TWI335015B - Servo system for a two-dimensional micro-electromechanical system (mems)-based scanner and method therefor - Google Patents

Servo system for a two-dimensional micro-electromechanical system (mems)-based scanner and method therefor Download PDF

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TWI335015B
TWI335015B TW093109633A TW93109633A TWI335015B TW I335015 B TWI335015 B TW I335015B TW 093109633 A TW093109633 A TW 093109633A TW 93109633 A TW93109633 A TW 93109633A TW I335015 B TWI335015 B TW I335015B
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Sri M Sri-Jayantha
Hien Dang
Arun Sharma
Evangelos S Eleftheriou
Mark A Lantz
Charalampos Pozidis
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Ibm
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Description

1335015 九、發明說明：· 【發明所屬之技術領域】 本發明概略關於磁碟機，且更明確地關於—種用於二維 微電機掃描器之伺服系統，及使用該種伺服系統之方法。 【先前技術】 微電機系統（micr〇_electr〇mechanical system 可被 使用以產生以奈米為單位之運動。雖然已可提供以奈米為 單位但仍精準的定位能力（譬如5 nm，i σ誤差），但若能在 Χ-Υ平面内建立跨度可達以微米為單位之範圍的能力（譬如 100 Fm平方的面積）則更佳，較大的跨度範圍可提升掃描器 之應用潛力。此種掃描器的一種關鍵應用是在原子力顯微 (atomic f〇rce microsc〇py AFM)儲存應用的領域，像是維提 葛（Vetngej·)與基•賓寧（G Binmng)在 知⑺⑽第47·53頁之”The Nan〇dnve叫…"及^丁
Pubhcahon No. WO G3/G21127 A2 中所揭橥之系統。 在此糸統中，用來記錄資訊之聚合體媒體由一掃描器支 撐。不像磁碟機驅動器那種無摩擦驅動系統般，微電機掃 描器由可產生高剛性之撓曲元件控制，該等元件可提供在 m向之自由移動。但是驅動器系統内呈現顯著的剛性會 在掃Μ式下產生相對於斜坡基準軌道之經常性位置: 差，也使掃描移動之前對目標執道的尋找移動無法最佳化。 所以需要新的词服結構以克服撓曲元件(亦即整合於微 電機掃描器内之元件）系統產生之 於微 < |且力效應，以有效達成二 維尋找和循軌掃描效能。 92503.doc 1335015 【發明内容】·
基於傳統方法與結構之上述與其他問題、短處與缺點， 本發明之範例.丨生目的是提供—種新的伺服結構（及其方 法），該伺服結構及其方法可克服撓曲元 ㈣描器内之元件）系統產生之阻力效應，以有效達成^ 尋找和循轨掃描效能。 在本發明之第一種範例樣態中，用於微電機系統型移動
控制系統之伺服控制系統包括具有一固有剛性構 產生器。 在本發明之第二種範例樣態中，用於微電機系統型移動 控制系統之伺服控制系統包括具有固有剛性之掃描器，及 一前饋機制，該前饋機制可操作連接至掃描器以前饋一成 分來抵銷掃描器之剛性。
在本發明之第三種範例樣態中，用以控制掃描器移動之 词服控制器包括-伺服單元以在循執掃描模式與返回模式 下產生第-轴運動和第二軸運動。當產生第一軸運動時， 藉著選擇㈣單元之斜坡轨道的適當斜率即可控制掃描 率。 在本發明之第四種範例樣態中，一種以儲存為主之應 的方法匕括以第一速率及第一精準度執行二維尋找並 第二速率及第二精準度執行—維掃描。第-速率高於第 速率，且第一精準度低於第二精準度。 在本發明之第五種範例樣態中，微電機型運動控制系: 之伺服控制系，统包括一比例·積分_微商 92503.doc 1335015 integral-derivative PID)押剎吳 _ ^ ^ ⑴）控制益，該PID控制器包含 糸統。該控制器有一筆因於斜 士丄 吸逆勁之經常性位置誤差。 之第六種範例樣態中，控制微電機型運 裝置内之知描器的方法包括對各騎找產生—速度量變曲 線’並控制掃描器之剛性。 有了 ,發明之範例實施例的獨特且明顯之特點，就可產 生許多範例優點。的確，本％ % +贫明δ兄明所迷之本發明的範例 實施例發展出-種強化傳統控制結構（包括比例.積分-微商 PID)型之伺服結楫，以使微電機型掃㉝器之㈣剛性特性 經由-種範例前饋控制方法有智能地被抵銷。 因此:本發明提供幾種新贿結構的範例，該等結構克 服撓曲兀件（亦即整合於微電機掃描器内之元件）系統產生 之阻力效應’以有效達成二維尋找和循執掃描效能。 本發明明確地陳述爲原子力顯微（AFM)型儲存應用而開 發之掃描H的複數個功能，包㈣執掃&和三維尋找。 【實施方式】 現在請參考圖式且更明確地參考圖h9，該等圖式顯示 根據本發明之方法與結構之較佳實施例。 在數種新出現的非揮發儲存技術中，原子力顯微（aiomic-f〇rCe-miw〇scopy AFM)型儲存體可在光碟格式内提供多於 每平方英吋丨兆位元（terabit 1〇9個位元）的面積資料密度。 根據公告的資訊，可在一5〇 〇1〇厚的聚甲基丙烯酸甲脂 (PMMA有機玻璃）層上藉由單一懸臂樑尖端總成製作類似 間距大小的30-4〇11111大小之位元刻痕（譬如請參考匹•維提 92503.doc 1335015 葛（P. Vettiger)等人在2000年5月/5M 乂心“以以aW Deve/o/?/wen/ 第 44 卷第 3 號第 323-340 頁所著"The Millipede"-More than one thousand tips for future AFM data storage’·）° 圖1顯示此種系統100的整體圖示。系統100包括X_Y掃描 器平台110、X-Y靜止懸臂樑陣列晶片1 20、X-γ掃描器11 〇
