電容性傳感器的制造方法
【專利摘要】一種電容性傳感器(100，400)至少具有第一和第二導(dǎo)電區(qū)(104，106；406，408)，使得第一電容(C1)被形成在第一導(dǎo)電區(qū)和表面(102，404)之間，并且第二電容(C2)被形成在第二導(dǎo)電區(qū)和該表面之間，并且第一電容與第二電容的比率僅當(dāng)傳感器與表面相距預(yù)定的距離時具有預(yù)定值。
【專利說明】電容性傳感器

【背景技術(shù)】
[0001]在許多電子系統(tǒng)中，電容的精確測量是必要的。例如，針對觸摸屏使用電容性感測，用于測試電路板上的電連續(xù)性，并且用于檢測接近度、位置、或位移。對于一些系統(tǒng)，被測量的電容極小，從而測量精度要求極低噪聲精密電路。測量精度由于機械振動、電磁場和其它電子噪聲而被復(fù)雜化。此外，如果在用于測量電容的傳感器和電路之間需要傳輸線，則傳輸線的長度、傳輸線的阻抗、傳播延遲和傳輸線的反射可以使得電容難以確定。因此不斷需要改進的電容測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]圖1A是示出磁盤和提供飛行高度的電容性測量的磁頭的示例實施例的剖面圖。
[0003]圖1B是示出磁盤和提供飛行高度的電容性測量的磁頭的替換性示例實施例的剖面圖。
[0004]圖1C是示出磁盤和提供飛行高度的電容性測量的磁頭的替換性示例實施例的剖面圖。
[0005]圖2是示出用于與圖1的磁盤和磁頭一起使用的電路的示例實施例的框圖。
[0006]圖3是示出提供飛行高度的電容性測量和傾角的電容性測量的磁頭的替換性示例實施例的框圖。
[0007]圖4是示出用于測量薄膜的特性的電容性探針的示例實施例的剖面圖。
[0008]圖5是示出方法的示例實施例的流程圖。

【具體實施方式】
[0009]需要電容的精確測量的一個具體示例是動態(tài)測量磁盤驅(qū)動器中磁頭與磁盤之間的距離。在轉(zhuǎn)動的磁盤驅(qū)動器中(磁盤或光盤)，懸浮的變換器(磁頭)非常接近旋轉(zhuǎn)的磁盤。通常，磁頭與磁盤之間的間距(稱作“飛行高度”)只有幾納米。需要較低的飛行高度以維持?jǐn)?shù)據(jù)信號的高信噪比。然而，如果飛行高度非常低，存在磁頭可能接觸磁盤的危險，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失、磁頭受損以及磁盤表面受損。對于飛行高度的閉環(huán)控制，需要動態(tài)測量飛行高度。
[0010]已經(jīng)研發(fā)多種技術(shù)用于測試飛行高度，例如包括，監(jiān)控信號諧波的幅值、測量信噪t匕、光干涉法以及電容性測量。例如，在第4，931，887號的美國專利中，電容是由磁頭和磁盤上的導(dǎo)電圖案形成的，并且該電容由RF電壓驅(qū)動。在第7，394，611號的美國專利中，在磁頭和磁盤之間的電容由具有恒定的電壓轉(zhuǎn)換速率的周期信號來驅(qū)動。在第7，719, 786號的美國專利中，在磁頭和磁盤之間的電容由調(diào)制的RF電壓來驅(qū)動。在第7，450，333號的美國專利中，在磁頭和磁盤之間的電容是相對于參考電容的。在這些現(xiàn)有技術(shù)中的某些示例中，單個電容的絕對值被測量。對于飛行高度的主動控制所需要的分辨率，需要被檢測的電容中的相對變化可以約為0.25%，對于一些實施例，電容中的相對變化可以低至5fF。這要求極低噪聲精密電路。電容測量由于磁頭和驅(qū)動器的機械振動、磁頭周圍的磁場以及其它電子噪聲而被復(fù)雜化。磁盤表面可能具有相對于接地的高阻抗，導(dǎo)致了磁盤表面處的大量電噪聲。此外，如果在磁頭和用于測量電容的電路之間需要傳輸線，則傳輸線長度、傳輸線阻抗、傳播延遲和傳輸線反射可以使得絕對電容難以確定。
[0011]在下面描述的系統(tǒng)中，通過測量兩個電容的比率，而非僅僅測量單個絕對電容來確定飛行高度。兩個電壓的差分測量抵消共模噪聲和許多傳輸線的影響，其大大提高了電容測量的信噪比。在用于測量磁頭飛行高度的系統(tǒng)的具體示例中，系統(tǒng)測量兩個電壓，所述兩個電壓僅當(dāng)飛行高度在預(yù)期距離處時相等。兩個電壓僅當(dāng)兩個電容的比率處于預(yù)定值時相等，兩個電容的比率處于預(yù)定值僅在飛行高度在預(yù)期距離處時發(fā)生。在所有其它距離處，電容的比率并非為預(yù)定值。兩個電容的比率在預(yù)期距離處可以為1.0，或者可以為不同于
