CN1957406A - 用于铁电记录介质的信息重放装置 - Google Patents

Abstract

谐振电路(17)由记录介质(1)的铁电层(2)的电容器Cs和谐振器(14)构成。由谐振电路将铁电层(2)的电容器Cs的变化转换成振荡信号的频率。使用诸如SAW谐振器的具有高Q的谐振元件作为谐振器(14)。

Description

用于铁电记录介质的信息重放装置

技术领域

本发明涉及用于铁电记录介质的信息重放装置，该介质通过利用铁电物质的自发极化来保持信息。

背景技术

作为高密度信息记录介质，诸如硬盘驱动器等磁存储器，以及诸如压缩盘和DVD等光存储器，已经得到广泛使用。在这种高密度信息记录介质的技术领域中，研究和开发的进展与日俱进，记录介质的记录密度不断提高。不过，由于磁存储器中的超顺磁性和光存储器中的衍射限制，这两种情况下都限制了记录密度的提高。例如，对于磁存储器，已知每6.45平方厘米(1平方英寸)1兆兆位的记录密度是个限制，即使使用了垂直磁记录。

这就是最近研制通过利用铁电物质的自发极化来保持信息的铁电记录介质的原因。铁电记录介质仍在研制中，还没有普遍推广。铁电记录介质在理论上可以将记录密度提高到以铁电物质的晶格为单位。因此，根据这种铁电记录介质，可以超出磁存储器或光存储器的记录密度的限制。例如，根据应用了扫描非线性介电显微镜(SNDM)技术的记录/重放方法(下面称之为“SNDM方法”)，通过实验证明了可以以每6.45平方厘米1.5兆兆位的记录密度将信息记录到铁电记录介质上或重放来自铁电记录介质的信息。

在日本专利申请未决公开第2003-085969(专利文献1)中，讲述了在SNDM方法中利用铁电记录介质来记录和重放信息的技术。这里，简要叙述一下通过SNDM方法进行的信息记录和重放。

铁电记录介质具有由诸如例如铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)等铁电物质形成的铁电层。信息被记录和保持在铁电层中。然后，对于信息记录和重放，使用由诸如钨等金属制成的纳米级探针。

当将信息记录到铁电记录介质上时，使探针与铁电记录介质的表面(记录表面)相接触，或者使探针非常近铁电记录介质的表面。然后，从探针对铁电记录介质的铁电层施加超过矫顽(coercive)电场的电场，从而反转探针下面的铁电层的极化方向。该施加电压是脉冲信号，其电平随着要记录的信息而发生改变，并且尽管经由探针对铁电层施加了电压，但探针相对于铁电记录介质的位置与铁电记录介质的表面相平行地进行位移。通过这样，可以将信息记录作为铁电层的极化状态到铁电记录介质上。

另一方面，当重放记录在铁电记录介质上的信息时，利用了铁电层的非线性介电常数根据铁电层的极化方向而变化这一事实。也就是说，通过检测铁电层的电容变化来读取铁电层的非线性介电常数，从而重放作为铁电层的极化状态而记录的信息。具体地说，使探针与铁电记录介质的表面相接触，或者使探针与铁电记录介质的表面离得非常近。然后，将小于矫顽电场的交流电场施加到铁电记录介质的铁电层，从而产生铁电层的电容交替地改变的情形。在这种情况下，经由探针检测到铁电层的电容改变。

铁电层的电容改变如下所述。也就是说，由铁电层的电容和外部电感器的电感形成了LC谐振电路。而且，LC谐振电路连接到放大器电路，从而整个形成振荡器。通过这样，振荡器输出其频率随着铁电层的电容而发生改变的振荡信号。然后，振荡信号的频率改变被转换成幅度改变。然后，从该频率-幅度转换信号中提取出对应于铁电层的电容的分量。然后，根据提取的分量来重放信息。