上的儲存媒體1 3 0、X位置感測器14 0、Y位置感測器丨4 5、X 驅動器150' Y驅動器155、靜止基座160、提供運動自由之 撓曲支撐體170及多工驅動器180,該χ_γ靜止懸臂樑陣列晶 片120有複數個懸臂樑尖端陣列/探針總成（在圖ιβ中有更 詳細的顯示）。 如上文所述，探針的細節以範例方式顯 針包括一噠接於兩個平行橫樑（未編號）間的電阻加熱器 12 1，探針尖端（未編號）連接至該電阻加熱器。探針尖端靜 止且要被讀取/寫入之健存媒體包括凹處122(以本技術領域 中眾所#知的方式代表資訊）並可在探針下運動。請注音凹 處形成於聚合體層123内，聚合體層⑵形成於晶片12^基 板124上。尖端(奈米大小)下的聚合體對來自探針尖端之溫 度輻射敏感。所以，為了要官w ^之，皿 马了要寫入儲存媒體（譬如當需要一凹 處時），就發送-電流給探針 可在聚合體上形成-凹處(刻痕加熱探針，就 為了要讀取，將探針帶往接近聚合體， 於位元）呈現，所以從♦阳_从^ 勹穷凹處（相虽 屯疋牛拉出的熱量低於相鄰的平扫 區域（亦即非凹處區域）〇 的+·_ ⑴因此’可檢測出電阻的改變，藉此 92503.doc 丄〕妁〇15 代表其中的資紈 所以可使用此種系統達成高面積密度。
&姐/基板為可藉χ_γ掃描器系統運動者。 一對應的資料攔 每個懸臂樑尖端/探針總成i 20伴隨有一 供反饋伺服環路之X-Y位置資訊 位。如下文所述’策略上被選擇的資料攔位可被指派以提 。因此’可藉平行操作大型 二維陣列（譬如32 x 32)的懸臂樑尖端（稱為尖端陣列）總成 1 20以達成高資料傳輪率。 猎著啟動懸臂樑尖端系統120可讓分時多工電子電路控 制此儲存裝置内所需之讀取/寫入/抹除功能。在圖以_1(：中 所示系統内，尖端陣列1 20被建構並組合在靜止晶片} 25 上，而儲存媒體（pMMA)130被沉澱在掃描器11〇上，掃描器 110被編程控制以在γ方向上相對於尖端陣列12〇運動。- 感測掃描器110相對於尖端陣列120之位置可達成可靠的 儲存功能。除非有準確的位置感測與伺服控制功能内建於 整個系統設計内，否則熱擴散與材質長時間老化會造成以 奈米為單位之儲存系統無法使用。在Millipede儲存系統的 商品化版本令，有位置感測技術内建於系統中。 為了證-實本發明，採用了圖2A-2C t顯示的範例光學感測 器。感測器系統200包括一邊緣感測器探針21()，且譬如由 MTI Instruments量身打造（譬如請參考美國紐約州阿爾巴 尼（A】bany， NY, USA)之 MTI lnstruments Inc.網址 www.MTIinstruments.com) ’該探針利用由光源22 1發射的光束透 92503.doc UJ5015 過光纖222將光·線照射在微電機系統之可移動邊緣處。 使用一微型（譬如1 mm)稜鏡結構將穿 轉㈣度，該棱鏡結構包括上側稜鏡組22〇/下側棱^ 230 〇 在操作時’來自光源221被傳送到可移動邊緣上之光束被 第二組稜鏡23〇(譬如下側稜鏡）的稜鏡擷取，再轉向90度， 並發射回到感測器電子電路的接收部分。正比於發射光線 的接收光線量構成了邊緣感測器2 1〇之電壓輸出的基礎，且 該電壓與邊緣的位置線性關聯。 更月確地忒，重璺於稜鏡上的光線量指出感測器的位 置若4c鏡70全被X-Y掃描器平台阻擋，則沒有信號返還， 而若稜鏡僅有50%與Χ_γ掃描器平台u〇重疊，則僅有5〇% 的光線被接收，且僅有50%的信號輸出。 上文已經时淪感測掃描器運動的方法之後，請注意讀取/ 寫入/抹除（稱為讀/寫R/W)作業需要顯示於圖3A 3C之兩種 非书不同的位置控制能力，包括二維隨機尋找與循軌掃描。 圖3B與3C界定資料記錄的數種可能幾何配置之一，該圖 中顯不沿著迪卡爾（Cartesian)座標系統3〇〇的運動。圖3八中 的點310表示各資料攔位對應於各探針之邊界角落。圖中也 顯示資料襴位320。 如圖3C中所不，沒有控制力加在其上（電源關閉）的掃描 器（亦即休止模式）在初始時會停留在一"原始位置"（h〇me Position)上’該位置在圖3c中以位置a標示。 在有效作用操作下，譬如當需要存取一資料區段32〇(作 92503.doc 。汽取或寫入）時，掃描器必 肩乂 —、准方式且最好以最短時間 攸位置Α移動到位置Β。 柏π +找在表面上對所有資料區段都 相冋，而Υ尋找則為隨機者。 一旦抵達Β位置（链石 ,η. X ^ 〇„ 5 !由匕機尋找到一目標資料區 二二^必須停止’並改變其速度向量以沿著轨道以 :“時描速率）朝向位移動，位置c是資料區段 開始的所在。對長資料 h 4 i 錄而§，知描器必須能夠沿著{ + X} 抵達軌道的末端，，缺後 ,iL ，、设反轉（言如反轉模式）並沿著{-X} 轴執行相反方向掃描，如圖腳所示。 如此’從位置A到B，掃描哭w ;抑土* _ 娜益以哥找速率移動（譬如在χ，γ 。上）且從位置Β到c，掃描器以掃描速率移動（在X 一個方向上）以掃描執道C。 明庄思如圖3Bt所示’最好使掃描器在其反轉掃播模式 期間使肖突"（oversh〇〇t，譬如掃描器在資料區段之位置B 處迴轉所需之餘裕區域)極小化，藉此提高晶片之密度並使 浪費的聚合體空間量極小化。 ’為此應㈣發之掃描器具有沿著X與Y迪卡爾座標獨立 運動之自自。所以採用了如圖i中所概略顯示的兩個獨立位 置m和兩㈣制二電磁驅動器之反饋词服環路以形成 本發明。-請注意在圖1A中，沿著χ_γ座標自由運動實際上 疋由一複雜撓曲系統（未顯示細節）提供，該撓曲系統對各運 動自由程度概略地以單一個"彈簧"元件表示。 一種已經產業證實的比例-積分_微商（PID)定位伺服系統 是為儲存應用而設計之微電機系統掃描器可供選擇的一種 92503.doc 12 控制器。PID控•制器轉換功能特 公式表示： 性-譬如以類比格式 -以下列 D S + k丨/s) (1) 、微商與積分增益，且V是拉 5十异增益所用的參數化程序 。