KR20060006898A

KR20060006898A - 이차원 미소 전자기계 시스템을 기반으로 한 스캐너용 서보제어 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20060006898A
Application number: KR1020057017922A
Authority: KR
Inventors: 엠 스리 자얀타 스리; 히엔 당; 아런 샤르마; 에반겔로스 에스 엘레프테리오우; 마르크 아 란츠; 카라람포스 포지디스
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2006-01-20
Also published as: JP2006523361A; WO2004093061B1; EP1620846A4; WO2004093061A2; US7394218B2; TWI335015B; US20070069679A1; CN1871557A; US20040204776A1; WO2004093061A3; KR100962929B1; CN100561382C; KR100891849B1; US7583044B2; TW200521974A; US7321217B2; US20080284365A1; US20060076918A1; US7119511B2; JP4848269B2

Abstract

이차원 미소 전자기계 시스템(MEMS)을 기반으로 한 스캐너용 서보 제어 시스템(및 그 방법)은 고유 강성 성분을 구비하는 동작 발생기를 포함한다.

Description

이차원 미소 전자기계 시스템을 기반으로 한 스캐너용 서보 제어 시스템 및 제어 방법{SERVO SYSTEM FOR A TWO-DIMENSIONAL MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)-BASED SCANNER AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 일반적으로 디스크 드라이브에 관한 것이며, 보다 상세하게는 이차원 미소 전자기계 시스템을 기반으로 한(MEMS-based) 스캐너용 서보 시스템 및 서보 시스템 이용 방법에 관한 것이다.

미소 전자기계 시스템(MEMS)은 나노 미터 단위의 동작을 발생시키는 데에 이용될 수 있다. 나노 미터 단위의 정확한 위치 설정 능력(예컨대, 5 nm 1-시그마 에러)을 제공하는 경우, X-Y 평면상에서 마이크로미터 단위의 면적(예컨대, 100㎛² 면적 범위)을 스팬(span)할 수 있는 능력을 가지는 것이 유리하다. 스팬 범위가 커질수록 스캐너의 적용 잠재성이 향상된다. 이러한 스캐너의 주요한 적용 분야는 원자 현미경(atomic force microscopy; AFM)계 저장 어플리케이션 분야인데, 이는 Vettiger 및 G. Binning의 "The Nanodrive Project"(2003년 1월 발행 Scientific American, 47-53쪽) 및 PCT 공개 특허 제 WO 03/021127 A2호에 개시되어 있다.

이 시스템에서, 정보를 기록하기 위한 고분자 매체는 스캐너에 의해 지지된 다. 가령 디스크 드라이브 액츄에이터에서 볼 수 있는 무마찰 액츄에이터 시스템과 달리, MEMS를 기반으로 한 스캐너는 X-Y 이동 자유도를 제공하는 강력한 강성 발생 굴곡 요소(stiffness-producing flexural elements)에 의해 지배된다. 그러나, 액츄에이터 시스템에 상당한 강성이 존재함으로 인해서, 스캔 모드에서의 램프 기준 궤적(ramp reference trajectory)에 대한 정상 위치 에러(steady position error) 뿐만 아니라, 스캔 동작 이전의 목표 트랙을 향한 준최적 탐색 동작(suboptimal seek motion)에 대한 위치 설정 에러를 발생시키는 것으로 나타났다.

따라서, 굴곡 요소 시스템(즉, MEMS를 기반으로 한 스캐너에서 필수적인)에 의해 발생하는 저항의 영향을 극복하여, 이차원 탐색 및 트랙 추종 스캔(track following scan) 성능이 경쟁력 있게 달성되도록 하는 새로운 서보 아키텍쳐가 요구된다.

종래의 방법 및 구조에 대한 전술한, 그리고 그 밖의 문제점, 결점 및 단점의 견지에서, 본 발명의 예시적인 목적은 굴곡 요소 시스템(즉, MEMS를 기반으로 한 스캐너에서 필수적인)에 의해 발생한 저항의 영향을 극복하여, 이차원 탐색 및 트랙 추종 스캔 성능이 달성되게 하는 새로운 서보 아키텍쳐(및 그 방법)을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1의 예시적 측면에서는, MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템은 고유 강성 성분(inherent stiffness component)를 가지는 동작 발생기를 포함한다.

본 발명의 제2의 예시적 측면에서는, MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템은 고유 강성을 지닌 스캐너 및 상기 스캐너의 강성을 카운터 밸런싱(cunter balancing)하기 위해 피드 포워딩용 스캐너에 작동적으로 결합되는(operatively coupled) 피드 포워드 메커니즘을 포함한다.

본 발명의 제3의 예시적 측면에서는, 스캐너의 이동을 제어하기 위한 서보 제어기는 트랙 추종 스캔 모드(track follow scan mode) 및 선회 모드(turn around mode) 하에서의 제1축 동작 및 제2축 동작을 생성하기 위한 서보 유닛을 포함한다. 스캔 속도는 제1축 동작을 생성할 때, 서보 유닛용 램프 궤적을 위한 적절한 기울기를 선택함으로써 프로그램가능하다.

본 발명의 제4의 예시적 측면에서는, 저장 중심(storage-centric) 어플리케이션의 방법은 제1 속도 및 제1 정밀도로 이차원 탐색을 수행하는 단계 및 제2 속도 및 제2 정밀도로 일차원 스캔을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 제1 속도는 상기 제2 속도보다 더 빠르고, 상기 제1 정밀도는 상기 제2 정밀도보다 낮다.

본 발명의 제5의 예시적 측면에서는, MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템은 타입-1 시스템을 구비하는 비례 적분 미분(proportional-integral-derivative; PID) 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 램프 동작에 기인한 정상 위치 에러를 가진다.

본 발명의 제6의 예시적 측면에서는, MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 장치에서 스캐너를 제어하는 방법은 각각의 X 탐색(seek)을 위한 속도 프로파일을 발생시키는 단계 및 상기 스캐너의 강성을 관리(manage)하는 단계를 포함한다.

본 발명의 예시적인 실시예의 독특하고 비자명한 특징들과 함께, 많은 예시적인 이점이 발생한다. 사실상, 본 명세서에 기술되는 본 발명의 예시적 실시예들은 비례 적분 미분(PID) 타입을 포함하는 종래의 제어 구조를 보강한 서보 구조를 발전시켜서, 예시적인 피드 포워드 제어 방법을 통해 MEMS를 기반으로 한 스캐너의 중대한 강성적 특성을 지능적으로 균등화(neutralized)한다.

따라서 본 발명은 굴곡 요소 시스템(즉, MEMS를 기반으로 한 스캐너에서 필수적인)에 의해 발생한 저항의 영향을 극복하여, 이차원 탐색 및 트랙 추종 스캔 성능이 달성되도록 한다.

특히 본 발명은 AFM 기반의 저장 어플리케이션을 위해 개발된 트랙 추종 스캔 및 이차원 탐색을 포함한 복수 개의 기능을 개시한다.

전술한 그리고 기타의 목적, 측면 및 이점은 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.

도 1a는 X-Y 스캐너(110)를 구비하는 AFM 기반의 저장 장치(100)를 보여주는 도면.

도 1b는 상기 AFM 기반의 저장 장치(100)와 함께 사용되기 위한 프로브(120)의 상세도.

도 2a 내지 도 2c는 테스트 구성에서의 광학 위치 설정 센서(200)를 보여주는 도면.

도 3a 내지 도 3c는 탐색 및 스캔 궤적 및 그들의 구성 요소를 보여주는 도면.

도 4는 스캔 모드 기준 궤적을 보여주는 도면.

도 5는 서보 제어기(500)의 아키텍쳐를 보여주는 도면.

도 6a 내지 도 6c는 크기(도 6a) 및 위상(도 6b)을 포함하는 일 축을 따른 스캐너의 전달 함수와 질량 스프링 댐퍼 모델(mass-spring-damper model; 도 6c)을 보여주는 도면.

도 7a 및 도 7b는 각각 개루프 전달 함수(open loop transfer function; OLTF)의 측정치 및 계산치를 보여주는 도면.

도 8은 스캔 모드의 램프 기준(이상) 궤적 및 실제(측정) 궤적을 보여주는 도면.

도 9a 내지 도 9c는 각각의 플랜트 파라미터가 램프 기준 입력에 대한 위치 에러에 미치는 효과를 보여주는 도면.

도 10은 MEMS 강성이 위치 에러에 미치는 충격을 최소화하기 위한 피드 포워드 구성 구조(1000)를 보여주는 도면.

도 11은 램프 기준 궤적 및 강성도 보상 서보(stiffness compensation servo)에 대한 실제 응답을 보여주는 도면.

도 12는 스캐너의 변위 대 전류를 보여주는 도면.

도 13a 내지 도 13c는 위치 에러와 함께, 강성도 보상 서보가 있는 경우와 있지 않은 2가지 경우를 보여주는 도면.

