（机械电子工程专业论文）硫系相变高密度探针存储系统的研究.pdf

摘要 摘要 在知识化和数字化的时代，需要存储和处理的信息量与曰俱 增，这就要求存储材料和器件具备更高的存储密度和更快的响应速 率。如何提高存储速率、实现纳米尺度的信息存储是需要解决的关 健问题之一。相变探针存储技术具有高存储密度、高存储容量的特 点，采用探针阵列时还可以获得高速的读写特性，是目前最有可能 取代传统存储手段的前沿技术之一。本文主要针对可用于相变材料 读写擦等操作的纳米相变存储系统进行探索性的研究，重点从如何 驱动相变存储介质或探针阵列、探针存储控制系统以及探针定位控 制等方面进行设计。 本文首先选取了内存式存储系统作为相变探针存储系统的整体结 构，后续工作皆以此为基础。根据各种微驱动方式的特点，选择了 结构简单、适合于集成化制造的静电力驱动方式。设计了用于相变 探针存储系统的微型静电驱动器，具有面积为1 2 x 1 2 m m 2 的中央x y 平台和1 0 0 , u m 的静态位移，平台上相变存储介质的面积定为 6 4 x 6 4 m m 2 ，并考虑分析了该驱动器的可靠性以及机械干涉问题。 分析表明，所设计的静电微驱动器的结构是合理的，各项参数是可 行的，可以满足相变探针存储系统的要求。 相变存储系统对信息的读写如何正确可靠地进行，是本文探讨 的重要内容。设计了存储控制系统的整体方案，包括系统寻址方案、 探针定位、单元选择方法的确定等。系统寻址方案不同于传统的 r a m ，r o m ，e p r o m 等半导体存储器，必须分两次进行译码寻址。对 字节单元进行寻址实际是对两个阵列矩阵定位的问题，即先确定探 针阵列的位置，再选定某个字节单元。对探针定位与单元选择方法 作了周密考虑。 探针的正确定位是探针存储系统的关健问题。本文就探针定位 控制系统中的三个主要集成电路功能模块分别进行了设计，并进行 s p i c e 模拟仿真。三个功能模块分别是：1 l 位数值比较器、1l 位 硫系相变高密度探针存储系统的研究 数值减法器以及高速高精度d a 转换器。 数值比较器和减法器为纯数字电路，由基本门级电路组成。1 l 值比较器采用4 + 4 + 3 的分段结构，即采用四位数值比较器和三位数 值比较器的组合来实现1 1 值比较器。1 1 值减法器采用先行进位和 串行进位相结合的方法。模拟结果表明两者的逻辑功能正确，性能 较好。 数模转换器的性能如何，将直接影响并制约着整个存储控制系 统的性能。d a 转换器结构较为复杂、子电路比较多，如温度码译 码器设计、c m o s 带隙基准电压源、电压电流转换电路、运算放大 器、输出电流源等。d a c 的设计采用分段译码电流舵结构，高5 位 采用温度码译码，低6 位采用直接二进制码。根据台积电 t s m c o 3 5 mc m o s 工艺的特点与要求，设计出了具体的电路。用 集成电路专用软件t a n n e rt o o lsp r o 中的t s p i c e 进行模拟仿真， 结果表明，所设计的集成电路模块性能较好，可以初步满足探针定 位控制系统的要求。 本文开展的工作是初步的，对于如何使相变存储技术成为现 实可用的相变存储器件作了探索性的研究。 关健词：相变，高密度存储，探针存储，微型静电驱动器，存储 控制系统，c m o s 集成电路设计 摘要 a b s t r a c t i nt h ea g eo fk n o w l e d g ea n dd i g i t ，i n f o r m a t i o nt h a ti sn e e d e dt os t o r e a n dm a n a g ei si n c r e a s i n gs t e a d i l y t h u st h ep r o p e r t i e so fs t o r a g em a t e r i a l s a n dd e v i c e ss h o u l db eu l t r a h i g hi nd e n s i t ya n da c c e s sr a t e h o wt oi m p r o v e a c c e s sr a t ea n da c h i e v en a n o s c a l ed a t as t o r a g ei so n eo ft h ek e yp r o b l e m s p h a s ec h a n g ep r o b e b a s e ds t o r a g et e c h n o l o g yh a sc h a r a c t e r i s t i co f h i g h a r e a ld e n s i t ya n ds t o r a g ec a p a c i t ya n dw h e np r o b ea r r a y si si n t r o d u c e dt o s t o r a g e ，h i g h s p e e dr e a da n dw r i t ec a nb eo b t a i n e d ，w h i c hi sm o s