CN101465156A - 信息存储装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种信息存储装置，在固体状的介质的不接近表面的内部，呈三维状配置存储器单元，并使存储器单元具有依存于其空间坐标的电磁波的共振特性。上述介质选择存储器单元的透射共振频率的电磁波的材料。通过观测从介质外部所照射的电磁波的吸收波谱或吸收后的发射波谱，计算存储器单元的三维空间坐标。在利用了电磁波的共振现象的信息存储装置中，兼顾存储数据的高密度化和长期保存性。
Description
技术领域
本发明涉及信息存储装置，特别是涉及用非接触方式读出密封于固体状介质中的存储数据的技术，并且涉及能通过在数据被密封的状态下读取呈三维状配置的数据来进行高密度的数据存储及其长期保存的装置。
背景技术
处理图像或声音等数字信息的装置的高性能化正迅速发展，存储数字信息的信息存储装置的高集成化也随之显著发展。作为数字信息的有代表性的存储装置，有半导体存储器、硬盘、光盘等，广泛地使用于音乐、图像或文本等所有数字信息的存储。另一方面，通过摸索新的存储方式而研究各种概念。例如，在下述的专利文献1和2中记载有采用了与上述存储装置完全不同的方法的信息存储装置的例子。
在专利文献1中，记载有利用了电子自旋共振的ID卡的例子。
在专利文献2中，记载有利用了置于磁场中的原子核自旋等的共振现象的三维存储器的例子。
另外，对于各文献后面将予以叙述，但作为适合于理解本申请的发明而供参考的文献，有专利文献3和非专利文献1、2。
专利文献1：日本特开2007—4325号公报
专利文献2：日本特开平11—102584号公报
专利文献3：日本专利第3011378号公报
非专利文献1：“磁共振原理”，第三版，C.P.Slichter著，Springer-Verlag出版社，1990，第一和第二章，p.1～59(C.P.Slichter，“Principles of Magnetic Resonance”，3rd edition，Springer-Verlag，1990，Sections 1 and 2，P.1～59)
非专利文献2：“数字图像处理”，第二版，第一卷，AzrIel Rosenfeld和Avinash c.Kak著，Academic Press Inc.出版，第八章，p.353～430(Digital Picture Processing，Second Edition，Volume 1，AzrIelRosenfeld，and Avinash c.Kak，Academic Press Inc.，section8，p.353～430)
发明内容
本发明所要解决的问题在于兼顾高集成的信息存储和存储信息的长期保存。现有的半导体存储器及磁盘、光盘等信息存储装置以呈二维配置存储信息的单位为基础。虽然也有层叠存储层的装置，但层叠的层数为几层。为了以二维的配置为基础进行高集成化，必然需要推进加工技术的微细化，制造设备的投资及元件的偏差等问题显现出来。
另外，从存储信息的长期保存这样的观点来看，也不能说现有的信息存储装置是足够的。在光盘及硬盘，或者闪速存储器等一部分半导体存储装置中，即使切断电源，也能非易失地存储信息。然而，据说这些的寿命从十年起，最多不过数十年，根据使用状况，也有在数年内就丢失信息的情况。
另一方面，在上述专利文献1所述的方法中，并不存在空间上局域存在的信息存储单位。因此，无需进行微细加工。若按照专利文献1，准备几种谐振频率不同的铁磁性材料，预先从其中选择任意种类的铁磁性材料而混合在所用材料中并涂敷于ID卡上。对其照射电磁波，并根据谐振的有无来鉴别涂敷于卡上的铁磁性材料的种类。能够根据铁磁性材料的组合来进行ID卡的识别。在该方法中，需要准备要存储的信息量的种类的铁电体，所以不适合存储大量的信息，在专利文献1中也仅记载了应用于ID卡的例子。
