专利名称：机械数据处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械数据处理(mechanical data processing)，尤其涉及对记录在机械数据存储装置中的数据进行擦除，其中在所述机械数据存储装置中，通过向偏压在一表面上的尖端(tip)施加能量使该表面局部变形，而在其中形成能表示数据位的凹痕，从而将数据位写在该表面上。
这种存储装置的示例在P.Vettiger等人在2000年5月的IBMJournal of Research and Development.Vol.44No.3中的The“Millipede”-More than one thousand tips for future AFM datastorage中有描述。如该文献所述，这种装置包括在硅基底上制造的悬臂传感器(cantilever sensor)二维阵列。每个悬臂其一端连接在基底上。每个悬臂的另一端带有电阻加热元件和面朝外的尖端。每个悬臂可以通过行和列导体进行寻址。行和列导体允许电流选择性地通过每个悬臂，以加热其上的加热元件。
在读和写操作中，该阵列的尖端与存储介质相接触，并相对其移动，所述存储介质包括涂覆在平基底上的聚合物膜。
利用每个尖端向聚合物层施加局部的作用力，并且通过相应的行和列导体施加数据信号而选择性地加热每个尖端到足以使聚合物层变形的程度，利用这二者的结合使得该尖端穿透聚合物层的表面，留下凹坑或者凹痕，从而在存储介质上写入数据。
每个加热元件还提供热回读传感器(thermal read back sensor)，因为它具有依赖于温度的电阻。对于数据读取操作，顺次向阵列中的每一行施加加热信号。该加热信号加热所选行中的加热元件，但是其加热达到的温度不足以熔融聚合物膜。加热元件和存储介质之间的导热性随加热元件和存储介质之间的距离而发生变化。当在整个存储介质上扫描阵列时，在尖端移动到比特位凹坑中的情况下，加热元件和存储介质之间的距离减小。加热元件和存储介质之间的介质在该加热元件和存储介质之间传递热量。当相关的尖端在凹坑中移动时，每个加热元件和存储介质之间的热传递就变得更有效率。因此降低了温度，从而降低了加热元件的电阻。可以并行监测每一行中被连续加热的加热元件的温度变化，由此便于检测所记录的比特位。该存储介质是可多次热擦除和重写的。一般，为了擦除该存储介质，要将聚合物层在高于其熔点的温度加热几秒钟。这种加热使聚合物层重新流动，由此除去了记录在存储介质中的所有凹坑。还需要允许选择性地擦除记录在该存储介质上的凹坑的其中一个或者是凹坑的一个子集。
根据本发明，提供一种对记录在数据存储装置中的数据进行擦除的方法，该数据存储装置中，通过利用尖端向一表面施加能量和作用力的第一种组合来使该表面局部变形而在表面中形成代表数据位的凹痕，从而在该表面上写入数据位，该方法还包括通过尖端向该表面上要被擦除的已记录的变形施加能量和作用力的第二种组合，以使该表面基本上变平。
本发明有利地允许选择性地擦除记录在该表面上的多个数据位中的一个或者其子集。
在第一组合中施加的作用力可以大于在第二组合中施加的作用力。类似的，在第一组合中施加的能量大于在第二组合中施加的能量。在本发明的优选方案中，在第一和第二组合中施加的能量包括热。在本发明特别优选的实施方案中，该方法包括形成新的凹痕来覆盖代表要擦除的已记录数据的变形，以基本弄平该表面。新凹痕的形成优选包括将新的凹痕相对于代表要擦除的已记录数据的变形进行偏移。新凹痕的形成可以还包括形成一行新凹痕，其中每个凹痕与前一个紧邻凹痕交叠。
在本发明的优选实施方案中，通过用更大密度的新数据位改写而使每个新数据位能够有效地擦除前一个紧邻数据位，从而擦除不想要的数据位。擦除不需要完全。可能剩有一些残留的表面起伏。只要被擦除的比特不会被读取机构检测为数据位就足够了。这当然要取决于数据读取的灵敏度。在本发明的一些实施方案中，对于为擦除不想要的数据序列而写入的序列中的最后新比特来说，可以接受其形成要记录的新数据的一部分。在本发明的另一些实施方案中，为了擦除不想要的比特而写入的新比特的密度可以使得该表面中不会保留新记录的比特。