tl i k e l yt o b ec a n d i d a t eo ft r a d i t i o n a ls t o r a g et e c h n o l o g i e s n a n o - s c a l ep h a s e c h a n g e s t o r a g es y s t e mt h a tc a nb ea p p l i e df o rr e a da n dw r i t eo fp h a s e - c h a n g e m a t e r i a l si st h em a i nr e s e a r c hf i e l d e m p h a s i si sp l a c e do nh o wt od r i v et h e p h a s e - c h a n g es t o r a g em e d i u mo rp r o b ea r r a y s ，p r o b es t o r a g ec o n t r o ls y s t e ma n dp r o b ep o s i t i o n i n gs y s t e m f i r s t l y , i n t e r n a lm e m o r y s t y l es t o r a g es y s t e mi ss e l e c t e dt ob e c o m e t h e w h o l es t r u c t u r eo fp r o b e - b a s e ds t o r a g e ，w h i c hi st h eb a s ef o ra l l s t u d y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fa l lk i n d so fm i c r oa c t u a t i o nm e a n s ，t h e m e t h o d so fe l e c t r o s t a t i ca c t u a t i o ni ss e l e c t e d ，w h i c hs t r u c t u r ei ss i m p l ea n d i sf i tf o ri n t e g r a t e df a b r i c a t i o n m i c r oe l e c t r o s t a t i ca c t u a t o ra p p l y i n gf o r p h a s e - c h a n g ep r o b e b a s e ds t o r a g es y s t e m i s d e s i g n e d ，w h i c h h a s 12xl2 m m 2 一a r e ac e n t r a lx y s t a g ew i t h 6 4x6 4 m m 2 一a r e as t o r a g em a t e r i a l a n ds t a t i c p l a c e m e n tl a r g e rt h a n l0 0 , u m i t sr e l i a b i l i t ya n dm e c h a n i c a l c r o s s t a l ki sa l s oc o n s i d e r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t so fa n a l y s i si n d i c a t e t h a ts t r u c t u r eo ft h ea c t u a t o ri sr a t i o n a la n da l l p a r a m e t e r s a r e f e a s i b l e ，t h u st h ea c t u a t o rc a nm e e tt h en e e d so fp h a s ec h a n g ep r o b e b a s e d s t o r a g es y s t e m h o wt or e a da n dw r i t et h ed a t ae x a c t l ya n dr e l i a b l yi sa ni m p o r t a n t w o r ki nt h i sp a p e r t h ew h o l es c h e m eo fs t o r a g ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gs y s t e ma d d r e s s i n g ，p r o b ep o s i t i o n i n ga n dc e l ls e l e c t i n g s y s t e m a d d r e s s i n gs c h e m ei sd i f f e rf r o ms u c ht r a d i t i o