控制系統設計者會使用掃 以達成"最佳”設計。 控制器（輸出/輸入）=(kp +k 其中增盈kp、kD與k丨是比例 普拉斯（Laplace)轉換運算元。 在本技術領域内為眾所熟知者 描器之動態模式並導出增益值 一整體料器/飼㈣統必須執行三個關鍵任務。 首先，其必須在尋找模式下使用速率伺服將掃描器沿著X 與γ軸座標以最短時間移動到目標軌道附近（圖心的位置 B)。為了有助於結實可靠的尋找到一目標執道，一所需速 率數據圖表一般儲存在々，陪## ^ 芮仔在D己隐體内，且使用一速率伺服（相對 於位置伺服）以達到目標軌道的附近。 其次，該控制系統必須使用γ方向伺服將掃描器以最短安-頓時間定位在目標執道之執道中央線咖⑻— TCL)上，其使用之位置控制器屬於公式（ι)中所示的型式 其中一般被設定為〇。 取後，Y伺服系統進入循軌模式，γ伺服具有一比例-積 刀从商（ProP〇rti〇nal-integral-derivative PID)位置控制、 益，且X祠服進入需要一固定、預定掃描速度（使用位置伺 服或速度伺服）之掃描模式。此作業稱為"循軌掃描模式,, (track-follow- scan mode)以強調Y伺服維持該儲存媒體沿 著執道中間線（TCL)而X伺服則持續維持一預定掃描速度。 二伺服都較佳地維持精確而防止干擾-像是未知的磁滯效 92503.doc 13 1335015 應與震動。 · 掃描模式 圖4舉例顯不兩個基準執道以在"循軌掃描”與"迴轉模式„ 下產生X與Y移動，其中要在1〇〇 ms内達成1〇〇 Fm(1〇〇〇
Fm/S)的X掃描長度，而γ位置在執道末端處以為單位 步進。可藉選擇一適當斜率給χ伺服之斜坡執道來規劃控制 知*描率。 圖5中顯示達成此作業以及χ_γ尋找之完整伺服架構 5〇〇°架構500包含X伺服51 〇χ與γ伺服5 i〇y。 〇月主思為了將掃描器沿著χ與γ座標之動力完全分離，伺 服系統500可被選擇為具有完全一樣的構成區塊，但不同的 控制器（位置相對於速度）可在掃描器運動的各種相位處被 切換出入伺服環路。 位置資訊由光學邊緣感測器（未在圖5中編號，類似於圖 2A-2C中所示者）產生且被類比轉數位轉換器（ADC) 5丨lx， 5 11 y轉換成數位數字流（在此範例中為5 kHz)。 每個軸的數位控制器包括一位置控制器區塊5丨2X， 512y '速度估算器區塊513x，513y、速度控制器區塊514x， 514y'基準執道區塊515x，515y及後置濾波區段5i6x， 516y 〇 — 在微處理器的監督下，諸區塊提供之功能被適當地激 活。以數位格式計算所得之控制輸出被發送給數位轉類比 轉換器（DAC)5 1 7x，5 1 7y，其傳輸率可與輸入取樣率相等或 不同。由DAC產生之類比信號驅動電流放大器518X，518y 92503.doc Π35015 該等電流放大器則分別提供掃描器之驅動器i5〇，⑸能量。 各X與Y運動之諸如等效質量、彈簧剛性、驅動器力量常 數等掃插器參數可能不同，且某些參數會隨著時間盘溫度 而漂移。圖5之方塊圖可進一步加強以包含校準功能與其他 關鍵或辅助作業，該等功能與作業並非本發明的主體，但 可能需要以使伺服控制在不同作業條件下有效。 圖6A-6B顯示掃描器系統當χ方向被激活而γ方向驅動器 維持不動作（亦即沒有Υ驅動電流）時測量所得之轉換函數 大小與相位。 二次等效模式顯示於圖6(：，其中對應於—輸人力量F之位 移χ在2.5 kHz頻率範圍以下被一簡單類似彈簧質量-阻尼 器系統阻擋。等效彈簧剛性k與質量m決定了基本共振頻率 (在此案例-中為200 Hz)。阻尼常數以定了基本共振模式的 品質因數Q。剛性項目”k”的明確出現在從市售產品中找出-最佳效能方面是很大的挑戰且為本發明的一個主題。超過 2.5 kHZ之較高頻率共振模式開始對沿著χ軸的運動產生影 響。在範例掃描器中’可觀察3 〇kHz與5 5kHz模式。本發 月者在此拎描盗设計中也觀察到沿著γ軸的類似頻率特性。 所以圖6C的簡單不意圖顯示該系統可在2 $ kHz以下以 簡單彈m系統方式運作得非常良好。 為了加強以奈米為單位之機制後置濾波器區段516x， 51 6y(圖5 t所不)可被組態以在重要的高頻模式下發揮陷波 慮波器或低通遽波器的功能。 因此圖6A-6C再次顯示本發明之系統可被視為一簡單彈 92503.doc 1335015 I -質量系統。 圖7A-7B顯示一相#於PID控制器之數位等效物的開環 路轉換函數（open loop transfer functi〇n 〇LTF)。丫軸之循執 飼服使用一特性與圖7Α·7Β中所示者非常類似之PID數位 控制器。計算所得的與測量所得的〇LTF非常符合，因為 MEMS系統有無料運動能力（有和緩的㈣，如下文所 述·）。 但是，因無摩擦力引發之效能下降現在被明顯的”剛性,， 項目（亦即掃㉝H系統）動力取代。因為微電機系統型掃播器 應達成精確掃描與最佳尋找能力，所以當有崔剛性項目存 在時，評估其效能特性就甚為重要。 所以，使用—種合理通用的控㈣器（譬如PID類控制器）， 撓曲型結構可被測量並模型化以符合這些曲線的要求。因 此圖7A-7C顯示除了圖6A_6C中所示基本彈箸質量系統特-性之外採用了伺服抵銷。 右要使用位置控制器執行掃描’則圖8顯示所要的掃描軌 、’ ”在PID位置控制下測得之掃描軌道間的比較。圖8内的 此種斜坡（正掃描）在某程度上類似於圖4内所示者，但係使 置控制器貝；^。（r=)5〇〇 Fm/s之掃描率產生穩定的25〇打爪 位置誤I。因為實際位置可透過直接測量得知，且實際速 :仍等於所需值’所以相對於基準斜坡之位置誤差在某些 讀取/寫入情況下不會有害。 ^ §要使用一任意基準軌道彈性地規劃控制掃描器 轨道時，則你罢* 、 置决差就變成障礙，且其會將實際軌道偏離 92503.doc 所需軌道。在一1 χ里、 —Rt(其中"為時間）表示的斜坡執道之 位置誤差"e”可顯示為： e = R kStiffness / ^ (2) 對無剛性系統·譬如由 由軸承支撐的質量狀況-而言，剛科 的影響最小，且誤差項"e"接近零。 I、有相田剛性之微電機系統而言’公式(2)顯示誤差隨 著剛性線性增加。絲R，丨β β μ & •疋虽知描率"R"因為讀取/寫入期間 的某些錯誤恢復或舍# & I = + 丨火设：¾重忒作業而提尚時，位置誤差，,e"也會増 加。