在专利文献2中，记载了将液体的水或固体聚甲基丙烯酸甲酯用作存储介质的技术。在该方法中，通过对水等均匀的存储介质施加具有三维梯度的磁场来控制共振频率，并通过使之吸收局部不同频率的电磁波进行写入。通过在共振现象的弛豫时间内读取从氢原子等发射的电磁波来进行读出。该方法被认为与现有的二维的信息存储装置相比，由于使用三维空间而对高集成化是有利的。但是，在该方法中存在这样的问题：当在读出之前或经过了弛豫时间、或切断了外部磁场而将介质拿出到无磁场的环境中时，所存储的信息将会丢失。
如上所述，在现有的信息存储装置中难以兼顾高集成化和信息的长期保存。本发明就是鉴于这样的问题而完成的。
本发明的上述和其它的目的及新的特征根据本说明书的记述和附图得以明确。
简单地说明在本申请所公开的发明之中有代表性的发明的概要，如下。
在由固体状的第一物质构成的存储介质内部的所希望的位置上设置呈三维分布的小区域。在上述小区域内密封第二物质。各个小区域内的第二物质根据存储介质中的位置使其形状或组成发生变化、或者通过从外部施加具有空间依存关系的磁场或电场而形成以吸收不同频率的电磁波。第一物质选择第二物质所吸收的频率范围的电磁波的透射率较高的物质。在上述的存储介质中，从外部提供电磁波，观测其吸收或吸收后的发射电磁波的波谱。此时，吸收或所发射的电磁波的频率反映了上述小区域的空间坐标，将其理解为存储数据的地址，将吸收、发射的有无理解为数据的‘1’、‘0’。
按照本发明，可实现大容量的存储装置。
附图说明
图1是示出了本发明信息存储装置的实施例框图的图。
图2(a)、图2(b)以及图2(c)是示出本发明中所使用的存储介质结构的实施例。
图3是示出本发明中所使用的存储介质材料的实施例。
图4是示出应用了计算机层析X射线摄影法(computertomography)的原理的本发明信息存储装置的读出方法的实施例。
图5是示出应用了计算机层析X射线摄影法原理的本发明信息存储装置的读出方法的程序的实施例。
图6是示出将使用了微小线圈的谐振电路应用于存储器单元的本发明信息存储装置的存储器单元结构的实施例。
图7(a)、图7(b)是示出存储介质MM的制造方法的图。
符号说明
CMD…指令，ADD…地址，DATA…数据，
RU…接收单元，MU…存储单元，SU…发送单元，
CU…控制单元，PU…运算单元，MFU…磁场发生单元，
MM…存储介质，MA…存储区域，
MA-1，MA-2，…，MA-(n-1)，MA-n…存储区域的截面分层，
CELL，CELL‘1’，CELL‘0’…存储器单元，
RA…旋转轴，COIL…线圈，C…电容器。
具体实施方式
以下，按照附图详细地说明本发明的实施方式。
此外，在用于说明实施方式的全部附图中，对同一部件原则上标以相同的符号，省略其重复的说明。另外，本发明的附图和说明出于为了清楚地理解本发明而图示必要的要素的目的予以简化，同时，为了进行简化，而被认为是公知的其它要素除外。为了实施本发明，未图示的其它要素是优选的还是必要的是本领域技术人员所能够理解的。但是，这样的要素在该技术中是公知的，由于无助于更好地理解本发明，因此在本说明书中不提供这种要素的说明。
图1是本发明的信息存储装置的第一实施例。将构成本发明的信息处理装置的主要部件(以下称为单元)作为框图而示出。本框图中所示的箭头表示各方框之间的数据或控制信号等的流动。CMD为指令信号，ADD为地址，DATA为数据。
在图1中，MU为存储单元，在用三维地址ADD加以区别的小区域中存储有数据DATA。SU为发送单元，向存储单元MU发送电磁波。RU为接收单元，接收透射存储单元MU或者从MU发射的电磁波。PU为运算单元，计算对由接收单元RU给予的接收信号进行信号处理并记录到存储单元MU中的数据的配置及其值。MFU为磁场发生单元，用于将需要的磁场施加给存储单元。CU为控制单元，控制MU的旋转及上下移动或者倾斜等。
