專利名稱：數(shù)據(jù)存儲設備和數(shù)據(jù)存儲設備中讀取數(shù)據(jù)的方法
技術領域：
本發(fā)明總體而言涉及數(shù)據(jù)存儲介質，更具體地說，涉及數(shù)據(jù)存儲設備和數(shù)據(jù)存儲設備中讀取數(shù)據(jù)的方法。
背景技術：
計算機和其它類型電子設備的存儲介質一般有兩種類型易失存儲器和非易失存儲器。易失存儲器在電源不再向該存儲器供電時會丟失所存儲的內容，而非易失存儲器即使當電源不再向該存儲器供電時也可以保持所存儲的內容。最普通的易失性存儲器就是以集成電路形式普遍生產和應用的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)。數(shù)據(jù)存儲介質這個術語在這兒是廣義的，包括IC存儲器，也包括其他類型的數(shù)據(jù)存儲介質。
比較而言，非易失存儲器更多的是以磁和光介質形式生產及應用，包括硬盤驅動器、軟盤驅動器、只讀存儲光盤(CD-ROM’s)、可重寫CD(CD-RW)光盤、以及數(shù)字萬用光盤(DVDs)等等。歷史上，以IC的形式實現(xiàn)的非易失性存儲器主要以不能重錄的ROM形式生產及應用，如硬連線的ROM及可編程ROM(PROM).最近，IC非易失性存儲器也以不同類型的快速存儲器出現(xiàn)，也就是在技術上更廣為人知的電可擦除PROM(EEPROM)。
計算機工業(yè)界的一般目的是提高計算機使用的存儲介質的存儲密度。然而每一種新技術都要有長遠展望以給新技術留下持續(xù)改進的空間。這是因為存儲技術的每一次重大改變，計算機工業(yè)界必須要進行可觀的投資來改造現(xiàn)存的生產設備或者為了與所述新技術相聯(lián)系的目的而用新的生產設備更換現(xiàn)有的生產設備。因此，存儲系統(tǒng)的進一步發(fā)展的結果就是任何具有更好存儲面積密度的新技術長期而言必須具有進行進一步放大，更好的是，直至納米水平的潛力。
現(xiàn)今已知僅有的既簡單且具有長期遠景的工具就是納米探針尖。這種探針尖在用于直至原子等級的成像和結構分析的原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)上都有應用。這種簡單的探針尖是一種非常可靠且只專注于一種功能的工具對交互作用極好的局部制約。
最近幾年，在聚合物存儲介質上的AFM熱學-機械記錄技術主要在用來強化簡易性并提高數(shù)據(jù)傳輸率和存儲密度的傳感器和加熱器的結合方面經(jīng)歷了很大改進。通過采用加熱的懸臂，已經(jīng)演示過達到400Gb/in2的存儲密度和幾個Mb/s的讀取速度、100kb/s的寫入速度這種先有技術的熱學-機械記錄技術是一種通過懸臂/探針在聚合物層上施加局部作用力和通過局部加熱軟化聚合物層的組合技術。通過施加足夠的熱量，可以在存儲介質上形成用于寫入可以用同一個探針讀回的數(shù)據(jù)位的凹坑，這時由于以下事實當探針尖移入時凹坑時操縱桿是彎曲的因而傳感電路的電阻隨之發(fā)生變化。
在寫入數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)位時，熱量從探針通過一個小接觸面?zhèn)鬟f給聚合物的過程在開始時很差但隨著接觸面積增加而改善。這就意味著必須把探針加熱到比較高的溫度以便啟動融化過程。一旦熔化開始，探針就會被壓入聚合物，以此來提高熱傳導和增加熔融的聚合物體積從而增加數(shù)據(jù)位的尺寸。在融化開始同時接觸面增加之后，用于產生凹坑的有效加熱功率最少增加十倍，以達到總加熱功率的2％或更多(取決于設計)。為了提供完整的數(shù)據(jù)存儲方案，必須提出一個在可接受的速率下達到足夠信噪比(SNR)的讀取過程。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取方法取決于熱的懸臂和數(shù)據(jù)存儲介質之間的間隙調制。間隙調制是由探針沿著先前描述的寫入過程生成的介質地形而產生的。前述的間隙調制通過懸臂和介質間熱流的變化對懸臂溫度產生同步調制。加熱器的電阻溫度系數(shù)把這個溫度變化轉變成被相應電子線路以輸出信號形式檢測到的電阻變化。然而，這種讀取方法的帶寬或者數(shù)據(jù)率主要取決于加熱器/懸臂的熱學時間常數(shù)。
因此，所需要的就是一種方法和系統(tǒng)，它可以有能力以相似或者更高的SNR來達到更高的數(shù)據(jù)位讀取速率。這種方法和系統(tǒng)必須簡單并且可以比較容易地應用到現(xiàn)有的技術中。本發(fā)明就滿足了這個需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明包括數(shù)據(jù)存儲設備和在數(shù)據(jù)存儲設備中讀取數(shù)據(jù)的方法。因此，本發(fā)明的第一方面是數(shù)據(jù)存儲設備。數(shù)據(jù)存儲設備包括固定在懸掛機構上的探針；數(shù)據(jù)存儲層；至少一個導電層，其中，在所述導電層和懸掛機構之間形成電容；以及傳感器，用于檢測基于由數(shù)據(jù)位出現(xiàn)引起的探針尖位移的電容變化。
