专利名称：用于感测探针位置的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于感测探针相对于参考介质的位置的方法和设备。
背景技术：
在本发明的领域中，微机电系统(MEMS)是一种微米尺寸的机械元件的技术，它包括各种几何形状的三维平版印刷特征。它们一般使用类似于半导体工艺(例如表面微加工技术和/或体微加工技术)的平面加工工艺来生产。MEMS通常使用经过修改的硅制造技术、模塑和电镀、放电加工以及能够生产非常小的器件的其他技术来制造。
本发明的领域还包括使用纳米尺度的尖头来成像并研究小到原子尺度的材料结构的技术。这样的技术包括扫描隧道显微术(STM)和原子力显微术(AFM)，如在US 4,343,993和EP 0 223 918 B1中所公开的。
基于扫描隧道显微术和原子力显微术的发展，在过去数年间已出现了从这些技术中获益的新的存储概念。已提出了具有纳米尺度尖头的探针，用于修改形态(topography)，扫描适当的存储介质。数据以比特序列的形式被写入，这些比特序列用形态标记来表示，例如凹痕标记和非凹痕标记。尖头包括直径为纳米尺寸的顶端，并且凹痕标记具有与之相当的直径，例如在30到40nm范围内的直径。因此，这些数据存储概念有望实现超高存储面密度。
在STM中，纳米尺寸的尖头在非常靠近表面的地方扫描运动。施加在两者之间的电压引发了隧道电流，该电流取决于尖头和表面之间的间隔。从数据存储的角度看，这样的技术可被用来成像或感测平坦介质上的代表用逻辑“0”和“1”表示的存储信息的形态变化。为了获得适度稳定的电流，尖头和样本的间隔必须保持得极小并且相当恒定。在STM中，待扫描的表面应当是导电材料。
在AFM中，尖头位于软弹性悬臂的一端。当尖头靠近表面时，两者之间产生的力导致弹性悬臂的弯曲，从而可以被感测出来。
在P.Vettiger等人发表在IBM Journal Research Development，Vol.44，No.3，March 2000的“The millipede-more than 1,000tipsfor future AFM data storage”一文中公开了基于AFM原理存储数据的存储设备。该存储设备具有读写功能，该读写功能基于利用各自具有尖头的探针阵列对存储介质进行的x、y方向的机械扫描。在操作期间，探针并行地扫描存储介质中的指定区域。按照这种方式，就可以实现高数据率。存储介质包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层。纳米尺寸的尖头在接触模式下在聚合物层的表面上移动。而接触模式的实现是通过向探针施加小的力，使得探针的尖头可以接触到存储介质的表面。为此目的，探针包括在末端部分上携带尖头的悬臂。比特位由聚合物层上的凹痕标记和非凹痕标记来表示。悬臂在表面上移动时对表面中的这些形态变化作出响应。
凹痕标记通过热机械记录形成在聚合物表面上。这是通过以下方式来实现的在接触模式期间，利用电流或电压脉冲来加热各个探针，使得尖头接触到聚合物层的地方的聚合物层局部软化。结果就是例如具有纳米级直径的凹痕被形成在该层中。
读操作也是通过热机械原理来完成的。向加热器悬臂提供一定量的电能，这使得探针加热到一个不足以象写操作所需的那样使聚合物层软化的温度。热感测是基于以下事实当探针在凹痕中移动时，探针和存储介质(特别是存储介质上的衬底)之间的导热性发生变化，因为当探针在凹痕中移动时热传导更有效率。悬臂的温度因此而降低，进而它的电阻也发生改变。然后测量出这种电阻的改变，并将其用作测量信号。通过使探针在一个轨道内的多条线中相对于存储介质移动，并且在已到达各条线的末端后移动到下一个轨道，就可以完成对标记的读写操作。
要提供一种用于感测探针的位置的设备和方法是一项挑战。
发明内容
根据本发明的第一方面的实施方案，提供了一种用于感测探针相对于参考介质的位置的设备，所述探针包括具有与温度有关的电阻的加热器元件，所述设备可以通过测量与加热器元件的热弛豫时间相关的参数来确定所述位置。
本发明的实施方案具有改进响应性能的优点，并且与前面提出的需要利用加热器的电阻测量结果来直接测量加热器元件的温度的方法相比，区别在于更好的1/f噪声和更好的漂移特性。本发明的区别还在于使得模拟的位置信号可被转换到数字时域中。这使得不再需要测量在绝对量级上较小的模拟信号。此外，这还可以大大减少与制造公差有关的灵敏度和精度问题。
第一方面的实施方案可以包括张弛振荡器电路，该张弛振荡器电路可以向加热器元件施加偏置电压电势。
张弛振荡器电路的特征在于简单的电路设计。相反，以前提出的需要进行直接的电阻测量的技术需要复杂的电路，例如线性放大器。
