Kapazitiver Distanzadresse-Fühler - Auslegung und Kennzeichnung einer Langen Reichweite, Lärmarme Berührungsfreie Stellung Senors durch Queensgate-Instrumente

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Themen Umfaßt

Zusammenfassung

Einleitung

Beschreibung von NanoSensor®-Anlage

Anlage Kalibrierung und Experimentelle Maße

Schlussfolgerungen

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt die Auslegung und die Kennzeichnung eines kapazitiven Distanzadresselangstreckenfühlers, NanoSensor® vorbildliches NXE2. Besondere Betonung wird auf die Ausrüstungsbeschreibungen und die metrologischen Erwägungen gelegt, die hohe Auflösung, sehr hohe Linearitäten, hohe Wiederholbarkeit und Ableitung der geringen Energie am Fühlerkopf ermöglichen. Wir berichten über die Auslegung und Leistung eines neuen KapazitanzStellungsgebers, mit Reichweite > 3 mm, Geräusche von 2 nm. Hz und 0,003% Nichtlinearität.

Die Experimentellen Daten werden einer vierten Ordnung polynomische Korrektur zeigend vorgelegt, die einfache Korrektur des Linearitätsfehlers bis 0,003% mit Geradeausfühlerbefestigung erlaubt. Die Empfindlichkeit der Anlage zur Installationsneigung, zur Temperatur und zu den Feuchtigkeitsänderungen wird auch dargestellt [1] [2].

Einleitung

KapazitanzStellungsgeber sind im Distanzadressemaß der hohen Präzision weit verbreitet gewesen. Sie haben den Nutzen des Seins berührungsfrei und haben Nullhysterese [2] und der geringen Energie Ableitung im Augenblick des Maßes. Sie sind sehr zur hohen Auflösung fähig: einige picometres, die betriebsbereit erreichbar sind. Die späteste Generation von Wafer-Stepper-Maschinen benötigen Maße mit einer Präzision von besser als 10 nm über Abständen einiger mm.

Die Meisten Kapazitanzfühler haben einen einzelnen Fühler, die Kapazitanz zu einem geerdeten Ziel messen. Gleichwohl diese Technik unter hohem thermischem Antrieb leidet, gewöhnlich in der Ordnung von 1 µm.K-1 für einen Fühler mit 2 mm der Reichweite (500 PPMs) und benötigt einen lärmarmen Boden für hochauflösende Anwendungen. Eine Zweiplatte Anlage unter Verwendung einer Fühler- und Zielelektrode kann diese Probleme überwinden.

Beschreibung von NanoSensor®-Anlage

Das einfachste Formular des Kapazitanzmikrometers ist der Kondensator der parallelen Platte. In dieser Konfiguration wird die Kapazitanz, C, durch Gleichung 1, wo ε dier relative Genehmigung des Materials zwischen den Platten ist, ε ist0 die Genehmigung des Vakuums gegeben, ist A der Plattenbereich und d ist die Plattentrennung oder -abstand.

(1)

AZoNano - Nanotechnologie - Prüfen Sie und Visieren Sie den Fühler an, der Beschriftungsbereich (a), Abdeckungsring und die Unterkunft zeigt.

Abbildung 1. Fühler und Ziel-Fühler, der Beschriftungsbereich (a), Abdeckungsring und die Unterkunft zeigt.

AZoNano - Nanotechnologie - Fühler-und Ziel-Fühler, der Fühlerabstand (d) zeigt

Abbildung 2. Fühler und Ziel-Fühler, der Fühlerabstand (d) zeigt.

In einem Kapazitanzmikrometer werden den Werten für0 ε, εr und A die Plattentrennung d können berechnet werden geregelt, wenn die Kapazitanz gemessen wird. Die Antriebselektronik, aufgestellt 5 m entfernt, decodiert das Signal zu einer Analogspannung in der Reichweite ±10 V und stellt eine Reichweite 3 mm dar. Tabelle 1 gibt die körperlichen Bedingungen der Anlage des Fühlers NXE2.

