使用超顺磁性颗粒的存储系统的制作方法

专利名称：使用超顺磁性颗粒的存储系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括信息载体和存储单元的存储系统。
本发明还涉及一种信息载体和存储信息的器件。
背景技术：
在信息载体上使用磁性材料的数据存储系统是公知的，例如，可移动型磁性信息载体如软盘或非移动型如硬盘。
从专利US 5,956,216获知存储系统、信息载体和用于存储信息的器件。该文献描述了图案化型的磁性信息载体。信息载体具有提供磁性层的信息面，能够从写磁头通过适合的磁场磁化该磁性层。特别地，信息面提供非磁性基板和具有两个磁化值的磁畴元件。磁畴元件构成用于存储单个位数据的存储位置。器件具有头和写单元，用于在由信息载体上的存储位置构成的磁道中记录信息。必须通过相对于存储位置定位读/写磁头、例如通过扫描磁道设置或重新得到存储位置的值。已知的磁性存储系统的问题在于扫描不能对任意存储位置随机存取。经由跳跃将头定位到所需的部分轨道上是费时的。而且对于软件对使用者的分布来说在存储位置中存储数据的处理是复杂的。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种系统，该系统包括信息载体和用于在存储位置有效地存储信息的器件，且能够对存储位置快速存取。
根据本发明的第一方面，该目的获得了如开头段中定义的存储系统，该信息载体具有信息面，该信息面提供有构成存储位置阵列的超顺磁性材料图案，在信息面处存在特定的超顺磁性材料表示存储位置的值，该特定的超顺磁性材料对变化的磁场具有预定的响应，以及具有接口面的存储单元，用于与信息面共同工作，其接口面提供有用于生成变化磁场的场产生装置，并具有磁性传感元件阵列，每个磁性传感元件都具有产生读信号的敏感区和处理单元，该处理单元用于通过处理该读信号经由预定响应来检测所述的存在。
根据本发明的第二方面，该目的获得了如开头段中定义的信息载体，该信息载体具有信息面，该信息面提供有构成存储位置阵列的超顺磁性材料图案，在信息面处存在特定的超顺磁性材料表示存储位置的值，该特定的超顺磁性材料具有对变化的磁场的预定响应。
根据本发明的第三方面，该目的获得了如开头段中定义的存储器件，其特征在于该器件包括用于与信息面共同工作的接口面，该接口面提供有场产生装置用于生成变化的磁场，并提供有磁性传感元件阵列，每个传感元件都具有产生读信号的敏感区和处理单元，该处理单元用于通过处理该读信号经由预定响应来检测所述的存在。
例如，以低成本制造工艺如压印，在信息载体上提供材料的固定图案。可以通过传感元件检测在信息面处是否存在特定的超顺磁性材料，用于读取存储位置的值。由与信息面共同工作的磁性传感元件构成的阵列的效果是，可以同时重新得到来自许多存储位置的数据。这具有优点，即数据以高密度且低成本存储，且由于在读出时的并行性可以以高速度存取。
本发明还以以下认识为基础。已知的磁性存储系统提供了通过磁化记录器件中的层或图案中的材料可以记录的信息载体。而且提供便宜数据分布的公知的光盘相对较慢且较大，且需要对机械振动敏感的扫描机构。固态存储器件如EPROM和MRAM每位很昂贵。发明人认为，通过在基板上具有特定超顺磁性材料图案的信息载体，可以提供结合在前系统的几种优点特性的新种类存储。利用已知的制造技术，可以廉价地生产这种信息载体。该材料称为超顺磁性(superparamagnetic)，因为该材料对由于超顺磁性效应引起的磁场变化具有预定的响应，尤其是对场变化的特定的弛豫时间(relaxation time)。经由变化的磁场，可检测超顺磁性材料是否存在。注意，检测存储位置的值不依赖于材料的磁性状态，而是依赖于材料本身是否存在。磁性传感元件生成对应于在离存储位置的预定近场的工作距离内的场的读信号，其实际上处于与存储位置的最小尺寸相同数量级的幅度。利用固态生产方法可以生产合适的磁性传感元件，例如已知生产的MRAM磁性存储器件。处理该读信号，以检测超顺磁性材料对场改变的响应。
在本系统的实施例中，超顺磁性材料的图案包括许多不同的超顺磁性材料，该不同的超顺磁性材料对于变化的磁场具有各自不同的预定响应，尤其是不同的预定响应是在由于不同超顺磁性材料的不同弛豫时间引起的变化磁场的降低之后磁化强度的不同衰减。这具有如下优点，通过施加合适的变化场和读信号处理，可以检测存在于单个传感元件的敏感区内的几种不同的超顺磁性材料。因此给定传感元件的数量和尺寸，可以从信息载体重新得到大量的值。
而且在附属的权利要求书中给出根据本发明的信息载体和存储器件的优选实施例。


参考借助以下说明的实例描述的实施例并参考附图，进一步说明本发明的这些和其它方面且将是显而易见的，其中图1a示出了信息载体部件(顶视图)，图1b示出了具有灰度级编码的超顺磁性材料的图案，图2a示出了图案化的信息载体部件的剖面图，图2b示出了信息载体和磁性传感元件，图3示出了读出单元，图4a示出了存储器件(顶视图)和信息载体，图4b示出了存储器件(侧视图)和信息载体，图4c示出了盒中的信息载体，图5示出了存储器件，图6详细地示出了传感元件，图7示出了变化的场和响应，图8示出了比率τ/τ0的曲线轮廓(contour)，图9示出了在场＝断开阶段时的平均介质磁化强度，以及图10示出了超顺磁性颗粒的参数。
在图中，和已经描述的元件相对应的元件具有相同的附图标记。
