CN1124060A - 终端试验器上检测晶片等用的传感器 - Google Patents

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Abstract

采用测量电容的变化来检测一个物件是否出现在某特定位置上的装置，这种电容变化是由该物件放置在所述位置上而造成的。用于此种测量的装置包括一个振荡器，其频率对于被测电容有高度敏感性，用于这种测量的结构和电路分别包括一根三轴电缆和一个电压跟随器电路。

Description

终端试验器上检测晶片等用的传感器
1.发明领域
本发明的装置通常涉及材料传递设备。被传递的材料可能包括(但不限于)半导体晶片，例如硅和砷化镓、半导体封装基片，例如高密度互连器、半导体制造工艺影示板，例如遮光板或分划板、以及大面积显示板，例如活动陈列LCD基板。2.现有技术的说明
在制造半导体设备的多个工段或位置间传递脆弱的硅晶片等，唯一存在的问题是如何拿取问题。这种传递通常是由工作在真空环境中的活节臂传递设备以遥控方式完成的。因此重要的是应能检测出晶片是否处在传递设备的终端试验器上。硅晶片非常脆弱且有极光滑的表面，因此须要以无接触方式来检测其存在与否。
现有技术中提出过许多种用于传递硅晶片的设备。例如：
美国专利第4,666,366和4,909,701号提出过一种晶片传递拿取装置，该装置有一个以“蛙”式动作的伸缩活节臂组件，以便在多个位置之间传递物体(例如晶片)。两个活节臂可操纵地相互配合，使之当一个臂由电机驱动时两个活节臂能以“蛙”式伸缩运动。与该臂配合的一个平台上放置着要传递的物体。3.发明概述
本发明提出了一种用于检测一个物件是否出现在一指定位置的设备，该设备通过测量由于物件放置在此指定位置而产生的电容变化来进行检测。在一个包含待测量其变化的电容的电路中产生电振荡，电容的变化会造成振荡频率的变化，据此来测量电容的变化。4.附图的简要说明
图1是本发明的电容传感器的等角图，图中示出所采用的板上布置；
图2是图1所示的电容传感器的侧视图；
图3是一电路图，图中示出本发明的电容传感器的电路和将图1及图2的板连接到电路元件上的三轴电缆；
图4和图5构成的电路图示出了可代替图3的电路，其中由图4示出的“前端”振荡电路与图3的电路实际上是相同的，而图5示出的电路起到一信号调节器的作用。5.发明的详细说明
本发明的装置为一种电容传感器，它能以非接触方式感测硅晶片、玻璃挡板、或任何其他材料，这些材料当靠近两相邻平板组成的电容器的极板时将改变其电容量。本装置的基本部件是：(1)振荡器，其频率由传感器的电容量调谐；(2)低输出阻抗的电压跟随器；(3)三轴电缆，由电压跟随器激励，包括两层屏蔽层和中心导体；和(4)频率-电压转换器或其他适当的输出电路。
参看图1和图2，本发明的传感器包括接地底板1、感测板2和屏蔽板3。底板1通过第一引线6接三轴电缆5的外屏蔽层4。感测板2通过第二引线8接三轴电缆5的中心导体7。而屏蔽板3通过第三引线10接三轴电缆5的内屏蔽层9。被感测的器件11，当其存在时，则靠近底板1和感测板2。
本发明的振荡器的频率是由一适当的阻容(RC)电路决定的，而本发明的振荡器和电压跟随器的电路利用了运算放大器(op-amp)。因为电阻和电容元件可制得相当稳定，现代的运算放大器具有宽带高增益及低阻抗，以及三轴电缆可用一电压跟随器使其内屏蔽层对外蔽层(接地层)有一固定电容量，所以其传感头的电容能做成有很大的总调谐容量，而随着待感测器件的接近所产生的频率变化也很大。
图3示出本发明电路的一个实施例，其中未画出偏置网络、波形整形电路和其他类似的辅助电路。参看该电路，其锯齿波波形是由反相电路12产生的，该反相电路带有反馈电阻13和一对地的输入电容。输入电容，如图1和2所示，是由连接到op-amp输入端(即反相电路12的输入端)的感测板2和连接到内屏蔽层9的屏蔽板3形成的。各连接关系为：三轴电缆5的中心导体7通过第二引线8接感测板2，而三轴电缆5的外(接地)屏蔽层4接底板1和op-amp的a-c接地端。三轴电缆5的内屏蔽层9可以延伸出，以使感测板2与地屏蔽。
内屏蔽层9被一电压跟随器14激励从而消除了电缆的电容。而电缆的内屏蔽层对中心导体的电容可以是几十微微法，如果因电压跟随器的存在而使两个导体之间没有电压差，则也不会产生电流，于是对于处在高阻抗节点的振荡其作用可忽略不计。同时，内屏蔽层对外层蔽层的电容将受到低阻抗的电压跟随器的作用，使所需的电流不会明显地破坏内屏蔽层电压的波形。
于是，因为全部电缆电容的电流都是由振荡电流回路之外的电源供应，结果所有振荡电流将通过感测板的阻抗传导，使得频率随着传感器电容的变化而有很大的变化。这样，电路就实际上不受接地回路、引线形状以及其他非电路相关因素的影响，而这些因素本来是会使信号失真或减小的。
由反相电路12产生的振荡频率是待检测的电容的一个测量量，该频率呈现在反相电路12的输出端，此输出端接到一个标准的频率-电压转换器15的输入端上，于是可用一电压计将其输出表示出来。
在上述装置中，如图3所示的电路、传感器、和三轴电缆全部可装在附于终端试验器的一个真空室中。如果这样设置，则除了接地引线之外，两个所需的导体必须穿过该真空室的壁：一个是用来将电源引到振荡器和电压跟随器上的导体，另一个是用来将矩形波电压输出引到频率-电压转换器上的导体。借助于图5所示的信号调节器之类的电路可将所需的导体数目减少至一条，该电路代替了图3所示的频率-电压转换器15。另外，将图3中的其余电路(可称为“前端”振荡器)稍为修改而成为图4所示的电路。
参看图5，其中所示的信号调节器包括一个输入op-amp21，其负输入端接收一电流信号，而其输出端则传送一个重组的矩形波电压。由一适当的电源来的电源输入22经电阻23引到“前端”振荡器的热引线A上。电源输入22通过电阻24和基准电压稳压二极管25接地，该二极管以稳压方式工作在例如3伏电压下。输入op-amp21的正输入端接在电阻24与稳压二极管25的连接点上。op-amp21由电源输入22供电。反馈电阻R感测连在输入op-amp21的输出端与负输入端之间。图5的信号调节器的地线与图4的“前端”振荡器的地线连接。