本发明的另一个方面是，提供一种数据处理系统，包括数据存储表面；与该表面相接触并可以相对于其移动的尖端；以及控制器，它可以写入模式工作，以利用尖端向该表面施加能量和作用力的第一组合，从而由该表面的局部变形而在该表面中形成代表数据位的凹痕，该控制器还可以擦除模式工作，以利用尖端向该表面的要擦除的已记录变形施加能量和作用力的第二组合，来使该表面基本上变平。
以下参考附图通过实施例的方式来描述本发明的优选实施方案。附图中
图1是实施本发明的数据存储装置的传感器平面图；图2是从箭头A-A’方向看的传感器的截面图；图3是数据存储装置的等轴图；图4是数据存储系统的存储介质在写入操作之后的截面图；图5是存储介质在选择性擦除操作之后的截面图；图6是存储介质在选择性擦除操作之后的另一个截面图；图7是存储介质表面的能量图；图8是存储介质在写入操作过程中的截面图；图9是存储介质在选择性擦除操作过程中的截面图。
参考图1，实施本发明的数据存储系统的示例包括设置在基底20上的悬臂传感器10的二维阵列。在基底上也设置有行导体60和列导体50。每个传感器10由行导体60和列导体50的不同组合来寻址。每个传感器10包括U形硅悬臂15，长度约70μm(um)，厚度约μm(um)。将悬臂15的臂的远端固定在硅基底20上。悬臂15的顶点在基底20中所形成的凹槽70内，并可以在垂直于基底20的方向自由移动。悬臂15在其顶点具有电阻加热元件30以及背对着基底20的硅尖端40。悬臂15的臂被高度掺杂，以提高导电性。通过对悬臂15的顶点进行较低程度的掺杂，形成一个对流过悬臂15的电流有更高电阻的区域，从而形成加热元件30。悬臂15的一个臂通过中间二极管80连接至行导体60。悬臂15的另一个臂连接至列导体50。行导体60、列导体50以及二极管80也设置在基底20上。对悬臂15预加应力，从而在离开基底20方向弹性偏压所述尖端。
参考图2，尖端40被压向聚合物层90形式的平面存储介质，该聚合物层例如是厚度约为40nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膜。该尖端40可以朝着该表面的方向机械偏压。但是在本发明的其他实施方案中，可以采用不同类型的偏压，以将尖端40压在该表面上。聚合物层90位于硅基底100上。在聚合物层90和基底100之间设置可选的缓冲层110，该层是厚度约70nm的交联光致抗蚀剂例如SU-8。在读取和写入操作中，阵列的尖端40穿过存储介质的表面。在写入操作中，尖端的阵列可以相对于存储介质移动，以在聚合物层90的区域上写入数据。
利用尖端向聚合物层90施加局部作用力，并且通过从相应的行导体60经悬臂15向相应的列导体50流过写入电流而利用尖端40向该表面施加形式为热的能量。通过这两者的结合而向存储介质写入数据。通过悬臂15的电流使得加热元件30发热。热能通过热传导而从加热元件30传递到尖端40。
参考图3，每个行导体60连接至行多路转换器(rowmultiplexer)180的一条单独的线。类似地，每个列导体50连接至列多路转换器130的一条单独的线。在控制器210和行多路转换器180以及列多路转换器(column multiplexer)130之间分别通过控制线140和150进行数据和控制信号的通讯。存储介质90可以通过定位换能器(positioning transducer)160、170和220相对于阵列沿着正交方向按照受控的方式移动。换能器160和170在与聚合物层90表面平行的平面内进行阵列的移动。换能器220沿着与阵列垂直的方向进行阵列的移动。在操作过程中，控制器210在写入操作时产生驱动该阵列的写入信号，在读取操作时产生驱动该阵列的读取信号，控制器210还产生驱动换能器160、170和220来控制阵列中的尖端相对于聚合物层90表面的移动的定位信号。控制器210在读取操作过程中也接受来自该阵列的输出。在本发明特别优选的实施方案中，换能器160、170和220可以是压电换能器、电磁换能器或者其结合。但是，可以理解，可以采用其他的方案。控制器210可以是微处理器、微控制器或者类似的控制装置或者控制装置的集合。
