8. fejezet - A digitális adattárolás mikromechanikai megoldásai

Tartalom
8.1. A merevlemezes adattárolók
8.2. Az optikai adattárolók
8.2.1. Az audio CD legfontosabb jellemzői
8.2.2. Az optikai adattárolók működési elve
8.2.3. A klasszikus CD előállításának technológiája
8.2.4. Az írható CD technológia (CD-R)
8.2.5. Az újraírható CD technológia (CD-RW)

A digitális adattárolás több mint 100 éves múltra tekinthet vissza. Történetileg a következő adattárolók fejlődtek ki:

Ma ezek közül háromnak van jelentősége: a merevlemezes, az optikai és a szilárdtest memóriáknak. A szilárdtest memóriák mozgó alkatrészeket nem tartalmaznak, ezek elektronikus áramkörök, a mikroelektronika ismeretkörébe tartoznak, így ez utóbbiakkal jelen tárgy keretében nem foglalkozunk.

8.1. A merevlemezes adattárolók

A mágneses adatrögzítési elvet felhasználó merevlemezes adattárolás már nagyon régóta ismert, csak akkor még a lemezek nagyon nagy átmérőjűek (kb. 30 cm) voltak, míg a mai tárolók túlnyomóan 2,5” átmérővel készülnek. Egy jellegzetes HDD konstrukciót mutat a 8.1. ábra.

Egy jellegzetes merevlemezes adattároló belső szerkezete

f orrás: Bátky

8.1. ábra - Egy jellegzetes merevlemezes adattároló belső szerkezete


A merevlemezes adattárolóknál a gyorsan forgó (5400-tól 15000 fordulat/perc) kemény mágnesezhető réteg felett érintésmentesen, légpárnán repül az író-olvasó fej. A forgó lemez és a fej közötti távolság néhányszor 10 nm (10-8 m) körül van. ezért bármilyen szennyeződés (pl. egy porszem) is tönkre képes tenni az eszközt, ha az a lemez és a fej közé kerül. A mai adattárolók kapacitása 40 GB és 8 TB között van, és ma még minden számítógép nélkülözhetetlen részét alkotják. A merevlemezes adattárolók precíziós finommechanikai szerkezetek, gondoljunk a merevlemezek csapágyazására, vagy az író-olvasófejek mozgatására. Maga az író-olvasófej azonban mikromechanikai eszköz, amely nem érintkezik a forgó lemez felületével, hanem a forgás következtében kialakult légpárnán repül a lemez felülete felett. (Ha a fej érintkezik a lemez felületével, a mágnesezhető réteg sérül, és az eszköz használhatatlanná válik.) Az nagyon fontos, hogy mekkora a fej és a lemez felülete közötti távolság. Erre nézve a 8.2. ábra ad tájékoztatást. Akár a 20, akár a 40 nm-es távolságot tekintjük, vegyük észre, hogy a mikrométer törtrészéről van szó. El lehet képzelni, hogy ez milyen szigorú követelményeket támaszt a tárcsa gyártásának, csapágyazásának és kiegyensúlyozottságának tekintetében.

Merevlemezes adattároló fej-lemez távolsága

forrás: Wikipédia

8.2. ábra - Merevlemezes adattároló fej-lemez távolsága


Természetes követelmény, hogy ilyen méretek mellett teljesen por és szennyeződés mentes házra, burkolatra van szükség, hiszen ha csak egyetlen porszem is bekerül a lemez felülete és az író-olvasó fej közé, tönkreteszi az eszközt. A porszem méreteit jól mutatja a 2. fejezet fejezetben már bemutatott 2.17. ábra. Ezek ismeretében mindenki számára világos, hogy a merevlemezes adattárolás egy rendkívüli precizitással, tiszta térben elkészített rendszer. Az író-olvasófej mikrotechnikai eszköz, amely a hajszál átmérőjének kevesebb, mint ezredrésznyi távolságban légpárnán repül a gyorsan forgó mágnesezhető réteggel bevont lemez fölött. Az adatok a lemezekre felvitt mágnesezhető rétegben tárolódnak. A lemez alumíniumötvözetből, vagy üveg/kerámia alapanyagból készül, utóbbi jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, de nehezebb előállítani. Ezen a hordozón régebben vasoxid alapú, ma inkább vékony film rétegben felvitt mágnesezhető rétegbe írják fel bináris rendszerben az adatokat, vagyis a nullákat és az egyeseket.