具体实施例方式
图1a示出了信息载体部件(顶视图)。信息载体部件10具有信息面，提供有构成存储位置11阵列的超顺磁性材料12的图案。在信息面处是否存在材料12提供了物理参数，用于表示存储位置的值。注意，信息面位于信息载体部件10的顶表面13上。信息载体部件10的顶表面13与读出单元的接口面耦合。信息面被视为在距机械顶层的有效距离处，例如，用于保护信息面的薄覆盖层可构成信息载体的外层。在所述读出部件中的传感元件放置在信息面附近，但一些中间材料如污染物会存在于中间。因此，通过任意的中心材料和预定的读出传感元件来确定有效距离，该读出传感元件具有从接口面向着信息面向外延伸的近场工作距离。以下参考图2b说明了在用于读出信息的信息面处是否存在材料的物理效果。超顺磁性材料的图案可包含单一的超顺磁性材料。
图1中示出的实施例是以具有不同弛豫时间的四种类型的超顺磁性颗粒(分别地，称为12R＝红，12G＝绿，12B＝蓝和12Y＝黄)为基础。图1a的左部示出了其中信息具有相同值的情况(所有的存储位置都具有该材料)。信息由材料的存在(由彩色表示)或不存在(称为12N)表示，如图的右部所示。为了相对具有相同材料的下一个存储位置具有固定的距离以防止符号干扰，将四种类型的材料排列成重复性的图案。这使读出传感元件具有覆盖4个存储位置的敏感区，即具有存储位置尺寸的4倍的尺寸。该优点在于，需要较少的传感元件，且单个传感元件的尺寸较大，降低了对其产品的要求。如下所述，通过产生适合的变化场，传感元件可以单独地检测在其敏感区内4种材料中每一种是否存在。在实际的实施例中，颗粒具有3至10nm级的直径，所以根据颗粒体积与存储面积的比，由至少成百的这种颗粒构造每个存储区。在随着压印(imprinting)和传感器制造的技术进步，会进一步减小存储区(最终为单颗粒)。
图1b示出了具有灰度级编码的超顺磁性材料的图案。一些存储位置具有大量(full amount)的材料如12R和12B，但其它存储位置具有少量的材料如14Y和14R。通过测量对每个存储位置中的具体材料的响应水平，来检测每个位置中的材料的量。在实施例中，信息的灰度编码用于改变区域在两个正交的方向上的尺寸。上述尺寸可以根据适合的2-D沟道代码来确定。
在信息载体的实施例中，超顺磁性材料的图案具有结合如下材料的超顺磁性材料的图案。超顺磁性材料的图案在存储位置中具有所述不同的超顺磁性材料的组合、该组合表示所述的值。因此，在单个存储位置的整个区域中，将存在或不存在、(或以灰度编码需要的量)存在任意不同的超顺磁性材料。例如，该材料可以通过压印重叠的图案来涂覆。结合的材料的优点在于，如下所述读出传感器的不对准没有那么重要。例如，图案具有4种不同的材料和1×1μ的存储位置。假设在x或y方向上基本无旋转的不对准和0.25μ的不对准，则磁头(也具有1×1μ的敏感区)现在将覆盖任何存储位置的至少0.75×0.75μ的区域和引起某些干扰的任何相邻的存储位置的至多0.25×0.25μ的区域。通过使传感元件的敏感区比传感阵列的间距小和/或使传感器中心的敏感性比敏感区边缘处的高来进一步减少干扰。图1a的实施例中发生的类似不对准导致传感器覆盖0.25×0.25μ的4个相邻的存储位置，因此产生最大的干扰。
注意，虽然在以上讨论的实施例中，传感器的存储区和敏感区的图案是四方的，但存储区的形状和传感元件的形状可以具有任意形状，例如矩形。在实际的设计中，在阵列中传感元件的形状和间距设置用于在信息载体上的存储区图案的布局规则。
图2a示出了图案化的信息载体部件的剖面图。信息载体具有基板21。由超顺磁性材料的图案将信息面28构成在基板21的顶面上，该图案构成存储位置阵列。例如，在第一存储位置22中存在材料，表示逻辑值1，且例如，在第二存储位置23中不存在材料，表示逻辑值0。该材料具有通过所述传感元件可检测的超顺磁性。通过公知的制造方法用于图案化磁性介质，可以在信息面28中涂覆超顺磁性材料的图案，虽然要注意的是需要非永久磁化。适合的方法是溅射和局部蚀刻、使用掩模的离子束构图或冲压。例如，对于生产而言首先借助电子束光刻在裸Si晶片上制备光刻胶掩模，并使用它作为母版。如果希望，则在Si中蚀刻洞用于在2D洞图案中存储信息。然后，利用母版，或经由注入模制或经由压花或经由2P在线圈上复制图案。然后在复制品上淀积薄的超顺磁性图案(例如，经由溅射)。
信息载体的实施例制备使用压印技术，用于在信息面28中涂覆超顺磁性材料，例如通过纳米颗粒的直接转移(transfer)。例如，可使用几种光学对准的压印来涂覆几种类型的超顺磁性颗粒，例如使用透明的压印。可选地，可使用新的技术将每个“颜色”的颗粒引到正确的区域，例如，通过贴附到每个颗粒生物群(biological groups)，具体地结合到抗体(antibody)上，通过纳米压印将抗体贴附到基板。在该情况下，可以进行所有颜色位的淀积作为流体中的单个工艺步骤。纳米颗粒的快速扩散使工艺在时间上非常有效。
