CN1233988C - 读热阻传感器阵列的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于读出传感器阵列的方法，该阵列(10、30、80)具有一组分别连接到该阵列的相应行的行导体(60)和一组分别连接到该阵列的相应列的列导体(50)，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间。该方法包括：对于阵列内的每行传感器，执行的读周期(T_r)包括：将激活脉冲(Ub)施加到相应行导体以激活该行上的各传感器；在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲(U_r)施加到行导体；以及在读脉冲期间，对于该行上的每个传感器，检测依赖于传感器的可变特性的值，至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。在详细说明的本发明的优选例子中，传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。

Description

读热阻传感器阵列的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于读热阻传感器阵列的方法和装置，该阵列具有一组分别连接到该阵列相应行上的传感器的行导体和一组分别连接到该阵列相应列上的传感器的列导体，使得每个传感器分别连接在行导体与列导体之间。

背景技术

在诸如表面显象和数据存储的应用中，这种阵列可以用于检测表面外形。在数据存储应用中，通过在表面上移动热阻传感器并检测传感器与表面之间的热传导随传感器与该表面之间距离的变化的变化，读出记录在表面外形上的数据。

P.Vettiger等人的“The“Millipede”-More than one thousand tipsfor future AFM data storage”，IBM Journal of Research andDevelopment.Vol.44 No.3，May 2000说明了这种数据存储应用的例子。如该文所述，该装置包括在硅衬底上制造的悬臂传感器的二维阵列。每个悬臂的一端安装到衬底上。每个悬臂的另一端承载电阻加热器和面朝外的尖端。通过行导体和列导体可以寻址每个悬臂。行导体和列导体使电流选择性地通过每个悬臂以加热其上的加热元件。

在读操作和写操作过程中，阵列的各尖端接触和远离存储介质，存储介质包括喷涂平面衬底的聚合物薄膜。

通过利用每个尖端对聚合物层施加局部作用力并通过相应行导体和列导体施加数据信号，选择性地将每个尖端加热到足以局部熔融聚合物层的程度，从而使尖端陷入聚合物层表面并留下凹坑，将数据写入存储介质。

每个加热元件还提供热回读传感器，因为其电阻与温度有关。对于数据读操作，将加热信号顺序施加到该阵列上的每行上。加热信号对选择的行内的所有加热元件进行加热，但是现在仅将它们加热到不足以熔融聚合物薄膜的温度。加热元件与存储介质之间的热传导根据加热元件与存储介质之间的距离变化。如果在存储介质上扫描阵列时，尖端移动到位凹坑内，则缩短了加热元件与存储介质之间的距离。加热元件与存储介质之间的介质在加热元件与存储介质之间传递热量。在相关尖端移动到凹坑内时，每个加热元件与存储介质之间的热传递变得更有效。因此，降低加热元件的温度，从而降低加热元件的电阻。可以并行监测每行上被持续加热的加热元件的温度变化，从而有助于检测记录位。与在任意传感器系统中相同，噪声限制了可以从阵列上读出数据的速率。约翰逊噪声、1/f噪声、介质噪声、系统噪声和电干扰均是系统内存在的带宽限制噪声的所有例子。约翰逊噪声和1/f噪声在本技术领域内众所周知。介质噪声是存储介质的表面瑕疵产生的。系统噪声是阵列上各加热元件的电阻之间的变化产生的。

考虑到上述噪声，可以计算理论最大数据速率。对系统设计人员的挑战是，尽可能接近理论极限。然而，各种实际问题防碍了接近理论极限。一个问题是，一次只能读一行阵列。另一个问题是，为了读行，必须对该行的加热器进行加热。阵列上的每个加热器均具有取决于所采用的制造材料的物理特性的热响应时间。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于读出传感器阵列的方法，该阵列具有一组分别连接到该阵列的相应行的行导体和一组分别连接到该阵列的相应列的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间，该方法包括：对于阵列内的每行传感器，执行的读周期包括：将激活脉冲施加到相应行导体以激活该行上的各传感器；在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲施加到行导体；以及在读脉冲期间，对于该行上的每个传感器，检测与该传感器的可变特性相关的值，其中至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。

请注意，在此可以交换使用术语“行”和“列”。

在本发明的优选实施例中，传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。

多行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。为了简化实现过程，最好以行顺序开始读周期。与加热脉冲交替地施加读脉冲。作为一种选择，交替地施加一组读脉冲与相应的一组激活脉冲。