在本实施例中，当从外部向运算单元PU输入读出指令和地址时，就输出相当于所输入的地址的数据的值。后面叙述具体的读出动作。此外，以下，对电磁波和磁场、电场的产生方法、电磁波的接收方法或波谱分析等的信号处理均省略其说明。这些记载于电工学的教科书中，只要是具有一般性知识的工程师就可进行必要装置的设计。
以下，首先叙述示出存储介质的结构的实施例，其后说明关于读出方法的实施例。此外，在后述的实施例中，由做成四棱柱形状的存储介质MM构成存储单元MU。在为四棱柱等多棱柱的情况下，由于难以旋转，所以具有在放置于桌上等时掉落的危险很少这样的优点。但是，存储介质MM的形状无需是多棱柱形，当然也可根据需要而形成为圆柱等其它形状。当形成为圆柱状时，例如，由于侧面没有棱角，所以具有在收纳于机壳时即使大略符合存储介质的方向也很少发生侧面的棱角与机壳相干扰的情况，易于收纳。
图2(a)、图2(b)以及图2(c)是示出存储单元MU的具体结构的实施例。图2(a)示出了存储介质MM和设置于其内部的存储区域MA。MA形成从MA-1至MA-n的多层结构。图2(b)、图2(c)是示出各层的构成的实施例。在这些图中，示出从上面俯视存储区域MA-i的放大图。CELL为存储信息的存储器单元。
存储器单元CELL在MA的各层中配置在网格状的位置上。如后面所述，在本发明中，将电磁波照射到存储介质MM上，并通过观测由存储区域MA内部的存储器单元进行的电磁波的吸收或发射来读出所存储的信息。
在图2(b)中，用空白的圆圈表示数据‘1’的存储器单元，用黑圆圈表示‘0’。在这些数据‘1’和数据‘0’的单元中，使用电磁波的吸收、发射特性不同的物质。在存储介质MN内，存储区域内部的存储器单元以外的部分选择几乎不发生所照射的电磁波的吸收或发射的物质。
在图2(c)的实施例中，仅在存储数据‘1’的部位配置了存储器单元CELL。在相当于数据‘0’的位置上，图2(b)中的存储器单元以外的物质、即不发生电磁波的吸收、发射的物质存在于存储器单元的潜在位置。在本实施例中，与如图2(b)所示那样的用数据‘1’和数据‘0’准备电磁波的吸收、发射特性不同的2种物质的情况相比，存储器单元部分的制作变得容易。
图3示出适合于图2(b)、图2(c)的实施例的物质的例子。本实施例是将由核磁共振所产生的电磁波的吸收或发射用于读出的情况的物质的实施例。作为存储介质MM的存储器单元以外的部分的材料MM-BASE，可以由不会引起核磁共振的硅(Si)、钨(W)等构成。硅具有以下优点：其是稳定的物质，适合长期保存，并且由于作为集成电路之用大量出售而易于得到。
作为存储器单元，可采用含有中子或质子的任何一方或双方为奇数的元素、例如氢(H)、钽(Ta)、银(Ag)、金(Au)等的物质。这些无需作为纯净的元素来利用，即使作为化合物或混合物来利用，也能够仅因共振频率等特性不同来利用共振现象。此外，在将氢用于存储器单元的情况下，由于气体难以固定在存储器单元的位置上，所以使之与非晶硅键合来使用即可。核磁共振是元素本身所具有的性质，由于性质本身不会劣化，所以适于数据的长期保存。
另外，作为构成存储器单元的物质，除了发生核磁共振的物质以外，还可以是发生电子自旋共振、铁磁性材料共振、以及反铁磁性材料共振之中至少一种共振现象的物质。
这样，作为存储介质MM的存储器单元以外的部分MM-BASE的材料，通过采用可忽略电磁波的吸收、发射、或者至少电磁波的吸收/发射相对于存储器单元较小的材料，并且将引起核磁共振的材料用于存储器单元，从而可利用构成存储器单元的材料的元素本身的性质来存储信息，可非易失地存储信息。
但是，根据构成存储器单元的物质或构成存储介质的物质的组合，还考虑到即使是固体，构成存储器单元的物质也会在存储介质中发生扩散而影响到读取的情况。在该情况下，或者选择扩散系数小的物质的组合、或者采取防止向存储器单元部分扩散的阻挡层等对策是有效的。
