TWI284195B - Capacitance-based position sensor - Google Patents

Description

1284195 θ Λ (»廳擁麵：翻_之技_良先丨丨嘴 '麵Λ.奴丨^顏輔明） 【韻^明所屬之技姻^領域】 發明領域 本务明係有關被女裝為可產生隨一對可動式物件之相 對位置而改變之輸出電容的電容式位置感測器。 5 【?i5r *^SL 】 發明背景 使用電容測量二物件間之相對位置係為人所熟知。 一種位置感測方法需要將二傳導板添附於相對於彼此移 動之物件。此等板通常係固定於此等物件，因而彼此重 1〇疊且彼此平行，並藉由一間隙隔離。此等二板與内插介 質（諸如空氣）可產生部分取決於此等板彼此重疊之程度 之電容。當此等物件移動時，重疊之數量改變，導致電 容之對應改變。由此電容改變，此等物件間之相對位移 之數量可被判定。 使用上述方法之困難為各種因素皆可令電容產生 改變。假設直線x_y_z座標系統及—對平行於此a平 面之傳導板，電容變化係因發生於所有三座標軸間之此 等板間之相對平移而起1而，許多包括上文所述之簡 單系統之位置感測系統並無法區分因沿—抽發生之動作 2〇而起之電容改變以及因沿另—轴發生之動作而起之電容 改變。 上述問題在特疋型式（諸如非常微小之電腦儲存裝 置）之微電機系統(MEMS)中係特別重要的。此等儲存裝 置中之某些包括-被設計為可移動於與一相關讀取/寫 1284195 玖、發明說明 (發明說麵敘明：發明所觸之技術㈣、先_術 、内容、Μ施力式及丨湖睛(説明） 入裝置有x-y +面内之儲存㈣。為正確地存取並 將資料寫入此媒體，此儲存媒體與讀取/寫入裝置之精 確相對位置必須被知道。肖此等裝置使用之靜電驅動機 構及其餘致動機構通常可有效產生x-y動作，然而，其 偶爾亦會產生附帶之z軸動作。如果此種附帶z軸移動 叙生，上文所述之傳統電容位置感測系統將因上文所述 之理由產生錯誤之位置讀數。除此之外，此亦可導致錯 誤之資料讀取、或現存資料之意外重寫。 10 現存電谷式位置感測器之另一問題為其靈敏度有限。 特別係在微儲存裝置及其餘MEMS系統，其希望所使用之 位置感測器可產生明顯地變化為位置之給定改變之函數的 輸出。在某些儲存裝置中，位置必須以奈米片段測量。許 多現存感測器並不足以靈敏至可提供適於判定至精細解析 度之位置之輸出。 15 7 1284195 玖、發明說明 【發明内容】 發明概要 據此，本發明可提供一使用於可動式系統之具有一對 經由沿-轴之相㈣作之可操職圍相對於々皮此移動之物 5件的位置感測器。此位置感測器係為電容式，且包括一固 定於此等物件中之一者使得其與此轴平行之第-板。此感 測器亦包括-對固定於此等物件中之另一者使得其為相鄰 且共平面之第二板，並於此等物件係沿此軸而相對於彼此 和動時，此等第二板係與此第一板隔離且平行。此第一板 10與此等第二板係被安裝為可使其形成二個具有當此等物件 係沿此軸而相對於彼此移動於此操作範圍内時改變之電容 之隔離板電容器。此位置感測器被安裝為可使用此等電容 產生可用以判定沿此軸之此等物件之相對位置的輸出。 圖式簡單說明 苐1至3圖顯示包括根據本發明之一實施例之電容 式位置感測器的電腦儲存裝置的不同透視圖。 第4圖係根據本發明之電容式位置感測器之概略頂 視圖。 弟5至7圖係描述當黏附至一對經由一 X轴動作範 20圍而相對於彼此移動之物件時，第4圖之位置感測器之 部分的側視圖。 第8圖係描述與第4至7圖所示之位置感測器相關 之電路模型。 第9圖係根據本發明之另一電容式位置感測器之概 1284195 玖、發明說明 略頂視圖。 弟 2圖係萄黏附至一對經由一 x軸動作範圍 而相對於彼此移動之物件時，描述第9圖之位置感測器 之部分的側視圖。 5 帛13 ®係描述與帛9目之位置感測器相關之電路 模型。 第14圖係根據本發明之再另一位置感測器之等量 描述。 第15圖係當黏附至一對經由一 χ軸動作範圍而相 1〇對於彼此移動之物件時，描述第14圖之位置感測器的 部分的側視圖。 第16圖係顯示作為供第14以及15圖之位置感測器用 之χ軸位移函數的電容輸出波形圖。

C實施方式；I 15 較佳實施例之詳細說明 本發明係有關於電容式位置感測器。此處所述之位 置感測器實施例可使用於各種設定，但已經證實於使用 於非常微小之電腦儲存裝置及其餘MEMS系統時特別 有利。僅供說明之目的，下文所述之位置感測器實施例 2 0 主要將以高密度MEMS電腦儲存裝置為背景進行討論 〇 第1及2圖個別顯示儲存裝置100之侧視戴面圖及 頂視截面圖，其中根據本發明之位置感測器可被使用。 儲存裝置100包括數個諸如102及104之場發射器；一 1284195 玖、發明說明 具有數個諸如⑽之儲存區域之館存媒體咖；以及棉 描（移動）有關場發射器之儲存媒體⑽或有_存媒體 106之場發射器之微致動器m。儲存裝置ι〇〇可被安 裝為可使每一儲存區域係為可儲存-位元或許多位元資 訊。 、

