优化二维弯曲记忆存储器件中伺服控制器功率的方法

摘要

一种优化二维弯曲(微电子记忆存储)MEMS设备的操作中所需伺服控制器功率的方法。还提供一种用于通过利用本发明的方法来优化二维弯曲MEMS存储器件中伺服控制器功率的布置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种优化二维弯曲(微电子记忆存储)MEMS设备的操作中所需伺服控制器功率的方法。另外，本发明涉及一种用于通过利用本发明的方法来优化二维弯曲MEMS存储器件中伺服控制器功率的布置。

背景技术

在实质上低成本、高密度记忆存储器件的制造和商业以及技术应用中广泛地利用了运用微电子记忆存储器件(MEMS)的技术。实际上，根据该技术的一个例子，目前处于进一步高级开发阶段的该技术包括拥有以下可能的对基于弯曲的MEMS设备(F-MEMS)的利用，该可能实现了面积密度为1兆兆位/平方英寸的信息记忆存储。实际上，通过加热小型悬臂探针、然后在厚度为50nm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层上产生40nm印痕或者凹坑行在MEMS设备中存储信息。另外，同一悬臂探针可以容易地用于通过一种感测已经形成的凹坑或者印痕的存在或者缺失的方法来读回信息。因此，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)衬底或者层被布置为装配于由多个弯曲件或者弯曲支撑件支撑的扫描仪平台上。基本上，两个致动器用来关于PMMA层的表面移动包括读/写传感器的扫描仪以便取回其上的信息或者用于分别沿着X方向和Y方向将信息写入恰当位置。

根据本发明，可以用各种方法来将为了向用于实际上在X方向和Y方向上拥有两个自由度(2°)的基于弯曲的MEMS存储器件(F-MEMS)的伺服控制供以动力而需要提供的能量或者功率减少到最少。一般而言，在正常方式下，普遍地按行和列来组织数据，然后通过沿着适当的X扫描方向和Y扫描方向从初始的闲置归属移位位置起移动包括读写传感器来访问比如在PMMA层上形成的印痕或者凹坑这样的数据。因此，在读写传感器位于静态或者闲置归属位置之时，在其上支撑有扫描仪平台的弯曲支撑件或者弯曲件处于静止，也没有能量或者功率消耗以便将传感器维持于该特定归属位置。然而，为了分别在X和/或Y扫描方向上偏转弯曲件而将读写传感器移动到PMMA层的表面上离开归属位置的其它位置，必须向弯曲支撑件供应功率以便偏转弯曲支撑件以有助于传感器移动。这一功率要求与弯曲支撑件或者弯曲件偏转的距离的平方成比例。虽然可以利用各种设计以便使激活偏转支撑件移位的伺服器所需要的功率量最少，但是这在其利用上要求不同概念。例如，可以在PMMA层上按各种分区组织数据，由此以更频繁方式被利用的数据在位置上更接近读写传感器的归属位置。这实现了更快地和以低得多的能量水平或者功率要求为代价访问这样的频繁利用的数据。例如，为了实现通过读写传感器来查找PMMA层上数据的随机扫描移动，起初实施所需更长的移动并且将沿着其它更短访问长度的移动延迟适当时间量，由此在基本上相同的时间瞬间完成查找数据的两个扫描移动。这实质上将例如通过两微米移动的同步时序来明显减少所耗能量，并且可以针对传感器甚至更长的移动而节省明显更大数量的能量或者功率。

发明内容

因而，本发明涉及一种用于优化二维弯曲MEMS存储器件中伺服器控制功率消耗的布置，该布置包括:固定基部部件；可移动扫描仪平台，具有位于所述扫描仪平台的上表面上的记忆存储介质；用于所述扫描仪平台的弯曲支撑件，定位于所述固定基部部件上，有助于所述可移动扫描仪平台相对于所述固定基部部件在x方向和y方向上的移位；致动器，连接到所述可移动扫描仪平台并且用于响应于伺服控制器的操作向所述可移动扫描仪平台赋予所述x方向移位和y方向移位，包括用于确定所述扫描平台的移位程度的x位置传感器和y位置传感器；以及扫描结构，在使所述伺服控制器所需功率输出最少的时间段内关于包含有所述微电子记忆存储介质的扫描仪平台的表面沿着x坐标和y坐标可移动到目标轨迹的附近。