图2b示出了信息载体和磁性传感元件。信息载体部件由基板21构成。由构成存储位置阵列的超顺磁性材料的图案22将信息面28构成在基板21的顶侧上。线圈27位于信息面28附近，用于生成变化的磁场。在实施例中，使用单线圈来生成对于许多或所有传感元件的变化的磁场。为了获得快的读出时间，必须控制线圈以在变化磁场中产生快的变化。在[H.W.van Kesteren等人，J.Magn.Soc.Japan 25，334-338(2001)]中描述了适合的线圈。与信息面相对，定位磁性传感元件24、25、26用于检测如由超顺磁性材料影响的磁场，如下所述。在与第一磁性元件24相对的第一存储位置中，材料具有例如表示逻辑值1的第一超顺磁性响应，在与第二磁性元件25相对的第二存储位置中，材料具有表示逻辑值0的响应，且在与第三磁性元件26相对的第三存储位置中，材料具有表示逻辑值1的响应。例如，磁性元件24、25、26具有多层叠层用于检测磁场，如图6详细描述的。通过存储位置的超顺磁性材料的响应来影响多层叠层的顶层。超顺磁性材料具有对磁场的预定响应，尤其在变化的磁场减少之后具体磁化强度的衰减。在实施例中，图案包含不同的超顺磁性材料，该材料具有对于变化的磁场各自不同的预定响应，尤其是由于不同的超顺磁性材料的不同弛豫时间引起变化的磁场减少之后，不同的预定响应是磁化强度的不同衰减。注意，通过生成任何的磁场和检测场中由于颗粒引起的分量来检测单一材料，例如可和检测由于颗粒引起的场分量的传感器一起使用低频或甚至DC场。
如图所示，传感元件阵列具有与图案相同的间距。可选地，传感元件的间距可以比x和y方向上的图案大n*m倍，例如n＝m＝2，用于读出图1a所示的图案。根据超顺磁性材料的数量和其中传感元件与图案对准的系统所使用的图案来选择因数n和m。
在存储系统的实施例中，仅将存储元件阵列定位于图案的顶部上，但不与其对准，或至多基本上定向在同一旋转方向上。现在各个传感元件位于图案上方x和y方向上的任意位置。可选地，仅在一个方向上进行对准，例如y方向，如参考图4所述。设计图案用于这种非对准的读出。例如，使图案间距比传感元件的间距稍微小些，例如90％。由于符号干扰，不能读出存储区的约10至30％。可以使用图案和错误校正技术中的冗余来补偿减小的读出。在尤其包含唯一可检测的标记区，例如比只具有单种超顺磁性材料的存储位置大的区域。使用图案识别和符号干扰减小技术，用于检测图案相对于传感器阵列的位置和用于检测存储位置的值。在实施例中，超顺磁性材料的图案具有根据如图1a所示的2×2存储区的预定图案排列的4种不同超顺磁性材料的区域，而传感元件阵列适用于非对准的读出。例如，传感元件在阵列中具有大致1.5×存储位置间距的间距。由于存储位置的间距与传感器的间距的比，所以在x或y方向上在覆盖其至少50％的每个存储位置之上将一直存在传感器。在最差的情况下，50％覆盖的位置仍不存在下一个相邻的存储位置(具有相同的超顺磁性材料)的干扰。可结合都覆盖50％存储位置的两个相邻传感器的读信号，用于进一步提高读出。将一些传感元件定位于存储位置之间，例如覆盖25％的相同材料的两个相邻存储位置。可以跳过这种传感元件的读信号，因为下一个传感元件将跳过存储位置的75％。因此，在检测传感元件相对于图案的位置之后，通过适当地处理读信号(即结合和除去不同传感元件的读信号)可以完成读出。
在信息载体的实施例中，超顺磁性材料的图案在如下的移位位置中具有子图案。超顺磁性材料的图案具有分离的子图案，用于许多所述不同的超顺磁性材料，该子图案每个都具有同样的存储位置阵列。每个子图案都存储相同的信息。将子图案设置于相互移位的位置处，以便在任意位置中的读出传感器(即，读出传感器阵列没有对准超顺磁性材料的图案)将一直充分地对准至少一个子图案。注意子图案重叠。例如具有1×1μ存储位置的4个子图案第一个位于标定的位置，第二个在x方向上移位0.5μ(向右)，第三个在y方向上移位0.5μ(向下)且第四个在x和y两个方向上移位0.5μ。磁头(也具有1×1μ的敏感区，且假设基本上没有旋转的不对准)现在将覆盖图案之一的至少0.75×0.75μ和至多覆盖引起一些干扰的任意相邻存储位置的约0.25×0.75μ的区域。通过使敏感区比传感阵列的间距小和/或使传感器中心的敏感性比敏感区边缘处的高来进一步减少干扰。注意，承载相同信息的n个子图案的排列(当然)使存储容量减小到1/n倍，但消除了高精确度对准的必要性和危险性。
图3示出了读出单元。读出部件30与如上所述的信息载体部件共同工作。此外读出部件具有接口面32。接口面32提供传感元件阵列31。该阵列是磁性传感器单元的两维布局，对在近场工作距离上存在所述超顺磁性材料敏感。注意，可以选择超顺磁性材料和传感元件的几种组合。在实施例中，传感元件提供电路，用于产生变化的磁场并检测如由具有超顺磁性性质的材料的存在与否影响的磁场。适合的传感元件以磁阻效应为基础。以下参考图6描述实例。参考图7说明读出方法。
图4a示出了存储器件(顶视图)和信息载体。存储器件具有外壳35和用于接收信息载体40的开口36。信息载体40包括具有信息面的信息载体部件10，该信息面具有参考图1和2所述的存储位置11的阵列。而且信息载体具有与器件上的互补对准元件38共同工作的对准元件41，用于在所述耦合期间在存储位置和相应的传感元件之间的近场工作距离之内靠近传感元件定位存储位置。通过在读出器中插入介质期间提供适当的对准和记录来实现信息载体的读出，如下所述。在实施例中，将对准元件预定和精确地成形为信息载体部件的外壁的部分。注意，信息载体可以仅是如上所述的信息载体部件或包含信息载体部件的组件。例如，进一步成形装载信息面的单个基板来容纳几种类型的对准元件，如下所述。