在本发明的优选实施例中，为了将高频偏移降低到最小并降低对动态范围的要求，对于行上的每个传感器，可以确定在连续的读周期期间检测的值之间的差值。

在本发明的特定优选实施例中，为了提高读操作的速度，加热脉冲的振幅大于读脉冲的振幅，而加热脉冲的时长比读脉冲的时长短。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于读传感器阵列的装置，该阵列具有一组分别连接到阵列上的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到阵列的相应列上的各传感器的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间，该装置包括：信号源，对于阵列内的每行传感器，在读周期期间，该信号源将激活脉冲施加到相应行导体以激活该行上的各传感器，并在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲施加到行导体；以及检测器，该检测器连接到相应列导体，对于该行上的每个传感器，在读脉冲期间，该检测器用于检测与该传感器的可变特性相关的值，其中至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。如上所述，在本发明的优选实施例中，传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。

在本发明的优选实施例中，多行的读周期最好是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。为了简化实现过程，信号源以行顺序开始读周期。信号源交替地施加读脉冲与激活脉冲。作为一种选择，信号源交替施加一组读脉冲与相应一组加热脉冲。

为了将高频偏移降低到最小并减小对动态范围的要求，该检测器包括减法器，对于该行上的每个传感器，该减法器用于确定在连续的读周期期间检测的值之间的差值。该检测器最好包括用于存储在连续读脉冲期间检测的各值的存储器。该存储器可以包括模拟积分器电路。作为一种选择，该存储器可以包括查用表。

在本发明的优选实施例中，检测器包括通过读出电阻器连接到相应列导体的平衡电压源和用于检测读出电阻器两端的电压降的读出放大器。该检测器可以包括用于存储读出放大器的输出的积分器。该检测器还可以包括用于产生表示存储在积分器内的值的数字输出的模数转换器和用于存储该数字输出值的存储器。在本发明的优选实施例中，检测器包括用于根据模数转换器的输出改变平衡电压源的输出的反馈回路。

本发明扩展到一种数据存储系统，该数据存储系统包括：热阻传感器阵列，该阵列具有一组分别连接到阵列上的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到阵列的相应列上的各传感器的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间；以及上述描述的用于读该阵列的装置。该数据存储系统可以包括对着该阵列的数据存储介质。作为一种选择，可以单独提供数据存储器。

附图说明

现在将参考附图仅作为例子说明本发明的优选实施例，附图包括：

图1是用于实现本发明的数据存储系统的传感器的平面图；

图2是沿箭头A-A’的传感器的剖视图；

图3是读周期期间送到传感器的功率曲线图；

图4是读周期期间传感器温度的曲线图；

图5是读周期期间传感器电阻的曲线图；

图6是对于一个以交织方式工作的传感器，在读周期期间送到数据存储系统传感器的功率曲线图；

图7是对于一个以回读方式工作的传感器，在读周期期间送到数据存储系统传感器的功率曲线图；

图8是实现本发明的数据存储系统的简化电路图；

图9是读周期期间从数据存储系统的传感器检测的读出信号的曲线图；

图10是用于数据存储系统的部分检测器的电路图；

图11是用于数据存储系统的检测器的方框图；

图12是用于数据存储系统的另一种检测器的方框图；

图13是用于数据存储系统的又一种检测器的方框图；

图14是用于数据存储系统的又一种检测器的方框图；

图15是图14所示读出电路的简化电路图；以及

图16是根据本发明读出一行传感器的方法的流程图。

具体实施方式

参考图1，实现本发明的数据存储系统的例子包括设置在衬底20上的悬臂传感器10的二维阵列。行导体60和列导体50也设置在衬底上。利用行导体60和列导体50的不同组合寻址每个传感器10。每个传感器10包括长度在70um范围内的、厚度为um数量级的U型硅悬臂15。悬臂15臂部的末端固定到硅衬底20上。悬臂15的顶点驻留在成型在衬底20上的凹槽70内，而且在垂直于衬底20的方向具有运动自由度。悬臂15在顶点承载电阻加热元件30和朝着远离衬底20方向的硅尖端40。悬臂15的臂部被高度掺杂以提高电导性。通过以较低程度掺杂悬臂15的顶点，成型加热元件30，从而对流经悬臂15的电流引入增加的电阻。悬臂15的臂部之一通过中间二极管80连接到行导体60。悬臂15的另一个臂部连接到列导体50。行导体60、列导体70以及二极管80也设置在衬底20上。对悬臂15预加应力以弹性偏压尖端远离衬底20。