도 14는 강성의 충격을 경감하기 위한 대안적 구성(즉, 피드백 모드)을 보여주는 도면.

도 15a 내지 도 15c는 스캔 모드에서의 디지털 속도 추정기의 성능을 보여주는 도면.

도 16a 내지 도 16e는 PID 스캔에 의해 후속되는 위치-B로의 단일 스텝 탐색(single step seek)을 보여주는 도면.

도 17a 내지 도 17e는 PID 스캔에 의해 후속되는 위치-B로의 단계적(cascade) 스텝을 보여주는 도면.

도 18a 내지 도 18d는 강성 보상을 가지는 속도 서보 스캔에 의해 후속되는 위치-B로의 속도 서보 탐색을 보여주는 도면.

도 19는 속도 프로파일 및 탐색/트랙 추종 스캔 모드를 보여주는 도면.

이하에서 도면들, 보다 상세하게는 도 1a 내지 도 19를 참조하여, 본 발명에 따른 방법 및 구조의 바람직한 실시예가 도시된다.

부상하는 비휘발성 저장 기술들 중, AFM 기반의 저장은 컴팩트 폼 팩터 디바이스(compact form fator device)에서 1 테라비트/in² 의 면적 밀도를 제공하는 것이 보장된다.

출판된 문헌에 따르면, 30 내지 40 nm 크기의 동일한 피치 크기를 가지는 비트 압입(bit indentation)이 50 nm 두께의 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmetacrylate; PMMA) 층(예컨대, P. Vettiger 등의 "The Millipede-More than one thousand tips for future AFM data storage", IBM J. Research and Development, Vol. 44, No.3, 323-340쪽, 2000년 5월 참조) 상의 단일 외팔보 팁(cantilever-tip)에 의해 만들어진다.

이러한 시스템(100)의 전체 모습이 도 1a에 도시된다. 상기 시스템(100)은 X-Y 스캐너 플랫폼(110), 복수 개의 외팔보 팁 어레이/프로브 조립체(도 1b에 보다 자세히 도시됨)를 포함하는 X-Y 정지 외팔보 어레이 칩(120), 상기 X-Y 스캐너(110) 상의 저장 매체(130), X-위치 센서(140), Y-위치 센서(145), X-액츄에이터(150), Y-액츄에이터(155), 고정 베이스(160), 운동의 자유도를 제공하는 굴곡 지지물(170) 및 멀티플렉스 드라이버(180)를 포함한다.

전술한 바와 같이, 프로브의 세부는 도 1b에 예시적으로 도시된 바와 같다. 상기 프로브는 프로브 팁(참조번호 없음)이 결합된 2개의 평행 빔(참조번호 없음) 사이에서 연결된 저항체 히터(121)를 포함한다. 상기 프로브 팁은 고정되어 있고, 상기 저장 매체는 피트(pit; 정보를 나타내는 것으로 본 기술 분야에서 공지임; 122)를 포함하며, 상기 프로브 하방에서 이동가능하다. 상기 피트는 칩(125)의 기판(124) 상의 고분자 층(123)에 형성된다. 상기 팁(나노 미터 단위의) 하방의 고분자는 상기 프로브 팁으로부터 나온 온도 복사(temperature radiation)에 민감하다. 따라서, 저장 매체에 기록할 때(예컨대, 피트가 요구되는 경우는 언제든지), 프로브를 가열하는 프로브의 히터 요소로 전류가 흘려지고, 상기 고분자에 피트(압입)가 형성된다.

읽기를 위해, 상기 프로브는 상기 고분자에 근접되는데, 피트(비트에 대응됨)의 존재로 인해, 피트가 있는 영역에서 상기 저항 요소로부터 얻어진 열량은 인접 평탄 영역(예컨대, 피트가 없는 영역)에서 얻어진 열량보다 작다. 따라서 저항의 변화가 감지되고, 피트 안의 정보를 나타내게 된다. 그러므로, 이러한 시스템으로써, 높은 면적 밀도를 얻을 수 있다. 사실, 수 천개의 이러한 프로브들이 어레이(예컨대, 32 x 32)에 포함될 수 있어서, 읽기 및 쓰기가 동시에 수행되도록 한다. 상기 프로브는 고정되고, 상기 중합체/기판은 X-Y 스캐너 시스템에 의해 이동가능한 것이 바람직하다.

이러한 외팔보 팁/프로브 조립체(120)는 대응하는 데이터 필드와 연관된다. 이하에 기술되는 바와 같이 전략적으로 선택된 데이터 필드가 피드백 서보 루프를 위한 X-Y 위치 정보를 제공하기 위해 할당될 수 있다. 따라서 외팔보 팁(팁 어레이로 지칭됨) 조립체(120)의 긴, 이차원의 어레이(32 x 32)의 병렬 작동(parallel operation)에 의해 높은 데이터 전송 속도가 달성된다.

시간 다중화(time multiplexed) 전자 장치는 외팔보 팁 시스템(120)을 작동시킴으로써, 이러한 저장 장치에서 요구되는 읽기/쓰기/지우기 기능을 제어한다. 도 1a 내지 도 1c에서 도시된 시스템에서, 팁 어레이(120)가 고정 칩(stationary chip; 125) 상에 만들어지고 조립된다. 반면, 저장 매체(PMMA; 130)는 상기 팁 어레이(120)에 대해 X-Y 방향으로 이동하도록 프로그램된 스캐너(110) 상에 장착된다.

팁 어레이(120)에 대한 스캐너(110)의 위치를 감지함으로써, 안정적인 저장 기능이 달성된다. 정확한 위치 감지 및 서보 제어 기능이 전반적인 시스템 디자인에 내장되지 않는다면, 열 팽창 및 장기간에 걸친 재료의 크리프(creep)가 나노 미터 단위의 저장 시스템을 쓸모없게 만들 수 있다. Millipede 저장 시스템의 상용화 버전에서, 위치 센서 기술이 시스템에 내장된다.

본 발명의 유효성을 보이기 위해, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 예시적인 광학 센서가 채용되었다. 이 센서 시스템(200)은 에지 센서 프로브(210)을 포함하고, 예를 들어, MTI Instruments(예컨대, 미국 뉴욕주 알바니 소재의 MTI Instruments Inc. 및 www.MTIinstruments.com 참조)에 의해 주문 제작(custom built)되었는데, 광섬유(222)를 통해 광원(221)에 의해 방사된 광선을 이용하여, MEMS의 이동가능한 에지에 빛을 조사한다.

상기 광섬유(222)를 통과한 광선은 각 조의 상부 프리즘(220) 및 하부 프리즘(230)을 포함하는 미니어쳐(예컨대, 1 mm) 프리즘 구조를 이용하여 90°편향된다.

작동시, 광원(221)으로부터 나와 이동가능한 에지 위를 지나는 광선은 제2 조의 프리즘(즉, 하부 프리즘; 230)들의 프리즘에 의해 캡쳐되고, 또 한번 90°편향되어, 센서 전자 장치의 수용부로 회귀한다. 보내진 빛에 비례하여 수용된 광량은 에지 센서(210)의 전압 출력의 기초가 되며, 상기 전압은 에지의 위치에 선형적으로 상관(linearly correlated)된다.

보다 상세하게는, 프리즘을 오버랩하는 광량은 센서의 위치를 나타낸다. 만약 프리즘이 X-Y 스캐너 플랫폼에 의해 완전히 차단된다면, 어떤 신호도 되돌아 오 지 않는다. 반면, 만약 프리즘이 X-Y 스캐너 플랫폼(110)을 50 % 오버랩한다면, 50 %의 빛이 되돌아 올 것이고, 그것을 나타내는 신호가 출력될 수 있다.

상기에서 스캐너 동작을 감지하는 방식을 상술하였으나, 읽기/쓰기/지우기(R/W라 지칭함) 동작은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 이차원 랜덤 탐색 및 트랙 추종 스캔을 포함한 2 가지의 전반적으로 상이한 위치 제어 능력을 요구한다.

도 3b 및 도 3c는 직교 좌표계(300)를 따른 움직임을 보여주는, 데이터 기록을 위한 몇 가지의 가능한 지리적 레이아웃 중 하나를 정의한다. 도 3a의 점선(310)은 각 프로브에 대응하는 각각의 데이터 필드 경계의 모퉁이(corner)를 나타낸다. 또한, 데이터 필드(320)도 도시된다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 외부 제어력이 인가되지 않은(파워 오프, 즉 릴렉스 모드) 스캐너는 최초에는 도 3c에서 위치-A로 표시된 "홈 위치(home position)"에 위치한다.

예컨대, 활성 작동 중에, 데이터 블록(320)으로의 접근이 요청되면(읽기 또는 쓰기를 위해), 스캐너는 위치-A에서 위치-B로 이차원적으로, 바람직하게는 최단시간에 이동해야 한다. X 탐색은 통상 모든 데이터 블록에 대해 동일한 반면, Y 탐색은 임의적이다.

