一种基于电信号叠加的物料定位检测装置及方法与流程

1.本发明属于半导体制造设备领域，涉及传送片装置中承载盘架上物料的定位检测，特别涉及基于电信号叠加的编解码进行定位检测的装置和方法。


背景技术：

2.电子束光刻机、磁控溅射台等是半导体芯片生产中的关键工艺设备。这些设备在运行时，经常需要把一个或多个承载盘放在盘架上，送入真空腔体进行加工。为了减少真空室抽放气时间，提高生产效率，通常一次加工过程中会同时使用多个承载盘。
3.设备在工作时，首先检测盘架上每个料位有没有承载盘。如果有，升降机构就把承载盘移动到指定位置，由机械手取走承载盘，送入真空室进行加工，加工完成后，再放回原位；如果没有，升降机构会跳过该位置，检测下一个位置，这样可以进一步提高生产效率。
4.由于承载盘放置在真空腔内，检测装置的信号线需要连接到真空室外部。不同厂家的设备采用不同的检测方法和装置。
5.目前常用的物位检测元件主要有机械开关、光耦开关、磁开关、激光探头等，以接触或非接触方式进行检测。检测过程中，根据检测元件和承载盘架是否有相对的升降运动，可分为静态或动态扫描方式。
6.现有检测方法存在的不足：直接采用机械开关或磁开关类检测元件，每个开关至少需要2根信号线，n个开关需要2n根导线。如果将其中一根共用，那么n个开关也需要n＋1根导线。
7.如果这些开关采用m
×
n矩阵式（键盘式）排列，所需信号线为m＋n，最大检测点为m
×
n。例如：4
×
3矩阵，最大检测点为12，所需导线数量为7根。对于不同行列大小的矩阵，其所需导线数量和最大可检测点不同。
8.上述方案的缺点：直接采用位置开关检测方法，承载盘架和控制系统中信号线数量多，线路复杂，安装要求高，故障率高。
9.如果采用光耦开关等有源检测器件，还要增加所需电源线，会进一步增加该部分的故障率和安装的复杂度。
10.采用以上方法的检测可以在静态下完成，如果采用激光检测元件，需要盘架进行升降式动态扫描，来检测识别激光的反射信号。其最主要的不足是扫描过程中对载盘表面的光洁度要求高。如果表面被污染后易发生故障，需要经常清洁维护，长时间后会出现表面不平整，导致检测不准等现象，而且激光头电源和控制系统复杂。同时每次检测时进行动态扫描会增加无效加工时长，影响产能。


技术实现要素：

11.为克服现有技术的不足，提出了本发明。本发明的目的是使用最少的信号线，完成多个位置状态的静态检测。
12.为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于电信号叠加的物料定位
检测装置，所述装置包括直流电压源、信号线、电信号检测单元、开关、电阻及解码器，直流电压源和电信号检测单元连接信号线，电信号检测单元输出连接解码器，关键在于，在传送片装置中的每个承载盘架上设置一个开关，承载盘放置和离开承载盘架时触发所述开关动作；每个开关配套一个电阻，组成编码单元；信号线连接编码单元；所述解码器中设置解码电路，根据电信号检测单元的输出，判断各承载盘架上是否放置承载盘；所述电阻的阻值满足以下条件：每个电阻的阻值及任意两个或两个以上的电阻阻值之和，都是不同的数值。
13.进一步地，所述编码单元中，开关和电阻串联连接，编码单元经信号线并联连接。
14.进一步地，所述编码单元中，开关和电阻并联连接，编码单元经信号线串联连接，所述信号线上串联一个保护电阻。
15.本发明还提出了一种基于电信号叠加的物料定位检测方法，包括：电阻设置，最小电阻为r；设置n个编码单元，第i个编码单元中的电阻阻值ri=2
i-1
*r，其中，1≤i≤n；将编码单元设置在承载盘架上并连接信号线。
16.设直流电压源输出电压为u；如果编码单元经信号线并联连接，所述方法包括：计算编码单元电流ii=u/ri；计算从0开始，2n种组合方式下电流的和，并存储在mcu的电流数据表中；mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，与电流数据表中的数值作比较，得到电流数据表中对应该ic的组合方式，输出检测结果。