现在参考图2推进尖端40使其接触诸如厚度在40nm范围内的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物层90形式的平面存储介质。硅衬底100承载聚合物层90。诸如厚度在70nm范围内的SU-8的交联光致抗蚀剂的缓冲层110成型在聚合物层90与衬底70之间。在读操作和写操作中，阵列的尖端40可以横穿存储介质的表面。

通过利用尖端将局部作用力施加到聚合物层90上，并且利用使写电流从相应行导体60到相应列导体50通过悬臂15加热尖端40，将数据写入存储介质。电流通过悬臂15使加热元件30加热。热能经过热传导从加热元件30到达尖端40。选择写电流将尖端40加热到足以局部熔融聚合物层的程度，从而使尖端40陷入聚合物层表面内并留下直径在40nm范围内的凹坑120。作为例子，已经发现，通过将尖端40加热到约700摄氏度的温度，可以使PMMA薄膜局部熔融。缓冲层110的熔点比PMMA薄膜90的熔点高，因此用作陷入阻挡层以防止尖端40擦伤衬底90。

加热元件30还提供热回读传感器，因为其电阻与温度有关。对于数据读操作，加热电流从相应行导体60到相应列导体50通过悬臂15。因此，再一次加热加热元件40，但是现在是被加热到不足以熔融聚合物层90的温度。例如，400摄氏度的读温度不足以熔融PMMA薄膜，然而提供了可以接受的读性能。加热元件30与聚合物层90之间的热传导根据加热元件与聚合物层90之间的距离发生变化。当在PMMA薄膜90上扫描阵列，尖端40移动到位凹坑120内时，加热元件30与聚合物层90之间的距离缩短。加热元件30与聚合物层90之间的介质在加热元件30与聚合物层90之间传递热量。在尖端40移动到凹坑120内时，加热元件30与聚合物层90之间的热传递更有效。因此，降低了加热元件30的温度，并由此降低了其电阻。可以并行监测被持续加热的加热元件30行的温度变化，从而有助于检测记录位。

通过对相应行导体60施加电压脉冲，可以产生上述加热电流。因此，加热电流流过与被施加了电压脉冲的行导体60相连的每个传感器10。因此，阵列上相应行上的所有加热元件30被加热。然后，从被加热行上的各传感器10并行读出记录数据。根据复用方法，顺序读出阵列的每行。

如上所述，噪声因素决定可以从阵列上读出数据的理论最高速率。计算过程假定可以实现的净数据速率为30Mbit/秒。最好达到此数据速率。对于以32×32矩阵方式排列的1024个传感器10的阵列，每个传感器需要以约30Kbit/秒传送，从而对整个阵列实现30Mbit/秒的要求速率。这样，每秒需要对每个传感器10读30000次。然而，一次只能读一行32个传感器10，而在此例中，有32行。因此，30Mbit/秒的要求净数据速率要求每秒读所有32行30000次，从而实现每秒传送约1百万并列行读值。因此，为了实现30Mbit/秒的要求净数据速率，需要1μs的行复用时间间隔t_m。然而，传感器10的热响应时间通常在10μs范围内。因此，在t_m期间，传感器10不能达到热平衡。

参考图3，在本发明的实施例中，利用动态读出技术克服该问题。根据这种技术，以两步长读循环，读每行传感器。在第一步长读周期，对传感器10施加加热脉冲。参考图4，加热脉冲产生的能量足以将加热元件30加热到，或者刚好高于标称读出温度。现在参考图5，在第二步长读周期，在加热脉冲之后的时间延迟Δt将读脉冲施加到传感器10。利用读脉冲测量传感器10的电阻。在热松弛时间内，能很好地执行第一步长和第二步长。

在本发明的特定优选实施例中，对于最高灵敏度，加热与读之间的时间延迟与热松弛时间为同量级。如上所述，根据复用方法，顺序读阵列的每行。复用方法允许以交织方式实现动态读出技术。交织方式允许以非常高的净速率访问存储的数据，而不超过热时间常数。