n a ls e m i c o n d u c t o rm e m o r y a s - r a m ，r o m ，e p r o me ta l ，w h i c hm u s tg ot h r o u g ht w os t e p so fc o d i n g b y t ec e l la d d r e s s i n gi sa c t u a l l yp r o c e d u r eo ft w oa r r a y sp o s i t i o n i n g ， n a m e l yp o s i t i o n i n gp r o b ea r r a y sf i r s t l y , t h e ns e l e c t i n gc e r t a i nb y t ec e l l t h e w a y sa n dm e a n so fp r o b ep o s i t i o n i n ga n dc e l ls e l e c t i n ga l ec o n s i d e r e d 硫系相变高密度探针存储系统的研究 c a r e f u l l y p r o b ep o s i t i o n i n gc o r r e c t l yi st h ek e yp r o b l e mt op r o b e b a s e ds t o r a g e s y s t e m t h r e em a i ni n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) f u n c t i o n a lm o d u l ei nt h ep r o b e p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e db ys p i c e t h e ya r e 1l b i t d i g i t a lc o m p a r a t o r , 1l b i td i g i t a ls u b t r a c t e ra n dh i g h - s p e e da n d h i g h p r e c i s i o nd i g i t a lt oa n a l o g ( d a ) c o n v e r t o r d i g i t a lc o m p a r a t o ra n ds u b t r a c t e r a r ep u r ed i g i t a lc i r c u i t s ，w h i c h c o n s i s to fb a s i cg a t ec i r c u i t s s e g m e n t l es t r u c t u r eo f 4 + 4 + 3 i sa d o p t e di n t h e1l - b i td i g i t a lc o m p a r a t o r , n a m e l yc o m b i n a t i o no f4 - b i tc o m p a r a t o ra n d 3 - b i tc o m p a r a t o r t h ew a yo fc o m b i n a t i o nb yc a r r yl o o ka h e a da n ds e r i a l c a l t y i si n t r o d u c e di nt h e11 一b i t d i g i t a ls u b t r a c t e r s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e t h a tl o g i c a lf u n c t i o no ft w oc i r c u i tm o d u l e si s r i g h t a n di t s p e r f o r m a n c ei sp r e f e r a b l y t h en a t u r eo fd ac o n v e r t o rh a si m p a c to np e r f o r m a n c eo fw h o l e s t r a g ec o n t r o ls y s t e m i t ss t r u c t u r ei sc o m p l e xa n di tc o n s i s t so fm a n y s u b c i r c u i t s c u r r e n t - s t e e r i n gs e g m e n t l es t r u c t u r ei sp r o p o s e d t oe n h a n c e t h es p e e dp e r f o r m a n c ea n dr e d u c ee r r o ra n da r e ao fd a c ，t h e5m s b sa r e t h e