위치-B에 도달하면(예컨대, 목표 데이터 블록으로의 랜덤 탐색을 통해서), 스캐너는 정지상태가 되어야 하고, 속도 벡터를 바꿔서, 데이터 블록의 시작부가 위치한 위치-C를 향해 스캔 모드 상의 경로를 따라(스캔 속도로) 이동하도록 한다. 긴 데이터 기록을 위해서는, 스캐너는 도 3b에 도시된 바와 같이, {+x}축을 따른 경로의 끝에 도달하고는, 뒤돌아서(즉, 선회 모드) {-x}축을 따라 역방향 스캔을 수행한다.

따라서, 위치 A-B로부터는, 스캐너는 탐색 속도(예컨대, 이차원의 X 및 Y)로 이동하고, 위치 B-C에서부터는 스캐너는 스캔 속도(예컨대, 일차원의 X)로 경로 C를 스캔한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 스캐너의 선회 스캔 모드 도중에, 스캐너의 "오버슈트(예컨대, 스캐너가 위치-B에서 뒤돌기 위해 필요한 데이터 블록의 여유 면적)"를 최소화하여, 칩의 밀도를 증대시키고, 버려지는 고분자 공간의 양을 줄이는 것이 바람직하다.

이러한 적용예를 위해 개발된 스캐너는 X 및 Y 직교 좌표를 따라 독립적으로 이동하는 자유도를 가진다. 따라서, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 개시된 발명을 개발하기 위하여 2개의 개별적인 위치 센서 및 전자기 액츄에이터를 제어하기 위한 2개의 피드백 서보 루프가 채용되었다. 도 1a에서, X-Y 좌표를 따라 이동하는 자유도는, 각 운동 자유도를 나타내기 위해 단일 "스프링"에 의해 개략적으로 나타내었지만 실제로는 복잡한 굴곡 시스템(complex system of flexure; 세부 미도시)에 의해 제공된다는 것을 상기하여야 한다.

업계에서 입증된 비례 적분 미분(PID) 위치 설정 서보 시스템은, 저장 어플리케이션을 위해 고안된 MEMS 스캐너용 제어기가 될 수 있다. PID 제어기의 특성 전달 함수는 하기의 표현으로 나타내어 진다.

제어기(출력/입력) = (k_P + k_Ds + k_I /s)

여기서 k_P, k_D및 k_I는 각각 비례, 미분 및 적분 이득이고, 's'는 라플라스 변환 연산자이다. 상기의 이득을 구하기 위한 매개변수화 과정(parameterization process)은 당업계에서 공지이다. 제어 시스템 고안자는 스캐너의 동적 모델을 사용하여, "최적" 고안을 달성하기 위한 이득 값을 도출해 낼 것이다.

통합 스캐너/서보 시스템은 3가지의 중요한 역할을 수행할 것이 요구된다.

첫째, 통합 스캐너/서보 시스템은 탐색 모드에서 스캐너를 X 및 Y 좌표를 따라 속도 서보를 이용하여 최단 시간 내에 목표 경로(도 3c의 위치-B)의 근처로 이동시켜야 한다. 목표 경로로의 확실하고 안정적인 탐지를 촉진하기 위해서, 요구되는 속도 프로파일은 흔히 메모리 및 속도 서보(위치 서보와 대비되는)에 저장되어 있고, 목표 경로의 근처에 도달하기 위해 이용된다.

다음으로, 제어 시스템은 수학식 1에서 통상적으로 k_I를 0으로 설정한 타입의 위치 설정 제어기를 사용하여, 최단 정착 시간(settle out time)으로 Y-위치 서보를 사용하여 목표 경로의 트랙 센터 라인(track center line; TCL)에 스캐너를 위치시켜야 한다.

마지막으로, Y-서보는 비례 적분 미분(PID) 타입 위치 제어기를 구비한 상태로, 그리고 X-서보는 고정된 소정의 스캔 속도(위치 서보 또는 속도 서보를 이용)를 요구하는 스캔 모드로 진입한 상태에서, Y-서보 시스템은 트랙 추종 모드로 진입한다. 이러한 동작은, X-서보는 지속적으로 소정의 스캔 속도를 유지하면서, Y- 서보가 TCL을 따라 저장 매체를 유지한다는 점을 강조하기 위해서, "트랙 추종 스캔 모드"로 지칭된다. 2개의 서보는 히스테리시스(hysteresis) 효과 및 진동과 같은 교란(disturbance)으로부터 정확도를 유지하여야 한다.

스캔 모드

도 4는 "트랙 추종 스캔 모드" 및 "선회 모드" 하에서 X 및 Y 이동을 발생시키기 위한 2개의 기준 궤적을 도시하는데, 여기서 예시적인 100 ㎛의 X-스캔 길이는 100 ㎳ 내에 수행되고(1000 ㎛/s), Y 위치는 경로의 끝에서 40 nm 만큼 스텝핑된다. 스캔 속도는 X-서보 유닛용 램프 궤적을 위한 적절한 기울기를 선택함으로써 프로그램된다.

이러한 동작뿐만 아니라, X-Y 탐색을 수행하기 위한 서보 아케텍쳐 500이 도 5에 도시되었다. 아키텍쳐 500은 X-서보 510x 및 Y-서보 510y를 포함한다.

X 및 Y 좌표에 대해서 완전히 분리된 스캐너의 동역학을 이루기 위해서, 동일한 빌딩 블록을 가지도록 서보 시스템 500이 선택될 수 있지만, 여타의 제어기(위치 대 속도)가 스캐너 동작의 다양한 위상에서 서보 루프의 안팎으로 변동될 수도 있다는 것을 유의하여야 한다.

위치 정보는 광학 에지 센서(도 5에서 미도시, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 것과 유사함)에 의해 발생되고, 아날로그-디지털 컨버터(ADC; 511a, 511y)에 의해 디지털 숫자들의 스트림(본 실시예에서는 5 kHZ로)으로 변환된다.

각 축을 위한 디지털 제어기는 위치 제어기 블록(512x, 512y), 속도 추정기 블록(513x, 513y), 속도 제어 블록(514x, 514y), 기준 궤적 블록(515x, 515y) 및 후 필터 뱅크(516x, 516y)를 포함한다.

마이크로프로세서의 관리 하에, 상기 블록들에 의해 제공되는 기능들은 적절하게 실행된다. 디지털 형태의 계산된 제어 출력은 디지털-아날로그 컨버터(DAC; 517x, 517y)로 입력 샘플링 속도와 같거나 다른 속도로 보내진다. 상기 DAC에 의해 발생된 아날로그 신호는 전류 증폭기(518x, 518y)를 구동시키는데, 이는 번갈아서 각각 스캐너의 액츄에이터(150, 155)에 에너지를 공급한다.

등가 질량(equivalent mass), 스프링 강성(spring stiffness) 및 스캐너 힘 상수(force constant) 등과 같은 스캐너 파라미터들은 각각의 X 및 Y 운동에 대해 상이할 수 있고, 어떤 파라미터는 시간 및 온도에 따라 변동될 수 있다. 도 5의 블록도는 교정(calibration) 기능 및 본 발명의 주제는 아니나, 다양한 작업 조건 하에서 상기 서보 제어를 효율적으로 만들기 위해 요구되는 여타의 주요한 또는 보조적 작업들을 포함하도록 더욱 향상될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 Y-방향 액츄에이터는 비활성인 상태에서(즉, Y-구동 전류가 없는 상태로), X-방향을 기동함에 따라 측정된 스캐너 시스템의 크기 및 위상 전달 함수이다.

2차 등가 모델이 도 6c에 도시되는데, 여기서 입력 힘(F)에 따른 변위(x)는 2.5 kHz의 주파수 범위 이하에서 단순 스프링 질량 댐퍼 시스템에 의해 저지된다. 등가 스프링 상수(k) 및 질량(m)은 기본 공진 주파수(fundamental resonance frequency; 이 경우는 200Hz)를 결정짓는다. 감쇠 상수(damping constant; c)는 기본 공진 모드의 품질 계수(quality factor; Q)를 결정한다. 강성 항목(term)인 "k"는 상용화 제품으로부터 최적의 성능을 도출해 내는데 있어서 핵심 목표이며, 본 발명의 주제이다. 2.5 kHz 보다 높은 주파수에서 공진 모드는 X 축을 따른 운동에 기여하기 시작한다. 예시적인 스캐너에서, 3.0 kHz 및 5.5 kHz 모드가 관측 가능하다. 본 발명의 이러한 스캐너 디자인에서는 Y 축을 따라서도 유사한 주파수 특성이 관측된다.

따라서, 도 6c의 단순한 개략도는 2.5 kHz 까지는 단순 스프링 질량 시스템과 동일하게 행동한다는 것을 보여준다.

나노 미터 단위의 역학을 향상시키기 위해서, 포스트 필터 뱅크(516x, 516y; 도 5에 도시)는 적절한 고주파 모드를 가지는 노치 필터 또는 저역 통과 필터로서 기능하도록 구성될 수 있다.