张弛振荡器电路还可以包括电流阈值切换单元，它可以执行第一切换动作和第二切换动作，所述第一切换动作包括在到达第一电流阈值时，将偏置电压电势从第一偏置电压电势切换到第二偏置电压电势，所述第二切换动作包括当到达第二电流阈值时，将第二偏置电势切换到第一偏置电压电势。
利用该电流阈值切换单元，就可以用简单的电路来确定探针相对于参考介质的位置。
电流阈值切换单元可被配置为连续执行多次第一和第二切换动作。
这具有的优点在于，当加热器元件的电流到达所述电流阈值之一时，这会自动地触发电流阈值切换单元执行切换动作，从而使得达到所述电流阈值中的另一个。这一循环被连续地重复，直到在外部用户的干预下终止。
在上面的情况中，参数优选地是切换单元的切换频率。
用切换频率来确定探针位置给出的基本上是数字信号，结果就用最小的代价获得了探针的位置。取决于工作点，这还可以保证噪声电平，特别是1/f噪声的减小。
可替换地，电流阈值切换单元可以被配置来执行第一和第二切换动作之一。在这种情况下，参数优选地是从施加第一和第二偏置电压电势之一起，到达到对应的第一或第二电流阈值的持续时间。
在这种情况下，电流阈值切换单元被配置为一旦达到电流阈值就停止工作。例如，如果切换单元被配置为执行第一切换动作，那么一旦达到了第一电流阈值，就终止张弛振荡器的工作。只有在提供了外部触发的情况下，才会恢复工作并且进行下一阶段的操作，即执行第二切换动作。在这种情况下，可以通过测量到达与被执行的切换动作相对应的电流阈值所花费的持续时间来获得存储介质上的探针位置。这种工作模式——即所谓的单次(single shot)模式在探针位置的确定与非重复的触发事件同步时特别有优势。
在本实施方案中，第一电流阈值可以大于对应于第一偏置电压电势的稳态电流，第二电流阈值小于对应于第二偏置电压电势的稳态电流，并且第一偏置电压电势大于第二偏置电压电势。
稳态电流是在不改变探针的各个位置的情况下，在改变偏置电压电势后最终达到的电流。对第一和第二电流阈值以及第一和第二偏置电压电势的数值的选择要保证第一实施方案有效并且准确的工作。
根据本发明的第一方面的另一个实施方案，所述设备可以包括LC谐振电路，它的容性元件就是加热器元件，并且其中，参数就是LC谐振电路的谐振频率。
这样的设备对于低频应用特别有用。
根据本发明的第一方面的又一个实施方案，所述设备可以包括RC延迟线振荡器电路，其中参数是RC延迟线振荡器的振荡频率。
RC延迟线振荡器的优势在于不需要电感。
根据本发明的第一方面的又一个实施方案，所述设备可以包括桥式振荡器电路，其中参数是桥式振荡器的振荡频率。
桥式振荡器提供了较好的稳定性和相位噪声性能。
根据本发明的第一方面的又一个实施方案，其中上述张弛振荡器电路、LC谐振电路、RC延迟线振荡器和桥式振荡器中的每一个还包括用于使电路与外部时钟同步的锁相单元。按照这种方式，包含在控制信号中的位置信息可以被用来调整电路的频率，以便减小与参考频率之间的相位差。在这种情况下，参数优选地是从锁相单元输出的相位对比(phase contrast)信号。如果代表逻辑信息的标记存在于参考(存储)介质中并且探针在参考介质上扫描，这就特别有优势。在这种情况下，外部时钟信号和标记的精确位置不需要完全匹配，这使得感测操作对于时钟信号的波动更具鲁棒性。
有利的是，当探针扫描参考介质的表面时，外部时钟可以生成对应于参考介质上的连续标记位置的时钟信号(clocking signal，同步信号)。
按照这种方式，就有可能实现与标记位置之间的简单同步。只需要低采样率，并且可以同时获得高检测可靠性。
此外，实施本发明的第一方面的设备可以控制张弛振荡器电路、LC谐振电路、RC延迟线振荡器电路和桥式振荡器电路中每一个的总环路增益，使得建立相位匹配所用的时间长到足以探测到平衡标记串。
在这种情况下，标记优选地用凹痕和非凹痕来表示。无论何时在两个时钟脉冲(同步脉冲，clocking pulse)之间的时间间隔期间探测到凹痕时，电路的相位就减少恒定的量，这是因为热弛豫时间略小于均值，因而电弛豫时间也略慢于均值。相反，如果在两个时钟脉冲之间未探测到凹痕，则电路的相位增加恒定的量。这样，加热器元件所探测到的数字信息就以复合的方式被编码在相位信号中，然后可以对其分别进行分析。
在本发明的第一方面的实施方案中，加热器元件在加热器元件的电流/电压关系曲线的平台区中工作。
按照这种方式，由于加热器元件的电弛豫时间(也被称为电学时间常数)基本上与工作点无关，并且只反映加热器元件的实际热弛豫时间，因而可以使1/f噪声减小。
根据本发明的第二方面的实施方案，提供了一种用于感测探针相对于参考介质的位置的方法，所述探针包括具有与温度有关的电阻的加热器元件，所述方法包括以下步骤测量与加热器元件的热弛豫时间相关联的参数。
方法方面对应于本发明的设备方面及其实施方案。
