專利名稱：用于感測(cè)探針位置的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于感測(cè)探針相對(duì)于參考介質(zhì)的位置的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在本發(fā)明的領(lǐng)域中，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是一種微米尺寸的機(jī)械元件的技術(shù)，它包括各種幾何形狀的三維平版印刷特征。它們一般使用類似于半導(dǎo)體工藝(例如表面微加工技術(shù)和/或體微加工技術(shù))的平面加工工藝來生產(chǎn)。MEMS通常使用經(jīng)過修改的硅制造技術(shù)、模塑和電鍍、放電加工以及能夠生產(chǎn)非常小的器件的其他技術(shù)來制造。
本發(fā)明的領(lǐng)域還包括使用納米尺度的尖頭來成像并研究小到原子尺度的材料結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這樣的技術(shù)包括掃描隧道顯微術(shù)(STM)和原子力顯微術(shù)(AFM)，如在US 4,343,993和EP 0 223 918 B1中所公開的。
基于掃描隧道顯微術(shù)和原子力顯微術(shù)的發(fā)展，在過去數(shù)年間已出現(xiàn)了從這些技術(shù)中獲益的新的存儲(chǔ)概念。已提出了具有納米尺度尖頭的探針，用于修改形態(tài)(topography)，掃描適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)介質(zhì)。數(shù)據(jù)以比特序列的形式被寫入，這些比特序列用形態(tài)標(biāo)記來表示，例如凹痕標(biāo)記和非凹痕標(biāo)記。尖頭包括直徑為納米尺寸的頂端，并且凹痕標(biāo)記具有與之相當(dāng)?shù)闹睆?，例如?0到40nm范圍內(nèi)的直徑。因此，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)概念有望實(shí)現(xiàn)超高存儲(chǔ)面密度。
在STM中，納米尺寸的尖頭在非?？拷砻娴牡胤綊呙柽\(yùn)動(dòng)。施加在兩者之間的電壓引發(fā)了隧道電流，該電流取決于尖頭和表面之間的間隔。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的角度看，這樣的技術(shù)可被用來成像或感測(cè)平坦介質(zhì)上的代表用邏輯“0”和“1”表示的存儲(chǔ)信息的形態(tài)變化。為了獲得適度穩(wěn)定的電流，尖頭和樣本的間隔必須保持得極小并且相當(dāng)恒定。在STM中，待掃描的表面應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)電材料。
在AFM中，尖頭位于軟彈性懸臂的一端。當(dāng)尖頭靠近表面時(shí)，兩者之間產(chǎn)生的力導(dǎo)致彈性懸臂的彎曲，從而可以被感測(cè)出來。
在P.Vettiger等人發(fā)表在IBM Journal Research Development，Vol.44，No.3，March 2000的“The millipede-more than 1,000tipsfor future AFM data storage”一文中公開了基于AFM原理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。該存儲(chǔ)設(shè)備具有讀寫功能，該讀寫功能基于利用各自具有尖頭的探針陣列對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行的x、y方向的機(jī)械掃描。在操作期間，探針并行地掃描存儲(chǔ)介質(zhì)中的指定區(qū)域。按照這種方式，就可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率。存儲(chǔ)介質(zhì)包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)層。納米尺寸的尖頭在接觸模式下在聚合物層的表面上移動(dòng)。而接觸模式的實(shí)現(xiàn)是通過向探針施加小的力，使得探針的尖頭可以接觸到存儲(chǔ)介質(zhì)的表面。為此目的，探針包括在末端部分上攜帶尖頭的懸臂。比特位由聚合物層上的凹痕標(biāo)記和非凹痕標(biāo)記來表示。懸臂在表面上移動(dòng)時(shí)對(duì)表面中的這些形態(tài)變化作出響應(yīng)。
凹痕標(biāo)記通過熱機(jī)械記錄形成在聚合物表面上。這是通過以下方式來實(shí)現(xiàn)的在接觸模式期間，利用電流或電壓脈沖來加熱各個(gè)探針，使得尖頭接觸到聚合物層的地方的聚合物層局部軟化。結(jié)果就是例如具有納米級(jí)直徑的凹痕被形成在該層中。
讀操作也是通過熱機(jī)械原理來完成的。向加熱器懸臂提供一定量的電能，這使得探針加熱到一個(gè)不足以象寫操作所需的那樣使聚合物層軟化的溫度。熱感測(cè)是基于以下事實(shí)當(dāng)探針在凹痕中移動(dòng)時(shí)，探針和存儲(chǔ)介質(zhì)(特別是存儲(chǔ)介質(zhì)上的襯底)之間的導(dǎo)熱性發(fā)生變化，因?yàn)楫?dāng)探針在凹痕中移動(dòng)時(shí)熱傳導(dǎo)更有效率。懸臂的溫度因此而降低，進(jìn)而它的電阻也發(fā)生改變。然后測(cè)量出這種電阻的改變，并將其用作測(cè)量信號(hào)。通過使探針在一個(gè)軌道內(nèi)的多條線中相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)移動(dòng)，并且在已到達(dá)各條線的末端后移動(dòng)到下一個(gè)軌道，就可以完成對(duì)標(biāo)記的讀寫操作。
要提供一種用于感測(cè)探針的位置的設(shè)備和方法是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的實(shí)施方案，提供了一種用于感測(cè)探針相對(duì)于參考介質(zhì)的位置的設(shè)備，所述探針包括具有與溫度有關(guān)的電阻的加熱器元件，所述設(shè)備可以通過測(cè)量與加熱器元件的熱弛豫時(shí)間相關(guān)的參數(shù)來確定所述位置。
本發(fā)明的實(shí)施方案具有改進(jìn)響應(yīng)性能的優(yōu)點(diǎn)，并且與前面提出的需要利用加熱器的電阻測(cè)量結(jié)果來直接測(cè)量加熱器元件的溫度的方法相比，區(qū)別在于更好的1/f噪聲和更好的漂移特性。本發(fā)明的區(qū)別還在于使得模擬的位置信號(hào)可被轉(zhuǎn)換到數(shù)字時(shí)域中。這使得不再需要測(cè)量在絕對(duì)量級(jí)上較小的模擬信號(hào)。此外，這還可以大大減少與制造公差有關(guān)的靈敏度和精度問題。
第一方面的實(shí)施方案可以包括張弛振蕩器電路，該張弛振蕩器電路可以向加熱器元件施加偏置電壓電勢(shì)。