，此等場發射器可被安裝為具有料尖銳之點的點發 射器。舉例言之’每-場發射器可具有約為—至數百奈 米（nanometer)之曲率半徑。在操作期間，一預先選擇之 電位差被施加於-場發射器及其對應閘極間，諸如發射 1〇器1〇2及環繞發射器102之環形閘極1〇3間。由於發射 器之尖點之故…電子束電流自發射器被摘取，並被以 馬精確度導向㈣存區域。取決於此等發射器及儲存媒 體106間之距離、發射器之型式、以及所要求之點尺寸 (位元尺寸），電子光學係被希冀用以聚焦此等電子束。 15 一電壓亦可被施加於儲存媒體1〇6以加速或減速此等場 發射電子或用以辅助聚焦此等場發射電子。 殼體120通常係適於將儲存媒體1〇6維持為部分真 空，例如至少10_5托耳（torr)。研究人員已使用半導體 處理技術於真空腔室生產微製造場發射器。舉例言之， 2〇 參見由瓊斯（J〇nse)所著，刊登於1992年版IEEE元件合 成及製造科技第1051頁第15段之「矽場發射電晶體及 二極體」（IEEE Transaction on Components，Hybrids and

Manufacturing Technology, 15? page 1051, 1992) 〇 每一場發射器可對應於一或多個設置於儲存媒體 10 1284195 玖、發明說明 106之储存區域。此料—場發㈣係可供數個儲存區 域用，儲存裝置iOO通常係適於掃描或影響殼體12〇(例 如場發射裔）及儲存媒體丨06間之相對移動。舉例言之 ，微致動器110通常係適於將媒體106掃描至不同地區 5 ，使得每一場發射器係定位於不同儲存區域之上。以此 種組態，微致動器110可被用於掃描儲存媒體上之場發 射器之一陣列（通常係二維陣列）。由於儲存媒體106係 相對於殼體120移動，其將偶爾被歸類為「動子 (mover)」。對應地，殼體12〇及各種相對於殼體被固定 10之不同元件將偶爾被歸類為「定子（stator)」。 此等場發射器通常被安裝為可經由其所產生之電子 束屑取及寫入儲存區域上之資訊。如此一來，適用於儲 存I置100之場發射器必須產生夠狹窄之電子束以於儲 存媒體106達成所欲位元密度。更詳而言之，此等場發 15射器必須提供具有足夠能量密度之電子束以實施所欲之 頃取及寫入操作。各種方法可被用以製造此等場發射器 。舉例言之，一種方法被揭露於1976年12月版之應用 物理期刊第12卷第47期之由史賓德（Spindt)等人所著 之「具有鉬錐之薄膜場發射陰極之物理特性」 20 TPhysical Properties of Thin-Film Field Emission

Cathodes With Molybdenum Cones” by Spindt et al， published in the Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 12, December 1976)。另一方法被揭露於1991年第4屆 國際真空微電子論壇之技術摘要之由貝斯儀（Betsui)所 1284195 玖、發明說明 著之「矽場發射器陣列之製造及特性」（“Fabrication and Characteristics of Si Field Emitter Arrays55 by Betsui, published in Tech. Digest lnt. Vacuum Microelectronics Conf.5 Nagahama, Japan, page 26, 5 199。此等發射器已成功地使用於各種應用，諸如平 板顯示器。 10 15 20 術100發射器），在x及y方向皆具有50微与 (micrometer)之發射裔間距。每一發射器可存取成千」 萬儲存區域内之位元。舉例言之，此等發射器可掃描 亦即相對移動）具有二維陣列儲存區域之儲存媒體，此 處相鄰儲存區域間之周率可為任意奈求片段或ι〇〇奈求 以上’且此處此微致動器之操作範圍係X & y方向5( U米。同時，此等場發射器可被同時定址或以多工方式 定^平行定址架構可提供儲存裝置1⑽有關存取時間 及資料率之足夠效能增進。 第3圖係解釋用儲存媒體⑽之頂視圖，描 區域之二維陣列及場發射器之二維陣列,電;;t 顯不）被用以定址此箄鍅左 寻儲存£域。如此一來，其將經當 需要將儲存區域分割為列，諸如列M0,此處每—列人 核個儲存區域，諸如儲存區域⑽。通常，每—I 态係可用於數列，但盔 ^ ^ ”、、法用於此專列之全部長度。 吕之，如前所述，發射器1〇2係可供列14〇幻 行144至146内之儲存區域使用。

12 1284195 玖、發明說明 前文所述之係有關解釋用儲存裝置，其中根據本發 明之位置感測器可被使用。此等型式之儲存裝置之其餘 態樣係揭露於賜頒予吉柏生（Gibson)等人之美國專利第 5557596號，該號專利之揭露内容係被包含於此處作為 5 參考之用。

為正確地於所欲儲存區域實施讀取及寫入操作，其 將經常希望使用精確位置感測及控制有關微致動器11〇 之操作。據此，儲存裝置10〇可設置具有根據本發明之 電容式位置感測器。一個此種位置感測器大致係如第i 10圖之160所示。感測器160輸出一或多個隨動子1〇6及 疋子12 0之相對位置而變化之電容值。 此位置感測器之各種實施例及態樣將參考第4至 16圖說明如下。類似於第1&2圖，此等圖式中之某 些將具有附隨圖例，說明直線x_y_z座標系統内之所述 15 主題之定向。此等圖例係被包括為僅供清楚說明之目的 用’且並未企圖限制本發明之範圍。舉例言之，儲存媒