专利文献1：日本专利申请未决公开第2003-085969号。

发明内容

本发明要解决的问题

顺便提及，根据对上述日本专利申请未决公开第2003-085969号的讲述，使用了包括LC谐振电路的振荡器来检测铁电记录介质的的铁电层的电容变化并重放信息。为了提高信息重放的准确度或稳定性，需要将铁电层的电容改变准确地转换成振荡信号的频率改变。这样，期望LC谐振电路的Q因数较高。不过，在使用电感器来作为电感元件的LC谐振电路中，很难将Q设置得较高。因此，存在难以提高信息重放的准确度或稳定性的问题。

因此为了解决上述示例问题，本发明的一个目的是提出一种用于铁电记录介质的信息重放装置，它具有信息重放的高准确度或稳定性。

解决问题的方法

本发明的上述目的可以通过用于从具有铁电层并且通过利用铁电层的自发极化来保持信息的记录介质中读取和重放信息的信息重放装置来实现。该信息重放装置具有：探针，用于扫描记录介质的表面和检测铁电层的电容；返回电极，其以预定间隔面对记录介质的表面，并且被布置在探针附近；电场施加设备，用于对铁电层施加电场，以便能够通过探针来检测铁电层的电容；谐振器，用于与通过探针检测到的铁电层的电容一起形成谐振电路；振荡信号生成设备，用于生成具有根据由探针检测到的铁电层的电容和谐振器决定的谐振频率的振荡信号；以及信息重放设备，用于根据由振荡信号生成设备生成的振荡信号来重放保持在记录介质中的信息。

从下述实施例和例子中可以更加清楚地理解本发明的这些效果和其他优点。

附图说明

图1为框图，示出了本发明的信息重放装置的第一实施例；

图2为框图，示出了本发明的信息重放装置的第二实施例；

图3为框图，示出了本发明的信息重放装置的一个例子；

图4为框图，示出了本发明的信息重放装置的另一个例子。

标号描述

1...记录介质

2...铁电层

10、20、40、50...信息重放装置

11、41...探针

12、42...返回电极

13、43...电场施加设备(交流电源)

14、44...谐振器(SAW谐振器)

15、45...振荡信号生成设备(振荡放大器电路)

16、12、46、47...信息重放设备

17、49...谐振电路

具体实施方式

下面参考附图依次针对每一个实施例来讨论实施本发明的最好模式。顺便说一下，用于解释本发明的实施例的附图内容体现了本发明的组成元件等，仅用于解释其技术思路的目的。每一个组成元件等的形状、尺寸、位置、连接关系等并不限于附图。而且，在“例子”部分中将公开用于实施本发明的更为具体的例子。

(第一实施例)

图1示出了本发明的信息重放装置的第一实施例。图1中的信息重放装置10是用于读取和重放记录和保持在铁电记录介质1上的信息的装置。信息重放装置10可以在诸如电脑、视频设备、音频设备、通信设备、医疗设备和控制机器等具有例如磁盘驱动器和磁盘播放器的处理数字信息的各种类型设备中用于信息重放处理。

记录介质1具有由诸如例如铌酸锂(LiNbO₃)和钽酸锂(LiTaO₃)等铁电物质形成的铁电层2。信息作为铁电层2的极化方向被记录下来，并且通过铁电物质的自发极化特性被保持。在铁电层2的后表面上，形成有后电极3，并且可以经由后电极3和返回电极12将电场施加到铁电层2。

信息重放装置10采用SNDM方法。作为铁电物质的极化方向被保持的信息通过SNDM方法进行重放的原理如下。一般地，铁电物质的非线性介电常数随着铁电物质的极化方向而变化。例如，如图1中的箭头P所示，铁电物质的非线性介电常数根据铁电物质的极化方向是朝上还是朝下而改变。通过对铁电物质施加小于铁电物质的矫顽电场的电场，并且检测铁电物质的电容，可以得知铁电物质的非线性介电常数的差异。具体地说，对铁电物质施加强度小于铁电物质的矫顽电场的强度的电场。然后，如图1所示，直接检测铁电物质内部或表面层中的静电电容的改变，该改变对应于铁电物质的非线性介电常数的差异，即铁电物质的极化方向的差异。施加到铁电物质的电场可以是直流电场，但是交流电场更能提高检测灵敏度。如果对铁电物质施加交流电场，则铁电物质的电容根据交流电场而交替地改变。此时，根据铁电物质的极化方向是朝上还是朝下，由电容的变化绘制的曲线也发生变化。这是因为存在这样一种特性，即铁电物质的极化改变随施加的电压改变而绘制出磁滞曲线。因此，通过在对铁电物质施加交流电场的情况下检测铁电物质的电容变化，并且区分电容变化曲线的差异，可以知道铁电物质的非线性介电常数的差异，并且还可以知道铁电物质的极化方向。然后，可以重放作为极化方向被记录和保持的信息。