張弛振蕩器電路的特征在于簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)。相反，以前提出的需要進(jìn)行直接的電阻測(cè)量的技術(shù)需要復(fù)雜的電路，例如線性放大器。
張弛振蕩器電路還可以包括電流閾值切換單元，它可以執(zhí)行第一切換動(dòng)作和第二切換動(dòng)作，所述第一切換動(dòng)作包括在到達(dá)第一電流閾值時(shí)，將偏置電壓電勢(shì)從第一偏置電壓電勢(shì)切換到第二偏置電壓電勢(shì)，所述第二切換動(dòng)作包括當(dāng)?shù)竭_(dá)第二電流閾值時(shí)，將第二偏置電勢(shì)切換到第一偏置電壓電勢(shì)。
利用該電流閾值切換單元，就可以用簡(jiǎn)單的電路來確定探針相對(duì)于參考介質(zhì)的位置。
電流閾值切換單元可被配置為連續(xù)執(zhí)行多次第一和第二切換動(dòng)作。
這具有的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)加熱器元件的電流到達(dá)所述電流閾值之一時(shí)，這會(huì)自動(dòng)地觸發(fā)電流閾值切換單元執(zhí)行切換動(dòng)作，從而使得達(dá)到所述電流閾值中的另一個(gè)。這一循環(huán)被連續(xù)地重復(fù)，直到在外部用戶的干預(yù)下終止。
在上面的情況中，參數(shù)優(yōu)選地是切換單元的切換頻率。
用切換頻率來確定探針位置給出的基本上是數(shù)字信號(hào)，結(jié)果就用最小的代價(jià)獲得了探針的位置。取決于工作點(diǎn)，這還可以保證噪聲電平，特別是1/f噪聲的減小。
可替換地，電流閾值切換單元可以被配置來執(zhí)行第一和第二切換動(dòng)作之一。在這種情況下，參數(shù)優(yōu)選地是從施加第一和第二偏置電壓電勢(shì)之一起，到達(dá)到對(duì)應(yīng)的第一或第二電流閾值的持續(xù)時(shí)間。
在這種情況下，電流閾值切換單元被配置為一旦達(dá)到電流閾值就停止工作。例如，如果切換單元被配置為執(zhí)行第一切換動(dòng)作，那么一旦達(dá)到了第一電流閾值，就終止張弛振蕩器的工作。只有在提供了外部觸發(fā)的情況下，才會(huì)恢復(fù)工作并且進(jìn)行下一階段的操作，即執(zhí)行第二切換動(dòng)作。在這種情況下，可以通過測(cè)量到達(dá)與被執(zhí)行的切換動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的電流閾值所花費(fèi)的持續(xù)時(shí)間來獲得存儲(chǔ)介質(zhì)上的探針位置。這種工作模式——即所謂的單次(single shot)模式在探針位置的確定與非重復(fù)的觸發(fā)事件同步時(shí)特別有優(yōu)勢(shì)。
在本實(shí)施方案中，第一電流閾值可以大于對(duì)應(yīng)于第一偏置電壓電勢(shì)的穩(wěn)態(tài)電流，第二電流閾值小于對(duì)應(yīng)于第二偏置電壓電勢(shì)的穩(wěn)態(tài)電流，并且第一偏置電壓電勢(shì)大于第二偏置電壓電勢(shì)。
穩(wěn)態(tài)電流是在不改變探針的各個(gè)位置的情況下，在改變偏置電壓電勢(shì)后最終達(dá)到的電流。對(duì)第一和第二電流閾值以及第一和第二偏置電壓電勢(shì)的數(shù)值的選擇要保證第一實(shí)施方案有效并且準(zhǔn)確的工作。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的另一個(gè)實(shí)施方案，所述設(shè)備可以包括LC諧振電路，它的容性元件就是加熱器元件，并且其中，參數(shù)就是LC諧振電路的諧振頻率。
這樣的設(shè)備對(duì)于低頻應(yīng)用特別有用。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的又一個(gè)實(shí)施方案，所述設(shè)備可以包括RC延遲線振蕩器電路，其中參數(shù)是RC延遲線振蕩器的振蕩頻率。
RC延遲線振蕩器的優(yōu)勢(shì)在于不需要電感。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的又一個(gè)實(shí)施方案，所述設(shè)備可以包括橋式振蕩器電路，其中參數(shù)是橋式振蕩器的振蕩頻率。
橋式振蕩器提供了較好的穩(wěn)定性和相位噪聲性能。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的又一個(gè)實(shí)施方案，其中上述張弛振蕩器電路、LC諧振電路、RC延遲線振蕩器和橋式振蕩器中的每一個(gè)還包括用于使電路與外部時(shí)鐘同步的鎖相單元。按照這種方式，包含在控制信號(hào)中的位置信息可以被用來調(diào)整電路的頻率，以便減小與參考頻率之間的相位差。在這種情況下，參數(shù)優(yōu)選地是從鎖相單元輸出的相位對(duì)比(phase contrast)信號(hào)。如果代表邏輯信息的標(biāo)記存在于參考(存儲(chǔ))介質(zhì)中并且探針在參考介質(zhì)上掃描，這就特別有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，外部時(shí)鐘信號(hào)和標(biāo)記的精確位置不需要完全匹配，這使得感測(cè)操作對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)的波動(dòng)更具魯棒性。
有利的是，當(dāng)探針掃描參考介質(zhì)的表面時(shí)，外部時(shí)鐘可以生成對(duì)應(yīng)于參考介質(zhì)上的連續(xù)標(biāo)記位置的時(shí)鐘信號(hào)(clocking signal，同步信號(hào))。
按照這種方式，就有可能實(shí)現(xiàn)與標(biāo)記位置之間的簡(jiǎn)單同步。只需要低采樣率，并且可以同時(shí)獲得高檢測(cè)可靠性。
此外，實(shí)施本發(fā)明的第一方面的設(shè)備可以控制張弛振蕩器電路、LC諧振電路、RC延遲線振蕩器電路和橋式振蕩器電路中每一個(gè)的總環(huán)路增益，使得建立相位匹配所用的時(shí)間長(zhǎng)到足以探測(cè)到平衡標(biāo)記串。
在這種情況下，標(biāo)記優(yōu)選地用凹痕和非凹痕來表示。無論何時(shí)在兩個(gè)時(shí)鐘脈沖(同步脈沖，clocking pulse)之間的時(shí)間間隔期間探測(cè)到凹痕時(shí)，電路的相位就減少恒定的量，這是因?yàn)闊岢谠r(shí)間略小于均值，因而電弛豫時(shí)間也略慢于均值。相反，如果在兩個(gè)時(shí)鐘脈沖之間未探測(cè)到凹痕，則電路的相位增加恒定的量。這樣，加熱器元件所探測(cè)到的數(shù)字信息就以復(fù)合的方式被編碼在相位信號(hào)中，然后可以對(duì)其分別進(jìn)行分析。
在本發(fā)明的第一方面的實(shí)施方案中，加熱器元件在加熱器元件的電流/電壓關(guān)系曲線的平臺(tái)區(qū)中工作。
