CN102007366B - 多维位置传感器 - Google Patents

Abstract

一种装置，所述装置包括控制器、与控制器相连并具有可运动部分或运送路径的工件运送工具以及包括至少一个附接到可运动部分的场生成压板和至少一个沿运送路径定位并与控制器相连的传感器组的多维位置测量设备，场生成压板被配置成用于位置测量和推动可运动部分，至少一个传感器组中的每一传感器被配置为提供仅一个沿单个轴的对应于所感测的由至少一个场生成压板生成的场的输出信号，控制器被配置成基于至少一个传感器组中的至少一个传感器的仅一个输出信号计算可运动部分的多维位置，多维位置包括平面位置和间隙测量。

Description

多维位置传感器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求提交于2007年6月27日的美国临时专利申请第60/946,542号的利益，该申请的公开内容以引用的方式并入本文。

背景

1.技术领域

本实施例涉及位置传感器，更具体而言，涉及用于检测多维中物体位置的位置传感器。

2.相关进展的简要说明

确定运动物体位置的现有方法有多种。例如，交通工具导航系统，其采用可与公路上的条纹(stripe)发生相互作用的雷达信号来确定车辆的位置。其他位置系统使用无线电通信。然而，这些系统都需要在运动物体上可供使用的电源。无线电波也易受介入结构和电信号的影响而衰减。

也可通过如线性可变差动变压器(LVDT)确定位置，它是一种位移传感器，其使用缠绕在圆柱形线轴上的单个初级绕组和两个次级绕组。可运动的镍铁芯或电枢定位在绕组内部，测量芯的运动可获得运动物体的位置。可采用霍尔效应传感器以类似的方式测量位移。一般来讲，LVDT和霍尔效应传感器可用于测量有限位移，如线性致动器和活塞的位移。

对于高精度定位系统(例如步进电机、悬架(suspension)和/或扫描级(scanning stage)等)而言，位置测量的常规方法使用电容式、电感式、光学和激光传感器。这些传感器通常可提供耦合有低定位噪声的高分辨率。然而，总成本、行程限制及所需自由度的数目使其应用领域变窄。

通过示例，在使用由传感器产生的周期信号(如正弦和余弦信号)的常规反馈设备中，信号被路由到(例如)电机控制器的模拟数字转换器(ADC)，在这里在数字域中处理信号，以确定物体的位置。然而，正弦/余弦周期和ADC分辨率可能不足以产生要求高度位置分辨率的特定应用所需的位置分辨率。

对二维位置和间隙宽度测量来说，采用相同的传感器和磁体确定二维位置和间隙宽度测量将是有利的。提供高性价比、高分辨率的绝对编码器也将是有利的。更进一步的，从电机控制器和/或编码器的基础分辨率提高位置反馈设备的分辨率也是有利的。

附图说明

所公开实施例的上述各方面及其他特征在下文中将结合附图进行详细描述，其中：

图1示出根据示例性实施例的位置测量系统一部分的示意图；

图2A示出根据示例性实施例的位置测量系统一部分的另一示意图；

图2B和2C示出根据示例性实施例的来自图2A中的位置测量系统的传感器部件的输出信号；

图3A示出根据示例性实施例的位置测量系统的另一示意图；

图3B示出根据示例性实施例的来自图3A中的位置测量系统的传感器部件的输出信号；

图4示出根据示例性实施例的示例性磁性压板(platen)和传感器结构；

图5示出根据示例性实施例的另一个示例性磁性压板和传感器结构；

图6A和6B示出由图5中的传感器感测的磁性压板生成的磁场强度的图表；

图7示出根据示例性实施例的另一个示例性磁性压板和传感器结构；

图8A和8B示出由图7中的传感器感测的磁性压板生成的磁场强度的图表；

图9A和9B示出根据示例性实施例的表示传感器输出的图表；

图10A-11B示出根据另一个示例性实施例的表示传感器输出的图表；

图12A和12B示出根据示例性实施例的不同数量传感器在一个磁距内产生的传感器周期；

图12C示出根据示例性实施例的流程图；

图13和14示出根据示例性实施例的表示不同位置测量结果的图表；

图15A-15C示出根据示例性实施例的磁性压板结构；

图16A和16B示出根据其他示例性实施例的磁性压板结构；

图17表示由磁性压板生成的磁场的图表；

图18表示由另一磁性压板生成的场的图表；

图19A-19C表示根据示例性实施例的另一个磁性压板的磁场几何形貌图表；

图20A-20C表示根据示例性实施例的另一磁性压板的磁场几何形貌图表；

图21-25表示根据示例性实施例的与不同磁性压板有关的图表和图表；

图26为根据示例性实施例的位置测量系统一部分的示意图；

图27-31示出根据示例性实施例的传感器输出的图表；

图32和33示出根据示例性实施例的所增加传感器输出的图表；

图34示出根据另一示例性实施例的传感器输出的图表；

图35示出根据示例性实施例的示例性信号处理；

图36示出根据示例性实施例的信号处理的框图；

图37-39示出根据示例性实施例处理的信号；

图40示出根据示例性实施例的频率信号；

图41-44示出根据示例性实施例的考虑信号误差的输入和输出信号；

图45和46分别示出根据示例性实施例的传感器和间隙分辨率函数；

图47示出根据示例性实施例的示例性处理器；

图47A示出根据示例性实施例的图47中的框图的示例性电路图；

图48-54示出结合示例性实施例的特征的处理设备图表；

图55示出根据示例性实施例的方法的流程图；

具体实施方式

图1为根据示例性实施例沿多条轴进行同时测量的传感器100的示例性结构的示意图。尽管示例性实施例将参照附图予以说明，但应了解的是，这些示例性实施例可具体体现为多种替代形式。此外，可采用任意合适尺寸、形状或类型的元件或材料。

示例性实施例提供了传感器或传感器系统100，例如，该传感器或传感器系统可用于闭环控制系统，可被配置为提供至少沿第一轴(例如设置在水平面上)(例如)无限制的长度位置测量，以及沿至少另一条轴(例如，相对第一轴基本成直角或成一定角度的轴)的测量，例如下述间隙宽度。传感器系统的传感器可为简单价廉的单轴传感器，具有对应于传感器单一测量轴的仅仅一个输出。每一单轴传感器的输出对应于感测到的例如沿仅仅一条轴的磁场(或能被传感器所感测到的任意其它场或现象)的变化。出于示例性目的，这些从单轴测量提供单个输出的传感器在此被称为线性或单轴传感器。传感器系统100可包括一个或多个沿物体行进路径布置的单轴传感器单元，其中每一传感器单元响应物体运动而输出单一信号，这将在下文将进行更为详细的叙述。每个单轴传感器单元的仅仅一个输出通过以下方式(将在下文详细描述)进行处理，例如，为邻近相应传感器单元或在其附近的物体，产生沿一条或多条轴(根据沿仅仅一条轴的测量)的位置测量。如下文所述，各个单轴传感器可以任意合适的方式布置，以沿任意合适的轴同时进行位置测量。作为非限制性示例，传感器100可用于具有磁悬浮运送工具或压板的运送系统，例如美国专利申请第2004/0151562号所公开的运送系统，该申请全文以引用的方式并入本文。替代实施例中，传感器100可用于任意合适的运送系统。此处所述位置测量系统可测量沿具有任意合适距离的行进方向(如X轴)的运送工具的位置，沿具有任意合适距离的第二行进方向(如Z轴)的运送工具的位置，和/或(例如)磁性压板170与固定表面180之间的间隙宽度G(如Y轴)。应注意的是，相对于X、Y和Z轴所作参照仅出于示例性目的，且此处所述位置测量可同样适用于其他合适的轴，包括但不限于旋转轴。应当认识到，采用此处公开的单轴位置传感器的示例性传感器，可用于感测任意合适的可运动物体的位置，包括但不限于可一维或多维运动的物体，其包括但不限于运送工具、致动器和任意合适的驱动系统部件。位置测量传感器生成的信号可用于电机换向，以便将(例如)运送工具或任意其他合适的可运动物体从第一位置驱动至第二位置。应当认识到，此处所述的示例性实施例并不限于电机应用，而可以用于任意需要单维或多维位置信息的合适设备。

如图1所示，在一个示例性实施例中，传感器100可配置成用于感测磁性压板170的特征，并可包括一个或多个传感器组130a-130n。如下文所述，传感器组可包括一个或多个单轴传感器。磁性压板170可包括一个或多个以(例如)线或栅格布置的磁体140、150，其中磁体的极以交替结构布置(如，北-南-北-南等)，如图1所示。当磁体经过传感器130时，磁体140、150交替的极会产生具有波型160的信号，例如正弦或余弦型式(例如正弦信号)或任意其他合适的型式，下文将予以详细描述。磁体140、150可为任意具有合适场强的磁体。在一个示例性实施例中，磁体可为永久磁体，以使磁性压板170不需任意电力就可转换成进行位置测量的压板170。替代实施例中，磁体可为电磁体。其他替代实施例中，压板170可包括可被传感器130a-130n感测的任意合适的场生成装置。压板170可包括任意合适数量的具有任意合适结构的磁体。例如，压板170可为任意所需类型的线性电机的压板，且如上所述，设置在压板上的磁体可为电机的永久磁体，并可布置成直线，或可为多行和/或多列磁体，或磁体可以成交错结构等。可将压板170附加在需要进行位置测量的物体120上。替代实施例中，压板170和物体120可为同一个。物体120可为任意合适的物体，包括但不限于运送推车(cart)、活塞/活塞杆、致动器、机器人(robot)的末端执行器、驱动轴、电机转子或其他任意需要进行位置测量的物体。

传感器130a-130n可为任意合适的单轴传感器，包括但不限于霍尔效应传感器、电感性传感器和/或电容式传感器。在一个示例性实施例中，传感器130a-130n通常可彼此类似。每一传感器(例如)能够感测沿由压板的磁体阵列生成的场(例如磁场)中的单一轴的变化。传感器的输出可反映传感器感测到的沿单一轴的变化，因此，在所述示例性实施例中，(一个或多个)传感器涉及线性或单轴传感器。传感器130a-130n可(例如)沿物体行进方向T的某个部件放置。应当注意的是，行进方向可包括任意合适的维数，例如笛卡尔坐标系中的X、Y、Z方向(或它们的任意组合)，或者极坐标系中的R、θ(或它们的任意组合)。替代实施例中，(一个或多个)行进方向可对应于任意合适的坐标系。可沿(一个或多个)行进方向放置任意合适数量的传感器，以适应任意合适的行进范围。传感器130a-130n可沿(一个或多个)行进方向以预定距离放置，以确定物体120的位置，这将在下文详细描述。传感器130a-130n可连接到控制器190上，控制器190可被配置为用于接收至少传感器输出并基于传感器130a-130n的单轴输出和预定位置计算(例如)物体120沿行进方向的二维位置。替代实施例中，控制器可计算多于或少于二维的物体位置。控制器还可基于(例如)磁性压板170产生的磁场强度(如磁通密度)和/或传感器输出的信号幅值计算间隙宽度G。控制器190可包括结合了此处所述的处理步骤和指令的软件和计算机程序，并可采用具有执行(例如)此处所述计算的计算机可读程序代码的存储设备(例如任意合适的计算机可读介质)。

