CN100561382C - 用于二维的基于微机电系统的扫描器的伺服系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于基于微机电系统(MEMS)的运动控制系统的伺服控制系统(和方法)，包括运动发生器，该发生器具有固有的刚度成分。

Description

用于二维的基于微机电系统的扫描器的伺服系统及其方法
技术领域
本发明通常涉及磁盘驱动器，并尤其涉及用于二维的基于微机电系统(MEMS)的扫描器的伺服系统，以及用于该伺服系统的方法。
背景技术
可利用微机电系统(MEMS)生成纳米级运动。在提供纳米级的、但精确的定位能力(例如，5nm 1σ的误差)的同时，建立在X-Y平面内跨越毫米级区域(例如100μm的正方形范围)的能力是有利的。较大的跨越范围可提高扫描器的应用潜能。这种扫描器的一关键应用是在基于原子力显微术(AFM)的存储应用领域内，例如在Vettiger和G.Binning，“TheNanodrive Project”，Scientific American，pp.47-53，Jan 2003，和PCT出版物No.WO 03/021127A2中公开的系统内。
在此系统内，用于记录信息的聚合物媒体被扫描器支承。与无摩擦的致动器系统例如磁盘驱动致动器中发现的系统不同，基于MEMS的扫描器由提供X-Y方向移动自由度的产生高刚度的挠性件控制。但是，该致动器系统内很大的刚度的存在显示出在扫描模式下会相对于斜坡基准轨迹(ramp reference trajectory)产生稳定的位置误差，并且也会使在扫描运动之前对目标轨道的寻找运动未达到最佳。
因此，需要一种新的伺服结构来克服挠性件(即，与基于MEMS的扫描器成一体的元件)系统产生的阻力的影响，从而可有竞争力地实现二维寻找以及轨道跟踪扫描性能。
发明内容
考虑到传统方法和结构的上述以及其他问题、缺陷和缺点，本发明的一示例性目的是提供一种新的伺服结构(以及用于该结构的方法)，其克服了挠性件(即与基于MEMS的扫描器成一体的元件)系统产生的阻力的影响，从而可实现二维寻找和轨道跟随扫描性能。
在本发明的第一示例方面中，一种用于基于微机电系统(MEMS)的运动控制系统的伺服控制系统包括一运动发生器，该发生器具有固有的刚度成分。
在本发明的第二示例方面中，一种用于基于微机电系统(MEMS)的运动控制系统的伺服控制系统包括具有固有刚度的扫描器，以及一前馈机构，该前馈机构操作地连接到该扫描器以便前馈一用于抵消该扫描器的刚度的成分。
在本发明的第三示例方面中，一种用于控制扫描器的移动的伺服控制器包括用于在轨道跟随扫描模式和回转模式下产生第一轴运动和第二轴运动的伺服部件。可通过在生成第一轴运动时为该伺服部件的斜坡轨迹选择合适的斜率来对扫描速度编程。
在本发明的第四示例方面中，一种用于以存储为中心的(storage-centric)应用的方法包括以第一速度和第一精度执行二维寻找，以及以第二速度和第二精度执行一维扫描。该第一速度高于该第二速度，并且该第一精度小于该第二精度。
在本发明的第五示例方面中，一种用于基于微机电系统(MEMS)的运动控制系统的伺服控制系统包括比例积分微分(PID)控制器，该控制器包括类型1系统。该控制器存在由斜坡运动导致的稳定的位置误差。
在本发明的第六示例方面中，一种用于控制基于微机电系统(MEMS)的运动控制装置中的扫描器的方法包括对于每次X寻找生成速度曲线，并管理该扫描器的刚度。
通过本发明的示例性实施例的独特的和非显而易见的特征，可获得很多示例性优点。实际上，本文中描述的本发明的示例性实施例开发了一种增强了传统控制结构的伺服机构，该伺服机构包括比例积分微分(PID)类型，从而通过示例性的前馈控制方法来智能地抵消基于MEMS的扫描器的显著刚度特性。
因此，本发明提供了这样的一种新伺服结构的一些示例，该伺服结构克服了挠性件(即与基于MEMS的扫描器成一体的元件)系统产生的阻力的影响，从而实现了二维寻找和轨道跟随扫描性能。
本发明具体地解决了为基于AFM的存储应用开发的扫描器的多个功能，包括轨道跟随扫描和二维寻找。
附图说明
从下面参照附图对本发明的优选实施例的详细说明中，可更好地理解前述的和其他目的、方面和优点，在该些附图中：
图1A示出具有X-Y扫描器110的基于AFM的存储设备100的元件；
图1B示出用于基于AFM的存储设备100的探针120的细节；
图2A-2C示出用于测试配置的光学位置传感器200；
图3A-3C示出寻找和扫描轨迹以及它们的组成部分；
图4示出扫描模式的基准轨迹；
图5示出伺服控制器500的结构；
图6A-6C示出沿一轴线的、扫描器的传递函数，包括幅值(图6A)、相位(图B)，以及一质量弹簧阻尼器模型(图6C)；
图7A-7C分别示出测量的和计算的开环传递函数(OLTF)；
图8示出用于一扫描模式的斜坡基准(期望的)轨迹和实际(测量出的)轨迹；
图9A-9C分别示出设备参数对相对于斜坡基准输入的位置误差的影响；
图10示出使MEMS刚度对位置误差的影响最小的前馈配置结构1000；
图11示出斜坡基准轨迹和具有刚度补偿伺服的实际响应；
图12示出扫描器位移与电流的关系；
图13A-13C示出具有和没有刚度补偿伺服的两种情况，其中详细示出了位置误差；
图14示出减小刚度的影响的另一可选择的配置(即反馈模式)；
图15A-15C示出扫描模式下数字速度估计器的性能；
图16A-16E示出对位置B的单步寻找，随后是PID扫描；