当将信息载体40耦合至存储器件35上时，将信息载体放置在开口36上。开口36提供有如参考图3所述的读出单元30上的接口面32和对准元件38，例如凸出销。布置对准元件38、41，用于在信息载体上相对于平行于接口面的平面方向上的读出单元30的接口面位置确定存储位置的位置。
在实施例中，开口36是在外壳表面中的凹槽，该凹槽具有精确成型的壁，作为对准元件用于与信息载体40的外周界配合，来对准信息载体部件。
在实施例中，存储器件提供有用于分析传感元件的读出信号的处理电路，用于消除相邻存储位置的影响。相邻的存储位置会略微影响任何的传感元件，尤其是由于某些留下的不对准引起的。然而，通过分析相邻传感元件的读出信号并从现存的读出信号扣除一些，提高了目前存储位置的检测值。因此提供了符号间干扰的电子校正。通过关于留下的不对准的综合信息来控制分析，例如该综合信息表示必须除去哪些相邻的读出信号以及除去到何种程度。
在与接口面垂直的方向上，需要一些压力来确保存储位置相对读出部件中的传感元件的距离在近场工作距离之内。压力可通过使用者仅将信息载体压到存储器件上或通过在信息载体的顶部上的弹性帽或盖(未示出)来提供。用于获得紧密的体接触的其它选择对于熟习技术的人员是公知的。
在信息载体的实施例中，将信息面提供在柔性基板上。器件提供有加压系统，例如通过在基板和接口面之间产生低压或真空，使柔性基板与接口面紧密接触。在实施例中，器件提供有用于产生吸引场的发生器，用于将信息载体吸引到接口面上。吸引场的类型与传感元件所使用的场不同。例如，产生静电场用于吸引信息载体。
在实施例中，器件上的对准元件38与调节器连接，用于相对于接口面32移动信息载体。仅小的移动、单个存储位置尺寸的幅度数量级(即，几μm或更小)就足以使传感元件与存储位置对准。对于调节器，可使用几种类型，例如音圈型、压电型或静电型。在实施例中，通过检测存储位置的不对准来控制调节器。由传感元件的读出信号会产生不对准。例如，如果存在实质的不对准，则传感元件将覆盖相邻的存储位置。具有相同值的相邻位置的读出信号将不同于具有不同值的相邻位置的读出信号。因此，如果出现这种差别，即如果一些存储位置的读信号具有在其它存储位置的最大水平和最小水平之间的中间水平的值，则检测到不对准。注意，在非相关的数据中，中间水平将由于各自相邻位置具有相同或不同的逻辑值的事实而引起出现在大致50％的存储位置中。在实施例中，包括具有公知相邻位的预定控制图案，用于不对准检测。生成控制信号来触发调节器，且在施加控制信号之后再次分析读出信号。在实施例中，信息载体提供有用于对准的光学标记，且器件提供有分离的光学传感器，用于检测生成不对准信号的光学标记。
在信息载体的实施例中，信息面提供有位置标记图案，其是在信息载体预定区内的信息面中的唯一图案。超顺磁性材料的图案提供有这种标记图案，用于检测超顺磁性材料的图案相对于传感元件阵列的位置。在此标记图案提供了超顺磁性材料区的唯一的可检测图案。例如，位置标记图案可包括大区域的材料，其比任何最初的机械不对准都大。该大区域由轮廓围绕而无预定图案的材料。因此，一些传感元件最初将一直被所述大区域覆盖。通过分析围绕的传感元件，可容易地检测不对准。存储器件提供有处理器，用于应用图案识别技术，通过分析自传感元件检测的信号来检测位置标记图案相对于传感元件阵列的绝对位置。
在实施例中，传感元件阵列比信息面小，例如小10倍。器件提供有调节器，布置调节器以定位信息载体或很少的例如10个传感元件的阵列、用于读出信息面总面积的读出位置。
在实施例中，信息载体的对准元件由长方形的凸出导向杆构成，且器件上的互补导向元件是沟槽或凹槽。这些元件的对准对一个平面维数有效。存储系统的具体实施例不需要如上所述的对准。可选地，可通过器件上的壁或凸出止动销来提供在其它平面维数中的对准。可选地，在第二平面维数中可没有任何具体的停止位置，但从存储位置重新得到信息，同时沿着第二方向推进信息载体，例如通过使用者经由导引槽推进信息载体。这种构象对于一次读取来自信息载体的数据是有利的，例如，在如承载生物医学信息或DND信息以在机场控制存取的个人护照应用中。
图4b示出了存储器件(侧视图)和信息载体。存储器件具有外壳45和用于接收信息载体40的开口43。当将信息载体40耦合至存储器件45时，信息载体放置在开口43上。当读出器的沟槽封闭时，通过对着信息载体冲压(可能的用接触流体)读出阵列来获得两个部件之间的紧密接触。开口43提供有如上参考图3所述的读出单元30上的接口面32。另外，可在具有至少一个线圈(未示出)的任一侧处提供开口43所述线圈，用于生成变化的磁场。在处理单元33例如数字信号处理器和软件中处理来自读出单元的读信号，用于检测超顺磁性材料的响应，如下所述。而且开口43在内端设置对准元件42并在入口侧外部处设置对准元件44。布置外部对准元件44，用于夹住信息载体。信息载体具有凸出的对准元件41，用于配合夹住器件上的外部对准元件44，以在所述耦合期间在存储位置和相应的传感元件之间的近场工作距离之内靠近传感元件定位存储位置。在信息载体进入开口期间通过使用者施加力或通过调节器来激活夹住运动。
图4c示出了盒中的信息载体。信息载体具有密封信息载体部件10的盒47。盒47具有可移动盖48，当信息载体没有耦合至存储器件上时，有效地封闭信息面防止污染(灰尘和指印)。存储器件具有开口机构(未示出)，用于在所述耦合期间将盖移动到一边。从光学或磁性记录盘盒和共同工作的器件，对于滑动盖的几种选择是已知的。