本发明还涉及一种上述类型的方法，其中读/写传感器关于X-Y扫描仪平台的表面可移动，该方法将弯曲支撑件用于扫描仪平台以便能够以伺服器控制功率的最小消耗在所期望的X-Y方向上移动传感器。

另外，本发明涉及一种优化二维弯曲MEMS存储器件的操作中伺服器受控功率的方法，该方法包括:提供固定基部部件；提供可移动扫描仪平台，该可移动扫描仪平台具有位于所述扫描仪平台的上表面上的记忆存储介质；将用于所述扫描仪平台的弯曲支撑件定位于所述固定基部部件上以有助于所述可移动扫描仪平台相对于所述固定基部部件在x方向和y方向上的移位；将致动器连接到所述可移动扫描仪平台、响应于伺服控制器的操作向所述可移动扫描仪平台赋予所述x方向移位和y方向移位，包括提供用于确定所述扫描平台的移位程度的x位置传感器和y位置传感器；以及在使所述伺服控制器所需功率输出最少的时间段内关于包含有所述微电子记忆存储介质的所述扫描仪平台的表面沿着x坐标和y坐标将扫描结构移动到目标轨迹的附近。

附图说明

现在对结合附图给出的对本发明优选实施例的以下具体描述进行参照，在附图中:

图1大体地图解说明了配备有用于读/写传感器的X-Y扫描仪的基于弯曲的MEMS存储器件的部件；

图2图示了图1中带圆圈部分A的放大扫描仪探针细节；

图3和图4分别图示了根据本发明的X-Y扫描仪平台上的测试配置中利用的光学位置传感器在图解表示图中的侧视图和顶视图；

图5大体地图解说明了图4的带圆圈部分B中细节的放大视图；

图6图解地说明了用于本发明的X-Y扫描仪的数据查找和扫描轨道；

图7图示了用于实施根据本发明的扫描仪的X-Y运动的伺服控制系统的示意图；

图8图解地说明了根据本发明的分区数据存储能力；

图9a和图9b分别图示了在与读/写传感器的归属位置邻近的主区域中数据存储的节能图表；

图10a、图10b和图10c分别图示了用于传感器移位以及数据取回和/或写入的X和Y扫描仪的时间比距离的绘图函数；以及

图11a和图11b分别图示了F-MEMS装置所实施的同步扫描查找的节能图形表示图。

具体实施方式

现在具体参照本发明并且具体参照附图的图1和图2，在该处大体地图解说明了用于通过感测在由厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层18构成的衬底的上表面16上形成的印痕或者凹坑14的存在或者缺失而针对MEMS存储器件12读回信息的悬臂探针布置10。PMMA衬底层18以平躺模式装配于由多个弯曲部件或者弯曲件22支撑的扫描仪平台20上。在这一实例中，弯曲部件22图示为由布置于固定基部24上的简易弹簧单元构成并且各具有附接到平台20的一端26和附接到固定基部24的相对端28，由此扫描仪平台能够在固定基部24的X方向和Y方向上移位。测量扫描仪平台的移位的X位置传感器30和Y位置传感器32连接到扫描仪平台20，其中借助X致动器34和Y致动器36来使扫描仪平台20移位。

扫描传感器40接触由PMMA层18组成的衬底的上表面18，该扫描传感器利用读写电子器件并且适于分别感测已经在PMMA层20的表面18中形成的表示数据的印痕或者凹坑14的存在或者缺失，为求简洁而在图1中未图示出这样的印痕或者凹坑。用于MEMS设备的数据存储介质布置于沿着PMMA层20的上表面18延伸的X-Y扫描平面中。

如表示了图1中放大带圆圈部分A的附图2中所示，图示了来自扫描传感器40的探针42示出了电阻加热器44和在聚合物层20(即位于扫描仪平台20上的PMMA层)的上表面18中形成的提供数据的印痕或者凹坑14。探针42适于接触或者感测印痕14，而在这一实例中示出了其沿着层20的X方向的移动。