图17A-17E示出到位置B的级联步进，随后是PID扫描；
图18A-18D示出到位置B的速度伺服寻找，然后是具有刚度补偿的速度伺服扫描；以及
图19示出速度曲线和寻找/轨道跟随扫描节点。
具体实施方式
下面参照附图，具体参照图1A-19，示出根据本发明的方法和结构的优选实施例。
在一些新兴的非易失性存储技术中，基于AFM的存储器有望在紧凑形状因子(compact form factor)设备中提供高于1兆兆位/平方英寸的面密度。
根据公布的信息，30-40nm大小并具有类似间距的的位凹痕已由单个悬臂尖端组合件在50nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层上实现(例如，见P.Vettiger等人，“The Millipede-More than one thousand tips forfuture AFM data storage”，IBM J.Research and Development，Vol.44，No.3，pp.323-340，May 2000)。
图1A中示出这种系统100的综合视图。系统100包括X-Y扫描器平台110，具有多个悬臂尖端阵列/探针组合件的X-Y静止悬臂阵列芯片120(图1B中更详细地示出)，在X-Y扫描器110上的存储媒体130，X-位置传感器140，Y-位置传感器145，X-致动器150，Y-致动器155，静止底座160，可提供移动自由度的挠性支承件170，和多路驱动器180。
如上所述，图1B中示例性地示出探针的细节。探针包括连接在两个平行梁(未标以标号)之间的电阻加热器121，该加热器具有连接于其上的探针尖端(未标以标号)。探针尖端是固定的，且将被读/写的存储媒体包括凹坑122(以现有技术中公知的方式表示信息)，并可在探针下移动。应指出，凹坑是在芯片125的基片124上形成的聚合物层123中形成的。在尖端(纳米级)下的聚合物对来自探针尖端的温度辐射敏感。因此，为了写到存储媒体(例如每当需要凹痕时)，向探针的加热器元件发送电流，该加热器元件加热该探针，并在聚合物上形成凹坑(凹痕)。
为了读取，使探针靠近该聚合物，并且由于存在凹坑(对应于一位)，所以从电阻元件引出的热量小于相邻的平面区域(例如无凹坑区域)。因此，可检测到电阻的改变，从而代表其中的信息。因此，通过这种系统获得了高面密度。实际上，在一个阵列(例如32×32)中可包含数千个这种探针，从而允许同时读和写。优选地，探针是固定的，而聚合物/基片可通过所述X-Y扫描器系统移动。
每个悬臂尖端/探针组合件120与对应的数据区相关联。(如下文讨论的，可分配根据策略选择的数据区以为反馈伺服环路提供X-Y位置信息)。因此，通过悬臂尖端的大的、二维阵列(例如32×32)(被称为尖端阵列)组合件120的并行操作，获得了高数据速率。
时间复用电子装置通过激活该悬臂尖端系统120来控制此存储装置内所需的读/写/擦除功能。在图1A-1C所示的系统中，在固定芯片125上构建和组装尖端阵列120，而存储媒体(PMMA)130被放置在扫描器110上，该扫描器被编程以相对于尖端阵列120在X-Y方向上移动。
检测扫描器110相对于尖端阵列120的位置允许获得可靠的存储功能。长时间的热膨胀和材料蠕变会导致纳米级的存储系统无用，除非在整个系统涉及中包含了精确的位置检测和伺服控制功能。在Millipede存储系统的商业版本中，在该系统内包含了位置检测技术。
为了证实本发明，使用图2A-2C所示的示例性光传感器。传感器系统200包括边缘传感器探针210，并例如由MTI Instruments(例如，见MTIInstruments Inc.，Albany，NY，USA(www.MTIinstruments.com))定制地构建，该传感器系统使用光源221通过光纤222发送的光束以在MEMS的移动边缘发出光。
使用分别包含上部棱镜组220和下部棱镜组230的微型(例如1mm)棱镜结构，将通过光纤222的光束偏转90度。
在操作时，越过可移动边缘的来自光源221的光束被第二组棱镜230中的一棱镜(例如一下部棱镜)捕获，又偏转90度，并被传递回传感器电子装置的接收部分。与发送的光成比例的接收的光形成边缘传感器210的电压输出的基础，并且该电压与边缘的位置线性相关。
更具体地，与棱镜重叠的光的量指示传感器的位置。如果棱镜被X-Y扫描器平台完全阻挡，则不返回信号，而如果棱镜仅与X-Y扫描器平台110重叠50％，则仅接收50％的光，并且可输出代表50％的光的信号。
已讨论了一种检测扫描器运动的方法，应指出，读/写/擦除(被称为R/W)操作需要图3A-3C所示的两种完全不同的位置控制能力，包括二维随机寻找和轨道跟随扫描。
图3B和3C说明了几种可能的用于数据记录的几何布局之一，其中示出了沿笛卡尔坐标系300的运动。图3A中的点310表示与每个探针相对应的每个数据区的边界的拐角。还示出数据区320。
如图3C中所示，控制力没有施加在其上(电源断开)(即松弛模式)的扫描器将起初位于图3C中的位置A指示的“原位置”。
在有效操作时，例如当需要访问数据块320(以便读或写)时，扫描器必须在两维上并优选地在最少时间内从位置A移动到位置B。对于所有数据块X寻找名义上是相同的，而Y寻找是随机的。
一旦到达位置B(例如，通过随机寻找到目标数据块)，扫描器必须停下来，并改变其速度向量以在扫描模式下(以扫描速度)沿轨道朝位置C移动，数据块的开始位于该位置。对于长的数据记录，扫描器必须能够沿{+x}轴到达轨道的末端，然后回转(例如回转模式)并沿{-x}轴线反向扫描，如图3B所示。
