[发明专利]电容性传感器

说明书

背景技术

在许多电子系统中，电容的精确测量是必要的。例如，针对触摸屏使用电容性感测，用于测试电路板上的电连续性，并且用于检测接近度、位置、或位移。对于一些系统，被测量的电容极小，从而测量精度要求极低噪声精密电路。测量精度由于机械振动、电磁场和其它电子噪声而被复杂化。此外，如果在用于测量电容的传感器和电路之间需要传输线，则传输线的长度、传输线的阻抗、传播延迟和传输线的反射可以使得电容难以确定。因此不断需要改进的电容测量。

附图说明

图1A是示出磁盘和提供飞行高度的电容性测量的磁头的示例实施例的剖面图。

图1B是示出磁盘和提供飞行高度的电容性测量的磁头的替换性示例实施例的剖面图。

图1C是示出磁盘和提供飞行高度的电容性测量的磁头的替换性示例实施例的剖面图。

图2是示出用于与图1的磁盘和磁头一起使用的电路的示例实施例的框图。

图3是示出提供飞行高度的电容性测量和倾角的电容性测量的磁头的替换性示例实施例的框图。

图4是示出用于测量薄膜的特性的电容性探针的示例实施例的剖面图。

图5是示出方法的示例实施例的流程图。

具体实施方式

需要电容的精确测量的一个具体示例是动态测量磁盘驱动器中磁头与磁盘之间的距离。在转动的磁盘驱动器中(磁盘或光盘)，悬浮的变换器(磁头)非常接近旋转的磁盘。通常，磁头与磁盘之间的间距(称作“飞行高度”)只有几纳米。需要较低的飞行高度以维持数据信号的高信噪比。然而，如果飞行高度非常低，存在磁头可能接触磁盘的危险，导致数据缺失、磁头受损以及磁盘表面受损。对于飞行高度的闭环控制，需要动态测量飞行高度。

已经研发多种技术用于测试飞行高度，例如包括，监控信号谐波的幅值、测量信噪比、光干涉法以及电容性测量。例如，在第4,931,887号的美国专利中，电容是由磁头和磁盘上的导电图案形成的，并且该电容由RF电压驱动。在第7,394,611号的美国专利中，在磁头和磁盘之间的电容由具有恒定的电压转换速率的周期信号来驱动。在第7,719,786号的美国专利中，在磁头和磁盘之间的电容由调制的RF电压来驱动。在第7,450,333号的美国专利中，在磁头和磁盘之间的电容是相对于参考电容的。在这些现有技术中的某些示例中，单个电容的绝对值被测量。对于飞行高度的主动控制所需要的分辨率，需要被检测的电容中的相对变化可以约为0.25％，对于一些实施例，电容中的相对变化可以低至5fF。这要求极低噪声精密电路。电容测量由于磁头和驱动器的机械振动、磁头周围的磁场以及其它电子噪声而被复杂化。磁盘表面可能具有相对于接地的高阻抗，导致了磁盘表面处的大量电噪声。此外，如果在磁头和用于测量电容的电路之间需要传输线，则传输线长度、传输线阻抗、传播延迟和传输线反射可以使得绝对电容难以确定。

在下面描述的系统中，通过测量两个电容的比率，而非仅仅测量单个绝对电容来确定飞行高度。两个电压的差分测量抵消共模噪声和许多传输线的影响，其大大提高了电容测量的信噪比。在用于测量磁头飞行高度的系统的具体示例中，系统测量两个电压，所述两个电压仅当飞行高度在预期距离处时相等。两个电压仅当两个电容的比率处于预定值时相等，两个电容的比率处于预定值仅在飞行高度在预期距离处时发生。在所有其它距离处，电容的比率并非为预定值。两个电容的比率在预期距离处可以为1.0，或者可以为不同于1.0的预定值。

图1A示出提供飞行高度的电容性测量的磁头100的示例实施例。在图1中，磁头100可以为，例如，磁式变换器或光学变换器。将磁头100定位于接近旋转的磁盘102，其中箭头指示旋转的方向。如图1A所示，磁头100可以被故意倾斜或沿着旋转方向偏斜，以便磁头在空气的垫层上“飞行”。如果磁头没有沿着旋转方向被倾斜，则可以使用在图1B中示出的替换性设计。还可以无意地倾斜或在横向于旋转方向的方向上偏斜变换器(将在下面进一步讨论)。

磁头100包括至少两个导电区104和106。第一电容C₁由导电区104和磁盘102的表面形成，并且第二电容C₂由导电区106和磁盘102的表面形成。导电区106的中心相距磁盘102的表面的距离为“d”。导电区104的中心相距磁盘102的表面的距离为“d+h”。假设导电区104具有面积A₁，并假设导电区106具有面积A₂。则电容C₁和C₂如下：