況下，如果被放大的測(cè)量信號(hào)被發(fā)送至計(jì)算單元或測(cè)量電子器件，信噪比將有所增加，因此在確定位置時(shí)，可以獲得更高的精度。作為示例，至少一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器和/或至少一個(gè)電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器實(shí)現(xiàn)為具有集成晶體管。特別地，集成晶體管實(shí)現(xiàn)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

如權(quán)利要求14所述的位置測(cè)量裝置以簡(jiǎn)單的方式確保了位置信號(hào)的計(jì)算。因?yàn)橹辽僖粋€(gè)位置測(cè)量傳感器和相應(yīng)的關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器具有等效結(jié)構(gòu)，測(cè)量傳感器原則上具有對(duì)應(yīng)的測(cè)量特性，所以測(cè)量不準(zhǔn)確不會(huì)由于測(cè)量傳感器的不同配置而發(fā)生。因此，在不需要這種復(fù)雜的附加測(cè)量以補(bǔ)償不同的測(cè)量特性的情況下，其可以保證在確定位置時(shí)的高精度。

本發(fā)明進(jìn)一步基于開(kāi)發(fā)定位器具的目的，該開(kāi)發(fā)定位器具促進(jìn)了在定位待測(cè)對(duì)象時(shí)的高精確度。特別地，定位精度應(yīng)該處于在納米范圍或亞納米范圍中。

該目的通過(guò)具有權(quán)利要求15的特征的定位器具來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置有助于確定待測(cè)對(duì)象的位置，因此，準(zhǔn)確地說(shuō)，能夠以期望的精度定位待測(cè)對(duì)象。為此，特別地，定位器具形成定位控制回路，使得待測(cè)對(duì)象的期望的預(yù)期位置基于計(jì)算出的位置信號(hào)可以被準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。定位器具的另外的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于已描述的位置測(cè)量裝置的優(yōu)點(diǎn)。

如權(quán)利要求16所述的定位器具，確保了在定位待測(cè)對(duì)象時(shí)的高精度。

如權(quán)利要求17所述的投射曝光設(shè)備構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的定位器具和根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置的有利的應(yīng)用。

本發(fā)明進(jìn)一步基于研發(fā)一種用于確定待測(cè)對(duì)象位置的方法的目的，當(dāng)確定位置時(shí)，其以簡(jiǎn)單的方式促進(jìn)高精度。

該目的通過(guò)具有權(quán)利要求18的特征的方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于根據(jù)已描述的根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置和定位器具的優(yōu)點(diǎn)。特別地，也可以利用權(quán)利要求1至17的特征開(kāi)發(fā)根據(jù)本發(fā)明的方法。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明進(jìn)一步的特征、優(yōu)勢(shì)和細(xì)節(jié)從以下多個(gè)示例性實(shí)施例的描述中展現(xiàn)。在圖中：

圖1示出了定位器具的示意圖，該定位器具包括待定位的待測(cè)對(duì)象和用于確定待測(cè)對(duì)象的位置的位置測(cè)量裝置，其為未詳細(xì)描繪的投射曝光設(shè)備的一部分。

圖2示出了根據(jù)圖1的位置測(cè)量裝置的基本設(shè)計(jì)的示意圖，其包括至少一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器和至少一個(gè)電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器。

圖3示出了根據(jù)第一示例性實(shí)施例的位置測(cè)量裝置的示意圖，其中基準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置在載體上，并且周圍的介質(zhì)形成電介質(zhì)。

圖4示出了位置測(cè)量裝置的示意圖。該位置測(cè)量裝置與第二示例性實(shí)施例一致，其中至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置在載體上，并且后者形成電介質(zhì)。

圖5示出了根據(jù)第三示例性實(shí)施例的位置測(cè)量裝置的示意圖，其中至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置在待測(cè)目標(biāo)上，并且后者形成電介質(zhì)。

