УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01B7/00 G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях промышленности.

Из уровня техники известен дифференциальный емкостной измеритель перемещений, выполненный в виде двух плоских электродов, каждый из которых разделен на секции, разбитые на группы, соединенные с входами регистрирующей системы таким образом, что при перемещении подвижного электрода на выходе электронной системы возникает последовательность импульсов. По количеству этих импульсов определяется величина перемещения (а.с. 1813198 A3, G 01 В 7/00).

Из уровня техники известен также емкостной дифференциальный преобразователь перемещений, содержащий разделенные на секции плоские электроды, установленные с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия. С целью расширения диапазона измеряемых перемещений в данном известном устройстве секции обеих групп токового электрода выполнены со ступенчатыми приращениями их длины одинаковой величины и противоположенного знака в направлении продольной оси преобразователя, а длина потенциального электрода выполнена кратной длине одной секции токового электрода (а.с. 1796880 A1, G 01 B 7/00).

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для прецизионного измерения расстояний (емкостной датчик перемещений), включающее два секционированных электрода, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов, секции в первом и втором секционированных электродах выполнены, соответственно, одинаковой длины в направлении указанного относительного перемещения, при этом секции первого из упомянутых электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения (а.с. 1696846 A1, G 01 B 7/00).

Все вышерассмотренные известные из уровня техники устройства не позволяют повысить точность измерений до значений нанометрового диапазона, так как при этом возникает необходимость выполнения секций электродов очень малой длины, что практически недостижимо с технологической точки зрения.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине.

Поставленная задача решается посредством того, что в устройстве для прецизионного измерения расстояний, включающем два секционированных электрода, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов, секции в первом и втором секционированных электродах выполнены, соответственно, одинаковой длины в направлении указанного относительного перемещения, при этом секции первого из упомянутых электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения, согласно изобретению второй секционированный электрод выполнен с электроизолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода, еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, соответствующую заданной разрешающей способности устройства.

Оптимально, чтобы один из секционированных электродов был выполнен с количеством секций, кратным отношению длины одной из секций другого секционированного электрода к разности длин секций упомянутых электродов.

Изобретение поясняется чертежом, где показана принципиальная схема заявленного устройства для прецизионного измерения расстояний и конструктивное выполнение секционированных электродов (при смещении подвижного электрода на расстояние х относительно точки 0 начала отсчета по оси X.

Устройство для прецизионного измерения расстояний включает два секционированных электрода 1 и 2, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения (по стрелке S) в направлении изменения площади их взаимного перекрытия (или в направлении измерения расстояний) при сохранении постоянства зазора h (т.е. по оси Y) между взаимообращенными поверхностями секций 3 и 4 упомянутых электродов 1 и 2 соответственно. Секции 3 в первом секционированном электроде 1, а также секции 4 во втором секционированном электроде 2 выполнены с одинаковой длиной для каждого электрода 1 и 2 (соответственно с длиной L для электрода 1 и длиной s для электрода 2) в направлении указанного относительного перемещения (по стрелке S). При этом секции 3 первого секционированного электрода 1 (являющегося неподвижным согласно варианту исполнения схемы устройства, изображенной на чертеже) электрически связаны между собой (например, посредством общего основания 5 из электропроводного материала в случае выполнения электрода 1 в виде гребенки) и соединены с первым выходом генератора 6 переменного напряжения. Второй секционированный электрод 2 (соответственно, являющийся подвижным) выполнен с электроизолированными одна от другой секциями 4, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы 7 определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций 4 этого секционированного электрода 2. Еще один вход упомянутой системы 7 соединен со вторым выходом генератора 6 переменного напряжения. При этом длина L любой из секций 3 первого секционированного электрода 1 выполнена отличной от длины s любой из секций 4 второго секционированного электрода 2 на величину, соответствующую заданной разрешающей способности заявленного измерительного устройства (т.е. заданной дискретности измерения).

Для исключения потери шага в процессе перемещения, например, подвижного секционированного электрода 2 необходимо, чтобы он был выполнен с количеством секций, кратным отношению длины одной из секций 3 другого секционированного электрода 1 к разности длин L и s секций 3 и 4 (соответственно) упомянутых электродов 1 и 2.

Физическая сущность принципа работы заявленного устройства для прецизионного измерения расстояний заключается в следующем.