Tabelle 1. Abmessungen des NXE2 NanoSensor®.

Bedingung

Wert

Fühler-Größe

35 x 35 x 10mm

Fühler-Beschriftungsbereich

452 (mm2)

Ziel Größe

35 x 35 x 10mm

Nominaler Fühler Gap

3,0 (mm)

Fühler Arbeitsbereich

1,5 bis 4,5 (mm)

Kabellänge

5 (m)

Gehäuse Material

Aluminium

Elektrode Material

Gold überzogenes Zerodur

Anlage Kalibrierung und Experimentelle Maße

Die Anlage des Fühlers NXE2 wurde unter Verwendung eines Michelson-Interferometers [4] konstruiert worden durch das Nationale Körperliche Labor (NPL, GROSSBRITANNIEN) gekennzeichnet und kalibriert. Das Interferometer erlaubt, dass Hälfe der Fühlerpaare, das Ziel, in Stellung, während die andere Hälfte, der Fühler, über die Versuchsanlage verschoben wird, -1,5 mm + 1,5 mm, unter Verwendung einer groben Motorantriebsstufe geregelt wird.

Die Fühlerstellung wird bei 65 verschiedenen Punkten unter Verwendung des Interferometers gemessen. Die Ausgangsspannung vom elektronischen Block wird auch an jedem Punkt gemessen, um Kalibrierung der Anlage zu erlauben. Die Ausgabe von dieser Prüfung wird in Abbildung 3. gezeigt.

AZoNano - Nanotechnologie - Kalibrierung auf dem Laser-Interferometer.

Abbildung 3. Kalibrierung auf dem Laser-Interferometer.

Wenn die Rückstände von der Ausgleichsgerade berechnet werden, wird es offensichtlich, dass es Nichtlinearität des ~ gibt 0,4%, das mit der Anlage verbunden ist. Dieses kann in Abbildung 4. gesehen werden. Wenn dieser Linearitätsfehler im Laufe der Zeit stabil ist und nicht unter Hysterese- oder Neigungsfehler während des Einbaus [2] dann leidet, kann dieses unter Verwendung eines polynomischen Sitzes korrigiert werden.

AZoNano - Nanotechnologie - Rückstände von der Ausgleichsgerade.

Abbildung 4. Rückstände von der Ausgleichsgerade.

Dieser Effekt der Neigung ist für diese Anlage mengenmäßig bestimmt worden, indem man eine bekannte Neigungsstufe zum Fühler vorstellte und dann den Linearitätsfehler über dem 3,0 mm-Arbeitsbereich nachmaß. Abbildung 5,0 zeigt, dass für Installationsneigungsfehler von bis 4,5 mrad der Linearitätsfehler unter 0,02% bleibt. Dieses zeigt, dass die Anlage wieder-konfigurierbar ist und nicht unter Neigungsinstallationsfehler leiden wird.

AZoNano - Nanotechnologie - Änderung in gemessenen Linearitäten mit Einbau kippen Fehler.

Abbildung 5. Änderung in gemessenen Linearitäten mit Einbau kippen Fehler.

Der Nichtlinearitätsfehler leidet nicht unter Neigung und ist sehr wiederholbar, also kann er unter Verwendung eines 4. Ordnungspolynomsitzes kompensiert werden. Abbildung 6 zeigt den Stellungsfehler in einer Fühleranlage, die Ausgleich unter Verwendung des 4. Ordnungspolynoms gewesen ist.

AZoNano - Nanotechnologie - Rückstände von der Ausgleichsgerade nach 4. Ordnungspolynomausgleich.

Abbildung 6. Rückstände von der Ausgleichsgerade nach 4. Ordnungspolynomausgleich.