按照這種方式，由于加熱器元件的電弛豫時(shí)間(也被稱為電學(xué)時(shí)間常數(shù))基本上與工作點(diǎn)無關(guān)，并且只反映加熱器元件的實(shí)際熱弛豫時(shí)間，因而可以使1/f噪聲減小。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的實(shí)施方案，提供了一種用于感測(cè)探針相對(duì)于參考介質(zhì)的位置的方法，所述探針包括具有與溫度有關(guān)的電阻的加熱器元件，所述方法包括以下步驟測(cè)量與加熱器元件的熱弛豫時(shí)間相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。
方法方面對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的設(shè)備方面及其實(shí)施方案。
任何設(shè)備特征都可以適用于本發(fā)明的方法方面，反之亦然。一個(gè)方面的特征可以適用于任何其他方面。


作為例子，本說明書參考以下附圖，其中圖1是存儲(chǔ)設(shè)備的透視圖；圖2是圖1中所示的存儲(chǔ)設(shè)備的一部分的橫截面圖；圖3示出了設(shè)在圖1的存儲(chǔ)設(shè)備中的探針，該探針位于存儲(chǔ)介質(zhì)的無凹痕區(qū)域的上方；圖4示出了探針下降到圖1的設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)上的凹痕中；圖5是加熱器元件的作為其溫度的函數(shù)的電阻的曲線圖；圖6圖解說明加熱器元件的電阻的電流/電壓關(guān)系；圖7是加熱器元件的等效電路；圖8是實(shí)施本發(fā)明的張弛振蕩器的電路圖；圖9是對(duì)應(yīng)于圖8中所示的張弛振蕩器的電流/電壓圖；圖10是實(shí)施本發(fā)明的LC諧振電路的電路圖；圖11是實(shí)施本發(fā)明的RC延遲線振蕩器的電路圖；圖12是實(shí)施本發(fā)明的橋式振蕩器的電路圖；圖13是具有鎖相環(huán)單元的振蕩器的電路圖；圖14示出了在圖8中所示的張弛振蕩器的工作期間，加熱器元件的電流I_HE和加熱器元件電勢(shì)差U_HE分別作為時(shí)間t的函數(shù)的曲線圖；并且圖15分別圖解說明本發(fā)明的實(shí)施方案和以前提出的技術(shù)的功率譜密度。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了尤其用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備的透視圖。該存儲(chǔ)設(shè)備包括優(yōu)選地利用聚合物層形成的存儲(chǔ)介質(zhì)2。這種情況下的存儲(chǔ)介質(zhì)2是參考介質(zhì)的具體表現(xiàn)形式。聚合物層優(yōu)選地由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)層形成。然而，存儲(chǔ)介質(zhì)2還可以由不同的材料構(gòu)成，比如導(dǎo)電材料。存儲(chǔ)介質(zhì)2用襯底4來支撐。襯底4優(yōu)選地由硅制成。
探針6的陣列被安裝在公共框架8上。在圖1中只示出了一部分探針。然而，存儲(chǔ)設(shè)備可以包括更多的探針6，例如1024個(gè)，甚至大得多的數(shù)字。但是它也可以只包括一個(gè)或幾個(gè)探針6。
每個(gè)探針6都包括端子，每個(gè)端子都經(jīng)由導(dǎo)電線電連接到控制和信息處理單元12。這些端子全都可以分別連接到控制和信息處理單元12。但是，為了降低布線的復(fù)雜性，各個(gè)探針6的端子也可以經(jīng)由行線和列線，并且有可能經(jīng)由復(fù)用器被連接到控制和信息處理單元12。
控制和信息處理單元12被設(shè)計(jì)來產(chǎn)生經(jīng)由端子施加到探針6的控制參數(shù)或者端子上的感測(cè)參數(shù)，例如用于讀或?qū)懛绞降碾娏骰螂妷弘妱?shì)。控制參數(shù)和感測(cè)參數(shù)的性質(zhì)取決于存儲(chǔ)介質(zhì)2的性質(zhì)?？刂坪托畔⑻幚韱卧?2也是感測(cè)探針6相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)2的位置的設(shè)備?？刂坪托畔⑻幚韱卧?2還被設(shè)計(jì)來控制存儲(chǔ)介質(zhì)2和襯底4在x、y和z方向上相對(duì)于框架8的移動(dòng)。對(duì)此的致動(dòng)由掃描器18來完成。
因此，存儲(chǔ)介質(zhì)2和包含探針6的框架8可以彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在可選的實(shí)施方案中，掃描器18可以作用于框架8，以使框架8在x、y和z方向上相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)2和襯底4運(yùn)動(dòng)。在z方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以通過在探針6上施加相應(yīng)的靜電力來完成，其中探針6可能包含形成電容器的第一電極的容性平臺(tái)，還包括設(shè)在相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)2的固定位置上的第二電極。
在存儲(chǔ)介質(zhì)2中，標(biāo)號(hào)20、22和24表示代表邏輯信息的標(biāo)記。優(yōu)選地，它們形成形態(tài)標(biāo)記，并且可以將邏輯“1”表示為凹痕，而沒有凹痕則可以代表邏輯“0”。標(biāo)記20、22和24優(yōu)選地具有納米級(jí)的直徑。在圖1中，只示出了一小部分標(biāo)記20、22和24，它們也不代表其真實(shí)的物理屬性。但是，可以理解的是，標(biāo)記20、22和24可以在數(shù)量上更多，并且可以代表2個(gè)以上的邏輯值。
在圖2中，示出了圖1的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的橫截面圖。示出了探針6的一部分。探針6包括彈性懸臂26，在該懸臂上安裝有尖頭28，尖頭28具有頂端30，該頂端30優(yōu)選地具有納米尺寸的半徑。通過將尖頭28的頂端30推入存儲(chǔ)介質(zhì)2中而形成了示為凹痕標(biāo)記的標(biāo)記20、22和24。
探針6包括彈性懸臂26和用于執(zhí)行讀/寫操作的加熱器元件HE。加熱器元件HE被形成為具有溫度相關(guān)性的電阻器，它熱耦合到尖頭28。但是，它不是必須要熱耦合到尖頭28，特別是在只進(jìn)行讀操作時(shí)?？梢岳斫?，也可以利用單獨(dú)的加熱器元件HE來執(zhí)行讀/寫操作。
彈性懸臂26和加熱器元件HE優(yōu)選地是用硅制成。與探針的端子之間的導(dǎo)電連接優(yōu)選地由彈性懸臂26的高摻雜區(qū)構(gòu)成，而加熱器元件HE在由具有溫度相關(guān)性的電阻器形成的情況下可以用少量摻雜的硅來形成，這產(chǎn)生了較高的電阻。加熱器元件HE的摻雜濃度例如可以是在1016-1018cm-3的范圍內(nèi)。
在基于AFM的存儲(chǔ)設(shè)備的情況下，尖頭28不必是導(dǎo)電性的。尖頭也可以由不同的材料，例如磁性材料形成。