體106主要係移動於如第 及2圖所示之χ-y平面。據 20 此，當欲描述之位置感測器係與儲存裝£ ι〇〇使用時， ”通系係被叹叶為感測x_y平面内之儲存媒體之位置。 然而’應瞭解者為此等位置感測器可被用於感測許“ =欲方向之移動，包括不同於如第 意定義之X、y平面之平面。 第 種態樣 4至8圖描述根據本發明之位置感測器162之各 。如第4至7圖所示’感測器162可包括數個各 13 1284195 玖、發明說明 自皆具有一或多個板之板總成，包括具有Μ1板166及 168之Ml板總成164、具有M2板172及174之M2板 總成170、以及具有S1板178以及180之S1板總成 176 ° 5 此等Μ1及M2板總成可被固定於儲存媒體1 〇6(第 1及2圖）’且係因在描述解釋中，儲存媒體1 以及 Ml及M2板係可相對於殼體120移動，故被指定以字 母「Μ」。通常，如第4圖所示，Μ1板中之全部皆係電 氣連接，且M2板中之全部皆係電氣連接。絕緣間隙 10 182係被設置於相鄰]νπ及M2板間，使得此等Ml及 M2板總成彼此絕緣。 S1板總成176及其板被指定以字母rs」，此係因 其通常係相對於殼體120不動。如圖所示，si板178 及180通常係電氣互連。此等前文所述板之電氣互連及 15 特性將於下文更為詳細說明。 如第5至7圖之最佳顯示，Ml板166以及168可 被固疋於健存媒體160(亦即動子）之底面。更詳而言之 ’如第5至7圖所示，此等Ml板可被固定於一或多個 朝向此儲存媒體之邊緣設置之耦接區塊。在所描述之儲 2〇存裝置中，其有二組耦接區塊。X軸耦接區塊i〇6l以 及106L沿儲存媒體1〇6之頂部及底部延伸於χ方向， 且y軸輕接區塊1〇6l以及106屯沿儲存媒體之左側以及 右侧延伸於y方向。當儲存媒體沿X軸移動時，此等X 軸耦接區塊l〇6a以及106b與儲存媒體移動，但當其沿 14 1284195 玖、發明說明 . y轴移動時’此等X軸耦接區塊並未與儲存媒體移動。 換言之’耦接區塊1〇6匕以及1〇6b__係為χ軸動作之目的 ， 而相對於儲存媒體固定，但係為y軸動作之目的而獨立 於儲存媒體。γ軸耦接區塊106l以及106d_係以類似但 5 相反之方式工作：其係為y軸動作之目的而相對於儲存 媒體固定’但係為χ軸動作之目的而獨立於儲存媒體。 此種轉接區塊之使用係敘述於由彼得·哈維爾（Peter G.