따라서, 다시 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 시스템이 단순 스프링 질량 시스템과 같이 나타낼 수 있다는 것을 보여준다.

도 7a 및 도 7b는 PID 제어기의 디지털 등가물에 대응하는 개루프 전달 함수(OLTF)를 보여준다. Y 축을 위한 트랙 추종 서보는 도 7a 및 도 7b에서 도시된 것의 성질과 매우 유사한 PID 디지털 제어기를 이용한다. MEMS 시스템은 무마찰 운동 능력(이하에 논의되는 바와 같이 약간의 히스테리시스와 함께)을 가지기 때문에 계산 및 측정 OLTF는 잘 들어맞는다.

그러나, 마찰 유도 성능 저하로부터의 자유도는 플랜트(즉, 스캐너 시스템) 역학에서의 "강성" 항(項)에 의해 대체된다. MEMS를 기반으로 한 스캐너는 정확한 스캔 및 최적의 탐색 능력을 달성해야 하는데, 상기 스캐너의 성능 특성은 강력한 강성 항의 존재하에서 평가하여야 하는 것이 중요하다.

따라서, 비교적 잘 알려진 제어기(예컨대, 유사 PID 제어기)를 사용하여, 굴곡 기반 구조가 측정가능하고, 이 구조의 곡선에 맞추어 지도록 모델링된다. 그러므로, 도 7a 내지 도 7c는 도 6a 내지 도 6c에 도시된 기본 스프링 질량 시스템의 특성에 추가하여, 서보 보상이 수행되는 것을 보여준다.

만약 위치 설정 제어기를 이용하여 스캔을 수행하고자 한다면, 도 8은 PID 위치 설정 제어하에서의 이상 스캔 궤적 및 측정 스캔 궤적을 보여준다. 도 8에서의 이러한 램프(포지티브 스캔)는 도 4에서 도시된 것과 어느 정도 유사하지만, 이것은 위치 설정 제어기를 사용하여 구현된 것이다. 500 ㎛/s의 스캔 속도(R)는 250 nm의 정상 위치 오차를 발생시킨다. 실제 위치는 직접적 측정을 통해 알 수 있고, 실제 속도는 여전히 이상값과 같기 때문에, 기준 램프에 대한 위치 오차는 임의의 읽기/쓰기 조건하에서도 유해하지 않을 것이다.

그러나, 스캐너의 궤적이 임의의 기준 궤적을 이용하여 유연하게(flexibly)프로그램된 경우, 위치 오차는 장애가 되며, 이상 궤적으로부터 실제 궤적을 왜곡시킨다. x = Rt(t 는 시간)에 의해 표시되는 램프 궤적 하에서의 위치 오차 "e"는, 하기와 같이 표시된다.

e = R k_Stiffness/k_I

예를 들어, 베어링 지지된 질량의 경우와 같은, 무강성(stiffness free) 시스템에서, 강성의 기여도는 최소화되고, 상기 에러 항(e)은 거의 0 이 된다.

상당한 강성을 가지는 MEMS에 있어서, 식 (2)는 강성에 대해 오차가 거의 선형적이 된다는 것을 나타낸다. 특히, 읽기/쓰기 도중, 오차 회복 또는 재시도 작업을 위해 스캔 속도(R)가 증가되는 경우, 위치 오차 "e" 역시 커질 수 있다. 그럼에도 불구하고 에러 항은 적분 이득 항 "k_I"을 증가시킴으로써, 감소할 수 있으나, 이 방법은 제어 및 안정도를 고려하는 것에서 기인한, 한계를 가진다. 따라서, 오차 "e"를 최소화하기 위한 대안적인 방법이 바람직하다.

제어 시스템의 구조적 성질을 특성화하면, OLTF들은 타입-1, 타입-2,...등의 시스템들로 분류되는데, 여기서, 타입 순서는 OLTF의 프리 스탠딩 분모 변수 "s"의 차수에 의해 결정된다. 따라서 항 s¹ 은 타입-1 시스템을 지시한다.

도 9a 내지 도 9c는 질량(m) 스프링(k) 댐퍼(k) 시스템의 3가지 경우를 요약한다.

도 9a의 경우, 플랜트는 무저항의 가진력(excitation force; F) 하에서 x 방향을 따라 자유 운동한다. 따라서, 플랜트의 전달 함수(TF; 예컨대, 라플라스 변환)는 그 분모에 s² 항을 가진다. PD 또는 PID 피드백 제어 하에서, 제어 시스템은 각각 타입-2 및 타입-3가 된다(PID 제어에서의 적분기는 여분의 항인 s를 도입하지 만, PD 제어는 그렇지 않다는 점을 유의). 타입-2 또는 그 이상 차수의 시스템을 위한 램프 기준 입력에 의한 정상 상태 오차는, 도 9a 내지 도 9c에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 무시할 정도(null)임이 입증될 수 있다.

보다 실제적이고, MEMS 장치의 경우인, 도 9c의 경우에서, PD 및 PID의 OLTF는 타입-0 또는 타입-1일 것이다. 예시적으로, PD 및 PID 경우를 위한 OLTF를 아래와 같이 설정할 수 있다.

PD 제어기 OLTF = (k_P + k_Ds) / (m s² + c s + k)

PID 제어기 OLTF = (k_P + k_Ds + k_I /s) / (m s²+ c s + k)

= (k_Ds²+ k_P s + k_I) / [ s(m s²+ c s + k)]

OLTF의 분모에 있는 프리 스탠딩 "s" 변수의 차수는 각각 0 또는 1임을 알 수 있다. 상응하는 에러는 무한이거나 유한이다(수학 식 2). 도 8에 도시된 바와 같이, 실험 결과에 의해 PID 제어기에서는 램프 기준 입력에 대한 정상 상태 위치 에러가 유한함이 확인된다. 더 단순한 PD 제어기 하에서는, 에러가 언바운드(unbound)되고, 램프 입력의 크기와 함께 증가한다.

에러 "e"가 발생하는 기본적 메커니즘은 램프 기준 변위가 증가할수록, 스프링의 실제 강성에 의해 동작저항이 증가된다는 것이다. 따라서, PD 제어기에서의 고정 게인 항(gain term)은, 시간에 따라 위치 에러 항을 아무리 증가시켜도 비례적으로 증가하는 구동력을 만들어 낼 뿐이다.

PID 제어기의 경우에, 적분기는 수학식 2에 의해 제시된 위치에서의 바이어스 에러(bias error)에 의해서 연속적으로 증가하는 구동력을 만들어 낼 수 있다.

에러 문제를 최소화하기 위한 하나의 방법은 제어기에 2개의 적분기를 도입하는 것이다. 그러나, 이 방법은 각각의 적분기가 OLTF이 위상에서 90°의 지연(lag)을 만들어내기 때문에, 안정도 문제(stability implication)를 가진다.

본 발명은 전자 수단을 통해 카운터 밸런싱을 제공함으로써 강성 기반 동작저항을 해결한다. 실제 또는 이상적 스캐너 위치가 알려지면, 전자적으로 발생한 힘이 액츄에이터를 통해 적용되어 동작저항을 제거할 수 있다.

이러한 형태의 카운터 밸런싱이 종래의 PID 제어기에 더욱 보강되는 경우, 피드백 제어 시스템의 장점은 유지하는 반면, 램프 기준 입력에 대한 정상 상태 에러는 최소화된다.

따라서, 도 9a 내지 도 9c로부터, 스캐너 시스템이 측정가능한 강성을 가지고 있기 때문에 메커니즘이 정상 상태 위치 에러를 만들어 내는 데에 어떻게 작용하는지를 알 수 있으며, 램프 동작이 수행될 때, 서보 제어기만으로 이러한 부담을 둘 필요가 없음을 알 수 있다.

그 대신, 도 10은 예상 강성 항이 피드 포워드 요소에 의해 (예컨대, 선형 강성을 위한 k_stiffness 유닛(1020)이나 복합 강성을 위한 테이블(1030)를 통해서)제거 된 피드 포워드 구성의 예시적 구조(1000)를 도시한다.

따라서, 이 예시적 실시예에서는 목표 항(예컨대, 목표 기준)은 강성 항을 통해 디지털로 전류로서 액츄에이터로 채워질 수 있다. 정말로, 매 순간 이상 위치가 알려지므로, 만약 스프링 힘이 균등화(neutralizing)될 수 있다면, 그 제어기 자체에 적용되는 데에 필요한 복원력은 통상적으로 존재하지 않는다. 따라서, 본 발명의 예시적 방법은 제어기가 빌드업(build up)되기를 기다리지 않고, 강성 항을 피드 포워딩할 수 있다.

