CN100411038C - 探针存储装置及在探针存储装置中检测数据的方法 - Google Patents

Abstract

一种探针存储装置包括一存储表面，用于存储通过该在表面变形表示的数据。一探针面对该表面，并且包括其电抗取决于探针相对于表面的偏转的谐振电路。还提供一扫描器，用于使探针在表面上扫描，从而使探针跟踪所述变形。一检测器通过检测所述电路的谐振频率变化来读取存储在表面上的数据。

Description

探针存储装置及在探针存储装置中检测数据的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在探针数据存储装置中读取数据的方法和装置。

背景技术

采用纳米级尖端(tip)来以原子级别对材料结构进行成像和研究的技术如原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)在超高密度存储装置中也找到应用[1-4]。这种装置的一个例子参见[5]。在该装置中，将信息作为通过各自携带一个尖端的悬臂(cantilever)阵列写入在聚合物存储表面上的“凹坑”和“无凹坑”序列进行存储。选择性地对悬臂及其尖端进行加热，以将数据写入到表面上。将各尖端加热至足够程度将使尖端的相邻表面产生相应的变形。存储信息通过将各悬臂视作以一次近似度电气等效于与可变电阻器级联的电流源或电压源的电路中的热机械传感器来读回。传感器将携带读取信息的物理值转换为电信号。可变电阻器的值取决于悬臂尖端的温度。在读取过程期间，悬臂根据是在“凹坑”(比特“1”)还是在“无凹坑”(比特“0”)上移动，而达到不同的温度。检测电路检测取决于悬臂电阻值的电压，以判定检测结果是“1”还是“0”。

传统地，为读取记录信息，用于写入的悬臂通过采用其温度相关电阻而具有温度读回传感器的附加功能。通常，电阻随着从室内温度到500-700摄氏度峰值的热力/温度而非线性增大。峰值温度由悬臂可变电阻的搀杂密度来确定，其中，该密度的范围为1×10¹⁷到2×10¹⁸cm^-3。在高于峰值温度的情况下，由于本征载流子数通过热激励而增加，电阻减小。对于检测，电阻器工作于约350℃。该温度没有高得足以如同写入的情况使表面变形。

温度检测的原理基于热源平台与表面之间的热传导随着它们之间的距离而改变。热源平台与表面之间的介质如空气将热量从悬臂传递到表面。当悬臂与表面之间的距离由于尖端移入凹坑而减小时，通过空气的热传递变得更高效。这样，响应施加于悬臂的脉冲的热源温度演变不同，特别是温度所达到的最大值小于没有凹坑的情况。由于可变电阻值取决于悬臂温度，因此当悬臂在凹坑上移动时，电阻所达到的最大值将更小。因此，在读取过程期间，悬臂电阻根据是在凹坑(比特“1”)还是在无凹坑(比特“0”)上移动而达到不同值。

热机械悬臂传感器将温度转换为携带信息的电信号，它以一次近似度电气等效于可变电阻。检测电路因此应检测取决于悬臂电阻值的电压，以判定所写入的是“1”还是“0”。热阻的相对变化典型地为10^-5/nm左右。因此，写入比特“1”典型地产生约10^-4～5×10^-4的悬臂热阻相对变化ΔR^(-)/R^(-)。悬臂电阻的相对变化具有相同的数量级。因此，检测是否存在凹坑的一个重要问题是足够高的分辨率来允许提取包含比特为“1”或“0”的信息的信号。携带信息的信号可以视作添加到非常大的偏移信号中的小信号，其中，非常大的偏移信号可以比小信号大三到四个数量级。

大二维阵列的并行操作可以通过与在[5]所述的装置中，采用这种复用方案来逐列对阵列进行寻址以在一列内执行并行写入/读取操作。具体而言，在阵列的一列中将读取脉冲施加于悬臂，对悬臂响应信号进行低通滤波，并且对滤波输出信号进行采样，从而获得读回信号样本。顺序重复这一过程，直到对阵列的所有列寻址完毕为止，然后，从第一列重新开始。两个脉冲之间的时间对应于使悬臂从一个比特位置移到下一个所需的时间。基于热机械检测的时间复用读取操作所遇到的另一问题源于由悬臂温度时间常数决定的可达到数据速率这一先天限制。具体地说，读取脉冲所需的时长至少等于使悬臂达到可以发生读取的约350摄氏度的温度所花的时间。