雖然誤差項目可拉檢a #人以2 = 、曰』错i曰加積分增益項目”ki，，而降低，但此 種方法會因控制盘籍玄去_旦工士相+, 穩疋考里而有限制。所以需要能讓誤差 ” e ”極小化的替代方法。 在描述控制系統結構性f特點時，〇LTF被分類為類型 〇、類型丨、類型2等系統（譬如請參考約翰威力父子公司在 1970年出版由埃斯古普塔與愛爾哈斯多福所著 Fundamentals of Automatic Control"<S. Gupta and L Hasdorff, Fundamentals of Automatic Control, John Wiley & Sons，1叫.>第86頁，其中類型排序是由〇LTF之獨立分母變 數's"決定。所以項目s 1表示類型1系統。 圖9A-9C综合表示質量（m)_彈簧（k)_阻尼器（c)系統的各 種狀況^ 在圖9 A的狀況下’機器設備可在一驅動力量ρ下沿著χ方 向無阻力地自由運動。所以機器設備轉換函數（transfer function TF’譬如拉普拉斯轉換LaPlace transform)在其分 母内有一 "s2n項。在PD或PID反饋控制下，控制系統分別變 92503.doc 1335015 為一類型2或類型3系統。（請注意PID控制内的一積分器會 產生一額外的項”s”，而PD控制則不會）。類型2或更高類型 之系統肇因於斜坡基準輸入之穩態誤差可被證明為零，如 圖9A-9C中的狀況所示意顯示者。 在圖9B的狀況下’若僅有阻尼而無剛性，譬如該質量浸 沒在黏性液體内’則新機器設備”s(ms + c)”對自由獨立"s”而 言有單一冪次。在PD或PID控制下，OLTF變為類型1或類型 2系統。該圖顯示對具有p d控制器的斜坡輸入而言，會有穩 態位置誤差’但誤差在PID情況下則為零。 在圖9C的情況下，該情況更接近實際且為mems裝置的 情況’具有PD或PID之OLTF為類型0或類型1。可舉例說明 在PD與PID情況下設立〇LTF如下： 具有 PD控制器之 〇LTF=(kP+kDs)/(ms2+cs+k) (3) 具有 PID控制器之 〇LTF = (kP+kDs+k丨/s)/(ms2 + cs + k) = (kDs2+kps + k!)/[s(ms2 + cs+k)] (4) 可觀察到OLTF之分母内的自由獨立變數”s”之冪次分別為〇 或1。該圖顯示對應之誤差為無限或有限（公式（2))。圖8中 所顯示的實驗證據確認具有PID控制器之斜坡基準輸入的 穩悲位置誤差為有限。若為較簡單之pD控制器，則誤差無 限制且隨著斜坡輸入之振幅而增加。 產生誤差"e"的基本機制是當斜坡基準位移增加時彈菁 的實際剛性對運動產生的阻力增加。所以，PD控制器内的 固定增益項（公式（3))可藉著隨時間增加最佳位置誤差項而 僅產生一正比增加的驅動力。 92503.doc -18- 1335015 在PID控制器的情況下’積分琴可莊士 — 躓刀益可稭由在以公式（2)表示 之位置内的偏移誤差產生一連續增加的驅動力。 為使誤差問題最小化，—個太本a — w ^, 個方法疋在控制器内加入雙積 分。但此方法會有穩定性問題，
艰 u馬母個積分會造成〇LTF 相位90度的落後。 本發明藉it過電子電路裝置提供—抵銷平衡力解決對運 動之剛性型阻力問題。若掃描器之實際或期望位置為已 知’則可透過驅動器施加由電子電路產生之力量以消除對 運動之阻力。 當此種抵銷平衡法以傳統的P〗D控制器加強時，斜坡基準 輸入之穩態位置誤差可最小化，同時又可保留反饋控制系 統之優點。 因此，從圖9A-9C可知穩態位置誤差如何產生的機制，因 為掃描器系統有可測量的剛性，且已知當執行一斜坡運動 時所需的剛性，此種負擔不一定只由伺服控制器承受。 反之，圖10顯示一種前饋組態之範例性結構丨〇〇〇，其中 預期的剛性項被一前饋項目抵銷（譬如透過包括線性剛性 中的kstlffness單元1〇2〇，或複雜剛性中的查閱表1〇3〇之剛性 項）。 如此，在此範例性實施例中，目標項（譬如目標基準）可 以數位方式透過剛性項饋送一電流給驅動器。的確，因為 已知每個時點的所需位置’所以若對應之彈簧力可被中 和’則一般不會有需要由控制器本身施加的回復力。因此， 本發明的此範例性方法是前饋剛性項而不等待控制器建 92503.doc 1335015 立。 亦即，在圖1 0之結構1 〇〇〇中，一輸入目標位置X基準值 (項）被提供給一節點（譬如加總節點）1〇1〇、一 s11 ffness 平儿 1020(對線性剛性而言，情況A ,在該情況下]^為常數項）及 一表1030(對複雜剛性而言，情況B，在該情況下具有複 數、拋物線等類波形的項節點1〇1〇也從掃描器（具有位置 感測器）11G接收掃描器位置信號x_m。節點1()1Q取得目標位 置X基準與測量所得之掃描器位置間的差異。 根據該差異，節點單元1〇1〇輪出一位置誤差信號 (posmon error Signal PES)給伺服控制器1〇4〇，該伺服控制 器也配置有一基準速度輸入1〇5〇。伺服控制器之輸出u被提 供給一數位加總節點1060。數位加總節點1〇6〇也根據呈現 的是線性剛性或複雜剛性而從‘咖…單元1〇2〇或表1〇3〇接 收輸入Ub。 節點1060提供-輸出給放大器Ka，該放大器則把來自節 點1060之信號放大（積分）並提供一信號給掃描器。掃描 器110接著提供掃描器位置x_m信號給節點1〇1〇。 如此，產生抵銷平衡項有兩種可能方法。 在A情況下，已知剛性為線性或可以數學函數表示者。在 此It况下，來自Kstiffness單元1〇2〇之精簡計算法已足以計算 所需之驅動器電流。 在B (f況下阻力是位置的複雜函數。在此情況下，利用 一校準方法建構查閱表1〇30，相對於位移（Fm)資料之半靜 態電流（mA)被測量且儲存在該查閱表内。 92503.doc •20· 1335015 s實施圖10時’可獲得圖11中所示的結果。 亦即，圖Π顯示在斜坡運動期間使用剛性抵銷前饋方法 之正面效果。和圖8之情況比較起來，幾乎看不到位置誤差 成分。剛性之線性近似值被使用來計算抵銷力》剛性項係 藉執行半靜態校準而導出的。 藉著從掃描器空檔位置（位置A)以5 mA為階段注入—穩 疋電流並觀察掃描器之對應平衡位置，即可導出所需的剛 性項。