즉, 도 10의 구조(1000)에서는, 입력 목표 위치 X-기준값(항)이 노드(1010; 예컨대, 서밍 노드(summing node), k_stiffness 유닛(1020; 선형 강성을 위한 것임; k가 상수항인 케이스-A) 및 테이블(1030; 복합 강성을 위한 것임; k가 복소수, 파라볼릭 항을 가지는 케이스-B)에 제공된다. 또한 노드(1010)는 스캐너(110; 위치 센서를 가지는)로부터의 스캐너 위치 신호(X-m)를 수신한다. 노드(1010)는 목표 X-기준 위치와 측정된 스캐너 위치 사이의 차를 얻는다.

이 차에 기초하여, 노드 유닛(1010)은 위치 에러 신호(position error signal; PES)를 서보 제어기(1040)로 출력하는데, 이 서보 제어기(1040)는 기준 속도 출력(1050)도 수신한다. 서보 제어기의 출력(U)은 디지털 서밍 노드(1060)에 제공된다. 디지털 서밍 노드(1060)는 또한 선형 강성 또는 복합 강성이 존재하는지 여부에 따라, k_stiffness 유닛(1020)으로부터 입력(U_b)을 수신한다.

노드(1060)는 출력을 증폭기(K_A)에 제공하는데, 이 증폭기(K_A)는 순서대로 노드(1060)으로부터의 신호를 증폭(적분)하고, 신호(U_out)를 스캐너에 제공한다. 스캐너(110)는 순서대로 스캐너 위치 신호(X-m)를 노드(1010)에 제공한다.

따라서, 카운터 밸런싱 항을 만드는 2 가지 방법이 존재한다.

케이스-A에서, 강성은 선형적 또는 수학적으로 표현가능한 함수임이 알려져 있다. 이 경우, 요구되는 액츄에이터 전류를 계산하기 위해서는 k_stiffness 유닛(1020)으로부터의 컴팩트한 계산적 표현이면 충분할 것이다.

케이스-B에서, 저항력은 위치의 복소수 함수이다. 이 경우, 준정적(quasi-static) 전류(mA) 대 변위(㎛) 데이터가 측정되고 저장된 룩업 테이블(1030)이 교정법(calibration method)을 사용하여 구성된다.

도 10이 실행되면, 도 11에서 도시된 결과가 얻어진다.

즉, 도 11은 램프 동작 동안, 강성 카운터 밸런싱 피드 포워드 방법을 사용한 긍정적인 효과를 보여준다. 도 8의 경우와 비교하여, 위치 에러 요소는 거의 관찰되지 않는다. 카운터 밸런스 힘을 계산하기 위해서 강성에 선형 근사(linear approximation)가 사용되었다. 강성 항은 준정적 교정(calibration)을 수행함으로써 얻어졌다.

스캐너의 중립 위치(A-위치)로부터 5 mA 단계의 정상 전류를 주입하고, 그에 상응하는 스캐너의 평형 위치를 관찰하여, 필요 강성 항이 얻어졌다. 교정 결과는 도 12에 도시되었다.

20 ㎛ 크기의 변위에서는, 변위 선은 매우 선형으로 보인다. 그러나, 전류 증가/감소에 의한 포워드/리턴 동작은 동일하지 않다. 이 포워드 동작과 리턴 동작간의 차이는 도 12의 그래프의 우측 스케일을 기준으로 "델타"로 플롯된다. 약 50 nm의 차가 예측될 수 있다. 마찬가지로, 원점 근처에서의 더 정밀한 크기의 교정을 하면, 평균 강성과 상이한 강성을 얻을 수도 있다. 강성 항을 정확하게 나타내기 위한 방법의 선택을 위해서는 추가적인 분석이 필요하다. 액츄에이터 힘 발생 능력상의 비선형성은 도 12의 복합적 표현 내에 암시적으로 포함된다.

따라서, 발명자는 40 mA로 전류를 증가시키고 그 다음 40 mA로부터 전류를 감소시킴으로써 전방 방향으로 이동시키고 그 다음 후방 방향으로 이동시킨 결과, 실리콘 기판은 고유인 강성 이완이 있기 때문에, 예컨대 전류가 원래의 30 mA로 돌아와도, 그에 상응하는 위치는 원래 위치와 정확히 일치하지 않을 수 있다. 그러나, 이 차이는 실질적인 것이 아니고, 터무니 없이 부정확한 것은 아닐 것이다. 이와 같은 맥락에서, 변이를 관리하기 위해서 피드백 제어기를 사용하는 것은 유용할 것이지만, 총체적인(gross) 강성 성분은 본 발명의 시스템 피드 포워드 방법에 의해 표현될 것이다.

2가지 경우(도 8 및 도 11)에서의 기준 및 실제 궤적을 포함한 상세한 위치 에러 특성은 도 13a 내지 도 13c에 도시된다. 위치 에러는 통상적인 강성 값에서 250 nm에서 50 nm로 감소하였다. 위치 에러 컴포넌트는 강성 항을 필요한 만큼 자주 업데이트함으로써 쉽게 거의 0으로 만들 수 있다.

강성 카운터 밸런싱 효과는 또한 도 14에 도시된 바와 같이 측정 위치가 양으로 피드백되는 피드백 모드에서 달성될 수 있다. 따라서, 도 14는 도 10의 시스 템과 같은 결과를 달성하기 위한 다른 하나의 방법을 보여준다. 그러나 도 14의 시스템의 경우, 스캐너(110)의 강성 항은 제어기에 대해서는 0(null)으로 나타나게 된다.

따라서 절대 위치(또는 중립 위치에 대한 위치)를 제공하기 위해서 위치 센서가 배치되기 때문에, 이러한 강성 항(양수임)은 강성 성분(1420)을 통해서(디지털 프로세서 등에서) 카운터 밸런싱을 하기 위해 디지털 서밍 노드(1460)로 채워질 수 있다. 따라서 이러한 예시적 실시예에서, 강성 항(양의 등가 피드백 힘)이 더해진 스캐너(110)는 음의 스캐너 출력의 값으로 카운터 밸런싱할 것이고, 그리하여 자유(플로팅) 시스템(free, floating system)을 만들어 낸다.

이 방법에서, 플랜트를 강성이 없는 시스템과 같이 보이게 하는 동안, PID 제어기는 수정된 플랜트 특성을 설명하기 위해 재디자인되어야 한다. 전술한 내용에서 알 수 있다시피, 피드백 방법은 그 작동 도중에 믿을만한 위치 측정이 요구된다. 강성을 과평가함으로써, 종래의 제어가 포지티브 피드백 구성에 있는 경우와 같이 종래의 제어가 작동되지 않을 때, 불안정한 플랜트를 야기한다.

또한 위치 측정에서의 임의의 소음은 허위 교란 요소(spurious disturbance element)로 해석될 수 있으므로, 바람직하지 못한 위치 에러를 만들어낸다. 따라서, 피드 포워드 방법은 피드백 방법보다 더 바람직하다.

속도 추정기 (Velocity Estimator)

스캔 모드 및 탐색 모드 작동은 각 축을 따른 스캐너 속도의 정보를 요구한다. 속도 서보 모드에서는, 제어값을 생성하기 위해 속도의 추정이 반복적으로 사용된다. 위치 제어 서보는 속도 추정을 이용하여, 예컨대 속도에서 안정(settle out) 위치 서보로의 스위칭 조건이 Y 탐색의 끝에서 충족되도록 보장한다. 위치 센서에 추가하여 속도 센서를 내장하는 비용은 과도할 수 있고, 전자적 회로 리소스를 침해할 수 있다. 스캐너 위치는 고정된 간격(즉, 샘플링 시간)의 이산 시간으로 샘플되기 때문에, 스캐너 속도의 단순 추정은 인접 위치값 사이의 산술적 차이가 된다. 그러나, 실제로 위치 차이 방법은 측정 오차에 의해 손상되므로, 새로 개발된 통계적 추정 방법이 고려될 수 있다(예컨대, John Wieley & Sons,Inc에서 출간된 R.F.Stengel의 Stochastic Optical Control, 1986년, 4장 참조).

X 및 Y축을 따른 스캐너의 추정치를 획득하기 위해 상태 변수 기반의 전체 상태 추정기(속도를 포함한)가 이용된다. 우선 하기의 변수들이 정의된다.

n = 샘플링 순간;

U(n) = DAC 비트로 표현된 액츄에이터 전류 구동기 입력;

Y(n) = ADC 비트로 표현된 액츄에이터 위치 센서 출력;

V(n) = ADC 비트/샘플로 표현된 액츄에이터 속도;

X1(n) = ADC 비트로 표현된 추정 위치;

X2(n) = 추정 속도(= V(n)); 및

X3(n) = DAC 비트로 표현된 추정 미지 힘(estimated unknown force)

스캐너 동역학을 2개의 상태 요소 X1 및 X2의 2차 시스템으로 정하고, 모델 링되지 않은 힘의 부분을 나타내기 위한 추가적 상태 X3를 보강함으로써(예컨대, M.Sri-Jayantha 및 R. Stengel의 "Determination of nonlinear aerodynamic coefficient using the Estimation-Before-Modeling Method", Journal of Aircraft, Vol.25, no.9, 796-804쪽, 1988년 9월호 참조), 하기 형태의 상태 추정기(state estimator)가 만들어질 수 있다.