從圖3中可以非常清楚地看到，如果頂端位于存儲(chǔ)介質(zhì)2沒有凹痕的區(qū)域中，那么加熱器元件HE與存儲(chǔ)介質(zhì)2分開一段距離h，如果頂端移動(dòng)到凹痕中(見圖4)，則距離變?yōu)閔-Δh。
在存儲(chǔ)設(shè)備的工作期間，每個(gè)探針6在它各自分配的區(qū)域上移動(dòng)。它沿著多條線移動(dòng)，每條線構(gòu)成一個(gè)軌道。用標(biāo)記表示的數(shù)據(jù)沿著各條軌道連續(xù)地被寫入并被分別讀出，在每條軌道的末端，各個(gè)探針6移動(dòng)到下一軌道。
掃描方向是每個(gè)探針6和存儲(chǔ)介質(zhì)2之間在軌道上相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向?？畿壍婪较蚴桥c掃描方向垂直的方向。
在寫方式期間，探針6在各條軌道的線中沿掃描方向掃描。利用相應(yīng)的電流或電壓脈沖向加熱器元件HE施加加熱脈沖，就產(chǎn)生了標(biāo)記20、22和24。從加熱器元件HE中散發(fā)的熱量使存儲(chǔ)介質(zhì)2變軟，并且如果彈性懸臂26被施加一個(gè)相應(yīng)的力，那么尖頭28形成相應(yīng)的凹痕作為標(biāo)記20、22和24。這個(gè)力可以是彈性懸臂26的機(jī)械屬性所固有的。然而，它也可以用另外的方式來產(chǎn)生，例如用靜電力來產(chǎn)生。在這種情況下，通過分別向電容器充電，在各個(gè)電容器上施加相應(yīng)的力脈沖?？商鎿Q地，如果應(yīng)當(dāng)完成的是冷寫入，那么可以只提供適當(dāng)選擇的力脈沖。加熱脈沖還有力脈沖正好同步，以使相鄰的標(biāo)記20、22和24之間具有預(yù)期的軌上距離。為此，使用時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))，該信號(hào)是由控制和信息處理單元12的時(shí)鐘(同步)信號(hào)單元產(chǎn)生的。
在讀方式期間，探針6沿著各個(gè)軌道的每條線在掃描方向上掃描。當(dāng)尖頭28到達(dá)代表標(biāo)記20、22和24的凹痕時(shí)，當(dāng)用給定的彈力將尖頭28壓到存儲(chǔ)介質(zhì)2上時(shí)，尖頭28移動(dòng)到各個(gè)凹痕中。這種向各個(gè)凹痕中的移動(dòng)可以隨后被感測(cè)出來，按照這種方式就可以識(shí)別出各個(gè)凹痕。
下面在本發(fā)明的上下文中更詳細(xì)地描述熱機(jī)械感測(cè)的原理。
使加熱器元件HE靠近參考介質(zhì)(一般相對(duì)于參考介質(zhì)小于1微米)，該參考介質(zhì)可以是存儲(chǔ)介質(zhì)2，用作熱沉面(吸熱面)。通過向加熱器元件HE提供電能，它到達(dá)溫度T_H。加熱器元件的溫度T_H因而可以借助施加于加熱器元件HE的電功率P_EL和熱能散發(fā)之間的平衡來確定。散熱路徑之一是從加熱器元件HE到由存儲(chǔ)介質(zhì)2以及襯底4形成的熱沉面的熱通量。通過這條路徑散發(fā)的功率值正比于加熱器元件HE的溫度T_H和存儲(chǔ)介質(zhì)2間的溫度差。另一方面，該功率值反比于加熱器元件HE和作為存儲(chǔ)介質(zhì)2的熱沉之間的距離h。因此，關(guān)于與電功率P_EL和加熱器元件HE的溫度T_H有關(guān)的穩(wěn)態(tài)條件，下式成立
ΔT_H＝R_th·ΔP_EL+η*T_H·Δh/h(1)其中，R_th是至少包括彈性懸臂的熱耦合部分并且一般來說包括探針的所有熱耦合部分在內(nèi)的加熱器元件HE的總熱阻。另外，它還包括在加熱器元件HE和存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的介質(zhì)。η是效率參數(shù)，它量度的是到達(dá)熱沉的散熱的比例，根據(jù)探針6的設(shè)計(jì)它一般約為0.1到0.5。
距離感測(cè)的原理利用了加熱器元件HE的電阻R_HE與加熱器元件的溫度T_H有關(guān)的事實(shí)。圖5示出了加熱器元件HE的電阻R_HE作為溫度T的函數(shù)的典型曲線圖。加熱器元件HE的電阻R_HE在溫度反轉(zhuǎn)點(diǎn)T_INV上達(dá)到最大值，該最大值是室溫電阻的大約2到3倍。反轉(zhuǎn)溫度T_INV根據(jù)摻雜濃度大約為400到650攝氏度。高于反轉(zhuǎn)溫度T_INV時(shí)，電阻由于熱生的電荷載流子而下降。由于這種溫度相關(guān)性，所以獲得了如圖6所示的非線性的電流/電壓關(guān)系，其中U_HE代表加熱器元件電勢(shì)差，I_HE代表加熱器元件電流，I_DC代表在穩(wěn)態(tài)中獲得的穩(wěn)態(tài)電流，它與提供給加熱器元件HE的電功率P_EL及其位置有關(guān)。穩(wěn)態(tài)電流I_DC的相應(yīng)曲線被稱為電流/電壓關(guān)系曲線。在電流/電壓關(guān)系曲線中可以清楚地看到，它具有從大約2伏到略低于6伏之間的平臺(tái)區(qū)，對(duì)應(yīng)的電流從0大約到0.4毫安。在圖6中，電流/電壓關(guān)系曲線的每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于加熱器元件HE在與距離h以及(對(duì)于各個(gè)點(diǎn)而言)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電功率P_EL有關(guān)的穩(wěn)態(tài)條件下的不同溫度，但是穩(wěn)態(tài)電功率P_EL可以隨曲線上的各個(gè)點(diǎn)而變。
已知通過監(jiān)視電學(xué)工作點(diǎn)的變化來完成位置感測(cè)，即監(jiān)視電流變化ΔI_HE和加熱器元件電壓電勢(shì)變化ΔU_HE，它們是因距離變化Δh/h所導(dǎo)致的加熱器溫度變化ΔT_H而產(chǎn)生的。與將電特性直接轉(zhuǎn)換為熱特性相比，這種直接感測(cè)方法的問題之一就是電流/電壓關(guān)系容易發(fā)生導(dǎo)致噪聲尤其是1/f類噪聲的、與載流子密度波動(dòng)有關(guān)的不規(guī)則變化，以及與襯底的老化和溫度變化有關(guān)、造成工作點(diǎn)的相應(yīng)漂移的系統(tǒng)感測(cè)誤差。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的位置感測(cè)機(jī)制利用熱阻對(duì)加熱器元件HE的熱弛豫時(shí)間τ的影響來感測(cè)熱阻，從而規(guī)避了這些問題。τ由下式給出τ＝C_th*R_th(2)其中C_th代表加熱器元件HE的熱容量。熱容量C_th具有保持恒定的優(yōu)點(diǎn)。與公式1類似，我們可以獲得下式Δτ＝τ*η*Δh/h(3)因此，距離的改變?chǔ)/h直接轉(zhuǎn)換成了熱弛豫時(shí)間τ的相應(yīng)改變，而熱弛豫時(shí)間τ與加熱器元件HE或者還有探針6的電學(xué)工作點(diǎn)無關(guān)，這反映為在公式3中沒有ΔP_EL項(xiàng)，而該項(xiàng)是前面所描述的直接感測(cè)方案中的主要誤差源。
