一、定义
Limit Sensor（限位传感器）是一种用于检测物体的位置或运动是否达到极限位置的传感器。在半导体设备中，它起到至关重要的作用，能够精确地感知设备部件的位置状态，确保设备的安全运行以及生产过程的准确性。
二、在半导体设备中的功能
• 位置检测与定位：在半导体制造过程中，许多精密部件需要精确地移动到特定位置。Limit Sensor可以检测如晶圆传输手臂、光刻胶涂覆喷头等部件是否到达预设的工作位置。例如，在晶圆传输过程中，传感器能确定晶圆是否准确放置在加工平台上，避免因位置偏差而导致加工失误。
• 安全保护：防止设备部件超出安全运动范围。半导体设备中有很多高速运转或高精度的部件，如电机驱动的机械臂等。当这些部件运动到可能造成损坏的极限位置时，Limit Sensor会及时检测到并触发安全机制，比如紧急停止设备运行，避免机械碰撞、损坏设备，减少经济损失和维修时间。
三、运用
• 光刻设备：在光刻环节，光刻胶涂覆装置的运动需要精准控制。Limit Sensor可以检测涂覆喷头的上下移动极限位置，确保光刻胶均匀、准确地涂覆在晶圆表面。并且在曝光平台的定位过程中，它能保证晶圆与掩模版之间的对准精度，提高光刻质量。
• 蚀刻设备：蚀刻过程中反应室内部的部件移动，如气体喷头的位置调整和晶圆夹具的进出等，通过Limit Sensor进行位置监测，使蚀刻气体能够精准地作用于晶圆表面特定区域，保证蚀刻图案的精度和一致性。
• 化学机械抛光（CMP）设备：在CMP设备中，抛光头和晶圆承载盘的升降位置由Limit Sensor监控。这样可以确保抛光压力的精确控制，使晶圆表面达到所需的平整度。
四、原理
Limit Sensor在半导体设备中的工作原理主要有以下几种：
• 机械接触式原理：当设备部件运动到极限位置时，会触碰到Limit Sensor的机械触头。触头的动作使内部机械结构改变，进而转换为电信号。像微动开关，物体触碰按钮时，内部触点闭合或断开，改变电路通断状态，以此告知设备部件已达极限位置，常用于简单的位置检测与限位保护，如晶圆传输轨道的端点检测。
• 光学原理：
• 对射式：由发射器和接收器组成，正常情况下，发射器发出的光直接被接收器接收。当被检测物体运动到两者之间，遮挡光路时，接收器接收的光强变化，传感器检测到光强改变，输出信号，表明物体到达特定位置，可用于检测晶圆或设备部件是否进入指定区域。
• 反射式：传感器发射光，当物体靠近或到达极限位置时，光被反射回来，传感器根据反射光的强度、相位或时间等变化来判断物体位置。比如，在光刻设备中，可通过反射式光学Limit Sensor检测晶圆表面的平整度和位置。
• 电磁原理：
• 电感式：电感式Limit Sensor利用电磁感应原理。当金属物体靠近传感器头部的电感线圈时，会改变线圈的电感量，进而使传感器的输出信号变化。设备控制系统通过监测信号变化，得知金属部件是否到达极限位置，常用于检测金属材质的运动部件，如蚀刻设备中金属喷头的位置监测。
• 电容式：电容式Limit Sensor依据电容变化原理工作。当物体靠近或离开传感器的电容极板时，会改变极板间的电容值。传感器检测到电容变化后，将其转换为电信号输出，以此判断物体的位置状态，不仅能检测金属物体，对塑料、液体等绝缘材料制成的物体也能检测，可用于监测光刻胶存储罐中液位的上限或下限位置。
• 霍尔效应原理：某些半导体材料在磁场中会产生霍尔效应。当有电流通过半导体材料且存在垂直于电流方向的磁场时，在材料的两侧会产生与磁场强度和电流大小成正比的霍尔电压。在Limit Sensor中，将霍尔元件安装在设备部件上，当部件运动到特定位置，靠近或远离固定的磁场源时，霍尔元件产生的霍尔电压发生变化，通过检测电压变化确定部件位置，常用于需要非接触式检测且对精度要求较高的场合，如高精度的晶圆定位系统。
五、结构
• 外壳：起到保护内部元件的作用，通常采用金属或高强度塑料制成，能够抵御一定程度的物理冲击、化学腐蚀和灰尘污染，确保传感器在复杂的半导体制造环境中正常工作。
• 感应元件：根据不同的原理有所不同。如机械接触式的感应元件主要是微动开关的触头；光学式的包括发光二极管（光源）、光敏元件（接收器）；电磁式的则是电感线圈或电容极板等。这些感应元件是传感器实现检测功能的核心部分。
• 信号处理电路：负责将感应元件产生的微弱信号进行放大、滤波、整形等处理，将其转换为能够被设备控制系统识别的标准电信号，如0 - 10V的模拟电压信号或数字信号（高低电平）。
• 连接接口：用于和半导体设备的控制系统进行连接，以便将检测到的位置信号传输给控制器，使控制器能够根据信号及时做出相应的控制动作，如停止电机运转、调整设备参数等。
光学Limit Sensor与其他类型Limit Sensor相比，优势如下：
• 非接触式测量：与机械接触式Limit Sensor不同，光学Limit Sensor采用非接触式测量方式，不会与被测物体直接接触，从而避免了因接触而产生的磨损、划伤和机械应力等问题，既延长了传感器和被测物体的使用寿命，又能保持高精度测量，特别适用于对精密部件或易损物体的位置检测。