Hartwell)及唐諾•費森（D_ld】

Fasen)等人於2001年 · 05月31日提出申請之美國專利申請案第09/867,667號 10案（發明名稱為：「供動作感測器用之彎曲耦接區塊 (Flexure Coupling Block f〇r Motion Sensor)」），以及由 彼得·哈維爾（Peter G. Hartwell)及唐諾•費森（Donald J. Fasen)等人於2001年〇5月3!日提出申請之美國專 利申請案第09/867,666號案（發明名稱為：「三軸動作感 15測器（Three-Axis Motion Sens〇r)」），此等專利申請案之 皆露皆被包含於此作為參考之用。據此，此輪接區塊 · 將不會再有更為深入之說明。 熟於此技者將可瞭解位置感測器162之此等M1以 及M2板總成可直接被固定於儲存媒體1 〇6之本體，以 … 20替代經由耦接區塊與其操作地固定。此等S1板通常係 固定或安裝於殼體12G(亦即定子），使得其面向此等⑷ ’ 以及M2板。 如第5至7圖之最佳顯示，此等⑷、·以及si — 板通常係為平面結構，且相對於動子1〇6以及定子i2〇 15 1284195 玖、發明說明 * 係相當地薄。此等板可使用半導體製造技術或其他適當 製造方法而放置於動子以及定子上，或固定於其上。如 此一來，此等Ml以及M2板總成通常係固定於儲存媒 體106，使得此等Ml以及M2板總成係彼此相鄰、共 平面、且藉由絕緣間隙182隔離。除與此等m2板共平 面外，每一 Ml板通常係與所有其餘M1板共平面。舉 例吕之，在第4圖中，所有四個Ml以及M2板係共平 面因此其共同地形成一具有週期性間隙（例如絕緣間 · 隙182)之廣大平面區域。如由第5至7圖可瞭解者，此 10廣大區域向下地面朝S1板以及定子12〇。通常，所有 S1板亦為彼此共平面。 動子106以及定子120 —般係可相對於彼此移動， 使得其可僅於平移移動（非旋轉之意）。據此，S1板178 以及180維持平行於此等M1板166以及168，且當動 15子1〇6係相對於定子I20移動時，S1板178以及18〇 係平行於此等奶板π以及m。如果z軸動作發生 籲 於動子與定子間，此等S1板與含有此等M1以及⑽ 板之平面間之垂直間隙將產生變化，然而，此等si板 通常係保持為與此等Μ1以及]y[2板平行。 •° 第5至7圖描述可發生於動子106以及定子120間 之相對X軸動作。第5圖描述位於其χ軸動作之操作^ ~ 圍的極端㈣子第7圖描述位於對立極端之此動 ' 子；以及第6圖描述位於中間地點之此動子。如由此等 ' 圖式可見’當此動子係㈣於其χ軸動作之操作範圍極 16 1284195 · 玖、發明說明 ‘ , 端間時，發生於S1板178以及Ml板166間之重疊， 以及發生於S1板178以及M2板172間之重疊產生變 化。「重疊」係指給定對之對立板之重疊區域。舉例言 之，第4圖描述此等M1以及M2板，其皆係相對於動 5子106固定於一相對於此等S1板之中間位置（亦即其操 作動作範圍之端點間之某處），類似於如第6圖所示之 r 中間位置Μ1板166在此點與S1板重疊Xp0(x軸覆蓋 數1)乘以W(此Ml板之y軸寬度）。自此等圖式第4至 · 7圖應可瞭解者為此重疊係以發生於此等板間之相對位 ‘ 10移函數而變化，而後導致發生於動子100以及定子120 間之X軸相對動作。 介於此等si板以及此等M1以及M2板間之空間 被填充以一介質，諸如空氣，且因此熟於此技者將可瞭 解電容係被形成於此等板間。當動子相對於定子12〇移 15 動時，此等電容產生變化。 第8圖描述被包括於一電容測量電路丨9〇内之藉由 · 此等顯示於第4至7圖之各種板而形成之此等電容。電 路190包括一藉由此M1板總成（M1板166以及168)形 成之第一可變電容器192以及此S1板總成（S1板178 2〇以及180)。如在此電路中以箭號表示之電容器符號192 ，當動子106係相對於定子12〇移動於正χ方向而自第 5圖所示之位置移動至第7圖所示之位置時，可變電容 器192之電容增加。此電容增加係因介於此等M1板以 及此等S1板間之重疊增加之故。電路丨90亦包括一藉 17 1284195 玖、發明說明 · 由此M2板總成（M2板172以及n4)以及此S1板總成 (S1板178以及180)而形成之第二可變電容器194。此 向下指示箭號表示當動子106係相對於定子12〇移動於 正X方向超出X軸動作之操作範圍而自第5圖所示之此 5 位置移動至第7圖所示之此位置時，可變電容器194之 電容減少。當此動子通過前述動作範圍時，此減少係藉 於此等Ml板以及此等S1板間之重疊之減少。 ， 如第4及8圖所示，此電容測量電路亦可包括一個 _ 或多個信號源以施加時變信號予此等板。此等輸入信號 10係被施加以根據存在於此等板間之電容產生可測量輸出 信號。在此描述實施例中，一正弦載子200係被施加至 Ml板總成（Ml板166以及168)。一反相載子2〇2係被 施加至M2板總成（M2板172以及174)。此處，正弦輸 入被使用，此反相信號通常係藉由位移此第一信號之相 15位18〇度而產生。此等時變信號之應用導致一輸出被產 生於可被測量以判定此等可變電容器192以及194之電 · 容的電路節點204。如第8圖所示，測量此輸出之一方 式為使用電阻R1之電壓取樣電阻器2〇6。 參考第4至8圖所述之此等組態之明顯優點為此輸 一 20出變化至-僅為發生於動子以及定子間之X轴位移函數 之明顯程度，且對相對y軸以及z轴位移相對不敏感。 · 直線元件之隔離對正確位置感測具有幫助。熟於此技者 將可暸解魚生於一對隔離平行xt轴間之電容係為一重 受區域（IU相對X軸及y軸動作變化）之函數，且係介於 18 1284195 玖、發明說明 此等板（隨相對z軸動作變化）間之垂直距離之函數。亦 即，電容C = (A*Eo)/G，其中A係重疊區域；E〇係對 應於自由空間之介電常數之常數；以及G係此等二板 間之垂直（z軸）空間。不具備隔離個別直線元件之能力 5 ，位置感測系統將無法提供有關產生給定電容改變之位 置改變的性質之正確資訊。舉例言之，實際上起因於z 軸位移之電容改變可能被錯誤地解釋為係起因於x軸位 移之故。 起因於y軸動作之電容改變可藉由安裝此等板而消 10除，使得此等板間之重疊並未隨y軸動作之期待範圍而 變化。第4圖顯露S1板178以及180之每一個在y方 向白見於此專Ml以及M2板。此多餘之數量可被選擇 ，使得介於此S1板總成以及此等]νπ以及M2板總成 中之每一個間之重疊並未超過y軸動作之期待範圍而發 15生於動子以及定子間。更詳而言之，如上文以及有關輕 接區塊之敘述所述，X軸耦接區塊1〇6^_以及1〇6匕通常 k被δ又计為使其傾向於不追縱動子1 〇 6之y軸動作。 在某種程度上’相對Z軸動作之效果被壓抑或消除 係因施加至可變電容器192以及194之驅動信號200以 20及202之故。熟於此技者應可瞭解，對Ml板166、M2 板172以及S1板178而言，第8圖所示之電容測量電 路產生一如下所述之傳送函數：