圖6示出了根據(jù)第四示例性實(shí)施例的位置測(cè)量裝置的示意圖。其中至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器被用作附加的位置測(cè)量傳感器或者差值測(cè)量傳感器。

圖7示出了傳統(tǒng)電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖8示出了根據(jù)第一示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖9示出了根據(jù)第二示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖10示出了根據(jù)第三示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖11示出了根據(jù)第四示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖12示出了根據(jù)第五示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

圖13示出了根據(jù)第六示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖，以及

圖14示出了根據(jù)第七示例性實(shí)施例的電容式測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)的示意圖。

具體實(shí)施方式

投射曝光設(shè)備1(未詳細(xì)繪示)包括定位器具2、至少一個(gè)致動(dòng)器4和至少一個(gè)位置測(cè)量裝置5，其中定位器具2包括待定位的待測(cè)對(duì)象3。兩個(gè)致動(dòng)器4在圖1中以示例性方式繪出。致動(dòng)器4布置在基部板6上，并且用以相對(duì)于基部板6移動(dòng)待測(cè)對(duì)象3。作為示例，待測(cè)對(duì)象3(如圖1所繪示)是板，對(duì)于投射曝光設(shè)備的功能，該板需要在納米范圍中(特別在亞納米范圍中)被準(zhǔn)確地定位，例如通過(guò)線性位移和/或傾斜和/或變形。

為了確定待測(cè)對(duì)象3的位置x，位置測(cè)量裝置5包括至少一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器7，該電容式位置測(cè)量傳感器7將與待測(cè)對(duì)象3的相關(guān)的位置測(cè)量信號(hào)pm提供給計(jì)算單元8。在圖1繪示的定位器具2中，電容式位置測(cè)量傳感器7被分配到每個(gè)致動(dòng)器4，所述位置測(cè)量傳感器用以確定待測(cè)對(duì)象3的相應(yīng)的位置x。計(jì)算單元8包括測(cè)量電子器件8a和信號(hào)處理8b，其將在下文詳細(xì)描述。

電容式位置測(cè)量傳感器7具有等效結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，所以在下文只描述其中一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器7。位置測(cè)量傳感器7包括測(cè)量傳感器外殼9，其中至少部分地布置有第一電極10。第一電極10通過(guò)信號(hào)線11連接到計(jì)算單元8。屬于位置測(cè)量傳感器7的第二電極12實(shí)現(xiàn)為待測(cè)對(duì)象3上的測(cè)量表面。為此，待測(cè)對(duì)象3設(shè)置有與第一電極10相對(duì)的涂層，該涂層用作第二電極12或測(cè)量表面。第二電極12通過(guò)信號(hào)線13連接到計(jì)算單元8。

電容式位置測(cè)量傳感器7的測(cè)量原理在原則上為已知的。電容式位置測(cè)量傳感器7的作用大致類似于平板電容器，其電容c取決于電極10和12的距離或位置x。相應(yīng)地，電容式位置測(cè)量傳感器7將位置測(cè)量信號(hào)pm提供至計(jì)算單元8，測(cè)量信號(hào)pm表征待測(cè)對(duì)象3的位置x。在此，位置測(cè)量信號(hào)pm由使用的信號(hào)或?qū)嶋H位置信號(hào)p、以及干擾信號(hào)s組成，干擾信號(hào)s作為干擾影響的結(jié)果，疊加在位置信號(hào)p上。這在圖1中示意性地示例。

位置測(cè)量裝置5還包括至少一個(gè)電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14，該電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器將基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm提供給計(jì)算單元8?；鶞?zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14被提供給計(jì)算單元8。進(jìn)而，基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm由使用的信號(hào)或基準(zhǔn)信號(hào)r、以及疊加的干擾信號(hào)s組成，干擾信號(hào)s作為干擾影響的結(jié)果。這在圖1中示意性地表示。