如将在以下更详细描述的，此处所示示例性实施例可允许(例如)制造设施中FABS(如加工设施)之间或运送推车与处理平台的加载口之间的短或长距离内的物体精确定位。其他示例性实施例中，此处所述位置测量系统可为用于例如设施的任意合适部分，在该设施中例如用任意合适自动材料搬运系统来运送物体。

还参见图2A，图中所示为根据示例性实施例的传感器100’的示例性结构。该示例性实施例中，成对的单轴传感器沿物体120的行进方向T放置。该示例性实施例中，传感器200A-200n可基本沿行进方向或与之共线放置。例如，磁性传感器200A、200B形成第一对传感器或传感器成对体，传感器200C、200D形成第二对等。替代实施例中，传感器200A-200n可沿行进方向交错布置，其中一些传感器位于其他传感器的上方和/或下方。其他替代实施例中，传感器200A-200n可具有任意合适的结构。传感器200A-200n可为任意合适的传感器，包括但不限于(例如)上述单轴霍尔效应传感器、电感性传感器和/或电容式传感器。

该示例性实施例中，每对传感器或传感器成对体中的传感器间隔预定距离或间距P。每一成对体的间隔距离为间距P的约四倍或4P。替代实施例中，传感器200A-200n可具有任意合适的间距。传感器对200A-200n与磁极件(piece)或磁体210A-210D对置，220A-220D附加于运动物体120或以其它方式为其一部分。应当认识到，可使用任意合适的磁场生成器，且磁体不必即包括北极又包括南极。该示例中，与传感器200A-200n相对的磁体210A-210D、220A-220D的极以交替结构布置。例如，磁体210A-210D的北极面对传感器200A-200n，磁体220A-220D的南极面对传感器200A-200n。示例性实施例中，可定向单轴传感器以记录压板与参考系(参见图1)之间由磁体生成的场的法向分量B_Z(例如气隙方向)上的变化，或可定向以记录场平行分量B_X上的变化。当磁体210A-210D、220A-220D由传感器200A-200n移动时，磁极件210A-210D、220A-220D的交替磁极可产生正弦类型传感器输出型式。替代实施例中，磁体可以任意合适的结构布置。该示例性实施例中，磁体210A-210D、220A-220D彼此间以间距P的约两倍或2P间隔。替代实施例中，磁极件210A-210D、220A-220D可具有任意合适间距。

上述传感器200A-200n与磁体210A-210D、220A-220D的间距可产生组成每一传感器成对体的两个传感器输出信号之间的正弦/余弦关系，如图2B和2C所示。作为非限制性示例，传感器200A可产生图2B所示正弦波，而传感器200B产生图2C所示的余弦波，反之亦然。例如，可通过在控制器190中编程，采用传感器输出信号内插(interpolate)物体120相对于传感器200A-200n的位置。例如，当获得由(例如)传感器200A、200B的两个信号(例如，来自传感器成对体中每一传感器的一个输出信号)的比率的正切值确定的角度时，可确定与传感器对之间距离4P的几分之一成比例的物体120的内插位置。因为每一传感器成对体都以预定距离设置，可将内插位置从预定距离中减去或将其加到预定距离上，以获得物体120的位置。例如，若传感器成对体200A、200B以距离C定位，并且传感器成对体200A、200B与200C、200D之间的内插位置确定为间距的两倍或2P，物体120的位置将为(例如)距离C加上位置2P(即C+2P)。

示例性实施例中，可为控制器190编程，以采用来自单轴传感器200A-200n的信号确定压板与参考系之间的法向距离Z(例如间隙宽度，参见图1)。可通过(例如)计算每一传感器成对体输出的两个传感器信号的平方和的平方根以获得间隙中的磁通密度，来确定传感器200A-200n与磁极件210A-210D、220A-220D(以及安装磁体的物体120)之间的间隙宽度G。替代实施例中，可用任意合适的计算方法计算间隙。可用磁通密度确定传感器200A-200n与磁极件210A-210D、220A-220D之间的间距G。因此，应当认识到，示例性实施例中，来自单轴传感器200A-200n中(例如，定向以感测沿单一公共轴的场变化的)至少一个成对体的信号，代表沿单轴(例如参见图2B-2C)的场变化信号，由处理器190进行处理，以确定压板的多轴位置(例如，沿两个或更多轴的位置变化，如(X，Z))。替代实施例中，间隙宽度G可通过任意合适的方法确定。例如，磁隙G的范围或宽度可通过几种方法获得，包括但不限于使用包含测得的通量/距离的查找表，以及知晓传感器对通量的灵敏度连同沿退磁曲线上的磁体工作点的知识。示例性实施例中，来自成对体或相邻传感器的信号仅用于示例目的，在替代实施例中，可使用来自任意所需传感器成对体的信号。可配置处理器190用于计算间隙G，这将在下文详细描述。

根据传感器200A-200n的数量，对于N位传感器，传感器100’的分辨率可计算如下：

其中N为位数。此处所述的位置测量系统分辨率可能受到(例如)由环境模拟噪声和系统输出位数(模拟/数字位)造成的测量不确定度的影响。应当认识到，传感器200A-200n之间的间隔或间距(即成对体中每一传感器之间的距离P，以及成对体之间约为4P的距离)以及磁体210A-210D、220A-220D之间的间隔(即，约2P距离)可按比例增大或减小，以提高或降低传感器100’的分辨率。

操作中，可由控制器190按顺序扫描传感器200A-200n的行以用于输出，其中扫描第一个传感器(例如传感器200A)，以确定沿扫描的传感器行的基本距离。传感器200A-200n的扫描可允许以高或最大的分辨度对物体120进行绝对位置测量。

现参见图1和3，根据示例性实施例示出传感器100”的另一示意图。该示例性实施例中，单轴传感器300A-300n沿物体120的行进方向T放置。该示例性实施例中，传感器300A-300n可放置成直线或与行进方向共线。替代实施例中，传感器300A-300n可沿行进方向交错布置，其中一些传感器位于其他传感器之上。其他替代实施例中，传感器300A-300n可具有任意合适结构。传感器300A-300n可为任意合适的传感器，包括但不限于上述霍尔效应传感器、电感式传感器和电容式传感器。

如图3所示，传感器300A-300n沿行进方向以预定距离或间距P间隔。替代实施例中，传感器可具有任意合适的间隔。传感器300A、300B、300E可为具有(例如)低灵敏度的第一类单轴传感器。低灵敏度单轴传感器可具有足以产生开/关信号的灵敏度，因此通常成本较低。在需在较长间距内跟踪物体位置的情况中，取决于传感器100”作为其一部分的系统的几何特征，一个或多个传感器成对体300C、300D(即传感器成对体)可定位于传感器行中较低灵敏度传感器之一的位置，如图3所示，所述一个或多个传感器成对体300C、300D是具有(例如)(一个或多个)单轴传感器、但相比第一类传感器300A、300B、300E具有更高灵敏度的第二类传感器。替代实施例中，可采用类似于传感器300C、300D的多于或少于一个的较高灵敏度传感器成对体。其他替代实施例中，所有传感器，包括传感器成对体中的传感器，可为低灵敏度或较高灵敏度传感器。

其他替代实施例中，可用任意合适的方式将低灵敏度和较高灵敏度传感器组合。将低灵敏度传感器与一个或多个传感器成对体结合使用，可提供具有可使用单数(singular)传感器或传感器单体(singlet)跟踪的粗略位置(例如，具有低于用传感器成对体获得的位置测量精度的位置)的位置测量系统，在更关注位置的区域，成对体可用于更精确地确定物体位置。因为仅用单数传感器跟踪物体可能在位置测量中引入一些偏移或变化，所以也可用传感器成对体“校准”物体的位置。更高灵敏度传感器300C、300D可间隔预定距离，即，例如，间距P的约四分之一或P/4，以使传感器300C、300D的输出信号以基本类似于上文关于图2B和2C所述的方式，产生具有正弦/余弦关系的信号。

如上所述，传感器300A-300n与附加于运动物体120或为其一部分的磁极件或磁体320A-320n相对。应当认识到，可采用任意合适的磁场生成器，以使磁体不必既包括北极又包括南极。与传感器300A-300n相对的磁极以交替结构布置，其中磁体320A、320C、320E、320G的北极面对传感器300A-300n，磁体320B、320D、320F的南极面对传感器300A-300n。当传感器300A-300n移动磁体320A-320n时，磁极件320A-320n交替的极可形成正弦类型型式，如图3B所示。替代实施例中，磁体可以任意合适的结构布置。该示例中，当磁体经过单数传感器300A、300B、300E时，生成正弦传感器输出SW。当磁体经过传感器成对体300C、300D时，传感器300C可生成正弦输出SW，而传感器300D生成与传感器300C的输出或距离P有关的余弦输出CW(即正弦/余弦关系)。该示例性实施例中，磁体320A-320n彼此间隔，其距离为间距P的约两倍或2P。替代实施例中，磁体320A-320n可具有大于或小于2P的间隔。

处理器190可被配置成用于对来自传感器300A-300n的输出信号进行数学变换，以确定物体120在一个基本间距内(该示例中为P)的位置。因为如上所述每一传感器300A-300n的位置已知，所以在基本间距P内确定的位置可加到相应传感器300A-300n的已知位置之一上或从其中减去，以获得物体120相对于传感器300A-300n的位置。可用处理器190通过基本类似于上文所述的方式确定间隙G，该方式将在下文结合图7进行详细描述，且平行场接近于位置测量。替代实施例中，间隙G可通过任意合适的方式确定，包括但不限于此处所述方式。来自传感器300A-300n的输出信号可用以确定传感器之间物体距离的内插量度。

操作中，由控制器190按顺序扫描传感器300A-300n行用于输出，其中扫描第一个传感器(例如传感器300A)，以便确定沿扫描的传感器行的基本距离。传感器300A-300n的这一扫描可允许以高或最大的分辨度对物体120进行绝对位置测量。