Vo ύ' 1 Lxp - Lxn + 尸) K Cxp + Cxn y 此處，Vo係跨電壓取樣電阻器206所得之輸出； 19 1284195 玖、發明說明

Vc係非反相輸入信號；Cxp係可變電容器192之電容 ;Cxn係可變電容器194之電容；以及P = l/(Rl*(Cxn + Cxp)) 0 應注意者為，Cxp = Ap*Eo/Gp 且 Cxn = An*Eo/Gn 5 ，此處，Ap係發生於Ml板166以及S1板178間之重 疊；Gp係介於Ml板166以及S1板178間之z軸間隔 ;An係發生於M2板172以及S1板178間之重疊；以 及Gn係介於M2板172以及S1板178間之z軸間隔。 除此之外，Ap(x) = W*(xpo + X)，且 An(x) = W*(xno + 10 x)，此處，x係Ml板166以及M2板172相對於S1板 178之X軸位移；w係沿Ml板166以及M2板172之 y軸所得之寬度；xP〇係當x = 〇時（假設第4圖所示之 位置係初始位置），發生於Ml板166以及S1板178間 之初始X軸重疊數量；且xn〇係當x = 〇時，發生於 15 M2板172以及S1板178間之初始X軸重疊數量。假設 Ml以及M2係為最佳共平面，則此等二者將與si板平 均地隔離，使得Gp = Gn = G。將此等值代換入上文所 述之傳送函數將產生下式： ~^^__ΛΑΡ-Λη)^ΕοΙϋ _ ^ ^ 2χ

Vc S + P jAp + An)^Eo/G^ S + P xpo + xno 2〇 由此等結果可瞭解者為，1/G項自獲得項之分子即 刀母中消去。在此計算後，剩餘獲得項完全與此等板間 之垂直間隔獨立。此導致相對z軸動作之壓抑作為對結 果輸出之明顯貢獻因子，因而此輸出實質上係獨立於發 生於此等可動物件間之z軸動作。 20 1284195 玖、發明說明 雖然上文所數之推衍僅係對三板（亦即M1板166、 M2板172以及S1板178)實施，上文所述結果以及特 別係z軸效果之摒棄，可等效地施用至牽涉更多板之擴 張系統’諸如帛4目所示之實施例以及其他各種欲於下 5 文說明之實施例。 在诸如儲存裝置1〇〇之討論中，其經常希望提供沿 多於一軸之動作感測。舉例言之，為使用儲存裝置^⑼ 實施正確讀取/寫入操作，其須感測相對於殼體12〇之 x-y平面内之儲存媒體106之位置。然而，如上文所述 10 ，第4至8圖之感測器被安裝以感測僅為一方向之位置 改變，亦即，沿X軸。為達成二維感測，類似於第4至. 8圖所討論之額外結構可被用以供y軸動作之用，通常 係藉由將類似於上文所述之板總成固定於y軸耦接區塊 1〇6l以及l〇6i_中之一或二者（或直接固定於儲存媒體 15 1〇6)，及定子120上之對應位置。在此二維組態中，此 X軸感測器提供X軸感測，同時壓抑y軸以及z軸效果 ，且此y軸感測器提供y軸感測，同時壓抑χ軸以及Z 軸效果。此可提供χ-y平面内之正確感測，同時避免因 相對Z軸位移而發生於許多現有感測器之感測錯誤。此 20處所數之其他實施例可以類似之方式安裝以提供多於僅 沿一線性軸之位置感測。 除隔離直線動作元件外，本發明之位置感測器可被 安裝以提供靈敏、高解析度之位置感測。確實，靈敏度 之增加係本發明之優點之一，如第4圖所示。由於二 21 1284195 玖、發明說明 Μ1板及二s 1板被使用，發生於Μ1板以及S1板間之 供一給定X位移數量用之重疊係大於將發生以供相同尺 寸之單一對重疊板。據此，較大電容改變被產生以供相 同數量之X位移使用。此將藉由允許χ軸位置改變為可 5以較高解析度追蹤，而增加位置感測器之靈敏度。高解 析度位置感測在諸如上文所述之儲存媒體之MEMS應 用中特別重要。在此等型式之儲存媒體中，靈敏、高解 析度精確位置控制被要求以正確地讀取以及寫入資料於 適當儲存位置，且可避免現有資料之錯誤重寫。 10 第9至13圖描述根據本發明之位置感測系統21 〇 之另一實施例的各種態樣。位置感測系統210包括二 Ml板214以及216，與一可固定於動子之M2板220， 類似於前文所述之Ml以及M2板。