取決于對(duì)定位器具2的要求，專用的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14可能被分配到每個(gè)位置測(cè)量傳感器7，或者公共基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14可以被分配到多個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器7。計(jì)算單元8用于從基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm和相應(yīng)的位置測(cè)量信號(hào)pm計(jì)算每個(gè)位置測(cè)量傳感器7的位置信號(hào)p。

基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14具有等效結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，特別地，其實(shí)施例也具有與關(guān)聯(lián)的位置測(cè)量傳感器7相同的結(jié)構(gòu)，所以在下文只描述其中一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14。電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14包括測(cè)量傳感器外殼15，其中至少部分地布置有第一電極或基準(zhǔn)電極16。屬于基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14的第二電極或基準(zhǔn)電極17實(shí)現(xiàn)為測(cè)量表面或基準(zhǔn)測(cè)量表面，并且布置在第一基準(zhǔn)電極16的對(duì)面?；鶞?zhǔn)電極16和基準(zhǔn)測(cè)量表面17的布置將在下文詳細(xì)描述。第一基準(zhǔn)電極16通過(guò)信號(hào)線18連接到計(jì)算單元8。相應(yīng)地，第二基準(zhǔn)電極17或基準(zhǔn)測(cè)量表面17通過(guò)信號(hào)線19連接到計(jì)算單元8。

為了確定待測(cè)對(duì)象3的位置x，計(jì)算單元8以如下方式實(shí)現(xiàn)：干擾信號(hào)s從位置測(cè)量信號(hào)pm和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm(及預(yù)定的基準(zhǔn)信號(hào)r)計(jì)算，以便由此修正位置測(cè)量信號(hào)pm或消除包含在其中的干擾信號(hào)s。在此，修正位置測(cè)量信號(hào)pm基于以下假設(shè)：干擾信號(hào)s基本上且同等程度地包含于位置測(cè)量信號(hào)pm中和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm中。測(cè)量傳感器7和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14的設(shè)計(jì)、安裝條件和環(huán)境條件越接近地彼此對(duì)應(yīng)，則該假設(shè)越適用。

為此，位置測(cè)量傳感器7和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14優(yōu)選地以彼此可能的最小距離d布置，使得安裝和/或環(huán)境條件很大程度上彼此對(duì)應(yīng)。特別地，距離d至多10mm，特別地至多8mm，且特別地至多6mm。進(jìn)一步地，信號(hào)線11、13、18和19很大程度上形成公共信號(hào)電纜20。特別地，信號(hào)線11、13、18和19在其總長(zhǎng)度l的至少70％，特別地至少80％，且特別地至少90％上形成公共信號(hào)電纜20。這在圖2中示例性地示例。

基準(zhǔn)電極16、17限定了其之間的基準(zhǔn)距離dr。特別地，0.7≤dm/dr≤1.3，特別地，0.8≤dm/dr≤1.3，特別地，1.2≤dm/dr≤1.3，特別地，0.9≤dm/dr≤1.1，應(yīng)用于待測(cè)對(duì)象3的平均位置dm與基準(zhǔn)距離dr的比率。這基本上確保了：基準(zhǔn)電極16、17之間的電介質(zhì)的厚度基本上對(duì)應(yīng)于位置測(cè)量傳感器7的電極10、12之間的電介質(zhì)厚度。作為示例，基準(zhǔn)距離dr是固定的，即，基準(zhǔn)電極16、17相對(duì)于彼此是不可移動(dòng)的。

圖3示出了位置測(cè)量裝置5的第一示例性實(shí)施例，其中基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14布置在載體21上。作為示例，載體21布置在基部板6上。載體21具有這樣的實(shí)施例，該實(shí)施例具有橫截面上的中空型材，其中第一基準(zhǔn)電極16和第二基準(zhǔn)電極17(或者基準(zhǔn)測(cè)量表面)布置在載體21的相對(duì)的內(nèi)側(cè)面22、23上，使得周圍的介質(zhì)作為布置在基準(zhǔn)電極16、17之間的電介質(zhì)。載體21優(yōu)選地由在溫度為20℃時(shí)具有熱膨脹系數(shù)α的材料組成。對(duì)于其絕對(duì)值適用以下式子，α≤10·10^-8/k，特別地α≤8·10^-8/k，并且特別地α≤6·10^-8/k。特別地，材料是玻璃陶瓷材料。作為示例，該玻璃陶瓷材料是已知的商標(biāo)zerodur或ule。

