[發明專利]電容性傳感器

在審

• 申請號: 201410119002.2
• 申請日: 2014-03-27
• 公開（公告）號: CN104075651A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: B·S·哈羅恩;R·穆胡帕一;P·M·埃默森
• 申請（專利權）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號: G01B7/00
• 分類號: G01B7/00;G01B7/14;G01B7/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

背景技術

在許多電子系統中，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性，并且用于檢測接近度、位置、或位移。對于一些系統，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。

附圖說明

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。

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。

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。

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。

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。

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。

圖5是示出方法的示例實施例的流程圖。

具體實施方式

需要電容的精確測量的一個具體示例是動態測量磁盤驅動器中磁頭與磁盤之間的距離。在轉動的磁盤驅動器中(磁盤或光盤)，懸浮的變換器(磁頭)非常接近旋轉的磁盤。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數據信號的高信噪比。然而，如果飛行高度非常低，存在磁頭可能接觸磁盤的危險，導致數據缺失、磁頭受損以及磁盤表面受損。對于飛行高度的閉環控制，需要動態測量飛行高度。

已經研發多種技術用于測試飛行高度，例如包括，監控信號諧波的幅值、測量信噪比、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電圖案形成的，并且該電容由RF電壓驅動。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換速率的周期信號來驅動。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制的RF電壓來驅動。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。在這些現有技術中的某些示例中，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雜化。磁盤表面可能具有相對于接地的高阻抗，導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。

在下面描述的系統中，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的具體示例中，系統測量兩個電壓，所述兩個電壓僅當飛行高度在預期距離處時相等。兩個電壓僅當兩個電容的比率處于預定值時相等，兩個電容的比率處于預定值僅在飛行高度在預期距離處時發生。在所有其它距離處，電容的比率并非為預定值。兩個電容的比率在預期距離處可以為1.0，或者可以為不同于1.0的預定值。

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，磁式變換器或光學變換器。將磁頭100定位于接近旋轉的磁盤102，其中箭頭指示旋轉的方向。如圖1A所示，磁頭100可以被故意傾斜或沿著旋轉方向偏斜，以便磁頭在空氣的墊層上“飛行”。如果磁頭沒有沿著旋轉方向被傾斜，則可以使用在圖1B中示出的替換性設計。還可以無意地傾斜或在橫向于旋轉方向的方向上偏斜變換器(將在下面進一步討論)。

磁頭100包括至少兩個導電區104和106。第一電容C₁由導電區104和磁盤102的表面形成，并且第二電容C₂由導電區106和磁盤102的表面形成。導電區106的中心相距磁盤102的表面的距離為“d”。導電區104的中心相距磁盤102的表面的距離為“d+h”。假設導電區104具有面積A₁，并假設導電區106具有面積A₂。則電容C₁和C₂如下：