Ανάλυση της διαδικασίας ανάγνωσης σε μίκρο-αισθητήρες τεχνολογίας υλικών αλλαγής φάσης και εκτίμηση κινηματικής κατάστασης

Abstract

The objective of this PhD thesis is to study and analyze writing and reading processes based on Phase-Change Materials (PCM) devices using appropriate simulation models and utilize the read-back signal generated by micro-electro-mechanical systems (MEMS), based on scanning-probe microscopy (SPM) techniques, to estimate the kinematics of such a system. Specifically, comprehensive simulation models based on Finite Element Method (FEM), have been developed for the analysis of the SET and RESET operations of a cell capable to store one bit of information of a PC-RAM (Phase-Change Random Access Memory) device, as well as WRITE / READ operations of micro-electromechanical scanning-probe based systems using phase-change materials. Furthermore, an extensive study has been performed on read-back signal during scanning a recorded symbol or a sequence of symbols of '0s' and '1s,' in order to investigate the dependence of this signal on scanning speed, as well as how it can be used to estimate motion dynamics of the system. For this purpose, the basic readback-pulse derived by scanning a bit as well the readback channel are modeled, considering to the scanning speed, using signal processing techniques (resampling) and utilizing Farrow filter architectures. Finally, it is proposed an innovative method for analyzing and processing the readback signal obtained from a micro-electromechanical device, which carries a pre-stored sequence of symbols or appropriate two-dimensional patterns on a PCM surface of some nano/micrometers, in order to estimate the kinematic state (velocity, acceleration) of the system and, by extension, of any device carrying such a system on which accelerations may be applied due to external disturbances.

Η εν λόγω διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και ανάλυση των διαδικασιών εγγραφής και ανάγνωσης πληροφορίας σε διατάξεις που κάνουν χρήση υλικών αλλαγής φάσης (Phase-Change Materials, PCM), μέσα από κατάλληλα μοντέλα προσομοίωσης και αξιοποίηση του σήματος ανάγνωσης που παράγεται από μίκρο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα (Micro-electro-mechanical systems, MEMS), τα οποία βασίζονται σε τεχνικές μικροσκοπίας σάρωσης με ακίδα (probes) σε μικρή κλίμακα, για την εκτίμηση της κινηματικής κατάστασης του συστήματος αυτού. Συγκεκριμένα, στο πλαίσιο της μελέτης αυτής αναπτύσσονται ειδικά μοντέλα προσομοίωσης, τα οποία βασίζονται σε τεχνικές επίλυσης διαφορικών εξισώσεων με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method, FEM) με σκοπό την ανάλυση των διαδικασιών SET και RESET, ενός στοιχείου αποθήκευσης ενός bit πληροφορίας μιας PC-RAM (Phase-Change Random Access Memory) μνήμης, καθώς επίσης και των διαδικασιών Εγγραφής/Ανάγνωσης (WRITE/READ) μικρο-ηλεκτρομηχανικών διατάξεων σάρωσης με ακίδα πάνω σε υλικά αλλαγής φάσης. Γίνεται επίσης, μια εκτενής μελέτη του σήματος ανάγνωσης (read-back signal) κατά τη διαδικασία σάρωσης ενός εγγεγραμμένου συμβόλου ή μιας ακολουθίας συμβόλων από ‘0’ και ‘1’ και αναλύεται η σχέση εξάρτησης του σήματος αυτού από την ταχύτητα σάρωσης, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για την εκτίμηση της κίνησης αυτής. Για το σκοπό αυτό μοντελοποιείται ο βασικός παλμός ανάγνωσης ενός συμβόλου (bit), καθώς και το κανάλι ανάγνωσης σε σχέση με την ταχύτητα σάρωσης, κάνοντας χρήση τεχνικών επεξεργασίας σήματος αναδειγματοληψίας (resampling), αξιοποιώντας αρχιτεκτονικές φίλτρων Farrow. Ειδικότερα, προτείνεται μια καινοτόμος μέθοδος ανάλυσης και επεξεργασίας του σήματος ανάγνωσης που προκύπτει από μια μίκρο-ηλεκτρομηχανική διάταξη, η οποία φέρει μια προ-αποθηκευμένη (γνωστή) πληροφορία ακολουθίας συμβόλων ή κατάλληλων μοτίβων πάνω σε μια δισδιάστατη επιφάνεια μερικών νανο/μικρομέτρων, με σκοπό την εκτίμηση της κινηματικής κατάστασης (ταχύτητα, επιτάχυνση) της διάταξης και κατ’ επέκταση της συσκευής που φέρει μια τέτοιου τύπου διάταξη και η οποία μπορεί να υφίσταται επιταχύνσεις λόγω εξωτερικών διαταραχών.