任何设备特征都可以适用于本发明的方法方面，反之亦然。一个方面的特征可以适用于任何其他方面。
作为例子，本说明书参考以下附图，其中图1是存储设备的透视图；图2是图1中所示的存储设备的一部分的横截面图；图3示出了设在图1的存储设备中的探针，该探针位于存储介质的无凹痕区域的上方；图4示出了探针下降到图1的设备的存储介质上的凹痕中；图5是加热器元件的作为其温度的函数的电阻的曲线图；图6图解说明加热器元件的电阻的电流/电压关系；图7是加热器元件的等效电路；图8是实施本发明的张弛振荡器的电路图；图9是对应于图8中所示的张弛振荡器的电流/电压图；图10是实施本发明的LC谐振电路的电路图；图11是实施本发明的RC延迟线振荡器的电路图；图12是实施本发明的桥式振荡器的电路图；图13是具有锁相环单元的振荡器的电路图；图14示出了在图8中所示的张弛振荡器的工作期间，加热器元件的电流I_HE和加热器元件电势差U_HE分别作为时间t的函数的曲线图；并且图15分别图解说明本发明的实施方案和以前提出的技术的功率谱密度。
具体实施例方式
图1示出了尤其用于存储数据的存储设备的透视图。该存储设备包括优选地利用聚合物层形成的存储介质2。这种情况下的存储介质2是参考介质的具体表现形式。聚合物层优选地由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层形成。然而，存储介质2还可以由不同的材料构成，比如导电材料。存储介质2用衬底4来支撑。衬底4优选地由硅制成。
探针6的阵列被安装在公共框架8上。在图1中只示出了一部分探针。然而，存储设备可以包括更多的探针6，例如1024个，甚至大得多的数字。但是它也可以只包括一个或几个探针6。
每个探针6都包括端子，每个端子都经由导电线电连接到控制和信息处理单元12。这些端子全都可以分别连接到控制和信息处理单元12。但是，为了降低布线的复杂性，各个探针6的端子也可以经由行线和列线，并且有可能经由复用器被连接到控制和信息处理单元12。
控制和信息处理单元12被设计来产生经由端子施加到探针6的控制参数或者端子上的感测参数，例如用于读或写方式的电流或电压电势。控制参数和感测参数的性质取决于存储介质2的性质。控制和信息处理单元12也是感测探针6相对于存储介质2的位置的设备。控制和信息处理单元12还被设计来控制存储介质2和衬底4在x、y和z方向上相对于框架8的移动。对此的致动由扫描器18来完成。
因此，存储介质2和包含探针6的框架8可以彼此相对运动。在可选的实施方案中，扫描器18可以作用于框架8，以使框架8在x、y和z方向上相对于存储介质2和衬底4运动。在z方向上的相对运动也可以通过在探针6上施加相应的静电力来完成，其中探针6可能包含形成电容器的第一电极的容性平台，还包括设在相对于存储介质2的固定位置上的第二电极。
在存储介质2中，标号20、22和24表示代表逻辑信息的标记。优选地，它们形成形态标记，并且可以将逻辑“1”表示为凹痕，而没有凹痕则可以代表逻辑“0”。标记20、22和24优选地具有纳米级的直径。在图1中，只示出了一小部分标记20、22和24，它们也不代表其真实的物理属性。但是，可以理解的是，标记20、22和24可以在数量上更多，并且可以代表2个以上的逻辑值。
在图2中，示出了图1的数据存储设备的横截面图。示出了探针6的一部分。探针6包括弹性悬臂26，在该悬臂上安装有尖头28，尖头28具有顶端30，该顶端30优选地具有纳米尺寸的半径。通过将尖头28的顶端30推入存储介质2中而形成了示为凹痕标记的标记20、22和24。
探针6包括弹性悬臂26和用于执行读/写操作的加热器元件HE。加热器元件HE被形成为具有温度相关性的电阻器，它热耦合到尖头28。但是，它不是必须要热耦合到尖头28，特别是在只进行读操作时。可以理解，也可以利用单独的加热器元件HE来执行读/写操作。
弹性悬臂26和加热器元件HE优选地是用硅制成。与探针的端子之间的导电连接优选地由弹性悬臂26的高掺杂区构成，而加热器元件HE在由具有温度相关性的电阻器形成的情况下可以用少量掺杂的硅来形成，这产生了较高的电阻。加热器元件HE的掺杂浓度例如可以是在1016-1018cm-3的范围内。
在基于AFM的存储设备的情况下，尖头28不必是导电性的。尖头也可以由不同的材料，例如磁性材料形成。
从图3中可以非常清楚地看到，如果顶端位于存储介质2没有凹痕的区域中，那么加热器元件HE与存储介质2分开一段距离h，如果顶端移动到凹痕中(见图4)，则距离变为h-Δh。
在存储设备的工作期间，每个探针6在它各自分配的区域上移动。它沿着多条线移动，每条线构成一个轨道。用标记表示的数据沿着各条轨道连续地被写入并被分别读出，在每条轨道的末端，各个探针6移动到下一轨道。