作為示例，第二電極12和對(duì)應(yīng)的第二基準(zhǔn)電極17實(shí)現(xiàn)為通過(guò)涂覆生產(chǎn)的測(cè)量表面?；鶞?zhǔn)電極16、17是相對(duì)于彼此不可移動(dòng)的，所以基準(zhǔn)距離dr和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)信號(hào)r是常數(shù)。由于材料并將載體21作為機(jī)械短路連接，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14對(duì)于漂移是穩(wěn)定的，并且對(duì)溫度變化幾乎沒(méi)有反應(yīng)。由于基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14和位置測(cè)量傳感器7處的環(huán)境介質(zhì)充當(dāng)電介質(zhì)，環(huán)境條件(例如濕度和/或氣壓)可能被檢測(cè)為位置測(cè)量信號(hào)pm和基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm中的干擾信號(hào)s，并且可以后續(xù)地在計(jì)算單元8中被補(bǔ)償。由于基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14產(chǎn)生恒定的基準(zhǔn)信號(hào)r，其充當(dāng)無(wú)源傳感器。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5的第二示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，載體21實(shí)現(xiàn)為板，基準(zhǔn)電極16、17布置在其外側(cè)面24、25上。在此，載體21形成基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14的電介質(zhì)。與前述示例性實(shí)施例相對(duì)應(yīng)，載體21優(yōu)選地由具有小熱膨脹系數(shù)α的材料構(gòu)成。因?yàn)榛鶞?zhǔn)電極16、17相對(duì)于彼此不可移動(dòng)，并且載體21形成電介質(zhì)，環(huán)境條件基本上不包含于基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm中，所以特別地，作為信號(hào)線11、13、18、19和測(cè)量電子器件8a的結(jié)果的干擾影響被檢測(cè)和補(bǔ)償。關(guān)于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5的第三示例性實(shí)施例，其中待測(cè)對(duì)象3形成載體21。因此，待測(cè)對(duì)象3布置在基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14的基準(zhǔn)電極16、17之間，并且為其形成電介質(zhì)?；鶞?zhǔn)電極16、17布置在待測(cè)對(duì)象3的外側(cè)面24、25上。特別地，第二基準(zhǔn)電極17實(shí)現(xiàn)為通過(guò)涂覆生產(chǎn)的基準(zhǔn)測(cè)量表面。基準(zhǔn)電極17或基準(zhǔn)測(cè)量表面，同時(shí)地為位置測(cè)量傳感器7充當(dāng)?shù)诙姌O12或者測(cè)量表面。待測(cè)對(duì)象3優(yōu)選地由與前述示例性實(shí)施例一致的材料組成，該材料具有小熱膨脹系數(shù)α。位置測(cè)量裝置5具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)并且節(jié)省空間。關(guān)于另外的設(shè)計(jì)和另外的功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5的第四示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例(其中基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14作為帶有恒定基準(zhǔn)距離dr的無(wú)源傳感器進(jìn)行操作)相比，基準(zhǔn)傳感器14作為有源傳感器或差傳感器進(jìn)行操作。因此，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14以如下方式布置：使得基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm或基準(zhǔn)信號(hào)r根據(jù)待測(cè)對(duì)象3的位置x改變。為此，基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14布置在待測(cè)對(duì)象3的一側(cè)上，位于位置測(cè)量傳感器7的對(duì)面。第二基準(zhǔn)電極17布置在待測(cè)對(duì)象3的外側(cè)面24上，而第二電極12布置在外側(cè)面25上。第二電極12、17實(shí)現(xiàn)為通過(guò)涂覆制作的測(cè)量表面。關(guān)于第二電極12，第一電極10具有對(duì)應(yīng)于平均基準(zhǔn)距離dr的平均距離或平均位置dm。因?yàn)檫@種布置，距離dm和dr之和為常數(shù)，并且基本上對(duì)應(yīng)于兩倍的距離dm或dr。由于這種布置，位置信號(hào)p和基準(zhǔn)信號(hào)r之和必須為常數(shù)，因此可能由此確定或消除干擾信號(hào)s。因此，特別地，可以檢測(cè)和補(bǔ)償由環(huán)境條件造成的干擾影響、以及由信號(hào)線11、13、18、19和測(cè)量電子器件8a造成的干擾影響。關(guān)于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的功能，參考前述示例性實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5的特征，特別是單獨(dú)的示例性實(shí)施例的特征，可能根據(jù)需要進(jìn)行相互結(jié)合，以便借助于至少一個(gè)位置測(cè)量裝置14來(lái)補(bǔ)償干擾影響。特別地，根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5允許補(bǔ)償信號(hào)電纜的干擾影響，例如因?yàn)閺澢虿季€、環(huán)境影響(例如溫度、濕度和/或壓力)、測(cè)量電子器件8a中的漂移和噪聲引發(fā)的干擾影響、共模干擾、超過(guò)其使用壽命的位置測(cè)量傳感器7中的變化引發(fā)的漂移、和/或測(cè)量電子器件8a發(fā)熱引發(fā)的干擾影響。因此，根據(jù)本發(fā)明的位置測(cè)量裝置5對(duì)干擾影響時(shí)變得更加魯棒(robust)，并且在確定位置時(shí)具有更高精確度。特別地，位置測(cè)量裝置5可以在開(kāi)啟后，即刻被使用。優(yōu)選地，至少一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14在設(shè)計(jì)和安裝方面對(duì)應(yīng)于關(guān)聯(lián)的位置測(cè)量傳感器7。特別地，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇測(cè)量傳感器7、14的測(cè)量電子器件8a、接線、插頭、安裝、實(shí)施例和設(shè)計(jì)。干擾影響的補(bǔ)償或位置信號(hào)p的計(jì)算可以在實(shí)時(shí)以離散的時(shí)間間隔進(jìn)行。