参考图4，选择写入电流以将尖端40加热到足以使聚合物层90局部变形的程度，由此使得尖端40使聚合物层90的表面凹进，留下一个直径约40nm的凹痕120。例如，已经发现，可以通过将尖端40加热到700摄氏度左右而使PMMA膜局部变形。可选的缓冲层110的熔点比PMMA膜90高，因此能够作为一个穿透阻挡层，以防止尖端40在基底90上磨损。凹痕120由聚合物层90上升高的聚合物材料环190所环绕。假想的虚线显示了第二个交叠的凹痕121。
加热元件30还用作热回读传感器，因为它具有依赖于温度的电阻。对于数据读取操作，加热电流从相应的行导体60经过悬臂15流到相应的列导体50。从而，加热元件40再次被加热，但是加热到不足以使聚合物层90变形的程度。例如，约400摄氏度的读取温度不足以熔化PMMA膜，但是仍然提供了可接受的读取性能。加热元件30和聚合物层90之间的导热性根据加热元件和聚合物层90之间的距离而改变。在读取操作中，在聚合物膜90的整个表面上扫描该尖端40。这是通过将阵列相对于聚合物膜90移动而实现的。当尖端40移动到凹痕120中时，加热元件30和聚合物层90之间的距离变小。加热元件30和聚合物层90之间的介质在加热元件40和聚合物层90之间传递热量。当尖端40移动到凹坑120中时，加热元件30和聚合物层90之间的热传导更有效。因此降低了加热元件30的温度，从而降低了其电阻。可以并行监测被连续加热的加热元件30行的温度变化，从而便于检测所记录的比特。
通过向相应的行导体60施加加热电压脉冲而产生前述的加热电流。因此，加热电流流过与被施加加热电压脉冲的行导体60相连的每个传感器10。在该阵列相应行中的所有加热元件30由此被加热。然后从被加热的传感器10行中并行读出所记录的数据。根据多路转换方案(multiplexing scheme)顺次地这样读取阵列的每一行。在本发明的优选实施方案中，存储介质提供3mm×3mm的存储表面。
参考图5，在本发明的优选实施方案中，通过在要被擦除的已记录数据上形成彼此交叠的新凹痕121-124，使聚合物层90的表面基本变平，从而选择性地擦除所记录的数据位。在本发明特别优选的实施方案中，这是这样实现的执行上述写操作而用彼此交叠的更大密度的新凹痕121-124来改写要被擦除的凹痕，从而每个新凹痕能有效地擦除紧邻的前一个凹痕。参考图6，交叠的新凹痕121-124彼此合并，并与要被擦除的凹痕120合并，使聚合物层90的表面基本上变平。如前所述，不需要彻底擦除。一系列波纹200可以留在聚合物层90的表面中。只要在读取操作中被擦除的比特不会被检测出来而当作数据位就足够了。这当然取决于数据读取的灵敏度。再参考图3，控制器210可以在擦除模式中工作，以控制新凹痕121-124的形成。参考图5，在本发明的一些实施方案中，对于为擦除不想要的数据序列而写入的序列中的最后一个新比特位、例如由新凹痕124所代表的比特来说，可以接受其形成要记录的新数据序列的一部分。在本发明的其他一些实施方案中，用于擦除不想要的比特而写入的新比特的密度可以使得在该表面中不会残留新比特。