17.如果编码单元经信号线串联连接，所述方法包括：计算从0开始，2n种组合方式下电阻的和，并存储在mcu的电阻数据表中；mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，计算得出总电阻rs，设保护电阻的阻值为rp，计算rc=rs-rp，rc与电阻数据表中的数值作比较，得到电阻数据表中对应该rc的组合方式，输出检测结果。
18.本发明根据编码单元的状态，在信号线上叠加电信号，根据电信号输出量的大小，通过逆向解码来获知编码状态，从而获知对应多个检测支路状态。
19.有益效果：采用本发明提出的技术方案，所需信号线少，最低只需2根导线实现多个位置的检测；简化承载盘架的设计安装，减少出入真空腔室的信号线数量，降低成本；结构简单，降低了设备后期该部分的故障率和维修难度，提高修复速度，缩短设备宕机时长；在检测点数量较多时，本发明具备扩展应用功能，可以增加被检测承载盘数量，保证检测的可靠性，满足设备的设计研制或改造需求。
附图说明
20.图1为承载盘及承载盘架示意图，图2为并联方式的实施例电原理图，图3为串联方式的实施例电原理图，图4为串联方式的另一个实施例电原理图，图5为扩展方式的电原理图。
21.图中，“mcu解码器”表示解码电路包括mcu的解码器，1为传送片装置，2为承载盘
架，3为承载盘。
具体实施方式
22.一种基于电信号叠加的物料定位检测装置，所述装置包括直流电压源、信号线、电信号检测单元、开关、电阻及解码器，直流电压源和电信号检测单元连接信号线，电信号检测单元输出连接解码器，参看图2-图5。在传送片装置1中的每个承载盘架上2设置一个开关，承载盘3放置和离开承载盘架2时触发所述开关动作；传送片装置1及承载盘2的结构如图1所示。
23.每个开关配套一个电阻，组成编码单元，即一个检测支路；信号线连接编码单元，构成一个检测端。
24.所述解码器中设置解码电路，本实施例中，解码电路包括mcu，mcu根据电信号检测单元的输出，判断各承载盘架上是否放置承载盘。
25.装置中：开关和电阻连接，组成编码单元，安装在承载盘架上，作为一个检测支路；信号线连接所有编码单元，作为一个检测端。
26.直流电压源、电信号检测单元、解码器组成接收端，其功能是提供检测电源、处理判断检测端输出状态。
27.检测支路安装在真空室内承载盘架上，接收端位于真空室外部，通过信号线连接。
28.所述电阻的阻值满足以下条件：每个电阻的阻值及任意两个或两个以上的电阻阻值之和，都是不同的数值。
29.上述条件是本发明的实现基础：首先，每个电阻的阻值都不同，第二，每个电阻的阻值与其它电阻的任意组合的和都不同，第三，所有电阻阻值的组合，阻值的和都不同。
30.本实施例公开了两种电路结构：1、编码单元中，开关和电阻串联连接，编码单元经信号线并联连接，如图2所示：当承载盘放置在承载盘架时，触发相应的开关闭合，编码单元接通；当承载盘离开承载盘架时，触发相应的开关断开，编码单元断路。
31.2、编码单元中，开关和电阻并联连接，编码单元经信号线串联连接，所述信号线上串联一个保护电阻，如图3所示：当承载盘放置在承载盘架时，触发相应的开关闭合，编码单元中电流流经导线；当承载盘离开承载盘架时，触发相应的开关断开，编码单元中电流流经电阻。
32.保护电阻的作用是在所有开关闭合时，保护电源。
33.图4是图3的变种，开关用于选择电流通路，其原理与图3一致。
34.解码电路连接指示灯，直观显示承载盘架上承载盘的情况。为满足上级控制系统的使用，解码电路可提供电压信号、电流信号和开关量输出信号。
35.基于上述装置，本发明还提出了一种基于电信号叠加的物料定位检测方法。
36.首先进行电阻设置：最小电阻为r；设置n个编码单元，第i个编码单元中的电阻阻值ri=2
i-1
*r，其中，1≤i≤n。
37.需要考虑的因素：1、检测电阻阻值选择范围：检测电压u选择范围1~32vdc，电阻功率p一般从1/4w到2w。
38.通常低阻值电阻的允许误差和功率p都较低。检测电阻，所以在实际应用中，根据测量电压和功率的不同，选择检测电阻的阻值范围从几百欧到几百千欧，本实施例中，编码单元中检测电阻阻值范围为：100ω
‑‑
1mω。
39.选择最小电阻r时，要注意rn《1mω的限制。