扫描方向是每个探针6和存储介质2之间在轨道上相对运动的方向。跨轨道方向是与扫描方向垂直的方向。
在写方式期间，探针6在各条轨道的线中沿扫描方向扫描。利用相应的电流或电压脉冲向加热器元件HE施加加热脉冲，就产生了标记20、22和24。从加热器元件HE中散发的热量使存储介质2变软，并且如果弹性悬臂26被施加一个相应的力，那么尖头28形成相应的凹痕作为标记20、22和24。这个力可以是弹性悬臂26的机械属性所固有的。然而，它也可以用另外的方式来产生，例如用静电力来产生。在这种情况下，通过分别向电容器充电，在各个电容器上施加相应的力脉冲。可替换地，如果应当完成的是冷写入，那么可以只提供适当选择的力脉冲。加热脉冲还有力脉冲正好同步，以使相邻的标记20、22和24之间具有预期的轨上距离。为此，使用时钟信号(同步信号)，该信号是由控制和信息处理单元12的时钟(同步)信号单元产生的。
在读方式期间，探针6沿着各个轨道的每条线在扫描方向上扫描。当尖头28到达代表标记20、22和24的凹痕时，当用给定的弹力将尖头28压到存储介质2上时，尖头28移动到各个凹痕中。这种向各个凹痕中的移动可以随后被感测出来，按照这种方式就可以识别出各个凹痕。
下面在本发明的上下文中更详细地描述热机械感测的原理。
使加热器元件HE靠近参考介质(一般相对于参考介质小于1微米)，该参考介质可以是存储介质2，用作热沉面(吸热面)。通过向加热器元件HE提供电能，它到达温度T_H。加热器元件的温度T_H因而可以借助施加于加热器元件HE的电功率P_EL和热能散发之间的平衡来确定。散热路径之一是从加热器元件HE到由存储介质2以及衬底4形成的热沉面的热通量。通过这条路径散发的功率值正比于加热器元件HE的温度T_H和存储介质2间的温度差。另一方面，该功率值反比于加热器元件HE和作为存储介质2的热沉之间的距离h。因此，关于与电功率P_EL和加热器元件HE的温度T_H有关的稳态条件，下式成立
ΔT_H＝R_th·ΔP_EL+η*T_H·Δh/h(1)其中，R_th是至少包括弹性悬臂的热耦合部分并且一般来说包括探针的所有热耦合部分在内的加热器元件HE的总热阻。另外，它还包括在加热器元件HE和存储介质2之间的介质。η是效率参数，它量度的是到达热沉的散热的比例，根据探针6的设计它一般约为0.1到0.5。
距离感测的原理利用了加热器元件HE的电阻R_HE与加热器元件的温度T_H有关的事实。图5示出了加热器元件HE的电阻R_HE作为温度T的函数的典型曲线图。加热器元件HE的电阻R_HE在温度反转点T_INV上达到最大值，该最大值是室温电阻的大约2到3倍。反转温度T_INV根据掺杂浓度大约为400到650摄氏度。高于反转温度T_INV时，电阻由于热生的电荷载流子而下降。由于这种温度相关性，所以获得了如图6所示的非线性的电流/电压关系，其中U_HE代表加热器元件电势差，I_HE代表加热器元件电流，I_DC代表在稳态中获得的稳态电流，它与提供给加热器元件HE的电功率P_EL及其位置有关。稳态电流I_DC的相应曲线被称为电流/电压关系曲线。在电流/电压关系曲线中可以清楚地看到，它具有从大约2伏到略低于6伏之间的平台区，对应的电流从0大约到0.4毫安。在图6中，电流/电压关系曲线的每一点都对应于加热器元件HE在与距离h以及(对于各个点而言)对应的稳态电功率P_EL有关的稳态条件下的不同温度，但是稳态电功率P_EL可以随曲线上的各个点而变。
已知通过监视电学工作点的变化来完成位置感测，即监视电流变化ΔI_HE和加热器元件电压电势变化ΔU_HE，它们是因距离变化Δh/h所导致的加热器温度变化ΔT_H而产生的。与将电特性直接转换为热特性相比，这种直接感测方法的问题之一就是电流/电压关系容易发生导致噪声尤其是1/f类噪声的、与载流子密度波动有关的不规则变化，以及与衬底的老化和温度变化有关、造成工作点的相应漂移的系统感测误差。
根据本发明的实施方案的位置感测机制利用热阻对加热器元件HE的热弛豫时间τ的影响来感测热阻，从而规避了这些问题。τ由下式给出τ＝C_th*R_th(2)其中C_th代表加热器元件HE的热容量。热容量C_th具有保持恒定的优点。与公式1类似，我们可以获得下式Δτ＝τ*η*Δh/h(3)因此，距离的改变Δh/h直接转换成了热弛豫时间τ的相应改变，而热弛豫时间τ与加热器元件HE或者还有探针6的电学工作点无关，这反映为在公式3中没有ΔP_EL项，而该项是前面所描述的直接感测方案中的主要误差源。