r m o m e t e r - d e c o d e d ，a n dt h e 6l s b sa r e b i n a r y w e i g h t e d r e s u l t s s i m u l a t e db yt s p i c ei n d i c a t et h a tp e r f o r m a n c eo fd ac o n v e r t o ri sa l l f i g h t ，s oi tc a nm e e tt h en e e d so fp r o b ep o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：p h a s ec h a n g e ，h i g h - d e n s i t ys t o r a g e ，p r o b e b a s e ds t o r a g e ， m i c r oe l e c t r o s t a t i ca c t u a t o r , s t o r a g ec o n t r o l ，c m o si n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) d e s i g n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密彤 学位论文作者签名：守向前指导教师签名：乡羡镪勇 厶巾7 年- z 月l7 日乒舰7 年1 月，1 7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢咛t 匀i 日期：砌7 年，2 月 夕日 第一章引言 第一章引言 1 1 超高密度探针信息存储 在知识化和数字化的时代，人们需要存储和处理的信息量与日俱增，要 求存储材料和器件具备更高的存储密度、更快的响应速率。如何提高存储速 率、实现纳米尺度的信息存储是需要解决的关健问题之一。光盘和磁盘等数 据存储工具已经被广泛的应用在人们的日常生活中。为了满足互联网业务由 语音、数据向视频应用的宽带化发展、多媒体和三维动画等领域不断增长的 信息处理和存储的要求，人们希望获取超大容量的记录载体。同时，伴随着 计算机通讯科技的迅速发展，信息储存媒体的进步也一日千里。传统磁存储 存在超顺磁效应的问题，而光存储则会受到衍射极限( d i f f r a c t i o nl i m i t ) 的限 制，即r o 6 6 x n a t l l 。很显然，传统磁存储和光存储己接近其物理极限【2 】【3 】， 难以达到纳米尺度的存储。因此，必须研究开发出新型的存储材料和存储技 术。 扫描探针显微镜s p m 的出现大大推动了纳米超高密度存储的发展。利 用s p m 的原子级表面分析手段，用尖锐的探针在存储介质表面扫描。利用 s p m 非常敏感的表面状态检查的功能实现数据读取：通过给探针施加电、力、 光等纳米水平超微加工的机能实现数据的写入。从数据存储机理来讲，主要 包括两种情况：一是写入前后不改变记录点处介质表面的形貌，而是根据记 录点处电学、光学或磁学等特性的变化，来实现数据的写入和读出。另一种 方式是通过改变记录点处存储介质的表面形貌来实现数据存储的。 9 0 年代初，i b m 公司a l m a d e n 研究中心hjm a m i n 等人1 4 】最先使用a f m 针尖根据形貌特征实现信息存储的的读写功能，并利用热力效应，通过a f m 针尖在聚合材料表面产生热效应实现3 0 g b i t s i n c h 2 信息存储。其中读写操作是 用单个a f m 针尖与高速旋转的聚合材料相接触实现的，如图所示，读出速 度达1 0 m b s 。 慌糸相翌鬲罾厦椿针存储糸缓的研冠 d a t ap i t s 图i l 用a f m 针尖实现形貌数据存储的原理图。 除了i b m 公司中国和日本的一些研究机构也相继开展了基于探针技术 的信息存储研究。中科院物理所高鸿均研究小组口1 用s t m 的电荷转移原理实 现最小点径为o 6 n m 的信息单元被认为是存储位的极限。他们以电荷转移 有机功能分子体系作为信息存储的介质，利用其电学双稳态的特性实现信息 的存储，显示出在分子尺度上存储具有稳定性、重复性和可擦除性好的独特 优点。另外。北京大学刘忠范研究小组”魄出利用隧道电流的焦耳热效应， 诱导材料发生气化分解的热化学烧孔模式s t m 存储原理，并在电荷转移化合 物t e a ( t c n q ) 2 上成功地得到大面积信息孔阵列，利用纳米管针尖打孔最小 直径达3 r i m 左右。2 0 0 5 年，高鸿钧研究组丰敏等1 7 i 首次报道了在r o t a x a n e 分子固态薄膜中实现了分子导电性的转变和超高密度信息存储。通过s t m 针 尖在r o t a x a n e 分子薄膜上施加电压脉冲，在分子尺度上诱导了两个数量级的 导电特性转变，在薄膜上重复记录了尺寸为3 - 4 n m 的信息点。研究还发现了 r o t a x a n e 分子具有非常稳定的电导相变特性。