Nachdem der Ausgleich eingeführt worden ist, ist der Linearitätsfehler bis 0,003% verringert worden. Dieses ist mit 0,10 µm Höchstabweichung über dem 3 mm-Arbeitsbereich des Fühlers [3] gleichwertig.

Die Materialien, die für dieses NanoSensor® verwendet werden, sind speziell beschlossen worden, um hohe Stufen der Stabilität mit ändernder Temperatur und Feuchtigkeit zu geben. Das Aluminiumgehäuse wurde, um das Metrologiefeld des Wafer-Steppers übereinzustimmen ausgewählt und in der Anlage Isothermal zu sein. Die Fühlerelektroden sind von gold-überzogenem Zerodur hergestellt worden.

Der absolute thermische Koeffizient des Fühlers wurde gekennzeichnet, indem man die Fühler in eine Abstandspannvorrichtung legte, die aus SuperInvar hergestellt wird (TC = 0,3 PPMs. K)-1. Die Anlage wurde dann zwischen 10 und 40°C komprimiert, während die Stellungsausgabe von der Anlage gemessen wurde. Dieses produzierte das Diagramm, das in Abbildung 7. gezeigt wurde.

AZoNano - Nanotechnologie - Unkorrigierter Temperaturkoeffizient des Fühlers

Abbildung 7. Unkorrigierter Temperaturkoeffizient des Fühlers.

Dieses zeigt den Koeffizienten der absoluten Temperatur des Fühlers als -0,62 µm.K-1 (206 PPMs).

Wenn das Maß korrigiert wird, um den Gebrauch der SuperInvarmaßspannvorrichtungen anstelle des Aluminiums zuzulassen dann, wird der Fehler auf -0,32 µm.K verringert-1 (106 PPMs) wenn der Fühler in die Anlage eingebaut ist.

AZoNano - Nanotechnologie - Korrigierter Temperaturkoeffizient des Fühlers.

Abbildung 8. Korrigierte Temperaturkoeffizienten des Fühlers.

Der Feuchtigkeitskoeffizient der Anlage wurde unter Verwendung der SuperInvarspannvorrichtungen gemessen, die innerhalb einer Umweltprüfungskammer gelegt wurden. Die Stellungsausgabe wurde gemessen, während der Fühler zwischen 70% und 30% komprimiert wurde. Der Koeffizient der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) der Anlage wurde als -95 nm.% gemessen-1 (31 PPMs).

AZoNano - Nanotechnologie - AZoNano - Nanotechnologie -

Abbildung 9. AZoNano - Nanotechnologie -.

Schlussfolgerungen

Ergebnisse von der Auslegung und von der Prüfung des NXE2 NanoSensor® sind dargestellt worden und werden in der untengenannten Tabelle 2 zusammengefasst.

a.      Eine hohe Auflösung NanoSensor® mit 3 mm Messbereich- und Linearitätsfehler von 0.003% ist erzielt worden.

b.      Es ist gezeigt worden, dass die Anlage eine niedrige Empfindlichkeit zur Installationsneigung hat.

c. Die Maßergebnisse sind thermischen Antrieb von -0,32 µm.K (106-1 PPMs) und Feuchtigkeitskoeffizienten von -95 nm.% (dargestellt worden-1 31 PPMs) zeigend.

Tabelle 2. Zusammenfassung von Maßergebnissen.

Bedingung

Wert

Reichweite

3.0mm, 1.5mm bis 4.5mm

Nominaler Fühler Gap

3.0mm

Linearitäten Fehler (Uncompensated)

0,4%

Linearitäten Fehler (Kompensiert)

<0.02%

Thermischer Antrieb

-0.32µm.K-1 (106ppm)

Feuchtigkeit Koeffizient

-95nm.%-1 (31ppm)

Geräusche Koeffizient

2nm. Hz

Hauptautor: Rhead, P.M., Patel, J., Atherton, P.D., Provinzler, T.R. und McConnell, M.

Quelle: Queensgate-Instrumente.

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Queensgate-Instrumente.

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