系統210亦包括一 S1板222以及一可固定於定子120之S2板226。第1〇 15 至12圖顯示此等相對於此等si以及S2板之Ml以及 M2板之相對移動，類似於第5至7圖，經由此等板所 固定之物件（例如動子106以及定子120)動作之可操作 X軸範圍。類似於先前之圖式，第10圖描述相對於沿x 軸之定子之動子的最左極端位置；第11圖描述一中間 20 狀態；以及第12圖描述最右極端。 熟於此技者將可瞭解上述排置產生四個可變電容器 ，如第13圖之電路圖所示：（1)電容器240係形成於 Ml板214以及S1板222間，並且增加正X軸位移之值 ;(2)電容器242係形成於M2板220以及S1板222間 22 1284195 玖、發明說明 ，並且減少正X軸位移之值；（3)電容器244係形成於 Ml板216以及S2板226間，並且減少正X軸位移之值 ，（4)電谷為246係形成於]y[2板216以及S2板226間 ，並且增加正X軸位移之值。 5 如前文所述，為產生一可測量輸出，一正弦載子 250以及其反相252可被個別施加於此等Ml以及]\42 板（第9及13圖）。此種驅動信號之使用，耦接於反相 變化電谷’導致一提供位於此等S1以及S2端子（2 54 以及256)之輸出’此等端子大部分（或全部）獨立於發生 10於動子10(5以及定子120間之z軸動作。此可經由類似 於前文所述參考第4至8圖之推演討論的一傳送函數應 用而石隹認。此等S1以及S2輸出通常係於更為處理前減 去，此係因當Ml至S2電容（亦即產生於M1板216以 及S2板226間之電容）減少時，Ml至S1電容（亦即產 15生於Ml板214以及S1板222間之電容）增加之故，且 反之亦然。 第14至16圖描述根據本案之位置感測系統26〇之 另一只施例之各種怨樣。糸統2 6 0包括多個一起電氣岸馬 接以形成一 Ml板總成之Ml板262(各種Ml板間之電 20氣互連並未顯示，但通常係類似於先前實施例所顯示者 )。系統260亦可包括數個亦一起電氣賴接以形成一 m2 板總成之M2板264。此等Μ1以及M2板總成可被固 定於一可動式裝置，諸如動子106,且通常係被安裝使 4于此等Μ1以及M2板皆係共平面且係以如第14及15 23 1284195 玖、發明說明 圖所示之交替插入順序排置。 系統260可更包括一具有一起電氣耦接之si板 266之S1板總成，以及一具有一起電氣耦接之S2板 268之S2板總成。當具有此等Ml以及M2板總成時， 5此等S1以及S2板通常皆係共平面且排置為使得此等 S1以及S2板係彼此插入。此等Si以及S2板總成係固 定於另一裝置，諸如可相對於此等Ml以及M2總成所 固定之裝置移動之定子120。 如先前之實施例所述，前文所述之排置產生具有當 10 此等板總成相對於彼此移動時產生變化之可變電容器。 特別地’前文所述之組態產生類似如第丨3圖所示之可 變電容器：（1)一介於Ml板262以及S1板266間之電 容器；（2) —介於M2板264以及S1板266間之電容器 ’（3) —介於Ml板262以及S2板268間之電容器；以 15及（4) 一介於M2板264以及S2板268間之電容器。 通常，一正弦信號280以及其反相282係個別施加 至此等Ml以及M2板總成，與先前所述之實施例之說 月致此專正弦k 5虎之應用可根據個別於連接至此等 S1以及S2板總成之輸出端子測量之變化電容產生輸出 2〇 據此，苐圖正確地模型化第14以及15圖所示之 系統。 雖然第9以及14圖所示之系統可以相同之電路圖 加以說明（例如第13圖），其可產生作為具有不同可操 作動作範圍之結果之不同輸出。舉例言之，如第1 〇至 24 1284195 .玖、發明說明 22廣|戶斤- 不，一給定Ml板（例如M1板214)僅相對於定 子〗20約等於其X軸寬度之距離移動。據此，當M1 板214自其最左極端（第iq _動至其最右極_ η 圖）時，其與Si板222(以及結果電容）之重疊自最小值 5增加至最大值S2。 10 15