这一结果为分子电子器件的材 料设计和结构控制提供了一条新思路。 在日本，k o j i y a n o 等人”喇用a f m s t m 组合技术，在l b 薄膜上形成 尺寸约为1 0 r i m 的记录斑点。他们将6 - 8 层每层厚约0 4 a m 的p m d a - o d a l b 膜放在a u ( 1 1 1 ) 面上，a f m 工作在可变偏振模式下，产生约1 0 n r a 的记录 点。r o h r e r 等人”l 用导电探针在针尖和硅表面形成液态桥，利用a f m 场效应 诱导氧化实现信息存储，形成4 8 6 4 个点的4 0 r i m 周期点阵。 探针存储技术的研究正处在发展初期。很明显，存储材料、材料性能及 稳定性，对实现超高密度探针存储十分关键。从上世纪6 0 年代开始，一些无 机材料的相变性能已经用于光学的数据存储。g e 。s b 。t e ：( g s t ) 混合物就是 非常好的例子。人们根据g s t 混合物的相变性能来存储信息，也即相变存储。 第一章引言 白1 9 7 0 年sro v s h i n s k y ”l 首次报道硫系合金薄膜可用于相变光数据存 储以来，人们已发现了许多有前途的记录介质，其中以g e s b ，t e 化合物半导 体材料最有代表性。ny a m a d a l 报道了采用g e s b 2 t e 4 化台物材料实现5 0 n s 写入和擦除。2 0 0 6 年4 月，1 b mw a t s o n 研究中心的h c n d r i k 等人1 1 2 ) 通过脉冲 调制的激光二极管对a f m 针尖进行局部加热，在o e 2 s b 2 t e s 薄膜上得到最高 密度为3 3 t b i t s i n c h 2 的记录点。 鹧 ( a ) 图1 - 2i b m 信息存储原理及所得的信息点。 ( 曲激光二枉管对a f m 针尖局部加热进行信息存储的原理圈 b ) 实验所得到的信息点的s t m 像。 1 2 相变存储原理简介 相变存储的基本概念是利用一种材料具有两种独立的稳定的结构态一 晶志和非晶态来实现信息存储，为了克服二者之间的能量势垒，必须给材料 旖加一定的能量( 激光强光束曝光和电流脉冲等) 才能在两种结构态之间实 现转换，并以晶态和非晶态作为最基本的0 和1 存储单元来实现信息的直接 记录和擦除。如图i 3 所示。 硫系相变高密度探针存储系统豹研宄 图i - 3 相变存储原理图。( 耐置位( 写”1 ”) 或复位( 写州0 ”) 时的温度分布 图。t m 是指熔化温度t x 是晶化发生时的温度。( b ) 晶态与非晶态的e m 像。 1 3 相变探针电学存储方法 相变存储的方法有很多种，如相变光盘存储l i ”、硫系化合物髓机存储器 ( c r a m ) 1 1 4 1 ”1 、相变探针存储等几大类。根据扫描探针显微镜的种类， 相变探针存储又可以分为电学存储、光学存储 1 6 l 【用、热学存储等而电学 存储主要应用的原理就是扫描隧道显微镜( s t m ) 1 1 9 以及原子力显微镜 ( a f m ) 1 2 0 1 ，这也是本课题所研究的相变存储方法。 k a d o l 2 1 1 最先利用a f m 对g e s b ，t e 进行纳米尺度的记录实验，他们通过 在导电针尖和样品之间施加脉冲电压使薄膜的电导率发生超过1 0 0 倍的改 变，同时该小组得到了最小直径为l o n m 的特征信息点：t a n a k a 等人 2 2 l 用 a f m s t m 结合的方式研究g e s b t e 薄膜的纳米级相变电存储特性，该研究小 组也通过a f m 导电探针给非晶态g e s b 2 t e 膜加电脉冲，根据所加电压大小 不同出现两种导电区域，即低压脉冲o f j ) 产生中等电阻( 1 0 m o ) 的点，高压 脉冲0 0 p j ) 产生低电阻( 1 k o ) 的点，尺寸约为5 0 n m ，通过电脉冲还可以实 现点的擦除。 江苏大学微纳米科技研究中心是国内开展硫系薄膜相变探针电学存储 技术研究最早的单位之一，并取得了初步的实质性进展。 利用磁控溅射制各工艺溅射制备的g e s b 2 t e 4 膜在a f m 轻敲模式下的形 貌如图1 4 所示可以看出，薄膜的均匀性和致密性均表现出较好的水平。 愁 黑 第一章引言 用a f m 记录的记录方式可以用探针接触g e s b t e 薄膜，施加直流脉冲电压 使存储介质在微小领域内导电性发生变化井写入数据，而导电性的变化又由 同一探针检测出，实现数据的读出，图1 5 给出该实验装置的示意图。 图卜4 溅射的g e s h t e , 膜形貌图 图l 一5 导电a f m 的装置示意图 通过在制备的g e s b t e 膜和针尖之间进行加电场初步研究了其电致相变 特性。图1 - 6 为获取的信息点，在试样的下电极和探针之间施加不同电压， 探针在1 0 n n 的力作用下一边和试样表面接触一边扫描，利用导电a f m 给样 品加1 2 v 直流电压，获取2 3 阵列( 图中a b c d e f 所示) ，再次给样品表 面b d f3 点施加直流电压一1 2 v ，作用时间分别为1 0 s ，5 s ，ls 。