另外，采用混入了图3中所记载的存储器单元用的物质的材料均匀地制成存储介质MM，也可在构成存储器单元的部分局部地引起热变性来写入数据。这种热变性的结果与称为所谓化学位移的现象同样地，能够使电磁波的响应特性发生变化。引起核磁共振的元素本身当然不会发生变性，但可能周围的分子的结构发生变化，或者引起核磁共振的元素的局部的密度发生变化，并调制吸收或发射波谱中的特定频率的电磁波的弛豫时间或强度。因而，能得到与使上述的MM-BASE的物质和存储器单元的物质不同的情况相同的效果。此外，与专利文献2不同，利用热变性得到的存储器单元即使不从外部施加磁场等也会稳定地存在，所以可非易失地进行存储。在该情况下，虽然可将使用于存储介质MM的材料取为一种，但即便在MM-BASE中，也能进行电磁波的吸收/发射，然而可利用热变性得到电磁波的吸收/发射的不同，所以能够读出数据。
此外，为了引起上述中的局部的热变性，可利用应用电磁波的共振吸收的方法和局部聚集激光等强电磁波的方法等。关于这些方法，关于图7的实施例，在后面进行叙述，在此予以省略。在使用了电磁波的情况下，由于物质的透射性良好，所以可扩展使用于存储介质MM的物质的选择范围。另一方面，在使用了激光的情况下，作为存储介质MM的物质，需要是透射激光的物质，材料的选择范围变小，但具有可通过控制使激光会聚的透镜位置而写入到需要的位置，从而易于写入这样的优点。
以下，按照图4、图5，使用核磁共振，具体地说明读出存储器单元的数据的实施例。在此，假定是图2(c)的实施例，但对图2(b)等而言，其原理也是相同的。省略核磁共振在理论上的细节，但例如已记载于非专利文献1等之中。
在本发明中，在从磁场生成单元MFU向存储介质MM1施加恒定磁场和倾斜磁场的状态下，由照射单元SU照射电磁波。在该状态下，填充保存有数据‘1’的小区域的第二物质以与该位置的磁场强度成比例的频率引起核磁共振。通过用接收单元RU观测所照射的电磁波的吸收或吸收后所发射的电磁波的波谱，可求出相当于数据‘1’的物质存在于哪个位置的小区域中。如果不吸收或不发射相当于小区域应存在的位置的频率的电磁波，则在该位置保存着数据‘0’。
从磁场生成单元MFU施加的倾斜磁场如果设为如小区域的三维空间坐标可区别那样的陡峭的梯度，则能根据电磁波的波谱直接计算数据‘1’的坐标。例如，在X、Y、Z方向以等间隔d按每1000个配置了存储器单元的情况下，为了对每个存储器单元施加不同的磁场，需要使倾斜磁场H的空间坐标具有下式那样的依存关系：
H(x、y、z)＝1000000(Z/d)+1000(Y/d)+X/d(x、y、z＝0～999d)(1)
通过高精度地产生并保持这样的三维倾斜磁场，能够对呈三维方式配置的每个存储器单元进行‘1’、‘0’的判断。
然而，当减小存储器单元的间隔时，需要以高精度陡峭地产生并保持三维的倾斜磁场，所以有可能难以实施。为了解决该课题，有在图像诊断MRI(磁共振成像：magnetic resonance imaging)中所使用的那样的方法。即，在z方向施加了倾斜磁场的状态下，施加电磁波脉冲，引起与特定z值处的xy平面上的存储器单元共振，进而在x方向和y方向施加倾斜磁场，调制其内部的来自存储器单元的发射电磁波的频率和相位，测定在选择平面内部的位置。只要采用该方法，就无需以高精度生成三维的倾斜磁场。然而，由于需要重复进行接收信号的处理和测定，所以读出有可能延迟。
为了解决上述这两个课题，使之具有可区分小区域的三维坐标之中的二维坐标的梯度，根据使存储介质一点一点地旋转而得到的波谱，利用计算机层析X射线摄影法计算与旋转轴垂直的各截面上的存储器单元的坐标，求出全部存储器单元的三维坐标即可。由此，以二维方式生成倾斜磁场与以三维方式生成倾斜磁场相比，易于使精度得到提高。