40.2、检测支路即编码单元中电阻的允许误差选择：n条检测支路的精密电阻的允许误差为最大允许误差公式为：。
41.设检测支路电压为u，最小支路电阻阻值为r，则第n个支路的电阻阻值为2
n-1
r，其对应的最小检测电流为：，检测的分辨力为： 。
42.当检测电阻阻值为标称值时，n个检测支路的总电流最大值为：阻值为标称值时，n个检测支路的总电流最大值为：阻值为标称值时，n个检测支路的总电流最大值为：当所有电阻存在同向负误差x时，此时检测支路的总电流最大值为：当所有电阻同时存在正误差x时，此时检测支路的总电流最大值为：要保证检测分辨率，正反向误差值要小于检测的电流分辨力。要保证检测分辨率，正反向误差值要小于检测的电流分辨力。
43.经计算后得：经计算后得：考虑到精密电阻的温升等影响，取最大允许误差公式为： 。
44.3、最大检测点数量的限定：目前市场上常用的精密电阻精度最高为0.01%，在该精度下，当n=10时，≈0.013%，由此可知，本发明检测端和接收端之间最少仅使用两根导线来实现多个料位状态检测，单个检测端最大检测点数量为10。
45.根据以上推论，本实施例中，r=1kω，n=6，直流电压源输出电压u的范围1~32vdc，这里取u=32vdc。
46.电阻的设置满足了：每个电阻的阻值及任意两个或两个以上的电阻阻值之和，都是不同的数值。
47.如果编码单元经信号线并联连接，如图2所示，所述方法包括：计算每个编码单元（即检测支路）电流值ii=u/ri，如下表： 计算从0开始至2
n-1
，2n种组合方式下电流值的和，并存储在mcu的电流数据表中。表中，电流值的单位是ma：组合值的说明：本实施例中，n=6，即6个编码单元设置在承载盘架上，假设r1设置在第一层、r2设置在第二层，以此类推。从0开始到2
n-1
，共有2n=64种组合方式，组合值从左到右排列依次代表承载盘架上一至六层放置的承载盘的位置状态的组合。组合中1表示有承载盘，0表示没有承载盘。如110010代表第1层、第2层、第5层上有承载盘，第3、4、6层上空闲。
48.放置承载盘的承载盘架某层上，编码单元的开关闭合，接通电路，产生电流。第1层、第2层、第5层上有承载盘，对应的编码单元的开关闭合，所有编码单元的开关或闭合，产生的总电流为50ma。
49.参见上表，由于按照要求设置了电阻值，不同组合下产生的电流值的和也不同。
50.mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，与电流数据表中的数值作比较，得到电流数据表中对应该ic的组合方式。
51.本实施例中，如果检测到ic=50ma，与电流数据表中的数值作比较，得到电流数据表中对应ic的组合方式：110010，检测结果为：第1层、第2层、第5层上有承载盘，第3、4、6层上空闲。输出检测结果，以指示灯的方式进行显示，同时按照要求以电压、电流或开关量等形式对外输出相应的信号。
52.如果编码单元经信号线串联连接，如图3所示，所述方法包括：计算从0开始，2n种组合方式下每个编码单元（即检测支路）电阻的和，并存储在mcu的电阻数据表中：组合值的说明：本实施例中，n=6，即6个编码单元设置在承载盘架上，假设r1设置在第一层、r2设置在第二层，以此类推。从0开始到2
n-1
，共有2n=64种组合方式，组合值从左到右依次排列，代表承载盘架上一至六层放置承载盘的位置状态组合。组合中1表示没有承载盘，0表示有承载盘，如110010代表第3、4、6层上有承载盘，第1层、第2层、第5层上空闲。
53.放置承载盘的承载盘架某层上，编码单元的开关是闭合状态，电阻的并联旁路接通，编码单元中电流流经导线；空闲的承载盘架某层上，编码单元的开关是断开状态，编码单元中电流流经电阻。第3、4、6层上有承载盘，第1层、第2层、第5层上空闲，信号线上的电阻忽略不计，电路上除保护电阻外，根据承载盘架上所有开关状态，总的电阻为19 kω。
54.参见上表，由于按照要求设置了电阻值，不同组合下的电阻值不同，对应的电流值也不同。
55.mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，计算得出总电阻rs，设保护电阻的阻值为rp，计算rc=rs-rp，rc与电阻数据表中的数值作比较，得到电阻数据表中对应该rc的组合方式，输出检测结果。