如图1所示，信息重放装置10具有：探针11；返回电极12；电场施加设备13；谐振器14；振荡信号生成设备15；以及信息重放设备16。

探针11是用于扫描记录介质1的表面(铁电层2)和检测铁电层2的电容的部件。探针11是在诸如例如钨等金属或碳纳米管等上形成的。探针11的形状为针形，并且其尖端直径为例如几纳米到几百纳米。探针11被布置在记录介质1上，并且垂直于记录介质1的表面延伸。

返回电极12与后电极3一起具有将从电场施加设备13输出的电场施加到铁电层2的功能。而且，返回电极12具有形成从探针11的尖端通过铁电层2到达返回电极12的电气路径S的功能。那么，电气路径S是由铁电层2的电容Cs和谐振器14形成的谐振电路的一部分。换句话说，返回电极12是组成用于确定谐振电路的谐振频率的反馈电路的一部分的路径。返回电极12以预定间隔面对记录介质1的表面或与记录介质1的表面相对，并且被布置在探针11附近。具体地说，返回电极12与探针11都被布置在铁电层2的一侧的表面之上。返回电极12和记录介质1的表面之间的距离大约为例如几十纳米到几十微米。由于返回电极12被布置在探针11附近，从电场施加设备13输出的电场被施加在铁电层2中的探针11的尖端下面和包括其周围的区域。而且，由于回流电路12以相对较小的间隔面对记录介质1的表面，并且被布置在探针11附近，因此电气路径S极短。通过缩短电气路径S，可以抑制当检测铁电层2的电容改变时混入的诸如寄生电容等不可预测的噪声。顺便说一下，返回电极12形成为环形，并且探针11被布置在环的中心。通过形成环形的返回电极12，存在如下优点，即可以将从电场施加设备13输出的电场均匀地施加到周围附近。不过，至于返回电极12的形状，如果如上所述可以合理设置与探针11的位置关系和与记录介质1的表面的位置关系，则可以是其他形状。

电场施加设备13将电场施加到铁电层2，以便通过探针11能够或有助于检测铁电层2的电容Cs。电场施加设备13产生交流电压或直流电压，并且在返回电极12和后电极3之间提供该电压。通过这样，将交流电场或直流电场施加到铁电层2。通过电场施加设备13施加的电场的强度低于铁电层2的矫顽电场的强度。不过，如果由电场施加设备13施加的电场是交流电场，则交流电场的频率大约是例如5kHz至100kHz。电场施加设备13可以通过用于生成交流电压或直流电压的常规电路来实现。顺便说一句，在图1中，经由返回电极12和后电极3将交流电场或直流电场施加到铁电层2，不过，该电场可以经由探针11和后电极3施加到铁电层2。

谐振器14与通过探针11检测到的铁电层2的电容Cs一起形成谐振电路17。也就是说，谐振器14具有根据铁电层2的电容Cs来确定谐振频率的功能。那么，根据铁电层2的电容Cs和谐振器14确定的谐振频率是通过振荡信号生成设备15生成的振荡信号的频率。根据铁电层2的电容Cs和谐振器14确定的谐振频率的平均值大约为例如1GHz(顺便说一下，如后所述，根据铁电层2的电容改变，该谐振频率以例如1GHz为中心而改变)。可以使用诸如例如SAW(表面声波)谐振器、晶体振荡器和陶瓷谐振器等各种谐振器、振荡器或变频器来作为谐振器14。不过，由于期望有高Q因数，因此期望使用SAW谐振器或晶体振荡器来作为谐振器14。而且，一般地，SAW谐振器比晶体振荡器具有更高的Q因数，因此从高Q因数这点来考虑，使用SAW谐振器来作为谐振器14更理想。