A merevlemezes adattárolók tárolási kapacitása növelhető, ha nem egy, hanem több lemez van a forgó tengelyre szerelve, továbbá a lemez mindkét oldala hasznosítható, azaz ellátható mágnesezhető réteggel, és író-olvasófejekkel. Egy többlemezes konstrukciót mutat a 8.2. ábra.

Többlemezes merevlemezes adattároló

forrás: Wikipédia

8.3. ábra - Többlemezes merevlemezes adattároló


A lemezekre a binárisan kódolt adatokat a fejek írják fel, illetve olvassák le. A merevlemezek fejlődésével az író-olvasó fejek is óriási fejlődésen mentek keresztül. Kezdetben ugyanazzal a fejjel történt az írás is, és az olvasás is, később az írási és olvasási funkciókat szétválasztották. A régebbi berendezéseknél a mozgási indukciót használták fel, és a fejek lényegében ferritmagos tekercsek, vagy azok továbbfejlesztett változatai voltak. Ez esetben az olvasás során a változó mágneses tér által indukált feszültséget használták fel. Manapság az olvasásra a mágneses tér által létrehozott ellenállás változást, azaz a magnetorezisztív effektust használják fel. Az ellenállás változást feszültség változássá alakítva lehet az információt kiolvasni. Természetesen a magnetorezisztív fejek is nagy fejlődésen mentek keresztül.

Hagyományos ferritmagos vékonyfilm fej képét a 8.4. ábra, egy magnetorezisztív fej képét a 8.5. ábra mutatja.

Hagyományos olvasófej

forrás: Wikipédia

8.4. ábra - Hagyományos olvasófej


Magnetorezisztív olvasófej

forrás: Wikipédia

8.5. ábra - Magnetorezisztív olvasófej


Merevlemezes adattároló fejegysége

forrás: Wikipédia

8.6. ábra - Merevlemezes adattároló fejegysége


Merevlemezes adattároló író-olvasófej

forrás: Wikipédia

8.7. ábra - Merevlemezes adattároló író-olvasófej


A 8.5. ábra, 8.6. ábra, és 8.7. ábra szerinti konstrukciók már a mikromechanika tárgykörébe tartoznak.

A merevlemezes adattároló tehát műszaki szempontból egy kiélezett rendszer, így ha ritkán ugyan, de „elszáll” a Winchester, nem kell rajta különösen csodálkozni és meglepődni.

8.2. Az optikai adattárolók

Az optikai adattárolók arról nevezetesek, hogy a forgó adattároló lemezről az adatokat optikai (optoelektronikus) eszközökkel olvassuk ki (és írjuk fel). Közülük a legfontosabbak a CD, DVD és BD lemezek. Időben először (1982-ben) a Philips és a Sony közös fejlesztésének eredményeként. A CD (Compact Disc) jelent meg, és elsősorban audio (hang) célokra használták és használják ma is, de adattárolásra is kiválóan alkalmas. Az audio CD kompatibilitási jellemzőit az ú. n. „Red Book” (1983) tartalmazza. Ebben találhatóak azok az előírások, protokollok, amelyek betartásával a CD korong a világ bármely országában lejátszható.

8.2.1. Az audio CD legfontosabb jellemzői

Az audio CD-k letapogatási sebessége 1,2 és 1,4 m/s, ez a belső sáv olvasásakor kb. 500 fordulat/percet, a külső sáv olvasásakor kb. 200 fordulat/percet jelent. Az olvasás a belső sávon kezdődik, ami azt jelenti, hogy az állandó letapogatási sebesség miatt a fordulatszám az olvasás közben folyamatosan csökken.

A sávok távolsága 1,6 μm.

A lemez átmérője 120 mm.

A lemez vastagsága 1,2 mm.

A hanganyag belső sugara 25 mm.

A külső sugár 58 mm.

A lemez középső, helyező furatának átmérője 15 mm.

A lemez anyaga polikarbonát (átlátszó szerves anyag).

Az információ felírására rendelkezésre álló terület 86,05 cm2.