為了探測(cè)加熱器元件HE的熱弛豫時(shí)間τ，使用電測(cè)量。對(duì)于偏離工作點(diǎn)的最小偏差(它們由相對(duì)于距離h和所提供的電功率P_EL的最小偏差定義)，可以用圖7中所示的等效電路來表示加熱器元件HE的電阻抗。R_0代表加熱器元件HE的工作點(diǎn)電阻，并且可以從圖6中導(dǎo)出。由下式給出無量綱常數(shù)kk＝(1-R_0·ΔI_HE/ΔU_HE)/(1+R_0·ΔI_HE/ΔU_HE)(4)其中ΔI_HE/ΔU_HE代表電流/電壓關(guān)系曲線在工作點(diǎn)處的斜率的。在電流/電壓關(guān)系曲線的上述水平的平臺(tái)區(qū)中，常數(shù)k因而大約等于1，與工作點(diǎn)無關(guān)。因此，加熱器元件HE的電學(xué)時(shí)間常數(shù)τ_el在這一區(qū)域中基本上與工作點(diǎn)無關(guān)，而僅僅反映了加熱器元件HE的熱弛豫時(shí)間τ。利用下式給出電弛豫時(shí)間τ_elτ_el＝R_0*C_HE＝τ/(2*k) (5)在本發(fā)明中使用了以上關(guān)系來確定參考介質(zhì)上的探針位置。下面將會(huì)更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案。
第一實(shí)施方案本發(fā)明的第一實(shí)施方案包括張弛振蕩器電路，如圖8所示。它在工作期間電連接到各個(gè)探針6的加熱器元件HE。它被設(shè)置在控制和信息處理單元12中。它包括電壓源，被設(shè)計(jì)為分別生成第一和第二偏置電壓電勢(shì)V_b1、V_b2。
加熱器元件HE可以用根據(jù)圖7的電學(xué)等效電路來表示。當(dāng)使電加熱器在電流/電壓關(guān)系曲線I_DC的平臺(tái)區(qū)的范圍中工作時(shí)，加熱器元件HE的電容C_HE的并聯(lián)電阻可以被假設(shè)為顯著大于工作點(diǎn)電阻R_0。需要注意，工作點(diǎn)可以用與根據(jù)圖7的等效電路并聯(lián)設(shè)置的電流源來表示。
加熱器元件HE一方面電連接到電流/電壓轉(zhuǎn)換器40。電流/電壓轉(zhuǎn)換器40電連接到電流閾值檢測(cè)器42。電流閾值檢測(cè)器42優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為將其輸入電壓與至少一個(gè)電流閾值，優(yōu)選地是與兩個(gè)電流閾值進(jìn)行比較，所述輸入電壓代表了加熱器元件電流I_HE，所述兩個(gè)電流閾值被稱為第一電流閾值I_THD1和第二電流閾值I_THD2。電流閾值檢測(cè)器42是電流閾值切換單元的一部分，而電流閾值切換單元還包括第一開關(guān)44和第二開關(guān)46。電流閾值檢測(cè)器42還被設(shè)計(jì)來產(chǎn)生具有切換頻率f_SW的信號(hào)。
現(xiàn)在參考圖9在以下步驟中描述圖8中所示的張弛振蕩器電路的操作(i)在圖9中，操作從“冷的”加熱器元件HE開始，即圖9曲線的原點(diǎn)。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)44閉合時(shí)，第一偏置電壓電勢(shì)V_b1被施加到加熱器元件HE。這使得電流I_HE值瞬間升高至用P0表示的值，該值對(duì)應(yīng)于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1除以加熱器元件在第一開關(guān)44閉合時(shí)的工作點(diǎn)電阻R_0(即，當(dāng)加熱器元件冷的時(shí)候的電阻)。從圖9中可以看出，在P0處的電流I_HE值顯著大于對(duì)應(yīng)于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1的穩(wěn)態(tài)電流I_DC；(ii)在步驟(i)中的I_HE值的爬升使得加熱器元件HE逐漸變熱，這相當(dāng)于加熱器元件HE的電容C_HE被充電。然后，為了獲得穩(wěn)態(tài)，電流按指數(shù)弛豫模式靠近電流/電壓關(guān)系曲線I_DC。在對(duì)應(yīng)于點(diǎn)P2的時(shí)刻，加熱器元件電流I_HE到達(dá)第一電流閾值I_THD1。這觸發(fā)切換單元打開第一開關(guān)44并且關(guān)閉第二開關(guān)46。這導(dǎo)致第二偏置電壓電勢(shì)V_b2被施加到加熱器元件HE，并且I_HE值瞬間下降到圖9中P3所代表的值。P3處的I_HE值取決于P2點(diǎn)處的工作點(diǎn)電阻R_0——它可以是與交叉點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的電流值，該交叉點(diǎn)位于連接P2和圖9的原點(diǎn)的直線上，并且對(duì)應(yīng)于第二偏置電壓電勢(shì)V_b2。從圖9中可以看出，在P3處，加熱器元件電流I_HE顯著小于對(duì)應(yīng)于第二偏置電壓電勢(shì)V_b2的穩(wěn)態(tài)電流I_DC；以及(iii)在加熱器元件的電流下降到P3后，加熱器元件冷卻，這對(duì)應(yīng)于電容C_HE的放電。放電過程使得加熱器元件電流I_HE逐步升高，直到在對(duì)應(yīng)于圖9上的P4點(diǎn)的時(shí)刻，到達(dá)第二電流閾值I_THD2。這觸發(fā)電流閾值切換單元打開第二開關(guān)46并且閉合第一開關(guān)44，然后導(dǎo)致I_HE爬升到P1。在P1處，加熱器元件電流I_HE等于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1除以對(duì)應(yīng)于P4點(diǎn)的工作點(diǎn)電阻R_0，顯著大于對(duì)應(yīng)于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1的穩(wěn)態(tài)電流I_DC。
以上描述的圖8的電路的工作模式因此被稱為穩(wěn)態(tài)張弛振蕩模式。此外，操作過程在圖9中以舉例的方式被示為從冷的加熱器元件HE開始，但是可以理解，也可以使用另一個(gè)基于偏置電壓電勢(shì)值比V_b1小的條件的起始點(diǎn)。
圖8中所示的電路的振蕩頻率與切換單元的切換頻率f_SW具有固定的關(guān)系并且是正比關(guān)系，該振蕩頻率取決于第一和第二偏置電壓電勢(shì)V_b1、V_b2以及第一和第二電流閾值I_THD1、I_THD2的選擇。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，選擇這些變量的值，以便實(shí)現(xiàn)上面解釋的穩(wěn)態(tài)張弛振蕩模式。在本實(shí)施方案中，第一電流閾值I_THD1被選擇為大于對(duì)應(yīng)于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1的穩(wěn)態(tài)電流I_DC，而第二電流閾值I_THD2小于對(duì)應(yīng)于第二偏置電壓電勢(shì)V_b2的穩(wěn)態(tài)電流I_DC。另外，f_SW被調(diào)節(jié)為在0.1倍電弛豫時(shí)間τ_el到10倍電弛豫時(shí)間τ_el之間。