为了探测加热器元件HE的热弛豫时间τ，使用电测量。对于偏离工作点的最小偏差(它们由相对于距离h和所提供的电功率P_EL的最小偏差定义)，可以用图7中所示的等效电路来表示加热器元件HE的电阻抗。R_0代表加热器元件HE的工作点电阻，并且可以从图6中导出。由下式给出无量纲常数kk＝(1-R_0·ΔI_HE/ΔU_HE)/(1+R_0·ΔI_HE/ΔU_HE)(4)其中ΔI_HE/ΔU_HE代表电流/电压关系曲线在工作点处的斜率的。在电流/电压关系曲线的上述水平的平台区中，常数k因而大约等于1，与工作点无关。因此，加热器元件HE的电学时间常数τ_el在这一区域中基本上与工作点无关，而仅仅反映了加热器元件HE的热弛豫时间τ。利用下式给出电弛豫时间τ_elτ_el＝R_0*C_HE＝τ/(2*k) (5)在本发明中使用了以上关系来确定参考介质上的探针位置。下面将会更详细地描述根据本发明的实施方案。
第一实施方案本发明的第一实施方案包括张弛振荡器电路，如图8所示。它在工作期间电连接到各个探针6的加热器元件HE。它被设置在控制和信息处理单元12中。它包括电压源，被设计为分别生成第一和第二偏置电压电势V_b1、V_b2。
加热器元件HE可以用根据图7的电学等效电路来表示。当使电加热器在电流/电压关系曲线I_DC的平台区的范围中工作时，加热器元件HE的电容C_HE的并联电阻可以被假设为显著大于工作点电阻R_0。需要注意，工作点可以用与根据图7的等效电路并联设置的电流源来表示。
加热器元件HE一方面电连接到电流/电压转换器40。电流/电压转换器40电连接到电流阈值检测器42。电流阈值检测器42优选地被设计为将其输入电压与至少一个电流阈值，优选地是与两个电流阈值进行比较，所述输入电压代表了加热器元件电流I_HE，所述两个电流阈值被称为第一电流阈值I_THD1和第二电流阈值I_THD2。电流阈值检测器42是电流阈值切换单元的一部分，而电流阈值切换单元还包括第一开关44和第二开关46。电流阈值检测器42还被设计来产生具有切换频率f_SW的信号。
现在参考图9在以下步骤中描述图8中所示的张弛振荡器电路的操作(i)在图9中，操作从“冷的”加热器元件HE开始，即图9曲线的原点。当第一开关44闭合时，第一偏置电压电势V_b1被施加到加热器元件HE。这使得电流I_HE值瞬间升高至用P0表示的值，该值对应于第一偏置电压电势V_b1除以加热器元件在第一开关44闭合时的工作点电阻R_0(即，当加热器元件冷的时候的电阻)。从图9中可以看出，在P0处的电流I_HE值显著大于对应于第一偏置电压电势V_b1的稳态电流I_DC；(ii)在步骤(i)中的I_HE值的爬升使得加热器元件HE逐渐变热，这相当于加热器元件HE的电容C_HE被充电。然后，为了获得稳态，电流按指数弛豫模式靠近电流/电压关系曲线I_DC。在对应于点P2的时刻，加热器元件电流I_HE到达第一电流阈值I_THD1。这触发切换单元打开第一开关44并且关闭第二开关46。这导致第二偏置电压电势V_b2被施加到加热器元件HE，并且I_HE值瞬间下降到图9中P3所代表的值。P3处的I_HE值取决于P2点处的工作点电阻R_0——它可以是与交叉点相对应的电流值，该交叉点位于连接P2和图9的原点的直线上，并且对应于第二偏置电压电势V_b2。从图9中可以看出，在P3处，加热器元件电流I_HE显著小于对应于第二偏置电压电势V_b2的稳态电流I_DC；以及(iii)在加热器元件的电流下降到P3后，加热器元件冷却，这对应于电容C_HE的放电。放电过程使得加热器元件电流I_HE逐步升高，直到在对应于图9上的P4点的时刻，到达第二电流阈值I_THD2。这触发电流阈值切换单元打开第二开关46并且闭合第一开关44，然后导致I_HE爬升到P1。在P1处，加热器元件电流I_HE等于第一偏置电压电势V_b1除以对应于P4点的工作点电阻R_0，显著大于对应于第一偏置电压电势V_b1的稳态电流I_DC。
以上描述的图8的电路的工作模式因此被称为稳态张弛振荡模式。此外，操作过程在图9中以举例的方式被示为从冷的加热器元件HE开始，但是可以理解，也可以使用另一个基于偏置电压电势值比V_b1小的条件的起始点。
图8中所示的电路的振荡频率与切换单元的切换频率f_SW具有固定的关系并且是正比关系，该振荡频率取决于第一和第二偏置电压电势V_b1、V_b2以及第一和第二电流阈值I_THD1、I_THD2的选择。在本发明的实施方案中，选择这些变量的值，以便实现上面解释的稳态张弛振荡模式。在本实施方案中，第一电流阈值I_THD1被选择为大于对应于第一偏置电压电势V_b1的稳态电流I_DC，而第二电流阈值I_THD2小于对应于第二偏置电压电势V_b2的稳态电流I_DC。另外，f_SW被调节为在0.1倍电弛豫时间τ_el到10倍电弛豫时间τ_el之间。
根据公式5，正比于电弛豫时间τ_el的切换频率f_SW同样正比于热弛豫时间τ。因此，切换频率f_SW可被用来测量热弛豫时间τ，并且根据公式3，可以测量加热器元件HE相对于存储介质2的距离h。于是可以理解，从加热器元件HE到存储介质2的距离h可以依赖切换频率f_SW而获得。为此，可以提供一个特性曲线或字段，从中可以根据切换频率f_SW导出距离h的各个值。可替换地，距离h也可以根据从到达P1点到到达P2点，或者从到达P3点到到达P4点，或者从到达P0点到到达P2点之间的持续时间来获得。