校準結果顯示於圖12中。 在20 Fm位移的刻度下，位移圖顯現非常線性。但是肇因 於增加/減少電流的向前/返回運動並不一樣。相同電流之向 月“立置與返回位置間的差異被標示為,,差異”（如⑷，其刻度 在圖丨2之圖表右側上。預期會有約5〇nm的差異。同樣地二 接近原點之#父精細刻度校準會產生與平均剛性不同的剛 =。選擇正確表示剛性項之方法需要進—步的分析。請注 思驅動A力里產生能力中的任何非線性都隱含包括在圖η 之圖表的複合表示法中。 因此，本發明者發現藉著增加電流到4〇誕然後從的喊 減少電流而從向前方向行進轉變為朝向後方向行進，因為 石夕基板有某些固有的剛性鬆他，戶斤以譬如當電流返回到原 始的30 mA時’對應的位置不會恰恰相同。但是該差異不顯 著且不至於無法接受地不準確。相同地，❹反饋控” 來官理變異也甚㈣，但袓略的剛性項目由本發明之 的向前架構表示。 詳細 的位置誤差特性曲線 包含兩種情況（對應於圖 92503.doc 1335015 圖π)的基準與實際軌道-顯示於圖13A_uct。額定剛性值 的位置誤差已經從250 nm減少到5〇職。位置誤差成分可藉著 依需要儘可能密接地更新剛性項而輕易地被壓到接近零。 剛性抵銷平衡效果也可在反饋模式下達成，測量所得位 置在該模式下被正面反饋，如圖14中所示。如此，圖_ 示,成與圖1 0之系統相同結果的另_種方法。但是在圖 之系統情況下，掃描器110之剛性項對控制器而言看來為 零0 因此，因為配置了-位置感測器以提供絕對位置（或關聯 於空播位置的位置），所以此種剛性項(為項為正）可透過一 剛性(在數位處理器或類似產品内）饋送給一數位 加總即點1460做抵銷平衡。如此’在本範例性實施例中， 掃描器m加上剛性項（該項為一正等效反饋力）會抵銷平衡 掃描器輸出的負值，藉此構成一自由（浮動）系統。 在本方法内，雖然使機器設備看來像是沒有剛性的系 統’但PID控制n須被重新設計以產生經修改之機器設備特 性。如上文所述，反饋方法在其整個操作過程中都要求可 靠的位置測量。當傳統控制未被激活時，對剛性的高估也 會造成不穩定的機器設備，因其係正面反饋組態。 此外，位置測量内的任何雜訊都會轉換成寄生干擾成 分，從而產生不利的定位錯誤。因此使用基準位置信號的 前饋方法比反饋方法為優。 速度估算器 掃描模式與尋找模式作業都需要沿著各|^掃Μ速度 92503.doc -22- 1335015 資料。在速度伺服模式了，速度估算值被重複地使用以產 生控制值。位置控制服利用速度估算值以譬如禮保從速 度伺服切換至穩定伺服所需的切換條件在一 γ尋找的末端 是符合的。請注意除了位置感測器之外還要嵌入速度感測 器的成本是多出來的且會侵占電子電路的資源。因為掃描 器位置係在以一固定週期（取樣週期）分隔的不連續時間點 上被取樣，所以掃描器速度的簡單估算值 的算術差異。但是，實際上位置差異方法會受測量雜= 影響而走樣，且可考慮使用新開發的統計估算方法（譬如請 參考約翰威力父子公司在1986年出版由阿爾埃府史坦格爾 所著”Stochastic 〇ptimal Contr〇1"<R F stengel，St〇chastic
Optimal Control, John WUey & Sons，Inc j 四章。 種狀態可憂型全狀怨估异器（包括速度）被採用以獲得 掃描器沿著X與Y軸的估算值。首先界定下列變數： 取樣時點； U(n)=以DAC位元表示的驅動器電流驅動器輸入； Y(n)=以ADC位元表示的驅動器位置感測器輸出； V(n)=以ADC位元/樣本表示的驅動器速度； Χ1(η)=以ADC位元表示的估算位置； Χ2(η)=估算的速度（=y(n));及 Χ3(η)=以DAC位元表示的估算未知力量。 藉著將掃描力度變化設定為具有兩個狀態成分XI與 Χ2的二次系統，且用代表加諸掃描器上之力量的未模式化 部份之額外狀態Χ3增強該二次模式（譬如請參考飛機期刊 92503.doc -23- 1335015 1988 年 9 月第 25 卷第 9號 796-804 頁 <journal of Aircraft，ν〇1. 25, no. 9, pp. 796-804〉由埃姆斯里曱央薩及阿爾史坦格爾 <Μ· Sri-Jayantha and R· Stengel)所著"Determination of nonlinear aerodynamic coefficient using the Estimatian-Before-Modeling Method11)可以公式獲得狀態估算器的下列 形式： —
Xl(n)=Al*Xl(n-l)+A2*X2(n-l)+A3*X3(n-l)+B.l*U(n-l)+Gl*Y ⑹
X2(n)=A4*X 1 (η-1 )+Α5 *Χ2(η-1 )+Α6*Χ3 (η-1 )+Β2 *U(n-1 )+G2* Υ(η) Χ3(η)=Α7*Χ 1 (η-1 )+Α8 *Χ2(η-1 )+Α9*Χ3(η-1 )+Β3 *U(n-1 )+G3 * Υ(η) (5) .其中常數[Α1到Α9]，[Β1Β2Β3]及[G1G2G3]由掃描器 轉換函數（TF)之參數及估算器之所需過濾特性決定。過濾 性質受上述公式（5)所表示之動力系統的特性根所廣泛支 配。
圖1 5A-1 5C顯示掃描模式（譬如在圖3C中從位置Β到位置 C)下估算器特性之效果。這些圖顯示一種非常精密複雜的 速度估算器做為本發明整個實施例的範例性部分。 圖15Α相當於一 5000 nm/1〇 ms斜率，該斜率也等於以$ kHz取樣率情況下1〇〇 nm/樣本之掃描率。如此， 測量的與估算的位置。 ..·員不 圖15B顯示當特性根在〗500 Hz範圍時利用矩陣公式（5) 所得之位置差異和估算速度。圖15B顯示數位估算器非常 决表不其未過濾非常多。如圖所示，波形内在穩定速 又』間有許多尖峰（擺動），而若對m重新料以減緩估 925〇3.<i〇c -24- ^^5015 鼻&或增加更多過濾特性（譬如以便過濾得更好）給估算 $ ’則其結果顯示於圖1 5C中，速度在該圖中變得"較平順,，， 且從而比圖15B者好很多。 亦P 圖1 5 C顯示重新設計之具有1 〇 〇 〇 η z特性根之速度 估异器（譬如速度估算器2)之相同位置差異圖。從該圖可觀 ” j估器具有過慮雜訊的能力’其過渡能力根據其當作 又。