因此，从位置A到B，扫描器将以寻找速度移动(例如，在二维X，Y上)，而从位置B到C，扫描器将以扫描速度(在一维X上)移动以扫描轨道C。
应指出，如图3B所示，希望最小化在扫描器的回转扫描模式中扫描器的过冲(例如，在该数据块的位置B处为扫描器回转所需的余量区域)，从而增加芯片的密度并最小化浪费的聚合物空间量。
为此应用开发出的扫描器具有沿X和Y笛卡尔坐标独立地移动的自由度。因此，采用图1中所示的两个不同的位置传感器和控制两个电磁致动器的两个反馈伺服环路来开发本公开的发明。应指出，在图1A中，沿X-Y坐标移动的自由度实际上是由复杂的挠性件系统(其细节未示出)提供的，该系统由用于每个移动自由度的单个“弹簧”元件示意性地表示。
工业证明的比例积分微分(PID)定位伺服系统是用于为存储应用设计的MEMS扫描器的候选控制器。例如模拟形式的特性PID控制器传递函数由下式表示：
控制器(输出/输入)＝(kP+kDs+kI/s)(1)
其中增益kP、kD、和kI是比例、微分、和积分增益，而‘s’是拉普拉斯变换算子。计算该些增益的参数化过程在本领域内是公知的。控制系统设计者将使用该扫描器的动态模型，并得出这些增益值以实现“最优”设计。
需要一种集成的扫描器/伺服系统来执行三个关键任务。
首先，其必须使扫描器在寻找模式下利用速度伺服以最少的时间沿X和Y坐标移动到目标轨道附近(图3C中的位置B)。为了有助于稳健和可靠地寻找到目标轨道，通常在存储内存储所希望的速度曲线，并利用一速度伺服(而不是位置伺服)来到达目标轨道附近。
其次，控制系统必须使用等式(1)中所示类型的位置控制器(其中kI通常设定为0)，使用Y方向伺服以最小的安顿(settle-out)时间将扫描器置于目标轨道的轨道中心线(TCL)上。
最后，Y伺服系统进入轨道跟随模式，其中Y伺服具有比例积分微分类型(PID)的位置控制器，而X伺服进入扫描模式并需要固定的、预定的扫描速度(通过使用位置伺服或速度伺服)。这种操作被称为“轨道跟随扫描模式”以强调，Y伺服使该存储媒体保持沿着TCL，而X伺服持久地保持预定的扫描速度。这两个伺服优选地抵抗扰乱而保持精度，这些扰乱例如未知的滞后效应和振动。
扫描模式
图4示出在“轨道跟随扫描”和“回转模式”下产生X和Y运动的两个基准轨迹，其中将在100ms内实现示例性的100μm的X扫描长度(1000μ/s)，而在轨道的末端Y位置步进40nm。可通过为X伺服的斜坡轨迹选择合适的斜率来对扫描速度编程。
图5中示出可实现此操作以及X-Y寻找的完整的伺服结构500。结构500包括X伺服510x和Y伺服510y。
应指出，为了完全分开扫描器沿X坐标和Y坐标的动力机制，伺服系统500可选择为具有相同的构件块，但是可在扫描运动的不同阶段将不同的控制器(例如位置或速度)切入和切出伺服环路。
位置信息由光学边缘传感器生成(在图5中未标以标号并与图2A-2C中所示的那些相同)，并被模拟数字转换器(ADC)511a、511y转换成数字流(在此示例中以5kHz的频率)。
用于每个轴的数字控制器包括位置控制块512x、512y，速度估计器513x、513y，速度控制块514x、514y，基准轨迹块515x、515y，和后滤波器组516x、516y。
在微处理器的管理下，适当地激活该些块提供的功能。将数字形式的计算出的控制输出以与输入采样速率相同或不同的速率发送给数字模拟转换器(DAC)517x、517y。DAC生成的模拟信号驱动电流放大器518x、518y，该电流放大器继而分别给扫描器的致动器150、155通电。
对于每个X和Y运动，扫描器参数例如等效质量、弹簧刚度、致动器力常数等可能不同，并且一些参数可随时间和温度逐渐改变。图5的框图可进一步被增强为包含校准功能以及其他关键或辅助操作，这些不是本发明的主题，但可能是使伺服控制在不同的操作条件下有效所需的。
图6A-6B示出测量出的对应于X方向激励的扫描系统传递函数的幅值和相位，而Y方向致动器保持不工作(即没有Y驱动电流)。
图6C中示出一二阶等效模型，其中对应于输入力F的位移x受低于2.5kHz频率范围的简单的类似于弹簧质量阻尼器的系统抵制。等效弹簧刚度k和质量m决定基波谐振频率(在此情况下为200Hz)。阻尼常数c决定基波谐振模式的品质因数Q。刚度项“k”的显性出现是对从商业产品得到最佳性能的关键挑战，并且是本发明的一个主题。超过2.5kHz的较高频率谐振模式开始有助于沿X轴线的移动。在示例性扫描器中，可观察到3.0kHz和5.5kHz模式。在此扫描器设计中本发明人观察到类似的沿Y轴的频率特性。
因此，图6C的简单示意图示出该系统将作为高达2.5kHz的简单弹簧质量系统很好地工作。
为了改进纳米级机械，后滤波器组516x、516y(图5中示出)可被配置成用作具有相关高频模式的陷波或低通滤波器。
因此，图6A-6C再次示出本发明的系统可被看作简单的弹簧质量系统。
图7A-7B示出对应于PID控制器的数字等效物的开环传递函数(OLTF)。Y轴的轨道跟随伺服将使用具有与图7A-7B中所示的那些非常类似的特性的PID数字控制器。计算出的OLTF与测量出的OLTF很好地相一致，这是因为该MEMS系统具有无摩擦移动能力(如下文所述，具有轻微的滞后现象)。
但是，免除摩擦引起的性能降低现在由设备(即扫描器系统)动力机制中的显性的“刚度”项代替。由于基于MEMS的扫描器应获得精确的扫描和最优的寻找能力，所以在高刚度项存在的情况下评价其性能特性是重要的。