现在来看图4和图5。矩形波的电压振荡激励负载电阻RL，该信号如前所述可直接用作对例如图3中标号15表示的频率-电压转换器的输入。另一方面，若RL上信号较大(典型地为5伏)，则负载电流(若RL＝1K欧，其为5毫安)将大于RL的输出信号较小(典型地为0伏)时的负载电流。通过负载电阻的电流是由电源输入而提供的，因此由电源通过信号调节器提供的电流(典型地为5毫安)对于“高”的半波振荡将大于对于“低”的半波振荡。
调节器的输入电流将感测所述变化，而输入op-amp21将产生一电流通过R感测，从而保持op-amp的负输入端处在虚接地的状态。这时电压(ΔI×R感测)为重组的振荡状态。
电容26和两个二极管27、28将振荡转换成与频率成正比的电压，即E＝kf。电位器29用于设定阈值，以变换各输出。交变电流将给出一模拟输出。
具体说，通过电阻23的电流将保持为平均电流，该电流从图5的信号调节器的电源输入22传送到图4的“前端”振荡器。作为上述通过负载电阻RL的电流变化的结果而造成的任何电流变化倾向将会使op-amp21的负输入端上的电压也发生变化。但是，电压的变化倾向会立刻被op-amp21通过电阻R感测的反馈校正。结果，通过负载电阻RL的电流的变化将表现为通过反馈电阻R感测的电流的变化，而通过电阻23的电流将保持为来自电源输入22的平均电流。为了使通过反馈电阻R感测的电流发生这种变化，op-amp21的输出电压必须以这样的方式变化，即须要重组来自图4的op-amp21的原来的矩形波电压输出。利用电容26将这一电压输出转换成脉冲，于是电容26起到一个微分器的作用。当矩形波电压输出由低升到高时，一个正脉冲通过二极管28传到op-amp30的负输入端，这时op-amp30起到一个积分放大器的作用。所产生的负反馈脉冲使反馈电容31充电。当来自op-amp21的矩形波电压输出从高降到低时，充了电的电容26通过二极管27放电。暂时储存在电容31中的电荷通过电阻32不断地放电，该电流量正比于电容31充电的频率。于是，op-amp30的电压输出正比于矩形波信号的频率，此op-amp起到一个积分放大器的作用。
借助图5的信号调节器，在振荡器中将信号转换成电源引线上电流变化的方法，使得穿过机壳、真空室等(除了底盘接地外)只需要用一根引线，这就简化了在自动臂上引线、腔室密封等问题。信号调节器中的一个电路将变化的电流转变成重复前端电路原来的振荡的电压波。另一个电路将频率矩形波转变成一个与频率或与一个开/关切换信号成比例的模拟电压。
以上已叙述了本发明的原理及其实施例，但应了解尽管利用了一些特定方式，但只是为了说明方便，并没有限定的意思，本发明的范围由所附的权利要求书给出。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1.一种感测物体的传感器系统，包括：由三块板，即接地底板、感测板和屏蔽板组合的组件，其中感测板设置成与所述接地底板形成一电容，该电容随着一个物件接近两块所述板而增加，所述屏蔽板装在所述底板与感测板之间；一振荡器，其输入端接所述感测板，其频率随所述电容的变化而改变，于是该频率反映出所述电容的大小，从而指出一个物件是否已接近所述板；一段三轴电缆，其中心导体与所述感测板连接，其内屏蔽层与所述屏蔽板连接，其外屏蔽层与所述底板连接；一个电压跟随器电路，连接成可激励所述内屏蔽层以与所述感测板隔离开；以及信号调节电路，用以将所述振荡器的频率转换成模拟或数字输出信号，以指示所述电容的大小。
2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述振荡器是一RC三角形波源，所述电压跟随器作用于所述内屏蔽层，使其电压与由振荡器信号激励的所述中心导体的电压有一小的电压差，而所述外屏蔽层则接地。
3.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述被感测的电容构成所述RC振荡的电容，该电容处在被中心导体激励的板与接地底板之间，当待感测的物体靠近这两块板时，该电容与该物体耦合。
4.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括频率-电压转换电路或数字式频率计数器电路，而其中模拟或数字输出既可直接用于随后的运算电路，也可被转换成供切换器件用的是-否型信号。
5.一种用于检测一物件是否处在或接近一电容器板的装置，该装置产生一个信号，该信号的频率随着所述物件与所述电容器板之间电容的变化而改变，于是该信号反映出所述电容的大小，从而指出所述物件是否处在或接近所述电容器板，所述装置包括：由电容接地底板(1)、感测板(2)和激励屏蔽层(3)形成的组件，其中底板有一开口，并划定出一表面以在其附近放置所述物件，所述感测板处在所述开口中并靠近所述表面但与其绝缘，从而由所述感测板与所述底板的相互几何位置而在其间构成一部分电容，当物件接近所述板时，该电容增大，所述激励屏蔽层放置成可将所述感测板与该板和所述底板之间的其它较大的电容屏蔽开来；一振荡器(12，13，2，1)，其输入端接所述感测板，其频率随所述电容的变化而改变，于是该频率指示出所述电容的大小；回零装置(3，9，14)，用以在振荡期间使所述屏蔽层与所述感测板之间的电压回零；以及测量所述频率的装置，用以最后检测出所述物件是否存在。
6.如权利要求5所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将振荡信号转变为引向所述振荡器的电源引线上的变化电流。
7.如权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将所述变化电流转变为重现所述振荡器原来的振荡的电压波。
8.如权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将所述电压波转变为正比于频率或一开/关切换信号的模拟电压。

