具有冗余加速度计的加速传感器.pdf

提供了一种加速度测量系统(200)。该系统(200)包括至少第一和第二加速度计(222，224，225，228，230)。第一加速度计(222)具有随第一轴上的加速度而变化的电特性。第二加速度计(224)也具有随相同的第一轴上的加速度而变化的电特性。控制器(208)可操作地耦合至第一和第二加速度计(222，224，225，228，230)，并且提供以第一和第二加速度计(222，224，225，228，230)的电特性为基础的加速度输出(256)。在一方面，加速度系统是类似衬底的传感器(100)形式的。通过从并联的多个冗余加速度计读取信号，可以降低信噪比。

1、  一种加速度测量系统，包括：
第一加速度计，具有随第一轴上的加速度而变化的电特性；
第二加速度计，具有随所述第一轴上的加速度而变化的电特性；以及
控制器，可操作地耦合至所述第一和第二加速度计，所述控制器提供以第一和第二加速度计的电特性为基础的加速度输出。

2、  根据权利要求1所述的加速度系统，还包括：第三加速度计，具有随第二轴上的加速度而变化的电特性。

3、  根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二轴与所述第一轴正交。

4、  根据权利要求2所述的系统，还包括：第四加速度计，具有随所述第二轴上的加速度而变化的电特性。

5、  根据权利要求4所述的系统，其中，所有加速度计都是由相同材料构成的。

6、  根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二加速度计是MEMS设备。

7、  一种类似衬底的传感器，包括：
类似衬底的部分，尺寸与衬底相类似；
电子机壳，耦合至所述类似衬底的部分；
第一加速度计，具有随第一轴上的加速度而变化的电特性；
第二加速度计，具有随所述第一轴上的加速度而变化的电特性；以及
控制器，被设置在所述电子机壳内，所述控制器可操作地耦合至所述第一和第二加速度计，所述控制器提供以第一和第二加速度计的电特性为基础的加速度输出。