参考图6，在本发明的优选实施例中，相对于读将加热偏置固定数量Δn个复用步长。考虑到任意复用步长n。首先，在时间间隔t_h期间，将加热脉冲施加到第n行。然后，在时间间隔t_r期间，访问事先被加热Δn复用步长的n-Δn行用于进行读。接着，加热n+1行，然后，读n-Δn+1行。继续通过各行顺序进行此过程。最后，Δn复用步长之后，在最好约在0.8T至2.5T之间的Δt≈Δnt_m的时间延迟之后，准备读第n行，其中T是热松弛时间。因此。相对于热速率，净数据速率提高Δn+1倍。请注意，Δn不能大于N-1，其中N是复用周期中的步骤数量。还请注意，加热和读所需的总时间应该不大于复用时间间隔t_m。

参考图7，在本发明的另一个实施例中，在分别包括Δn+1个复用步长的两个连续块中进行加热和读。这种配置的优点是容易实现。然而，这种配置的效率也低，除非t_h与t_r长度相等。

现在参考图8，如上所述，实现本发明的数据存储系统的例子包括传感器10的二维阵列以及行导体60和列导体50的矩阵。利用行导体60与列导体50的不同组合，寻址每个传感器10。更具体地说，每个传感器10互连行导体60与列导体50的不同组合。可以将每个传感器10表示为和上述二极管80串联的非线性电阻R_s。电阻R_s代表电阻加热元件30。电阻R_s和二极管80互连相应的行导体和列导体对。在电流从相应行导体60流向相应列导体50的方向，正向偏置二极管80。二极管80将阵列内的各传感器10互相隔离以抑制串扰。通常将阵列的电路布局称为纵横布局。如上所述，在同步并行访问所有列时，一次顺序访问各行传感器10中的一行。每个列导体50分别连接到独立的检测器125。每个检测器125包括通过桥接串联电阻器R_i连接到相应列导体50的电桥平衡电压源U_b。通过开关130，相应列导体50还可以选择性地连接到读出放大器(sense amplifier)120的输入端。为了将从电桥流出的电流降低到最小，读出放大器120具有高输入阻抗。

在运行过程中，将读电压脉冲施加到与待询问的传感器10的行相连的所选择的行导体60。通过相关的列导体50和桥接电阻器R_i，电流从选择的行导体60通过该行上的每个传感器10的二极管和电阻R_s流向相应平衡电压源U_b。如上所述，读操作期间流过每个传感器10的电流根据传感器尖端40检测的逻辑“1”或逻辑“0”发生变化，因为传感器10的电阻R_s在逻辑“1”的检测值与逻辑“0”的检测值之间变化。因此，桥接电阻器R_i的电压降在逻辑“1”的检测值与逻辑“0”的检测值之间变化。利用相应读出放大器120检测该电压降。

读出通道电路的这种桥式结构有利于限制阵列读出信号的噪声恶化。此外，串联电阻器R_i有助于稳定相应传感器10的工作点。具体地说，串联电阻器R_I提供电流限制，从而在传感器10发生热散逸不稳定时，防止损坏传感器。因为传感器10在较高温度下显示负电阻特性，所以可能发生这种不稳定性。在加热条件下，桥接电阻器R_i最好与传感器10的有效电阻R_s匹配。在32×32阵列中，已经发现，0.25mA＜I_n＜0.35mA和3V＜U_n＜9V产生的R_i在12KΩ＜R_i＜25KΩ范围内。

如上参考图6和图7所述，可以以交织方式，或者以块方式进行动态读。交织方式的优点在于，在读出带宽方面具有灵活性。而块方式的优点在于，读出速度高。

在交织方式中，在一个复用步长间隔t_m内，对行n进行加热，对行n-Δn进行读。如上所述，对于32×32矩阵，t_m约为1μs。因此，加热脉冲宽度和读脉冲宽度的下限分别是t_h≥0.5μs和t_r≥0.5μs。通常利用T＝10μs的热时间常数表示加热脉冲宽度的上限t_h≤10μs。已经发现，在约3×T时间间隔内可以获得可接受的读出效率。因此，读脉冲宽度的相应上限为t_r≤30μs。偏置参数值应该覆盖从对应于在一个复用步长内加热和读同一行的Δn＝0到对应于以上限速度进行高速读的Δn＝31的整个范围。