与本发明相关的已有技术：

[1]G.Binning，H.Rohrer，C.Gerber和E.Weihel，“7×7reconstruction onSi(111)resolved in real space”，Phys.Rev.Lett.，50(1983)120；

[2]G.Binning，C.F.Quate和C.Gerber，“Atomic force microscope”，Phys.Rev.Lett.，56(1986)930；

[3]H.J.Mamin，L.S.Fan，S.Hoen和D.Rugar，“Tip-based data storageusing micro mechanical cantilevers”，Sensors and Actuators A 48(1995)215-219；

[4]C.F.Quate，“Method and means of data storage using tunnel current datareadout”，美国专利号4 575 822(1986)；

[5]P.Vettiger等人，“The Millipede-More than one thousand tips for futureAFM data storage”，IBM Journal of Research and Development，vol.44No.32000年5月，pp.323-340。

发明内容

根据本发明，提供一种探针存储装置，包括：一存储表面，用于存储通过表面变形表示的数据；一探针，面对该存储表面，并且包括具有取决于探针相对于该表面的偏转的电抗的谐振电路；一扫描器，用于让探针在表面上扫描，从而使探针跟踪所述变形；以及一检测器，用于通过检测所述电路的谐振频率变化来读取存储在该表面上的数据。这就有利地允许从存储表面检测数据而无需对探针进行加热。因此，该装置可以以更低的功耗工作。另外，由于无需考虑探针的温度时间常数，因此可以提高读取速度。

该电抗可以包括一可变电感。最好，该可变电感包括一铁磁元件和一响应探针的偏转可以相对于铁磁元件运动的限定电流路径的线圈。可选地，该电抗可以包括一可变电容。

在将要简短描述的本发明一个优选实施例中，该检测器包括第一信号产生器，连接到谐振电路，用于在谐振电路中产生第一信号；以及混频器，用于将来自谐振电路的输出与第二信号相乘，其中，第二信号与第一信号同步且存在相移，并且具有与第一信号类似的波形。该检测器可以包括第二信号产生器，用于产生第二信号，第一和第二信号产生器通过同步信号来同步。可选地，为简单起见，该检测器可以包括一相移器，其输入连接到第一信号产生器的输出，并且其输出连接到混频器，用于通过对第一信号进行相移来产生第二信号。在本发明的特定优选实施例中，该检测器包括一低通滤波器，用于对混频器的输出进行滤波；一采样保持电路，用于对低通滤波器的输出进行采样；以及一检测电路，用于将来自采样保持电路的样本转换为二进制值。最好，当探针不偏转时，第一和第二信号大致以谐振电路的谐振频率变化。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在探针存储装置中检测数据的方法，该方法包括：在存储表面存储作为变形的数据；定位面对该表面和包括其电抗取决于探针相对于表面的偏转的谐振电路的探针；探针在表面上扫描，从而使探针跟踪所述变形；以及通过检测所述电路的谐振频率的变化来读取存储在该表面上的数据。

在本发明的一个优选实施例中，提供一种用于根据AFM悬臂阵列读回写入在探针存储装置中的信息的方法，其中，各悬臂电路电气等效于由电阻R、电感L和电容C组成的RLC电路。不是依赖于由加热悬臂尖端温度决定的悬臂电阻变化，而是通过将频率等于RLC电路谐振频率的正弦波形施加于“冷”悬臂，并且观察RLC电路的输出波形以检测电路传输特性的变化。例如，可以根据RLC电路的一个或两者电抗值(L和/或C)获得相位特性变化。该变化是由于在“凹坑”或“无凹坑”上移动探针而引起的。传统热机械读取技术的很多优点可以通过该技术来实现。由于该读回过程不涉及将悬臂加热到约350摄氏度的较高温度，因此可以执行读取的速率不受到温度时间常数的限制。因此，可以实现较高的数据速率。而且，由于没有将信号能量转换为热能以对悬臂加热，因此检测所涉及的信号功率较低。另外，由于将“1”或“0”的比特信息编码为正弦信号的相位和/或幅度变化，因此不会出现如像热机械读取的情况那样在大的偏移信号中检测有用信号。