X1(n) = A1*X1(n-1) + A2*X2(n-1) + A3*X3(n-1) + B1*U1(n-1) + G1*Y(n)

X2(n) = A4*X1(n-1) + A5*X2(n-1) + A6*X3(n-1) + B2*U1(n-1) + G2*Y(n)

X3(n) = A7*X1(n-1) + A8*X2(n-1) + A9*X3(n-1) + B3*U1(n-1) + G3*Y(n)

여기서 상수[A1 내지 A9],[B1 내지 B3] 및 [G1 내지 G3]은 스캐너 전달 함수(TF)와 추정기의 바람직한 필터링 특성으로부터 결정된다. 이 필터링 특성은 수학식 5에 의해 표현된 다이나믹 시스템의 특성근(characteristic root)에 의해 대체로 지배된다.

도 15a 내지 도 15c는 스캔 모드(도 3c에서 위치-B에서 위치-C로)에서의 추정기 특성의 효과를 보여준다. 이러한 도면은 본 발명의 전체 구현 중 예시적 부분으로서의 매우 고도의 속도 추정기를 보여준다.

도 15a는 5000 nm/10 ms의 램프 속도에 상응하는데, 이는 5 kHz의 샘플링 속도에서의 100 nm/샘플의 스캔 비율과 동일하다. 따라서, 도 15a는 측정 및 추정 위치를 보여준다.

도 15b는 1500 Hz 반경에서 특성근을 가지는 행렬식인 수학식 5를 이용하여, 위치 차 및 추정 속도를 보여준다. 도 15b는 디지털 추정기가 매우 "빠름(fast)"을 보여주는데, 이는 필터링을 그리 많이 하지 않음을 의미한다. 보여지는 바와 같이, 정상 속도에서의 파형에서 많은 첨예한 피크("위글(wiggle)")이 있는데, 반면 슬로우 다운 또는 필터에 더 많은 필터링 특성을 추가(예컨대, 더 잘 필터링하면)한 필터를 재디자인하면, 그 결과는 도 15c에서 보여지는 바와 같이 속도가 보다 "부드러워(smoother)"져서, 도 15b에서의 속도보다 더 개선된다.

즉, 도 15c는 1000 Hz 특성근을 가지는 재디자인된 속도 추정기(예컨대 속도 추정기 2)에 대한 위치 차 플롯을 보여준다. 추정기는 디자인 파라미터로서의 특성근을 선택함에 따른 잡음 필터링 능력을 가지는 것을 관찰할 수 있다. 1000 Hz 특성근을 가지는 추정기가 X 탐색을 최적화하기 위한 후속적인 적용에 사용되었다.

따라서, 속도 추정기는 더 개선된 필터링 특성을 가지기 위해 최적 디자인될 수 있다.

탐색 모드 (Seek Mode)

탐색 모드 성능은 최적화를 위해 고려된다. 스캐너 서보에서, X 및 Y 방향 탐색 모두가 요구된다. Y 탐색은 스캐너를 종단 속도(terminal velocity) 0으로 목표 트랙(예컨대 도 3의 위치-B)으로 이동시키도록 도와주는데, 이는 R/W를 위한 후속 동작이 스캐너가 TLC를 따른 팁/어레이를 Y 축을 가로질러 평균 속도 0으로 유지되기를 요구하기 때문이다.

그러나, X 탐색은 혁신적인 고려 사항을 요구한다. X 탐색은 탐색 기준(최소 시간 또는 저장 매체의 마진(margin)으로의 최소 오버슈트와 같은)을 최적화하기를 요구할 뿐만 아니라, R/W가 시작될 수 있기 전에 스캔 속도와 같은 리저브 속도를 만들어내야 한다.

프로그레시브 복합 제어 방법(progressive complex control method)은 X축 탐색 제어를 향상시키기 위해 고안될 수 있다. 우선, 하기의 3가지 방법이 X축 탐색 제어를 향상시키기 위해 기술되고, 그 다음 실험 결과가 보여질 것이다.

3가지 방법은 다음과 같다.

방법-1

유사 PID 위치 서보(PID-like position servo)를 이용하여, 위치-B에서 위치-A으로의 긴 스텝 입력이 만들어진다. 일단 목적지에 도달하고 0의 종단 속도가 달성되면, 피드 포워드 강성 보상(stiffness compensation)이 가해진 램프 기준 궤적에 의해 구동되는 유사 PID 위치 제어기가 사용된다. 스텝 입력 오버슈트뿐만 아니라 스캐너를 안정 위치로부터 요구되는 스캔 속도로 가속하기 위한 "테이크 오프 런웨이(take off runway)"를 마련하기 위하여 X축을 따른 여분의 공간이 요구된다.

방법-2

상기의 경우와 같이, 위치-B에 도달하기까지 단계적인(cascade) 짧은 스텝이 발생되고, 스캔 위상이 시동된다. 이 경우에서, 스탬 입력 오버슈트는 감소되지 만, 탐색 시간은 증가될 것이다.

방법-3

동일한 속도 서보 하에서 움직임의 방향이 변화되고 동일한 속도 서보를 사용하여 스캔 모드가 시동되는 위치-B로 가는 전 과정 동안에, 기준 속도 궤적을 따르기 위해 속도 서보가 이용된다. 이 방법에서, 위치-A에서 R/W 준비 상태로 이동하기 위한 시간은 최소화되는 것으로 관찰된다. 속도 벡터가 180°의 방향 변화되는 경우에서는 적당한 오버슈트 공간이 여전히 요구된다.

도 16a 및 도 16b는 방법-1에 대응된다. 즉, 위치-B로 단일의 스텝 움직임이 이루어지는데, 약간의 오버슈트와 함께 위치-B로 빠르게 이동하고, 후속적인 램프 전에 잠시 멈추어 있는다.

방법-1은 k_stiffness, k_stiffness로의 피드 포워드, 시스템의 정보 등을 이용하지 않지만, 스캔 도중의 피드 포워드를 가진다. 그러나, 이러한 피드 포워드는 이 경우에서는 중요하지 않은데, 그 이유는 이 경우는 위치-A에서 위치-B로 이동하는 데에 초점이 맞추어지기 때문이다.

5 ㎛의 X 축 움직임은 약 3 ㎛의 오버슈트 및 스캔 모드 초기화를 위해 요구되는 1㎛의 "테이크 오프 런웨이"를 요구함을 알 수 있다. 요구되는 스캔 속도에 도달하기까지, 총 시간은 약 11.5 ms이다.

도 16b 내지 도 16d는 위치(도 16a의 반복), 속도 및 전류 명령에 각각 대응한다.

도 16e는 시간 스케일이 도시되지 않은 2차원(즉, X 및 Y에서의 움직임) 표현을 도시한다. Y-스케일이 X-스케일보다 더 세밀한 것(granular)이 주목된다. 탐색 동작은 안정 위치-A로부터 출발하여, 위치-B 근처의 목표 트랙으로 이동하고, 그 다음 Y-트랙 추종 서보 및 X-트랙 추종 서보(즉, "트랙 추종 스캔"으로 지칭된)가 뒤따른다. 탐색에서 트랙 추종 스캔으로 전이되는 위치-B에 의해 덮여지는 "보더(border)" 영역은 R/W 성능뿐만 아니라 저장 매체의 효율적 사용에 있어서 중대하다. 본 실시예 테스트에서는 스캔 트랙은 200 nm 두께의 트랙 피치에 의해 분리된다.

따라서, 도 16e는 원래 위치-A(즉, 원래의 테스트 위치)에서 위치-B로의 움직임, 위치-B에서의 오버슈트, 선회, 스캔 작동, 위치 C로의 스캔 시작, 스텝 다운, 리저브 스캔 어크로스(reserve scan across), 스텝 다운 및 후속적인 스캔 수행 등을 보여준다.

도 17a 내지 도 17e는 방법-2에 대응된다. 이 방법은 단일의 큰 스텝은 과도할 것임을 인식하고 있다. 따라서, 이 방법은 오버슈트를 최소화하기 위한 시도를 하지만, 도 1에서 요구되는 총 시간보다 더 많은 총 요구 시간을 감수하여야 한다.

따라서, 방법-2는 일련의 미니 스텝 움직임이 "테이크 오프 런웨이"를 위해 1 ㎛가 여전히 요구되는 채로, 오버슈트를 거의 0 ㎛으로 줄이지만, 총 시간은 15 ms로 증가한다. 더 자세하게는, 복수 개의 0.5 내지 1.0 미크론 크기의 스텝으로 도 17a의 약 -5000 nm의 목표 위치에 도달한다. 그러나, 예시적 실시예에서, 스텝은 스캔을 준비하고 과도 지연(transient delay)을 최소화하기 위해 -6000nm까지 움직이도록 허용할 수 있다.

