Система для измерения входного электрического тока
Изобретение относится к метрологии, в частности к способам измерения тока. Измерительная система содержит источник тока и измерительную схему, зажим которой соединен с источником тока. Схема измерения тока содержит зажим для подключения источника питания и источник напряжения, соединенный с зажимами источника питания и выполненный с возможностью подачи сигнала напряжения возмущения к источнику питания. Причем напряжение возмущения представляет собой напряжение, присутствующее на первом входном зажиме, и имеет ту же величину, что и напряжение на входе измерительной схемы. Источник напряжения формирует сигнал с треугольной или прямоугольной формой волны. При этом источник напряжения соединен с емкостным датчиком, а величина генерируемой источником тока силы тока зависит от расстояния между емкостным датчиком и мишенью средства литографии. Схема измерения тока построена на основе операционного усилителя, а напряжение возмущения подается к источникам питания через конденсаторы или индукторы. Схема измерения тока также содержит разделяющую и интегрирующую схемы, усилители, преобразователи ток-напряжение, дифференциальные схемы, селекторы, фильтры, аналого-цифровой преобразователь и схему цифровой обработки. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 34 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к емкостному датчику для измерения расстояния, в частности к емкостному датчику для измерения расстояния до мишени в устройстве литографии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих применениях важно очень точно измерять электрический ток. Например, устройства литографии пучками заряженных частиц и устройства оптической литографии и контрольно-измерительные устройства, например, типично требуют высокоточного измерения расстояния от последней линзы устройства до поверхности пластины или другой мишени, которая должна быть подвергнута воздействию или проверена. Эти и другие устройства с подвижными частями часто требуют точного выравнивания различных частей, которое может достигаться посредством измерения расстояния от подвижной части до точки отсчета. Емкостные датчики могут использоваться в таких применениях, требуя точного измерения положения или расстояния. Когда емкостный датчик возбуждается, через датчик протекает электрический ток, который изменяется в зависимости от расстояния между чувствительным элементом и противоположной поверхностью. Точное измерение этого тока может использоваться, чтобы точно определять измеренное расстояние.
Чтобы измерить электрический ток, может использоваться измерительная схема, имеющая ток, который должен быть измерен, в качестве входного сигнала, и предоставляющая сигнал измерения в качестве выходного сигнала, часто в форме напряжения, которое может быть дополнительно обработано и преобразовано в цифровой сигнал. Существует несколько факторов, которые вносят вклад в ошибки в таких измерительных цепях. Они включают в себя паразитное полное сопротивление во входной цепи измерительной схемы, ограниченный коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) входной цепи, и неточность в передаточной функции измерительной схемы независимо от синфазного сигнала. Значение такого паразитного полного сопротивления может изменяться, например, в зависимости от таких факторов, как температура, и искажения на входе также могут меняться со временем. Это делает компенсацию этих эффектов сложной.
Часто необходимо расположить электронные измерительные схемы, используемые для возбуждения емкостных датчиков и для генерирования требуемых сигналов измерения, на некотором расстоянии от датчиков из-за неблагоприятных условий, в которых расположены датчики, или из-за отсутствия подходящего места для размещения цепей рядом с датчиками. В современных литографических применениях, таких как системы субмикронной ультрафиолетовой (EUV) литографии и литографии пучками заряженных частиц, датчики типично располагаются в условиях вакуума, которые очень чувствительны к загрязнениям и внешним возмущениям, и которые создают проблему отвода тепла из электрических схем, если они расположены в условиях вакуума, и затрудняют доступ для технического обслуживания таких схем.
Проводные соединения между датчиками и удаленно расположенными возбуждающими и измерительными схемами вводят паразитные емкости в систему, которые влияют на показания датчика. Если бы измерительные схемы могли располагаться на зонде датчика, ток датчика мог бы измеряться напрямую и точно. Из-за этих параллельных паразитных емкостей, вводимых системой кабелей, измерение тока в датчике часто избегается в системах с удаленно расположенными измерительными схемами. Традиционные решения вводят ошибки измерения, которые должны быть приняты во внимание, обычно посредством калибровки объединенной установки датчика и проводки. Чем длиннее проводное соединение, тем более серьезными становятся эти проблемы.
Требование калибровки датчиков в объединении с проводкой датчика снижает гибкость в проектировании и построении систем датчиков и увеличивает их стоимость, а также добавляет требование повторной калибровки всякий раз, когда датчик или проводка заменяется, делая такую замену сложной, требующей много времени и дорогой.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на решение или уменьшение вышеупомянутых недостатков, чтобы предоставить улучшенную измерительную систему для измерения входного электрического тока от источника тока и генерирования сигнала измерения тока, содержащую схему измерения тока, имеющую первый входной зажим, соединенный с источником тока, и выходной зажим для предоставления сигнала измерения тока. Схема измерения тока дополнительно содержит один или более зажимов источника питания, выполненных с возможностью принимать одно или более напряжений от источника питания для питания схемы измерения тока. Схема измерения тока также содержит первый источник напряжения, соединенный с одним или более зажимами источника питания, первый источник напряжения, предоставляющий напряжение возмущения одному или более зажимам источника питания, причем напряжение возмущения, представляющее напряжение на первом входном зажиме.
Измерительная система может дополнительно содержать дифференциальную схему, выполненную с возможностью вычитать напряжение, генерируемое первым источником напряжения, из сигнала на выходном зажиме схемы измерения тока, чтобы генерировать сигнал измерения тока.
Первый источник напряжения может быть соединен с первым входным зажимом схемы измерения тока для возбуждения нагрузки, чтобы формировать источник тока. Нагрузка может содержать емкостный датчик для генерирования тока, который изменяется в зависимости от расстояния между емкостным датчиком и мишенью. Нагрузка может быть соединена с первым входным зажимом схемы измерения тока посредством кабеля, содержащего провод датчика и экранирующий проводник, при этом провод датчика соединен последовательно между нагрузкой и первым входным зажимом, а экранирующий проводник соединен с первым источником напряжения.
Выходной зажим первого источника напряжения может быть связан через один или более конденсаторов с одним или более зажимами источника питания схемы измерения тока. Схема измерения тока может содержать преобразователь ток-напряжение.
Схема измерения тока может содержать операционный усилитель, зажим отрицательного входа операционного усилителя, служащий в качестве первого входного зажима схемы измерения тока, и выходной зажим операционного усилителя, служащий в качестве выходного зажима схемы измерения тока, операционный усилитель, дополнительно содержащий зажим положительного входа и один или более зажимов источника питания, при этом зажим положительного входа операционного усилителя электрически связан с одним или более зажимами источника питания операционного усилителя. Зажим положительного входа операционного усилителя может быть электрически связан с одним или более зажимами источника питания операционного усилителя через один или более конденсаторов.
Первый источник напряжения может использоваться, чтобы генерировать напряжение с треугольной формой волны, а источник тока может генерировать ток с по существу прямоугольной формой волны.
В другом аспекте, изобретение относится к способу измерения входного электрического тока от источника тока и генерирования сигнала измерения тока. Способ содержит этапы предоставления входного тока первому входному зажиму схемы измерения тока, причем измерительная схема, имеет один или более зажимов источника питания, выполненных с возможностью принимать одно или более напряжений от источника питания для питания схемы измерения тока, предоставления напряжения возмущения одному или более зажимам источника питания, причем напряжение возмущения, представляющее напряжение на первом входном зажиме, и генерирования выходного сигнала на выходном зажиме схемы измерения тока, представляющего входной электрический ток на первом входном зажиме схемы измерения тока.