发现b 、d 、 f 点形貌凸起点消失，然后在探针上施加1 2 v 的d c 电压，重新写入f 、g 两点。 硫系相变高密度探针存储系统的研究 圈l 巧利用导电a f m 对g e s k t e 膜表面旌加1 2 v 直蒲【电压获取的信息点 1 4 本论文的研究目的和主要内容 相变探针存储技术具有高存储密度和高存储容量的特点，采用探针阵列 1 2 3 】还可以获得高速的读写特性，是目前最有可能取代传统存储手段的前沿技 术之一。对于相变材料g s t 制备工艺及性质和基于探针存储的机理问魇t 以 及存储介质的力学性能、电学性能、热学性能和摩擦特性及其与主要影响因 素间的关系等问愿，国际国内的科研人员作了较多的研究，并取得了突破性 的成果，为超高密度信息存储的设计提供了坚实可靠的理论指导，对藐国当 前的经济、文化、生活和国防水平和能力的提高具有重要意义。虽然，国内 外科研人员在超高密度信息存储介质领域取得了突破性的进展，但离实际应 用还有很大距离。存储介质的稳定性循环特性，可擦写性，有待进一步研 究，存储装置、存储方法与实际存储器件应用相结合问题是另外一个巨大的 挑战。同样，对于如何使相变存储技术成为现实，以及可用相变材料实现读 写擦等操作的纳米相变存储系统的开发等问题的研究极少报道。在前期研究 成果的基础上，对纳米相变存储系统作探索性研究，即是本论文的研究内容。 因此，我们提出“硫系相变高密度探针存储系统的研究”这一研究课题。 主要任务包括： ( 1 ) 如何驱动相变存储介质或探针阵列，使相变存储系统对信息的读写能正 确可靠地进行： ( 2 ) 对探针存储驱动控制系统的技术方案进行初步设计； ( 3 ) 对探针定位控制系统中的主要模块进行分别设计； 第一章引言 本论文共分六章，作如下安排： 第一章是论文的引言，介绍了提出任务的背景，包括当前高密度信息存 储的研究背景，并介绍了本课题相关的相变探针存储的发展现状。 第二章为探针存储系统的设计，包括探针存储系统的整体结构设计以及 静电力微型驱动器的结构设计及参数验证。 第三章，在选择了存储系统整体结构及确定了微驱动器为静电力驱动的 前提下，设计了存储控制系统的整体方案，包括系统寻址方案、探针定位、 单元选择方法的确定。 第四章就探针定位控制系统中各功能模块分别进行专用集成电路的设 计，并进行s p i c e 模拟仿真。 第五章对探针定位控制系统中最重要的功能模块数模( d a ) 转换器进 行设计，并对数模转换器的整体性能作了s p i c e 模拟。因其设计的相对复杂 性，将其另作一章详细说明。 第六章对全文进行总结，并列举了尚未解决和完成的任务，对今后隐工 作提出一些建议。 7 第二章探针存储系统整体结构及驱动器的设计 第二章探针存储系统整体结构及驱动器的设计 2 1探针存储系统整体结构的选择 对于探针存储系统结构的设计，人们有过不少的设想，其中又以盘片式存储 系统和内存式存储系统为代表。 2 1 1 盘片式存储系统 h j m a m i n 等【2 4 j 人应用通用光盘读写原理设计了一个基于材料机械变形 的探针存储系统结构，如图2 一l 所示，将1 2 m m 厚的聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 薄膜沉积在透明盘片上，为了提高写入速度，将p m m a 基片固定在一个精确对 称的旋转轴上，基片水平误差保持在百分之几度范围内。a f m 针尖与p m m a 透 明盘片保持在一个稳定的接触负载下。末端附有a f m 针尖的悬臂用压电装置 驱动，通过一个伺服系统控制针尖运动及保持接触负载恒定。为了对p m m a 膜 进行信息的写入，二极管写入激光器通过聚焦系统聚焦在表面涂有几百埃的 金吸附层的a f m 针尖上，当写入激光器加一脉冲时，a f m 针尖被加热到p m m a 的软化点以上，则在针尖与基片的接触点处将产生一个很小压痕，即实现写入 过程。这是一种利用 f m 针尖在聚合材料表面产生热效应来实现超高密度信 息存储的技术。实验结果表明，用3 0 0n s 的激光脉冲在p m m a 基片上能生成 约1 0 01 1 1 1 1 的记录单元。而读出系统则是通过一个四象限的光二极管探测器 接受悬臂背面的反射光，来识别压痕，从而识别两种状态，“0 或“l ”。这 种存储系统实现了高达3 0 0 b i n 2 的存储密度，是一个重要的进展。为了优化 存储系统，m a m i n 等人还将读取速度提高到l o m b s 2 5 1 并采用轨道伺服系统 1 2 6 1 。 9 硫系相变高密度探针存储系统的研究 圈2 - 1 用于p m m a 膜的探针存储系统结构示意图 然而，在利用单个探针进行存储时，数据存取速率受到很大限制。因而 a f m 数据存取速率必须提高至少三个量级，才可能取代现有的磁存储技术。为此 i b m 的苏黎世实验室提出并开发了一种叫做“千足虫”( m i l l i p e d e ) 【2 7 l 的并行读 写探针阵列从而可同时获得超高存储密度和高的读写速率。探针阵列的规模 为3 2 x 3 2 ，并且集成了读写的功能。