根據(jù)公式5，正比于電弛豫時(shí)間τ_el的切換頻率f_SW同樣正比于熱弛豫時(shí)間τ。因此，切換頻率f_SW可被用來測(cè)量熱弛豫時(shí)間τ，并且根據(jù)公式3，可以測(cè)量加熱器元件HE相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)2的距離h。于是可以理解，從加熱器元件HE到存儲(chǔ)介質(zhì)2的距離h可以依賴切換頻率f_SW而獲得。為此，可以提供一個(gè)特性曲線或字段，從中可以根據(jù)切換頻率f_SW導(dǎo)出距離h的各個(gè)值?？商鎿Q地，距離h也可以根據(jù)從到達(dá)P1點(diǎn)到到達(dá)P2點(diǎn)，或者從到達(dá)P3點(diǎn)到到達(dá)P4點(diǎn)，或者從到達(dá)P0點(diǎn)到到達(dá)P2點(diǎn)之間的持續(xù)時(shí)間來獲得。
本發(fā)明的上述實(shí)施方案可以運(yùn)行于兩種主要模式下，即連續(xù)模式和單次模式。
在連續(xù)模式中，連續(xù)重復(fù)穩(wěn)態(tài)張弛模式，即，操作圖8的電路，連續(xù)重復(fù)根據(jù)以上操作步驟(i)到(iii)的循環(huán)。這種模式有賴于以下事實(shí)當(dāng)I_HE值到達(dá)電流閾值I_THD1、I_THD2之一時(shí)，這會(huì)自動(dòng)觸發(fā)切換單元以適當(dāng)?shù)乜刂崎_關(guān)44、46的打開/閉合。這種工作模式一直持續(xù)，直到在外部用戶的干預(yù)下終止。
相反，在單次模式中，圖8的電路被配置為一旦達(dá)到電流閾值就停止工作。例如，當(dāng)開關(guān)44閉合，開關(guān)46打開時(shí)，一旦達(dá)到I_THD1(對(duì)應(yīng)于I_HE從P0到P2的跳變)，就終止張弛振蕩器的工作。只有在提供了外部觸發(fā)的情況下，才恢復(fù)工作并且進(jìn)行下一階段的操作，即，打開開關(guān)44并且閉合開關(guān)46，以使I_HE從P3跳變到P4，從而到達(dá)I_THD2值。在這種工作模式中，可以通過測(cè)量到達(dá)電流閾值所花費(fèi)的持續(xù)時(shí)間來獲得探針6在存儲(chǔ)介質(zhì)2上方的距離h，例如在以上描述的情況中，可以根據(jù)從P0點(diǎn)跳變到P2點(diǎn)之間的持續(xù)時(shí)間來確定距離h。
如果對(duì)距離h的確定與非重復(fù)的觸發(fā)事件同步，那么單次模式特別有優(yōu)勢(shì)。在這種工作模式中，任意的電壓電勢(shì)可被施加到加熱器元件HE，例如參考電壓電勢(shì)。
第二實(shí)施方案使得加熱器元件HE相對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)2的位置可被感測(cè)到的電子電路的第二實(shí)施方案包括LC諧振電路，并被顯示在圖10中。在該電路的工作期間，加熱器元件HE在一側(cè)電連接到電流/電壓轉(zhuǎn)換器40，在另一側(cè)，加熱器元件連接到反饋放大器50的輸出端。加熱器元件HE被設(shè)置為與電感器L并聯(lián)。
反饋放大器50的輸出具有代表LC諧振電路的諧振頻率f_RES_LC的信號(hào)。Q因子對(duì)于與1/τ_el差不多的諧振頻率大約為一，這使得該電路更適用于低頻應(yīng)用(f_RES_LC＜＜1/τ_el)。Q因子或者說品質(zhì)因數(shù)是諧振系統(tǒng)的“品質(zhì)”的度量。在響應(yīng)-頻率曲線圖上，帶寬被定義為電壓電平相對(duì)于諧振頻率的3dB的變化。將諧振頻率除以帶寬就得到了Q因子。在LC諧振電路的情況中，用1/(2π*f_RES_LC*C_HE*R_0)求出Q因子。
在該實(shí)施方案中，諧振頻率f_RES_LC正比于電弛豫時(shí)間τ_el，從而正比于熱弛豫時(shí)間τ。優(yōu)選地，電感器L被選擇為具有約為L(zhǎng)＝1/((2π*f_RES_LC)2*C_HE)的電感值。
第三實(shí)施方案第三實(shí)施方案包括RC延遲線振蕩器并且顯示在圖11中。電阻器R1和R2以及電容器C1和C2的大小優(yōu)選地分別大約為加熱器元件HE的工作點(diǎn)電阻R_0和電容C_HE。更優(yōu)選地，它們?cè)谧畲?到3倍的范圍內(nèi)分別與加熱器元件HE的工作點(diǎn)電阻R_0和電感C_HE匹配。優(yōu)點(diǎn)就在于電阻器R1和R2以及電容器C1和C2不必為了獲得正確量度熱弛豫時(shí)間τ的信號(hào)而分別與加熱器元件HE的工作點(diǎn)電阻R_0和/或電容C_HE精確匹配。RC延遲線振蕩器還包括電流/電壓轉(zhuǎn)換器40和反饋放大器50。
反饋放大器50的輸出代表了RC延遲線振蕩器的振蕩頻率f_osc_RC。振蕩頻率f_osc_RC代表了電弛豫時(shí)間τ_el，這樣即代表了熱弛豫時(shí)間τ。
第四實(shí)施方案本發(fā)明的第四實(shí)施方案包括橋式振蕩器并且顯示在圖12中。在這個(gè)例子中，橋式振蕩器是維恩電橋型。電阻器R3、R4、R5和電容器C3的大小優(yōu)選地以類似于電阻R_0和電容C_HE的方式確定。橋式振蕩器還包括差分放大器54，它的輸入端分別電連接在加熱器元件和電阻器R3之間以及電阻器R4和R5之間。差分放大器54的輸出信號(hào)具有代表橋式振蕩器的振蕩頻率f_osc_bt的頻率。f_osc_bt代表電弛豫時(shí)間τ_el，因而也代表熱弛豫時(shí)間τ。然后在控制和信息處理單元12中象在本發(fā)明的其他實(shí)施方案中一樣對(duì)橋式振蕩器的振蕩頻率f_osc_bt進(jìn)行評(píng)估，從而獲得加熱器元件HE與存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的距離h。
第五實(shí)施方案在圖13所示的另外的實(shí)施方案中，根據(jù)圖8中所示的第一實(shí)施方案的張弛振蕩器另外還包括鎖相單元。鎖相單元包括檢相器56、環(huán)路濾波器58和放大器60。利用鎖相單元，張弛振蕩器可以與外部時(shí)鐘62同步。這樣可以從用于將振蕩器的頻率調(diào)節(jié)到參考頻率的控制信號(hào)導(dǎo)出加熱器元件HE與存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的距離h，所述參考頻率是利用外部時(shí)鐘62產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))CLK的頻率給出的。鎖相單元只是以舉例的方式被顯示為應(yīng)用于張弛振蕩器。但是，它也可以應(yīng)用于本發(fā)明的任何其他實(shí)施方案。
優(yōu)選地，檢相器56產(chǎn)生相位對(duì)比信號(hào)PH_CON作為輸出，該信號(hào)代表了它的兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相移。相位對(duì)比信號(hào)PH_CON然后在環(huán)路濾波器58中被濾波。環(huán)路濾波器58的輸出是感測(cè)器輸出信號(hào)SE_OUT，接著該信號(hào)在放大器60中被放大，然后用于調(diào)節(jié)第一或第二偏置電壓電勢(shì)V_b1、V_b2。