Способ может дополнительно содержать вычитание напряжения возмущения из выходного сигнала на выходном зажиме схемы измерения тока, чтобы генерировать сигнал измерения тока. Способ может также содержать возбуждение нагрузки с помощью напряжения, чтобы генерировать входной электрический ток на первом входном зажиме схемы измерения тока, и нагрузка может содержать емкостный датчик для генерирования тока, который изменяется в зависимости от расстояния между емкостным датчиком и мишенью.
Способ может дополнительно содержать соединение нагрузки с первым входным зажимом схемы измерения тока посредством кабеля, содержащего провод датчика и экранирующий проводник, при этом провод датчика соединен последовательно между нагрузкой и первым входным зажимом, а экранирующий проводник возбуждается по существу тем же напряжением, которое используется для возбуждения нагрузки.
Напряжение возмущения может предоставляться одному или более зажимам источника питания через один или более конденсаторов, и может быть изолировано от напряжений источника питания одним или более индукторами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные аспекты изобретения будут дополнительно пояснены со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах, на которых:
Фиг. 1 - схема зонда емкостного датчика и заземленной проводящей мишени.
Фиг. 2 - схема двух зондов емкостного датчика в дифференциальном измерительном устройстве с незаземленной мишенью.
Фиг. 3 - схема активной экранирующей схемы и коаксиального кабеля в объединении с источником питания и схемой измерения тока.
Фиг. 4 - схема измерительной схемы с источником напряжения и возбудитель экранирующего проводника, возбуждающий как провод датчика, так и экранирующий проводник в дифференциальном устройстве пары датчиков.
Фиг. 5 - схема изменения измерительной схемы по фиг. 4 с возбудителями экранирующего проводника, встроенными в источники напряжения.
Фиг. 6 - схема трехосного кабеля, используемого для измерительной схемы по фиг. 4 или фиг.5.
Фиг. 7A - диаграмма треугольной формы волны напряжения переменного тока для возбуждения емкостного датчика.
Фиг. 7B - диаграмма идеальной формы сигнала переменного тока, получающегося из треугольной формы волны напряжения по фиг. 7A.
Фиг. 7С - диаграмма формы сигнала переменного тока, получающегося на практике из треугольной формы волны напряжения по фиг. 7A.
Фиг. 8 - вид в поперечном сечении тонкопленочного емкостного датчика, соединенного с трехосным кабелем датчика.
Фиг. 9A - вид в поперечном сечении пары тонкопленочных емкостных датчиков.
Фиг. 9B - вид сверху пары тонкопленочных емкостных датчиков по фиг. 9A.
Фиг. 10 - упрощенная схема емкостных датчиков и измерительной схемы, реализованной для измерения расстояния в устройстве литографии пучками заряженных частиц.
Фиг. 11 - упрощенный вид модульной системы литографии с множеством групп тонкопленочных емкостных датчиков для измерения положения подвижных частей.
Фиг. 12 - упрощенная функциональная схема схемы измерения тока с входным напряжением возмущения, подаваемым в источник питания.
Фиг. 13 - упрощенная схема схемы измерения тока по фиг. 12 с нагрузкой, возбуждаемой источником напряжения.
Фиг. 14 - упрощенная схема схемы измерения тока, реализованной с операционным усилителем.
Фиг. 15 - упрощенная схема схемы измерения тока по фиг. 14 для измерения тока от емкостного датчика.
Фиг. 16A-C - диаграммы формы сигналов для схемы измерения тока по фиг. 13-15.
Фиг. 17 - упрощенная схема схемы одного из вариантов осуществления системы измерения тока.
Фиг. 18A-K - примеры форм сигналов, генерируемых в схемы по фиг. 17.
Фиг. 19 - упрощенная блок-схема структуры электронных схем для системы измерения тока.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Нижеследующее является описанием различных вариантов осуществления изобретения, приведенных лишь в качестве примера, и со ссылкой на чертежи.
Емкостный датчик использует однородное электрическое поле, устанавливаемое между двумя проводящими поверхностями. На коротких расстояниях прикладываемое напряжение пропорционально расстоянию между поверхностями. Датчики с одиночной пластиной измеряют расстояние между одиночной пластиной датчика и поверхностью электропроводящей мишени.
Фиг. 1 показывает одиночный зонд 1 емкостного датчика, измеряющий положение, или разделяющее расстояние до заземленной проводящей мишени 2. При питании переменным током (AC), ток будет протекать вдоль пути 3 из датчика в мишень через емкость 4 датчик-мишень, и из мишени в землю через полное сопротивление 5 мишень-земля. Напряжение на датчике будет изменяться в зависимости от расстояния, разделяющего зонд датчика и поверхность мишени, и измерение этого напряжения предоставит измерение положения мишени или расстояния от зонда датчика до мишени. Точность измерения зависит от того, насколько точно датчик может измерять емкость 4 датчик-мишень.
Фиг. 2 показывает устройство из двух зондов 1a и 1b емкостных датчиков для дифференциального измерения положения, или разделяющего расстояния до мишени 2. Датчики питаются переменным током с фазовым сдвигом в 180 градусов, так что ток будет протекать вдоль пути 6 от одного датчика в мишень через емкость 4a датчик-мишень, и от мишени в другой датчик через другую емкость 4b датчик-мишень. Это устройство для возбуждения двух датчиков сдвинутыми по фазе сигналами эффективно для предотвращения течения тока через мишень в землю, и минимизирует влияние полного сопротивления мишень-земля. Это также полезно для незаземленной мишени, так как это позволяет току протекать от одного датчика в другой без необходимости пути возврата через землю.
Емкостный датчик может возбуждаться источником напряжения переменного тока или источником переменного тока, и результирующее напряжение на датчике или ток через датчик измеряется. Сигнал измерения генерируется в зависимости от емкости датчик-мишень датчика. Система может быть откалибрована до измерительного конденсатора, и чтобы измерять ток/напряжение.
Условия, в которых типично используются емкостные датчики в промышленных применениях, часто являются неподходящим местом для источника тока или напряжения для возбуждения емкостных датчиков и измерительных схем для обработки сигналов от датчиков. В результате, возбуждающий источник и измерительные схемы обычно располагаются удаленно от датчиков, требуя кабельного соединения с датчиком. Кабельное соединение между датчиками и удаленными схемами будет вводить дополнительные нежелательные емкости в систему, даже если кабель короткий.
Фиг. 3 - схема, показывающая такое кабельное соединение и емкости, вводимые кабелем в систему датчиков. Емкость 4 датчик-мишень - это емкость, которая должна быть измерена (также указываемая ссылкой, как емкость датчика), которая зависит от расстояния между датчиком и мишенью. Кабель 30 содержит центральный проводник 31 и коаксиальный экранирующий проводник 32, и кабель вносит паразитную емкость 36, указываемую ссылкой как емкость кабеля, между проводом 31 датчика и экранирующим проводником 32, и паразитную емкость 37 на землю между экранирующим проводником 32 и землей.