在实施例中，盒包括清洁垫46。垫46位于盖48上和/或通过盖48移动，当移动盖时用于擦拭信息面和/或接口面。可选地，垫或其它清洁单元如刷子可放置在盒本身上。在实施例中，盒提供有灰尘吸引内层，用于吸引进入封闭盒中的任何灰尘颗粒，虽然有盖48。
图5示出了存储器件。存储器件具有包含信息载体10和读出单元30的外壳51。注意，读出单元包括用于生成变化的磁场的装置，如线圈(未示出)，例如集成在固态读出单元上。电子连接器52从外壳51伸出，用于将存储器件连接到外界。如示出的，部件固定地耦合至外壳内部。在制造时，对准两个部件，用于将与传感元件相对的存储单元位置(bit location)基本上定位于存储单元位置和相应的传感元件之间的近场工作距离处。例如通过涂覆胶或通过形成外壳的密封工艺，以对准状态一起结合部件。注意，由于添加存储层作为最后的步骤且读出器可以制造许多，所以新器件的制造引起规模经济。在分离的生成线可以以所需的数目复制存储层，且然后可以例如利用晶片结合工艺将存储层结合到读出器芯片上。可选地，恰在密封外壳51中的单元之前，可以将信息面冲压或压印到读出单元的接口面上。
图6详细地示出了传感元件。传感器具有导电材料的位线61，用于将读电流67引导到自由磁化层62、隧道阻挡层63和固定的磁性层64的多层叠层上。将叠层建立在另外的导体65上，导体65经由选择线68连接到选择晶体管66上。当由晶体管66栅极上的控制电压激活时，选择晶体管66将所述的读电流67耦合到地电平，用于读取各自的位单元。磁化方向69存在于固定的磁性层64(还称作钉位层)中，且自由磁化层62确定隧道阻挡层63中的电阻，与MRAM存储器中的位单元元件相似。当这种材料在由箭头60表示的近场工作距离内时，通过与如图2B所述的传感器相对的存储位置处的材料来确定自由磁化层中的磁化。
对于传感元件，由于相对MRAM的传感元件的不同需要，和MARM使用的那些相比采用了旋转隧道结的合成物和特性。而对于MRAM，对于存储而言两个稳定的磁化结构(即，平行的和反向平行的)是必要的；提议的传感元件应包含稳定磁化的一层和自由磁化的一层。当然，例如在钉位层或交换偏置层中的基准磁化方向应当是不变的。因此对于用作检测层(sense layer)的自由层，应当选择低矫顽性的材料。在实施例中，同时读出许多传感元件。借助交叉线阵列进行位单元的寻址。
由于超顺磁性材料的响应引起的磁场在传感元件的检测层中产生了不同的磁性方向。通过使用磁阻效应例如GMR、AMR或TMR，在具有多层或单层叠层的传感元件中检测方向。对于该发明的传感元件，为了电阻匹配，优选TMR型传感器。用于产生变化的偏置磁场的线圈或其它电流线可以与传感元件集成在一起。如本领域技术人员清楚的，许多变体能够用于产生偏置磁场。当给定的实例使用面内敏感的磁阻元件时，还能够使用对垂直场敏感的元件。对于传感器的进一步说明，使用磁阻效应指的是由K.-M.H.Lenssen的、在431-452页、ISBN1-4020-0560-1(HB)或1-4020-0561-X(PB)的“Frontiers ofMultifunctional Nanosystems”中公布的“磁阻传感器和存储器”。
图7示出了变化场和响应。矩形脉冲形曲线71表示变化场。示出了对于三种类型粒子的响应曲线快(红)颗粒曲线72R、目标(绿)颗粒曲线72G和慢颗粒曲线72B。读出方法如下。信息载体夹在磁头阵列和电流线圈阵列之间，使用它们来生成高局部同面场或垂直场。然后感应磁化是同面的或垂直的。最通常地，通过测量施加外部场而感应的磁化衰减可以区别对来自具有不同弛豫时间颗粒的存储位置的信号的贡献。在实施例中，当施加的场断开时进行检测，以便传感器不被施加的场偏置。然而，还能够使用其中施加的场与传感器的敏感方向垂直的几何形状，以便可以在具有场的情况下进行测量。为了能够最佳区分不同类型的超顺磁性材料(称为“颜色”)的贡献，可以选择变化的场曲线。直接的方法示于图7中。线圈产生了周期性正断开-负断开变化的场71。每个阶段的持续时间是T，所以周期是4T。在断开状态期间传感器测量平均信号。在实施例中，代替平均值，进行更详细的信号处理来检测每个超顺磁性材料对总检测场的贡献。在时间以下，在Neél Arrhenius原理内计算超顺磁性颗粒的相关响应。如图9所示，由静止场中获得的稳态信号标准化的、来自具有弛豫时间τ的颗粒的平均信号强烈地达到脉冲宽度Tmax≈1.5τ的峰值。大10(100)倍或小9(99)倍的脉冲宽度导致信号减小到约1/5(1/50)倍。与时间相关的磁化示于图7中，脉冲周期“转到”“绿”颗粒的弛豫时间。在颗粒分别具有更小(红)和更大(蓝)弛豫时间的情况下，来自红颗粒的平均响应信号72R和来自蓝颗粒的信号72B更小。