因此，使用适度公知的控制器(例如类似于PID的控制器)，可测量基于挠性件的结构并对其建模以拟合这些曲线。因此，除了图6A-6C内示出的基本弹簧质量系统特性之外，图7A-7C还示出了使用的伺服补偿。
如果希望使用该位置控制器进行扫描，则图8示出期望的扫描轨迹和测量的在PID位置控制下的扫描轨迹之间的比较。图8中的这种斜坡(正扫描)有些类似于图4中所示的斜坡，但是是使用位置控制器实现的。500μm/s的扫描速度产生稳定的250nm的位置误差。由于实际位置是通过直接测量得知的，并且实际速度仍等于期望的值，所以在特定的读/写条件下相对于该基准斜坡的位置误差可能不是有害的。
但是，当将使用任意的基准轨迹对扫描器轨迹灵活地编程时，位置误差成为障碍，并且它使实际轨迹偏离该期望轨迹。在由x＝Rt(其中t是时间)表示的斜坡轨迹下的位置误差“e”可表示为：
e＝Rkstiffness/kI    (2)
对于无刚度系统，例如轴承支承物体的情况，刚度贡献最小，并且误差项“e”接近0。
对于具有很大刚度的MEMS，等式(2)示出误差随刚度线性增大。尤其是在R/W期间对于某些错误恢复或重试操作扫描速度“R”增大的情况下，位置误差“e”也会增大。不过，可通过增加积分增益项“kI”来减小误差项，但是出于控制和稳定性考虑这种方法受到限制。因此，需要另一种可选择的使误差“e”最小的方法。
在表征控制系统的结构特性时，OLTF被分类为类型0、类型1、类型2...系统(例如，见S.Gupta和L.Hasdorff，Fundamentals of AutomaticControl，Jonh Wiley&Sons，Inc.，p.86，1970)，其中类型顺序是由OLTF的独立分母变量“s”的幂指数确定的。因此，项s1将指示类型1系统。
图9A-9C总结了质量(m)-弹簧(k)-阻尼器(c)系统的三种情况。
在图9A的情况下，设备可在激振力F的作用下沿x方向没有阻力地自由移动。因此设备传递函数(TF)(例如拉普拉斯变换)在其分母中具有“s2”项。在PD或PID反馈控制下，控制系统分别变为类型2或类型3。(应指出，PID控制中的积分器会引入额外的项“s”，而PD控制不会。)。如为图9A-9C中的情况示意性示出的，对于类型2或更高类型的系统由于斜坡基准输入导致的稳态误差可证明为零。
在图9B的情况下，如果仅存在阻尼而没有刚度，例如物体浸入粘性液体内，则该新设备“s(m+s+c)”的独立的“s”为单次幂。在PD或PID控制下，OLTF变为类型1或类型2。可示出，对于具有PD控制器的斜坡输入，将存在稳态位置误差，但是对于PID，该误差为零。
在图9C的情况下，其是更实际的情况并且是MEMS设备的情况，具有PD或PID的OLTF将为类型0或类型1。作为说明，建立如下所示的用于PD和PID情况的OLTF：
具有PD控制器的OLTF＝(kP+kDs)/(ms2+cs+k)(3)
具有PID控制器的OLTF＝(kP+kDs+kI/s)/(ms2+cs+k)
＝(kD s2+kPs+kI)/[s(ms2+cs+k)](4)
可见，在OLTF的分母内的独立变量“s”的幂指数分别为0或1。可示出，相应的误差为无穷大或有限的(等式2)。图8中所示的实验证据证实，对于具有PID控制器的斜坡基准输入，稳态位置误差是有限的。对于更简单的PD控制器，误差是无限的并且会随着斜坡输入的幅值而增大。
生成误差“e”的基本机制是，随着斜坡基准位移增加，弹簧的实际刚度会导致对运动的增大的阻力。因此，PD控制器中的固定增益项(等式(3))最多只能通过随时间增大位置误差项，来产生成比例增大的驱动力。
在PID控制器的情况下，积分器可利用由等式(2)表示的位置中的偏移误差来产生持续增大的驱动力。
为了使误差问题最小，一种方法是在控制器中引入二重积分。但是，这种方法存在稳定性问题，因为每重积分都会在OLTF的相位中引入90度的滞后。
本发明通过用电子装置提供抵消力解决了基于刚度的对运动的阻力。如果已知扫描器的实际或期望位置，则可通过致动器施加电子地生成的力以消除对运动的阻力。
当使用传统的PID控制器增大这种形式的抵消时，则使相对于斜坡基准输入的稳态位置误差最小，同时保留反馈控制系统的优点。
这样，现在从图9A-9C已知，由于扫描器系统具有可测量的刚度，该机制是如何工作以产生稳态位置误差的，并且已知当将执行斜坡运动时希望什么，因此这种负担不必仅放置在伺服控制器上。
相反地，图10示出一前馈配置的示例性结构100，其中预期的刚度项被一前馈元件抵消(例如通过一包含或者用于线性刚度的kstiffness部件1020，或用于复杂刚度的查找表1030的刚度项)。
因此，在该示例性实施例中，可将目标项(例如目标基准)通过所述刚度项作为电流数字地馈送给致动器。实际上，由于在每个时刻已知期望的位置，所以如果可抵消对应的弹簧力，则通常不需要控制器本身施加恢复力。因此，本发明的示例性方法是前馈该刚度项而不等待该控制器建立。
就是说，在图10的结构1000内，向节点(例如求和节点)1010、kstiffness部件1020(对于线性刚度；其中k为常数项的情况A)和表1030(对于复杂刚度；其中k是具有复杂的、抛物线等类型的波形的项的情况B)提供输入目标位置X基准值(项)。节点1010还接收到来自扫描器(具有位置传感器)110的扫描器位置信号X-m。节点1010获得目标位置X-基准和测量的扫描器位置之间的差别。