本发明的上述实施方案可以运行于两种主要模式下，即连续模式和单次模式。
在连续模式中，连续重复稳态张弛模式，即，操作图8的电路，连续重复根据以上操作步骤(i)到(iii)的循环。这种模式有赖于以下事实当I_HE值到达电流阈值I_THD1、I_THD2之一时，这会自动触发切换单元以适当地控制开关44、46的打开/闭合。这种工作模式一直持续，直到在外部用户的干预下终止。
相反，在单次模式中，图8的电路被配置为一旦达到电流阈值就停止工作。例如，当开关44闭合，开关46打开时，一旦达到I_THD1(对应于I_HE从P0到P2的跳变)，就终止张弛振荡器的工作。只有在提供了外部触发的情况下，才恢复工作并且进行下一阶段的操作，即，打开开关44并且闭合开关46，以使I_HE从P3跳变到P4，从而到达I_THD2值。在这种工作模式中，可以通过测量到达电流阈值所花费的持续时间来获得探针6在存储介质2上方的距离h，例如在以上描述的情况中，可以根据从P0点跳变到P2点之间的持续时间来确定距离h。
如果对距离h的确定与非重复的触发事件同步，那么单次模式特别有优势。在这种工作模式中，任意的电压电势可被施加到加热器元件HE，例如参考电压电势。
第二实施方案使得加热器元件HE相对于存储介质2的位置可被感测到的电子电路的第二实施方案包括LC谐振电路，并被显示在图10中。在该电路的工作期间，加热器元件HE在一侧电连接到电流/电压转换器40，在另一侧，加热器元件连接到反馈放大器50的输出端。加热器元件HE被设置为与电感器L并联。
反馈放大器50的输出具有代表LC谐振电路的谐振频率f_RES_LC的信号。Q因子对于与1/τ_el差不多的谐振频率大约为一，这使得该电路更适用于低频应用(f_RES_LC＜＜1/τ_el)。Q因子或者说品质因数是谐振系统的“品质”的度量。在响应-频率曲线图上，带宽被定义为电压电平相对于谐振频率的3dB的变化。将谐振频率除以带宽就得到了Q因子。在LC谐振电路的情况中，用1/(2π*f_RES_LC*C_HE*R_0)求出Q因子。
在该实施方案中，谐振频率f_RES_LC正比于电弛豫时间τ_el，从而正比于热弛豫时间τ。优选地，电感器L被选择为具有约为L＝1/((2π*f_RES_LC)2*C_HE)的电感值。
第三实施方案第三实施方案包括RC延迟线振荡器并且显示在图11中。电阻器R1和R2以及电容器C1和C2的大小优选地分别大约为加热器元件HE的工作点电阻R_0和电容C_HE。更优选地，它们在最大2到3倍的范围内分别与加热器元件HE的工作点电阻R_0和电感C_HE匹配。优点就在于电阻器R1和R2以及电容器C1和C2不必为了获得正确量度热弛豫时间τ的信号而分别与加热器元件HE的工作点电阻R_0和/或电容C_HE精确匹配。RC延迟线振荡器还包括电流/电压转换器40和反馈放大器50。
反馈放大器50的输出代表了RC延迟线振荡器的振荡频率f_osc_RC。振荡频率f_osc_RC代表了电弛豫时间τ_el，这样即代表了热弛豫时间τ。
第四实施方案本发明的第四实施方案包括桥式振荡器并且显示在图12中。在这个例子中，桥式振荡器是维恩电桥型。电阻器R3、R4、R5和电容器C3的大小优选地以类似于电阻R_0和电容C_HE的方式确定。桥式振荡器还包括差分放大器54，它的输入端分别电连接在加热器元件和电阻器R3之间以及电阻器R4和R5之间。差分放大器54的输出信号具有代表桥式振荡器的振荡频率f_osc_bt的频率。f_osc_bt代表电弛豫时间τ_el，因而也代表热弛豫时间τ。然后在控制和信息处理单元12中象在本发明的其他实施方案中一样对桥式振荡器的振荡频率f_osc_bt进行评估，从而获得加热器元件HE与存储介质2之间的距离h。
第五实施方案在图13所示的另外的实施方案中，根据图8中所示的第一实施方案的张弛振荡器另外还包括锁相单元。锁相单元包括检相器56、环路滤波器58和放大器60。利用锁相单元，张弛振荡器可以与外部时钟62同步。这样可以从用于将振荡器的频率调节到参考频率的控制信号导出加热器元件HE与存储介质2之间的距离h，所述参考频率是利用外部时钟62产生的时钟信号(同步信号)CLK的频率给出的。锁相单元只是以举例的方式被显示为应用于张弛振荡器。但是，它也可以应用于本发明的任何其他实施方案。
优选地，检相器56产生相位对比信号PH_CON作为输出，该信号代表了它的两个输入信号之间的相移。相位对比信号PH_CON然后在环路滤波器58中被滤波。环路滤波器58的输出是感测器输出信号SE_OUT，接着该信号在放大器60中被放大，然后用于调节第一或第二偏置电压电势V_b1、V_b2。