도 17b 내지 도 17d는 위치(도 16a의 반복), 속도 및 전류 명령에 각각 대응한다.

도 17e는 도 16e와 비슷한 테스트 결과의 2차원 표현을 도시한다. 이 예에서는, 70 nm 두께의 피치에 의해 분리된 많은 트랙을 따라 연장된 스캔이 예시된다. 이 구성은 강성 카운터 밸런스 방법(stiffness counter balance method)이 개발되기 전에 연구되었다.

본 발명자는 스캐너 강성의 정보를 이용하지 않고서는, 바람직한 탐색 정착(settling) 특성을 달성하는 속도 제어기(약 5 kHz의 샘플링 속도에서의)를 설계하는 것은 어렵다는 것을 알아냈다. 제어기는 스캐너 질량을 가감속하여야 할 뿐만 아니라, 강성 저항에 대항하여 연속적으로 증가하고 급속하게 균등화하는(위치-B 근처에서) 짝힘(counter force)를 만들어내야 한다. 오버슈트 거리는 최소화되는 반면, 스캔까지의 탐색 시간은 15 nm로 증가한다. 이는 오버슈트를 위한 보더 마진 대 탐색 스캔 시간 사이의 경쟁력 있는 트레이드오프는 아니다.

따라서, 방법-1은 스캔 모드로 더 신속히(11.5 ms) 도달하지만, 더 넓은 보더 영역을 요구하는 반면, 방법-2는 저 적은 "부동산(보더 또는 마진 영역)"을 이용하지만, 스캔 보드를 구동하는데에 15 ms(즉, 방법-1보다 약 3.5 ms 더 느리다) 를 요구하듯이, 방법-1보다 더 느리다.

도 18a 내지 도 18e는 방법-3에 대응하는데, 이 방법은 전술한 방법들을 최적화(즉, 마진과 시간 모두를 최적화)하도록 디자인된 것이다. 탐색 및 스캔을 위한 연속적인 속도 서보는 단지 3 ms의 탐색 스캔 시간 및 스캔 속도를 재획득하기 위해 0.5 ㎛의 보더 영역만을 요구한다. 방법-3은 탐색 시간 및 보더(또는 마진) 길이 모두를 최소화하는, 가장 경쟁력있는 결과를 만들어 낸다.

방법-3에 의해 수행되는 것과 같이 탐색에서 트랙 추종 스캔 동작으로의 전이를 최적화하는 것은 2가지 혁신적인 단계를 이용한다.

첫 번째 단계는 각 X 탐색을 위한 속도 프로파일을 만드는 것이다. 목표 거리에 도달할 때 통상적으로 0의 속도로 종결되는 속도 프로파일은, 구조적으로 수정되어 0 보다 큰 종단 속도로 연장하여야 하고, 요구되는 스캔 속도와 동일한 리저브 속도(reserve velocity)를 부여하여야 하며, 트랙의 종단에 도달할 때까지 스캔 속도를 계속하여 유지하여야 한다(트랙의 종단에서 선회가 발생함. 이는 Y-위치 서보에 의한 스텝 동작에 의해 달성되는데, 그 동안 X-스캔 서보는 반대 방향으로 동일한 스캔 속도를 만들어 냄).

속도 프로파일 및 X-Y 제어기의 모드의 개략도가 도 19에 도시되었다.

두 번째 최적화 단계는 "강성" 문제를 관리하는 단계이다. 더 높은 샘플링 속도는 쉬운 디자인적 트레이드오프를 촉진한다. 경쟁력있는 것으로 기대되는 샘플링 속도에서는, 탐색 제어기에는 보강이 필요함을 알 수 있다. 스캐너를 평형 상태로 유지시키기 위해 요구되는 힘은 전술한 바와 같이 강성에 대한 정보로부터 계산될 수 있다.

따라서, 가속을 보조하기 위해서(X축을 따른 -ve 방향으로) 평형 값과 동일한 제어기 출력 내의 스텝 변화가 생성된다. 속도 추정기는 기준 속도 프로파일을 따르려고 시도하는 속도 서보 출력에 부가되는 이러한 제어 출력에 의해 구동된다.

도 18a 및 도 18b는 X축(-ve)을 따른 위치-A에서 위치-B까지의 지점의 시간 전개를 보여준다.

도 18c는 추정 속도를 도시한다. 1250 nm/샘플이 피크 속도는 6 샘플(1.2 ms)에서 달성되는데, 이는 제어기가 스캐너의 강성에 대항하여 빌드업되기에는 거의 불충분한 시간이다.

도 18d는 강성 피드 포워드 출력(즉, 상대적으로 강력한 출력 전류)만을 도시하고, 그 피드 포워드 출력이 더해졌을 때의 속도 제어 출력을 도시한다. 피드 포워드 강성 항은 제어기의 행동을 도 19에 예시적으로 도시된 궤적에 맞추도록 해 준다. 이 플롯으로부터, 본 실시예에서는 서보 제어 출력(강성 항이 없는)은 처음 3개의 샘플에 대해서는 양이고, 그 다음 7개의 샘플에 대해서는 음이라는 것을 알 수 있다. 속도 제어기 쿠션은 스캔 모드로의 전이가 한정된 샘플 내에서 이루어지도록 하기 위한 스프링에 의한 감속 레벨이다. 10 내지 15 ms의 기존의 탐색 시간은, 본 발명의 2가지 혁신적인 단계를 통해서 3 ms로 감소될 수 있음이 예증되었다.

강성 피드 포워드 요소는 그것을 좀 더 복잡하게 만듦으로써 더욱 최적화할 수 있다. 가속/감속/스캔 위상과 함께 출력 레벨을 스텝핑함으로써 무브 시간은 더욱 감소할 수 있다. 이는 본 발명의 범위를 넘어서는 주제이다. 모든 탐색 길이에 대해 일반적인, 특히 X-Y 동역학이 결합되었을 때의 스위칭 기준은 달성되기 어렵고 더 많은 노력이 요구된다.

방법-3에 유사하게 대응하는 도 18e는 방법-3의 시스템의 2차원 탐색 성능을 도시한다.

따라서, 방법-3은 도 18d에 도시된 것과 같이, 강성 피드 포워드 속도 궤적을 실행한다. 예시적 실시예에서, 방법-3은 케이스-A를 사용하고 서보 제어기(1040)가 기준 속도(1050)로 채워지는 도 10의 시스템을 이용하는 것이 바람직한데, 반면 예시적 실시예의 방법-1 및 방법-2는 X-위치 제어기(속도 제어기에 반대되는)를 이용한다. 명백히, 본 명세서 전반을 차지하는 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 구성도 가능하다.

비록 몇 가지 바람직한 실시예를 통해 본 발명이 기술되었지만, 당업자라면 본 발명이 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 내에서 수정을 가할 수 있을 것이다.

또한, 출원인의 의도는, 비록 차후의 절차에서 수정이 된다 하더라도, 모든 청구된 요소의 등가물을 포함한다는 것이다.

전술한 본 발명의 독특하고 비자명한 실시예와 함께, 종래의 제어 구조를 보강한 서보 구조가 개발되었다. 이 서보 구조는, 비례 적분 미분(PID) 타입을 포함하여, MEMS를 기반으로 한 스캐너의 상당한 강성 특징이 예시적 피드 포워드 제어 방법을 통해 통합적으로 균등화된다. 또한, 피드백 제어 방법은 많은 장점이 발생 한다.

따라서, 전술한 바와 같이, 본 발명은 굴곡 요소 시스템(즉, MEMS를 기반으로 한 스캐너에 필수적인)에 의해 발생하는 저항 효과를 극복하는 새로운 서보 아키텍쳐의 몇 가지 예들을 제공한다.

또한, 본 발명은 트랙 추종 스캔 및 2차원 스캔을 포함한 AFN 기반의 저장 어플리케이션을 위해 개발된 스캐너의 복수 개의 기능을 전달한다.