A lemezen lévő spirálvonal hossza kb. 5,38 km.

A lemez tárolási kapacitása 1,2 m/s letapogatási sebességnél 650 MB, ez 74 perc hanganyagot jelent. (Ha a sávok távolságát 1,5 μm-re csökkentik, amelyet a berendezések általában még tolerálnak, a kapacitás 700 MB-ra, a játékidő 80 percre növelhető.) Egy jellegzetes optikai adattároló lemez képét, és a hozzá tartozó logót mutatja a 8.8. ábra az írás-olvasás oldaláról nézve.

Egy optikai adattároló lemez képe és logója az írás-olvasás oldaláról nézve

f orrás: Bátky

8.8. ábra - Egy optikai adattároló lemez képe és logója az írás-olvasás oldaláról nézve


8.2.2. Az optikai adattárolók működési elve

Az optikai adattárolóknál az írás és olvasás is érintésmentesen történik. Ehhez viszont az szükséges, hogy a forgó lemez fölött elhelyezkedő író-olvasófej az információhoz képest mindig (dinamikusan, bármely időpillanatban) a megfelelő helyen legyen, tehát pontosan az olvasni kívánt sáv alatt, és pontosan fókusztávolságban. A „pontosan” kifejezés esetünkben μm-es, vagy inkább az alatti pontosságot (hibát) jelent.

A működés megértéséhez a klasszikus CD adatrögzítési megoldásából kell kiindulni. A klasszikus CD-nél a digitális információ mikromechanikai struktúraként van jelen a lemezen, oly módon, hogy az alapsíkból (land) különböző hosszúságú, az olvasó lézerdióda szempontjából nézve kiemelkedések (pit-ek) sorozata képezi a struktúrát. Az analóg hangjelet először digitalizálják, és ezt a digitális információt alakítják különböző hosszúságú pit-ekké, így a pit-ek és a land-ok hosszúsága alkotja a kódolt sztereo hang információt. Az analóg hangot 44,1 kHz-es mintavételi frekvenciával alakítják át két csatornás, 16 bites információ sorozattá. A pit-ek hosszúsága 150 nm és 3000 nm között változhat, szélességük 600 nm. A klasszikus CD korong metszetét a 8.9. ábra mutatja.

Hagyományos CD korong metszete vázlatosan

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.9. ábra - Hagyományos CD korong metszete vázlatosan


A (8.10. ábra) ábrán látható a szabvány szerint a CD korongon elhelyezhető legrövidebb, és a leghosszabb pit. Az olvasásnál nem pontosan az olvasási sebesség, hanem a pit-ekhez rögzített T időalap határozza meg a reprodukált hanganyag frekvenciáját. Emlékeztetőül: az analóg bakelitlemezes technikánál a frekvencia a lemezjátszó fordulatszámától (pontosabban a tányér pillanatnyi szögsebességétől) függött. Az audio CD technikánál a T időalap rögzített, értéke 231,39 ns, amely a CD rendszer 4,3218 Mbit/s átviteli sebességéből adódik.

A minimális és a maximális pithossz

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.10. ábra - A minimális és a maximális pithossz


Maga a CD korong több rétegből áll, ahogyan az a (8.11. ábra) ábrán látható. A legfontosabb az A jelű korong, amely a klasszikus technológia szerint fröccsöléssel készül. Ezen helyezkedik el a mikromechanikai struktúra. A következő réteg (B) egy rendszerint alumíniumból készült reflexiós réteg, amely az olvasó lézersugár visszaverődését szolgálja. Ezt a réteget, meg a mikromechanikai struktúrát egy lakkréteggel (C) kell védeni a környezeti behatásoktól. A D réteg a CD tartalmát feltüntető, rendszerint színes nyomtatással felvitt lakkréteg. Az ábrán E a letapogató lézersugarat mutatja.