图4是示出为此所需要的记录介质的旋转的实施例，图5是示出了读出程序的实施例。在图4中，仅在Z方向和X方向施加具有依存关系的倾斜磁场，例如，与上述例子同样地，在X、Y、Z方向以等间隔d配置了每1000个存储器单元的情况下，倾斜磁场H的空间坐标依存关系可以是：
H(x、z)＝1000(Z/d)+X/d(x、z＝0～999d) (2)
而且，从Y方向照射电磁波。求出此时的吸收或发射的电磁波的波谱，一边使之围绕Z轴一点一点地旋转一边收集数据。在如此得到的某旋转角θ所观测到的电磁波的特定的频率成份是将在对应的z-x坐标中的y轴、即电磁波的照射方向上存储器单元的吸收或发射的电磁波的强度进行积分而得到的。在此，通过使存储介质MM围绕z轴旋转，能够在与z轴垂直的各截面中分别旋转1圈的量来测定y轴方向的积分值。只要能测定旋转1圈量的积分值，通过利用计算机层析X射线摄影法的原理，将其进行拉冬反变换，从而求出z轴的截面上的存储器单元的分布。关于计算机层析X射线摄影法的原理，例如记载于非专利文献2中。
此外，在核磁共振中，为了得到SN比较高的数据，如所公知的那样，需要对存储介质MM施加强磁场。但是，根据情况来产生强磁场，往往由于装置增大或消耗较大的功率(电磁铁的情况)等原因而难以产生强磁场。在这种情况下，图6所示的实施例是有效的。
在本实施例中，对存储器单元部分封入由微小线圈和电容器构成的谐振电路。微小的谐振电路例如可由碳形成。关于其制造方法，例如记载于专利文献3中。由这样的碳制成的微小的线圈根据尺寸被称为碳微米线圈或碳纳米线圈等。对于与电磁波的共振频率，在采用纳米尺寸的碳纳米线圈时可形成光区域，在采用微米尺寸的碳微米线圈时可形成高频电磁波区域，可针对共振频率应用本专利。对于前者，研究对具有负折射率的透镜等的应用，后者例如用作电磁波屏蔽材料。
为了应用图4的实施例等，需要使谐振频率与空间具有依存关系，但在采用由碳制成的微小线圈时，由线圈周围的电介质所形成的规定电容作为谐振电路的电容器发挥作用，所以通过施加梯级电场来代替磁场，可使共振频率与空间坐标具有依存关系。此外，代替施加梯级电场，也可利用线圈的匝数因存储器单元的空间坐标而不同，或者利用固定线圈的填充材料具有不同的透磁率。由此，无需生成梯级电场，可简化生成电场的单元的结构。
这样，通过使存储器单元中包含线圈，具有无需由特殊的永久磁铁或消耗大电流的电磁铁形成的外部磁场的优点。此外，如至此所述的那样，存储器单元呈三维状配置在存储介质MM内部的存储区域MA中。
在以这样的三维方式配置了存储器单元的存储介质MM的制造方法中，考虑到各种制造方法，使用图7说明其中容易制造的方法。图7(a)示出用不同的物质构成MM-BASE和存储器单元时的制造方法。最初，例如用硅等的晶片预先准备圆盘状的存储介质的薄片(步骤1—1)。其次，在薄片上所希望的位置开通孔并嵌入图3的存储器单元材料(步骤1—2)。其后，通过在步骤2中层叠并粘合嵌入了存储器单元材料的多个薄片，制成一个存储介质MM(步骤1—3)。通过如此制造存储介质MM，对每个薄片预先写入数据，所以在批量制作的情况下，可降低价格。
图7(b)示出利用热变性构成存储器单元时的制造方法。首先，使用图3所记载的混入了存储器单元用的物质的材料均匀地制作存储介质MM(步骤2—1)。接着，利用外部磁场，形成介质内部的存储区域MA内部的共振频率按每个空间坐标而不同的状态(步骤2—2)。其后，在该状态下照射要改变数据的存储器单元的具有谐振频率的强电磁波(步骤2—3)。这样，可对具有该谐振频率的存储器单元有选择地引起热变性。
此外，代替使用外部磁场和电磁波，可以通过激光照射使之进行热变性。在使用了外部磁场和电磁波的情况下，由于物质的透射性好，所以可扩展在存储介质MM中使用的物质的选择范围。另一方面，在使用了激光的情况下，作为存储介质MM的物质，需要做成透射激光的物质，材料的选择范围变小，但具有通过控制使激光会聚的透镜位置，可写入到所需的位置，易于写入的优点。