本發(fā)明的第二方面是數(shù)據(jù)存儲設備中讀取數(shù)據(jù)的方法。所述方法包括在至少一個材料層上通過懸掛機構懸掛探針尖；提供至少一個導電層，其中，在所述導電層和懸掛機構之間形成電容；以及檢測基于由數(shù)據(jù)位的出現(xiàn)引起的探針尖位移的電容變化。
從以下結合附圖、通過實例說明本發(fā)明原理的詳細描述，可以明白本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點。


這里引用的附圖構成說明書的一部分。附圖中顯示的特征被指定為僅僅是本發(fā)明某些實施例而不是本發(fā)明全部實施例的說明，除非另有明確指明，不能做相反地的推論。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的圖解說明。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的圖解說明。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的圖解。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的圖解。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)存儲設備及數(shù)據(jù)存儲設備中的數(shù)據(jù)讀取方法。下面的描述是為了讓本專業(yè)的普通技術人員可以實施和利用本發(fā)明并且是在專利申請及其要求的范圍內提供的。本專業(yè)的技術人員將明白對此處描述的實施例的各種修改以及本發(fā)明的一般原理和特征。因此本發(fā)明不限于所展示的實施例而要包括與此處描述的原理和特征相一致的最廣泛范圍。
基于本發(fā)明的不同的實施例，公開了一種數(shù)據(jù)存儲設備和數(shù)據(jù)存儲設備中的數(shù)據(jù)讀取方法。
數(shù)據(jù)存儲設備包括通過懸掛機構懸掛在存儲介質上方的探針尖。因此，當探針尖在存儲介質上面掃描時，探針尖和下面的存儲介質之間的間隙由于針尖遇上了存儲介質上的地形數(shù)據(jù)位(topographic bit)而發(fā)生變化。隨著探針尖和下面的存儲介質間的間隙的變化，探針尖/懸掛機構和設備其他元件間的電容發(fā)生變化。因此，可以實現(xiàn)一種借助于監(jiān)測探針尖/懸掛機構和設備其他元件之間的電容的讀取方案。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的高級流程圖。第一步110包括通過懸掛機構在數(shù)據(jù)存儲層懸掛探針尖。在一個實施例中，懸掛機構是柔性懸掛機構。第二步120包括提供至少一個導電層，其中，在所述至少一個導電層和懸掛機構之間形成電容。最后一步130包括檢測基于探針尖位移的電容變化。在一個實施例中，所述位移是由數(shù)據(jù)存儲層中地形數(shù)據(jù)位的出現(xiàn)引起的。
圖2是與本發(fā)明一個實施例相一致的用于存儲數(shù)據(jù)的系統(tǒng)200的示例。系統(tǒng)200包括懸掛機構202，懸掛機構202包括電容傳感器206和懸臂206。在一個實施例中，采用了柔性懸臂206，從而構成柔性懸掛機構202。盡管圖2中的方案顯示電容傳感器204連接在懸掛機構202里，但是也有可能電容傳感器204的一部分(例如某些電子線路)可能在遠處而不在實際的懸掛機構204上。探針尖208與懸臂206連接。
系統(tǒng)200還包括至少一個材料層。在一個實施例中，這個材料層包括兩個聚合物層214、216。第一聚合物層214作為數(shù)據(jù)存儲介質，其中數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)位210的形式存儲在第一聚合物層214上。第二聚合物層216用于限制第一聚合物層中214中數(shù)據(jù)位210的深度。在實施例中，第一聚合物層214是軟性聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯)而第二聚合物層216是更硬些的聚合物(如SU8)。盡管第二聚合物層層216一定程度上比第一聚合物層214硬些，但第二聚合物層216也要足夠軟以防止探針尖208磨損和受沖擊。