環(huán)路濾波器58優(yōu)選地在零頻率處具有一個(gè)極點(diǎn)，這確保了相對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))CLK的固定相位關(guān)系，而時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))CLK優(yōu)選地標(biāo)記出用有無凹痕代表的標(biāo)記的標(biāo)稱位置。相位對(duì)比信號(hào)PH_CON可被用來測(cè)量熱弛豫時(shí)間τ，從而確定加熱器元件與存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的距離h。
鎖相單元具有以下作用無論何時(shí)在時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔內(nèi)探測(cè)到凹痕，振蕩器的相位都會(huì)減少恒定的量，這是因?yàn)闊岢谠r(shí)間τ略小于均值，因而電弛豫時(shí)間τ_el也略慢于均值。相反，如果在時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))CLK的兩個(gè)連續(xù)脈沖之間未探測(cè)到任何凹痕，那么振蕩器的相位就增加恒定的量。因而，加熱器元件HE探測(cè)到的數(shù)字信息以復(fù)合的方式被編碼在相位差(相位對(duì)比)中，由此可以在控制和信息處理單元12中評(píng)估信號(hào)PH_CON，以便獲得加熱器元件HE與存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的距離h。凹痕例如可以代表邏輯變量，并且，按照該方式，由于凹痕對(duì)應(yīng)于相位對(duì)比信號(hào)PH_CON中的跳躍，所以可以檢測(cè)出凹痕。
通過選擇環(huán)路濾波器58的參數(shù)，感測(cè)器輸出信號(hào)SE_OUT可以代表在由若干標(biāo)記表示的位串上的校驗(yàn)和，并且那樣就可以被用于讀通道中已有的糾錯(cuò)。在此上下文中，優(yōu)選的是用平衡碼(均衡碼)對(duì)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)2上并用標(biāo)記20、22和24表示的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，所謂的平衡碼的意思是給定數(shù)量的連續(xù)位總是具有給定的校驗(yàn)和。為此，按照以下方式來選擇參數(shù)，特別是環(huán)路濾波器58的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)選地讓該時(shí)間至少與在產(chǎn)生給定校驗(yàn)和的位序列中的給定數(shù)量的位上進(jìn)行掃描所需的時(shí)間一樣長(zhǎng)。一般，這樣的平衡碼在大約10到20個(gè)位上的校驗(yàn)和是均衡的。
使用相位對(duì)比信號(hào)PH_CON的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于外部時(shí)鐘信號(hào)CLK和各個(gè)標(biāo)記20、22和24的準(zhǔn)確軌上位置不需要完全匹配，這使得感測(cè)操作對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)(同步信號(hào))CLK的波動(dòng)更具魯棒性。
在圖14中，針對(duì)根據(jù)圖8的張弛振蕩器的操作描繪了加熱器元件電流I_HE和加熱器元件電勢(shì)差U_HE隨時(shí)間t的變化。它們是針對(duì)這樣的加熱器元件繪制的該元件的室溫電阻大約為30千歐，該電阻在電流/電壓關(guān)系曲線的平臺(tái)區(qū)中升高到約60千歐。穩(wěn)態(tài)振蕩是280千赫茲。為此，加熱器元件的熱弛豫時(shí)間τ約為5微秒。偏置電壓電勢(shì)例如對(duì)于第一偏置電壓電勢(shì)V_b1大約為8伏，對(duì)于第二偏置電壓電勢(shì)V_b2大約為2.5伏，分別對(duì)應(yīng)于約140微安和75微安的穩(wěn)態(tài)電流I_DC。第一和第二電流閾值I_THD1、I_THD2此時(shí)可被選擇為分別約等于170微安和60微安。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方案的張弛振蕩器的功率譜密度(用標(biāo)號(hào)66表示)以及當(dāng)應(yīng)用以前提出的直接測(cè)量加熱器元件的電阻的測(cè)量方法時(shí)的功率譜密度68。該曲線圖證明了利用本發(fā)明的實(shí)施方案，1/f噪聲特性獲得了相當(dāng)大的改善。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，控制和信息處理單元12被設(shè)計(jì)為檢測(cè)各個(gè)電路的輸出信號(hào)，然后導(dǎo)出加熱器元件HE與存儲(chǔ)介質(zhì)2之間的距離h。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，τ的范圍從0秒到1秒，優(yōu)選地是從0.1微秒到0.1毫秒。
上面以舉例的方式結(jié)合尤其用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備解釋了本發(fā)明的實(shí)施方案。但是這些實(shí)施方案在本發(fā)明的范圍內(nèi)不限于此。
將會(huì)理解，本發(fā)明純粹是以舉例的方式來描述的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)細(xì)節(jié)作出很多修改。
在說明書和(需要時(shí))權(quán)利要求書及附圖中公開的特征可以單獨(dú)提供，也可以適當(dāng)?shù)亟M合起來。
附圖標(biāo)記2 存儲(chǔ)介質(zhì)/參考介質(zhì)4 襯底6 探針8 框架12 用于感測(cè)探針位置的控制和信息處理單元/設(shè)備14 時(shí)鐘(同步)信號(hào)單元16 伺服定位單元18 掃描器x x方向y y方向20，22，24 標(biāo)記
26 彈性懸臂30 頂端32 加熱器元件(讀/寫)34 數(shù)據(jù)字段36 操作數(shù)據(jù)字段SCD 掃描方向CTD 跨軌方向τ 熱弛豫時(shí)間τ_el 電弛豫時(shí)間HE 加熱器元件R_HE 加熱器元件的電阻C_HE 加熱器元件的電容R_0工作點(diǎn)電阻R_p并聯(lián)電阻R_th 熱阻C_th 熱容量T 溫度T_H加熱器元件的溫度T_M參考介質(zhì)的溫度I_HE 加熱器元件電流U_HE 加熱器元件電勢(shì)差P_EL 電能η 效率參數(shù)40 電流/電壓轉(zhuǎn)換器42 電壓閾值檢測(cè)器44 第一開關(guān)