Источник 20 напряжения соединяется через схему 21 измерения тока с одним концом провода 31 датчика, а измерительный электрод емкостного датчика соединяется с другим концом провода датчика. Источник 20 напряжения подает напряжение переменного тока, чтобы возбуждать емкостный датчик 1, и схема 21 измерения тока измеряет ток, текущий в провод 31 датчика через емкостный датчик 1. Ток, текущий через провод 31 датчика, изменяется в зависимости от емкости 4 датчика, которая изменяется в зависимости от расстояния, измеряемого датчиком.
Ток, текущий через провод 31 датчика, будет включать в себя составляющую, обусловленную током, текущим через емкость 4 датчика, а также составляющую, обусловленную током, текущим через емкость 36 кабеля. Емкость 36 кабеля должна быть небольшой в сравнении с емкостью 4 датчика, так как большие паразитные емкости увеличивают долю тока, текущего через паразитные емкости, в сравнении с током текущим через емкость датчика, которую требуется измерить, и снижают чувствительность измерения. Однако емкость кабеля обычно большая, и оказывает неблагоприятное влияние на чувствительность системы датчиков.
Активное экранирование может использоваться, чтобы минимизировать влияние емкости кабеля. Фиг. 3 показывает традиционное устройство с возбудителем 24 экранирующего проводника, содержащее усилитель/буфер с единичным коэффициентом усиления, со входом, соединенным с концом провода 31 датчика, и выходом, соединенным с экранирующим проводником 32. Возбудитель 24 экранирующего проводника возбуждает экранирующий проводник 32 (по существу) тем же напряжением, которое присутствует на проводе 31 датчика. Так как провод 31 датчика и экранирующий проводник 32 находятся под почти одинаковым напряжением, имеется лишь небольшая разница в напряжении между ними, и лишь небольшой ток протекает через емкость 36 кабеля, и влияние емкости 36 кабеля между проводниками снижается. На практике, коэффициент усиления возбудителя экранирующего проводника лишь приближается к коэффициенту усиления, равному 1,0, и некоторое отклонение в коэффициенте усиления должно быть ожидаемым. Любое такое отклонение в коэффициенте усиления приводит к небольшой разнице в напряжении между экранирующим проводником 32 и проводом 31 датчика, поэтому существует напряжение на емкости 36 кабеля. Это вызывает ток через емкость 36 и снижает чувствительность системы датчиков. Для длинных кабелей (с высокими емкостями кабеля) и более высоких частот измерения это устройство становится еще менее эффективным.
Ток через паразитную емкость 37 кабель-земля питается возбудителем 24 экранирующего проводника. Входной ток в возбудитель 24 экранирующего проводника будет вносить вклад в ток, измеряемый схемой 21 измерения тока, приводя к ошибке, но возбудитель экранирующего проводника имеет высокое входное полное сопротивление, и его входной ток относительно небольшой, так что получающаяся ошибка мала. Однако для длинных кабелей и более высоких частот измерения это устройство сложно реализовать. Возбудитель экранирующего проводника имеет некоторую входную емкость, которая будет притягивать дополнительный ток. Измеренная емкость является суммой емкости 4 датчика и этих дополнительных ошибочных емкостей; отклонения от единичного коэффициента усиления возбудителя 24 экранирующего проводника, умноженного на паразитную емкость 36, и входной емкости возбудителя 24 экранирующего проводника.
Ошибка измерения может быть снижена посредством перестройки схемы, как показано на фиг. 4. Эта компоновка предназначена для возбуждения двух емкостных датчиков в устройстве дифференциальной пары. Для систем измерения положения, в которых мишень (или часть мишени) не является проводником, или иным образом изолирована от земли, второй датчик или вторая измерительная схема с обратным возбудителем может использоваться в устройстве дифференциальной пары, таком как показанное на фиг. 4.
Выход источника 20a напряжения соединен со входом возбудителя 24a экранирующего проводника, выход возбудителя 24a экранирующего проводника соединен с одним зажимом схемы 21a измерения тока, а другой зажим схемы 21a измерения тока соединен с проводом 31a датчика. Такое же расположение используется для источника 20b напряжения, возбудителя 24b экранирующего проводника, схемы 21b измерения тока и провода 31b датчика. Источники 20a и 20b напряжения генерируют формы волны напряжения переменного тока, смещенные по фазе на 180 градусов относительно друг друга. Мишень проводит переменный ток между двумя датчиками 1a и 1b через две емкости 4a и 4b датчиков. Мишень ведет себя, как виртуальная земля для двух измерительных систем, это оптимально, если емкости 4a и 4b датчиков равны. Потенциал мишени будет удаляться, как возмущения общего вида, когда рассчитывается разница между двумя измерениями 22a и 22b тока.
Перемещение входа возбудителя экранирующего проводника в точку «перед» измерением тока опускает входную емкость возбудителя экранирующего проводника из измерения емкости, таким образом, устраняя эту составляющую ошибки из измерения. Это также может быть рассмотрено, как передача вперед выхода возбудителя экранирующего проводника на экранирующий проводник. Выход источника напряжения все еще передается на провод датчика, и также напрямую соединяется, чтобы возбуждать экранирующий проводник, вместо накопления напряжения провода датчика, чтобы нагрузить экранирующий проводник. Соединение возбудителя экранирующего проводника последовательно между источником напряжения и измерительной схемой имеет дополнительное преимущество, состоящее в удалении ошибки, вызванной отклонением от единичного коэффициента усиления возбудителя экранирующего проводника, так как выход возбудителя экранирующего проводника соединен как с проводом датчика (через измерительную схему), так и с экранирующим проводником.
Фиг. 5 показывает дополнительное улучшение, с такой же конфигурацией, как на фиг. 4, но с опущенным отдельным возбудителем 24a/24b экранирующего проводника, эта функция, объединенная с источником 20a/20b напряжения, чтобы возбуждать все емкости в системе. Это устройство использует одинаковый возбудитель как для провода датчика, так и дли экранирующего проводника, и измеряет ток, текущий в проводе датчика. Результирующая система достигает простоты, в то же время избегая источников ошибки измерения, присутствующих в традиционных устройствах.
Устройство по фиг. 4 и 5 эффективно устраняет любую разницу в напряжении между проводом 31 датчика и экранирующим проводником 32, поэтому имеется пренебрежимое напряжение на емкости 36 кабеля. Это эффективно устраняет ток через емкость 36 кабеля, и ток, измеряемый схемой 21, фактически является лишь током через емкость 1 датчика. Входное полное сопротивление схемы измерения тока сделано достаточно низким, чтобы напряжения, подаваемые на провод датчика и экранирующий проводник, были почти одинаковыми.
Ток через емкость 37 между экранирующим проводником 32 и землей подается от источника 20 напряжения или отдельного возбудителя 24 экранирующего проводника, и этот ток не формирует часть измеряемого тока, и оказывает лишь влияние второго порядка на напряжение на выходе источника напряжения. Любое отклонение от единичного коэффициента усиления возбудителя экранирующего проводника и влияние входной емкости возбудителя экранирующего проводника устраняются в этом устройстве.