在实际实例中，每个传感器感应n种材料(‘颜色’)，且某个时间Ttot对每个传感器的读出有效。如果N是平行读出的传感器的数目，则整个位率(bit rate)为b＝nN/Ttot。该观念能够整体地使用平行的读出，即非常大的N。对于每个类型，准确地已知响应(弛豫时间)分布(窄)中的最大值。上述应用的方法需要，在使用脉冲宽度Ti(i＝1至n)的场中断周期期间进行平均磁化的n次测量。对于所有类型，如果这些测量的总持续时间对于所有i相等，则获得了相等的信噪比(SNR)。在该情况下，如果i＝n是对于弛豫时间最大的级，则在实际测量发生期间的最小时间等于nTn。注意，如果SNR对于较短弛豫时间的类型足够高，则可以使用较短的时间。然而，在开始测量之前，为了使任何的初态效应最小化，必须以测量频率将系统带到动态平衡。再次，具有最长弛豫时间的颗粒类型确定了所需的时间，以摆脱最初态效应。当使用3Tn持续时间的、最短可能的初始化序列时，已经到达合理的精确度。对于i＝n，这对应于在t0至t3之间施加图7中示出的场图案。在其它周期处进行测量之前，在进行最后测量之前在相同时间间隔3Tn内施加许多数目的场循环。在该情况下，Ttot＝4nTn≈6nτn。
在数字示例中，b＝1Gb/s且n＝4(如图1a所示)。从超顺磁性的原理，最小的弛豫时间为0.1-1ns级(参见下面)。然而，例如在允许3ns最小脉冲长度和因此2ns最小弛豫时间的实际设计中，通过磁化线圈的最大脉冲频率来确定实际的最小弛豫时间。目前，如果超顺磁性纳米颗粒的平均弛豫时间差至少10倍，则可以制备具有几乎无重叠弛豫时间的分布函数的超顺磁性纳米颗粒。在实例中，弛豫时间等于2，20，200和2000ns。Ttot等于48μs，N＝12000。要注意的是，更精确制备的颗粒或更复杂的检测法可以允许弛豫时间之间的较小倍数。
在以下给出的现象理论内，通过τ＝(τ0/2)exp(KV/kT)给出弛豫时间(零场)。对于在能量势垒KV之上的磁化热感应开关，参数τ0是调节频率v0的倒数，其中K是颗粒的有效单轴磁各向异性且V是体积。让我们假设τ0＝0.67ns。则对于四种颗粒，比率KV/kT应当等于约1.8、4.1、6.3和8.7(也参见图8)。这些数字表明，颗粒的KV乘积应当在半最大值处具有半宽度的分布，其小于峰值的15％。如果变化是由于体积变化引起的，则半径必须在精确的5％内。如今，能够使用化学制备的纳米颗粒。在由Sun等人公布的[Science287，p.1989(1999)]中发现了关于高饱和磁化的超顺磁性Fe-Pt颗粒的实例。描述了具有小于5％标准偏差半径的3至10nm粒径的制备和特性。对于本申请，可以估算有效的K，且可以与公知的小宽度颗粒体积的分布结合，提供了具有所需组弛豫时间的颗粒。相同程度的单分散性能够用于其它合金。
在实施例中，读出方法包括读出信号的其它处理。上述的读出方法是直接的，且基于场中断阶段中的平均通量，允许测量通量的简单数字分析。然而，从每传感器的总测量时间来看这是无效的。对于更多的最佳方案，时间应当更接近最小值Ttot≈Tn。当在场中断阶段期间测量时间与信号的关系时，可以接近该目标，而不是近使用平均信号。这使其能够确定对于它们磁化的任何初始条件每一类的贡献。
在称为热辅助读出的实施例中，读出方法包括例如通过激光器局部加热信息载体。使用透明基板能够经由基板局部加热介质，且如果必要，经由场线圈。可以以下方式使用加热。在第一实施例中，为了通过场冷却或零场冷却工序快速准备很好定义的初态，使用加热。然后仅在第一预测量阶段期间增加温度。在第二实施例中，通过检测在室温具有很大弛豫时间的颗粒，使用加热用于增加弛豫时间的范围。然后在部分测量阶段期间或在整个测量阶段期间增加温度。在另外的实施例中，根据在测量阶段期间的预定图案调制温度，以检测超顺磁性颗粒的几种类型的响应。
为了定量地说明读出方法，首先讨论超顺磁性颗粒对于施加的场H的变化热激活响应的原理。所谓的Neél-Arrhenius模型假设，颗粒具有单轴磁各向异性和施加的场与易轴(easy axis)平行。从磁记录原理得知，对于通常对准的校正没有给出包含物理的定量的不同图像。当场足够强时，与场平行和反平行磁化的状态分别是稳定和亚稳的。静态性能和动态性能以两个无维的参数为特征x≡μ0MVHkBT]]>和y≡KVkBT,---(A1)]]>其中M是饱和磁化强度，K是(有效的)单轴各向异性常数，且V是颗粒体积。在稳定的磁场和常数温度T，由参数x确定平衡磁矩m=(coth(x)-1x)MV,---(A2)]]>当x＞＞1时其达到饱和力矩，且当x＜＜1时其约等于(x/3)MV。在式(2)中括号之间的因数称为Langevin函数，L(x)。在磁场突然改变后，磁化响应是时间的指数函数，以弛豫时间为特征τ=τ0(1exp(-e1)+exp(-e2)),---(A3)]]>其中无维的能量势垒e1和e2由以下给出e1,2=y(1+x24y2)±x.---(A4)]]>这些是由kT标准化的能量势垒，用于从稳态激发到亚稳态，反之亦然。当y＜0.5x时，没有能量势垒，且不适用该理论。
图8示出了比率τ/τ0的曲线轮廓。在以上给出的等式(A1)中定义了同值τ/τ0的轮廓81作为参数x和y的函数。在阴影区82中，不存在能量势垒。如果τ/τ0＝0.67ns，如同以上给出的实例中，这些轮廓对应于τ＝2，20，200和2000ns。给出等值的轮廓作为以上定义的x和y的函数。从实验工作得知，参数τ0对于许多磁性材料典型地等于1ns。在该情况下，图8中示出的四条轮廓对应于等于2，20，200和2000ns的弛豫时间，其对应于主文本中给出的实例。以下将示出，系统很可能在其中磁场相对小(x＜1)的状态下工作。弛豫时间则仅很弱地依赖于施加的场。
颗粒在时间t1和t2(参见图7)处的(总体均值)磁矩由以下给出