在一个示例性实施例中，图3A所示示例性传感器结构可允许在长距离内对物体进行精确定位，例如在制造单元或FABS之间，这将在下文进行详细描述。在另一个示例性实施例中，图3A所示传感器结构可用于(例如)任意合适的设施的任意合适部分中，在所述设施处物体被运送。设施的示例包括但不限于半导体加工厂、汽车生产厂或任意其他合适的采用(例如)机械化材料搬运的设施。

现参见图4，所示为磁性压板400和单轴传感器S1-S4的示意图。该示例性实施例中，仅出于示例性目的，磁性压板400包括在Z方向和X方向二维布置的磁极件。应当认识到，图4所示磁极件的阵列只是压板400上包含的磁体中的一部分。替代实施例中，压板400可具有任意合适数量的磁极件行和/或列。该示例中，磁极件行具有交替磁极，并以约P/2的距离交错或间隔开，如图4所示。同样，列也布置为具有交替磁极，并以约P/2的距离交错或间隔开。任何特定的行或列中每一磁体之间的间距为P，如图4所示。替代实施例中，磁极件可具有任意合适的布置和任意合适的间隔。

该示例性实施例中，四个单轴传感器S1-S4定位在(例如)磁性压板400生成的基本对称的磁场中，以使得传感器S1-S4被定向以感测同一轴的场。替代实施例中，可采用多于或少于四个的传感器。传感器S1-S4可基本类似于上文关于图2A和3A所述的传感器。如图4所示，传感器S1和S2形成第一传感器对，两者在X方向基本共线，且彼此间隔约P/2或二分之一间距的预定距离。传感器S3和S4形成第二传感器对，两者在X方向基本共线，并也彼此间隔约P/2的距离。传感器对S3、S4在X方向偏移传感器对S1、S2约间距P的四分之一或P/4的距离。传感器对S3、S4在Z方向偏移传感器对S1、S2约间距P的四分之一或P/4的距离。替代实施例中，传感器对中的传感器可具有任意合适的间隔关系。其他替代实施例中，传感器对可具有任意合适的间隔关系。

该示例性实施例中，传感器S1-S4可感测垂直于磁极件平面的磁场分量(即位置测量的“法向场法”)。传感器对S1、S2和S3、S4提供具有基本类似于上文关于图2B和2C所述的正弦/余弦关系的相应输出信号。例如，该示例性实施例中，若通过(例如)处理器190将来自传感器S2的信号从来自传感器S1的信号中减去，产生与沿X轴的距离的正弦成比例的信号。与沿X轴的距离的正弦成比例的信号，以等于磁距P的空间周期重复。若通过(例如)处理器190将来自传感器S4的信号从来自传感器S3的信号中减去，产生与沿X轴的距离的余弦成比例的信号。与沿X轴的距离的余弦成比例的信号，也以等于磁距P的空间周期重复。

除了沿X轴的位置测量，该示例性实施例中的传感器S1-S4和压板400结构也可提供沿Z轴的位置测量。例如，若通过(例如)处理器190将来自传感器S2的输出信号加到来自传感器S1的输出信号中，产生与沿Z轴的距离的正弦成比例的信号。与沿Z轴的距离的正弦成比例的信号，以等于磁距P的空间周期重复。若通过(例如)处理器190将来自传感器S4的输出信号加到来自传感器S3的输出信号中，产生与沿Z轴的距离的余弦成比例的信号。与沿Z轴的距离的余弦成比例的信号，也以等于磁距P的空间周期重复。

处理器190可用正弦和余弦信号在等于磁距的距离内生成从0至360度变化的角度值，从而允许精确确定传感器阵列相对于磁体阵列的位置，反之亦然。

现参见图5，下面将对图4中位置测量系统进行更详细的描述。应当认识到，传感器对S1、S2和S3、S4相对于彼此的位置可变化。例如图5中，传感器对S3、S4位于传感器对S1、S2之下，而图4中，传感器对S3、S4示出为位于传感器对S1、S2之上。替代实施例中，传感器对可具有任意合适的结构和/或间距，以使传感器对间存在正弦/余弦关系。如图5所示，包括基本类似于上文关于图4所述的传感器的单轴传感器S1-S4的传感器组530，位于包括磁极元件510、520的磁性压板540附近和邻近。磁极元件可如图5所示成交替结构布置，其中磁极元件510的北极面对传感器组530，磁极元件520的南极面对传感器组530。磁极元件的间隔可基本类似于上文关于图4所述的间隔。在替代实施例中，磁极元件510、520可具有任意合适的间隔。

该示例性实施例中，四个单轴传感器S1-S4产生具有(例如)正弦/余弦关系的(例如)两组信号(即来自传感器S1、S2的输出信号具有正弦/余弦关系，来自传感器S3、S4的输出信号具有正弦/余弦关系)。如上所述，图5中的传感器S1-S4的结构允许每一传感器感测垂直于磁性压板540的磁场，如示例性坐标系500所示。图6A和9A示出磁性压板540所生成磁场的三维图，其中对照沿X轴和Z轴的位置绘出了Y方向的磁场强度。图6B和9B分别示出了根据图6A和9A所示的磁场的传感器输出的二维图。

在图4和5所示，位置测量的法向场法中，处理器190采用各个传感器对S1、S2和S3、S4之间的正弦/余弦关系，计算附加有磁性压板540的物体120的位置。例如，处理器190可用以下示例性方程式计算沿X轴的传感器信号的正弦：

${\sin }_X=\frac{S1-S2}{2}---\left[2\right]$

其中S1和S2表示其相应的传感器S1、S2的输出。处理器190可用以下示例性方程式计算沿X轴的传感器信号的余弦：

${\cos }_X=\frac{S3-S4}{2}---\left[3\right]$

其中S3和S4表示其相应的传感器S1、S2的输出。处理器190可采用以下sin_x和cos_x计算物体120在间距P内的位置：

$X=\arctan \frac{{\sin }_X}{{\cos }_X}---\left[4\right]$

其中X与沿磁距P的距离的几分之一成比例。因为每一传感器组530都以预定距离定位，可将对应于X的内插位置D_X从预定距离中减去或加到其上，以获得物体120的位置。例如，若传感器组530沿X轴以距离C定位，而且内插位置D_X等于P/3，则物体120在_X方向的位置为(例如)距离C加上位置D_X(即C+P/3)。

同样，由处理器190如下通过计算Z方向传感器信号的正弦和余弦以确定沿Z轴的位置：

${\sin }_Z=\frac{S1+S2}{2}---\left[5\right]$

${\cos }_Z=\frac{S3+S4}{2}---\left[6\right]$

其中，同上，S1-S4表示相应的传感器S1-S4的输出。如下，处理器190可采用sin_z和cos_z计算物体120在Z方向间距P内的位置：

$Z=\arctan \frac{{\sin }_Z}{{\cos }_Z}---\left[7\right]$

其中Z与沿磁距的距离的几分之一成比例。应当认识到，(一个或多个)传感器组530可沿Z轴以预定距离定位，以使通过将对应于比例z的距离D_Z加到预定距离上或从其中减去，以获得物体120的位置。例如，若传感器组530沿Z轴以距离B定位，且内插位置D_Z等于P/3，则物体120沿Z轴的位置为(例如)距离B加上位置D_Z(即B+P/3)。

处理器190可被配置成计算正弦和余弦的平方和的平方根，以获得磁通密度的量度。磁通密度可与磁体阵列或压板540和传感器530之间的距离G成比例。这样，传感器组530与磁性压板540之间的间隙G(即沿Y轴的位置)可(例如)用以下方程式确定：

其中t和A是取决于磁体几何形状的常量。如上所述，物体的三维位置可根据示例性实施例，采用单轴传感器确定，其中每一传感器产生仅沿一条轴的输出信号。

现参见图7，在另一个示例性实施例中，位置测量系统可被配置成测量磁场的平行分量(即“平行场法”)。如图7所示，位置测量系统包括传感器组730和磁性压板740。磁性压板740可基本类似于上文关于图5所述的磁性压板，其中压板740包括以交替方式布置的磁极元件710(北极元件)、720(南极元件)，如图7所示。在该示例性实施例中，传感器组730包括四个单轴传感器S1-S4，其基本上类似于上文关于图4和5所述的传感器。替代实施例中，传感器组730可包括任意合适数量的传感器。传感器S1-S4可为任意合适的传感器，包括但不限于上文所述的单轴霍尔效应传感器、电感式传感器或电容式传感器。传感器S1、S2形成第一传感器对，传感器S3、S4形成第二传感器对。传感器S1、S2在Z方向基本共线布置(从示例性坐标系表示700中可看出)，并彼此间隔约四分之一磁距或P/4的距离。传感器S3、S4在X方向基本共线布置，并彼此间隔约四分之一磁距或P/4的距离。替代实施例中，传感器可具有任意合适的空间关系。如图7所示，传感器S1、S2在X方向位于传感器S3、S4之间，而传感器S3、S4在Z方向位于传感器S1、S2之间。替代实施例中，传感器S1、S2可位于相对传感器S3、S4的任意合适位置。传感器之间约P/4的距离和磁距P可提供具有正弦/余弦关系的传感器输出。例如，传感器S1、S2可具有沿Z轴的正弦/余弦关系，传感器S3、S4可具有沿X轴的正弦/余弦关系。

参见图8A、10A和11A，所示为从平行场感测获得的沿X轴和Z轴的磁场强度的三维图。图8B、10B和11B示出根据图8A、10A和11A所示的从平行场感测获得的磁场强度，传感器输出与X或Z位置的关系的二维图。如图8B所示，传感器S3、S4之间以及传感器S1、S2之间示出了正弦/余弦关系。

处理器190采用这些正弦/余弦关系可确定磁性压板740相对于沿X轴和Z轴的传感器组730的位置。处理器190还可采用传感器输出之间的正弦/余弦关系计算沿Y轴的压板740与传感器组730之间的间隙G。例如，处理器可如下计算沿X轴的压板740的位置：

$X=\arctan \frac{S3}{S4}---\left[9\right]$

其中X与沿磁距的距离的几分之一成比例，S3、S4表示其相应传感器S3、S4的输出。因为每一传感器组730都以预定距离定位，可将对应于X的内插位置D_X从预定距离中减去或加到其上，以获得磁性压板740(和压板740附加到的物体120)相对于传感器730的位置。例如，若传感器组730沿X轴以距离C定位，且内插位置D_X等于P/3，则物体120在X方向的位置为(例如)距离C加上位置D_X(即C+P/3)。

处理器可如下计算沿Z轴压板740的位置：

$Z=\arctan \frac{S1}{S2}---\left[10\right]$

其中Z与沿磁距的距离的几分之一成比例，S1、S2表示来自其相应的传感器S1、S2的输出信号。因为每一传感器组730都以预定距离定位，可将对应于z的内插位置D_Z从预定距离中减去或加到其上，以获得磁性压板740(和压板740附加到的物体120)相对于传感器730的位置。例如，若传感器组730沿Z轴以距离B定位，且内插位置D_Z等于P/3，则物体120在Z方向的位置为(例如)距离B加上位置D_Z(即B+P/3)。