В сущности, устройство на фиг. 4 и 5 приводит к возбуждению экранирующего проводника 32 и соединению экранирующего проводника с проводом 31 датчика, так что напряжение на проводе датчика следует напряжению на экранирующем проводнике. Это обратно традиционному устройству, в котором провод датчика возбуждается, и напряжение на проводе датчика копируется на экранирующий проводник. В этой конструкции фокус меняется с первичной направленности на измерение тока через датчик (и, таким образом, измерения емкости датчика и значения расстояния), в то же время учитывая утечку тока из-за паразитных емкостей, на первичное фокусирование на обеспечении подходящих условий для точного измерения тока датчиком посредством управления напряжением экранирующего проводника, осознавая, что это является главной проблемой, а измерение тока датчика является меньшей проблемой.
Заземленный внешний экранирующий проводник также может добавляться к конфигурациям на фиг. 4 и 5, чтобы снизить возмущения от находящихся рядом источников возмущения. Фиг. 6 показывает кабель 30a с заземленным внешним экранирующим проводником 33a, расположенным вокруг (внутреннего) экранирующего проводника 32a. Кабель в данном варианте осуществления является трехосным кабелем, заземленный экранирующий проводник 33a, формирующий самый внешний проводник. Заземленный экранирующий проводник предпочтительно соединен с отдельной землей в удаленном конце кабеля, например, радом с измерительной схемой 21a. Эта земля является экранирующей землей, и предпочтительно не соединяется с какой-либо землей в датчике. Возмущения от других близлежащих систем могут быть снижены, используя заземленный экранирующий проводник вокруг каждого кабеля, как описано выше, или посредством размещения одиночного заземленного экранирующего проводника вокруг обоих кабелей 30a и 30b.
Традиционные емкостные системы датчиков часто возбуждают датчики, используя источник тока, и измеряют результирующее напряжение на емкости датчика. Изобретение, например, в конфигурациях, показанных на фиг. 4-6, использует источник напряжения и измерение тока. Источник напряжения предпочтительно генерирует треугольную форму волны напряжения переменного тока, имеющую постоянную пиковую амплитуду, постоянную частоту и чередующийся положительный и отрицательный наклон с постоянным углом наклона, как показано на фиг. 7A, хотя другие формы волны также могут использоваться. Амплитуда в 5В от пика к пику и частота в 200 кГц являются обычными значениями. Источник напряжения предпочтительно имеет низкое выходное полное сопротивление, чтобы добиться выхода с постоянной амплитудой при изменяющихся условиях нагрузки, и может быть реализован, например, используя сильноточный операционный усилитель.
Возбудитель экранирующего проводника может быть реализован в виде операционного усилителя, предпочтительно, с низким выходным полным сопротивлением. Возбудитель экранирующего проводника может быть встроен в источник напряжения для возбуждения как провода датчика, так и экранирующего проводника, как описано выше.
На фиг. 7A показан пример треугольной формы волны источника напряжения, которая в идеале производит квадратную форму волны тока, как показано на фиг 7B, где амплитуда формы волны тока изменяется в зависимости от измеренной емкости. На практике треугольная форма волны напряжения приводит к неидеальной форме волны тока, скорее как форма волны, показанная на фиг. 7C. Схема 21 измерения тока может быть сконфигурирована, чтобы измерять амплитуду формы волны тока рядом с концом каждого полуцикла в части формы волны, в которой амплитуда стабилизировалась, чтобы снизить влияние таких переменных неидеальностей в форме волны сигнала. Схема 21 измерения тока может являться преобразователем ток-напряжение, предпочтительно с низким входным полным сопротивлением, высокой точностью и низким искажением.
Емкостный датчик может являться традиционным емкостным датчиком или тонкопленочной конструкцией, как описанная в заявке на выдачу патента США № 12/977240, которая полностью включена в материалы настоящей заявки посредством ссылки. Фиг. 8 иллюстрирует соединения трехосного кабеля 30 с емкостным датчиком, в данном примере, тонкопленочным датчиком 40, содержащим электроды 41, 42, 43, сформированные из тонких проводящих слоев с промежуточными тонкопленочными изолирующими слоями 45. Провод 31 датчика соединен с чувствительным электродом 41 датчика, экранирующий проводник 32 соединен с задним экранирующим электродом 42, а заземленный внешний экранирующий проводник соединен с экранирующим электродом 43. Похожая схема соединения может использоваться с коаксиальным кабелем и с другими типами датчиков.
Фиг. 9A и 9B показывают примерный вариант осуществления пары датчиков, собранной в виде отдельного объединенного блока, который может использоваться в качестве дифференциального датчика. В этих вариантах осуществления, объединенный блок включает в себя два датчика 40a и 40b, каждый, имеющий отдельный чувствительный электрод 41a, 41b и отдельный задний экранирующий электрод 42a, 42b. Два датчика пары датчиков делят одиночный экранирующий электрод 43, объединенный с парой датчиков, или, в качестве альтернативы, проводящая пластина 46, на которой зафиксирована пара датчиков, могла бы использоваться в качестве экранирующего электрода. Два датчика 40a, 40b предпочтительно управляются, как дифференциальная пара, как описано в материалах настоящей заявки, где каждый датчик возбуждается напряжением или током, который смещен по фазе относительно другого датчика из пары, предпочтительно смещен по фазе на 180 градусов, и дифференциальное измерение производится, чтобы вычесть возмущения общего вида.
Фиг. 9B показывает вид сверху пары датчиков. Задние экранирующие и чувствительные электроды сформированы в закругленной четырехсторонней форме, спроектированной, чтобы помещаться, например, в угловые положения вокруг последней линзы устройства литографии. Электроды также могут быть сформированы в круглых формах, чтобы произвести чувствительные электроды большой площади.
Возможны многие альтернативы вышеописанным устройствам. Например, может использоваться коаксиальный, трехосный кабель, или кабель с четырьмя или более проводниками. Кабель с одним или более экранирующими проводниками в некоаксиальном расположении также может использоваться, например, с проводниками, расположенными в плоской конфигурации с центральным проводом датчика с экранирующими проводниками на любой стороне. Возбудитель экранирующего проводника может быть отдельным, или может быть встроенным в источник напряжения. Одиночный источник напряжения может использоваться, чтобы возбуждать множественные датчики. Это особенно выгодно в конфигурациях с возбудителем экранирующего проводника, объединенным с источником напряжения, значительно уменьшая количество отдельных компонентов, используемых в системе датчиков.
Некоторые примерные расчеты могут использоваться, чтобы проиллюстрировать улучшение в эффективности изобретения. Для датчика с 4 мм диаметром чувствительной поверхности, номинальное измерительное расстояние в 0,1 мм приводит к номинальной емкости датчика примерно в 1 пФ. Кабель типа RG178 и длиной пять метров приводит к емкости кабеля между жилой и экранирующими проводниками примерно в 500 пФ. Усилитель возбудителя экранирующего проводника с коэффициентом расширения полосы частот в 100 МГц и измерением частоты в 1 МГц приводит к коэффициенту усиления, составляющему 0,99, с отклонением в 0,01 от единичного коэффициента усиления. Используя эти примерные значения, может быть оценена установившаяся эффективность конфигураций, описанных выше. Традиционная конфигурация активного экранирования, как показано на фиг. 3, приводит к измерению емкости: 1 пФ + (1-0,99)×500 пФ = 6 пФ. Эта большая ошибка обычно компенсируется посредством калибровки объединенной системы датчика и кабеля. Конфигурация с объединенным возбудителем как для провода датчика, так и для экранирующего проводника, как показано на фиг. 4-6, приводит к измерению емкости: 1 пФ + (1-1)×500 пФ = 1 пФ. В данном примере, ошибки измерения в 500% устраняются без необходимости калибровки объединенной системы датчика/кабеля.