Claims

고유 강성(stiffness) 성분을 갖는 동작 발생기를 포함하는 이차원 미소 전자기계 시스템(MEMS)을 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고유 강성 성분을 제거하기 위한 피드 포워드(feed forward) 요소를 더 포함하는 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제2항에 있어서, 상기 피드 포워드 요소로부터의 입력을 수신하도록 연결된 노드를 더 포함하고,

상기 피드 포워드 요소는, 목표 위치 제1축 기준 신호에 기초하여 상기 노드의 입력이 되는 강성 성분을 발생시키기 위하여, 복합 강성을 저장하기 위한 룩업 테이블(look up table) 및 선형 강성 유닛(linear stiffness unit) 중 하나를 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 동작 발생기에 연결되는 노드; 및

상기 동작 발생기 및 상기 노드 사이에 연결되는 강성 항(項) 유닛(stiffness term unit)을 더 포함하며,

목표 기준 항(target reference term)은 상기 강성 항 유닛을 경유하여 상기 노드에 전류로서 디지털로 전달되는 입력인 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 목표 위치 제1축 기준 신호 및 기준 속도에 기초한 위치 에러 신호를 수신하기 위한 서보 제어기를 더 포함하며,

상기 강성 항은 상기 서보 제어기가 빌드업(build up)되기 전에 피드 포워드되는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서,

목표 위치 제1축 기준값 입력을 수신하기 위한 입력 수신 노드;

선형 강성을 위한 k_stiffness 유닛; 및

복합 강성을 표시하는 값을 저장하기 위한 룩업 테이블을 더 포함하며,

상기 입력 수신 노드는 상기 동작 발생기로부터 동작 발생기 위치 제1 기준 축 신호를 수신하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제6항에 있어서,

상기 입력 수신 노드의 출력에 연결되는 서보 제어기; 및

상기 서보 제어기로부터의 출력 및 상기 강성의 선형성을 기초로 상기 k_stiffness유닛과 상기 룩업 테이블 중 하나로부터의 출력을 수신하기 위한 출력 수신 노드를 더 포함하며,

상기 입력 수신 노드는 위치 에러 신호(PES)를 상기 서보 제어기로 출력하고, 상기 서보 제어기는 기준 속도 입력을 더 수신하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제7항에 있어서, 상기 동작 발생기로의 출력을 제공하기 위해 상기 출력 수신 노드로부터의 출력을 수신하고 증폭하기 위한 증폭기를 더 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 위치 센서, 제1축/제2축 테이블 및 상기 동작 발생기를 구비하는 스캐너를 더 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제8항에 있어서, 상기 동작 발생기는 상기 출력 위치 신호를 상기 입력 수신 노드에 제공하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고유 강성 성분에 카운터 밸런스(counter balance) 항 을 발생시키기 위한 발생 수단을 더 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제11항에 있어서, 상기 발생 수단은 상기 강성이 선형적이고 수학적으로 표현 가능한 함수인 경우의 조건을 위한 k_stiffness 유닛을 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제11항에 있어서, 상기 발생 수단은 상기 강성이 복소 함수(complex funtion)를 포함하는 경우의 조건을 위한 룩업 테이블을 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
고유 강성을 가지는 스캐너; 및

상기 스캐너의 강성을 카운터 밸런싱하기 위한 요소를 피드 포워드하기 위해 상기 스캐너에 작동적으로(operatively) 연결된 피드 포워드 메커니즘을 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제14항에 있어서, 상기 스캐너의 강성은, 상기 피드 포워드 요소에 의해 카운터 밸런스될 때, 램프(ramp) 동작에 의해 상기 스캐너의 위치 에러를 최소화하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제14항에 있어서, 탐색(seek) 동작 제어는 탐색의 끝 또는 스캔 위치의 시작에서 기대되는 카운터 밸런싱 힘으로 탐색을 개시함으로써 최적화되는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제16항에 있어서, 탐색을 위한 제1축 속도 프로파일은 요구되는 스캔 속도로 탐색 동작을 종결하는 것인 스캐너의 움직임 제어용 서보 제어기.
트랙 추종 스캔(track follow scan) 모드 및 선회(turn around) 모드 하에서의 제1축 동작 및 제2축 동작을 발생시키는 서보 유닛을 포함하며,

상기 제1축 동작을 발생시킬 때, 상기 서보 유닛을 위한 램프 궤적(ramp trajectory)용의 적절한 기울기를 선택함으로써 스캔 속도가 프로그램 가능한 것인 스캐너의 움직임 제어용 서보 제어기.
제18항에 있어서, 상기 서보 유닛은 X 축을 위한 제1 서보 및 Y 축을 위한 제2 서보를 포함하는 것인 스캐너의 움직임 제어용 서보 제어기.
제19항에 있어서, 상기 제1 서보는,

상기 스캐너의 위치 정보 신호를 수신하고, 상기 위치 정보 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털(A/D) 컨버터;

상기 A/D 컨버터로부터의 출력을 수신하기 위한 위치 제어기;

상기 A/D 컨버터로부터의 출력을 수신하기 위한 속도 추정기;

상기 속도 추정기로부터의 출력을 수신하기 위한 속도 제어기;

상기 속도 제어기로의 입력을 제공하기 위한 기준 궤적(reference trajecroty); 및

상기 속도 제어기 및 상기 위치 제어기 중 하나로부터의 출력을 수신하고, 제어 신호를 제공하는 포스트 필터 뱅크

를 포함하는 디지털 제어기;

상기 제어 신호를 수신하고 아날로그 신호를 생성하는 디지털-아날로그(D/A) 컨버터;

상기 아날로그 신호를 수신하기 위한 전류 증폭기; 및

상기 스캐너를 구동시키기 위해 상기 전류 증폭기로부터의 출력을 수신하기 위한 액츄에이터를 포함하는 것인 스캐너의 움직임 제어용 서보 제어기.
제1 속도 및 제1 정확도로 2차원 탐색을 수행하는 단계; 및

제2 속도 및 제2 정확도로 1차원 스캔을 수행하는 단계를 포함하며,

상기 제1 속도는 상기 제2 속도보다 높고, 상기 제1 정확도는 상기 제2 정확도보다 낮은 것인 저장 중심(storage-centric) 어플리케이션 수행 방법.
제21항에 있어서, 탐색의 끝 또는 스캔 위치의 시작에서 기대되는 카운터 밸 런싱 힘으로 탐색을 개시함으로써 탐색 동작 제어를 최적화하는 단계를 더 포함하는 것인 저장 중심 어플리케이션 수행 방법.
제22항에 있어서, 상기 탐색을 위한 제1축 속도 프로파일은 요구되는 스캔 속도로 종결되는 것인 저장 중심 어플리케이션 수행 방법.
제1항에 있어서, 상기 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템의 굴곡(flexure) 시스템 내의 속도를 추정하도록 해 주는, 알려진 바이어스(known bias)를 가지는 디지털 속도 추정기를 더 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고유 강성 성분을 제거하기 위한 피드백 요소를 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고유 강성 성분은 측정된 위치가 양으로(positively) 피드백되는 방식으로 카운터 밸런스되는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제25항에 있어서, 상기 동작 발생기를 포함하는 스캐너를 더 포함하고,

상기 스캐너의 강성 항은 상기 제어기에게 영(null)으로 보이도록 만들어지 는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제25항에 있어서,

상기 동작 발생기로의 입력을 제공하기 위한 노드 및

상기 노드에 연결되는 강성 성분을 더 포함하고,

상기 강성을 카운터 밸런스하기 위해 상기 고유 강성 성분이 상기 강성 성분을 통하여 상기 노드로 채워지는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제20항에 있어서, 상기 속도 추정기는 소정의 필터링 특성을 가지도록 최적화 디자인된 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제28항에 있어서, 상기 속도 추정기는 정상(steady) 속도 동안의 파형에서 더 큰 노이즈 피크가 발생하는 것을 허용하는 대가로 소정의 신속한 필터링 능력을 가지는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
제28항에 있어서, 상기 속도 추정기는, 정상 속도 동안의 파형이 실질적으로 일정하도록 소정의 느린 필터링 능력을 가지는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
타입-1 시스템을 포함하는 비례 적분 미분(PID) 제어기를 포함하고,

상기 제어기는 램프 동작에 의한 정상 위치 에러를 가지는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.
MEMS를 기반으로 한 동작 제어 장치 내의 스캐너 제어 방법으로서, 상기 제어 방법은,

각각의 X 탐색(X-seek)을 위한 속도 프로파일을 생성하는 단계; 및

상기 스캐너의 강성을 관리(manage)하는 단계를 포함하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 장치 내의 스캐너 제어 방법.
제33항에 있어서, 상기 속도 프로파일은 구조적으로 수정되어 0 보다 큰 종단 속도로 연장하고, 요구되는 스캔 속도와 동일한 리저브(reserve) 속도를 부여하며, 트랙의 종단에 도달할 때까지 스캔 속도를 계속하여 유지하는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 장치 내의 스캐너 제어 방법.
제34항에 있어서, 트랙의 끝에서 선회를 수행하고, 상기의 선회의 수행은 Y-위치 서보에 의해 수행되는 스텝 움직임(step move)을 포함하며, 그동안 X-스캔 서보는 반대 방향으로 동일한 스캔 속도를 만들어 내는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 장치 내의 스캐너 제어 방법.
제34항에 있어서, 평형 값과 동일한 제어기 출력 내의 스텝 변화가 생성되고, 기준 속도 프로파일을 실질적으로 따르는 속도 서보 출력에 부가되는 제어기 출력에 의해 속도 추정기가 구동되는 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 장치 내의 스캐너 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 동작은 2차원 동작인 것인 MEMS를 기반으로 한 동작 제어 시스템용 서보 제어 시스템.