环路滤波器58优选地在零频率处具有一个极点，这确保了相对于时钟信号(同步信号)CLK的固定相位关系，而时钟信号(同步信号)CLK优选地标记出用有无凹痕代表的标记的标称位置。相位对比信号PH_CON可被用来测量热弛豫时间τ，从而确定加热器元件与存储介质2之间的距离h。
锁相单元具有以下作用无论何时在时钟信号(同步信号)的两个脉冲之间的时间间隔内探测到凹痕，振荡器的相位都会减少恒定的量，这是因为热弛豫时间τ略小于均值，因而电弛豫时间τ_el也略慢于均值。相反，如果在时钟信号(同步信号)CLK的两个连续脉冲之间未探测到任何凹痕，那么振荡器的相位就增加恒定的量。因而，加热器元件HE探测到的数字信息以复合的方式被编码在相位差(相位对比)中，由此可以在控制和信息处理单元12中评估信号PH_CON，以便获得加热器元件HE与存储介质2之间的距离h。凹痕例如可以代表逻辑变量，并且，按照该方式，由于凹痕对应于相位对比信号PH_CON中的跳跃，所以可以检测出凹痕。
通过选择环路滤波器58的参数，感测器输出信号SE_OUT可以代表在由若干标记表示的位串上的校验和，并且那样就可以被用于读通道中已有的纠错。在此上下文中，优选的是用平衡码(均衡码)对被存储在存储介质2上并用标记20、22和24表示的数据进行编码，所谓的平衡码的意思是给定数量的连续位总是具有给定的校验和。为此，按照以下方式来选择参数，特别是环路滤波器58的响应时间优选地让该时间至少与在产生给定校验和的位序列中的给定数量的位上进行扫描所需的时间一样长。一般，这样的平衡码在大约10到20个位上的校验和是均衡的。
使用相位对比信号PH_CON的另一个显著优点在于外部时钟信号CLK和各个标记20、22和24的准确轨上位置不需要完全匹配，这使得感测操作对于时钟信号(同步信号)CLK的波动更具鲁棒性。
在图14中，针对根据图8的张弛振荡器的操作描绘了加热器元件电流I_HE和加热器元件电势差U_HE随时间t的变化。它们是针对这样的加热器元件绘制的该元件的室温电阻大约为30千欧，该电阻在电流/电压关系曲线的平台区中升高到约60千欧。稳态振荡是280千赫兹。为此，加热器元件的热弛豫时间τ约为5微秒。偏置电压电势例如对于第一偏置电压电势V_b1大约为8伏，对于第二偏置电压电势V_b2大约为2.5伏，分别对应于约140微安和75微安的稳态电流I_DC。第一和第二电流阈值I_THD1、I_THD2此时可被选择为分别约等于170微安和60微安。
图15示出了根据本发明的第一实施方案的张弛振荡器的功率谱密度(用标号66表示)以及当应用以前提出的直接测量加热器元件的电阻的测量方法时的功率谱密度68。该曲线图证明了利用本发明的实施方案，1/f噪声特性获得了相当大的改善。
在本发明的实施方案中，控制和信息处理单元12被设计为检测各个电路的输出信号，然后导出加热器元件HE与存储介质2之间的距离h。
在本发明的实施方案中，τ的范围从0秒到1秒，优选地是从0.1微秒到0.1毫秒。
上面以举例的方式结合尤其用于存储数据的存储设备解释了本发明的实施方案。但是这些实施方案在本发明的范围内不限于此。
将会理解，本发明纯粹是以举例的方式来描述的，在本发明的范围内可以对细节作出很多修改。
在说明书和(需要时)权利要求书及附图中公开的特征可以单独提供，也可以适当地组合起来。
附图标记2 存储介质/参考介质4 衬底6 探针8 框架12 用于感测探针位置的控制和信息处理单元/设备14 时钟(同步)信号单元16 伺服定位单元18 扫描器x x方向y y方向20，22，24 标记
26 弹性悬臂30 顶端32 加热器元件(读/写)34 数据字段36 操作数据字段SCD 扫描方向CTD 跨轨方向τ 热弛豫时间τ_el 电弛豫时间HE 加热器元件R_HE 加热器元件的电阻C_HE 加热器元件的电容R_0工作点电阻R_p并联电阻R_th 热阻C_th 热容量T 温度T_H加热器元件的温度T_M参考介质的温度I_HE 加热器元件电流U_HE 加热器元件电势差P_EL 电能η 效率参数40 电流/电压转换器42 电压阈值检测器44 第一开关
46第二开关f_SW 切换频率50反馈放大器f_res_LC LC谐振电路的谐振频率R1，R2电阻器C1，C2电容器f_osc_RCRC延迟线振荡器的振荡频率R3，R4，R5电阻器C3电容器54差分放大器f_osc_BT桥式振荡器的振荡频率56 检相器58 环路滤波器60 放大器62 外部时钟CLK时钟(同步)信号PH_CON相位对比(相位差)SE_OUT感测器输出(校验和)P0V_b1，V_b2第一、第二偏置电压电势I_THD_1 第一电流阈值I_THD_2 第二电流阈值I_DC 稳态电流SP相邻标记的轨上距离T 扫描SP所需的时间