如附图的图3和图4中所示，扫描仪50、52相对于相应读写(R/W)探针或者传感器54、56的位置为沿着扫描仪平台20的边缘58、60可移动的是必要功能以便实现可靠的数据存储功能和信息。因而，为了准确地感测位置以实现伺服控制，根据图3和图4，如图5中所示在扫描仪平台上方和下方利用X光学传感器和Y光学传感器，由此经过光纤传输光束以便将光引向MEMS的可移动边缘。穿过光纤的光束然后利用小型棱镜结构64反射约90°的角度，该棱镜结构例如可以大小为1毫米。

另外，越过可移动边缘的光束然后由第二棱镜捕获、又偏转90°并且发回到扫描仪平台或者传感器电子器件部分。因而，与发送的光成比例的接收光量形成边缘传感器54、56的电压输出的基础，并且该电压于是与平台边缘的位置线性相关。

基本上，如上所述，传感器的读/写操作要求两种不同的位置控制能力，如附图图6中以图解平面表示所示的。在该实例中利用了二维随机查找和轨迹跟随扫描，其中在放松模式下实际上对之没有光控制力的扫描传感器40起初被寻址于在图6中并被表示为点“A”的归属位置。为了在传感器或者读写电子部件的移动中实施需要使之从归属位置移开的有效操作，以及当需要访问存在于PMMA层20上的数据块(即印痕14)时，扫描传感器40必须沿着两个维度(实际上沿着X轨道和Y轨道)从位置“A”移动到表面18上点“B”处的又一位置。名义上，在X方向上的X查找或者移动对于所有数据块都是相同的，而Y扫描或者查找以随机方式实现。一旦位置“B”在所及范围内，扫描传感器40必须改变其速率因子以便沿着路径移动从而朝着点“C”处的位置移动并且沿着该移动路径读或者写数据。对于长的数据记录，扫描传感器必须能够到达沿着+X访问的行进路径的末端、然后反向并且朝着点“D”处的位置沿着(-X)访问来执行反向移动扫描。

为本申请而开发的扫描仪具有沿着X和Y笛卡尔坐标独立地或者有选择地移动的自由度。因此，两个不同的位置传感器和对图1中示意性所示的两个电磁致动器34、36进行控制的两个反馈伺服循环被用来实施所公开的本发明。注意在图1中，沿着X-Y坐标移动的自由度实际上由复杂的弯曲件系统(未具体示出)提供，但是对于每个运动自由度仅用单个“弹簧”单元22示意地表示。

在这一MEMS存储器件中使用比例-积分-微分(PID)伺服控制器。例如由以下表达式代表模拟形式的特征PID控制器传递函数:

控制器(输出/输入)＝(K_p+K_DS+K_I/S)          [1]

其中增益K_p、K_D和K_I是比例、微分和积分增益，而“S”是拉普拉斯变换运算符。用以计算增益的参数化过程在该技术中是已知的。控制系统设计者因此会使用扫描仪的动态模型并且将导出增益值以便实现“最优”设计。

要求伺服系统执行三项关键任务。首先，它必须在查找模式下在使用速率伺服器的最少时间内沿着X坐标和Y坐标将扫描仪移动到目标轨道附近(图6中的位置B)。为了有助于鲁棒而可靠地查找到目标轨道，所需速率分布通常存储于存储器中而速率伺服器(与位置伺服器相对)用来达到目标路径附近。接着，控制系统必须使用K_I通常设置为0的方程(1)中所示类型的位置控制器以最少解决时间来使用Y方向伺服器从而在目标路径的轨道中心线(TCL)上对扫描传感器40进行定位。最后，Y-伺服器系统进入轨迹-跟随模式，其中Y-伺服器具有比例-积分-微分型(PID)位置控制器而X伺服器进入需要固定的预定扫描速率的扫描模式(通过使用位置伺服器或者速率伺服器)。这一操作称为轨迹-跟随-扫描模式以强调在X-伺服器持久地维持预定扫描速率时Y-伺服器沿着TCL维护存储介质这一事实。两个伺服器均需要维持抵御例如未知滞后效应和振动的干扰的精确度。