以上，通过采用本发明，呈三维状保存数据，所以与如通常的半导体存储装置那样的二维存储相比，能够不依存于微细加工而实现高集成度的存储。
另外，与专利文献2中所述的方法不同，由于存储器单元使用与存储介质MM不同的物质来保存，所以即使无外部磁场，也能非易失地保存数据。进而，密封于固体状的介质中来保存数据，这些数据以非接触方式被读出，所以能够长期保存数据。即，若预先保存于屏蔽电磁波的机壳中，则不会由于通常的温度或湿度而丢失数据。假如在表面上带有伤痕，或遭霉菌等侵蚀，也能通过研磨该部分来读出信息。因此，本发明的信息存储装置适于将珍贵的影像和文献或文物的数据作为数字数据来长期保管。
现在，为了长期保存书籍或文件，主要使用微缩胶卷，然而这是复制后的模拟数据，而且是黑白二进制。光盘和硬盘或半导体存储器等虽能以高密度存储数字数据，但其寿命远不及微缩胶卷(据称在500年以上)。这样，本发明不仅具有基于三维存储的高密度存储这样的特点，而且还具有迄今没有的可长期保存数字数据的特点。
以上，基于实施方式具体地说明了由本发明人所进行的发明，但不言而喻，本发明并不限于上述实施方式，在不违背其宗旨的范围内可进行各种变更。
Claims (9)
1.一种信息存储装置，其特征在于，具备：
存储介质，具有固体状的第一物质和为了存储数据而设置在上述固体状的第一物质的内部并且各自包含第二物质的多个小区域；
发送单元，对上述存储介质照射包含多个频率的电磁波；
接收单元，接收接受由上述发送单元照射的电磁波而从上述多个小区域发射的电磁波；以及
运算单元，根据上述接收单元接收到的电磁波的波谱来求出存储在上述多个小区域中的数据和与其对应的地址，其中，
上述第二物质与上述发送单元所照射的上述电磁波的多个频率中的至少一个共振频率发生共振，
上述第一物质与上述多个第二物质相比，容易透射上述共振频率。
2.根据权利要求1所述的信息存储装置，其特征在于，
上述第二物质包含发生核磁共振、电子自旋共振、铁磁性材料共振、以及反铁磁性材料共振之中的至少一种共振现象的物质。
3.根据权利要求2所述的信息存储装置，其特征在于，
还具备用于向上述存储介质提供磁场的磁场发生单元，
上述第二物质包含键合了氢的非晶硅、钽、银、金中的任何一种而构成，
上述磁场发生单元通过对存储介质施加恒定磁场(H0)和具有空间坐标依存性的倾斜磁场(H)，来对构成上述小区域的第二物质设定依存于空间坐标的共振频率，
上述运算单元用上述共振频率的大小来与地址相对应。
4.根据权利要求1所述的信息存储装置，其特征在于，
上述第二物质包含多个由金属或碳等构成的线圈。
5.根据权利要求4所述的信息存储装置，其特征在于，
构成上述小区域的第二物质中包含的线圈的形状或固定线圈的填充材料的透磁率按空间坐标的不同而不同，
上述照射单元对上述小区域照射具有依存于空间坐标的共振频率的电磁波，
上述运算单元用上述共振频率的大小来求出地址。
6.一种存储介质，其特征在于，
具有固体状的第一物质和为了存储数据而设置在上述固体状的第一物质内部并且各自包含第二物质的多个小区域，
上述第二物质与从外部照射的电磁波的至少一个共振频率发生共振，
上述第一物质与上述多个第二物质相比，容易透射上述共振频率。
7.根据权利要求6所述的存储介质，其特征在于，
上述第二物质包含发生核磁共振、电子自旋共振、铁磁性材料共振以及反铁磁性材料共振之中的至少一种共振现象的物质。
8.根据权利要求6所述的存储介质，其特征在于，
上述第二物质包含多个由金属或碳等构成的线圈。
9.根据权利要求8所述的存储介质，其特征在于，
构成上述小区域的第二物质中包含的线圈的形状或固定线圈的填充材料的透磁率按空间坐标的不同而不同。
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