在块方式中，在Δn+1复用步长的第一块期间，加热行n-Δn…n。在接着的Δn+1复用步长，读相同序列的行。该方法的效率低，除非加热脉冲宽度t_h和读脉冲宽度t_r较长。然而，加热电位与读电位之间的开关速率被降低Δn+1倍，其优点在于，复用速度高。t_n、t_r以及Δn的范围最好与交织方式的相同，而且最好t_h≤t_m而且t_r≤t_m。请注意，在块方式的读过程中，一个周期中复用步长的数量是行数的两倍。

在加热操作和读操作期间，仅将被选择进行加热或读的行连接到电压源。所有其它行保持浮动。在本发明的特定实施例中，可以在0V至12V的范围内调节加热电位和读电位。通常，读电位约在1V至2V之间。然而，为了进行加热，可以选择接近热阻不稳定的工作点。因为脉冲加热的占空因数t_n/T较低，所以每个传感器10可以产生最大10mA的峰值电流。因此，加热电压源最好以脉冲方式对32×32矩阵的传感器10提供至少300mA的电流。

为了将电容负载的影响较低到最小，最好以平衡方式运行由传感器电阻R_s和串联电阻器R_i构成的电桥，其中读出线保持假接地。这就要求相应地调节电桥平衡电压U_b。因此，对于每个传感器10，将相应各值存储到例如查用表，而且对每列设置独立电压源。这种配置的问题是，电桥电压源产生的噪声不相关，而且产生的噪声与列导体50不相干。然而，这种技术降低了利用几个数量级提供可接受读的动态范围。可以发现，在如下所述的32×32阵列中，如果以17-N位分辨率跟踪平衡电压，N位变换精度足够。在本发明的优选实施例中，N≥4。

因为与独立电桥电压源相关的上述噪声因素，最好利用行电压获得平衡电压U_b。在本发明的优选实施例中，利用可编程增益放大器可以使各电桥分别平衡。

在本发明的实施例中，在时分复用、采样环境下，读出放大器分别以4位分辨率测量通常约为ΔR/R≈10^-4的电阻变化。采样间隔t_r在0.5μs至30μs之间，而且在1MHz的最高复用速率时的最短停留时间为0.5μs。

同时参考图9和10，在本发明的优选实施例中，每个检测器125分别包括矩形波串积分器(boxcar integrator)150，该矩形波串积分器150包括在其反馈回路中具有积分电容器C_i的假接地反馈放大器，而开关S₁和S₂以可接受效率处理读信号的瞬态特性。在点1，通过闭合开关S₂，从而对电容器C_i进行放电，来复位积分器150。在周期t_r后，开关S₁断开，从而将积分结果存储到电容器C_i内，并将该结果送到输出端。

参考图11，在本发明的特定优选实施例中，每个检测器125分别包括低噪声放大器160，该低噪声放大器160的高阻抗输入端可以连接到串联电阻器R_i与电桥的传感器电阻R_s之间的节点上。为了避免开关瞬态现象，在加热期间，利用高速开关130，最好放大器160与电桥断开，如上参考图8所述。如上所述，放大器160的输出缓存到矩形波串积分器150，然后，利用模数(A/D)转换器170进行数字化。A/D转换器170的数字输出存储到缓冲存储器180内。对于32×32矩阵的传感器10，通过并行运行32个这种放大器电路，可以访问整个矩阵：对每个行导体50分配一个放大器电路。这种配置的问题在于，为了实现可接受读出，A/D转换器170要求17位的较大动态范围。因为要求在读下一行之前完成A/D转换，所以该问题更严重了。此时间间隔基本上不能长于t_h，在32×32阵列的最高复用速率下，该时间间隔可以短至0.5μs。

参考图12，在所述参考图11说明的检测器125的变换例中，通过对列中的每个传感器10设置两个交替激活的矩形波串积分器151和152，可以解决上述动态范围问题。假定寻址行n。因此，检测该列上第n个传感器10的电阻R_s。此外，假定新数据被载入相应积分器151。停用保持了在先前读事件中获得的、传感器10输出的数据的相应积分器152。在进行数据采样后，减法器电路190对积分器151与152的内容进行相减。利用A/D转换器170对得到的差值进行数字化。将该数字差值存储到存储器180。此后，32个复用步长之后，再寻址同一个传感器10，交换使用积分器151和152重复该过程。该过程的净效应是，以等于寻址传感器10的频率的截止频率(例如：1/(32×t_m))，对数据进行高通滤波。因此，自动消除低频偏移，而且相应地需要较少位表示该数据。此外，实际上，整个复用时间间隔t_m可以用于A/D转换，因为数据独立地存储在每个传感器10的积分器B和B内。显然，在本发明的其它实施例中，可以利用诸如电荷耦合模拟移位寄存器或“斗链器件(bucket brigade)”的不同模拟存储器件代替积分器151和152。