可由处理器190如下计算传感器组730与磁性压板740之间的间隙(即沿Y轴的位置)：

其中t和A是取决于磁体几何形状的常量。如上所述，物体的三维位置可根据示例性实施例，采用单轴传感器确定，其中每一传感器产生仅沿一条轴的输出信号。

现参见图26-34，在一个示例性实施例中，位置测量系统可包括具有磁极元件2601、2602的磁体阵列M、第一组单轴传感器A1-A5、第二组单轴传感器B1-B5、模拟电子设备2630和模拟-数字转换器2640、2645。单轴传感器可基本类似于上文所述的传感器。应当注意的是，模拟电子设备2630和模拟-数字转换器2640、2645可为控制器190的一部分。替代实施例中，模拟电子设备2630和模拟-数字转换器2640、2645可与控制器190分离，但与其相连。其他替代实施例中，配置传感器A1-A5、B1-B5以提供数字输出。该示例性实施例中，每组传感器中的传感器之间的距离D等于磁体阵列中磁体的磁距(P)除以每组中传感器数量(n)或P/n，其中P为磁距，n为每组中传感器数量。替代实施例中，每组中传感器之间的距离可为大于或小于P/n的任意合适距离。两组传感器A1-A5、B1-B5可彼此偏离约D/2的距离。替代实施例中，每组中传感器之间的距离以及两组传感器之间的偏移可为任意合适的(一个或多个)距离。如上所述，当传感器在(例如)X方向移动磁体阵列M时，传感器组A1-A5、B1-B5可产生周期信号。该示例性实施例中，传感器A1-A5、B1-B5的位置足够靠近磁体阵列M，以使得传感器A1-A5、B1-B5中的每一个都达到其饱和极限。图27-31所示为来自传感器A1-A5的示例性信号。如图27-31所示，正弦信号的平台或水平部分2700、2800、2900、3000、3100表示每一传感器的饱和极限。应当认识到，传感器B1-B5可具有类似于图27-31所示的饱和极限(尽管输出可沿(例如)X轴或任意其他合适的轴移位)。模拟电子设备2630可对来自传感器A1-A5的信号求和，产生图32所示信号A。模拟电子设备也可对来自传感器B1-B5的信号求和，生成图33所示信号B。替代实施例中，模拟电子设备可用数字电子设备替换，其中传感器提供数字输出。应注意的是，当对来自传感器的信号求和时，可对来自例如传感器A2和A4的信号(如每隔一个传感器信号)的某些信号反转(invert)。在替代实施例中，可对来自任意合适(一个或多个)传感器的信号反转。其他替代实施例中，信号可反转，也可不反转。对于每一传感器组A1-A5、B1-B5，饱和信号的总和可生成相移锯齿信号3200、3300，如图32和33所示。可利用信号A 3200、B 3300确定磁体阵列或压板M相对于传感器A1-A5、B1-B5的位置，这将在下文进行详细描述。还应注意的是，与图34所示的一对不饱和正弦/余弦波相比，饱和信号的总和产生较短的周期，其允许关于传感器的响应于磁体阵列M的更高变化速率和提高的传感器分辨率。

应当认识到，由此处公开实施例执行的位置测量会受到多种原因的影响，包括非均匀磁场。在法向场法的情况中，位置测量会受到(例如)通过形成磁场的电机线圈的影响。与平行场法有关的位置测量会受到(例如)磁性压板本身的影响。受(例如)非均匀磁场或电机线圈影响的位置测量可用多种方法校正，包括但不限于提供附加传感器、查找表和/或改变磁体形状。

可将附加传感器添加到位置测量系统中，以例如减小传感器之间的间距，从而提高传感器分辨率和抗扰度。仅作为示例，在法向场测量法的情况中，通过两个附加传感器，处理器190可例如计算角度或正切的四种组合。这四个角将在一个磁距内产生四个正切周期，如图12A所示。相似地，仅作为示例，若将四个附加传感器添加到上述传感器系组530、730中，则对于一个磁距生成八个正切周期，如图12B所示。

也可用校正系数提供增加的传感器的抗扰度和增加的精度。例如，在平行场法中，参见图12C，读取单轴传感器的读数S1-S4(图12C，框1200)，处理器如下计算初始位置测量(图12C，框1210)：

$a=\arctan \frac{S3}{S4}---\left[12\right]$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{S1}{S2}---\left[13\right]$

其α表示沿X轴未校正的位置，β表示沿Z轴未校正的位置，S1-S4表示来自其相应的传感器S1-S4的输出。(例如)从查找表中获得校正系数δ1、δ2、δ3、δ4...δn(图12C，框1220)。校正系数δ1-δn可为通过(例如)实验、传感器灵敏度知识、退磁曲线上的磁体工作点和/或任意其他合适的信息获得的任意合适的校正系数。可用校正系数δ1-δn如下计算校正的传感器输出值S1’-S4’(图12C，框1230)：

$S{1}^{\′}=\∂1^{*}S1---\left[14\right]$

$S{2}^{\′}=\∂2^{*}S2---\left[15\right]$

$S{3}^{\′}=\∂3^{*}S3---\left[16\right]$

$S{4}^{\′}=\∂4^{*}S4---\left[17\right]$

处理器190可用以下示例性公式计算沿X轴、Z轴的校正的位置和校正的传感器组730与磁性压板740之间的间隙(图12C，框1240)：

$X=\arctan \frac{S{3}^{\′}}{S{4}^{\′}}---\left[18\right]$

$Z=\arctan \frac{S{1}^{\′}}{S{2}^{\′}}---\left[19\right]$

$\mathrm{Gap}=t^{*}\ln \left(\frac{A}{\sqrt{{\left(S{1}^{\′}\right)}^2+{\left({S2}^{\′}\right)}^2}}\right)---\left[20\right]$

其中t和A是取决于磁体几何形状的常量。图13和14示出应用校正系数后的间隙测量和Z轴测量的示例性图形。尽管校正系数的应用相对于平行场法进行说明，但应当认识到，也可在法向场法中通过基本上类似于上文所述的方式应用校正系数。

如上所述，也可改变磁体形状以提高此处所述位置测量系统的精度。在附图所示示例性实施例中，示出具有圆形或菱形形状的磁性压板上的磁体。然而，应当认识到，磁体可具有任意合适的形状，包括但不限于正方形、菱形、椭圆形、矩形、梯形、圆形、三角形等。

配置磁性压板上的磁体形状以产生(例如)正弦形波，同时最小化因非均匀磁场而引入测量的误差。尽管下文将针对菱形和圆形磁体描述磁体的形状，但此处所述最佳方式也适用于任意合适形状磁体。

现参见图15A-15C和16A-16B，示出示例性磁性压板。如图15A所示，磁性压板包括圆形或圆柱形磁体阵列。图15B和15C示出了处于这样的形状的圆柱形磁体使得磁体阵列中的每一磁体都具有大体的圆锥形状(具有平顶)。图15B示出具有约50度边缘角或纵倾角的磁体，而图15C说明了具有约60度边缘角或纵倾角的磁体。图16A表示菱形磁体，而图16B表示具有约50度边缘角或纵倾角的菱形磁体。替代实施例中，磁体可具有任意合适的边缘角。其他替代实施例中，磁体可具有不同于大体圆锥形的任意合适的形状。

图17表示当压板经过传感器时(例如)图15A的圆柱形磁体生成的正弦波。如图17所示，正弦波不是平滑的，沿所有轴(X、Z和磁场强度轴)的波形中具有波动。对于菱形磁体，图19A-19C说明了磁性压板1900(参见图16A)产生的信号，针对平行场法进行详细描述。如图19A的图表1910、1920所示，(对照沿X轴和Z轴的位置绘制的)Z方向和X方向的磁场强度示出为具有非均匀的峰和谷。相对于沿X轴和Z轴的位置绘制磁场强度的二维图形1930上也说明了这些非均匀峰和谷。当确定沿X或Z轴的位置，并将结果绘制在图19B所示的图形上时，对应于正弦波角度的位置数据点显示为在最优拟合线1950的两侧。相似地，当绘制磁性压板与传感器之间的间隙距离时，所示间隙不示出为具有均匀的距离测量，如图19C所示。

图18表示当压板经过传感器时，(例如)图15B、15C和16B的形状的磁体生成的正弦波。如图18所示，正弦波是平滑的使得可从优化正弦波获得比从非平滑正弦波获得的更精确的位置测量。图20A为示例性优化磁性压板2000。磁性压板2000可具有基本类似于上文关于图4所述的结构。如图20A所示，当对照X轴、Z轴中的任一个或二者绘制磁场强度时，得到的正弦波2010、2020、2030是平滑的，使得与以非平滑正弦波获得的测量相比，可获得具有最小误差的测量。如图20B所示，与正弦波角度对应的位置数据点示出为基本沿线2050。相似地，当绘制磁性压板与传感器之间的间隙距离时，所示间隙示出为具有基本均匀的距离测量，如图20C所示。

磁场的平滑可通过(例如)修整磁性压板的各个磁体的边缘或边获得。可采用作为传感器位置处磁场畸变的量度的标准偏差σ，来确定纵倾角的值。例如，参见图22，当对于菱形磁体而言边缘角约为50度(参见点“J”)，对于圆锥形磁体而言约为60度(参见点“K”)时，标准偏差σ接近零。如图21所示，当对于菱形磁体而言纵倾角约为50度，且当对于圆锥形磁体而言纵倾角约为60度时，磁场的归一化效率也是最高的，其中归一化效率(NE)被定义为：

其中σ为标准偏差，重量为(一个或多个)磁性压板的重量，RMS为磁场强度的均方根(也可参见图25所示的示例性NE值)。图23进一步说明了磁场强度与距磁性压板的磁体的距离之间的关系，图24表示产生非平滑场的菱形磁体以及产生平滑场的菱形和圆锥形磁体的磁场效果。替代实施例中，可采用任意合适的方式使磁场平滑。