m1=m1-exp(-T/τ)1+exp(-2T/τ),---(A5)]]>m2=m1-exp(-T/τ)1+exp(-2T/τ)exp(-T/τ),---(A6)]]>其中m是在使用的场和温度处的稳态平均磁矩。
图9示出了在场＝断开阶段时的平均介质磁化强度。相对于磁场＝接通且在相同温度处的稳态磁化强度给出平均的磁化强度曲线91，作为比率T/τ的函数。T是脉冲长度(参见图7)，且τ是在x＝0时的弛豫时间。通过以下给出时间间隔[t1，t2]中的平均磁化强度mav=m(1-exp(-T/τ))2τ1+exp(-2T/τ)T---(A7)]]>显著的最大值位于接近T＝1.5τ。在最大值时，平均时间的磁化强度约为使用的场和温度处最大可能值的0.38倍。因此使用脉冲方法花费因数为约2.6的信号幅度。然而，该增益对来自弛豫时间不等于最大值的颗粒的信号的贡献来说强烈减少。对于具有10(100)倍更大或更小的弛豫时间的颗粒来说，相对减少大约5(50)的因数。
通过改变K或V，可以实现纳米颗粒弛豫时间的变化。这提供了系统设计的一定自由度。让我们假设作为四种颗粒情况的实例，其具有相等饱和磁矩、具有相等的颗粒体积(由于不同的K值而引起相等的x和不同的y)和具有(如在主文本中给出的实例)在1至10范围内的KV值。相等的值x确保，对测量通量的每个“颜色”的区域的稳态贡献是相等的。K的典型实验值可以在103和107J/m3之间，例如对于Fe K＝4×104J/m3和对于Co K＝4×105J/m3。
图10示出了超顺磁性颗粒的参数。图10A示出了参数x作为颗粒半径的函数，对于施加的磁场的一系列值使用Msat＝1200kA/m。图10B示出了参数y作为颗粒半径的函数，对于磁各向异性能量密度K的一系列值T＝300。如下，通过灰色区101、102给出一组系统参数的典型实例。图10B示出了在灰色区102中具有5nm半径和K值范围为合适的1×104J/m3至1×105J/m3的颗粒。为了实现离饱和不太远的磁化强度，即x值接近1，则需要0.01T级的B场，如图10A中的灰色区101所示。对于x＞＞1，在场＝接通阶段期间的弛豫时间将比在场＝断开阶段期间的小很多，从而引起在场＝断开周期期间在平均磁化强度与T/τ关系中明显比图9所示的更宽的峰值。注意，在场＝断开阶段的平均磁化强度随着x的增加而增加，尤其是T/τ。因此，对于x＞＞1，ac检测法的特性失效。然而，实际上将难以生成比0.01T大很多的acB场。因此，x将接近1或更小，以便图9中示出的曲线是优良的近似值。
根据本发明的存储器件特别适合于以下应用。第一个应用是需要可除去存储器的便携式器件，例如膝上型计算机或便携式播放机。存储器件具有低的功耗和瞬间的存取数据。信息载体还可以用作内容分布的存储介质。另一个应用是受版权保护的存储器。该保护受益于如下事实，即没有可记录/可重写版本的信息载体存在且消费者不能复制只读信息载体，以及没有(正确的)改变的场，不能够读信息载体。例如，该类型的存储器适合于游戏分发。与存在的方案相比，它具有所有的以下性质容易重现、拷贝受保护、瞬时接通、快速的存取时间、坚固、无移动部件、低功耗等。
虽然通过使用超顺磁性材料的衰减时间的实施例大体地说明了本发明，但可以使用对磁场响应的任何的类型。而且对于传感元件，实施例示出了磁阻传感器，但可使用任何类型的磁性传感器，如线圈。注意，在该文献中，动词“包括”和它的动词的各个变化形式不排除存在除了列出的那些之外的其它元件或步骤，且在元件前的不定冠词不排除存在多个这种元件，任何参考标记都不限制权利要求的范围，可借助硬件和软件实现本发明，以及可通过硬件或软件的相同项表示几个“装置”或“单元”。而且，本发明的范围不局限于实施例，且本发明在于以上描述的每个新特征或特征的组合。
权利要求
1.包括信息载体和存储单元的存储系统，该信息载体(40)具有信息面(28)，信息面(28)提供有构成存储位置(11)阵列的超顺磁性材料图案，在信息面(28)处特定的超顺磁性材料的存在表示存储位置的值，该特定的超顺磁性材料具有对变化的磁场的预定响应，以及该存储单元具有接口面(32)，接口面(32)用于与信息面(28)共同工作，其接口面提供有场产生装置(27)用于生成变化的磁场，并具有磁性传感元件(24、25、26)阵列，每个磁性传感元件都具有产生读信号的敏感区和处理单元(33)，该处理单元(33)用于通过处理该读信号经由预定响应来检测所述的存在。
2.如权利要求1所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案包括多种不同的超顺磁性材料，该不同的超顺磁性材料对变化的磁场具有各自不同的预定响应，尤其是在由于不同超顺磁性材料的不同弛豫时间引起变化的磁场降低之后，该不同的预定响应成为磁化强度的不同衰变。
3.如权利要求2所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案包括根据预定的图案排列的不同超顺磁性材料区。
4.如权利要求2所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案包括在存储位置至少一个中的所述不同超顺磁性材料的结合，该结合表示所述值。
5.如权利要求2所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案包括对于每个所述的许多不同超顺磁性材料的隔开图案，该隔开的图案每个都具有隔开的存储位置，其隔开的存储位置定位于相互移位的位置处。