Эффективность конфигураций, описанных выше, может также быть оценена, когда внешние возмущения вызывают изменение в токе в экранирующем проводнике. Например, предполагая, что изменение в токе в экранирующем проводнике вызывает дополнительную ошибку коэффициента усиления в 1% в возбудителе экранирующего проводника, традиционная конфигурация активного экранирования, как показано на фиг. 3, приводит к измерению емкости: 1 пФ +(1-0,98)×500 пФ = 11 пФ. Предполагая такую же ошибку коэффициента усиления в 1% в возбудителе экранирующего проводника/провода, конфигурация с объединенным возбудителем, как показано на фиг. 4-6, приводит к измерению емкости: 0,99×1 пФ + (1-1)×500 пФ = 0,99 пФ. Это представляет отклонение ошибки в 0,01 пФ, что составляет всего 1%. Чувствительность к длине/нагрузке кабеля снижается примерно до 1%.
Фиг. 10 показывает упрощенную схему емкостных датчиков 1 и измерительной схемы 103, реализованной для измерения расстояния в устройстве литографии пучками заряженных частиц. Устройство литографии генерирует пучки заряженных частиц для воздействия мишени 2, такой как кремниевая пластина, установленная на платформу 100, подвижную в горизонтальном и вертикальном направлениях. Емкостные датчики устанавливаются на пластину рядом с последним элементом проекционного объектива 102 устройства литографии, выполненные с возможностью измерять расстояние от элемента проекционного объектива до поверхности пластины, которая должна быть подвергнута воздействию. Датчики соединены через кабель 30 с измерительной системой 103, которая может включать в себя источник 20 напряжения и схема 21 измерения тока в любой из конфигураций, описанных в материалах настоящей заявки. Измерительная система 103 генерирует сигнал измерения тока, который передается системе 104 управления, которая, на основании сигнала измерения, управляет перемещением платформы 100, чтобы привести мишень 2 на требуемое расстояние от проекционного объектива устройства литографии.
Фиг. 11 показывает упрощенную блок-схему, иллюстрирующую принципиальные элементы модульного устройства 500 литографии. Устройство 500 литографии предпочтительно сконструировано модульным образом, чтобы обеспечить легкое техническое обслуживание. Главные подсистемы предпочтительно сконструированы в виде самостоятельных и удаляемых модулей с тем, чтобы они могли удаляться из устройства литографии с настолько незначительным возмущением других подсистем, насколько это возможно. Это особенно выгодно для устройства литографии, заключенного в вакуумную камеру, в которой доступ к устройству ограничен. Таким образом, неисправная подсистема может удаляться и заменяться быстро, без ненужного разъединения или возмущения других систем.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 11, эти модульные подсистемы включают в себя модуль 501 осветительной оптики, включающий в себя источник 301 пучка заряженных частиц, и систему 302 коллимации пучка, модуль 502 апертурной решетки и конденсорной линзы, включающий в себя апертурную решетку 303 и решетку 304 конденсорной линзы, модуль 503 переключения пучка, включающий в себя многодырочную решетку 305 и решетку 306 схем гашения пучка, и модуль 504 проекционной оптики, включающий в себя решетку 308 остановки пучка, решетку 309 дефлектора пучка и решетки 310 проекционных линз. Модули сконструированы, чтобы скользить в регулировочную раму и выскальзывать из нее. В варианте осуществления, показанном на фиг. 11, регулировочная рама содержит регулировочную внутреннюю подраму 505, подвешенную через подавляющие вибрации держатели 530 на регулировочную внешнюю подраму 506. Рама 508 поддерживает регулировочную подраму 506 через подавляющие вибрации держатели 507. Мишень или пластина 330 установлена на конструкции 509 поддержки подложки, которая в свою очередь устанавливается на зажимное устройство 510. Зажимное устройство 510 расположено на коротком ходе 511 и длинном ходе 512 платформы, выполненных с возможностью перемещать платформу в различных горизонтальных и вертикальных направлениях. Устройство литографии заключено в вакуумную камеру 335, которая может включать в себя экранирующий слой или слои 515 мю-металла, и устанавливаться на базовой плите 520, поддерживаемая элементами 521 рамы.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 11, пять групп емкостных датчиков используются, чтобы измерять положение или расстояние различных элементов в устройстве литографии. Группа 401 датчиков выполнена с возможностью измерять расстояние между последней линзой и мишенью 330, как показано, например, на фиг. 10. Группа 402 датчиков выполнена с возможностью измерять расстояние между датчиком оптического выравнивания, установленным рядом с последней линзой, и мишенью 330, или зажимным устройством 510, чтобы способствовать фокусировке пука датчика выравнивания для выравнивания мишени и платформы. Группа 403 датчиков выполнена с возможностью измерять положение короткого хода 511 платформы в горизонтальном (ось X, Y) и вертикальном (ось Z) положениях посредством измерения расстояний относительно длинного хода 512 платформы. Группа 404 датчиков выполнена с возможностью измерения положения подвешенной подрамы 505 относительно регулировочной подрамы 506 в горизонтальном и вертикальном положениях посредством измерения относительно подрамы 505. Группа 405 датчиков выполнена с возможностью измерения положения модуля 501 осветительной оптики в горизонтальном и вертикальном положениях посредством измерения относительно подрамы 505.
Емкостные датчики, используемые в любом из применений, показанных на фиг. 10 и 11, предпочтительно являются тонкопленочными датчиками, и могут также располагаться парами для дифференциального функционирования. Датчики могут относиться к типу, показанному на фиг. 8, предпочтительно, соединенному с кабелем 30, используя расположение, показанное на фиг. 8. Датчики также могут быть собраны с помощью множества чувствительных электродов на одиночной подложке, как, например, пара датчиков, показанная на фиг. 9A, 9B. Использование тонкопленочной конструкции позволяет производить датчики по низкой стоимости, и позволяет располагать датчики в узких пространствах и на частях устройства литографии, не пригодных для традиционных датчиков с более крупными размерами. Управление датчиками в дифференциальном режиме позволяет использовать датчики для измерения расстояния до противоположной поверхности, которая не заземлена, и не требует обратного электрического соединения от противоположной поверхности с измерительной системой. Последний фактор выгоден в применениях, где датчик выполнен с возможностью измерения расстояния до подвижной части, где сложно или невыгодно создавать электрическое соединение с подвижной частью для системы датчиков.
Эти группы датчиков могут располагаться группами по шесть датчиков, чтобы сформировать три дифференциальные пары датчиков для измерения по трем осям, то есть, направлениям горизонтальных осей X, Y и вертикальной оси X. Это может быть достигнуто посредством установки дифференциальных пар датчиков, ориентированных для измерения расстояния в каждом направлении до подходящей противоположной поверхности. Сигналы измерения от датчиков могут использоваться, чтобы регулировать положение подвижных частей устройства литографии, например, используя пьезодвигатель, чтобы осуществлять небольшие перемещения, чтобы получить надлежащее выравнивание части внутри системы.