根据另一个示例性实施例，提供位置感测分辨率增强器(PSRE)以允许提高位置反馈设备的分辨率(与反馈设备的基本分辨率相比)，例如此处所述模拟域内的反馈设备。在一个示例性实施例中，PSRE可为处理器190的一部分，而在替代实施例中，PSRE可与处理器190分离。在一个示例性实施例中，PSRE可定位在(例如)一个或多个反馈传感器的(一个或多个)输出与电机控制器的输入之间。替代实施例中，PSRE可定位在用于修改传感器产生的信号的任意合适的位置。应当注意的是，尽管示例中采用了电机控制器，控制器可以是任意合适的接收来自位置传感器信号的控制器。在该示例性实施例中，PSRE通过对位置信号的(例如)正弦分布的频率进行一次或多次乘、除及放大至两倍、四倍等，来操作位置传感器信号，以将位置感测分辨率增加到是以前的2倍、4倍等。其他示例性实施例中，PSRE还可允许优化信号幅值监测，可作为(例如)转子-定子间隙测量设备。替代实施例中，信号幅值的优化监测可用于旋转或线性应用中任意合适的诊断目的，例如(但不限于)此处所述的应用。

如下文中的详细描述，在一个示例性实施例中，将来自传感器(例如上述传感器)的正弦和余弦信号取平方，得出衍生信号，该信号是周期仅为其各自初始信号一半的正弦信号，该示例中，可使传感器分辨率加倍。然而，信号幅值是可变的，例如在磁性传感器的情况下，若由于(例如)间隙和/或温度的改变，模拟-数字转换器通常产生较少的具有较小幅值的有效位，这会显著降低位置分辨率。可变幅值所导致的信号必须偏移与幅值成比例的值。为避免因可变幅值造成的问题，在一个示例中，示例性实施例将相位与信号幅值分开。这可通过取正弦和余弦信号二者的平方并且增加其平方以得到幅值的平方来实现。可通过用信号的平方除以幅值的平方基本上消除幅值变化，使与相位有关的信号保持在模拟-数字转换器量程内，以提供不依赖于信号变化的相同的角分辨率。如上所述，连续信号的平方可相应地使位置分辨率加倍。

应当认识到，若传感器的幅值用于处理(例如感测磁隙变化或任意其他合适的目的)，可在模拟域中对纯平方幅值信号进行预处理，以获得感兴趣的量程内的分辨率和优化的线性度。

现参见图35，所示为通过上述PSRE执行的分辨率增强。在一个示例中，将使用感测具有正弦分布的磁场的单轴传感器获得的信号取平方，然后偏移，以获得(例如)可使信号的分辨率加倍(四倍等)的所需直流电平。如图35所示，线50100表示初始传感器信号，线50101表示如上述加倍后的信号。如图所示，加倍信号50101具有基本为初始信号50100一半的周期。图35为根据示例性实施例的使传感器分辨率(例如)成两倍和四倍的示例性过程的框图。替代实施例中，传感器的分辨率可采用任意合适的方式加倍(成四倍等)。图36中，S1、S2表示图37所示的初始或基本单轴传感器信号，其中

S1＝Asin(x)                                    [22]

且

S2＝A sin(x+Φ)                                [23]

其中Φ为两个信号间的固定相移，A为幅值。在一个示例性实施例中，Φ可为(例如)硬件确定的相移。替代实施例中，可用任意合适的方式确定Φ的值。为便于说明，此处与正弦信号分布相关的位置称为“频率”。在一个示例性实施例中，为了获得四倍频率的正弦和余弦信号，Φ的值可约等于22.5°。在替代实施例中，Φ的值可为获得所需频率的任意其他合适的值。图36中所示的S1²、S2²表示进行偏移和校正取平方后的信号S1、S2。应注意的是，S1²、S2²的频率基本加倍。

应注意的是，在一个示例性实施例中，采用示例性数学关系，由PSRE通过构建基于初始sin(x)和sin(x+Φ)信号的余弦信号，来校正偏移：

sin(x+Φ)＝sin x cosΦ+cos x sinΦ                [24]

其中sinΦ和cosΦ为由(例如)传感器间隔确定的已知的常系数。替代实施例中，sinΦ和cosΦ可具有任意合适的值。

上述示例性等式[24]可具体表示为：

Asin(x+Φ)＝Asin x cosΦ+Acos x sinΦ                [25]

其中A为信号电压摆幅的幅值。这样，

$A\cos \left(x\right)=\frac{A\sin (x+\mathrm{\Φ})-A\sin \left(x\right)\cos \left(\mathrm{\Φ}\right)}{\sin \left(\mathrm{\Φ}\right)}---\left[26\right]$

可将sin(x)、cos(x)函数取平方以如下计算幅值：

A²sin²(x)+A²cos²(x)＝A²                              [27]

该幅值可用于偏移校正和信号调节，以便通过将两个信号除以A²，(例如)使幅值变为对于进行进一步处理最佳的水平。

$\frac{A^2{\sin }^2\left(x\right)}{A^2}={\sin }^2\left(x\right)---\left[28\right]$

$\frac{A^2{\sin }^2(x+\mathrm{\Φ})}{A^2}={\sin }^2(x+\mathrm{\Φ})---\left[29\right]$

以生成独立于幅值变化的信号。在对两个正弦/余弦信号进行第二次偏移校正和倍增后，可获得相对于初始输入信号S1、S2四倍的频率，如图39所示。应注意的是，可反复调整信号，以获得所需精度，如图36所示，其中加倍的信号S1²、S2²被再次加倍，形成四倍的信号(S1²)²、(S2²)²

此处所述的频率倍增可导致提高的位置精度，例如图40所示理想信号的情况。如图40所示，线50200、50201二者表示用于位置计算的反正切(正弦/余弦)函数。线50200预计为具有频率f(或磁距P)的信号，而线50201预计为频率4*f(或间距P/4)的信号。如图40所示，示例性实施例实际上减小磁距以提高位置传感器如此处所述传感器的分辨率。

此处公开的分辨率增强的稳定性将对应图41-44进行描述。在以下示例中，引入了相应输入信号的随机生成的干扰。在一个示例中，图41表示具有(例如)约5％误差的输入信号，图42示出对应的输出信号。应当认识到，通过如上文所述对传感器信号的通道应用加倍取平方，任意相加的噪声可变成四倍。可通过使信号幅值与模拟-数字转换器量程匹配并优化数字化固有误差的动态自动增益控制来减小噪声放大，可在信号处理前过滤掉噪声高频带，交叉关联通道(如幅值计算)，以至少部分抑制同步剩余噪声和相关非同步剩余噪声至四倍的位置分辨率。在替代实施例中，可用任意合适的方式减小噪声放大。应注意的是，在某些情况下，可忽略由传感器电子设备引入的噪声。

根据示例性实施例，可估计采用位置相关的正弦函数的位置反馈系统的位置分辨率。在示例中，仅为说明性目的，反馈系统采用两个间隔1/4磁距(即90°相移)定位的固定霍尔效应传感器(或任意其他合适的单轴传感器)，以感测具有永久磁体的转子/压板生成的正弦磁场。替代实施例中，系统可采用任意合适数量或任意合适类型的传感器。应当认识到，两个单轴传感器产生转子/压板相关的正弦信号(如正弦和余弦信号)。通过求这两个信号值的比率的反正切值

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\sin }{\cos }\right)---\left[30\right]$

可确定电机的周期位置(度数)。在等式[30]中，sin和cos表示周期信号，不是函数。替代实施例中，反馈系统可用任意合适数量的单轴传感器、以任意合适的度量单位确定电机的位置。为计算位置分辨率误差ε_α，PSRE可取等式[30]的偏导和

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\frac{\∂}{\∂\sin }\left[\arctan \left(\frac{\sin }{\cos }\right)\right]+{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\frac{\∂}{\∂\cos }\left[\arctan \left(\frac{\sin }{\cos }\right)\right]---\left[31\right]$

其中ε_sin和ε_cos相应为sin和cos信号的各个误差。采用以下简化方法

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[\arctan \left(U\left(x\right)\right)\right]=\frac{1}{1+U^2}*\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dx}}---\left[32\right]$

$\frac{d}{d\sin }\left[\frac{\sin }{\cos }\right]=\frac{1}{\cos }---\left[33\right]$

$\frac{d}{d\cos }\left[\frac{\sin }{\cos }\right]=-\frac{\sin }{\mathrm{co}{s}^2}---\left[34\right]$

可发现ε_α等于

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}=[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\left(\frac{1}{1+{\sin }^2/{\cos }^2}\right)+\left(\frac{1}{\cos }\right)]+[{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\left(\frac{1}{1+{\sin }^2/{\cos }^2}\right)+\left(\frac{-\sin }{{\cos }^2}\right)]$

$=[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\left(\frac{\cos }{{\sin }^2+{\cos }^2}\right)]-[{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\left(\frac{\sin }{{\sin }^2+{\cos }^2}\right)]---\left[35\right]$

若将正弦和余弦信号替换为正弦和余弦函数，等式[35]可重写为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}=[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\left(\frac{A\cos \mathrm{\α}}{A^2\sin {\mathrm{\α}}^2+A^2{\cos \mathrm{\α}}^2}\right)]-[{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\left(\frac{A\sin \mathrm{\α}}{A^2\sin {\mathrm{\α}}^2+A^2{\cos \mathrm{\α}}^2}\right)]$

$=\frac{A}{A^2({\sin \mathrm{\α}}^2+{\cos \mathrm{\α}}^2)}*[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\cos \mathrm{\α}-{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\sin \mathrm{\α}]$

$=\frac{1}{A}*[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\cos \mathrm{\α}-{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\sin \mathrm{\α}]---\left[36\right]$

其中A为信号的幅值。若假设模拟-数字转换器的量程等于2*A(伏特)(即采用模拟-数字转换器的全量程)，而且信号不确定误差的主要来源是模拟-信号转换器分辨率N(位)＝(2*A)/2^N(伏特)，线性位置分辨率ε_X可描述为

${\mathrm{\ϵ}}_X={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}*\frac{P}{2\mathrm{\π}}=\frac{P}{2\mathrm{\π}}*\frac{1}{A}*[(\±\frac{2A}{2^N}\cos \mathrm{\α})-(\±\frac{2A}{2^N}\sin \mathrm{\α})]\⇒$

${\mathrm{\ϵ}}_X=\frac{P}{\mathrm{\π}*2^N}*[(\±\cos \mathrm{\α})-(\±\sin \mathrm{\α})]---\left[37\right]$

其中P为正弦/余弦信号周期(如磁距)。如等式[37]所示，传感器的总分辨率为周期函数，其在(例如)45、135、225和315度处具有最大值，如图45所示。

在传感器通过分辨率倍增器与模拟-数字转换器连接的情况中，如图47所示的框图形式(应注意的是，图47表示的为示例性倍增器，在替代实施例中，倍增器可具有任意合适的可进行此处所述的信号倍增的结构和部件)，应当认识到，来自倍增器的信号输出的噪声电平不应超过模拟-信号转换器的分辨率。图47A为图47所示框图的示例性电路图。应当认识到，在替代实施例中，可用任意合适的电路实现图47的框图。基于连续信号倍增数的噪声可表示为：