最后，系統(tǒng)200包括導電層218，其中，在懸臂206和導電層218之間構成電容212。在各備選實施例里，導電層218可以是導電薄膜，如鉬(Mo)、銅(Cu)、鉭(Ta)或幾種元素的合金的淀積金屬膜。導電層218也可以是具有不同成分的多層金屬層。導電層218也可以是高摻雜硅一類的導電襯底。
因此，通過探針尖208掃描第一聚合物層214來從第一聚合物層(數(shù)據(jù)存儲介質)214讀取數(shù)據(jù)。當探針尖208掃描過第一聚合物層214時，探針尖208遇上數(shù)據(jù)位210，探針尖208和導電層218之間的間隙發(fā)生變化。數(shù)據(jù)位210可以是坑點、小丘或者存儲介質214的地形的任何其他變化。因此，當探針尖208和導電層218之間的間隙發(fā)生變化時，電容傳感器204檢測到由懸臂206上電容性元件相對于不移動的存儲介質214上的電容性元件的位置變化引起的電容212的變化。本發(fā)明的一個重要特征是記錄在一個小區(qū)域里的地形變化可以被尖銳探針檢測到并轉換成可以產生大信號的電容性間隙變化。
在典型的懸臂設計中，懸臂206和導電層218之間的電容212在1-2毫微微法拉(10-15F)之間，但是，優(yōu)化電容性讀取的修改懸臂設計可以把這個電容提高2倍(2-4毫微微法拉)甚至更大。另外，可以調整懸臂206和數(shù)據(jù)存儲介質214之間的距離(如從200納米到最小100納米)，因此可以導致另外的大約2倍的提高(4-8毫微微法拉)的。距離的縮短同時也提高了相對于總電容的信號(ΔC)。信號的改善也可以通過增大加在電容212上的電壓來獲得。這可以增大電容212上可以用于檢測的信號。例如，在施加10伏電壓并假定2fF的總電容的情況下，5％的Δ電容(100aF)可以在具有20fF反饋電容器的電荷前置放大器的輸出端提供50毫伏信號。
應當指出，上面提到的方案可以用于任何以地形形式存儲數(shù)據(jù)位的存儲介質。相應地，數(shù)據(jù)存儲介質也可以是任何一種或一組可以以地形形式存儲數(shù)據(jù)位的材料。數(shù)據(jù)位可以是坑點或者突起，或者是兩者的組合并且是通過不同于熱寫入方法的方法寫入的。另外，也可以采用并行的多探針尖和導電材料(區(qū)域)，以便獲得更高的數(shù)據(jù)讀寫速度。也可以使用不同于懸臂的柔性懸掛機構。
在備選方案里，可以測量懸掛機構不同部分之間的電容。圖3是相應于本發(fā)明備選方案的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)300的示例。與系統(tǒng)200(見圖2)相似，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)300包括懸掛機構302，懸掛機構302包括電容傳感器304及懸臂306。在這個實施例中，懸掛機構302包括導電層320，其中，在懸臂306和導電層320之間形成電容312。探針尖308再次與懸臂306連在一起，軟性聚合物層314作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)而較硬的聚合物層316用于限制軟性聚合物層314上數(shù)據(jù)位310的深度。較硬的聚合物層36淀積在層318上。在這個實施例中，電容傳感器304檢測基于探針尖308的位移的電容312的變化。
但在本發(fā)明的另一個備選實施例中，數(shù)據(jù)的讀取是通過檢測第一電容和第二電容之間的電容差值實現(xiàn)的。圖4示出的是與本發(fā)明的備選實施例相一致的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)400。系統(tǒng)400包括在懸臂406和第一導電層420之間的懸臂406的第一側形成的電容402。系統(tǒng)400還包括第二電容404及第二導電層418。相應地，電容傳感器408檢測基于探針尖410位移的第一電容402和第二電容404之間的電容差。通過采用所示的第一電容402和第二電容404，可以修正某些共模噪聲源。
應當指出，可以利用比較大的面積而使電容402和404更大些。例如，可以把探針尖410設置在淀積有導電薄膜的懸臂406的面積相對較大的一端。這樣，導電層將會有效地成為電容402或者404的一個極板。極板和懸掛機構的尺寸、形狀以及材料特性必須與期望的懸掛機構的機械特性一致，很多情形下對懸掛機構有帶寬、針尖/介質加載力、動態(tài)范圍等要求。相應地，尖銳的探針尖具有高的空間分辨力，但是懸掛機構電容部分的相對大的面積可以提供大的信號。這導致基于小的探針尖位移的大的電容變化。