振荡信号生成设备15生成具有根据由探针11检测到的铁电层2的电容Cs和谐振器14确定的谐振频率的振荡信号。例如，振荡信号生成设备15和由铁电层2的电容Cs与谐振器14形成的谐振电路17一起组成振荡器。振荡信号生成设备15不仅可以通过放大器电路来实现，而且可以通过用于组成带有谐振电路17的振荡器的各种元件来实现。更具体地说，可以应用用于VCSO(压控SAW振荡器)或VCXO(压控晶体振荡器)的电路结构(除了压控部件以外，而且铁电层2的电容对应于可变电容元件)。

信息重放设备16根据由振荡信号生成设备15生成的振荡信号来重放保持在记录介质中的信息。如后所述，振荡信号的频率随着铁电层2的电容Cs变化而发生改变。信息重放设备16检测振荡信号的频率变化，并且知道铁电层2的电容Cs的变化。据此，可以知道铁电层2的非线性介电场数，并且进而知道铁电层2的极化方向。由于信息作为铁电层2的极化方向被保持，因此通过这种检测和分析，可以重放保持在铁电层2中的信息。

具有这种结构的信息重放装置10的操作如下。当重放保持在记录介质1中的信息时，首先，未示出的定位机构移动探针11或记录介质1，从而使探针11的尖端与记录介质1的表面相接触，或者使其靠近距离记录介质1的表面几纳米至几十纳米的位置。然后，电场施加单元13在后电极3和返回电极12之间提供例如交流电压。这样，将交流电场施加到铁电层2。然后，由于施加了交流电场，因此位于铁电层2中的探针11的尖端下面和周围区域中的电容Cs根据交流电场而交替改变。铁电层2的电容Cs的改变(具体地说，如图1所示，在铁电层2的内部或其表面层中的电容Cs的改变)被探针11检测到。然后，根据铁电层2的电容Cs的改变，由铁电层2的电容Cs和谐振器14形成的谐振电路17的谐振频率发生改变。因此，据此，改变了振荡信号生成设备15生成的振荡信号的频率。该振荡信号被提供给信息重放设备16。然后，信息重放设备16根据振荡信号识别到铁电层2的电容Cs的改变，并且重放保持在铁电层2中的信息。

如上所述，信息重放装置10使用谐振电路17中的谐振器14，根据铁电层2的电容Cs的改变来改变振荡信号的频率。通过使用谐振器14，可以实现具有高Q因数的谐振电路17。这样，就可以使振荡信号的频率改变高度准确和灵敏地跟随铁电层2的电容Cs的改变。也就是说，即使铁电层2的电容Cs的改变极小，也可以根据这个小的改变来改变振荡信号的频率。而且，即使铁电层2的电容Cs的改变较快，也可以根据这个快速改变来改变振荡信号的频率。因此，根据信息重放装置10，可以提高信息重放的准确度和速度。

而且，根据信息重放装置10，由于使用谐振器14，因此可以在不减少信息重放的准确度或SN比的情况下，来减少施加到铁电层2的交流电场的幅度。而且，即使施加直流电场来代替交流电场的这种构造，也可以实现高准确度的信息重放。原因如下。

也就是说，如上所述，在SNDM方法中，当对铁电物质施加交流电场时铁电物质的电容变化曲线的差异是显著的，并且据此知道铁电物质的极化方向。具体地说，首先，对铁电物质施加交流电场，从而改变铁电物质的电容。然后，通过使用谐振电路，振荡信号的频率改变跟随着铁电物质的电容改变，就是说，铁电物质的电容改变被转换成振荡信号的频率改变。然后，对振荡信号的频率改变执行信号检测处理，从而知道铁电物质的极化方向。因此，如果谐振电路的灵敏度差，则难以将铁电物质的电容变化准确地转换成振荡信号的频率变化，因此很难正确地知道铁电物质的极化方向。