附图说明

现在将仅作为示例参照附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：

图1是探针存储装置的方框图；

图2是探针存储装置的读取通道的简化电路图；

图3是与探针存储装置中的悬臂相对应的按照幅度特性的频率响应；

图4是与探针存储装置中的悬臂相对应的按照相位特性的频率响应；

图5是作为所施加读取脉冲的功率函数示出读取通道的信噪比的图；

图6是探针存储装置的另一读取通道的简化电路图；

图7是阵列悬臂的侧视图；以及

图8是阵列悬臂的平面图。

具体实施方式

首先参照图1，实施本发明的探针存储装置的一个例子包括衬底10，其具有面对存储表面30的探针悬臂传感器20的二维阵列120。悬臂20连接到行导线40和列导线50。各悬臂20通过行导线40和列导线50的不同组合来寻址。行导线40通过行复用器60来选择性地寻址。类似地，列导线50通过列复用器70来选择性地寻址。存储表面30安装在由x位置变换器80、y位置变换器90和z位置变换器100组成的扫描机构上。工作时，z位置变换器100移动存储表面30以使其靠近或远离阵列120。x位置变换器80和y位置变换器90在相对于阵列120的正交方向上且在一平行于阵列120的平面内移动存储表面30。变换器80-100可以是压电、电磁或类似位置控制装置。x位置变换器8和y位置变换器90的行程范围是使用时使各悬臂20在数据读取操作和数据写入操作期间扫描存储表面30的各自领域。这种扫描可以采用类似光栅的方式来执行。各悬臂20在其末端携带面对存储表面的尖端或探针以及相邻于尖端的电阻加热元件。在写入操作期间，将要从其写入数据的各悬臂20通过z位置变换器100靠近存储表面30，并且通过复用器60和70连接到写入通道。写入通道将表示所要存储数据的写入信号施加于悬臂20。如前所述，要写入二进制“1”，写入信号的幅度应足以通过加热元件将尖端加热至足以在存储表面30上产生局部变形或凹坑110的程度。要写入二进制“0”，写入信号应保持足够低，从而不发生存储表面30的这种局部变形。因此，当尖端在存储表面30上扫描时，写入多个比特。每个悬臂20包括由电阻R、电容C和可变电感L组成的RLC电路。在读取操作期间，要从其读取数据的各悬臂20通过z位置变换器100靠近存储表面30，并且通过复用器60和70连接到读取通道。然后，尖端在存储表面30上扫描，并且以将要简短描述的方式，通过读取通道读出记录数据。在此所述的读取通道有利地避免与现有技术相关联的前述问题，因为它不依赖于温度相关悬臂电阻来产生读回信号。

现在参照图2，在本发明的一个优选实施例中，读取通道包括：第一信号产生器200，具有内部电阻R0；缓冲放大器210；第二信号产生器220；混频器230，具有增益Km；低通滤波器240；采样保持电路250；以及阈值检测器260。第二信号产生器220的输出通过同步信号270与第一信号产生器200的输出同步。如图2所示，在本发明的一个优选实施例中，同步信号270可以从第一信号产生器200的输出获得。然而，在本发明的其他实施例中，第一和第二信号产生器210和220可以通过常见、独立产生的同步信号来同步。工作时，如后所述，第一和第二信号产生器200和220都产生正弦信号。然而，在本发明的其他实施例中，可以采用不同波形。