46第二開關(guān)f_SW 切換頻率50反饋放大器f_res_LC LC諧振電路的諧振頻率R1，R2電阻器C1，C2電容器f_osc_RCRC延遲線振蕩器的振蕩頻率R3，R4，R5電阻器C3電容器54差分放大器f_osc_BT橋式振蕩器的振蕩頻率56 檢相器58 環(huán)路濾波器60 放大器62 外部時(shí)鐘CLK時(shí)鐘(同步)信號(hào)PH_CON相位對(duì)比(相位差)SE_OUT感測(cè)器輸出(校驗(yàn)和)P0V_b1，V_b2第一、第二偏置電壓電勢(shì)I_THD_1 第一電流閾值I_THD_2 第二電流閾值I_DC 穩(wěn)態(tài)電流SP相鄰標(biāo)記的軌上距離T 掃描SP所需的時(shí)間
h 距離66功率譜密度(振蕩器)68功率譜密度(電阻)
權(quán)利要求
1.一種用于感測(cè)探針(6)相對(duì)于參考介質(zhì)(2)的位置的設(shè)備，所述探針(6)包括具有與溫度有關(guān)的電阻(R_HE)的加熱器元件(HE)，所述設(shè)備可通過測(cè)量與所述加熱器元件(HE)的熱弛豫時(shí)間(τ)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來確定所述位置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括張弛振蕩器電路，所述張弛振蕩器電路可向所述加熱器元件(HE)施加偏置電壓電勢(shì)(V_b1，V_b2)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，所述張弛振蕩器電路還包括電流閾值切換單元(42，44，46)，該閾值切換單元可執(zhí)行第一切換動(dòng)作和第二切換動(dòng)作，所述第一切換動(dòng)作包括當(dāng)達(dá)到第一電流閾值(I_THD1)時(shí)將所述偏置電壓電勢(shì)從第一偏置電壓電勢(shì)(V_b1)切換到第二偏置電壓電勢(shì)(V_b2)；所述第二切換動(dòng)作包括當(dāng)達(dá)到第二電流閾值(I_THD2)時(shí)將所述第二偏置電勢(shì)(V_b2)切換到所述第一偏置電壓電勢(shì)(V_b1)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，所述電流閾值切換單元(42，44，46)被配置為連續(xù)執(zhí)行多次所述第一和第二切換動(dòng)作。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述參數(shù)是所述切換單元(42，44，46)的切換頻率(f_SW)。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，所述電流閾值切換單元(42，44，46)被配置為執(zhí)行所述第一和第二切換動(dòng)作之一。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述參數(shù)是從施加所述第一和第二偏置電壓電勢(shì)(V_b1，V_b2)之一起，到達(dá)到對(duì)應(yīng)的所述第一或第二電流閾值(I_THD1，I_THD2)的持續(xù)時(shí)間。
8.如權(quán)利要求3到7之一所述的設(shè)備，所述第一電流閾值(I_THD1)大于與第一偏置電壓電勢(shì)(V_b1)相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流(I_DC)，所述第二電流閾值(I_THD2)小于與第二偏置電壓電勢(shì)(V_b2)相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流(I_DC)，并且所述第一偏置電壓電勢(shì)(V_b1)大于所述第二偏置電壓電勢(shì)(V_b2)。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括LC諧振電路，該電路的容性元件是所述加熱器元件(HE)，并且其中，所述參數(shù)是所述LC諧振電路的諧振頻率(f_res_LC)。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括RC延遲線振蕩器電路，并且其中，所述參數(shù)是所述RC延遲線振蕩器的振蕩頻率(f_osc_RC)。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括橋式振蕩器電路，并且其中，所述參數(shù)是所述橋式振蕩器的振蕩頻率(f_osc_bt)。
12.如權(quán)利要求2到11之一所述的設(shè)備，其中，所述張弛振蕩器電路、LC諧振電路、RC延遲線振蕩器和橋式振蕩器中的每一個(gè)還包括鎖相單元(56，58，60)，用于使所述電路與外部時(shí)鐘(62)同步。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中，所述參數(shù)是從所述鎖相單元(56)輸出的相位對(duì)比信號(hào)(PH_CON)。
14.如權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，所述外部時(shí)鐘(62)在所述參考介質(zhì)(2)的表面被所述探針(6)掃描時(shí)，可產(chǎn)生與所述參考介質(zhì)(2)上的連續(xù)標(biāo)記位置(20，22和24)相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)(CLK)。
15.如權(quán)利要求12到14之一所述的設(shè)備，可用于控制所述張弛振蕩器電路、LC諧振電路、RC延遲線振蕩器和橋式振蕩器中每一個(gè)的總環(huán)路增益，使得建立相位匹配所用的時(shí)間足夠長(zhǎng)，足以使平衡標(biāo)記(20，22和24)串被探測(cè)到。
16.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，所述加熱器元件(HE)在所述加熱器元件(HE)的電流/電壓關(guān)系曲線的平臺(tái)區(qū)工作。
17.用于感測(cè)探針(6)相對(duì)于參考介質(zhì)(2)的位置的方法，所述探針(6)包括具有與溫度有關(guān)的電阻(R_HE)的加熱器元件(HE)，該方法包括以下步驟測(cè)量與所述加熱器元件(HE)的熱弛豫時(shí)間(τ)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于感測(cè)探針位置的設(shè)備和方法。具體地，公開了一種用于感測(cè)探針相對(duì)于參考介質(zhì)的位置的設(shè)備，所述探針包括具有與溫度相關(guān)的電阻的加熱器元件(HE)，所述設(shè)備可通過測(cè)量與所述加熱器元件(HE)的熱弛豫時(shí)間相關(guān)聯(lián)的參數(shù)來確定所述位置。
文檔編號(hào)G01B7/00GK1928488SQ200610106250
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月8日
發(fā)明者厄斯·T.·杜爾里格, 伯恩德·W.·高特斯曼, 阿米恩·W.·卡諾爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司