在信號(hào)處理8b中，將計(jì)算出的位置信號(hào)p與預(yù)期位置進(jìn)行比較。從系統(tǒng)偏差中，在信號(hào)處理8b中實(shí)現(xiàn)的位置控制器產(chǎn)生致動(dòng)信號(hào)u，借助于所述致動(dòng)信號(hào)u來(lái)致動(dòng)關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器4，以便將待測(cè)對(duì)象3的位置x調(diào)整至期望的預(yù)期位置。為了在納米或亞納米范圍中獲得期望的定位精度，致動(dòng)器4必須有助于相應(yīng)的定位精度。特別地，致動(dòng)器4的定位精度為至少1.0nm，特別地為至少0.5nm，并且特別地為至少0.1nm。相應(yīng)的陳述適用于位置測(cè)量裝置5的測(cè)量精度。電容式位置測(cè)量傳感器7可以直接測(cè)量待測(cè)對(duì)象3的位置，或間接測(cè)量在關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器4的運(yùn)動(dòng)學(xué)中的位置，兩者同等地有助于確定待測(cè)對(duì)象3的位置。

下文詳細(xì)描述至少一個(gè)電容式位置測(cè)量傳感器7和/或至少一個(gè)電容式基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14的不同示例性實(shí)施例。由于以下的說(shuō)明同等地應(yīng)用于位置測(cè)量傳感器7和基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14，基于電容式測(cè)量傳感器7、14來(lái)大體地說(shuō)明不同示例性實(shí)施例。此外，測(cè)量電子器件8a將相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)pm或rm提供至信號(hào)處理8b，測(cè)量電子器件8a被認(rèn)為是測(cè)量傳感器7、14的一部分。