Каждая группа датчиков соединяется через кабель 30 с соответствующей схемой измерения тока, расположенной в шкафу снаружи вакуумной камеры и удаленно от устройства литографии. Фиг. 19 показывает вариант осуществления шкафа 600, вмещающего монтажные платы 601. Каждая монтажная плата 601 обеспечивает схемы измерения тока для емкостного датчика 40, пара монтажных плат 602, обеспечивает схемы измерения тока для дифференциальной пары датчиков. Генератор 605 сигналов обеспечивает сигнал напряжения переменного тока для возбуждения емкостных датчиков, например, треугольную форму волны напряжения от источника 20 напряжения, как описано в материалах настоящей заявки. Каждая монтажная плата соединена через соединитель 612 и кабель 30 с тонкопленочным емкостным датчиком 40. Выходные сигналы измерения тока выводятся через другой соединитель на аналого-цифровой преобразователь 613 для преобразования в цифровые сигналы для использования в управлении устройством литографии. Источник 610 питания обеспечивает питание монтажных плат через соединитель 611 источника питания.
Схемы 21, 21a, 21b измерения тока могут быть реализованы, например, в виде преобразователя ток-напряжение или преобразователя ток-ток. Существует несколько факторов, которые вносят вклад в ошибки в таких измерительных цепях. Они включают в себя паразитное полное сопротивление во входной схеме измерительной схемы, ограниченный коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) входной схемы, и неточность в передаточной функции измерительной схемы независимо от синфазного сигнала.
Фиг. 12 - функциональная принципиальная схема схемы 70 измерения тока. Входной ток ICS на входном зажиме 72 из источника переменного тока или постоянного тока CS должен быть измерен посредством схемы. Часть тока ICS отводится во входную схему измерительной схемы, эта часть, представляемая током ICM. Напряжение возмущения на входном зажиме 72 относительно напряжений источника питания схемы вызывает изменение в токе ICM, текущем через внутреннее полное сопротивление ZCM. В результате, ток Imeas, реально измеренный схемой, немного меньше, чем входной ток ICS, который требуется измерить, что приводит к небольшой ошибке измерения. Ток ICM получается из паразитных полных сопротивлений во входной схеме и возмущения общего вида во входном сигнале. Установившаяся ошибка может быть исправлена, но компенсировать ток ICM очень сложно, так как значение паразитного полного сопротивления является переменным, зависящим от таких факторов, как температура, и возмущения общего вида на входе также меняются со временем.
Эти ошибки измерения могут быть снижены посредством возбуждения напряжений питания тем же напряжением, которое присутствует на входном зажиме измерительной схемы. Таким образом, возмущения на входе переносятся на напряжения питания, чтобы снизить или устранить токи, текущие в измерительной схеме, вызванные изменяющимися разницами в напряжении между входным сигналом и внутренними цепями в измерительной схеме.
Зажимы 75 и 76 источника напряжения схемы измерения тока соединяются с источником питания, содержащим источники 77a, 77b напряжения. Источник напряжения VD предоставляется, чтобы подавать напряжение возмущения на входной зажим в источник питания, чтобы эти разницы в напряжении между входным сигналом и напряжениями питания измерительной схемы оставались постоянными. Источник напряжения VD соединяется с источником питания измерительной схемы, так что напряжения источника питания также возбуждаются любыми напряжениями, присутствующими на входном зажиме измерительной схемы. Источник напряжения VD может обеспечиваться подходящей обратной связью или прямой связью в схеме.
Фиг. 13 - функциональная принципиальная схема, показывающая схему измерения тока по фиг. 12, в которой источник напряжения VD используется, чтобы возбуждать нагрузку 71. Возбуждение нагрузки 71 источником напряжения VD вызывает ток ICS, который является током, измеряемым на входном зажиме 72 схемы. Таким образом, напряжение возмущения VD, которое соединяется с источником питания схемы измерения тока, является напряжением, которое возбуждает нагрузку 71, чтобы произвести ток ICS, который должен быть измерен. Подача напряжения возмущения в источник питания схемы измерения тока приводит к удалению изменяющихся разниц в напряжении внутри схемы измерения тока, вызванных напряжением возмущения. Это удаляет источник ошибки в измерении тока.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 13, напряжение возмущения VD также вычитается из выходного сигнала схемы 70 измерения тока посредством дифференциальную схемы 79. Выходной сигнал выходного зажима 74 схемы 70 измерения тока будет содержать напряжение возмущения VD, наложенное на сигнал, вызванное измерением входного тока ISC. Вычитание напряжения возмущения VD, таким образом, может использоваться, чтобы выделить часть выходного сигнала, представляющую измерение входного тока.
Вариант осуществления на фиг. 13 показывает два зажима источника питания, питаемых двумя источниками 77a, 77b питания, обычно подающих положительно и отрицательное напряжение постоянного тока на положительный и отрицательный зажимы источника питания. Вместо этого может использоваться одиночный зажим источника питания и/или одиночный источник напряжения питания. В данном варианте осуществления, напряжение возмущения подается через конденсаторы 78a, 78b на зажимы источника питания, так, что составляющая напряжения возмущения переменного тока подается на зажимы источника питания, в то время как составляющая напряжений постоянного тока источника питания отделяется от входного зажима 72 и источника питания VD. Индукторы также могут использоваться, чтобы выделить составляющую напряжения возмущения переменного тока из напряжений источника питания, например, индукторы 95, 96, показанные в варианте осуществления на фиг. 15.
Фиг. 14 - схема, показывающая вариант осуществления схемы измерения тока, реализованной с операционным усилителем 80. Источник тока CS соединяется с отрицательным зажимом 82 операционного усилителя 80, а положительный входной зажим 83 операционного усилителя соединяется с общим блоком. Операционный усилитель 80 имеет два зажима 85 и 86 питания, через которые операционный усилитель 80 может возбуждаться посредством двух источников 91 и 92 напряжения.
Источник тока CS производит ток ICS, который должен быть измерен. Полное сопротивление 87, соединенное между входным зажимом 82 и выходным зажимом 84, обеспечивает отрицательную обратную связь, и операционный усилитель 80 функционирует, чтобы поддерживать разницу в напряжении между двумя входными зажимами 82 и 83 почти на нуле. Операционный усилитель 80 имеет очень высокое входное полное сопротивление, так что очень небольшая часть тока ICS течет в операционный усилитель, но вместо этого течет через полное сопротивление 87. Однако из-за паразитных полных сопротивлений во входной схеме операционного усилителя 80 и ограниченного CMRR операционного усилителя, операционный усилитель 80 не может полностью устранить влияния напряжений возмущения общего вида на входах.
В показанном варианте осуществления, питание напряжения переменного тока VG используется для возбуждения входного зажима 83. Так как операционный усилитель 80 сконфигурирован, чтобы поддерживать два входных зажима 82 и 83 почти под одним напряжением, напряжение VD эффективно представляет возмущения общего вида на входных зажимах. Выход источника напряжения VD, соединенный со входным зажимом 83, также соединен со схемой источника питания операционного усилителя, чтобы передавать вперед напряжения возмущения общего вида в напряжения источника питания операционного усилителя 80. В данном варианте осуществления, выход источника напряжения VD соединяется через конденсаторы 93, 94, чтобы соединить напряжение на входном зажиме 83 источника напряжения с зажимами 85, 86 источника питания. Таким образом, источники 91, 92 напряжения постоянного тока подают напряжение постоянного тока на зажимы 85, 86 источника питания, в то время как напряжения переменного тока, присутствующие на входном зажиме 83, также подаются на зажимы 85, 86 источника питания. Индукторы 95, 96 также могут быть включены в источник питания, как показано в варианте осуществления на фиг. 15, чтобы обеспечить некоторое разделение между составляющими переменного тока, передаваемого вперед напряжения входного зажима и источников 77, 78 напряжения постоянного тока.