A hagyományos CD korongok szerkezete

forrás: Wikipédia

8.11. ábra - A hagyományos CD korongok szerkezete


Alapvető kérdés. hogy milyen módon lehet az információt kiolvasni. A kiolvasás (és az írás is) író-olvasó fejek segítségével történik. Az olvasófej vázlatos működését a 8.12. ábra mutatja. Az olvasó (és író) fényforrás egy 780 nm hullámhosszon sugárzó félvezető lézerdióda. Megjegyezzük, hogy esetünkben a „fényforrás” megnevezés nem helyes, mert ez a hullámhosszóságú sugárzás már kívül esik az emberi szem érzékelési tartományán, a közeli infra tartományba esik, tehát nem nevezhetjük „fény”-nek. A lézerdióda sugárzását egy kollimátor lencsével párhuzamosítjuk, majd egy polarizáló prizmán átvezetve juttatjuk az objektívbe, amelynek az a feladata, hogy a lézernyalábot egyetlen, μm-es nagyságrendű pontba (az olvasás síkjában a lézernyaláb átmérője 1,7 μm) fókuszálja. Az olvasófejnek az egyik fontos feladata lesz, hogy az objektív fókuszpontját minden időpillanatban az információt tartalmazó síkban tartsa. Ezt a feladatot csak szabályozott rendszerrel lehet elérni: mégpedig úgy, hogy a távolságot állandóan mérjük, és eltérés esetén megfelelően kialakított optikai-finommechanikai-elektromechanikai rendszerrel (optomechatronikának is nevezik) korrigáljuk. A másik feladat, hogy a fókuszt mindig az olvasni kívánt sávon tartsuk. Ezt a szerkezetet a szakirodalom kéttengelyű elemnek nevezi. A kéttengelyű elemnél a szabályozásnak olyan gyorsnak kell lennie, hogy a fókuszban és a sávon tartás a lemez forgása közben is biztosított legyen. A gyors működés megkívánja, hogy a mozgatott tömegek minél kisebbek legyenek, ezért csak az objektívet szokták mozgatni. Emiatt is célszerű az optikai sugármenetben a kollimátor alkalmazása. A kéttengelyű elem alkalmazásával tehát a CD lemez excentricitása és tengelyirányú ütése bizonyos tartományok között kiküszöbölhető. Megjegyzendő, hogy az ütéseket persze igyekeznek amúgy is kis értéken tartani, a kéttengelyű elem csak finomszabályozásra (ez néhányszor 10 μm-es tartományt jelent) alkalmas.

A klasszikus CD korong olvasásának elve

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.12. ábra - A klasszikus CD korong olvasásának elve


A klasszikus olvasási technológiánál fontos szerepe van a sugárútban elhelyezkedő λ/4 lemeznek. A klasszikus technika ugyanis a fényinterferenciát használja fel olvasáskor a land-ekről és a pit-ekről visszaverődő fény megkülönböztetéséhez (a land-ekről visszaverődött fényhez viszonyítva a pit-ekről visszaverődött fény intenzitása nem lehet nagyobb, mint 70%). A pit-ek magassági mérete ugyanis rögzített, 110-150 nm. Ez a méret és a fényútban elhelyezett λ/4 lemez útkülönbséget hoz létre. Amikor a fény a pit-ekről érkezik vissza, az a kibocsájtott fény fázisával éppen ellenfázisba kerül és azzal interferálva megváltoztatja a detektorba kerülő fény mennyiségét. A detektor egy 4 részből álló félvezető szilícium dióda, más néven kvadráns fotodióda, amelyre a féligáteresztő tükrön (prizmán) keresztül érkezik a fény. Ezt a fényt hengeres lencse fókuszálja a detektor felületére. A hengeres lencse alkalmazásának az a legfőbb oka, hogy ennek képalkotását felhasználva meg lehessen oldani a fókuszra állás feladatát. Megjegyezzük, hogy ezen kívül vannak más módszerek is, ezek közül azonban ez a legismertebb. Ha megnézzük a (8.13. ábra) ábrát, látható, hogy pontos fókusz esetében a fényfolt kör alakú lesz, míg fókuszon kívüli esetben a fényfolt elliptikus alakot vesz fel. A fókusz helyzetének meghatározásához szenzorként a már említett kvadráns detektort alkalmazzák, amely nem más, mint egy négy részből álló szilícium fotodióda. A CD lemez felületéről visszaverődött fénysugarat a kvadráns detektorra vezetve, és az egyes szegmensek jeleit kiértékelve megállapítható, hogy az ideális helyzethez képest hol áll az objektív, aszerint, hogy az ellipszis nagytengelye melyik szegmenspárra esik. Ezt mutatja a 8.14. ábra. Ha ismerjük az objektív pillanatnyi helyzetét, akkor parancsot lehet adni a szabályozó elektronikának, és az objektívet mozgató aktuátoroknak, hogy melyik irányba mozdítsák el az objektívet. A mozgatás természetesen súrlódásmentesen történik, rugalmas elemekkel megoldott egyenes vezetékekkel, és elektrodinamikus aktuátorokkal. A mozgató erőt az állandó mágnesekkel létrehozott mágneses térben elhelyezett tekercsekben folyó áram (Lorentz-erő) hozza létre, többféle megoldás létezik, ezek közül egyet a 8.15. ábra mutat be.