圖7示出了常規(guī)的電容式測(cè)量傳感器7、14的基本設(shè)計(jì)。由于有限的安裝空間和為了避免有害的熱流，測(cè)量電子器件8a在空間上被布置為遠(yuǎn)離測(cè)量傳感器外殼9、15和包含在其中的第一電極10、16，以及第二電極12、17。為此，測(cè)量電極8a通過(guò)以下被稱為測(cè)量線11、18的信號(hào)線連接到測(cè)量電子器件8a，并且第二電極12通過(guò)以下被稱為供電線13、19的信號(hào)線連接到測(cè)量電子器件8a。供電線13、19通過(guò)交流電壓源26連接到參考電位27。交流電壓源26產(chǎn)生依賴于測(cè)量傳感器7、14的電容c的測(cè)量信號(hào)，所述測(cè)量信號(hào)經(jīng)由測(cè)量線11、18被發(fā)送至測(cè)量電子器件8a。測(cè)量信號(hào)通晶體管28被前置放大，并且通過(guò)放大器電路29被進(jìn)一步地被放大和準(zhǔn)備。晶體管28的工作點(diǎn)通過(guò)歐姆電阻器r1和r2設(shè)定。歐姆電阻器r3在輸入端將晶體管28連接至參考電位27。設(shè)置在放大器電路29的下游的是信號(hào)測(cè)量30和信號(hào)評(píng)估31，其從放大的測(cè)量信號(hào)中確定相關(guān)測(cè)量變量，例如電容c、以及電極10、12或16、17的關(guān)聯(lián)位置或關(guān)聯(lián)距離x。確定的測(cè)量變量提供給信號(hào)處理8b，被用來(lái)進(jìn)行例如位置控制等。信號(hào)評(píng)估31信號(hào)連接到控制器32，控制器32控制交流電壓源26或激勵(lì)信號(hào)。根據(jù)要求，測(cè)量電子器件8a可以具有模擬和/或數(shù)字實(shí)施例。相應(yīng)地，根據(jù)要求，信號(hào)處理8b可能具有模擬和/或數(shù)字實(shí)施例。

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第一示例性實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，用于放大或前置放大測(cè)量信號(hào)的晶體管28布置在測(cè)量傳感器外殼9、15中，臨近第一電極10、16。因此，晶體管28被集成到測(cè)量傳感器外殼9、15中。晶體管28實(shí)現(xiàn)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且包括柵極端子33、源極端子34、漏極端子35和體端子36。柵極端子33經(jīng)由連接線37連接到第一電極10、16。連接線37布置在測(cè)量傳感器外殼9、15中，并且具有小于100mm的長(zhǎng)度，特別地小于10mm，并且特別地小于1mm。漏極端子35通過(guò)測(cè)量線11、18，連接到測(cè)量電子器件8a和包含于其中的放大器電路29。源極端子34在測(cè)量傳感器外殼9、15中與柵極端子36短接，并且通過(guò)另外的測(cè)量線11’、18’連接到測(cè)量電子器件8a。在測(cè)量電子器件8a中，測(cè)量線11’、18’經(jīng)由歐姆電阻器r2連接到參考電位27。與前述示例性實(shí)施例一致，歐姆電阻器r1和r2限定了晶體管28的工作點(diǎn)，該晶體管28現(xiàn)在布置在測(cè)量傳感器外殼9、15中。與前述示例性實(shí)施例一致，第二電極12、17經(jīng)由供電線13、19連接到交流電壓源26和參考電位27。晶體管28已經(jīng)前置放大了測(cè)量信號(hào)，該測(cè)量信號(hào)屬于測(cè)量傳感器外殼9、15中的(即，臨近第一電極10、16)連接線37，使得經(jīng)由測(cè)量線11、18發(fā)送的測(cè)量信號(hào)pm、rm相比于根據(jù)圖7的示例性實(shí)施例被放大數(shù)倍。特別地，測(cè)量信號(hào)pm、rm被至少放大10倍，特別地至少20倍，并且特別地至少50倍。因此，干擾影響例如經(jīng)由測(cè)量線11、18作為干擾信號(hào)s被耦合至測(cè)量信號(hào)pm、rm中，其基本上不太顯著。換言之，通過(guò)上述因素改善了信噪比。測(cè)量精度通過(guò)改善的信噪比而改善，這可以被用于更精確的位置測(cè)量或位置確定，和/或減少對(duì)信號(hào)電纜20和/或測(cè)量電子器件8a的技術(shù)要求。信號(hào)線11、11’和13，以及18、18’和19，被優(yōu)選地在信號(hào)電纜20中結(jié)合在一起。