f參數之特性根的選擇而定。後續應用中將使用具有 1000 Hz特性根之估算器以使X尋找最佳化。 如此，速度估算器可做最佳化設計以獲得較佳的過淚特 性。 ~ 尋找模式 尋找模式效能被考慮做最佳化。在掃描器伺服中，又與丫 方向尋找二者都需要。γ方向尋找幫助掃描器以零終端速度 移動到一目標執道（譬如圖3(3中的位置Β)，目為後續的讀/ 寫運動要求掃描器維持尖端陣列沿著軌道中心、線（tcl)且 跨越Y軸之平均速度為零。 但\，x尋找卻要求創新的思維。其不僅需要使尋找標準 ;最短時間或以最小超突進入儲存媒體之邊界）最佳 化’而且也必須在一讀/寫動作可開始之前沿著X產生-等 於掃描率之反轉速度。 逐漸複雜之控制方法可被設計以強化x轴尋找控制。首 先下文將描述二種強化X軸尋找_制Μ —些實驗結果。 找控制的方法’然後將顯示 該三種方法包括： 52503.doc -25- 1335015 方法1)首先使用一 PID類的位置伺服進行—從位置八到位 置B的長跨距輸入。一旦達到目的地且獲得—零終端速度， 就使用由具有前饋剛性補償調整之斜坡基準軌道驅動之 pID類位置控制器。本方法需要沿著X軸的額外空間來容納 跨距輸入超突，以及”起飛跑道"來將掃描器從空檔位置加 速到所需之掃描速率； 方法2)產生一串列的短跨距直到達到位置B為止，然後開 始掃描階段’如上述情況一般。在此情況下，跨距輸入超 突降低了，但尋找時間很可能加長；及 方法3)在往位置B的整個過程中使用一速度伺服跟隨一 基準速度執道，其中運動方向在相同速度伺服下被改變且 使用相同的速度伺服啟動掃描模式。在此種方法中觀察 到從位置A移動到一讀/寫動作準備完成情況的時間是最少 的。當速度向量進行丨80度方向改變時，仍然需要中等的超 突空間。 圖16A-16B對應於方法i。亦即以單一跨距移動到區域 B ’快速地移動到該處且有一些肖冑’然t在跟隨一斜坡之 前躊躇一陣子。 方法1未利用kstiffness、前饋至ks_ess、系統資訊等優點， 但的確在掃插期間有前饋。然而，此前饋在此情況下是無 關緊要的，因為其焦點是從位置A移動到位置B。 伙泫圖可見5Fm的X軸運動需要約3Fm的超突，且需要 1 Fm做"起飛跑道"以冷, 進订％福模式初始化。在達到所需掃 描速度之前的總時間約為U5ms。 92503.doc -26- 1335015 圖1 6B-1 6D分別斜庙/ 1 令 對應於位置（重複圖16Α)、速度與電流命 圖16_η表示W譬如在X與υ方向之運動），該圖 上沒有顯示時間刻度。請注意υ刻度遠較㈣度為細緻（呈粒 狀)。并找作業從空檔位置Α開始並移動到-接近位置Β的目 標軌道’接著做-Y循軌伺服及χ掃描伺服（譬如稱為”循軌 掃描Τ由位置Β涵蓋的，'邊界"區域·也就是從尋找轉變為循 執掃描發生的地方.對讀/寫作業效能以及儲存媒體的有效 使用甚為重要。掃描轨道在本範例性測試中由—糊随軌 道間距分隔。 因此，圖16Ε顯示從原始位置a(譬如原始空槽位置㈣位 置B的運動、位置B處的超突 '反轉、激活掃描並開始掃描 到位置C、減速' 反轉跨越掃描、減速、然後執行一掃描等。 圖17A-17E對應於方法2。此方法認知到單一個大跨距可 能是過度的。所以此方法試圖使超突最小化，但其代價是 所需的總共時間遠較方法1中所需的時間長。 所以，在方法2中，一串列的微小跨距運動將超突降低到 幾乎為0 Fm而仍需要1 1:111供"起飛跑道，，用，但總時間增加 到15 ms。更明確地說，圖17A中，複數個大約〇乃到丨〇微米 大小的跨距導引往大約為_5〇〇〇 nm的目標位置。但是在範 例性實施例中，跨距可被容許移動到_6〇〇〇 nm以準備好掃 描並使暫態延遲最小化。 圖17B-17D分別對應於位置（重複圖17A)、速度與電流命 令0 92503.doc -27^ 1335015 圖1 7E顯示類似於圖16E之測試結果的_ + J —难顯示圖。本範 例中展現沿著許多以70 nm軌道間距分 eh之軌道的延伸掃 描。此種組態在開發剛性補償平衡法之前被研究。 本發明者發現若未利用掃描器剛性資料， 、 5又叶一速度 控制器（取樣率為5 kHz)來包含所需尋抖公+s ^ *咢找-女頓特性會很困 難。該控制器不但須加速並減速掃描器質量，其還得建立 一連續增加並快速持平（接近位置B)抵抗剛性阻力=相^ 力量。雖然超突距離被最小化，但尋找到掃描的時間加長 到15 ms。這並非超突之邊界餘裕與尋找掃描時間之間的 有效取捨代價。 所以，方法1.比較快達到掃描模式〇1 5 ms)，但需要大的 邊界區域，而方法2則使㈣少的”面積資源"（邊 域）但較慢-需要15ms才激活掃描模式（比方法丨多約3 5 ms)。 圖18Α·Ι8Ε對應於方法3，該方法被設計以使上述方法最 佳化（譬如使餘裕和時間都最佳化卜連續的尋找和掃描速度 伺服僅需3 ms尋找-掃描時間，且僅需〇 5 Fm邊界空間以重 新獲得掃描速度。方法3產生最有競爭力的結果，其中尋找 時間與邊界（或餘裕）長度二者都是最小的。 方法3所達成之從尋找作業到循執掃描作業之轉換最佳 化使用了兩種創新步驟。 第一步驟疋對各X尋找產生一速度量變曲線。該速度量變 曲線當目標距離接近零時一般會以零速度終止’該速度量 變曲線應被建設性地修改以使終端速度延伸超過零，且應 給予-等於所需掃描率之反向速度，並繼續維待掃插率直 92503.doc -28 - 工335015 到達到軌道的末端。（反轉在軌道之末端發生。反轉的達成 是由γ位置伺服的一個跨距移動，而X掃描伺服則在相反方 向上產生相同的知*据率。） 圖1 9中顯示速度量變曲線與χ_γ控制器模式的示意圖。 最佳化第二步驟是處理"剛性"問題。較高的取樣率有助 於輕易設計取捨代價。在想要有競爭力的取樣率下，本發 明發現尋找控制器需要增強。在接近位置B處維持掃描器平 衡所需的預期力量可如上文所述般從剛性資料計算得到。 因此’為了協助加速（在沿著X轴的_ve方向），在控制写 輪出内產生等於平衡值的跨距改變。速度估算器除了意圖 苻合基準速度量變曲線之速度伺服輸出信號以外，也被此 控制輸出信號激活。 圖18Α-18Β顯示不同垂直刻度下5 Fum移動之乂尋找與掃 描效能。五個尋找與掃描作業被重複以顯示存取作業之穩 健性》 圖1 8A-1 8B顯不沿著X軸（_ve)從位置A到位置3之位置的 時間演化。 圖18C顯示估算的速度。