應當指出，形成電容的導電極板應當盡可能接近，而與此同時要盡可能減少極板間材料的數(shù)量和極板間材料的介電常數(shù)。這樣可以在給定的寫入數(shù)據(jù)位深度或者高度的情況下使得電容的百分比變化最大。例如，在圖2的實施例中，當監(jiān)測電容212時，最好利用懸臂206底部的金屬涂層(離存儲層214最近)，使得懸臂的材料不影響電容212。在這種情況下，使導電層218上面的存儲層214盡可能薄同時盡可能減小介電常數(shù)也可能是有利的。這可能有助于當探針尖218掃過存儲層214時產生電容212的最大的百分比變化。
本發(fā)明另一個實施例包括采用基于本發(fā)明的數(shù)據(jù)存儲設備的計算機系統(tǒng)。圖5示出按照本發(fā)明備選實施例的計算機系統(tǒng)500。計算機系統(tǒng)500包括與數(shù)據(jù)存儲設備520連接的中央處理單元(CPU)510。顯然，數(shù)據(jù)存儲設備520可以是上述各數(shù)據(jù)存儲設備實施例中的一種。
已經(jīng)公開了一種數(shù)據(jù)存儲設備及數(shù)據(jù)存儲設備中的數(shù)據(jù)讀取方法。盡管已經(jīng)按照所述各實施例描述了本發(fā)明，但是，本專業(yè)的普通技術人員將容易理解，這些實施例可能出現(xiàn)一定范圍內的變動并且這些變動都會在本發(fā)明的精神和范圍之內。因此，本專業(yè)的普通技術人員可以在不偏離后附的權力要求書的精神和范圍的情況下作出很多改動。
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)存儲設備，它包括固定在懸掛機構[202]上的探針尖[208]；數(shù)據(jù)存儲層[214]；至少一層導電層[218]，其中，在所述懸掛機構[202]和所述至少一層導電層[218]之間形成電容[212]；以及用于檢測基于由數(shù)據(jù)位[210]的出現(xiàn)引起的所述探針尖[208]的位移的所述電容[212]的變化。
2.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲層[214]與所述探針尖[208]接觸。
3.如權利要求2所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲層[214]包括數(shù)據(jù)位[210]，而所述數(shù)據(jù)位[210]包括至少一個坑點或突起。
4.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲層[214]包括聚合物材料。
5.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述導電層[218]包括導電薄膜。
6.如權利要求5所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述導電薄膜包括至少一層Mo、Cu、TA的淀積金屬薄膜。
7.如權利要求1所述的數(shù)據(jù)存儲設備，其特征在于所述導電層[218]包括導電襯底。
8.一種從數(shù)據(jù)存儲設備中讀取數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括通過懸掛機構[202]把探針尖[208]懸掛在數(shù)據(jù)存儲層[214]上方；提供至少一層的導電層[218]，其中，在所述懸掛機構[202]和所述至少一層導電層[218]之間形成電容[212]；以及檢測基于由數(shù)據(jù)位[210]的出現(xiàn)引起的所述探針尖[208]的位移的所述電容[212]的變化
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲層[214]包括聚合材料。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于所述至少一層導電層[218]包括導電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明包含一個數(shù)據(jù)存儲設備及一種數(shù)據(jù)存儲設備中的數(shù)據(jù)讀取方法。相應地，本發(fā)明的首要方面是一個數(shù)據(jù)存儲設備。數(shù)據(jù)存儲包含固定在懸掛機構[202]上的探針尖[208]，數(shù)據(jù)存儲層[214]，至少一個的導電層[218]，有懸掛機構[202]和至少一個的導電層[218]形成的電容[212]，檢測由于數(shù)據(jù)位[210]的出現(xiàn)使探針尖[208]產生位移引起的電容[212]變化的傳感器[204]。
文檔編號G11C11/24GK1595535SQ20041006363
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權日2003年9月10日
發(fā)明者G·A·吉布森, R·瓦姆斯利, J·W·皮爾森 申請人:惠普開發(fā)有限公司