前置放大測(cè)量信號(hào)pm、rm在放大器電路29中再次被放大，并且在信號(hào)評(píng)估31中與來(lái)自交流電壓源26的激勵(lì)信號(hào)相比較，因此建立期望的測(cè)量變量。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第二示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，連接線37經(jīng)由歐姆電阻器r3連接到參考電位27。歐姆電阻器r3被布置在測(cè)量傳感器外殼9、15中。原則上，參考電位27是容許限度內(nèi)的任意、固定且已知的電位。作為示例，參考電位27為接地電位。連接線37中的電位由歐姆電阻器r3限定。為此，應(yīng)選擇具有高阻值的電阻r3，并且特別地，電阻至少10kω，特別地至少100kω，且特別地至少1000kω。在直接臨近測(cè)量傳感器殼體9、15處，參考電位27需要具有足夠低的干擾，以便沒(méi)有干擾(將使改善的信噪比變得無(wú)效)經(jīng)由參考電位27耦合。作為示例，由于歐姆電阻器r3連接到導(dǎo)電性良好的金屬部件，接地電位可以被選作參考電位27。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第三示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，源極端子34連接到參考電位27。因此，可以省略測(cè)量線11’和18’以及歐姆電阻器r2。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第四示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，源極端子34和歐姆電阻器r3形成節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)連接到參考電位27。因?yàn)榕c參考電位27的連接，可以省略測(cè)量線11’、18’和歐姆電阻器r2。此外，連接線37具有限定的電勢(shì)。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第五示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，連接線37經(jīng)由歐姆電阻器r3和另外的信號(hào)線11”、18”連接到測(cè)量電子器件8a。在測(cè)量電子器件8a中，供電線11”、18”通過(guò)交流電壓源38連接到參考電位27。信號(hào)線11”、18”的電勢(shì)可通過(guò)直流電壓源38自由地選擇，因此晶體管28可以在操作狀態(tài)下保持靜態(tài)，這對(duì)于測(cè)量是有利的。特別地，以這種方式靜態(tài)地克服晶體管28的閾值電壓是有利的。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第六示例性實(shí)施例。與前述示例性實(shí)施例相比，源極端子34和歐姆電阻器r3形成節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)信號(hào)線11”、18”和直流電壓源38連接到參考電位27。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14的第七示例性實(shí)施例。與前述的示例性實(shí)施例(其中第一電極10、16和晶體管28形成分立的部件)相比，第一電極10、16和場(chǎng)效應(yīng)晶體管28實(shí)現(xiàn)為集成電路。因此，第一電極10、16和場(chǎng)效應(yīng)晶體管28使用微電子設(shè)計(jì)的方法在集成電路中實(shí)現(xiàn)。在集成中，利用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管28自身在柵極端子33(或柵極)與體端子36(或體極)之間已形成電容器的事實(shí)。特別地，該電容器通過(guò)位于柵極端子33下方的溝道39形成，如圖14所示。因此，場(chǎng)效應(yīng)晶體管28本應(yīng)該只考慮為單純的信號(hào)放大器，但在該示例性實(shí)施例中，其為測(cè)量傳感器7、14的集成部件，這是由于待測(cè)電場(chǎng)直接作用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管28的溝道39。有利的是，特別地，在第一電極10、16和柵極端子33之間的對(duì)干擾敏感的連接線37具有非常短的實(shí)施例和小于1μm的長(zhǎng)度。因此，通過(guò)待測(cè)電場(chǎng)對(duì)自身放大的影響來(lái)測(cè)量該待測(cè)電場(chǎng)，這使對(duì)干擾的敏感度減小到了最低。此外，由于第一電極10、16和場(chǎng)效應(yīng)晶體管28合并成一個(gè)單元，所需的安裝空間顯著地減小。原則上，第一電極10、16和場(chǎng)效應(yīng)晶體管28的集成可以應(yīng)用于每個(gè)前述的示例性實(shí)施例中。相應(yīng)的電路圖不會(huì)因此改變，只有布局或集成設(shè)計(jì)不同于離散設(shè)計(jì)。關(guān)于測(cè)量傳感器7、14和位置測(cè)量裝置5的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和進(jìn)一步功能，參考前述示例性實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14有助于在安裝空間的限制影響變量、放熱和待實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度之間實(shí)現(xiàn)更好的折衷。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的電容式測(cè)量傳感器7、14可以顯著地增加測(cè)量精度，而不會(huì)使通?？捎玫陌惭b空間受到有害的影響，和/或使得由于晶體管28的附加放熱成為不利的。獲得的測(cè)量精度可以選擇性地用于簡(jiǎn)化測(cè)量精度8a和/或信號(hào)電纜20。因?yàn)榫w管28，測(cè)量信號(hào)在其產(chǎn)生的位置已經(jīng)被放大，所以放大的測(cè)量信號(hào)pm、rm已經(jīng)發(fā)送至在空間上以一定距離布置的測(cè)量電子器件8a。因此，有效地提高了信噪比。