A hengeres lencse képalkotása változik, ha a kép nincs a fókuszban

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.13. ábra - A hengeres lencse képalkotása változik, ha a kép nincs a fókuszban


A kvadráns diódára eső fényfolt három lehetséges helyzete

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.14. ábra - A kvadráns diódára eső fényfolt három lehetséges helyzete


Az objektív (lencse) elektrodinamikus mozgatásának elve

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.15. ábra - Az objektív (lencse) elektrodinamikus mozgatásának elve


A fókuszban tartás követelménye mellett a másik, nem kevésbé fontos feladat a fókuszált fénypont sávon tartása (tracking), vagyis a lemez excentricitásából (±50 μm) adódó eltérések, és a folyamatosan változó letapogatási spirál miatt a nyomkövetés biztosítása. Erre is több módszert fejlesztettek ki, a lényeg az állandó mérés és utánállítás, tehát a szabályozás. Ez a mozgás a lemez sugarának irányában történik, amely irány merőleges a fókuszálás irányára. Mivel kezdetben ezeket a mozgatásokat nem egyenes vezetékkel, hanem tengely körüli elfordítással oldották meg (pszeudo jusztírozás), ezeket az optomechatronikus szerkezeteket a szakirodalom kéttengelyű elemként említi. Egy ilyen kéttengelyű elem (CD olvasófej) képét mutatja a 8.16. ábra.

Az objektív (lencse) elektrodinamikus mozgatására szolgáló kéttengelyű elem

forrás: Wikipédia

8.16. ábra - Az objektív (lencse) elektrodinamikus mozgatására szolgáló kéttengelyű elem


A (8.17. ábra) ábrán egy AFM (Atomic Force Microscope) segítségével készített képet láthatunk egy DVD lemez felületének egy kis részletéről, amely technológiájában ugyanaz, méreteiben gyakorlatilag fele az audio CD technikában alkalmazottaknak. A kép jól illusztrálja, hogy a kis méretek miatt a valóságos helyzet mennyire messze áll az ideálistól.

DVD lemez felületének nagyított képe

forrás: Wikipédia

8.17. ábra - DVD lemez felületének nagyított képe


A digitális információ kiolvasása (és rögzítése) érintésmentesen történik, tehát a lemez nem kopik, elméletileg akárhányszor lejátszható. Hangsúlyozzuk, hogy elméletileg, mert a gyakorlati megbízhatóságot még számos más tényező is befolyásolja. Ezek közül a legfontosabb, hogy éles különbséget kell tennünk a klasszikus (tehát a préseléssel, fröccsöntéssel készült), és a számítógéppel írt optikai adattárolók között. A klasszikus technológia azt jelenti, hogy ilyenkor a lemezen mikromechanikai struktúrát hozunk létre, és ehhez mikromechanikai technológiákat alkalmazunk. Az információ kiemelkedések formájában (ezeket pit-eknek hívjuk) van jelen, a pit-ek hossza és kombinációja hordozza az információt. Ahol nincs kiemelkedés, azokat a részeket ”land”-oknak nevezzük. A pit-ek magassági méretének fontos szerepe van, mert kiolvasáskor az interferencia jelenségét is használjuk, így nagyobb különbséget lehet tenni a land-ok és pit-ek között. A számítógéppel írt CD-R vagy DVD-R (CD Recordable, DVD Recordable) lemezeknél (8.18. ábra) az információ nem mikromechanikai formában van jelen, ezeknél a lemezen lévő különleges szerves anyag (réz-indium-antimon-tellur) reflexiós tényezője változik a hely (és a forgás következtében az idő) függvényében. A fókuszban tartás és a sávkövetés természetesen ebben az esetben is követelmény, és az előgyártmány a spirális sávot is tartalmazza, „pre- groove” formában.