可觀察到在6個樣本（12咖）内達 到Urn/樣本的峰值速度，幾乎不足以讓控制器建立抵 抗掃描器剛性之能力。 /⑽僅顯示剛性前饋輸出（譬如相當有力的輸出電 流），及當被加至剛性前饋輪出時之速度控制器輪出。前饋 輪出項目讓控制器調整其行為到軌道，如圖Μ中所範例顯 不般。從圖19中可觀察到在本範例中，舰控制器輸出（沒 92503.doc -29- Γ性項目）在頭三個樣本處為正，而在接下來的七個樣本 :為負。淨驅動器電流幾乎一直是在一個方向丨，表示減 :、由知描泛之剛性提供。速度控制器藉彈菁緩衝減速位 準以便在有限個#本内達成轉換為掃㈣式。該圖展現 士 本心月所提出之該二創新步驟可將1〇_15 ms的找尋 時間節省減少到3 ms。 剛性前饋成分可藉使其更複雜而進—步被最佳化。藉著 速/減速/掃描階段將輸出位準做階段性增加或減 f:可進一歩減少移動時間。這是超過本發明範4的-個 義題對所有找尋長度都通用-尤其是當動力變化搞合 在一起時-的切換標準會很困難達成而需進一歩的努力。 圖18E-同樣地對應於方法3_顯示方法3之系統的二維尋 找效能。 ，所以方法3只把如圖1 8D中所示連同剛性前饋的速度執 道。在-種範例性實施例中，方法3較佳地採用使用情況a 之圖10之系統’ j_其中伺服控制器被饋以基準速度丄㈣， 而在範例性實施例中方法丨與2較佳地採用χ位置控制器 512(而不採用速度控制器）。很明顯地，本技術領域中的一 般技術者會知道本發明說明整體可能有其他組態。 利用上文所述本發明之獨特且不明顯的範例性實施例， 可開發出一種伺服結構，該種伺服結構可增強傳統控制結 構，包括比例-積分微商（PID)類伺服結構，以使微電機系 統（MEMS)型掃描器之顯著剛性特性可有技巧地經由—種 範例性前饋控制方法加以抵銷。此外，本發明說明描述_ 92503.doc 30· 1335015 種反饋控制方法’該方法中產生許多優點β 所以，如上文所述，本發明提供一種新伺服結構的數個 _範例，該種新伺服結構克服了由撓曲元件系統產生的阻力 ~效應（亦即其被整合至微電機型掃描器），以便達成二維尋找 與循軌掃描效能。 此外，本發明提出了爲原子力顯微（AFM)型儲存體應用 而開發之掃描器的複數個功能，包括循軌掃描與二維尋找。 雖然上文根據數個較佳實施例描述本發明，但熟諳本技 術領域者會知it本發明可在所附t 專利範圍之精神與範· 疇内修改而實施。 匕卜咕/主思本發明申請人之意圖係包含所有申請專利 ίε圍項目之等同物_即使在以後實行期間被修改亦如此。 【圖式簡單說明】 本心月之上述及其他目的、樣態與優點可由上文令本發 明車乂佳實知例的詳細描述並參考所附圖式而更清楚，諸圖 式中： 、 圖1 Α舉例顯示具有Χ-Υ掃描器110之AFM型儲存^置i 00 的元件； 圖1^例顯示使用於鑛型儲存裝置1〇〇的探針12〇之細 々々 · 即 ， • 例員不使用於測試組態内的光學位置感測器 3C舉例顯示尋找與掃描執道及其構件 4模式基準轨道 92503.doc 圖5舉例顯示伺服控制器500之結構； 圖A 6C舉例顯示掃描器沿著一軸的轉換函數包括大小 (圖6A)、相位（圖6B)及質量彈簧阻尼器模型（圖; 圖7A-7B分別舉㈣*測量的和計算的開環路轉換函數 (open loop transfer function OLTF)； 圖8舉例顯示掃指模式的斜坡基準（理想的）執道與實際 (測量的）軌道； τ 圖9A-9C分別舉例顯示機器設備參數對斜坡基準入 位置誤差的影響； 】 圖舉例顯不-前饋組態結構i 〇〇〇以使微電機系統剛性 對位置誤差的影響最小； 圖11舉例顯示—斜坡基準軌道與剛性抵銷伺服的實際響 應； '曰 圖12舉例顯示—掃描器相對於電流之位移； 圖1 3A 13C舉例顯示兩種狀況，有和沒有剛性抵銷飼服， 3玄專圖詳細顯示位置誤差； 圖14舉你丨+ 4不—種替代組態以降低剛性的影響（亦即及 饋模式）； ^ 么圖5A15C舉例顯示掃描模式下之數位速度估算器的效 外个干 PID掃描 一連串步驟尋找位置B，接著進行一 圖17A-17E舉例顯示 PID掃摇； 92503.doc -32. 1335015 圖I 8 A-1 8E舉例顯示一速度伺服尋找位置B，接著進疒 具有剛性抵銷之速度伺服掃描；及 圖1 9舉例顯示一速度量變曲線及尋找/循執掃描模式。 【主要元件符號說明】 100 系統 110 X-Y掃描器平台 120 X-Y靜止懸臂樑陣列晶片 130 儲存媒體130 140 X位置感測器 145 γ位置感測器 150 X驅動器 155 γ驅動器 160 靜止基座 170 撓曲支樓體 180 多工驅動器 121 電阻加熱器 122 凹處 123 聚合體層 124 基板 125 12 5晶片 200 感測器系統 210 邊緣感測器探針 221 光源 222 222光纖 92503.doc •33 1335015 220 上側棱鏡組 230 230下側棱鏡組 300 迪卡爾（Cartesian)座標系統 310 3 1 0邊界角落點 320 資料欄位 500 架構 5 1 Ox X伺月艮 510y Y伺月艮 5 11 x，511 y 類比轉數位轉換器（ADC) 5 1 2x, 5 1 2y 位置控制器區塊 513x, 513y 速度估算器區塊 514x, 514y 速度控制器區塊 5 1 5x, 5 1 5y 基準軌道區塊 5 1 6x, 516y 後置遽波區段 517x, 517y 數位轉類比轉換器（DAC) 5 1 8x, 5 1 8y 電流放大Is 1000 結構 1010 節點 1020 ks t i ffn e s s 早元 1030 查閱表 ^ 1040 伺服控制器 1050 1050基準速度輸入 1060, 1460 數位加總節點 1420 剛性元件 92503.doc •34-

Claims (1)