根据此差别，节点部件1010向伺服控制器1040输出位置误差信号(PES)，该控制器还被提供了基准速度输入1050。伺服控制器的输出U被提供给数字求和节点1060。根据存在线性刚度还是复杂刚度，数字求和节点1060还接收到来自kstiffness部件1020和表1030的输入Ub。
节点1060向放大器KA提供输出，该放大器继而放大(积分)来自节点1060的信号，并向扫描器提供信号Uout。扫描器110继而将扫描器位置X-m信号提供给节点1010。
因此，存在两种可生成抵消项的方法。
在情况A中，刚度已知为线性的或者可数学表示的函数。在此情况下，来自kstiffness部件1020的紧凑计算表示将足以计算所需的致动器电流。
在情况B中，阻力是位置的复杂函数。在此情况下，使用校准法构建查找表1030，在该方法中测量准静态电流(mA)对位移(μm)数据并将其保存在该表中。
当实现图10时，得到图11中所示的结果。
就是说，图11示出在斜坡运动中使用刚度抵消前馈方法的积极效果。与对应于图8的情况相比，位置误差成分几乎不可见。使用对刚度的线性近似来计算抵消力。刚度项是通过执行准静态校准得到的。
通过从扫描器的中间位置(位置A)以5mA的梯级注入稳定电流，并观察扫描器的相应的平衡位置，可得到必要的刚度项。图12中示出校准结果。
在20μm位移的等级下，位移图显得非常线性。但是，由于增加/减小电流引起的前进/返回运动是不同的。对于相同电流的前进位置和返回位置之间的差别被图示为“delta”，其刻度在图12的图的右侧上。预计可有大约50nm的差别。同样，靠近原点处的更精细刻度校准可得到与平均刚度不同的刚度。需要进一步分析以选择一种精确表达该刚度项的方法。应指出，致动器力生成能力中的任何非线性均隐含地包含在图12的图的复合表示中。
因此，发明人发现，通过将电流增大到40mA并随后将电流从40mA减小来在向前方向上并随后在向后方向上移动，由于硅基片的刚度具有某些固有的松弛，因此在电流返回原来的例如30mA时，对应的位置不会与原来的位置完全相同。但是，该差别不会很大，并且不会非常不准确。出于同样原因，使用反馈控制器管理变化是有利的，但是本发明的系统的前馈方法解决了显著的刚度元素。
图13A-13C中示出了包含用于两种情况(对应于图8和11)的基准和实际轨迹的详细位置误差特性。对于一名义刚度值，位置误差已从250nm减小到50nm。通过尽可能频繁地更新刚度项可容易地将位置误差成分驱动到接近0。
在反馈模式中也可实现刚度抵消效果，如图14所示，在该模式中测量的位置被正反馈。因此，图14示出另一种实现与图10的系统相同的结果的方法。但是，在图14的系统的情况下，使扫描器110的刚度项对于控制器看上去为0(零)。
于是，由于设置位置传感器以便提供绝对位置(或者相对于中间位置的位置)，因此，这种刚度项(是正的)可通过刚度元件1420(在数字处理器或类似部件内)馈送给数字求和节点1460以进行抵消。因此，在此示例性实施例中，扫描器110加上刚度项(其是正的等效反馈力)将抵消扫描器输出的负值，从而得到一自由(浮动)系统。
在此方法中，尽管使得设备看上去象没有刚度的系统，但是必须重新设计PID控制器以考虑到修改的设备特性。如上所述，反馈方法在其整个操作期间都需要可靠的位置测量。由于其是正反馈配置，因此当没有激活传统控制时，对刚度估计过高也会导致设备不稳定。
此外，位置测量中的任何噪声会转化为乱真的干扰成分，从而产生不希望的定位误差。因此，使用基准位置信号的前馈方法相对于反馈方法是优选的。
速度估计器
扫描模式和寻找模式操作需要知道沿每个轴的扫描器速度。在速度伺服模式下，重复使用速度估计以产生控制值。位置控制伺服利用速度估计来确保例如在Y寻找的末端满足希望的从速度到安顿位置伺服的切换条件。应指出，在位置传感器之外嵌入速度传感器的成本可能过高，并且会侵占电子电路资源。由于扫描器位置是在由固定期间(即采样周期)隔开的离散时间采样的，所以扫描器速度的简单估计是相邻位置值之间的算术差。但是，实际上，位置差方法会被测量噪声破坏，因此可考虑新开发的统计估计方法(例如，见R.F.Stengel，Stochastic Optimal Control，JohnWiley&Sons，Inc.，Chapter 4，1986)。
利用基于状态变量的全状态估计器(包括速度)来获得扫描器沿X和Y轴的估计。首先定义以下变量：
n＝采样时间；
U(n)＝由DAC位表示的致动器电流驱动器输入；
Y(n)＝由ADC位表示的致动器位置传感器输出；
V(n)＝以ADC位/样本表示的致动器速度；
X1(n)＝以ADC位表示的估计位置；
X2(n)＝估计速度(＝V(n))；以及
X3(n)＝以DAC位表示的估计的未知力。
通过将扫描器动力机制当做具有两个状态分量X1和X2的二阶系统，并用代表作用在扫描器上的力的未建模部分的一附加状态X3来扩充该二阶模型(例如，见M.Sri-Jayantha和R.Stengel，“Determination ofnonlinear aerodynamic coefficient using the Estimation-Before-ModelingMethod”，Journal of Aircraft，Vol.25，no.9，pp.796-804，Sept.1998)，可以公式表示以下形式的状态估计器：
X1(n)＝A1＊X1(n-1)+A2＊X2(n-1)+A3＊X3(n-1)+B1＊U(n-1)+G1＊Y(n)