Írható CD lemez

forrás: Wikipédia

8.18. ábra - Írható CD lemez


Az optikai adattárolók élettartamát illetően abból a tényből kell kiindulni, hogy a lemez alapanyaga polikarbonát, vagyis egy szerves anyag. A számítógéppel írt lemezeknél ehhez még az is hozzájön, hogy sokszor maga az információhordozó réteg is szerves anyag. A szerves anyagok pedig nem a hosszúidejű stabilitásukról nevezetesek. A számítógéppel írt CD és DVD lemezek ennek ellenére igen elterjedtek, amelynek elsősorban a kényelmes kezelhetőség az oka, de soha nem szabad elfeledkezni a klasszikus és a számítógéppel írt optikai adattárolók közötti különbségről.

8.2.3. A klasszikus CD előállításának technológiája

A klasszikus technológiánál a hang és/vagy kép mikromechanikai formában van jelen. A lemez nagy sorozatban fröccsöntéssel (fröccssajtolással) készül, amelyhez a szerszámot fotolitográfiával és galvanizálással hozzák létre. A technológia lépéseit a 8.19. ábra mutatja. A hordozó egy optikai minőségben elkészített, 260 mm átmérőjű planparallel üvegtárcsa, amelyre 150 nm-es vastagságban fotoreziszt réteget visznek fel. Ezután következik a lézerrel történő levilágítás, amelynek során a digitalizált hanganyagot felírják a fotorezisztre, a „Red book”-ban lefektetett protokollnak megfelelően. A fotoreziszt réteget spirális sávon haladva világítja meg a felvevőrendszer által vezérelt lézersugár. A megvilágítás a digitalizált hanganyag 0 és 1 állapotának megfelelően történik. A következő lépés a fotoreziszt eltávolítása a megvilágított helyekről (pozitív fotoreziszt technika). Ily módon kiemelkedésekből és bemélyedésekből (ezek a pit-ek) álló struktúra jön létre. Mivel a következő fontos művelet a galvanizálás lesz, a struktúrát vezetővé kell tenni. Ennek érdekében a struktúrára 0,12 nm vastagságú ezüstréteget visznek fel. A galvanizálás során nikkelt választanak le a struktúrára, majd ezt több lépésben néhány tized mm-es vastagságúra hizlalják fel. Ez lesz az „apalemez,” amellyel már lehetne CD-t készíteni. Az „apalemez” megkímélésének érdekében, különösen a nagyobb darabszámok esetében azonban az „apalemez”-ről „anyalemez”-t, majd ennek segítségével „gyermek” lemezt készítenek. Ezekkel történik a sorozatgyártás, a fröccssajtolás. A litográfiai eljárások tiszta teret igényelnek, a sorozatgyártás, a fröccssajtolás azonban már normál körülmények között történik. Ezután következő művelet a tükröző réteg felvitele, amely leggyakrabban 50-70 nm vastag alumínium réteget jelent, de tükröző anyagként más fémeket pl. aranyat is alkalmaznak. A tükröző réteg olyan vékony, hogy azt egy védő lakkréteggel le kell fedni. Ennek vastagsága 3-5 μm. Az utolsó művelet a lemez tartalmát feltüntető címkézés, amely legtöbbször színes nyomtatás 25-30 μm vastagságban. Ezeket a technológiai lépéseket foglalja össze a 8.19. ábra.