• 高精度和高分辨率：光学Limit Sensor能够实现很高的测量精度和分辨率。通过精确控制光路和采用高灵敏度的光电探测器，它可以检测到非常微小的位置变化。例如在半导体光刻设备中，光学Limit Sensor可以精确到纳米级别，确保晶圆上的图案转移精度。
• 快速响应：光学Limit Sensor的响应速度通常很快，能够迅速检测到物体的位置变化并输出相应信号。这使得它适用于高速运动物体的位置检测和实时控制，比如在高速旋转的半导体制造设备中，能及时反馈部件位置信息，保证设备的稳定运行。
• 抗电磁干扰能力强：相较于电磁式Limit Sensor，光学Limit Sensor不易受到电磁干扰的影响。因为它是基于光信号进行工作的，光信号不受电磁场的直接干扰，所以在电磁环境复杂的半导体制造车间中，能稳定工作，提供可靠的位置检测信号。
• 可适应恶劣环境（部分情况）：虽然光学Limit Sensor对环境条件有一定要求，但在某些恶劣环境下仍具有优势。例如，与机械接触式传感器相比，它不怕灰尘、油污等污染物的影响，只要光路不被严重遮挡，就能正常工作。而且一些经过特殊设计的光学Limit Sensor还能在高温、低温等极端温度条件下稳定运行。
• 多种检测方式和灵活性：光学Limit Sensor有多种检测方式，如对射式、反射式等，可以根据不同的应用场景和检测需求进行选择。此外，它的安装和调试相对灵活，不需要像机械接触式传感器那样进行精确的机械连接和调整，也不像某些电磁式传感器那样对安装位置和周围环境有严格要求。
光学Limit Sensor也存在以下一些缺点：
• 环境适应性问题：
• 环境光干扰：易受环境光影响，强光会造成信号饱和，使检测结果不准确；弱光则会使信号强度不足，增加检测时间或降低灵敏度。室内照明的闪烁也会干扰感测光信号。
• 灰尘与污染：在灰尘多、有腐蚀性气体、水油药剂溅射的环境中，镜头等光学部件易被污染，导致光信号传输和接收受影响，需经常清洁维护。
• 温度影响：极端温度会使光学元件热胀冷缩，导致光路变化、焦距改变等，影响检测精度，还可能使传感器内部电子元件性能不稳定。
• 振动与冲击：安装不稳定或有震动冲击的场所，可能使光学部件移位、光路偏离，造成检测误差或误动作。
• 成本与复杂性问题：
• 高成本：光学Limit Sensor的制造涉及高精度光学元件、先进的光电转换技术和复杂的电路设计，使得其生产成本较高，且后续的维护和校准也需要一定成本。
• 复杂的安装与调试：需要精确对准发射端和接收端，对安装位置、角度和距离要求严格，安装和调试过程复杂且耗时。
• 检测对象的限制：
• 反射率要求：对低反射率或吸光性强的物体，检测距离会缩短或检测效果不佳，物体表面的颜色、粗糙度和纹理等也会影响反射光强度和质量，导致检测不稳定。
• 透光性影响：对于透明或半透明物体，光可能穿过而不是反射或遮挡，使传感器难以准确检测，需要采用特殊的检测方法或增加辅助装置。
以下是一些国内外Limit sensor制造厂商：
• 国外厂商：
• 博世（Bosch）：德国公司，在传感器领域有深厚技术积累，其生产的Limit sensor产品精度高、可靠性强，广泛应用于汽车、工业自动化等众多领域。
• 霍尼韦尔（Honeywell）：美国的多元化科技企业，提供多种类型的Limit sensor，在航空航天、工业控制、建筑自动化等行业有大量应用，以稳定性和先进的技术著称。
• 欧姆龙（Omron）：日本企业，在自动化控制领域知名度高，其Limit sensor产品种类丰富，涵盖了光电式、电磁式等多种类型，具有响应速度快、寿命长等优点，常用于工业自动化生产线、物流设备等方面。
• 西门子（Siemens）：德国工业巨头，生产的Limit sensor具有高可靠性和高精度，能适应各种复杂的工业环境，在电力、冶金、化工等大型工业项目中应用广泛。
• 英飞凌（Infineon）：德国的半导体制造商，虽然其在功率半导体方面更为知名，但也有涉及Limit sensor等相关产品，产品在性能和质量上都有较高水准。
• 国内厂商：
• 上海兰宝：是国内比较知名的传感器品牌，产品包括多种类型的Limit sensor，在行业内有一定的市场份额，产品质量和性能受到用户认可。
• 索迪龙：发展势头较猛，早期靠给欧姆龙贴牌积累了一定经验和技术，如今自主生产的Limit sensor在国内市场销量靠前。
• 嘉准：具有较高的性价比，产品在一些对成本较为敏感但又有一定性能要求的领域有广泛应用，通过线上渠道等方式，在市场上有一定的知名度。
参考资料：
1.https://m.sensorexpert.com.cn/article/402298.html?webview_progress_bar=1&show_loading=0
2.