$S={\sin }^{2*n}\⇒$

${\mathrm{\ϵ}}_S={\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\frac{\∂}{\∂\sin }{\sin }^{2*n}={\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*2*n{*\sin }^{2*n-1}---\left[38\right]$

其中n为倍增数。如上所述，正弦函数的平方可产生具有两倍频率(如周期的一半)的正弦函数，使线性位置分辨率ε_X可改写为

${\mathrm{\ϵ}}_X=\frac{P}{\mathrm{\π}*2^N*(2*n)}*[(\±\cos \mathrm{\α})-(\±\sin \mathrm{\α})]---\left[39\right]$

其中P为初始信号的周期。应当认识到，每次附加的信号倍增都可使反馈设备的线性分辨率加倍。应当认识到，PSRE采用的表示线性位置分辨率的上述等式仅为示例性目的，可用任意合适的等式得出位置分辨率。

示例性实施例的位置分辨率的提高还可耐受信号幅值变化，以允许间隙信息的测量。例如，在输入信号由于(例如)间隙变化、噪声和磁场缺陷(或其他因素)而变化的情况中，上述分辨率的提高可使信号在其幅值上归一化，并提供基本无失真输出的正弦/余弦信号。例如，图43表示具有施加于输入幅值的约20％噪声的输入信号。图44表示在经上述分辨率增强处理信号后图43所示的信号的输出。间隙测量或其他信息可通过计算的信号(例如图44所示的信号)幅值确定，以使分辨率增强提高间隙测量的分辨率。例如，一旦定义间隙范围，可用模拟-数字转换器的满刻度仅分析所定义的间隙范围。作为非限制性示例，若间隙不能小于(例如)约5mm而且不大于约8mm，则模拟-数字转换器量程可用以分析约5mm至8mm的区域。

如上所述，在正弦信号的幅值与间隙相关的情况中，间隙可(例如)定义为：

其中B和t为(例如)硬件相关常数，sin和cos为正弦信号(不是函数)，A为信号幅值。替代实施例中，B和t可为任意合适的常数值。通过取等式[40]的偏导，间隙测量的分辨率ε_G为

${\mathrm{\ϵ}}_G={\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\frac{\∂}{\∂\sin }[t*\ln \left(\frac{B}{\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}}\right)]$ [41]

${+\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\frac{\∂}{\∂\cos }[t*\ln \left(\frac{B}{\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}}\right)]$

其中ε_sin和ε_cos分别为正弦和余弦信号的各个误差。采用以下简化等式

$\frac{d}{42\mathrm{dx}}\left[\ln \left(U\left(x\right)\right)\right]=\frac{1}{U}*\frac{\mathrm{dU}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}---\left[42\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left[U{\left(x\right)}^n\right]=n*U^{n-1}*\frac{\mathrm{dU}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}---\left[43\right]$

$\frac{\∂}{\∂\sin }[t*\ln \left(\frac{B}{\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}}\right)]=t*\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}*\frac{\∂}{\∂\sin }\left[\frac{1}{\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}}\right]$

$=t*\sqrt{{\sin }^2+{\cos }^2}*(-\frac{1}{2})*\frac{1}{\sqrt{{({\sin }^2+{\cos }^2)}^3}}*\frac{\∂{\sin }^2}{\∂\sin }$

$=\frac{-t*\sin }{{\sin }^2+{\cos }^2}---\left[44\right]$

间隙测量的分辨率可表示为

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{-t*\sin }{{\sin }^2+{\cos }^2}[{\mathrm{\ϵ}}_{\sin }*\sin +{\mathrm{\ϵ}}_{\cos }*\cos ]---\left[45\right]$

若假设模拟-数字转换器的量程等于2*A(伏特)(如采用模拟-数字转换器的全量程)，而且信号不确定/误差的主要来源是模拟-信号转换器分辨率N(位)＝(2*A)/2^N(伏特)，那么等式[45]可改写为

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{-t}{{\sin }^2+{\cos }^2}[(\±\frac{2*A}{2^N}*\sin )+(\±\frac{2*A}{2^N}*\cos \left)\right]---\left[46\right]$

若将正弦和余弦信号替换为正弦和余弦函数，则：

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{-t}{A^2{\sin }^2\mathrm{\α}+A^2{\cos }^2\mathrm{\α}}[(\±\frac{2*A}{2^N}*A\sin \mathrm{\α})+(\±\frac{2*A}{2^N}*A\cos \mathrm{\α}\left)\right]$

$=\frac{2t}{2^N}[\left(\stackrel{\‾}{+}\sin \mathrm{\α}\right)+\left(\stackrel{\‾}{+}\cos \mathrm{\α}\right)]---\left[47\right]$

或

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{t}{2^{N-1}}[\left(\stackrel{\‾}{+}\sin \mathrm{\α}\right)+\left(\stackrel{\‾}{+}\cos \mathrm{\α}\right)]---\left[48\right]$

类似于上述位置分辨率，如等式[48]所示，总间隙分辨率为在约45、135、225和315度处具有最大值的周期函数，如图46所示。在传感器通过(例如)上述分辨率增强器与模拟-数字转换器相连的情况下，控制器190(可包括PSRE)可从(例如)已经在模拟域(例如从增强的位置分辨率)中得出/预处理的正弦和余弦信号的幅值获得间隙信息。取决于应用，可将信号放大转换成间隙信息，放大到感兴趣的区域中(如上所述)并发送至模拟-数字转换器。这种情况下，间隙分辨率可近似为，如：

${\mathrm{\ϵ}}_G=\frac{\mathrm{\ΔG}}{2^N}---\left[49\right]$

其中ΔG为感兴趣的区域。

应当认识到，尽管上述示例对应于信号的双倍倍增(如，使初始信号加倍或使先前倍增的信号加倍)说明，但示例性实施例也适用于采用任意合适的倍增系数(如1、2、3、4等)使初始信号或任意后续倍增信号发生倍增。

操作中，如上所述，包括此处所述的单轴位置传感器的示例性位置测量系统可用于任意合适的具有(例如)可将产品从一个位置运至另一个位置的机械化运送工具的设施。仅出于示例性目的，示例性位置测量系统的操作将针对半导体加工设施进行描述，但应当认识到，示例性位置测量系统可用于上述任意合适设施。

现参见图48，图中所示为示例性半导体基片加工装置3510，公开实施例可应用于其中。加工装置3510示出为连接在具有多个加载端口3512的环境前端模块(EFEM)3514上。加载端口3512可支持多个基片存储盒，例如常规FOUP盒，但也可提供任意其他合适类型的盒。EFEM3514通过连接到加工装置上的加载锁(load lock)3516与加工装置相连。EFEM 3514(其可对大气开放)具有能够将基片从加载端口3512运至加载锁3516的基片运送设备(未显示)。EFEM 3514还可包括基片对齐能力、批量处理能力、基片或载体识别能力等。在替代实施例中，在加载锁具有批量处理能力的情况下，或在加载锁能够将晶片直接从FOUP运至锁的情况下，加载锁3516可直接与加载端口3512相接口。此类设备的一些示例在美国专利第6,071,059、6,375,403、6,461,094、5,588,789、5,613,821、5,607,276、5,644,925、5,954,472、6,120,229号和2002年7月22日提交的美国专利申请第10/200,818号中公开，所述专利全文以引用的方式并入本文。替代实施例中，也可提供其他加载锁选择。

仍参见图48，如上所述，加工装置3510如前所述可用于加工半导体基片(如200/300mm晶片或任意大于或小于200/300mm的其他合适尺寸的晶片)、用于平板显示器的面板或任意其他所需类型的基片，其通常包括运送室3518、加工模块3520和至少一个基片运送装置3522。所示实施例中的基片运送装置3522与室3518集成。在此实施例中，加工模块安装在室3518的两侧。在其他实施例中，加工模块3520可安装在室3518的一侧，如图50的示例所示。图48所示的实施例中，加工模块3520以行Y1、Y2彼此相对安装或安装在垂直平面上。在其他替代实施例中，加工模块可在运送室的相对侧彼此交错，或相对于彼此在垂直方向堆叠。运送装置3522具有推车3522C，其可在室3518内运动，以便在加载锁3516与加工室3520之间运送基片。所示的实施例中，仅提供了一个推车3522C，然而，在替代实施例中，可提供多个推车。如图48所示，运送室3518(其内部为真空或惰性气氛或只是清洁的环境或它们的组合)具有结构，并采用基片运送装置3522，其允许将加工模块以笛卡尔布置方式安装到室3518上，其中模块基本上平行于垂直平面或行布置。这使得加工装置3510具有比类似的常规加工装置(即具有相同数量加工模块的常规加工装置)更紧凑的占位面积(footprint)(参见(例如)图54)。此外，运送室3522可具有任意所需的长度，以添加任意所需数量的加工模块，从而增加生产量，这将在下文进行详细描述。运送室也可在其中支持任意所需数量的运送装置，并允许运送装置到达运送室上的任意所需的加工室而无彼此干扰。这实际上使加工装置的生产量与运送装置的处理能力分离，从而使加工装置生产量变成加工受限，而不是处理受限。因此，可根据需要通过添加加工模块，相应提高同一平台上的处理能力来增加生产量。

仍参见图48，该实施例中的运送室3518大体为矩形，但在替代实施例中，运送室可具有任意其他合适的形状。室3518具有细长形状(即长度远大于宽度)并限定其中的运送装置的基本线性的运送路径。室3518具有纵向侧壁3518S。侧壁3518S具有经由此处形成的运送开口或端口3518O。运送端口3518O的尺寸应足以使基片穿过该端口(其可是直通阀)进入或离开运送室。如图48所示，该实施例中的加工模块3520安装在侧壁3518S的外侧，其中每一加工模块与对应运送室3518内的运送端口3518O对齐。应当认识到，每一加工模块3520可围绕相应的运送端口3518O的外周封住室3518的侧壁3518S，以便保持运送室3518内的真空。每一加工模块3520可具有阀，需要时可通过任意合适的方法控制以关闭运送端口3518O。运送端口3518O可位于相同的水平面上。因此，室3518上的加工模块3520也可在相同的水平面上对齐。替代实施例中，运送端口3518O可设置在不同的水平面上。如图48所示，在该实施例中，加载锁3516安装在两个最前面的运送端口3518O处的室侧壁3518S上。这允许加载锁3516邻近加工装置前面的EFEM3514。替代实施例中，加载锁3516可位于运送室3518上的任意其他运送端口3518O处，如图50的实施例所示。运送室3518的六面体形状允许根据需要选择室3518的长度，以安装需要行的加工模块(例如参见图49，图51-53说明了其他实施例，其中使得运送室长度适于容纳任意合适数量的加工模块)。