8、  根据权利要求7所述的类似衬底的传感器，还包括：电池，被设置在电子机壳内并且可操作地耦合至所述控制器。

9、  根据权利要求8所述的类似衬底的传感器，还包括：电源管理模块，被设置于所述电子机壳内并且介于所述控制器与所述电池之间。

10、  根据权利要求7所述的类似衬底的传感器，还包括：无线通信模块，被设置于所述电子机壳内并且耦合至所述控制器。

11、  根据权利要求10所述的类似衬底的传感器，其中，所述无线通信模块被配置为根据至少一种蓝牙规范进行通信。

12、  根据权利要求1所述的类似衬底的传感器，其中，所述第一和第二加速度计中的每个加速度计可操作地耦合至运算放大器的输入。

13、  根据权利要求12所述的类似衬底的传感器，其中，所述运算放大器耦合至基准电压。

14、  根据权利要求12所述的类似衬底的传感器，其中，每个加速度计被配置为与电阻器串联。

15、  根据权利要求12所述的类似衬底的传感器，其中，所述运算放大器可操作地耦合至所述控制器。

具有冗余加速度计的加速传感器
技术领域
背景技术
半导体加工系统的特征在于极为清洁的环境以及极为精确的半导体晶片移动。工业高度依赖高精度的机器人系统，从而采用必要的精度在半导体加工系统内各种加工站附近移动衬底(如半导体晶片)。
这种机器人系统的可靠并且高效的操作依赖于精确的定位、对准、和/或组件的平行(parallelism)。精确的晶片位置可以最小化晶片意外刮擦晶片加工系统的系统壁的几率。为了最佳化所述工艺的成品率，可能需要晶片在工艺室(chamber)中的工艺基座(process pedestal)上的精确定位。为了确保在从机器人末端执行器(end effector)向晶片承载支架(carrier shelves)、预对准器(pre-aligner)真空吸盘(vacuumchuck)、负载锁定升降器支架、工艺室转移针(transfer pin)和/或基座转移期间出现最小的滑动(slide)或移动，半导体加工系统内衬底之间的精确平行是十分重要的。当晶片紧贴支撑滑动时，可能会刮掉微粒(particle)，这导致成品率降低。即使以不到一毫米的程度错误地放置或对偏组件，都能够对半导体加工系统内各种组件的协作造成影响，导致产品成品率和/或质量的降低。
必须在最初的制造中实现这种精确定位，并且必须在系统使用期间保持这种精确定位。部件定位可能因正常磨损或由于维护、修理、改变、或替换发生改变。因此，对半导体加工系统的各种部件的相对微小位置上的变化进行自动测量和补偿变得非常重要。
过去，曾试图提供衬底形式的类似衬底的(substrate-like)传感器，如，能够在半导体加工系统中移动，以便无线地传送诸如半导体系统内的衬底倾角(inclination)和加速度(acceleration)之类的信息的晶片。在授予Reginald Hunter的美国专利6,266,121中示出了这样的系统的一个特定示例。该系统包括倾斜仪(inclinometer)，所述倾斜仪具有空腔和探针阵列，所述空腔部分地填充有诸如水银之类的导电流体，所述探针被垂直地设置在空腔内导电流体中。此外6,266,121专利的系统提供了加速度计，该加速度计被安装到支撑平台，对传感器设备的加速度进行感测。
用于水平感测的高精度加速度计往往相对昂贵和庞大，在z轴上尤为明显，这是因为它们包含大的移动部分。使用大加速度计(如，大电解加速度计、或大微机电系统(MEMS)加速度计)可以提供高信噪比(S/N)，然而需要较大的垂直z轴空间。此外，这些加速度计通常成本相对较高，因而提高了类似衬底的传感器的总成本。
如果类似衬底的传感器根据其设计必须能够采用与衬底相同的方式在半导体加工系统中移动，则类似衬底的传感器必须不超过衬底所允许的物理封装(envelope)。在以下规范中可以找到常见晶片尺寸和特性：SEMI M1-0302，“Specification for Polished MonochrystolineSilicon Wafers”，Semiconductor Equipment and Materials International，www.semi.grg。对于与类似衬底的传感器一起使用的加速度计的选择受成本问题以及整个加速度计高度的限制。提供一种低成本并且极为低矮(low-profile)的加速度计系统将为无线类似衬底的感测技术提供显著优势。
发明内容
提供了一种加速度测量系统。该系统包括至少第一和第二加速度计。第一加速度计具有随第一轴上的加速度而变化的电特性。第二加速度计也具有随相同的第一轴上的加速度而变化的电特性。控制器可操作地耦合至第一和第二加速度计，并且提供以第一和第二加速度计的电特性为基础的加速度输出。在一方面，加速度系统是类似衬底的传感器形式的。
附图说明
图1是无线类似衬底的传感器的透视图，采用该无线类似衬底的传感器本发明的实施例极为有用。
图2是根据本发明实施例的无线类似衬底的传感器的方框图。
图3是多个独立加速度计的图示。
图4是四个独立加速度计的示意图，所述四个加速度计被电耦合为使得它们的以电子方式合并后的输出更为精确。
具体实施方式
本发明的实施例一般地提供了多个成本相对较低、高度相对较低的加速度计，所述加速度计被设置为，至少两个加速度计对相同轴上的加速度予以响应。这种配置使多个低成本加速度计能够以比可以从各独立传感器获得的信噪比高的信噪比提供更精确的信号。此外，相信对于无线类似衬底的传感器而言，多个低成本传感器的总成本以及容纳(house)它们所需要的高度将会受益。