相形之下，在第14以及15圖所示之系統中，此χ 車力作操作範圍通常係—給定板之許多倍，如前文描述 之軸動作之例釋範圍。據此，當動子丨〇6自其範圍之 端移動至另-端時，任何給定M1或Μ2板將連續地 通過一 si板、一 S2板、另一 S1板、另一 s2板、另 s1板等等。在此種組態中，將由四種相對於上文所 述之四種可變電容器之#疊區域，此重疊係發生於·· (1)此等M1以及S1板總成間，（2)此等M2以及S1板 總成間’（3)此等M1以及S2板總成間，以及⑷此等

M2以及S2板總成間。當此等物件相對於彼此移動於X

軸動作可操作範圍時，此等四種重疊區域之每一者在數 量上循環於最大與最小值間許多次。作為一 χ軸位移函 數’此等區域中每一給定者係線性地變化於最大與最小 數量間。 經由圖表，供此等四種區域用之作為χ軸位移函數 之重疊區域係以三角波形出現。此等波形之週期係與相 鄰板間之間距W相等，其包括此等板中之一給定者之 寬度，加上此板與其中間相鄰板中之一者間之相對小的 間隙。通常，如第14以及15圖所示，系統26〇被安裝 25 1284195 玖、發明說明 ' 以使所有板寬度與間插間隙均一。 產生於此動作操作範圍之循環重疊產生循環電容， 如第16圖所示之輸出電容波所示。特別地，此等描述 輸出對應於產生於此等板總成間之Μ1至S1、M2至S1 5 、Μ2至S2、以及Ml至S2電容。雖然電容係隨重疊 區域線性地變化，此等描述波形並非如此重疊區域函數 般為三角波。確切言之，如圖所示，由於邊緣及其他效 果之故，此等波形較為接近正弦曲線。此等波形之週期 為2W，亦即，為此板間距寬度之兩倍。 10 上文參考第4至8圖所討論之傳送函數被施用於第 14以及15圖所示之循環系統，由於相對z軸動作通常 係完全被壓抑或至少被減少至可忽略之數量，使得輸出 具有貢獻。據此，第16圖所描述之輸出電容可被正確 地用以感測X軸位置（以及y軸位置，當此描述組態係 15使用於y軸時），獨立於可發生於移動物件間之偶發z 轴動作。 第14以及15圖所示之系統之一明顯優點為靈敏度 之增加。參考第4圖所示之實施例，假設所描述之X軸 , 動作操作範圍為5G微米。更假設起因於M1板166以 20及168、與S1板178以及18〇間之重疊而隨此動作範 圍變化之總電容自50微微法拉(Picofarad)變為1〇〇微微 法拉。每—X轴位移之㈣改變將為每1微幻微微法 拉。 現在參考第14以及15目所示之系、統，假設相同為 26 1284195 玖、發明說明 50微米之操作範圍，但變化之板明顯地小於第4圖所 不之板，例如為百分之一大小。更假設在發生於Ml板 262以及S1板266間之最大重疊總數量處，所產生之 電容再次為100微微法拉，且在最小重疊處所產生之電 5容為5〇微微法拉。當動子自X '〇處移動至50微米處 時，介於此等Ml以及S1板總成間之整體電容將循環 於50以及1〇〇 @ :欠。在此釋例中，循環組態將產 生每微米位移1〇〇微微法拉電容改變，一對位置改變更 為敏感之輸出。在特定應用中，此將大為改進感測器之 10 正確性以及精確性。 般相k，上文之討論内容包含數個具有獨立功用 之發明。同時此等發明中之每一者皆已就其較佳形式加 以討論’其中之特定實施例可有各種不同變化。此等發 月之“的包括上文所述之各種元件、特徵、功能以及/ 15或特ϋ之所有新穎以及非顯而易知之組合及次組合。類 似地，此處之申請專利範圍詳述以「一」或「一個第一 」元件或其等效物’此等申請專利範圍應被瞭解為可包 或夕個此專元件，而非要求或排除二或更多此等元 件。 、舨相佗，後附申請專利範圍具體地指明有關前文所 述發明中之-者之新穎且非顯而易知的特定組合或此組合 。以其他特徵、功能、元件以及/或特性之組合或次組合所 說明之發明可經由修正現有申請專利範圍或以此應用或相 關應用之新申凊專利範圍表示。此等修正或新申請專利範 27 1284195 玖、發明說明 · 圍，無論係有關不同發明或係有關相同發明、無論在範圍 上係不同於、大於、小於或相等於原始申請專利範圍，皆 應視為係被包括於本文揭露之發明之標的中。 【圖式簡單說明】 5 第1至3圖顯示根據本發明之一實施例之包括電容 式位置感測器的電腦儲存裝置的不同透視圖。 第4圖係根據本發明之電容式位置感測器之概略頂 視圖。 第5至7圖係描述當黏附至一對經由一 乂軸動作範 1〇圍而彼此相對移動之物件時，第4圖之位置感測器之部 分的側視圖。 第8圖係描述與第4至7圖所示之位置感測器相關 之電路模型。 第9圖係根據本發明之另一電容式位置感測器之概 15 略頂視圖。 第10至12圖係當黏附至一對經由一 X軸動作範圍 而彼此相對移動之物件時，描述第9圖之位置感測器之 部分的側視圖。 第13圖係描述與第9圖之位置感測器相關之電路 20 模型。 第14圖係根據本發明之再另一位置感測器之等角 描述。 第15圖係當黏附至一對經由一 χ軸動作範圍而彼 此相對移動之物件時，描述第14圖之位置感測器的部 28 1284195 玖、發明說明 分的側視圖。 第16圖係顯示作為供第14及15圖之位置感測器用之 X軸位移函數的電容輸出的波形圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 100 儲存裝置 226 > 268 S2 板 102、 104場發射器 182… 絕緣間隙 106 儲存媒體、動子 190··· 電容測量電路 106a 、106h、l〇6a、l〇6d 192… 第一可變電容器 耦接區塊 194·" 第二可變電容器 108 儲存區域 200… 正弦載子 110 微致動器 202… 反相載子 120 殼體、定子 206··· 電壓取樣電阻器 140、 141 、 142 列 210··· 位置感測系統 144、 145 、 146 行 240、 244 電容器 160、 162感測器 250··· 正弦載子 164 Ml板總成 252… 反相 166、 168、214、216、 254… S1端子 262 Ml板 256··· S2端子 170 M2板總成 260… 位置感剛系統 172、 174 、 220 、 264 280··· 正弦信號 M2板 282··· 反相 176 S1板總成 178、 180 、 222 、 266 S1板 29

Claims (1)

1. 1284195 拾、申請專利範圍 第91133076號申請案申請專利範圍修正本 95.12.22. 1. 一種具有電容式位置感測之可動式系統，包含： 一對物件； 一致動器，被安裝為可影響一介於該等物件間沿 一軸之相對動作可操作範圍；以及 σ 一電容式位置感測器，包括

   一固定於該等物件中之一者之第一板；以及 一對固定於該等物件中之另一者之第二板， 使得該等第二板係相鄰且共平面，並使得當咳等 物件彼此沿該軸相對移動時，該等第二板係與該 第一板隔離且平行； 15 堡煩 平請'if 無為 |禁餐片 I年2〇 ? /X