1.0的預(yù)定值。
[0012]圖1A示出提供飛行高度的電容性測量的磁頭100的示例實施例。在圖1中，磁頭100可以為，例如，磁式變換器或光學(xué)變換器。將磁頭100定位于接近旋轉(zhuǎn)的磁盤102，其中箭頭指示旋轉(zhuǎn)的方向。如圖1A所示，磁頭100可以被故意傾斜或沿著旋轉(zhuǎn)方向偏斜，以便磁頭在空氣的墊層上“飛行”。如果磁頭沒有沿著旋轉(zhuǎn)方向被傾斜，則可以使用在圖1B中示出的替換性設(shè)計。還可以無意地傾斜或在橫向于旋轉(zhuǎn)方向的方向上偏斜變換器(將在下面進一步討論)。
[0013]磁頭100包括至少兩個導(dǎo)電區(qū)104和106。第一電容C1由導(dǎo)電區(qū)104和磁盤102的表面形成，并且第二電容C2由導(dǎo)電區(qū)106和磁盤102的表面形成。導(dǎo)電區(qū)106的中心相距磁盤102的表面的距離為“d”。導(dǎo)電區(qū)104的中心相距磁盤102的表面的距離為“d+h”。假設(shè)導(dǎo)電區(qū)104具有面積A1，并假設(shè)導(dǎo)電區(qū)106具有面積A2。則電容C1和C2如下:
[0014]C1 = ε (,A1/ (d+h) C2 = ε 0A2/ (d)
[0015]其中ε。是自由空間的電容率。
[0016]定義dD為從導(dǎo)電區(qū)106的中心到磁盤102的表面的期望距離，并且使h = ndD，其中“η”是由傾角確定的。當(dāng)d = dD時,貝U:
[0017]C1ZC2 = Ai/tfc+DAj
[0018]即當(dāng)磁頭100在與磁盤102相距預(yù)期距離處時，C1與C2的比率是已知(預(yù)定)的量。
[0019]面積AjPA2可以被任選地設(shè)計，使得A1 = (n+l)A2，從而當(dāng)磁頭100在與磁盤102相距預(yù)期距離處時，C1 = C2。或者，當(dāng)磁頭100在與磁盤102相距預(yù)期距離處時，只要該比率是先驗已知的，C1ZC2的比率可以不同于1:1。具體地，如果A1 = kA2，則:
[0020]C1ZC2 = k/ (η+1)
[0021]或者，可通過凹陷(或突出)導(dǎo)電區(qū)中的一個從而改變“h”和/或“d”來改變C1和c2。如果磁頭不具有故意傾斜或者如果傾斜相對較小，則以上可能是需要的。例如，在圖1B中，磁頭108具有凹陷到磁頭108中的一個導(dǎo)電區(qū)110。距離“h”仍然可以被定義為ndD，但是凹陷導(dǎo)電區(qū)110允許獨立于磁頭108的傾角確定參數(shù)“η”。
[0022]或者，可以通過改變至少一個導(dǎo)電區(qū)與磁盤102的表面之間的電容率來改變C1和C2。例如，在圖1C中，磁頭112包括導(dǎo)電區(qū)114以及在導(dǎo)電區(qū)114與磁盤102的表面之間的介電層116。介電層116具有與自由空間的電容率不同的電容率。
[0023]圖2示出用于與圖1A-1C的磁頭(100，108，112)中的任一個一起使用的電路200的示例實施例。在圖2的示例中，射頻(RF)電壓源202以電壓“V”驅(qū)動電容性電橋204。電壓“V”是相對于Vkef的，其中Vkef可以是，例如磁盤102的表面處的電壓(其可以是浮動的或者位于高阻抗)。電容性電橋202包括兩個參考電容(Ckefi，Ckef2)和圖1A-1C中的兩個磁頭-磁盤電容(C1;C2)?？梢栽谥圃鞎r修整Ckefi和Ckef2。在電容性電橋204內(nèi)，電壓V1是V^C1/ (CJCkefi)，并且電壓V2是V*C2/ (C2+CEEF2)?？蛇x電路206可以包括信號緩沖器和/或帶通濾波器。例如如果在預(yù)期飛行高度處CVC2 = k/(n+l)，可選放大器208可以具有(n+1)/k的增益。模擬比較器(或差分放大器)210比較V1和V2 (由電路元件206和208任意修改)。假設(shè)Ckefi = Ckef2，則比較器210的差分輸出Vtot在距離“d”等于預(yù)期距離“dD”時為零。例如，如果飛行高度太高，Votit可以是正的，如果飛行高度太低，Vtot可以是負(fù)的。
[0024]在圖2中，電感Ld和電阻Rd表示磁盤102的表面到接地的阻抗。如果磁盤102的表面到接地的阻抗較高，則可能需要與電橋電路204并聯(lián)的大電容(> I(^C1)Crc從而提供磁盤102的表面處的AC接地。