Claims (8)

1.一种感测物体的传感器系统，包括：由三块板，即接地底板、感测板和屏蔽板组合的组件，采用该组件以便在待测物件靠近所述板时与该物件配合产生一电容，该电容随着所述物件的靠近而变化；一振荡器，其频率为所述电容的函数；一段三轴电缆，其中心导体与所述感测板连接，其内屏蔽层与所述屏蔽板连接，其外屏蔽层所述底板连接；一个电压跟随器电路，与所述内屏蔽层相连；以及信号调节电路，用以将所述振荡器的频率转换成所需的模拟或数字输出信号。
2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述振荡器是一RC三角形波源，所述电压跟随器作用于所述内屏蔽层，使其电压与由振荡器信号激励的所述中心导体的电压有一小的电压差，而所述外屏蔽层则接地。
3.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述被感测的电容构成所述RC振荡的电容，该电容处在被中心导体激励的板与接地底板之间，当待感测的物体靠近这两块板时，该电容与该物体耦合。
4.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括频率-电压转换电路或数字式频率计数器电路，而其中模拟或数字输出既可直接用于随后的运算电路，也可被转换成供切换器件用的是-否型信号。
5.一种用于检测一物件是否处在承载平台上的装置，包括：一承载板组件，该板有一开口，并划定出一平面放置所述物件；一感测板，处在所述开口中并靠近在所述平面的下方但与其隔开，从而由所述感测板与所述承载板的相互几何位置而在其间构成一部分电容，当物件放在所述承载板上时，该电容增大；一激励屏蔽层，放置成可将所述感测板与该板和所述承载板之间的其他较大的电容屏蔽开来；一振荡器，其输入端连到所述感测板上，其频率是所述电容的函数；回零装置，用以在振荡期间使所述屏蔽层与所述感测板之间的电压回零；以及测量所述频率的装置。
6.如权利要求5所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将振荡信号转变为引向所述振荡器的电源引线上的变化电流。
7.如权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将所述变化电流转变为重现所述振荡器原来的振荡的电压波。
8.如权利要求7所述的传感器系统，其特征在于，所述信号调节电路包括一个电路，用来将所述电压波转变为正比于频率或一开/关切换信号的模拟电压。
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