如上所述，图48所示实施例中的运送室3518具有一个基片运送装置3522，其具有单个推车3522C。运送装置3522与室集成，以便在室内的前部3518F与后部3518B之间来回平移推车3522C。运送装置3522具有推车3522C，其具有用于固定一个或多个基片的末端执行器。运送装置3522的推车3522C还具有关节臂或可运动的传送机构3522A，其用于延伸和缩回末端执行器，以拾取或释放加工模块3520或加载锁3516中的基片。为从加工模块/加载端口拾取或释放基片，运送装置3522可与所需的模块/端口对齐，将关节臂延伸穿过对应的端口3518O或从该处缩回，以便将末端执行器定位到模块/端口内，用于基片拾取/释放。

如图48所示，运送装置3522为代表性运送装置并包括由线性支撑/驱动轨道支撑的推车3522C。运送装置可基本类似于以引用方式并入本文的美国专利申请第2004/0151562号中所述的磁悬浮运送装置，但也可采用任意合适的运送装置。线性支撑/驱动轨道可安装在侧壁3518S、运送室的底部或顶部，并可延伸室的长度。这允许推车3522C以及装置可横穿室的长度。推车3522C具有可支撑臂的框架。该框架也可支撑与框架一起运动或相对于其运动的脚轮底板(caster mount)或压板3522B。任意合适的电机(例如顺序同步线性电机)都可驱动压板3522B，因此推车3522C可沿轨道运动。该示例性实施例中，臂通过合适的连杆/传动装置在工作时连接在压板3522B上，以使得当压板3522B被驱动电机移动，彼此相对运动时，臂可延伸或缩回。例如，传动装置可被布置使得当压板3522B沿轨道移开时，臂向左侧延伸，而当往回运动相互接近时，臂从左侧缩回。也可通过线性电机适当地操作压板3522B，使臂3522A向右侧延伸或从右侧缩回。

可通过上述的位置测量系统实现控制压板3522B在具有线性电机的滑轨上的运动，以及位置感测压板3522B和由此的推车3522C的位置和臂的延伸/缩回位置。例如磁性压板MP，如示例性压板400可附属于每一运送压板3522B或是其的一部分，以使得压板MP生成的磁场朝向(例如)室3518的侧壁3518S(图55，框4200)定向。单轴传感器组Q(其中每一个都可包括图4、5和7所示的传感器组、图2A和3A所示的传感器成对体、上文关于图3A所述的各个传感器或它们的任意组合)可沿室3518的侧壁3518S、沿推车3522C和运送压板3522A、3522B的行进路径以上文所述的方式放置。应注意的是，为清楚起见，图中只说明了几个传感器组Q。还应注意的是，上述的不同位置感测系统中的任意一种可单独采用也可采用它们的任意组合，以精确确定推车3522C的位置。

控制器3590被配置以按顺序扫描单轴传感器组Q以便输出，其中(例如)位于点3580处的传感器被配置为首先进行扫描的传感器，使得推车3522C的位置向回以点3580为参考，以提供绝对的位置测量(图55，框4210)。如上所述，每一传感器组Q以距离室3518中任意合适参照点的预定距离来定位，使得当磁性压板MP通过任意给定的传感器时，从而粗略了解磁性压板的位置。可如上文所述通过对传感器输出进行数学处理更精确确定磁性压板MP和由此的推车3522C的位置(图55，框4220)。在该示例中，因为每一压板3522B都包括磁性压板MP，所以每一压板3522B的位置可分别确定，使得可在一个方向上一起驱动压板3522B，从而可在运送室3518内的纵向上驱动整个推车/装置，或者分别驱动，使得推车3522C携带的臂3522A延伸或缩回。还应注意的是，可测量推车3522C相对于室壁3518S的位置(如壁与推车之间的间隙)并进行相应的调整，使得推车3522C位于壁3518S之间的预定位置处，以辅助在基片加工模块3520中的准确放置。

图49表示基片加工装置3510’的另一个实施例，其基本类似于装置3510。在该实施例中，运送室3518’具有两个运送装置3622A、3622B。运送装置3622A、3622B基本与上文关于图48所述的装置3522相同。两个运送装置3622A、3622B可由同一组纵向滑轨支撑，如上文所述。可用相同的线性电机驱动来驱动与每一装置对应的推车的压板。线性电机的不同驱动区可允许独立驱动每一推车3622A、3622B上的各个压板，从而也可独立驱动每一单独的推车3622A、3622B。因此，应当认识到，可用线性电机以类似于上文所述的方式独立地延伸/缩回每一装置的臂。然而，在这种情况下，基片运送装置3622A、3622B不能在运送室内彼此经过，除非采用单独的滑动系统。如上所述，每一推车的压板可包括与传感器组Q相互作用的磁性压板MP，其中传感器组Q包括一个或多个附加在室壁3518S’上的单轴传感器。在该示例性实施例中，加工模块沿运送室3518’的长度定位，以运送基片并在加工模块3518’中按避免运送装置3622A、3622B彼此之间的干扰的顺序加工。例如，用于涂覆的加工模块可定位在加热模块前面，冷却模块和蚀刻模块可定位在最后。

然而，运送室3518’可具有另一个运送区3518A’、3518B’，其允许两个运送装置彼此经过(类似于侧轨、旁轨或不需要轨道的磁悬浮区)。在这种情况下，其他运送区可位于定位有加工模块的(一个或多个)水平板的上方或下方。在这种情况下，每一运送区3518A’、3518B’可具有其自己的一组传感器组Q，使得当推车在每一运送区3518A’、3518B’中时，可单独跟踪推车3622A、3622B的位置。在该实施例中，运送装置具有两条滑轨，每一运送装置使用一条。一条滑轨可位于运送室的底部或侧壁上，另一条滑轨可位于室的顶部。在替代实施例中，可采用可同步驱动和停止推车的线性驱动系统，其中推车可独立地水平和垂直运动，从而允许它们独立地彼此传送或运送基片。应注意的是，当推车在彼此上方/下方经过时，可用与磁性压板MP结合的传感器组Q跟踪每一推车3622A、3622B的垂直位置，以防止可能损坏运送工具或运送工具携带的基片的碰撞。在所有采用电绕组的实施例中，在需要对室进行加热以便脱气(例如清除水蒸汽的情况下)的情况下，这些绕组也可用作电阻加热器。在这种情况下，每一运送装置可由专用的线性驱动电机驱动，或由推车所在的专用驱动区驱动，如上文所述。

现参见图52和53，示出了根据其他示例性实施例的，结合了此处所述的位置测量系统的其他基片加工装置。如图52和53所示，这些实施例中的运送室被延长，以容纳另外的加工模块。图52所示的装置具有十二(12)个与运送室相连的加工模块，图53中的每一装置(所示为两个装置)具有二十四(24)个与运送室相连的加工模块。这些实施例中所示的加工模块的数量仅作为示例性目的，如前所述，装置可具有任意其他数量的加工模块。这些实施例中的加工模块沿运送室的侧壁以与前文所述相似的笛卡尔布置方式设置。然而，在这些情况下，加工模块的行数大大增加(如图52的装置有六(6)行，图53的每一装置有十二(12)行)。在图52的实施例中，可移除EFEM，加载端口可直接与加载锁匹配。图52和53中装置的运送室具有多个运送装置(即，图52的情况中有三个运送装置，图53的情况中有六个运送装置)，用于处理加载锁与加工模块之间的基片。所示运送装置的数量仅为示例性目的，可采用更多或更少的装置。这些实施例中的运送装置通常类似于前文所述的装置，包括臂和推车，其中推车的位置和臂的延伸/缩回位置可用多维位置测量系统进行跟踪，如上所述。然而，在这种情况下，推车由运送室侧壁上的分区的线性电机驱动支撑。在这种情况下，线性电机驱动提供推车在两条正交轴的平移(即运送室的纵向和垂直方向)。因此，运送装置能够在运送室中彼此经过。运送室可在加工模块的(一个或多个)平面上方和/或下方具有“传送”或运送区域，运送装置可沿一定路线通过该区域，以避免固定的运送装置(即拾取/释放加工模块中的基片)或运送装置向相反方向运动。应当认识到，基片运送装置具有用于控制多个基片运送装置的运动的控制器。

仍参见图53，在这种情况下，基片加工装置3918A和3918B可直接与工具3900匹配。

从图49、50和52-53可认识到，运送室3518可根据需要延伸，贯穿加工设施PF。如图53所示，以及如下文所详述，运送室可与加工设施PF中的多个部分或隔间(bay)3918A、3918B(例如存储器、光刻工具、金属沉积工具或任意其他合适的工具隔间)相连和连通。通过运送室3518相互连接的隔间还可被配置成加工隔间或工序3918A、3918B。每一隔间具有所需的工具(例如光刻、金属沉积、热浸泡、清洁)，以完成半导体工件的给定制造工序。在任意一种情况下，如上文所述，运送室3518都具有对应于与其可连通地连接的设施隔间中的各种工具的加工模块，以便允许在室与加工模块之间传送半导体工件。因此，运送室可具有贯穿其长度的与连接到运送室上的各种加工模块的环境相对应的不同环境条件(例如大气、真空、超高真空、惰性气体或任意其他环境条件)。因此，给定工序或隔间3518A、3518B中或隔间的一部分中的室的部分3518P1可具有(例如)一种环境条件(如大气的)，室的其他部分3518P2、3518P3可具有不同的环境条件。如上文所述，其中具有不同环境的室的部分3518P1、3518P2、3518P3可在设施的不同隔间内，也可都在设施的一个隔间内。仅出于示例性目的，图53说明了具有三个部分3518P1、3518P2、3518P3的室3518，其中每一部分具有不同的环境。该实施例中的室3518可具有所需数量的部分，所述部分具有所需数量的不同环境。部分3918A、3918B、3518P1、3518P2、3518P3中的每一个都可具有包括一个或多个单轴传感器的传感器组Q，如上文所述，传感器沿相应的运送部分的壁定位。不需要高度精确放置推车3266A的运送部分(如3518P2)可采用上文关于图3A所述的传感器结构，以便推车3266A可以是划算的并对其进行精确的跟踪。在替代实施例中，此处所述的示例性位置测量系统的任意组合都可用于运送部分3918A、3918B、3518P1、3518P2、3518P3中的任意一个。

如图53所示，室3518中与装置3622A(参见图49)相似的运送装置能够在其中具有不同环境的室的部分3518P1、3518P2、3518P3之间穿越。因此，从图53可看出，运送装置3622A可以一次拾取(with onepick)将半导体工件从加工设施的一个工序或隔间3518A中的工具移至加工设施的不同工序或隔间3518B中具有不同环境的另一个工具。例如，运送装置3622A可拾取运送室3518的部分3518P1的加工模块3901中的基片，其中加工模块可为大气模块、光刻、蚀刻或任意其他所需的加工模块。然后运送装置3622A可按图53中箭头X3指示的方向从室的部分3518P1移至部分3518P3。在部分3518P3中，运送装置3622A可将基片放置在加工模块3902中，其中加工模块可为任意所需的加工模块。