X2(n)＝A4＊X1(n-1)+A5＊X2(n-1)+A6＊X3(n-1)+B2＊U(n-1)+G2＊Y(n)(5)
X3(n)＝A7＊X1(n-1)+A8＊X2(n-1)+A9＊X3(n-1)+B3＊U(n-1)+G3＊Y(n)
其中，常数[A1-A9]、[B1B2B3]和[G1G2G3]由扫描器传递函数(TF)的参数和估计器的期望的滤波特性确定。滤波特性主要由上述等式(5)表示的动态系统的特征根决定。
图15A-15C示出扫描模式(例如从图3C中的位置B到位置C)下的估计器特性的效果。这些附图示出作为本发明的全部实现的一示例性部分的非常复杂的速度估计器。
图15A对应于5000nm/10ms的斜坡速率，其也等于在5kHz采样速度下的100nm/样本的扫描速度。这样，图15A示出测量的和估计的位置。
图15B示出使用具有在1500Hz半径处的特征根的矩阵方程(5)得出的位置差和估计出的速度。图15B示出数字估计器非常“快”，这意味着它不会过滤很多。如图所示，在稳定速度期间在波形内存在很多尖峰(“摆动”)，但是如果重新设计该滤波器以减慢估计器或给估计器添加更多的滤波特性(例如，以更好地滤波)，则结果将如图15C所示，其中速度变得更“平滑”，从而远好于图15B的情况。
就是说，图15C示出与重新设计的具有1000Hz特征根的速度估计器(例如速度估计器2)比较的相同位置差图。可观察到，该估计器有能力根据作为设计参数的其特征根的选择来过滤噪声。在随后的应用中使用具有1000Hz特征根的估计器以优化X寻找。
因此，可最优地设计速度估计器以具有更好地滤波特性。
寻找模式
考虑对寻找模式性能进行优化。在扫描器伺服中，需要X和Y方向寻找两者。Y寻找帮助扫描器以零终速移动到目标轨道(例如图3C中的位置B)，因为随后用于R/W的运动需要扫描器以Y轴上的零平均速度沿TCL保持尖端阵列。
但是，X寻找需要创新性考虑。它不仅需要最优化寻找标准(例如最小时间或到存储媒体的余量内的最小过冲)，而且它也必须在R/W开始之前产生与沿X的扫描速度相等的反向速度。
可设计渐进复杂的控制方法以改进X轴寻找控制。首先，下面将说明三种可改进X轴寻找控制的方法，然后将示出一些实验结果。
这三种方法包括：
方法-1)首先使用类似于PID的位置伺服进行从位置A向位置B的长步进输入。一旦达到目的地并且获得零终速，就使用由斜坡基准轨迹驱动的具有前馈刚度补偿的类似于PID的位置控制器。需要沿X轴的额外空间来容纳步进输入过冲以及用来将扫描器从静止位置加速到所需的扫描速度的“起飞跑道”；
方法-2)产生短步进的级联，直到到达位置B，并且如在上述情况下，开始扫描阶段。在此情况下，减小了步进输入过冲，但是很可能增加寻找时间；
方法-3)使用速度伺服以自始至终跟随基准速度轨迹直到位置B，在该位置在同样的速度伺服下改变运动方向并使用同样的速度伺服开始扫描模式。在此方法中，可观察到从位置A移动到R/W准备状态的时间最少。在其中速度向量经历180度方向改变的情况下仍需要适度的过冲空间。
图16A-16B对应于方法1。即，实现到区域B的单个步进移动，以快速移动到那里并具有一些过冲，然后在追随斜坡之前停顿一段时间。
方法1没有利用kstiffness、对kstiffness的前馈、对系统的知识等，但是在扫描期间确实存在前馈。但是，这种前馈对于这种情况是不重要的，因为它集中于从位置A移动到位置B。
可以看到，5μm的X轴运动需要大约3μm的过冲，以及扫描模式初始化所需要的1μm的“起飞跑道”。在达到期望的扫描速度之前，总的时间是大约11.5ms。
图16B-16D分别对应于位置(图16A的重复)、速度和电流指令。
图16E示出一二维表示(例如X和Y上的移动)，且在其上没有显示时间刻度。应指出，Y刻度比X刻度精细(粒度小)得多。寻找操作从静止位置A开始，并移动到靠近位置B的目标轨道，然后进行Y轨道跟随伺服和X扫描伺服(例如被成为“轨道跟随扫描”)。由位置B覆盖的在其中寻找转变到轨道跟随扫描的“边界”区域对于R/W性能以及存储媒体的有效使用很重要。在此示例测试中，扫描轨道被200nm的轨道间距隔开。
因此，图16E示出从初始位置A(例如，初始静止位置)移动到位置B，在位置B处过冲，回转，起动扫描并开始扫描到位置C，减慢，反向扫描过去，减慢，然后执行扫描等。
图17A-17E对应于方法2。此方法认识到单个大的步进会过量。因此，此方法试图使过冲最小，但是其代价是所需的总时间远大于方法1中所需的时间。
因此，在方法2中，小步进移动的级联可使过冲减小到几乎为0μm，而仍需要用于“起飞跑道”的1μm，但是总时间升高到15ms。更具体地，在图17A中，多个大约为0.5到1.0微米大小的步进导致大约为-5000nm的目标位置。但是，在该示例性实施例中，允许步进移动到-6000nm以准备扫描并使瞬时延迟最小。
图17B-17D分别对应于位置(图17A的重复)、速度和电流指令。
图17E示出与图16E中类似的测试结果的二维表示。在此示例中，示出了沿着被70nm的轨道间距隔开的许多轨道的延伸扫描。在开发刚度抵消方法之前研究了这种配置。
不利用扫描器刚度的知识，本发明人发现难以设计一种速度控制器(以5kHz的采样速率)来包含理想的寻找安顿特性。控制器不仅应使扫描器质量加速和减速，而且应建立起持续增大和快速拉平(靠近位置B时)的抵抗刚度阻力的平衡力。尽管过冲距离被最小化，但是寻找到扫描的时间延长为15ms。这不是用于过冲的边界余量与寻找-扫描时间之间的有竞争力的折衷。
