Σπειροειδής κίνηση και έλεγχος σε μικρο/νάνο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας

Abstract

The AFM techniques using scanning probes have the capacity not only to observe surfaces in atomic level but also to modify them at a very small scale. This feature motivates the use of these techniques to create storage devices capable of storing data in a much higher density than conventional devices. In various MEMS/NEMS-based data storage technology research projects with probes, the relative trajectory follows a raster pattern or similar. Despite its simple implementation, the aforementioned scanning pattern has significant disadvantages. In this work, an alternative spiral motion topology is proposed. The proposed method can be applied to any system based on scanning probes, such as storage systems and AFM imaging systems. In this work, the case of storage devices with probes is studied, in which the trajectory of the probe with respect to the x/y plane of the storage medium, is the spiral curve of Archimedes. The use of such a spiral trajectory leads to a reference position signal with extremely narrowband frequency content, which slides very slowly in time. For experimental verification, the proposed method of spiral motion was applied on a single probe experimental setup, with read and writes data thermomechanical capabilities on very thin polymer films. The aforementioned inherent properties of the proposed approach enable system designs with improved tracking performance and with non-intermittent, high-speed storage capabilities. Thus, the exploitation of these properties by architectures specifically designed and optimized for the particular reference trajectory is studied, in order to achieve much higher scanning frequencies for the same positioning accuracy. To verify the theoretical analysis, simulation results are presented as well as experimental results from the application of the proposed techniques and architectures in experimental AFM systems with a single probe. In this dissertation the modeling of the thermomechanical storage channel with probes in thin polymer films was also carried out. While the theoretical form of thermomechanically engraved indentations is conical, in practice its form is far from this theoretical model. Hence, a symbol model was developed in respect to the scanning speed during the write process, based on experimental data. This model can be used to properly design the equalization circuits depending on the motion speed of operation. Moreover, the possibility of developing combined architectures of tracking control and symbol timing recovery was also investigated, where the information regarding the scanner speed is provided from the storage medium via symbol timing synchronization circuits. The simulation results confirm this approach and, furthermore, show that, under certain conditions, the system's tracking accuracy is improved. Finally, the performance of the proposed methods in the case of portable storage devices was investigated, where the systems are subjected to external disturbances. As part of this investigation, experimental results were collected and measurements of external disturbances, typical for such devices, were analyzed.

Οι τεχνικές Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης που χρησιμοποιούν ακίδες σάρωσης έχουν την ικανότητα όχι μόνο να παρατηρούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο αλλά και να τις τροποποιούν σε πολύ μικρή κλίμακα. Αυτό αποτελεί και το κίνητρο για τη χρησιμοποίηση των τεχνικών αυτών στη δημιουργία συσκευών αποθήκευσης με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα από τις συμβατικές συσκευές. Σε διάφορα ερευνητικά προγράμματα αποθήκευσης δεδομένων τεχνολογίας MEMS/NEMS με ακίδες, η σχετική τροχιά κίνησης της ακίδας ως προς το αποθηκευτικό μέσο ακολουθεί ένα μοτίβο raster. Παρά την απλή υλοποίησή της, η προαναφερθείσα κίνηση σάρωσης έχει σημαντικά μειονεκτήματα. Στο πλαίσιο της εργασίας αυτής προτείνεται μια εναλλακτική τοπολογία σπειροειδούς κίνησης. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να εφαρμοσθεί σε οποιοδήποτε σύστημα που βασίζεται σε διαδικασίες σάρωσης, όπως συστήματα αποθήκευσης και AFM συστήματα απεικόνισης. Στην εργασία αυτή μελετάται η περίπτωση των συσκευών αποθήκευσης με ακίδες, όπου η τροχιά που διαγράφει η ακίδα σε σχέση με το επίπεδο x/y που ορίζεται από το μέσο αποθήκευσης, είναι η σπειροειδής καμπύλη του Αρχιμήδη. Η χρήση μιας τέτοιας σπειροειδούς τροχιάς οδηγεί σε σήμα θέσης αναφοράς με εξαιρετικά στενό συχνοτικό περιεχόμενο, το οποίο ολισθαίνει πολύ αργά στον χρόνο. Για πειραματική επιβεβαίωση, ο προτεινόμενος τρόπος σπειροειδούς κίνησης εφαρμόστηκε σε σύστημα αποθήκευσης πληροφορίας με ακίδες με δυνατότητες θερμομηχανικής εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων σε φιλμ πολυμερούς. Επιπλέον, μελετήθηκε η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του νέου τύπου κίνησης από αρχιτεκτονικές ελέγχου ειδικά σχεδιασμένες και βελτιστοποιημένες για τη συγκεκριμένη οικογένεια τροχιών αναφοράς, με στόχο την επίτευξη πολύ υψηλότερων συχνοτήτων σάρωσης για την ίδια ακρίβεια θέσης. Προς επιβεβαίωση των θεωρητικών αναλύσεων, παρουσιάζονται αποτελέσματα εξομοιώσεων καθώς και πειραματικά αποτελέσματα από πειραματική διάταξη. Στο πλαίσιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε και η μοντελοποίηση του καναλιού θερμομηχανικής αποθήκευσης με ακίδες σε μεμβράνες πολυμερούς υλικού. Ενώ η θεωρητική μορφή των θερμομηχανικά εγγεγραμμένων κοιλωμάτων είναι κωνική, στην πράξη η μορφή του απέχει πολύ από το θεωρητικό μοντέλο. Για τον λόγο αυτό, αναπτύχθηκε μοντέλο του συμβόλου ως προς την ταχύτητα σάρωσης κατά τη διαδικασία εγγραφής, με βάση πειραματικά δεδομένα. Στο πλαίσιο της διατριβής μελετήθηκε επίσης η δυνατότητα ανάπτυξης συνδυασμένων αρχιτεκτονικών ελέγχου παρακολούθησης και ανάκτησης χρονισμού συμβόλου, όπου η πληροφορία για τη στιγμιαία ταχύτητα του σαρωτή παρέχεται από το μέσο αποθήκευσης μέσω των κυκλωμάτων συγχρονισμού. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων επιβεβαιώνουν την δυνατότητα αυτή, και επιπλέον δείχνουν ότι υπό προϋποθέσεις η ακρίβεια παρακολούθησης του συστήματος βελτιώνεται. Τέλος, διερευνήθηκε η απόδοση των προτεινόμενων μεθόδων στην περίπτωση φορητών συσκευών, τα οποία υπόκεινται σε εξωτερικές διαταραχές. Στο πλαίσιο της διερεύνησης αυτής, συλλέχθηκαν πειραματικά αποτελέσματα και αναλύθηκαν μετρήσεις τυπικών εξωτερικών διαταραχών.