作为解决该问题的一个方法，有一种增加交流电场的幅度的方法。如果交流电场的幅度增加，则铁电物质的电容改变增加，从而造成与铁电物质的极化方向的差异相对应的电容变化曲线的显著差异。因此，即使谐振电路的灵敏度差，也可以从振荡信号的频率变化中读取铁电物质的极化方向。不过，由于交流电场的强度不能超出铁电物质的矫顽电场的强度，因此限制了增加交流电场的幅度。因此，在该方法中，在有些情况下，不能充分提高铁电物质的极化方向识别的准确度。

相比之下，根据本发明的第一实施例中的信息重放装置10，使用具有高Q因数的谐振器14来形成谐振电路17，因此谐振电路17的灵敏度较高。因此，可以将铁电物质的电容变化准确地转换成振荡信号的频率变化，从而可以正确地知道铁电物质的极化方向。而且，由于谐振电路17的灵敏度好，不需要增加交流电场的幅度。此外，由于谐振电路17的灵敏度好，可以正确地知道铁电物质的极化方向，即使交流电场的幅度减小。因此，可以在不降低信息重放的准确度或SN比的情况下来减小施加到铁电层2的交流电场的幅度，而且可以采用施加直流电场来代替交流电场的这种构造。

(第二实施例)

图2示出了本发明的信息重放装置的第二实施例。第二实施例的特征在于，信息重放设备的形式更为具体。也就是说，图2中的信息重放装置20具有信息重放设备21。信息重放设备21具有：转换设备22；以及提取设备23。

转换设备22将与由探针11检测到的铁电层2的电容改变相对应的振荡信号的频率改变转换成幅度改变，并且输出转换后的信号。转换设备22可以通过例如频率-电压转换电路、FM解调器等类来实现。

提取设备23从通过转换设备22转换的信号中提取与由探针11检测到的铁电层2的电容改变相对应的分量。提取设备23可以通过诸如锁定放大器等检测电路来实现。如果采用了通过电场施加设备13在返回电极12和后电极3之间提供交流电压并由此将交流电场施加到铁电层2的这种构造，则理想地使用该交流电场来作为参考信号，以用于提取设备23的信号分量提取处理(检测处理)(参考图2中虚线形式的连接线)。这样，可以提高信号分量提取处理(检测处理)的准确度。

(例子)

下面参考附图来解释本发明的例子。下面的例子是用于执行本发明的一个优选例子。

记录介质30具有：铁电层31；以及后电极32。铁电层31由例如铌酸锂(LiNbO₃)形成。后电极32由诸如铝、铂和铜等导体形成，并且通过诸如溅射和淀积等薄膜形成工艺形成(层叠)于铁电层31的后表面上。

信息重放装置40具有：探针41；返回电极42；交流电源43；SAW谐振器44；振荡放大器电路45；频率-幅度转换电路46；以及锁定放大器47。

探针41是用于扫描记录介质30(铁电层31)的表面和检测铁电层31的电容的部件。探针41由例如钨形成，其形状为针形，并且其尖端直径为大约几十纳米。当重放保持在记录介质30上的信息时，探针41的尖端接近记录介质30的表面上的读取位置。探针41的尖端和记录介质30的表面之间的距离大约为几个纳米到几十个纳米。通过使探针41的尖端和记录介质30的表面彼此靠近到这样很小的距离，可以在确保通过探针41来对记录介质30的表面进行容易和快速扫描的同时，实现与在探针41的尖端与记录介质30的表面相接触的情况中相同的电子动作。而且，探针41的尖端也可以与记录介质30的表面相接触。

返回电极42和后电极32一起具有将从交流电源43输出的电场施加到铁电层31的功能。而且，返回电极42具有形成从探针41的尖端通过铁电层31到达返回电极42的电气路径S的功能。返回电极42以预定间隔面对记录介质30的表面或与记录介质30的表面相对。返回电极42和记录介质30的表面之间的距离大约为例如几百纳米。而且，返回电极42形成为围绕探针41的环形。

交流电源43是用于将交流电场施加到铁电层31的电源，以便通过探针41能够或有助于检测铁电层31的电容Cs。交流电源43产生交流电压，并且在返回电极42和后电极32之间施加该电压。通过这样，将交流电场施加到铁电层31。通过交流电源43施加的电场的强度小于铁电层31的矫顽电场的强度，并且其频率大约为例如5kHz。