工作时，由信号产生器200产生的AC信号脉冲或突发(burst)V_p(t)施加于悬臂RLC电路。所施加的突发如下表示：

$V_p\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)---\left(1\right)$

其中，

A表示突发幅度，并且f₀近似选为等于RLC电路的谐振频率，

即， $f_0\≈1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}\right).$

可变电感L的值取决于当尖端在凹坑110上移动时悬臂20的偏转程度。电感的相对变化用参数λ_x＝ΔL_x/L表示。下标x表示扫描方向上与开始点的x距离。因此，当悬臂20的尖端位于凹坑110的中央时，参数λ_x将取最大绝对值。然而，由于悬臂20从凹坑110的中央移到下一位置所花的时间远远大于读取脉冲的时长，因此通过电感的电流在施加读取突发的周期内作为x的函数没有显著变化。缓冲放大器210的输出端的信号V_b(t，x)如下给出：

$V_b(t,x)=\frac{R_b}{R_0}(V_p\left(t\right)-L(1+{\mathrm{\λ}}_x)\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Ri}}_L)---\left(3\right)$

其中，i_L表示通过电感的电流，它遵循下面微分方程：

$L(1+{\mathrm{\λ}}_x)R_{0}C\frac{d^2{i}_L}{{\mathrm{dt}}^2}+(R_0\mathrm{RC}+L(1+{\mathrm{\λ}}_x))\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}+(R_0+R)i_L=V_p\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，初始条件 $\frac{d^2{i}_L}{{\mathrm{dt}}^2}{|}_{t=0}=\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}{|}_{t=0}=0$

为说明起见，假定读取突发的施加时间对应于悬臂20位于凹坑110的中央来检测比特“1”，或者远离凹坑110来检测比特“0”。通过求解(3-4)在缓冲放大器的输出端获得两个可能的响应，它们分别用V_b(t，x|α_x＝1)和V_b(t，x|α_x＝0)表示。同样为说明起见，假定与突发时长τ相比，瞬态时长小，在时间区间[0，τ]内，两种响应如下近似给出：

以及，

其中，|H(f₀)|和

分别表示串联在一起的脉冲产生器200的内部电阻R₀与RLC电路的频率响应的幅度和相位。

项源于频率响应的相位特性变化。而这源于尖端在凹坑110上移动时的电感变化。

图3示出在R₀＝100Ω、R＝50Ω、L＝1μH且C＝145pF的情况下所获得的频率响应幅度特性。图4示出基于相同参数的相应相位特性。

缓冲输出信号由混频器230与来自第二信号产生器220的正弦波形

相乘。对于两种响应(5)和(6)，所得到的信号分别如下表示：

在与正弦波形相乘之后，信号由低通滤波器240进行滤波，并且由采样保持电路250在时刻t_s＝τ进行采样。

为说明起见，假定高频信号分量由具有时间常数τ_1pf＝1/(R_1pfC_1pf)的低通滤波器240完全抑制，则信号样本所采取的值对于比特“0”和比特“1”这两种情况，分别如下给出：

V_out(α_x＝0)≈0            (9)

以及

然后，阈值检测器260检测写入比特，其中，阈值如下给出：

$V_{\mathrm{Th}}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{out}}(a_x=1)---\left(11\right)$

要确定通道性能，可以根据如下公式在检测点评估信噪比(SNR)：

$\mathrm{SNR}=10{\log }_{10}\left(\frac{{V^2}_{\mathrm{Th}}}{{{\mathrm{\σ}}^2}_w}\right)---\left(12\right)$

其中，噪声变化取决于由电阻器引入的热噪声和缓冲放大器的等效输入电压噪声功率频谱密度。图5示出对于参数λ_x的不同值作为施加脉冲功率函数的SNR，其中，为说明起见，假定悬臂20具有图3所示的特性、正弦波形频率f₀＝14MHz、低通滤波器时间常数τ_1pf＝12μs、噪声源在室温由电阻器R₀和R给出，并且缓冲放大器210的单侧噪声功率频谱密度为2×10^-17V²/Hz。