参考图7，聚合物层90的表面具有稳态或者基态230以及亚稳态240。利用尖端40向表面施加作用力Fw和能量Ew的结合，将该表面在与尖端40的接触点处变形为它的亚稳状态240。参考图7和8，在本发明的优选实施方案中，通过将尖端40定位在表面上的一个位置上并利用尖端40向该表面施加作用力Fw和能量Ew的结合以将该表面在该位置变形，从而在表面的该位置写入数据位。参考图9，然后通过将尖端40定位在变形处并利用尖端40向该表面施加能量Ee而擦除数据位。能量Ee可以小于在该表面上写入数据位所需能量，但是大于读取记录在该表面的数据位所需能量。或者，能量Ee可以类似于能量Ew的幅度。无论那一种情况，能量Ee足以将表面从亚稳状态240松弛为稳定状态230。在擦除操作中，减少作用力Fw，并且在本发明的一些实施方案中可以完全除去该作用力。可以利用换能器220实现作用力Fw的减除。通过作用力Fw的减除，并施加能量Ee激励变形表面中的分子，该表面中的分子间作用力Fm随着该表面松弛成为稳定状态而足以将尖端40推出。如前所述，由控制器210向该阵列提供读取、写入以及选择性擦除操作所需的能量和作用力的不同结合。
在前面描述的本发明的优选实施方案中，利用尖端40在写入、读取和选择性擦除操作过程中向该表面施加热形式的能量。但是本发明的其他实施方案在这些操作过程中可以向该表面施加不同形式的能量。
权利要求
1.一种擦除在数据存储装置中记录的数据的方法，在所述数据存储装置中，利用尖端向一表面施加能量和作用力的第一组合，从而由表面的局部变形在该表面上形成代表数据位的凹痕，从而在表面上写入数据位，所述方法包括利用该尖端向该表面上要擦除的已记录变形施加能量和作用力的第二组合，使该表面基本上变平。
2.如权利要求1的方法，其中在第一组合中施加的作用力大于在第二组合中施加的作用力。
3.如权利要求2的方法，其中在第一组合中施加的能量大于在第二组合中施加的能量。
4.如前述任一权利要求的方法，其中在第一和第二组合中施加的能量包括热。
5.如前述任一权利要求的方法，包括形成与代表要擦除的已记录数据的变形相交叠的新的凹痕，使该表面基本上变平。
6.如权利要求5的方法，其中新凹痕的形成包括使新凹痕相对于代表要擦除的已记录数据的变形产生偏移。
7.如权利要求6的方法，其中新凹痕的形成包括形成一行新凹痕，其中每个凹痕与前一个紧邻的凹痕相交叠。
8.一种数据处理系统，包括数据存储表面；与该表面接触并可相对于该表面移动的尖端；以及控制器，它可以在写入模式工作，利用尖端向该表面施加能量和作用力的第一组合，从而因为表面的局部变形而在该表面中形成代表数据位的凹痕，控制器也可以在擦除模式工作，利用尖端向该表面要擦除的已记录变形施加能量和作用力的第二组合，使该表面基本上变平。
9.如权利要求8的系统，其中在第一组合中施加的作用力大于在第二组合中施加的作用力。
10.如权利要求9的系统，其中在第一组合中施加的能量大于在第二组合中施加的能量。
11.如权利要求8-10任一项的系统，其中在第一和第二组合中施加的能量包括热。
12.如权利要求8-11任一项的系统，其中控制器可这样工作控制该尖端以形成新的凹痕，新凹痕与代表要擦除的已记录数据的变形相交叠，从而使该表面基本上变平。
13.如权利要求12的系统，其中控制器可这样工作进行控制，以相对于代表要擦除的已记录数据的变形偏移新的凹痕。
14.如权利要求13的系统，其中控制器可这样工作控制尖端以形成一行新凹痕，其中每个凹痕与紧邻的前一个凹痕相交叠。
全文摘要
一种擦除在数据存储装置中记录的数据的方法，在所述数据存储装置中，利用尖端向表面施加能量和作用力的第一组合，从而因表面的局部变形在该表面上形成代表数据位的凹痕，从而写入数据位，所述方法包括利用尖端向该表面上要擦除的已记录变形施加能量和作用力的第二组合，使该表面基本上变平。
文档编号G11B9/00GK1478275SQ02803224
公开日2004年2月25日 申请日期2002年1月15日 优先权日2001年1月31日
发明者哲德·K·宾尼格, 沃尔特·哈伯勒, 哈伯勒, 哲德 K 宾尼格 申请人:国际商业机器公司