原理上，所述的電容式測(cè)量傳感器7、14不限于測(cè)量位置或距離，而是也可以用于測(cè)量其他機(jī)械變量，例如填充水平和氣壓。

在所述的位置測(cè)量裝置5中或定位器具2中，確定位置時(shí)的高精度通過(guò)以下方式獲得，首先，將基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14分配到至少一個(gè)位置測(cè)量傳感器7，使得可以從位置測(cè)量信號(hào)pm消除干擾影響。第二，確定位置時(shí)增加的精度通過(guò)以下方式獲得，將晶體管28集成到相應(yīng)的測(cè)量傳感器外殼9、15中，使得在位置測(cè)量信號(hào)pm或基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)rm在傳送至測(cè)量電子器件8a之前已經(jīng)被放大了，即，從而獲得改善的信噪比。這兩種方法可以單獨(dú)或一起使用。作為示例，相應(yīng)的位置測(cè)量傳感器7和關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14可以具有常規(guī)設(shè)計(jì)，如圖7所示。在這種情況下，增加的精度只有通過(guò)消除干擾影響才可以得到。進(jìn)一步的，可以沒(méi)有基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14分配給例如相應(yīng)的位置測(cè)量傳感器7，而是位置測(cè)量傳感器7可以裝配有集成到測(cè)量傳感器外殼9中的晶體管28，如圖8至14所示。在這種情況下，增加的精度只有通過(guò)改善信噪比才可以得到。但是，如果這兩種方法相互結(jié)合，則可以獲得理想的精度，即，如果將相關(guān)聯(lián)的基準(zhǔn)測(cè)量傳感器14分配給相應(yīng)的位置測(cè)量傳感器7以便消除干擾影響，并且相應(yīng)的位置測(cè)量傳感器7和關(guān)聯(lián)的參考測(cè)量傳感器14都實(shí)現(xiàn)為具有集成到相應(yīng)的測(cè)量傳感器外殼9、15中的晶體管28，以便改善信噪比。