   予 EJ 所' Ιι 其中該等第一板以及第二板之該組態導致二 個具有於該等物件彼此沿該軸相對移動於該可操 作範圍内時變化之電容之隔離板電容器，其中， 該電容式位置感測器使用該等電容以產生可用以 判定沿該軸之該等物件之相對位置的輸出，· 其中該電容式位置感測器係安裝為可使該輸出係 實質上獨立於發生在該第一板與該等第二板中之每一 者間之垂直間隔變化。 2·如申請專利範圍第！項所述之可動式系統，更包含— 電各/則昼電路，其被安裝為可施加一時變輸入信號至 °亥對第二板中之一者，並施加該時變輸入信號之一反 相至該對第二板中之另一者。 3_如中請專利範圍第^所述之可動式系統，其中，該

   30 1284195 拾、申請專利範圍 等電容器形成一電容測量電路之部分，該電路具有一 實質上獨立於發生在該第一板以及該等第二板中之每 者間之垂直間隔變化之輸出-輸入傳送函數，該函 數係作為相對於彼此移動之該對物件之結果。 4· 一種具有電容式位置感測之可動式系統，包含：

   一對可經由沿一 X軸之一 X軸動作可操作範圍， 以及經由一沿一垂直於該x軸之z軸之z軸動作可操 作範圍’相對於彼此平移地移動之物件；以及 一電容式位置感測器，包括：

   一固定於該對物件中之一者之第一板；以及 一對固定於另一物件之第二板，其中，該第 板以及δ玄專弟一板係垂直於該2；轴，且其中， 該第一板與該等第二板中之每一者形成一當該等 物件因改變該第一板以及該等第二板中之每一者 間之重疊及間隔而超出該等χ軸動作可操作範圍 及ζ軸動作可操作範圍移動時改變之可變電容， 該等可變電容形成一具有一輸出-輸入傳送函數 之電路之部分，該函數實質上係獨立於作為經由 該Ζ軸動作可操作範圍相對於彼此移動之該等物 件之一結果的發生於該第一板以及該等第二板中 之每一者的間隔變化。 5· —種感測器，該感測器係根據沿一對物件間之一軸之 相對位置改變輸出改變電容，包含： 一固定於該等物件中之一者之第一板； 31 1284195 拾、申請專利範圍 - 一對固定於該等物件中之另一者之第二板，使得 該等第二板係相鄰且共平面，並使得當該等物件係沿 一軸相對於彼此移動時，該等第二板係與該第一板隔 離以及平行； 二中，"亥等第一板以及第二板之該組態導致二個 具有當該等物件係沿該軸相對於彼此移動時變化之電 奋的隔離板電容器，其中，該等感測器使用該等電容 產生了用以判疋沿该軸之該等物件之相對位置的輸出 · 9 其中該感測器係安裝為可使該輸出係實質上獨立 於發生在該第一板與該等第二板中之每一者間之垂直 間隔變化。 6· —種感測|§，該感測器係根據一對物件間之相對位置 之改變改變電容，包含： 被女裝為可固定於該等物件中之一者之包括數 個弟一板的第一板總成； 鲁 被女裝為可固定於該等物件中之另一者之第二以 及第三板總成，該第二板總成包括數個第二板，該第 三板總成包括數個第三板； 其中’該等板總成係被安裝為可使介於該等第一 板以及該等第二板間之總重疊，以及介於該等第一板 以及该等第三板間之總重疊重複地增加以及減少，當 該等物件係經由一沿一軸之動作可操作範圍相對於彼 此平移，因而該第一板總成之一第一板與該等第二板 32 1284195 拾、申請專利範圍 總成以及第三板總成之第二板及第三板中之每一者同 時形成具有隨該等物件之相對位置改變之電容的可變 電容器。 10 15

   7·如申请專利範圍第6項所述之感測器，其中，該等可 變電容器形成-電容測量電路之部分，該電路係被安 裝為可響應於一應用至該等板總成中之至少一者之輸 入’根據介於該等第-板以及該等第二板間，以及二 於該等第-板以及該等第三板間之電容產生一輸出。 8·如申請專利範圍第7項所述之感測器丨中，該電容 測$電路係被安裝為可使該輸出實質上係獨立於發生 在該等第-板以及該等第二板間，與該等第一板以及 該等第三板間之垂直間隔改變。 9·如中請專利範圍第7項所述之感測器，其中，該電容 測量電路係被安裝為可施加一時變輪入信號至該第二

   板總成，並施加該時變輸入信號之—反相至該第三總 成，以產生該輸出。 10·一種具有電容式位置感測之可動系統，包含： 一對物件； M m該等物件中之—者之包括數個第一板的 第一板總成；以及 固定於該等物件中之另一者之第二以及第三板總 成，該第二板總成包括數個第二板，該第三板總成包 括數個第三板； 其中，該等板總成係被安裝為可於該等物件係經 33 20 1284195 拾、申請專利範圍 由一沿一軸之動作可操作範圍相對於彼此平移時，令 介於該等第一板以及該等第二板間之總重疊，與介於 4等第一板以及該等第三板間之總重疊重複地增加與 減少，因而該第一板總成之一第一板與該等第二以及 第二板總成中之每一者之每一第二板及第三板同昉形 成具有隨該等物件之相對位置改變之電容的可辦〜 變電容 器。

   34 1284195 陸、（一）、本案指定代表圖爲：第1圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 柒、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式: 100… 儲存裝置 102… 場發射器 103… 環形閘極 104… 場發射器 106… 儲存媒體、動子 106这… 耦接區塊 106b··· 躺接區塊 106ς·" 耦接區塊 106d··· 耦接區塊 108… 儲存區域 110… 微致動器 120… 定子 160… 感測器