在图7中示出了用以实现这一操作的完整伺服器架构以及X-Y查找。将注意为了扫描传感器沿着X坐标和Y坐标的完全去耦合运动，伺服器系统可以选择为具有相同构件，但是不同的控制器(位置对速率)可以在扫描仪运动的各阶段切换进入伺服器循环和从伺服器循环切换出来。位置信息由先前提到的光学边缘传感器54、56生成并且由模拟到数字转换器(ADC)68转换成数字流(在本例中为5kH)。用于各轴的数字控制器包括位置控制器块70；速率估计器块72、74；速率控制器块76、78；参考轨道块80、82；以及后置滤波器组84、86。在微控制器(未示出)的监控之下，适当地激活由这些块提供的功能。计算出的数字形式的控制输出以与输入采样速率相等或者不同的速率发送到数字到模拟转换器(DAC)88、90。由DAC生成的模拟信号驱动电流放大器92、94，该放大器又向扫描仪40的致动器34、36赋能。

在紧凑闪存中，对数据块依次进行读/写与数据块的位置无关地需要相同数量的能量，并且在从上次写入起的下一可用时隙中存储数据。对于基于弯曲的MEMS存储器件则不是这种情况。读或者写一位需要相同数量的能量，但是为了克服弯曲力以从归属位置进一步访问数据需要附加能量。这又对如何在功率敏感型应用中存储数据具有大的影响。这里提出根据数据类型和设备的工作模式来分区存储数据(图8)。分区1聚集在用于扫描传感器40的归属位置周围，并且被保留用于频繁使用的数据或者需要以最短时间取回的数据。分区2用于传入的新数据而最旧的数据驻留于分区3中。当主机设备即笔记本计算机再充电而F-MEMS 12闲置时，数据从较内分区迁移到较外分区。在分区1和2中，数据从归属位置向外生长(箭头所示)。在分区3中，数据朝着归属位置向内生长，而最旧数据保存于距归属位置最远的地点。在分区之间的边界可以根据用户的应用而转变。

图9A和图9B图示了访问两个不同分区中两个相同数据块的差异。各顺序数据块分布于长度为10微米的5个水平扫描行。访问分区2或者3中位于与归属位置相距5微米处的数据(图6a)需要105.09焦耳而访问在归属位置周围聚集的相同数据块(分区1)需要370.88焦耳。这就节能64％。该数字如果与位于与归属位置相距更远(比如相距100微米)处的数据块相比则变得甚至更高。

对于F-MEMS而言可以通过向随机查找应用一些智能来进一步节能。首先，需要知道查找时间Tx、Ty，其分别为距离X、Y的函数。可以实验测量或者根据下式估计Tx和Ty:

Tx＝Tx0+(X-X0)/速率-X

Ty＝Ty0+(Y-Y0)/速率-Y

其中Tx0是移动最小距离X0所需时间(包括加速至速率-X和减慢至0)。速率-X是针对X-轴的查找速率。类似地，Ty0是移动Y0距离所需时间而速率-Y是针对Y轴的查找速率。在图10A和图10B中分别绘制Tx和Ty，其中图10C示出了X-Y查找计时器的位置。如果Tx等于Ty，则对角线代表这一类查找。在该线上方的空间是针对具有更长Tx的情况。更长Ty的情况在对角线下方。

一旦Tx和Ty已知，于是变得有可能使得X-Y查找命令的发出同步，使得两个命令均在同时完成。例如，如果Tx和Ty相同，则在同时发出两个查找。如果Tx比Ty长N毫秒，则先执行X查找命令，然后Y查找将延迟N毫秒。

图11A示出了其中X移动6微米、Y移动2微米和两个查找命令同时发出的随机查找情况的实验数据。Y具有更短的移动距离，所以它比X早得多地到达，并且需要功率以应对将Y保持于2微米的弯曲硬度。这一跨一行数据的二维查找和扫描需要1.472焦耳。在图11B中，使X-Y查找同步，从而二者同时到达，并且无需为等待X到达而浪费Y功率。这里，相同的二维查找和一行扫描消耗仅1.257焦耳从而节能14.6％。在X距离比Y距离大得多时将节能更多。

尽管已经参照本发明优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下做出形式和细节上的前述和其它变化。因此本意在于本发明不限于所描述和图示的准确形式和细节而落入所附权利要求的范围内。