图2 2 为i b m 设计的“千足虫”的结构原理 圈。“千足虫”工作基理是整个探针阵列或存储介质的并行x z 扫描。此外，一 套反馈控制的z 向接近和水平测量的方案使得整个阵列与存储介质相接触，并且 在并行x y 扫描读写时一直保持这种针尖一介质的接触状态并始终处于受控状 态。由于该装置是对整个阵列芯片进行反馈控制因而大大简化了存储系统 但这也需要对针尖的高度及悬臂的弯曲进行严格的控制，咀保证一致性。 图2 - 2i 叫设计的“干足虫”的结构原理图 第二章探针存储系统整体结构厦驱动器的设计 2 1 3 , 内存式存储系统 便携式装置如数字相机、手机、掌上电脑等，需要价格低、体积小、容量 大的存储模块。在这方面，探针存储系统( p r o b e - b a s e dd a t as t o r a g e p d s ) 有望取代现存的可重写存储器如f l a s h 、d 、f r a m 等，成为主要的内存存储 器。为此，三星公司( s u m s a n 6 ) 1 2 s 设计了一种类似于内存的探针数据存储系统， 包括四个部分：信号处理模块、探针阵列、x y 平面驱动器以及记录介质。系统 配置的原理图如图2 3 所示，其中信号处理模块包括相互附联的两层：第一层是 三维配线部分，与第二层组装在一起；第二层是信号处理电路。探针阵列中每 个探针的针尖高度为1 5pm 、针尖半径为1 5 n m 。最低层的静电平面驱动器起着扫 描器的作用，通过移动x y 平面内介质的方式将探针定位到正确的位置。记录介 质以电场极化铁电材料的方式记录信息。 ( a )( b ) 图2 - 3 探针存储系统p d s 的设备原理( a ) 原理图，( b ) 封装之后的p u s 模块。 此外，三星公司用传统微细加工技术加工出包含2 0 0 0 个探针以上的探 针阵列。x y 平台和介质的整体结构如图2 - 4 所示。 凰 图24 己加工出的埘静电微驱动器的整体结构圈 硫系相变高密度探针存储系统的研究 本文选取内存式存储系统作为相变探针存储系统的整体结构，后续的设 计皆以此为基础。 2 2 静电微型驱动器的设计 对于本文所研究的相变探针存储系统来说，因其采用探针阵列来读取相 变存储介质上的信息，这就必然要涉及到探针阵列寻址定位的问题。但阵列 的驱动不可能采用传统的宏机械驱动方式，我们必须设计出一种全新的基于 微场效应的驱动方式。 微驱动器最基本的工作原理是将其他能量( 一般是电能) 转换为机械能。 实现这一转换的执行机制有：静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动、 磁致伸缩式驱动、光致动、凝胶致动、电液致动、超声波致动、形状记忆合 金膜片驱动等。目前，常见的驱动有静电式【2 9 , 3 0 1 、电磁式1 3 1 , 3 2 l 、电热式【3 3 1 、 压电式【3 4 j 等。 其中静电式微驱动器是应用较广泛的微驱动器，这类驱动器具有结构简 单、控制方便，动作范围大、功耗小、响应频率高、适于集成化制造等优点， 但也存在着输出力小，以及驱动电压高等缺点。与压电、压阻、热膨胀和电 磁等驱动方式相比，静电作用虽然驱动力比较小，但其工艺兼容性好，可 以用体硅和表面微机械加工，便于实现系统集成，是微机械执行器的发展 趋势。 静电驱动器广泛使用在微机电系统中，包括光通信的开关微镜【3 5 1 以及数 字光学处理器【3 6 1 、射频微开关【3 7 1 、压力传感器【3 8 1 等。 静电驱动器的种类可分为平板式驱动器、平板杠杆式驱动器、侧向梳形 驱动器、垂直梳形驱动器、步进式驱动器。下面是两种常用的类型： 1 平板式驱动器( p a r a ll e lp l a n a ra c t u a t o r s ) 静电力源于电容效应，一端为可动电极，另一端为固定电极，当给两平 行板加入正负电源时，可动电极因静电力的吸引而靠近固定电极，达到驱动 的目的，如图2 5 所示。 1 2 第二章探针存储系统整体结构及驱动嚣的设计 图25 平板式驱动器原理 2 梳状驱动器( c o m bd r i v ea c t u a t o r s ) 静电梳状驱动结构( e l e c t r o s t a t i cc o m b d r i v ea c t u a t o r s ) 由t a n g 等i 】9 i 在1 9 8 9 年提出，最初是作为微谐振器。由于结构简单，并与集成电路工艺兼容 静电梳状结构作为驱动部件( 执行器) 或检测部件( 传感器) ，已在微机电系 统尤其是表面微机械器件中得到广泛的应用。 平行扳式的静电驱动器虽然简单，然而却存在吸附效应( p u l 卜i ne f f e c t ) 以及电极板相互摩擦造成的可靠度问题而梳状电极的驱动器可有效改善上 述的问题。驱动原理是将两组交叉的平行电极板当作电容器。一组可动称动 子，另一组固定称定子，当给电极板施加电压时即会因静电力而将可动部 分吸引。梳形驱动器现阶段常用的有侧向( l a t e r a l ) 与垂直( v e r t i c a l ) 两种， 侧向梳状驱动器的结构如图2 6 所示当加入电压时，动子( m o v a b l ec o m b ) 往x 轴方向运动，移除电压后，动子由于弹簧力量而回复到原来位置。