[0025]圖1A-1C的示例示出帶有兩個導(dǎo)電區(qū)的磁頭?？蛇x地，磁頭可以包括導(dǎo)電區(qū)陣列，用于測量飛行高度和/或橫向于磁盤102的表面的方向上的磁頭傾角。圖3示出具有導(dǎo)電區(qū)陣列(302-316)的磁頭300的表面。例如，導(dǎo)電區(qū)302和304和/或?qū)щ妳^(qū)306和308可以被成對地用于測量飛行高度。或者，導(dǎo)電區(qū)302和308和/或?qū)щ妳^(qū)304和306可以被成對地用于測量飛行高度。或者，導(dǎo)電區(qū)302和306和/或?qū)щ妳^(qū)304和308可以被成對地用于測量橫向于磁盤102的旋轉(zhuǎn)方向的傾角?；蛘撸瑢?dǎo)電區(qū)310和312可以被用于測量飛行高度，并且導(dǎo)電區(qū)314和316可以被用于測量橫向于磁盤102的旋轉(zhuǎn)方向的傾角。整個陣列可以由大導(dǎo)電區(qū)318來包圍，如圖2所示，其形成電容CD。用于提供虛擬接地。
[0026] 例如，考慮導(dǎo)電區(qū)314和316。假設(shè)導(dǎo)電區(qū)314和316處于如圖1A中的磁頭的表面。還假設(shè)導(dǎo)電區(qū)314和磁盤102的表面形成電容C1,并且導(dǎo)電區(qū)316和磁盤102的表面形成電容C2，并且使用如圖2中的電橋電路。為了橫向傾斜測量的目的，比較器210的輸出在導(dǎo)電區(qū)314和316均與磁盤相距相同(預(yù)期)的距離時為零(即，比較器210的輸出在沒有橫向于磁盤102的旋轉(zhuǎn)方向的傾斜時為零)。
[0027]上述示例利用電容比率的測量來檢驗磁頭靠近旋轉(zhuǎn)的磁盤的合適的距離。測量電容比率的可替換示例是用于測量薄介電膜的厚度(和電容率或介電常數(shù))的探針。圖4示出用于檢驗在固定襯底404上的介電層402的厚度(和介電常數(shù)或電容率)的示例電容性探針400。在圖4的示例中，探針400的表面與介電層402接觸，但這不是必要的。探針400包括兩個導(dǎo)電區(qū)406和408。在示出的示例中，一個導(dǎo)電區(qū)408凹陷到探針400的表面中。并且在示出的示例中，示例附加介電層410被制造在導(dǎo)電區(qū)408和探針400的表面之間。附加介電層410也是可選的。
[0028]第一探針電容被形成在導(dǎo)電區(qū)406和襯底404的表面之間，由導(dǎo)電區(qū)406的面積、介電層402的厚度和介電層402的電容率來確定第一探針電容。第二探針電容被形成在導(dǎo)電層408和襯底404的表面之間，由導(dǎo)電區(qū)408的面積、介電層402的厚度、導(dǎo)電區(qū)408和介電層402之間的距離以及在導(dǎo)電區(qū)408和襯底404之間的任何材料(包括,例如，空氣)的有效電容率來確定第二探針電容。
[0029]圖2的電路可以被用于圖4的探針400。此外，兩個電壓的差分測量抵消共模噪聲和傳輸線的許多影響，這大大地提高了電容測量的信噪比。在用于測量薄膜特性的系統(tǒng)的具體示例中，系統(tǒng)測量兩個電壓，所述兩個電壓僅當(dāng)薄膜具有預(yù)期厚度(和電容率)時相等。兩個電壓僅當(dāng)兩個探針電容的比率是預(yù)定值時相等，兩個探針電容的比率是預(yù)定值僅發(fā)生在薄膜(介電層402)具有預(yù)期厚度(和電容率)時。對于薄膜(介電層402)的所有其它的厚度(和電容率)，探針電容的比率不為預(yù)定值。兩個探針電容的比率在薄膜(介電層)具有預(yù)期厚度(和電容率)時可以為1.0，或者可以為不同于1.0的預(yù)定值。導(dǎo)電區(qū)406和408的面積、導(dǎo)電區(qū)408和介電層402之間的距離以及可選層410的電容率都可以被調(diào)整，使得比較器210的輸出僅當(dāng)介電層402具有預(yù)期厚度(和電容率)時將為零。例如，此類探針可以被使用在生產(chǎn)環(huán)境中用于檢驗薄膜，例如，已經(jīng)被適當(dāng)?shù)匦纬稍谔柲茈姵厣系谋∧ぁ?br> [0030]圖5示出利用電容性傳感器檢驗距離的示例方法500，例如，測量飛行高度或薄膜厚度。在步驟502處，測量來自第一和第二電容的第一和第二電壓，其中第一和第二電容被形成在表面和電容性傳感器上的導(dǎo)電區(qū)之間。在步驟504處，當(dāng)?shù)谝慌c第二電壓的比率等于預(yù)定的比率時，確定電容性傳感器與表面相距預(yù)期距離。