При проведении измерений один электрод, например секционированный электрод 2, перемещается относительно другого электрода, согласно чертежу относительно секционированного электрода 1. На чертеже показано положение секционированного электрода 2, смещенного на расстояние х относительно точки 0 начала отсчета. Подвижный секционированный электрод 2 связан с объектом (условно не показан), расстояние которого от точки 0 начала отсчета измеряется. Каждая секция 4 подвижного секционированного электрода 2 соединена с соответствующим ей входом электронной системы 7 определения момента перехода разности токов в цепях двух соседних секций 4 через нуль при движении подвижного секционированного электрода 2 вдоль неподвижного секционированного электрода 1 (т.е. по стрелке S).

Длина L каждой секции 3 неподвижного секционированного электрода 1 одинакова (в пределах допустимой для данного измерительного устройства технологической погрешности изготовления, которая (т.е. погрешность изготовления) должна быть меньше величины заданной разрешающей способности устройства) и может быть существенно больше, чем требуемая разрешающая способность заявленного устройства. Длина s каждой секции подвижного секционированного электрода 2 также одинакова (в пределах допустимой для данного измерительного устройства технологической погрешности изготовления, которая (т.е. погрешность изготовления) должна быть меньше величины заданной разрешающей способности устройства) и отличается от длины L секции 3 неподвижного секционированного электрода 1 на величину, равную требуемой (заданной) разрешающей способности устройства (т.е. заданной дискретности измерения).

Тогда разность токов в цепях n-ой и n+1-ой секций 4 подвижного секционированного электрода 2 будет пропорциональна следующей величине:
I_n=2•(-1)ⁿ•(n+1)L-(-1)ⁿ•(2n-1)s-(-1)ⁿ•2x,
где I_n - разность токов в цепях n-ой и n+1-ой секций 4 подвижного секционированного электрода 2;
n - порядковый номер секции подвижного секционированного электрода 2.

Функция I_n обращается в ноль при следующих значениях координаты х:

Разность значений двух последовательных координат x_n и x_n-1, соответствующих точкам перехода функции I_n через ноль, равна: x_n-x_n-1=L-s и не зависит от n.

Другими словами, координаты точек перехода через ноль разности токов в цепях каждой последовательной пары секций 4 подвижного секционированного электрода 2 не зависит от n и распределены равномерно по длине упомянутого неподвижного электрода 2. Расстояние же между двумя точками перехода через ноль определяется разностью длины L секции 3 неподвижного электрода 1 и длины s секции подвижного электрода 2 и технологически может быть обеспечено достаточно малым (в том числе и в пределах нанометрового диапазона).

Для того чтобы не было потери шага при перемещении подвижного секционированного электрода 2, необходимо, чтобы количество секций этого электрода 2 было кратно следующей величине m:

Устройство работает следующим образом. При перемещении подвижного секционированного электрода 2 вдоль неподвижного (по стрелке S) в моменты, когда любая пара соседних секций 4 подвижного электрода 2 оказывается расположенной симметрично относительно какой-либо секции 3 неподвижного электрода 1, разность токов I_n, создаваемых генератором 6 и протекающих по цепи: секции 3 неподвижного электрода 1 - очередная пара секций 4 подвижного электрода 2, обращается в нуль. Это происходит через расстояния по ходу движения, равные разности длины секции 3 неподвижного электрода 1 и длины секции 4 подвижного электрода 2. Общее количество переходов через ноль подсчитывается электронной системой 7 и, таким образом, идентифицируется пройденное расстояние х, которое оказывается равным разности длин секций 3 и 4 электродов 1 и 2 соответственно, умноженному на количество переходов разности токов I_n через ноль.

Таким образом, заявленное изобретение может быть использовано в различных областях техники для обеспечения прецизионного измерения перемещений объектов (в том числе и в нанометровом диапазоне), например в процессах микролитографии.

Устройство для прецизионного измерения расстояний включает два секционированных электрода, размещенных оппозитно один другому с возможностью перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов. Секции в первом и втором секционированных электродах выполнены одинаковой длины, при этом секции первого из электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения. Второй секционированный электрод выполнен с электроизолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода. Еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, равную заданной разрешающей способности устройства. Технический результат - повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для прецизионного измерения расстояний, включающее два секционированных электрода, которые размещены оппозитно один другому с возможностью относительного перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов, секции в первом и втором секционированных электродах выполнены, соответственно, одинаковой длины в направлении указанного относительного перемещения, при этом секции первого из упомянутых электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения, отличающееся тем, что второй секционированный электрод выполнен с электроизолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода, еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, равную заданной разрешающей способности устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из секционированных электродов выполнен с количеством секций, кратным отношению длины одной из секций другого секционированного электрода к разности длин секций упомянутых электродов.