Фиг. 15 показывает пример варианта осуществления по фиг. 14, используемый для измерения тока в системе емкостных датчиков, такой как показано на любой из фиг. 3-6. Ток, который должен быть измерен, передается в схему 21 измерения тока через кабель 30, так как схема 21 измерения тока обычно расположена удаленно от емкостного датчика. Емкостный датчик может являться тонкопленочным емкостным датчиком, таким как показанный на фиг. 8 и 9. Кабель 30 содержит провод 31 датчика и экранирующий проводник 32, и имеет удаленный конец и местный конец. Провод 31 датчика электрически соединен с электродом 41 емкостного датчика в локальном конце кабеля 30, а экранирующий проводник 32 электрически соединен с экранирующим электродом 42 емкостного датчика в локальном конце кабеля 30.
Источник 20 напряжения возбуждает экранирующий проводник 32 в удаленном конце кабеля 30, чтобы возбуждать экранирующий электрод 42. Источник 20 напряжения также возбуждает провод 31 датчика через операционный усилитель 80, чтобы возбуждать чувствительный электрод 41 емкостного датчика. Так как операционный усилитель поддерживает напряжения на своих входных зажимах 82, 83 под по существу одинаковым напряжением, провод 31 датчика и экранирующий проводник 32 также возбуждаются под по существу одинаковым напряжением, практически устраняя ток емкостной утечки между ними.
Выходной зажим источника 20 напряжения соединен со входным зажимом 83, экранирующий проводник 32 также соединен с источником питания для операционного усилителя 80, как описано ранее, и соединен с дифференциальной схемой 88, чтобы вычитать сигнал от источника 20 напряжения из выходного сигнала операционного усилителя 80.
Источник напряжения предпочтительно предоставляет треугольный сигнал напряжения, чтобы возбуждать емкостный датчик, как описано ранее. Это приводит (в идеале) к квадратной форме сигнала тока, показанной на фиг. 16A, как описано ранее. Треугольный выходной сигнал напряжения источника 20 напряжения присутствует на входных зажимах 82 и 83 операционного усилителя 80, как показано на фиг. 16B. Выходное напряжение Vout на выходном зажиме 84 операционного усилителя 80 будет включать в себя треугольное напряжение, присутствующее на входных зажимах, с наложенной квадратной формой сигнала из-за тока с квадратной формой сигнала, текущего через полное сопротивление 87 схемы обратной связи, как показано на фиг. 16C. Чтобы получить сигнал измерения с такой же квадратной формой сигнала, как ток, генерируемый на емкостном датчике, треугольная форма сигнала напряжения от источника 20 напряжения вычитается посредством дифференциальной схемы 88 из сигнала на выходном зажиме 84.
Фиг. 17 показывает вариант осуществления источника напряжения и схемы измерения тока для системы дифференциальной пары датчиков, такой как описанная в материалах настоящей заявки. Схема также могла бы использоваться для одиночных датчиков, не функционирующих, как дифференциальная пара. Схема разделяется на часть 50 обработки аналогового сигнала и часть 63 обработки цифрового сигнала, которая может быть реализована, например, в логической матрице с эксплуатационным программированием.
Опорная частота FSYNC генерируется (например, на 2 МГц) и делится в разделяющей схеме 51, чтобы генерировать множество отдельных сигналов квадратной формы на более низкой частоте с некоторыми предопределенными сдвигами по фазе. В данном варианте осуществления, четыре отдельных 500 кГц квадратных сигнала генерируются со сдвигами по фазе в 90 градусов. Фиг. 18A показывает пример квадратного сигнала опорной частоты, а фиг. 18B-18E показывают примерные формы сигналов меньшей частоты со сдвигами по фазе в 0, 90, 180 и 270 градусов.
Интегрирующая схема 52 генерирует треугольную форму сигнала напряжения из одного из квадратных сигналов, и из этого усиливающие схемы 53a и 53b генерируют две треугольные формы сигнала напряжения со сдвигом по фазе в 180 градусов. Например, эти две треугольные формы сигнала напряжения со сдвигом по фазе могут соответствовать выходам источников напряжения (например, 20, 20a, 20b, VD), показанных на любой из фиг. 3-6, 13, 14 или 16, для возбуждения одиночного емкостного датчика, или нагрузки, или двух датчиков/нагрузок, управляемых в дифференциальной паре. Фиг. 18F и 18G показывают пример выходов с треугольной формой сигнала напряжения из усиливающих цепей 53a и 53b. Треугольные сигналы напряжения могут соединяться, чтобы возбуждать экранирующие проводники 32, 32a, 32b, а также провода 31, 31a, 31b датчиков через преобразователи 54a и 54b ток-напряжение, для возбуждения емкостных датчиков или нагрузок 40, 40a, 40b, 71, как показано на фиг. 3-6, 13, 14 или 16.
Преобразователи 54a и 54b ток-напряжение генерируют сигналы напряжения на своих выходах, представляя измерение сигналов тока на своих входах (например, выходные сигналы 22, 22a, 22b, 74, 84 по фиг. 3-6, 13, 14 или 16). Треугольные форму сигнала напряжения из усиливающих схем 53a, 53b вычитаются из сигналов измеренного тока на выходах преобразователей 54a, 54b ток-напряжение посредством дифференциальных схем 55a, 55b, чтобы удалить треугольный сигнал напряжения из выходных сигналов преобразователя ток-напряжение, чтобы выделить сигнал измеренного входного тока. Фиг. 18H и 18I показывают примеры результирующих форм сигналов измеренного тока на выходе дифференциальных схем 55a, 55b.
Селекторы 56a, 56b используют один или более сдвинутых по фазе опорных сигналов, генерируемых разделяющей схемой 51, например, опорных сигналов, сдвинутых по фазе на 180 и 270 градусов, показанных на фиг. 18D и 18E, чтобы отобрать части каждого цикла сигналов измеренного тока, показанных на фиг. 18H и 18I. Вторая половина каждого цикла сигналов измеренного тока отбирается, чтобы получить амплитуду для части цикла, когда он является в целом установившимся на значении максимальной амплитуды.
Когда схема используется с парой датчиков, управляемой в дифференциальном режиме, отбор может выполняться, чтобы переключаться между двумя сигналами измеренного тока, чтобы накапливать положительные амплитуды в одном сигнале (фиг. 18J), а отрицательные амплитуды в другом сигнале (фиг. 18K). Фильтры низких частот 57a, 57b фильтруют отобранные сигналы измеренного тока, чтобы реализовать эквивалент схемы зарядки конденсатора с наклоном, определяемым амплитудой отобранной части формы сигнала измеренного тока.