[0031]盡管已在本文詳細描述本發(fā)明的說明性和目前優(yōu)選實施例，應(yīng)理解可以其它方式不同的方式體現(xiàn)和采用本發(fā)明的概念，并且，所附權(quán)利要求意在被解釋為包括除了在由現(xiàn)有技術(shù)限制的范圍之內(nèi)的此類變化。
【權(quán)利要求】
1.一種電容性傳感器，其包括: 至少第一和第二導(dǎo)電區(qū)，使得第一電容被形成在所述第一導(dǎo)電區(qū)和表面之間，并且第二電容被形成在所述第二導(dǎo)電區(qū)和所述表面之間；并且所述第一電容與所述第二電容的比率僅當(dāng)所述電容性傳感器在與所述表面相距預(yù)定距離處時具有預(yù)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，其中所述第一電容與所述第二電容的所述比率的所述預(yù)定值在所述電容性傳感器在與所述表面相距預(yù)定距離處時等于I。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，其中所述第一電容與所述第二電容的所述比率的所述預(yù)定值在所述電容性傳感器在與所述傳感器相距預(yù)定距離處時不等于I。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，進一步包括凹陷在所述電容性傳感器的表面下方的所述第一和第二導(dǎo)電區(qū)中的至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，進一步包括在所述第一和第二導(dǎo)電區(qū)中的至少一個與所述表面之間的介電層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，進一步包括所述電容性傳感器上的至少四個導(dǎo)電區(qū)的陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，其中所述電容性傳感器在磁盤驅(qū)動器的磁頭上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電容性傳感器，其中所述表面是磁盤的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，其中所述預(yù)定距離是在襯底上的薄膜的預(yù)定厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容性傳感器，其中所述表面是所述襯底上的表面。
11.一種電路，其包括: 電容性電橋，其包括與第一傳感器電容串聯(lián)的第一參考電容，以及與第二傳感器電容串聯(lián)的第二參考電容，其中所述第一和第二傳感器電容被形成在電容性傳感器上的導(dǎo)電區(qū)和表面之間； 比較器，其比較第一電壓和第二電壓，該第一電壓來自所述第一參考電容與所述第一傳感器電容的接合點，該第二電壓來自所述第二參考電容與所述第二傳感器電容的接合點。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中所述比較器的輸出僅在所述第一與第二電壓的比率等于預(yù)定值時為零。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中所述導(dǎo)電區(qū)在磁盤驅(qū)動器的磁頭上，并且所述表面是磁盤的表面。
14.一種方法,其包括: 測量來自第一和第二電容的第一和第二電壓，其中所述第一和第二電容被形成在表面和電容性傳感器上的導(dǎo)電區(qū)之間；以及 當(dāng)所述第一與第二電壓的比率等于預(yù)定比率時，確定所述電容性傳感器在與所述表面相距預(yù)期距離處。
【文檔編號】G01B7/00GK104075651SQ201410119002
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月27日
【發(fā)明者】B·S·哈羅恩, R·穆胡帕一, P·M·埃默森 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司