6.如权利要求1所要求的系统，其中磁性传感元件(24、25、26)的敏感区对应于许多存储位置的区域。
7.如权利要求6所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案包括许多不同的超顺磁性材料，该不同的超顺磁性材料对于变化的磁场具有不同的预定响应，且所述的许多存储位置对应于所述的许多不同的超顺磁性材料。
8.如权利要求6所要求的系统，其中该磁性传感元件(24、25、26)具有阵列中的间距基本上不对应于存储位置的整体数量，尤其是该超顺磁性材料的图案包括根据2×2存储区的预定图案排列的4种不同的超顺磁性材料的区域，且所述间距是1.5×存储位置间距。
9.如权利要求1所要求的系统，其中该处理单元(33)用于通过处理该读信号来检测所述的存在，布置该处理单元用于检测在变化的磁场降低之后的周期中的读信号的响应。
10.如权利要求9所要求的系统，其中该处理单元(33)用于通过处理该读信号来检测所述的存在，布置该处理单元用于检测在几个传感元件(24、25、26)的读信号结合时的响应。
11.如权利要求1所要求的系统，其中该处理单元(33)用于通过处理该读信号检测所述的存在，布置该处理单元用于检测传感元件相对于在超顺磁性材料的图案中的存储位置的位置，并用于生成表现出传感元件不对准的位置误差信号，和/或用于根据所检测的位置，补偿相邻存储位置的干扰。
12.如权利要求1所要求的系统，其中该超顺磁性材料的图案提供有标记图案，用于检测超顺磁性材料的图案相对于传感元件阵列的位置，该标记图案提供了超顺磁性材料区的唯一可检测图案。
13.如权利要求12所要求的系统，其中该标记图案包括超顺磁性材料的同步区，其同步区比存储位置大。
14.如权利要求12或13所要求的系统，其中该处理单元(33)用于通过处理该读信号来检测所述的存在，布置该处理单元用于检测标记图案。
15.如权利要求1所要求的系统，其中布置用于生成变化磁场的该装置(27)，来生成脉冲的磁场，尤其是包括基本上不具有磁场的周期。
16.如权利要求15所要求的系统，其中该脉冲磁场包括不同脉冲长度的脉冲，尤其是对于检测不同的预定响应，该不同脉冲长度的脉冲是由于不同的超顺磁性材料的不同弛豫时间引起磁化强度的不同衰减。
17.如权利要求1所要求的系统，其中布置用于生成变化磁场的该装置(27)，用于在大致与传感元件的敏感方向垂直的方向上生成场。
18.如权利要求1所要求的系统，其中该存储单元提供有加热装置，用于局部加热该信息面。
19.如权利要求1所要求的系统，其中可以将该信息载体(40)可耦合至该存储单元并可从该存储单元移除，且该系统具有对准装置(38、41)，用于在所述耦合期间在存储位置和该对应的传感元件之间的近场工作距离之内靠近传感元件来定位存储位置。
20.用于存储信息的信息载体，该信息载体具有信息面，该信息面提供有构成存储位置(11)阵列的超顺磁性材料的图案，在信息面处特定的超顺磁性材料的存在表示存储位置的值，该特定的超顺磁性材料对变化的磁场具有预定的响应。
21.如权利要求20所要求的信息载体，其中该基板由柔性材料制成，用于允许在存储位置和该对应的传感元件之间的近场工作距离之内靠近传感元件(24、25、26)来定位存储位置。
22.如权利要求20所要求的信息载体，其中该信息载体包括盒(47)，该盒(47)具有当耦合至该器件时用于暴露出该信息面的开口和当从该器件移除时用于封闭该开口的盖(48)。
23.用于读出如权利要求20所要求的信息载体的存储器件，其特征在于该器件包括用于与信息面共同工作的接口面(32)，该接口面提供有场产生装置用于生成变化的磁场，并提供有磁性传感元件(24、25、26)阵列，每个传感元件都具有产生读信号的敏感区和处理单元(33)，该处理单元用于通过处理该读信号经由预定响应来检测所述的存在。
24.如权利要求23所要求的器件，其中该处理单元(33)用于通过处理该读信号检测所述的存在，布置该处理单元用于检测在变化的磁场降低之后的周期中的读信号的响应。
25.如权利要求23所要求的器件，其中该传感元件阵列具有的传感元件明显少于该信息载体的存储位置总数量，且该器件包括对准装置(42、44)，用于将所述的阵列或该信息载体定位在同时覆盖总数量的存储位置的不同对准位置处。
全文摘要
信息载体(10)具有信息面，该信息面具有构成存储位置(11)阵列的超顺磁性材料的图案。在信息面处特定的超顺磁性材料(12R、12G、12V、12Y)的存在可以表示存储位置的值。超顺磁性材料具有对变化的磁场的特定响应，例如，已知的衰减时间。存储单元具有与信息面共同工作的接口面(32)，且具有线圈(27)用于产生变化的磁场。接口面具有磁性传感元件(24、25、26)阵列，每个磁性传感元件都具有用于产生读信号的敏感区。处理单元(33)经由通过处理读信号的具体响应来检测所述的存在。
文档编号G11B5/855GK1711593SQ200380102773
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月8日 优先权日2002年11月4日
发明者R·科胡恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司