56.本实施例中，保护电阻的阻值选定rp =1 kω，mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic=1.6ma，计算得出总电阻rs=32v/1.6ma=20 kω，计算rc=rs-rp=19 kω，与电阻数据表中的数值作比较，得到电阻数据表中对应rc的组合方式：110010，检测结果为：第3、4、6层上有承载盘，第1层、第2层、第5层上空闲。输出检测结果，以指示灯的方式进行显示，同时按照要求以电压、电流或开关量等形式对外输出相应的信号。
57.以上实施例中，是将电流值、电阻值先存储在表中，通过查表的方式实现检测。
58.本发明还可以根据检测到的电流值，计算得出结果。
59.如果编码单元经信号线并联连接，通过以下步骤实现检测：1、mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，2、设记录集合为空，表示所有编码单元中的开关断开，所有的承载盘架空闲。如果记录中包含1~n的某些数字值，表示对应位置的承载盘架上有承载盘。
60.3、如果ic=0，输出记录的数值，记录的数值对应的承载盘架上放置有承载盘，结束；否则，执行4，4、找到满足i》=0且2i《=ic条件最大的i；增加记录n-i，ic=ic-2i，转到3。
61.实施例：如果ic=50ma，n=6，i=5，满足i》=0且2i《=ic条件最大的i，增加记录1，ic=50-32=18；i=4，满足i》=0且2i《=ic条件最大的i，增加记录2，ic=18-16=2；i=1，满足i》=0且2i《=ic条件最大的i，增加记录5，ic=2-2=0；ic=0，输出1、2、5，结束，即第1层、第2层、第5层上有承载盘。
62.如果编码单元经信号线串联连接，通过以下步骤实现检测：1、mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic，计算得出总电阻rs，设保护电阻的阻值为rp，计算rc=rs-rp，2、设记录集合为空，表示所有编码单元中的开关闭合，所有的承载盘架上有承载盘。如果记录值包含1~n的某些数字值，表示对应位置的承载盘架空闲，没有承载盘。
63.3、如果rc=0，输出记录的数值，记录的数值对应的承载盘架上空闲，结束；否则，执行4，4、找到满足i》=0且2i《=rc条件最大的i；增加记录i 1，rc=rc-2i，转到3。
64.实施例：保护电阻的阻值选定rp =1 kω，mcu获取电信号检测单元输出的电流值ic=1.6ma，计算得出总电阻rs=32v/1.6ma=20 kω，计算rc=rs-rp=19 kωi=4，满足i》=0且2i《=rc条件最大的i，增加记录5，rc=19-16=3；i=1，满足i》=0且2i《=rc条件最大的i，增加记录2，rc=3-2=1；i=0，满足i》=0且2i《=rc条件最大的i，增加记录1，rc=1-1=0；rc=0，输出5、2、1，结束，即第5层、第2层、第1层空闲。
65.以上计算，电流的单位是ma，电阻的单位是kω，计算的过程按照理想状态进行，在实际应用中，要考虑电阻的精度、公差范围。
66.参看图4，开关的不同位置分别接通和断开电阻在电路中的连接，与图3不同的是，
图3是开关在电阻旁边制造短路，图4去除了信号线或电阻的干扰，计算更加精确。
67.当被检测点数量较多时，编码单元的电阻值设定范围会很大。由于精密电阻误差范围限制，会导致检测分辨率下降，检测结果容易受到温度等因素干扰。为同时满足对检测结果的可靠性要求和满足检测点数量需求，本发明提供了一种扩展应用方法，限制一路信号线上编码单元所用电阻的总数量，满足检测分辨率要求；而另外增加一路信号线，构成一个新检测端，满足检测点数量需求。如：采用图5所示方式进行扩展应用，一根测量信号线a0和共用信号线构成的一个检测端包含8个编码单元，通过增加一根测量信号线a1，和共用信号线共同作用增加一个检测端，被检测点数量可成比例增加至16个。