图1是无线类似衬底的传感器的透视图，采用该无线类似衬底的传感器本发明的实施例尤其有用。传感器100包括类似衬底的部分102，优选地将类似衬底的部分102制成具有与标准衬底尺寸的直径相等的直径。示例性尺寸包括200毫米的直径或300毫米的直径。然而，随着不同标准的开发和应用，该尺寸可以变化。传感器100包括设置在类似衬底的部分102上的电子外壳(housing)或机壳(enclosure)104。为了增强总体传感器100的硬度，装配多个鳍状物(fin)或支柱(strut)106，所述鳍状物(fin)或支柱(strut)106将电子机壳104的侧壁108耦合至类似衬底的部分102的表面110。为了便于地通过密封的半导体加工室，类似衬底的传感器102有必要具有包括总体高度在内的形状因子(form factor)，如果所述形状因子与实际衬底不同，那么与实际衬底极为近似。
图2是根据本发明实施例的无线类似衬底的传感器的方框图。传感器200包括电子机壳104，机壳104容纳有：电池204、电源管理模块206、以及控制器208、射频模块212、以及存储器210。
尽管图2中在机壳104内示出了加速度传感器220，然而这些加速度传感器220可以构成机壳104的一部分，或者可以在机壳104附近但在机壳104外部设置这些加速度传感器220。
如图2所示，优选地，电池204被设置在机壳104内，并且经由电源管理模块206耦合至控制器208。优选地，电源管理模块206是在交易指定(trade designation)LTC3443时可以从线性技术公司(LinearTechnology Corporation)获得的电源管理集成电路。优选地，控制器208是在交易指定MSC1211Y5时可以从德州仪器(Texas Instruments)获得的微处理器。控制器208与存储器模块210耦合，存储器模块210可以采用任何类型的存储器，包括位于控制器208内部的存储器以及位于控制器208外部的存储器。优选的控制器包括：内部SRAM、闪速RAM、以及引导(boot)ROM。存储器模块210还优选地包括大小为64k×8的外部闪存。闪存用于根据需要存储诸如程序、校准数据(calibration data)、和/或不变的(non-changing)数据等非易失性数据。内部随机存取存储器用于存储与程序操作有关的易失性数据。
控制器208经由合适的端口(如串行端口)耦合至射频通信模块212，以便与外部设备进行通信。在一实施例中，射频模块212根据可以从蓝牙SIG(www.bluethooth.com)获得的公知的蓝牙标准(Blue toothcore specification version 1.1(2001年2月22日))工作。模块212的一个示例可以在交易指定WMLC40时从Mitsumi获得。此外，除了模块212以外可以使用其他形式的无线通信，或者使用其他形式的无线通信来取代模块212。这种无线通信的合适示例包括：任何其他形式的射频通信、声通信(acoustic communication)、红外通信、或甚至采用磁感应的通信。
控制器208耦合至加速度传感器220，并且对无线类似衬底的传感器经历的加速度进行感测。这样的机速度可以包括：由无线类似衬底的传感器的物理移动、重力的大小和方向(force and orientation)、或其组合而引起的加速度。
加速度传感器模块220包括多个独立的加速度计，其中至少两个加速度计被配置为对相同方向上的加速度予以响应。采用这样的方式，至少两个加速度计被认为是冗余的。优选地，这些独立加速度计中的每个加速度计都是成本相对较低、高度相对较低的加速度计。通过并行地使用多个这样的传感器，可以得到不需要较大z轴空间的更精确的加速度计。优选地，每个这样的加速度计是MEMS加速度计。理论上，认为低成本MEMS加速度计的内部噪声近似为高斯函数分布，并且通过并联使用N个这样的设备，传感器的总信噪比得到N的平方根的改善。例如，并行布置的16个冗余加速度计的阵列将得到4倍的信噪比改善。此外，如果噪声分布不是高斯的，而在幅度上更为受限，则改进将更大。
图3是包括模块220在内的多个独立加速度计的图示。具体地，模块220包括3个加速度计222、224、226，三者被配置为对实质上相同方向上的加速度予以响应。此外，模块220包括多个传感器228、230，用于对另一正交方向上的加速度进行感测。图3所示的独立MEMS传感器的数目是任意的，并且旨在说明对配置用于感测相同方向上的加速度的多个加速度计的使用。各加速度计222、224、226、228、230中的每个加速度计与控制器208耦合。控制器208通过电路或计算能够使用来自各加速度计222、224、226、228、230的独立信号并且提供更精确的、具有比每个加速度计单独产生的信噪比更大的信噪比的加速度输出。
图4是四个独立加速度计的示意图，所述四个加速度计被电耦合为使得它们的以电子方式合并后的输出更为精确。图4示出了对应图3而示出的三个加速度计222、224、226以及附加加速度计250(图3中未示出)。加速度计222、224、226以及250中的每个加速度计对相同方向上的加速度予以响应。这些加速度计中的每个加速度计与电阻器串联，并且可操作地耦合至运算放大器252的输入。为放大器252的另一输入提供基准电压254。此外，将电容与电阻(R2)并联，并且并联在运算放大器252的输出256与输入258之间。线路256上的冗余输出实质上是平均后的输出，其噪声大约减小了1/2。如上所述，增加独立加速度计的数目将进一步减小输出256上的噪声。然后，输出256可以直接耦合至控制器208，或耦合至合适的测量电路(如模数转换器)，后者将继而被耦合至控制器208。优选地，根据本发明实施例的、所使用的所有加速度计是由相同材料构成的。这样，任何温度变化将等效地影响所有加速度计。
尽管参考优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将认识到，可以在不背离本发明精神和范围的前提下，进行形式和细节上的改变。