因此，方法1较快(11.5ms)达到扫描模式，但是需要较大的边界区域，而方法2使用较少的“芯片面积”(real estate)(边界或余量区域)，但是较慢，需要15ms(例如，比方法1多大约3.5ms)来起动扫描模式。
图18A-18E对应于方法3，该方法被设计为优化上述方法(例如优化边界和时间两者)。用于寻找和扫描的连续速度伺服仅需要3ms的寻找-扫描时间，以及0.5μm的用于重新获得扫描速度的边界空间。方法3获得了最有竞争力的结果，其中寻找时间和边界(或余量)长度都最小。
方法3实现的从寻找到轨道跟随扫描的转变的优化使用了两个创新的步骤。
第一个步骤是为每个X寻找生成速度曲线。通常在目标距离接近0时以零速度结束的速度曲线可建设性地修改为延伸超出作为终速的零，且应当给出与所需扫描速度相等的反向速度，并继续保持该扫描速度直到到达轨道的末端。(在轨道的末端发生回转。这是通过Y位置伺服的一个步进移动实现的，而X扫描伺服在相反方向上产生相同的扫描速度)。
图19中示出X-Y控制器的速度曲线和模式的示意图。
第二个优化步骤是管理“刚度”问题。较高的采样速率有助于容易的设计折衷。在预计有竞争力的采样速率下，发现寻找控制器需要增强。可从上文讨论的刚度的知识，计算预期的在位置B附近保持扫描器平衡的力。
因此，为了帮助加速(沿X轴在-ve方向上)，在控制器输出内产生与平衡值相等的步进变化。速度估计器除了由试图跟随基准速度曲线的速度伺服输出激活以外，也由此控制输出激活。
图18A-18B用不同垂直刻度示出对于5μm移动的X寻找和扫描性能。重复五次寻找和扫描操作以显示访问操作的稳健性。
图18A-18B示出位置沿X轴(-ve)从位置A到位置B的时间上的进展。
图18C示出估计的速度。可观察到在6个采样(1.2ms)中实现了1250nm/样本的峰值速度，这几乎不足以使控制器建立起抵抗扫描器刚度的力。
图18D单独示出刚度前馈输出(例如较强的输出电流)以及当将速度控制器输出添加在刚度前馈输出上时的速度控制器输出。前馈刚度项允许控制器将其行为调整到图19中示例性示出的轨迹。从此图中可观察到，在此示例中，对于前3个采样伺服控制器输出(没有刚度项)是正的，且对于后7个采样是负的。净致动器电流几乎总在一个方向上，这表示减速由扫描器的刚度单独提供。速度控制器利用弹簧减缓减速水平，从而在有限的采样内转换到扫描模式。已示出，通过本发明中所示的两个创新步骤，10-15ms的保守寻找时间可缩短为3ms。
通过使刚度前馈元件更复杂可进一步优化该刚度前馈元件。通过与加速/减速/扫描阶段一致地增减输出水平，可进一步缩短移动时间。这是本发明范围之外的一个主题。对于所有寻找长度都通用的、并尤其在X-Y动力机制相连接时适用的转换标准难以实现并且需要更多的努力。
同样对应于方法3，图18E示出方法3的系统的二维寻找性能。
因此，如图18D中所示，方法3实现了速度轨迹以及刚度前馈。在一示例性系统中，方法3优选地利用使用情况A的图10的系统，并且其中将基准速度1050馈送给伺服控制器1040，而在示例性实施例中方法1和2优选地使用X位置控制器512(而不是速度控制器)。很明显，整体上考虑本说明书，本技术领域内的普通技术人员可知的其他配置也是可能的。
通过上文所述的本发明的独特的和非显而易见的示例性实施例，开发出一种增强了传统控制结构的伺服结构，其包括比例积分微分(PID)类型，从而可通过示例性的前馈控制方法智能地消除基于MEMS的扫描器的显著的刚度特性。另外，说明了其中可产生大量优点的反馈控制方法。
因此，如上所述，本发明提供了新伺服结构的一些示例，该新伺服结构克服了挠性件(即与基于MEMS的扫描器成一体的元件)系统生成的阻力的影响，从而可实现二维寻找和轨道跟随扫描性能。
此外，本发明可解决为基于AFM的存储应用开发出的扫描器的多种功能，包括轨道跟随扫描和二维寻找。
尽管已用一些优选实施例说明了本发明，但是本技术领域内的技术人员可认识到，本发明可在所附权利要求的精神和范围内经过修改而实施。
此外，应指出，申请人的目的是包含所有权利要求要素的等效物，即使它们是以后在申请期间补充的。

Claims (36)

1.一种用于基于微机电系统MEMS的运动控制系统的伺服控制系统，包括：
具有固有刚度成分的运动发生器；
用于生成针对所述固有刚度成分的抵消刚度项的装置；以及
与所述运动发生器连接的第一节点，用于从所述用于生成抵消刚度项的装置接收输入。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述用于生成抵消刚度项的装置包括：
用于抵消所述固有刚度成分的前馈元件。
3.根据权利要求2的系统，其中，所述第一节点用于接收来自所述前馈元件的输入，
且其中所述前馈元件包括线性刚度部件和用于在其中存储复杂刚度的查找表中的一个，以便根据目标位置第一轴基准信号生成一刚度成分，作为对该第一节点的输入。
4.根据权利要求1的系统，其中所述用于生成抵消刚度项的装置包括连接在所述运动发生器和所述第一节点之间的刚度项部件，
且其中目标基准项经由该刚度项部件作为电流数字地输入该第一节点。
5.根据权利要求1的系统，还包括：
用于接收基于目标位置第一轴基准信号的位置误差信号和基准速度的伺服控制器，
其中前馈所述抵消刚度项而不等待该伺服控制器建立。
6.根据权利要求1的系统，还包括：
用于接收输入目标位置第一轴基准值的第二节点；
其中所述用于生成抵消刚度项的装置包括用于线性刚度的kstiffness部件，以及用于存储代表复杂刚度的值的查找表；