现在参考图13，在本发明的另一个实施例中，积分器150的输出端连接到另一个A/D转换器200。A/D转换器200的输出端连接到查用表210。查用表210的输出端连接到数模(D/A)转换器220。D/A转换器220和积分器150的输出端连接到减法器190。减法器190的输出端连接到A/D转换器170。A/D转换器170的输出端连接到存储器180。这里的理论是从测量信号中减去利用数字方法产生的补偿电压。由A/D转换器200获得该补偿电压。A/D转换器200的分辨率可以低于该动态范围。对于32×32阵列，如上所述，例如可以获得12位的可接受分辨率。对于每个传感器10，将A/D转换器200的输出的运行平均值存储到查用表210。然后，取运行平均值作为D/A转换器220的输入参数。D/A转换器220响应该运行平均值产生模拟补偿(offset)电压。D/A转换器220的分辨率最好与A/D转换器210的分辨率匹配。利用减法器190从测量信号中减去该补偿电压以产生差信号。利用A/D转换器170对差信号进行数字化，并将它存储到存储器180。该配置的优点在于，根据可以产生的补偿电压的精度，减小A/D转换器170的动态范围。在上述说明的例子中，A/D转换器170的8位分辨率足够了。

现在参考图14，在上述参考图12说明的本发明实施例的变换例中，利用包括D/A转换器230的反馈回路250，可以使电阻电桥平衡，D/A转换器230的输出端提供平衡电压U_b。查用表240连接到A/D转换器170的输出端。D/A转换器230的输入端连接到查用表240。在使用过程中，反馈回路250调节平衡电压U_b。其优点在于，可以消除低频噪声和系统误差。在运行过程中，将每个传感器10可适用的平衡电压值存储到查用表240。假定在读过程激活传感器10。最好通过可编程增益放大器，将存储在查用表240内的U_b的相应值施加到电桥。然后，以上述方式读出传感器的电阻，并将数字化读值存储到存储器180。通过从U_b减去测量信号的固定部分更新平衡电压。这样实现了积分反馈作用。对于32×32阵列，利用复用周期时间32×t_m和总反馈增益确定积分反馈作用的时间常数。

在采样系统中，U_b的瞬时演化不同于连续情况下的U_b的瞬时演化。具体地说，对于足够高的增益，存在振荡的解和最终不稳定的解。例如，对图15所示的采样线性系统进行研究。利用如下等式确定反馈传递函数，其中自变量k表示离散时间步长：

ΔU_b(k)＝U_b(k)-U_b(k-1)＝-AΔU(k-1)

根据如下的迭代关系，可以表示闭环步长响应函数，其中R_s＝dU_s/dl_s是传感器10的微分电阻。

ΔU_b(k)＝(1-A/(1+R_i/R_s))ΔU_b(k-1)

这样可以有效确定收敛于如下的几何级数：

0＜A/(1+R_i/R_s)＜2

请注意，对于比例增益大于1的值，解是振荡的，而且振荡延迟逐渐缓慢降低到接近上限值2。对于0至1范围内的比例增益因数值，解收敛到接近具有如下时间常数的指数的稳态，其中t₀是采样时间间隔：

T＝t₀(1+R_i/R_s)/A

参考图16，总的说来，以上对读传感器阵列的方法进行了说明，该传感器阵列具有一组分别连接到该阵列的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到该阵列的相应列上的各传感器的列导体，即，每个传感器分别连接在行导体与列导体之间。该方法包括：对于阵列内的每行传感器，执行的读周期包括：在步骤300，将激活脉冲施加到相应行导体以激活该行上的各传感器；在步骤310，在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲施加到行导体；以及，在读脉冲期间，在步骤320，对于该行上的每个传感器，检测依赖于传感器的可变特性的值。在上述说明的本发明的优选实施例中，传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。然而，应当理解本发明同样可以应用于诸如电容传感器的其它类型的传感器。至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。以上参考数据存储系统对本发明的例子进行了说明。然而，应当理解，本发明具有许多应用。例如，本发明同样可以应用于外形显象(topography visualization)。应当理解，本发明尤其适合应用于在半导体器件制造厂用于测试集成电路的半导体外形显象。以上参考32×32阵列的传感器对本发明的例子进行了说明。然而，显然，本发明同样可以应用于不同尺寸和宽高比的传感器阵列。