现在参照图6，在前面参照图2所述的读取通道的变型中，第二信号产生器220用相移器280代替，其中，相移器280的输入连接到第一信号产生器200的输出，并且其输出连接到混频器230。工作时，相移器根据来自第一信号产生器200的输出，产生第二信号

因此，相移器280确保第二信号与第一信号同步。

结合参考图7和8，在本发明的具体优选实施例中，各悬臂20包括第一、第二和第三导电臂300、310和320。第一臂300连接到温度相关电阻器340。位于中央的第二臂310提供从第一臂300和第三臂320的公共返回电流路径。第三臂320用作线圈。以下第三臂和线圈可以互换使用，它们都用标号320表示。铁磁元件330位于第三臂320的附近，从而当悬臂20偏转时使第三臂320相对于铁磁元件330偏转以提供可变电感L。三臂悬臂20可以通过将脉冲350施加于第一臂300而用于前述热机械写入方法，以及通过将来自信号产生器200的突发360施加于第三臂320而用于本公开读取方法。

可变电感由通过线圈320所限定的平面的磁场的磁通量与通过线圈320的电流之比给出，即L＝Ф_L/i_L。当尖端在凹坑110上移动时，悬臂20发生偏转。因此，当尖端在凹坑110上移动时，通过线圈320所限定的平面的磁场的磁通量发生变化。因此，悬臂20的电感值发生变化。为说明起见，假定悬臂20用作直径为50μm的线圈320，并且铁磁元件330由相对导磁率为100000的材料形成，则可以获得1μH级别的电感值。

在本发明的其他实施例中，悬臂20的前述相位特性变化可以通过在电感保持固定的情况下使悬臂20的电容可变来实现。然而，注意，通过在使用空气为电介质材料的情况下把例如悬臂20的一臂与衬底10当作电容器的两个电容板而获得的电容值远远小于1pF。

本发明的其他实施例对于本领域的技术人员而言将是清楚的。

Claims (10)

1. 一种探针存储装置，包括：一存储表面，用于存储通过在该表面变形表示的数据；一探针，面对该表面，并且包括其电抗取决于该探针相对于该表面的偏转的谐振电路；一扫描器，用于让该探针在该表面上扫描，从而使探针跟踪所述变形；以及一检测器，用于通过检测所述谐振电路的谐振频率变化来读取存储在该表面上的数据。

2. 如权利要求1所述的装置，其中，电抗包括可变电感。

3. 如权利要求2所述的装置，其中，该可变电感包括铁磁元件和响应探针的偏转可以相对于铁磁元件运动的限定电流路径的线圈。

4. 如权利要求1所述的装置，其中，该电抗包括可变电容。

5. 如任一前述权利要求所述的装置，其中，该检测器包括一连接到该谐振电路第一信号产生器，用于产生谐振电路中的第一信号；以及一混频器，用于将来自谐振电路的输出与第二信号相乘，其中，该第二信号与第一信号同步且存在相移，并且具有与第一信号类似的波形。

6. 如权利要求5所述的装置，其中，该检测器包括第二信号产生器，用于产生第二信号，该第一和第二信号产生器通过同步信号来同步。

7. 如权利要求5所述的装置，其中，该检测器包括相移器，其输入连接到第一信号产生器的输出，并且其输出连接到该混频器，用于通过对第一信号进行相移来产生第二信号。

8. 如权利要求5所述的装置，其中，该检测器包括：一低通滤波器，用于对混频器的输出进行滤波；一采样保持电路，用于对低通滤波器的输出进行采样；以及一检测电路，用于将来自采样保持电路的样本转换为二进制值。

9. 如权利要求5所述的装置，其中，当探针不偏转时，第一和第二信号以谐振电路的谐振频率变化。

10. 一种用于在探针存储装置中检测数据的方法，所述方法包括：在存储表面存储作为变形的数据；定位面对该表面和包括其电抗取决于探针相对于该表面偏转的谐振电路的探针；探针在表面上扫描，从而使探针跟踪所述变形；以及通过检测所述谐振电路的谐振频率变化来读取存储在表面上的数据。

Images