其中所述第二节点还接收来自所述运动发生器的运动发生器位置第一轴信号。
7.根据权利要求6的系统，还包括：
连接到所述第二节点的输出的伺服控制器，所述第二节点向所述伺服控制器输出位置误差信号PES，所述伺服控制器还接收基准速度输入；
且其中，所述第一节点用于接收来自所述伺服控制器的输出、以及根据所述刚度的线性而来自所述kstiffness部件和所述查找表中的一个的输出。
8.根据权利要求7的系统，还包括：
用于接收和放大来自所述第一节点的输出以向所述运动发生器提供输出的放大器。
9.根据权利要求1的系统，还包括：
包括位置传感器、第一轴/第二轴表和所述运动发生器的扫描器。
10.根据权利要求8的系统，其中，所述运动发生器向所述第二节点提供输出位置信号。
11.根据权利要求1的系统，其中，所述用于生成抵消刚度项的装置包括用于所述刚度为线性的和可数学表示的函数中的一个的情况的kstiffness部件。
12.根据权利要求1的系统，其中，所述用于生成抵消刚度项的装置包括：
用于所述刚度包含位置的复杂函数的情况的查找表。
13.根据权利要求1的系统，还包括：
用于在轨道跟随扫描模式和回转模式下生成第一轴运动和第二轴运动的伺服部件，
其中可通过在生成第一轴运动时为该伺服部件的斜坡轨迹选择合适的斜率来对扫描速度编程。
14.根据权利要求13的系统，其中，所述伺服部件包括：
用于X轴的第一伺服和用于Y轴的第二伺服。
15.根据权利要求14的系统，其中，所述第一伺服包括：
用于接收所述扫描器的位置信息信号并将所述位置信息信号转化为数字值的模拟-数字A/D转换器；
数字控制器，其包括：
用于接收来自所述A/D转换器的输出的位置控制器；
用于接收来自所述A/D转换器的输出的速度估计器；
用于接收来自所述速度估计器的输出的速度控制器；
用于向所述速度控制器提供输入的基准轨迹；以及
用于接收来自所述速度控制器和所述位置控制器之一的输出以提供控制信号的后滤波器组；
用于接收所述控制信号并生成模拟信号的数字-模拟D/A转换器；
用于接收所述模拟信号的电流放大器；以及
用于接收来自所述电流放大器的输出以驱动所述扫描器的致动器。
16.根据权利要求1的系统，还包括具有已知的偏置从而允许估计该基于MEMS的运动控制系统的挠性系统中的速度的数字速度估计器。
17.根据权利要求1的系统，其中所述用于生成抵消刚度项的装置还包括：
用于消除所述固有刚度成分的反馈元件。
18.根据权利要求17的系统，其中，所述固有刚度成分被抵消，从而正反馈测量的位置。
19.根据权利要求17的系统，还包括包含运动发生器的扫描器，并且
其中使该扫描器的刚度项对于控制器表现为零。
20.根据权利要求17的系统，其中所述反馈元件包括连接到所述第一节点的刚度元件，
且其中通过所述刚度元件将代表所述固有刚度成分的项馈送给所述第一节点以抵消该刚度。
21.根据权利要求15的系统，其中，所述数字速度估计器被优化地设计为具有预定的滤波特性。
22.根据权利要求21的系统，其中，所述数字速度估计器以允许在稳定速度期间在波形内出现较大的噪声峰值为代价而具有预定的快速滤波能力。
23.根据权利要求21的系统，其中，所述数字速度估计器具有预定的慢速滤波能力，从而在稳定速度期间波形基本保持一致。
24.根据权利要求1的系统，还包括：
比例积分微分PID控制器，该控制器包括类型1系统，
该控制器存在由斜坡运动导致的稳定的位置误差。
25.根据权利要求1的系统，其中，所述运动包括二维运动。
26.一种用于基于微机电系统MEMS的运动控制系统的伺服控制系统，包括：
具有固有刚度的扫描器；以及
前馈机构，该前馈机构操作地连接到该扫描器以便前馈用于抵消该扫描器的刚度的成分。
27.根据权利要求26的系统，其中，所述扫描器的刚度，当被所述前馈成分抵消时，使由斜坡运动导致的所述扫描器的位置误差最小。
28.根据权利要求26的系统，其中，通过启动在寻找结束或扫描位置开始时预期具有抵消力的寻找，来优化寻找运动控制。
29.根据权利要求28的系统，其中，用于所述寻找的第一轴速度曲线以所需的扫描速度完成该寻找运动。
30.一种用于控制基于微机电系统MEMS的运动控制装置中的扫描器的方法，其中该扫描器具有固有的刚度，该方法包括：
对于每次X寻找生成速度曲线；以及
管理该扫描器的刚度；
其中，管理该扫描器的刚度包括抵消该扫描器固有的刚度。
31.根据权利要求30的方法，其中，所述速度曲线的终速延伸超过零，且给出与所需扫描速度相等的反向速度，并继续保持该扫描速度直到到达轨道的末端。
32.根据权利要求31的方法，其中，在轨道的末端，执行回转，所述执行步骤包括由Y位置伺服执行的步进移动，而同时X扫描伺服在相反方向上产生相同的扫描速度。
33.根据权利要求31的方法，其中，在控制器输出内产生等于平衡值的步进变化，并且
其中除了基本跟随基准速度曲线的速度伺服输出以外，也由该控制器输出激活速度估计器。
34.根据权利要求30的方法，还包括：
以第一速度和第一精度执行二维寻找；以及
以第二速度和第二精度执行一维扫描，
其中所述第一速度高于所述第二速度，并且其中所述第一精度小于所述第二精度。
35.根据权利要求34的方法，还包括：
通过启动在寻找结束或扫描位置开始时预期具有抵消力的寻找，来优化寻找运动控制。
36.根据权利要求35的方法，其中，用于所述寻找的第一轴速度曲线以所需的扫描速度完成。
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