Claims (24)

1、一种用于读传感器阵列的方法，该阵列具有一组分别连接到阵列上的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到阵列的相应列上的各传感器的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间，该方法包括步骤：

对于阵列内的每行传感器，执行的读周期包括：将激活脉冲施加到相应行导体以激活该行上的各传感器；在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲施加到行导体；以及在读脉冲期间，对于该行上的每个传感器，检测与该传感器的可变特性相关的值，

其中至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。

2、根据权利要求1所述的方法，其中传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热该行上的传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其中至少一行为多行，所述多行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。

4、根据权利要求1或2所述的方法，该方法包括以行顺序开始读周期。

5、根据权利要求4所述的方法，其中交替地施加读脉冲与激活脉冲。

6、根据权利要求4所述的方法，其中交替地施加一组读脉冲与相应的一组激活脉冲。

7、根据权利要求4所述的方法，该方法包括对于行上的每个传感器，确定在连续的读周期期间检测的值之间的差值。

8、根据权利要求2所述的方法，其中加热脉冲的振幅大于读脉冲的振幅，而加热脉冲的时长比读脉冲的时长短。

9、一种用于读传感器阵列的装置，该阵列具有一组分别连接到阵列上的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到阵列的相应列上的各传感器的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间，该装置包括：

信号源，对于阵列内的每行传感器，在读周期期间，该信号源将激活脉冲施加到相应行导体以激活该行上的各传感器，并在从激活脉冲的边沿开始的预定时间间隔期满后，将读脉冲施加到行导体；以及检测器，该检测器连接到相应列导体，对于该行上的每个传感器，在读脉冲期间，该检测器用于检测与该传感器的可变特性相关的值，

其中至少一行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。

10、根据权利要求9所述的装置，其中传感器是热阻传感器，激活脉冲是用于加热该行上的传感器的加热脉冲，而且可变特性是电阻。

11、根据权利要求9或10所述的装置，其中至少一行为多行，所述多行的读周期是在另一行读周期的预定时间间隔内开始的。

12、根据上述权利9或10所述的装置，其中信号源以行顺序开始读周期。

13、根据权利要求11所述的装置，其中信号源交替地施加读脉冲与激活脉冲。

14、根据权利要求11所述的装置，其中信号源交替地施加一组读脉冲与相应的一组激活脉冲。

15、根据权利要求11所述的方法，其中该检测器包括减法器，对于该行上的每个传感器，该减法器用于确定在连续的读周期期间检测的值之间的差值。

16、根据权利要求15所述的装置，其中检测器包括用于存储连续读脉冲期间检测的各值的存储器。

17、根据权利要求16所述的装置，其中存储器包括模拟积分器电路。

18、根据权利要求16所述的装置，其中存储器包括查用表。

19、根据权利要求10、13至18之任一所述的装置，其中检测器包括通过读出电阻器连接到相应列导体的平衡电压源和用于检测读出电阻器两端的电压降的读出放大器。

20、根据权利要求19所述的装置，其中检测器包括用于存储读出放大器的输出的积分器。

21、根据权利要求20所述的装置，其中检测器包括用于产生表示存储在积分器内的值的数字输出的模数转换器和用于存储该数字输出值的存储器。

22、根据权利要求21所述的装置，其中检测器包括用于根据模数转换器的输出改变平衡电压源的输出的反馈回路。

23、一种数据存储系统，该数据存储系统包括：

热阻传感器阵列，该阵列具有一组分别连接到阵列上的相应行上的各传感器的行导体和一组分别连接到阵列的相应列上的各传感器的列导体，使得每个传感器连接在行导体与列导体之间；以及

权利要求9至22之任一所述的、用于读该阵列的装置。

24、根据权利要求23所述的数据存储系统，该数据存储系统进一步包括对着该阵列的数据存储介质。

Images