图2 7 为一种梳状微驱动器宴体结构图。 图2 6 梳状微驱动器驱动示意图图27 梳状微驱动器实体结构图 孽 一彪荡 一姥一 硫系相变高密度探针存储系统的研究 2 2 1 驱动器的结构设计 本文提出并设计了用于相变探针存储系统的微型静电驱动器，具有面积 为1 2 1 2 m m 2 的中央x y 平台和1 0 0 , u m 的静态位移，平台上相变存储介质的面 积定为6 4 x 6 4 m m 2 ，并考虑分析了该驱动器的可靠性以及机械干涉问题。 设计的静电驱动器结构如图2 - 8 所示。g s t 相变薄膜沉积在中央平台a 上形成信息记录介质，探针阵列的间距设定为1 0 0l a1 1 1 ，并固定在中央平台的 上方与g s t 相变记录介质相接触，从而实现数据的读写操作。中央平台的运 动范围是5 0l am ，与探针阵列的间距( 1 0 0l an 1 ) 相对应。中央平台和介质的 面积分别为1 2 x 1 2 m m 2 和6 4 x 6 4 m m 2 ，由于中央平台为悬浮平台结构，并由 一套四方向的大位移驱动器驱动，并沿着x 轴和y 轴的正负方向运动，因而 可以实现任意点处的读写。每个驱动器的位置与相邻驱动器成9 0 度定位。 图2 8 用于探针存储的静电驱动器简易结构图。 ( a ) 中央平台，( b ) 固定岛，( c ) 折叠弹簧，( d ) 支承弹簧 为了实现大位移的微x y 平台以及大面积的中央平台，每个方向需要三个 折叠弹簧，以有效地支承起大量的梳形叉齿电极和大的中央平台。为了简化 设计过程，三个弹簧的结构参数取为一致。此外，在安排三个弹簧时，应该 考虑机械稳定性、有效防止共振、空间利用效率等问题。因此，两个外层折 第二章探针存储系统整体结构及驱动器的设计 叠悬臂弹簧对称地布置在驱动器的最外层，一个内层折叠悬臂弹簧则与中央 平台邻近。 静电驱动器结构各相关参数如表2 一l 所示。为提高弹簧的弹性常数，以 有效地支承起大的中央平台及电极的质量i l l ，选择弹簧的高度与电极的高度 一致，都为h 表2 - 1 静电驱动器结构各相关参数( 单位l a m ) 电极及弹簧的高度h = 5 0 梳指问隙 g = 5 梳指对数n = 1 0 0 0 支承弹簧的宽度 。5 支承弹簧的长度 = 5 0 0 折叠弹簧的悬臂宽度 。5 折叠弹簧的悬臂长度 厶= 1 0 0 0 折叠弹簧的桁梁宽度 w = 2 5 折叠弹簧的桁粱长度 厶= 1 0 0 由于x 方向和y 方向的驱动系统完全一致，故只讨论一个方向的结构参 数。x 方向的弹簧系统由六个折叠悬臂弹簧( 两个内部加四个外部) 以及一 个支承弹簧结构。为了设计的方便，使一个方向的六个折叠弹簧结构相同， 且弹簧都是彼此平行连接的，因此x 方向总的弹性常数，j 可由下式表示： 吒删工= 6 ( f o l dj + 纹i i pj ( 2 1 ) 其中k f o l d 一童为内外部折叠悬臂弹簧的弹性常数，= 2 e h w ) o , 日， k ，为固定支承弹簧，：= 4 e h w 3 , 嗍, 。折叠弹簧与支承弹簧弹性常数的 复杂推导过程见参考文献1 4 0 l 。e 为杨氏模量，w ，h ，l 分别为弹簧片的宽度、 高度和长度。图2 9 为折叠弹簧的结构原理图，其中为折叠弹簧的悬臂宽 度，厶为折叠弹簧的悬臂长度，w 为折叠弹簧的桁梁宽度，厶为折叠弹簧的 桁梁长度。文献 4 0 在推导时作了简化，即令厶= 厶= 厶：，厶= 厶。= 厶：。 磕系相变高密度探针存储系统的研究 ：l 褂 丽 f ，坐( y v ) 2 ( 2 - 3 ) 由于两者的方向相反，所以在求x 方向的合力时为矢量和，故合力为 c = 莓7 巩_ 3 警( 2 一警( 2 ：4 1 丝脚 其中为空气的介电常数( $ 8 5 a f p m ) h 为电极的高度，g 为梳指的间隙， 为每个方向的梳指对数，v 为偏置电压，v 为驱动电压。 则x 方向的静态位移可由下式得到： ，：1 l ：! ! 丝生 ：kv(2-5) t g ( 6 t m ，十 。，) 其中k = 4 e n h v g ( 6 t 川。+ k 。，) 为静电驱动器的灵敏度，增大梳指的对数x ， 减小梳指问棘g 以及弹簧的弹性常数女，可以提高静动器的灵敏度，从而减小 第二章探针存储系统整体结构及驱动器的设计 所需的偏置电压v 以及驱动电压v ，这是我们所希望的。 由式( 2 5 ) 可见，在施加差动电压的情况下，x 方向的静态位移z 与所 施加的偏置电压v 与驱动电压v 的乘积成正比。因此只要施加一个驱动电压， 就能得到一个相应的静态位移。 2 2 3 驱动器的移动可靠性验证 对于支承弹簧来说，其轴向弹性常数k 。甜和侧向弹性常数k l 分别为： k 蒯：争( 2 - 6 ) k 删：4 e 7 h 广w 3 m p ( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 中w s u p 、k 分别为支承弹簧的宽度和长度。 轴向弹性常数与侧向弹性常