h 距离66功率谱密度(振荡器)68功率谱密度(电阻)
权利要求
1.一种用于感测探针(6)相对于参考介质(2)的位置的设备，所述探针(6)包括具有与温度有关的电阻(R_HE)的加热器元件(HE)，所述设备可通过测量与所述加热器元件(HE)的热弛豫时间(τ)相关联的参数来确定所述位置。
2.如权利要求1所述的设备，包括张弛振荡器电路，所述张弛振荡器电路可向所述加热器元件(HE)施加偏置电压电势(V_b1，V_b2)。
3.如权利要求2所述的设备，所述张弛振荡器电路还包括电流阈值切换单元(42，44，46)，该阈值切换单元可执行第一切换动作和第二切换动作，所述第一切换动作包括当达到第一电流阈值(I_THD1)时将所述偏置电压电势从第一偏置电压电势(V_b1)切换到第二偏置电压电势(V_b2)；所述第二切换动作包括当达到第二电流阈值(I_THD2)时将所述第二偏置电势(V_b2)切换到所述第一偏置电压电势(V_b1)。
4.如权利要求3所述的设备，所述电流阈值切换单元(42，44，46)被配置为连续执行多次所述第一和第二切换动作。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述参数是所述切换单元(42，44，46)的切换频率(f_SW)。
6.如权利要求3所述的设备，所述电流阈值切换单元(42，44，46)被配置为执行所述第一和第二切换动作之一。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述参数是从施加所述第一和第二偏置电压电势(V_b1，V_b2)之一起，到达到对应的所述第一或第二电流阈值(I_THD1，I_THD2)的持续时间。
8.如权利要求3到7之一所述的设备，所述第一电流阈值(I_THD1)大于与第一偏置电压电势(V_b1)相对应的稳态电流(I_DC)，所述第二电流阈值(I_THD2)小于与第二偏置电压电势(V_b2)相对应的稳态电流(I_DC)，并且所述第一偏置电压电势(V_b1)大于所述第二偏置电压电势(V_b2)。
9.如权利要求1所述的设备，包括LC谐振电路，该电路的容性元件是所述加热器元件(HE)，并且其中，所述参数是所述LC谐振电路的谐振频率(f_res_LC)。
10.如权利要求1所述的设备，包括RC延迟线振荡器电路，并且其中，所述参数是所述RC延迟线振荡器的振荡频率(f_osc_RC)。
11.如权利要求1所述的设备，包括桥式振荡器电路，并且其中，所述参数是所述桥式振荡器的振荡频率(f_osc_bt)。
12.如权利要求2到11之一所述的设备，其中，所述张弛振荡器电路、LC谐振电路、RC延迟线振荡器和桥式振荡器中的每一个还包括锁相单元(56，58，60)，用于使所述电路与外部时钟(62)同步。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述参数是从所述锁相单元(56)输出的相位对比信号(PH_CON)。
14.如权利要求12或13所述的设备，所述外部时钟(62)在所述参考介质(2)的表面被所述探针(6)扫描时，可产生与所述参考介质(2)上的连续标记位置(20，22和24)相对应的时钟信号(CLK)。
15.如权利要求12到14之一所述的设备，可用于控制所述张弛振荡器电路、LC谐振电路、RC延迟线振荡器和桥式振荡器中每一个的总环路增益，使得建立相位匹配所用的时间足够长，足以使平衡标记(20，22和24)串被探测到。
16.如以上权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述加热器元件(HE)在所述加热器元件(HE)的电流/电压关系曲线的平台区工作。
17.用于感测探针(6)相对于参考介质(2)的位置的方法，所述探针(6)包括具有与温度有关的电阻(R_HE)的加热器元件(HE)，该方法包括以下步骤测量与所述加热器元件(HE)的热弛豫时间(τ)相关联的参数。
全文摘要
本发明涉及用于感测探针位置的设备和方法。具体地，公开了一种用于感测探针相对于参考介质的位置的设备，所述探针包括具有与温度相关的电阻的加热器元件(HE)，所述设备可通过测量与所述加热器元件(HE)的热弛豫时间相关联的参数来确定所述位置。
文档编号G01B7/00GK1928488SQ200610106250
公开日2007年3月14日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年9月8日
发明者厄斯·T.·杜尔里格, 伯恩德·W.·高特斯曼, 阿米恩·W.·卡诺尔 申请人:国际商业机器公司