  1. 1335015 第093109633號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(99年4月） 十、申請專利範圍： 1· 一種伺服控制系統，該系統用於微電機系統型運動控制 糸統，包括： 具有固有剛性成分之運動產生器； 用以抵銷前述微電機系統型運動控制系統之該運動產 生器之該固有剛性成分之前饋元件； 一節點，該節點被連接以從該前饋元件接收一輸入， 其中該前饋元件包括線性剛性單元與查閱表二者之一以 在其内儲存複雜的剛性資料，以根據目標位置第一軸基 準信號產生一剛性成分，該剛性成分被輸入到該節點； -飼服控制器’該伺服控制器用來接收_根據目標位 置第一軸基準信號與基準速度之位置誤差信號； 一掃描器，該掃描器包含位置感測器、第一軸/第-軸 檯面及該運動產生器， 其中該剛性項目被前饋而不等待該伺服控制器建立 來。 w 每 2.如申請專利範圍第1項之系統，進—步包括： 連接至該運動產生器之節點，及 連接在該運動產生器與該節點之間的剛性項目單元， 其中-目標基準項目以電流形式經由該剛性項：：: 以數位方式輸入至該節點。 、 元 3.如申請專利範圍第丨項之系統，進一步包括： 用以接收-輸入目標位置第—軸基準值的節點’· 線性剛性的kstiffness單元；及 •·’ 92503-990430.doc 1335015 (9904.3W & 车月日修正替換頁 用以儲存代表複雜剛性值之查閱表， 其中該節點進一步從該運動產生器接收一運動產生器 位置第一軸信號。 4.如申請專利範圍第3項之系統，進一步包括： 連接至該節點的一輸出之伺服控制器，該節點輸出— 位置誤差信號（PES)至該伺服控制器，該伺服控制器進— 步接收一基準速度輸入；及
    用以從該伺服控制器接收一輸出並根據該剛性之線性 從該kstiffness單元與該查閱表二者之—接收一輸出之節 點。 5. 如申請專利範圍第4項之系統，進一步包括： 日用以從該節點接收-輸出並放大之放大器，該放大器 提供一輪出給該運動產生器。 6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該運動產生器提供一 輸出位置信號給該節點。 7·如申請專利範圍第丨項之系統，進—步包括： 用以產生一抵銷平衡項目給該固有剛性成分之裝置。 8. 如申請專利範圍第7 系 闽乐孭之糸統，其中該產生裝置在該剛性 為線性或可用數學函數方式矣一 数万式表不—者之一的情況下包括 Kstiffness 單 7L 0 9. 如申請專利範圍第έ 弟項之系統’其中該產生裝置包括： 在該剛性包含_兹雜沾&苗π 複雜的位置函數之情況下包括一查閱 表。 1〇.如申請專利範圍第1項之系統’進-步包括-具有已知偏 92503-990430.doc 1335015 (9卓0vo)日修正替換頁 壓的數位速度估算器，該估算器使微電機系統型運動控 制系統之撓曲系統内可估算速度。 11.如申請專利範圍第丨項之系統，進一步包括： 用以抵銷固有剛性成分之反饋項目。 △如中請專利範圍第_之系統，其中該固㈣性成分被 抵銷平衡以使測得之位置被正向反饋。 13.如申請專利範圍㈣項之系統，進—步包括—包含該運 動產生器之掃描器，且 其中該掃描器之剛性項目被做成從控制器看來為零。 "·如申請專利範園第叫之系統，進—步包括—提供一輸 入給該運動產生器之節點及連接至該節點的剛性元件， ，其中一代表該固有剛性成分之項目經由該剛性元件饋 送給該節點以抵銷平衡該剛性。 15.如申請專利制^項之系統，其中該運動包括 動。 1 6_ —種用以控制掃描器運動之伺服控制器，包括： 伺服單元，該伺服單元被用以在循軌掃描模式與回轉 模式下產生第-抽運動與第二軸運動，其中掃描率可當 產生第一軸運動時藉選擇適當的伺服單元斜坡軌 2 而被編程控制，其中該伺服單元包括：用於χ軸之第一伺 服與用於Y軸之第二伺服，其中該第一伺服包括： 類比轉數位（A/D)轉換器，用以接收該掃描器之位置資 訊信號，並將該位置資訊信號轉換成數位值； 數位控制器’該數位控制器包括： 92503-990430.doc Γ335015 ~~~-- 年月日修正替換頁
    以從該類比轉數位轉換器接收 一輸出之位置控制 用以從該類比轉數位轉換器接收—輸出之速度估算 &§ ， 用以從該速度估# H接收—輸出之速度控制器； 用以提供一輸入給該速度控制器之基準軌道；及 後置渡波器區段’用以從該速度控制器與該位置控
    制器二者之一接收一輸出，並提供一控制信號； 用以接收該控制信號並產生一類比信號之數位轉類比 (D/A)轉換器； 用以接收該類比信號之電流放大器；及 用以從該電流放大器接收一輸出以驅動該掃描器之驅 動器。 17. 如申請專利範圍第16項之祠服控制器，其中該速度估算 器被最佳化設計以具有預定的過濾特性。 18. 如申請專利範圍第16項之伺服控制器其中該速度估算 器具有敎的快速過濾、能力，其代價是在敎速度期間 讓較大的雜訊峰值發生於波形内。 19. 如申請專利範圍第16項之伺服控制器，其中該速度估算 器具有預定的緩慢喊能力，以使波形在穩定速度期間 大致均勻。 20. —種執行以儲存為主之應用的方法，包括： 以第—速率及第一精準度執行二維尋找；及 以第二速率及第二精準度執行一維掃描， 92503-990430.doc 1335015 21. 22. 23. 24. 25. ©90^-3：； ：- 年月日修正替換頁 一· - 其中該第一速率較該第二速率為高，且其中該第一精 準度較該第二精準度為低。 如申請專利範圍第20項之方法，進一步包括： 最佳化尋找運動控制，該最佳化係藉著以—抵銷平衡 力量開始一尋才戈’純銷平衡力量在該尋找的末端或一 掃描位置的開端被預測。 如申請專利範圍第21項之方法，其中尋找之第—轴速度 量變曲線以一所需掃描速率完成。 -種用於微電機型運動控制系統之伺服控制系统，包括： 包含類型1系統之比例-積分_微商控制器， 該控制器具有肇因於斜坡運動之穩定位置誤差。 -種控财法，該方法㈣微錢_料動控 内之掃描器，包括： 為每個X尋找產生一速度量變曲線；及 處理該掃描器之剛性， A甲该迷度量變曲線使終端速度延伸超過零，且站 一等於所需掃描率之反向速度，並繼續維持掃描率: 達到軌道的末端，其中等於均衡值的控制器輸出之妒 改變被產生，且其中速度估算器除了由大致符人基; 度量變曲線之速度伺服輸出啟動之外，也由控制二 如申請專利範圍第24項之方法 一反轉’該執行包括由γ位置伺 而X掃描伺服則在相反方向上產 其中在軌道之末端執行 服執行的一個跨距移動， 生相同的掃描率。 92503-990430.doc
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