从图53可看出，运送室可为模块化的，可根据需要将室的模块连接起来形成室3518。模块可包括内壁3518I(类似于图48中的壁3518F、3518R)，其隔开了室的部分3518P1、3518P2、3518P3、3518P4。内壁3518I可包括槽阀或任意其他合适的可使室的一个部分3518P1、3518P4与一个或多个相邻部分连通的阀。槽阀3518V的尺寸应允许一个或多个推车穿过阀从一个部分3518P1、3518P4到达另一个部分。这样，推车3622A可在整个室3518内任意运动。可将阀关闭以隔离室的部分3518P1、3518P2、3518P3、3518P4，使得不同部分可包含不同的环境，如上文所述。此外，可将室模块的内壁定位以形成图48所示的加载锁3518P4。加载锁3518P4(为示例性目的，图53仅显示一个)可根据需要定位在室3518内，而且其中可保持任意所需数量的推车3622A。

现参见图54，图示为示例性的采用自动材料处理系统(AMHS)4120的制造设施布置。该示例性实施例中，AMHS将工件从储料器4130运送至一个或多个加工工具4110。AMHS可结合一个或多个运送推车4125和运送轨道4135。运送轨道4130可为任意合适的轨道。运送轨道可包括传感器组Q，所述传感器组包括一个或多个如上所述沿轨道分隔的单轴传感器。运送推车4125可包括一个或多个磁性压板MP，其可与传感器组Q相互作用，以提供推车4125的位置测量，如上所述。

应当认识到，可用在物体120每一端部附近的传感器跟踪要被测量或跟踪的物体120的位置，使控制器可适应于(accommodate for)沿相同运送轨道的多个物体，所述多个物体彼此随行，以避免物体之间相互接触。替代实施例中，可用在物体120一端的传感器跟踪物体120，其中物体的长度已知。这里，控制器可用通过此处所述的位置测量系统获得物体第一端的位置，再加上或减去物体的长度来确定沿物体占据的运送路径的空间量。

应当认识到，尽管此处所述的示例性实施例是针对线性驱动系统而描述的，但示例性实施例也适于用于旋转驱动。例如，此处公开的实施例可用于跟踪圆柱体内的物体的旋转速度和轴向位置，同时还测量旋转物体与圆柱体壁之间的距离。

此处所述的示例性实施例提供了采用上文所述的单轴位置传感器用于确定物体的多轴位置的位置测量系统。位置测量系统能够测量沿第一轴的无限量长度，同时还能同时测量沿第二和第三轴的位置。此处所述的位置测量系统可结合到任意合适的运送装置上。尽管此处所述的公开实施例被公开为用于同时测量三条轴，但应当认识到，可将几个测量系统结合在一起测量三条以上的轴。相反，此处所述的示例性实施例也可用于和配置成测量三条以下的轴。示例性实施例还提供了不必将电力传输至可运动物体就可获得该物体位置信息的位置测量系统。然而，尽管上文所述的示例性实施例被描述为具有附加于可运动物体上的磁性压板，但应当认识到，也可将磁性压板附加于(例如)基本沿物体运送路径的固定表面上，而单轴传感器和/或传感器组附加于可运动物体上。

应当理解，此处所述的示例性实施例可单独采用，也可采用它们的任意组合。还应当理解，前面的描述仅为实施例的示例性说明。在不偏离实施例的情况下，本领域技术人员可设计多种替代及修改。因此，本实施例意图于包括所有落入所附权利要求范围内的替代、改进及变化。

Claims (22)

1.一种位置测量装置，包括：

控制器；

与控制器相连通的工件运送工具，该运送工具具有可运动部分和运送路径；以及

多维位置测量设备，其包括至少一个附接到可运动部分的场生成压板和沿运送路径定位并与控制器相连通的至少一个传感器组，其中场生成压板被配置为用于位置测量和推动可运动部分二者；

其中该至少一个传感器组中的每一传感器被配置成提供仅一个与在所感测的场中沿单轴的变化相对应的输出信号，所述变化对应于在运送期间所述可运动部分沿所述运送路径的位移，其中所述所感测的场由至少一个场生成压板生成，并且所述控制器被配置成基于该至少一个传感器组中的至少一个传感器的仅一个输出信号计算邻近相应的该至少一个传感器组之一的沿所述运送路径移动的可运动部分的多维位置，其中多维位置包括至少平面位置和工件运送工具与该至少一个传感器组之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个场生成压板包括成形的磁体，该磁体被配置成提供基本无失真的正弦磁场。

3.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个被配置成感测由场生成压板生成的场的法向分量，其中法向分量垂直于场生成压板的表面。

4.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个被配置成感测由场生成压板生成的场的平行分量，其中平行分量平行于场生成压板的表面。

5.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个包括传感器单体，并且至少一个传感器组中的至少另一个包括传感器成对体，其中所述传感器成对体中的传感器提供的输出信号具有正弦/余弦关系。

6.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个包括传感器成对体，其中传感器成对体中的传感器提供的输出信号具有正弦/余弦关系。

7.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个包括第一传感器对和第二传感器对，其中第一传感器对位于第二传感器对上方，两者成交错关系。

8.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组中的至少一个包括第一传感器对和第二传感器对，其中第一传感器对位于第二传感器对之间，两者成正交关系。

9.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中至少一个传感器组紧邻至少一个场生成压板定位，使得至少一个传感器组中的传感器达到饱和极限。

10.根据权利要求1所述的位置测量装置，其中控制器被配置成调整从至少一个传感器组接收到的输出的正弦周期，使得从调整的信号获得的位置测量比从具有未调整的正弦周期的输出获得的位置测量更精确。

11.一种用于测量由材料处理系统在整个预定区域上运送的可运动物体的位置的位置测量系统，该位置测量系统包括；

可运动物体，其包括场生成压板，所述场生成压板被配置用于位置测量和驱动所述可运动物体两者；

第一位置测量部分，其包括用于与所述场生成压板相互作用的传感器单体；

第二位置测量部分，其包括用于与所述场生成压板相互作用的传感器组；

控制器，其连接到所述传感器单体和所述传感器组，所述控制器被配置成从所述传感器单体和传感器组接收位置确定信号用于计算沿运送路径移动的所述可运动物体的多维位置，每个传感器单体和传感器组中的每个传感器被配置成提供仅一个与在由所述场生成压板生成的场中沿着单轴的变化相对应的输出信号，所述变化对应于在运送期间所述可运动物体沿所述运送路径的位移；

其中所述第二位置测量部分内的位置测量的精度大于所述第一位置测量部分内的位置测量的精度。

12.根据权利要求11所述的位置测量系统，其中所述位置测量系统与所述材料处理系统集成，并且所述第二位置测量部分包括多个第二位置测量系统，每个所述第二位置测量系统对应于沿着所述材料处理系统的生产工具的位置，所述第一位置测量部分被定位在多个第二位置测量系统的每一个之间。

13.一种位置测量系统，包括：

被设置在可运动物体上的场生成压板，在其中所述场生成压板被配置用于位置测量和驱动所述可运动物体两者；

间隔开预定距离的多个传感器，所述多个传感器的每一个被配置成产生仅一个与在所感测的由所述场生成压板生成的场中沿着单轴的变化相对应的正弦输出信号，所述变化对应于在运送期间所述可运动物体沿运送路径的位移；以及

连接到所述多个传感器的控制器，所述控制器被配置成调整所述正弦输出信号以用于使所述正弦输出信号的频率乘以预定因子，其中所述位置测量系统的分辨率增加到是以前的基本上等于所述预定因子的量的倍数。

14.根据权利要求13所述的位置测量系统，其中所述正弦输出被调整并且在模拟域中增加所述位置测量系统的分辨率。

15.根据权利要求13所述的位置测量系统，其中所述控制器被配置成基于所述正弦输出确定所述可运动物体的多维位置，其中所述多维位置包括间隙测量。

16.一种用于位置测量的方法，该方法包括：

利用场生成压板生成场，其中所述场生成压板被配置用于位置测量和驱动附接到所述场生成压板的物体两者；

利用一维传感器阵列中的每个传感器感测在所述场中沿着单轴的变化，所述变化对应于在运送期间所述物体沿运送路径的位移；以及

根据所述一维传感器阵列中的每个传感器的仅一个输出来确定所述物体的至少三维位置，其中所述至少三维位置包括沿所述运送路径移动的所述场生成压板和所述一维传感器阵列中的传感器之间的间隙。

17.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，其中所述场由磁体阵列生成，每个磁体具有被配置成提供基本无失真的正弦磁场的形状。

18.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，其中所述一维传感器阵列包括多个传感器组，并且确定所述三维位置包括：

通过得到来自沿着每个轴的多个传感器组的输出信号的比率的反正切来确定所述物体沿着第一运动轴和第二运动轴的位置，所述第一运动轴不同于所述第二运动轴，并且所述输出信号具有正弦/余项关系，所述反正切的值与沿着所述场生成压板的磁距的距离的几分之一成比例；以及

通过得到来自所述多个传感器组的输出信号的平方和的均方根来确定所述物体沿着第三运动轴的位置，所述第三运动轴基本上垂直于所述第一和第二运动轴，并且所述平方和的均方根与所述场生成压板和所述多个传感器组中的传感器之间的距离成比例。

19.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，其中感测在所述场中沿着单轴的变化包括：

感测所述场的法向分量，其中所述法向分量基本上垂直于所述场生成压板的表面；或者

感测所述场的平行分量，其中所述平行分量基本上平行于所述场生成压板的表面。

20.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，还包括连续地扫描所述一维传感器阵列的每个传感器以用于输出，以使得所述场生成压板的位置向回以所述一维传感器阵列的第一个所扫描的传感器为参考，以提供绝对位置测量。

21.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，其中所述一维传感器阵列中的每个传感器的仅一个输出是正弦输出，该方法还包括调整每个传感器的正弦输出的周期以使得从所调整的输出获得的位置测量比从具有未调整的正弦周期的输出获得的位置测量更精确。

22.根据权利要求16所述的用于位置测量的方法，其中所述每个传感器达到传感器的饱和极限，所述方法还包括对由所述传感器产生的饱和信号求和以用于产生具有更短波周期的相移基本锯齿状的信号以允许当与对于未饱和信号而言的传感器分辨率、变化速率和波周期相比时关于传感器的响应于所述场的更高变化速率，以及增加的传感器分辨率。

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