Примерные формы сигналов на выходе усилителей 58a, 58b показаны на фиг. 18J и 18K. Формы сигналов возрастают (или падают) в течение каждого отобранного периода, конечные значения, определяемые амплитудой сигналов измеренного тока. Выходные сигналы из усилителей 58a, 58b вычитаются друг из друга, и результирующий сигнал преобразуется в цифровой сигнал посредством аналого-цифрового преобразователя 59. Результирующий цифровой сигнал выводится схемой 63 обработки цифрового сигнала для дополнительной обработки, такой как калибровочная регулировка и масштабирование, чтобы получить пригодное для использования измерение, указывающее на емкость датчика. Сумматор 61 и двухпороговый компаратор 62 генерирует сигнал ошибки для использования в схеме 63 обработки цифрового сигнала для таких ситуаций, как короткое замыкание кабеля или разрыв схемы.
Изобретение было описано посредством ссылки на конкретные варианты осуществления, обсужденные выше. Стоит отметить, что были описаны различные конструкции и альтернативы, которые могут использоваться с любым из вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, как известно специалистам в данной области техники. В частности, схемы измерения тока, описанные в связи с фиг. 12-14, могут использоваться в любом применении, требующем точного измерения тока, а схемы обработки сигналов, описанные в связи с фиг. 17, могут использоваться для любого применения, требующего выделения амплитудного сигнала в переменном сигнале. Будет понятно, что эти варианты осуществления могут быть подвержены различным модификациям и альтернативным формам, хорошо известным специалистам в данной области техники, без отклонения от духа и объема изобретения. Соответственно, хотя были описаны конкретные варианты осуществления, они являются лишь примерами, и не являются ограничивающими объем изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ (уточненная от 16.12.2016)
1. Измерительная система для измерения входного электрического тока (Ics) от источника тока (CS) и генерирования сигнала измерения тока, содержащая схему (70) измерения тока, имеющую первый входной зажим (72, 82), связанный с источником тока для приема входного электрического тока (Ics) от источника тока, и выходной зажим (74, 84) для предоставления сигнала измерения тока,
в которой схема измерения тока дополнительно содержит один или более зажимов (75, 76; 85, 86) источника питания, выполненных с возможностью принимать одно или более напряжений от источника питания (77a, 77b, 91, 92) для питания схемы измерения тока, и
в которой схема измерения тока дополнительно содержит первый источник напряжения (VD; 20), связанный с одним или более зажимами источника питания, причем первый источник напряжения предоставляет напряжение возмущения одному или более зажимам источника питания, причем напряжение возмущения представляет напряжение на первом входном зажиме,
при этом первый входной зажим, выходной зажим и один или более зажимов источника питания являются различными зажимами,
источник тока, источник питания и первый источник напряжения являются различными источниками,
схема измерения сконфигурирована для возбуждения одного или более напряжений источника питания, путем подачи напряжения возмущения на один или более зажимов источника питания.
2. Измерительная система по п. 1, дополнительно содержащая дифференциальную схему (79), выполненную с возможностью вычитать напряжение, генерируемое первым источником напряжения (VD), из сигнала на выходном зажиме (74) схемы измерения тока, чтобы генерировать сигнал измерения тока.
3. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой первый источник напряжения (VD) связан с первым входным зажимом (72) схемы (70) измерения тока для возбуждения нагрузки (71), чтобы формировать источник тока (CS).
4. Измерительная система по п. 3, в которой нагрузка (71) содержит емкостный датчик (40) для генерирования тока (Ics), который изменяется в зависимости от расстояния между емкостным датчиком и мишенью (2).
5. Измерительная система по п. 3, в которой нагрузка (71) связана с первым входным зажимом (72, 82) схемы (70) измерения тока посредством кабеля (30), содержащего провод (31) датчика и экранирующий проводник (32), при этом провод датчика соединен последовательно между нагрузкой (71) и первым входным зажимом, а экранирующий проводник связан с первым источником напряжения (VD, 20).
6. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой выходной зажим первого источника напряжения (VD) связан через один или более конденсаторов (78a, 78b) с одним или более зажимами (75, 76) источника питания схемы (70) измерения тока.
7. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой схема (70) измерения тока содержит преобразователь ток-напряжение.
8. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой схема (70) измерения тока содержит операционный усилитель (80), зажим (82) отрицательного входа операционного усилителя, служащий в качестве первого входного зажима (72) схемы измерения тока, и выходной зажим (84) операционного усилителя, служащий в качестве выходного зажима (74) схемы измерения тока, операционный усилитель, дополнительно содержащий зажим (83) положительного входа и один или более зажимов (85, 86) источника питания, при этом зажим положительного входа операционного усилителя связан с одним или более зажимами (85, 86) источника питания операционного усилителя (80).
9. Измерительная система по п. 8, в которой зажим (83) положительного входа операционного усилителя (80) связан с одним или более зажимами (85, 86) источника питания операционного усилителя (80) через один или более конденсаторов (93, 94).
10. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой первый источник напряжения (VD; 20) генерирует напряжение с треугольной формой волны.
11. Измерительная система по п. 1 или 2, в которой источник тока генерирует ток с по существу прямоугольной формой волны.
12. Способ измерения входного электрического тока (Ics) от источника тока (CS) и генерирования сигнала измерения тока, содержащий этапы, на которых:
предоставляют входной электрический ток (Ics) от источника тока первому входному зажиму (72, 82) схемы (70) измерения тока, причем схема измерения тока, имеет один или более зажимов (75, 76; 85, 86) источника питания, выполненных с возможностью принимать одно или более напряжений источника питания от источника (77a, 77b, 91, 92) питания для питания схемы измерения тока, и
предоставляют напряжение возмущения (VD,20,VG) одному или более зажимам (85, 860 источника питания, причем напряжение возмущения представляет напряжение на первом входном зажиме, таким образом возбуждая напряжение одного или более источников питания, и
генерируют выходной сигнал на выходном зажиме (74, 84) схемы (70) измерения тока, представляющий входной электрический ток на первом входном зажиме (72, 82) схемы измерения тока,
при этом первый входной зажим, выходной зажим и один или более зажимов источника питания являются различными зажимами, и
источник тока, источник питания и первый источник напряжения являются различными источниками.
13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий этап, на котором вычитают напряжение возмущения (VD) из выходного сигнала на выходном зажиме (74, 84) схемы измерения тока, чтобы генерировать сигнал измерения тока.
14. Способ по п. 12 или 13, дополнительно содержащий этап, на котором возбуждают нагрузку (71) с помощью напряжения, чтобы генерировать входной электрический ток (Ics) на первом входном зажиме (72) схемы (70) измерения тока.
15. Способ по п. 14, в котором нагрузка (71) содержит емкостный датчик (40) для генерирования тока (Ics), который изменяется в зависимости от расстояния между емкостным датчиком и мишенью (2).
16. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором связывают нагрузку (71) с первым входным зажимом (72) схемы (70) измерения тока посредством кабеля (30), содержащего провод (31) датчика и экранирующий проводник (32), при этом провод датчика соединен последовательно между нагрузкой (71) и первым входным зажимом, а экранирующий проводник запитывают по существу тем же напряжением, которое используется для возбуждения нагрузки.
17. Способ по п. 12 или 13, в котором напряжение возмущения (VD) предоставляют одному или более зажимам источника питания через один или более конденсаторов (78a, 78b).
18. Способ по п. 12 или 13, в котором напряжение возмущения (VD) изолируют от напряжений источника питания посредством одного или более индукторов (95, 96).
По доверенности