SAW谐振器44与通过探针41检测到的铁电层31的电容Cs一起形成谐振电路49。也就是说，SAW谐振器44具有利用铁电层31的电容Cs来确定谐振频率的功能。根据铁电层31的电容Cs和SAW谐振器44确定的谐振频率的平均值大约为例如1GHz。

振荡放大器电路45是用于生成具有根据由探针41检测到的铁电层31的电容Cs和SAW谐振器44确定的谐振频率的振荡信号的电路。也就是说，铁电层31的电容Cs、SAW谐振器44和振荡放大器电路45共同组成了振荡器。铁电层31的电容Cs和SAW谐振器44对应于振荡器的频率确定电路，并且振荡放大器电路45对应于振荡器的放大器电路。

频率-幅度转换电路46是如下电路，其用于将与由探针41检测到的铁电层31的电容改变相对应的振荡信号的频率改变转换成幅度改变并且输出转换信号。

锁定放大器47是如下电路，其用于从通过频率-幅度转换电路46转换的信号中提取与由探针41检测到的铁电层31的电容改变相对应的分量。从交流电源43中输出的交流电压不仅被提供给返回电极42和后电极32，而且被提供给锁定放大器47。锁定放大器47使用该交流电场作为参考信号，从而提取与铁电层31的电容改变相对应的分量，并且重放保持在铁电层31上的信息。

位移机构48例如是X-Y台，并且是用于在与记录介质30的表面相平行的方向(图3中的X方向和Y方向)上来位移布置在其上的记录介质30的机构。通过位移机构48来位移记录介质30，实现了通过探针41来扫描记录介质30的表面。

(另一个例子)

图4示出了本发明的另一个例子。在信息重放装置50中，在由上述例子中的探针41检测到的铁电层31的电容Cs和SAW谐振器44构建的谐振电路49中的探针41和SAW谐振器44之间进一步插入电感器51。在SAW谐振器44的谐振频率当中，由电感器51和探针41检测到的铁电层31的电容Cs选择的频率，满足谐振电路49的谐振条件，并且这是振荡放大器电路45的振荡频率。

顺便说一下，可以根据需要对本发明进行更改，而不会偏离可以从权利要求和整个说明中读出的本发明的主旨或精神，并且涉及这些更改的装置也在本发明的技术范围之内。

工业适用性

用于本发明的铁电记录介质的信息重放装置可以被应用到用于如下铁电记录介质的信息重放装置，所述铁电记录介质通过利用例如铁电物质的自发极化来保持信息。

Claims (5)

1.一种信息重放装置，用于从具有铁电层并且通过利用铁电层的自发极化来保持信息的记录介质中读取和重放信息，

所述信息重放装置包括：

探针，用于扫描记录介质的表面和检测铁电层的电容；

返回电极，其以预定间隔面对记录介质的表面，并且被布置在所述探针附近；

电场施加设备，用于对铁电层施加电场，以便能够由所述探针来检测铁电层的电容；

谐振器，用于与由所述探针检测到的铁电层的电容一起形成谐振电路；

振荡信号生成设备，用于生成具有根据由所述探针检测到的铁电层的电容和所述谐振器决定的谐振频率的振荡信号；以及

信息重放设备，用于根据由所述振荡信号生成设备生成的振荡信号来重放保持在记录介质上的信息。

2.如权利要求1所述的信息重放装置，其中所述谐振器是SAW(表面声波)谐振器。

3.如权利要求1所述的信息重放装置，其中所述谐振器是晶体振荡器。

4.如权利要求1所述的信息重放装置，其中所述电场施加设备对铁电层施加交流电场。

5.如权利要求1所述的信息重放装置，进一步包括：

转换设备，用于将与由所述探针检测到的铁电层的电容改变相对应的振荡信号的频率改变转换成幅度改变，并且输出转换信号；以及

提取设备，用于从由所述转换设备转换的信号中提取与由所述探针检测到的铁电层的电容改变相对应的分量。

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