A klasszikus CD technológia lépései

forrás: Claus Biaesch-Wiebke

8.19. ábra - A klasszikus CD technológia lépései


8.2.4. Az írható CD technológia (CD-R)

Az egyszer írható és többször újraírható CD korongok gyártástechnológiája néhány tekintetben eltér el a klasszikus technológiától. Ezek közül a legfontosabb, hogy a rögzítendő digitális információ nem kiemelkedések és bemélyedések formájában van jelen a lemezen. Az adattároló réteg egy szerves anyagból készült bevonat, amely hőhatásra megváltoztatja reflexiós tényezőjét. A hőhatást ugyanazzal a kéttengelyű elemre szerelt lézerdiódával érik el, mint amit az olvasáshoz használnak. A lényeges különbség az, hogy olvasáskor a lézerdióda teljesítménye 0,7 mW körüli, míg az íráshoz 4-11 mW teljesítményre van szükség, hogy az adattároló rétegben a hőmérséklet olyan magas legyen, hogy a reflexiós tényező megváltozzék. Nem véletlenül nevezik az írási folyamatot beégetésnek. A lemezen itt is van mikromechanikai struktúra, ugyanis a korongon elhelyezkedő spirálvonal előállítását nem lehet az egyedi számítógépek lemezmeghajtóira bízni, mert így ahány meghajtó, annyiféle spirálvonal létezne, tehát kompatibilitási problémák lépnének fel. Másrészt a kéttengelyű elemek csak sávkövetésre alkalmasak, önálló sávok előállítására nem képesek. Ezért az egyszer írható és többször újraírható CD korongokat gyárilag egy ú.n. pre-groove spirális árokkal látják el, amely előre kijelöli az információk helyét, mert a kéttengelyű elem ezen a sávon fogja tartani a fókuszt. Ha figyelembe vesszük, hogy a reflexiós tényező az üres és az írt lemezeken mekkora tartományban változik, rögtön világos lesz a számítógéppel írt CD korongok problematikája. A „land”-eken min. 80% (üres) és min. 75% (írt) között van ez a tartomány (azért ilyen kicsi a változás, mert a „land”-ekre nem is akarnánk információt írni, de a fókusz soha nem pontszerű, a szélei a „groove” részekről lecsúsznak). A „groove”-okon a reflexiós tényező min. 75% üres CD-nél, míg az írt CD-nél max. 65% lehet. Az olvasásnál nem használható az interferencia jelensége, az olvasás a reflektált fény intenzitásának mérésével történik. Ezt a feladatot a kéttengelyű elemek ugyanúgy végzik el, mint az interferencia segítségével bekövetkező intenzit változást, tehát a CD olvasóknak majdnem mindegy, hogy klasszikus technológiával készült, vagy számítógéppel írt CD-t olvasnak. Az írható CD-k információ hordozó rétegét először ritka földfémeket is tartalmazó ötvözetekből (Li, Se, Te) kialakított, viszonylag alacsony hőmérsékleten átégethető tükröző bevonataként alakították ki. Ma inkább 100-300 nm vastagságú szerves anyagokat tartalmazó rétegeket használnak, amelyek hőhatásra (a hőmérséklet hozzávetőlegesen 250 °C) megolvadnak, és optikai tulajdonságaikat (elsősorban a reflexiós tényezőt) megváltoztatják. Az információ hordozó réteg pontos összetétele az egyes cégek gyártási titkát képezi. Egy írható CD felnagyított részletét a 8.20. ábra mutatja.

Írható CD lemez felnagyított részlete

forrás: Wikipédia

8.20. ábra - Írható CD lemez felnagyított részlete


8.2.5. Az újraírható CD technológia (CD-RW)

Bár az írható CD-k eléggé eltrjedtek, és lehet mondani, beváltották a hozzájuk fűződő reményeket, felmerült az igény a rögzített tartalom módosítására. Hozzávetőlegesen 10 évnyi kutatás-fejlesztés során így jött létre a törölhető és újraírható CD (CD-RW, compact disc rewritable) technika. Ezek felépítése nagyon hasonló az írható CD-nél bemutatotthoz, de a működés annál bonyolultabb, hiszen az újraírható CD technológiánál meg kellett oldani a törlési funkciót annak érdekében, hogy a médium újra írható legyen. Az újraírható CD korongok szerkezetének vázlatos felépítését mutatja a 8.21. ábra. Ezeknél is szükséges az írás helyét, azaz a spirálvonalat előre kijelölni: ez a „pre-groove”, amely mentén történik majd az adatrögzítés. Az író-olvasó fej mozgatása, illetve az objektív mikroméretű finompozícionálása a CD meghajtó feladata. A fókuszban tartás és a sávon tartás folyamatos méréssel és szabályozással történik, ezt más módon megoldani nem lehet.

A CD-RW is szendvics szerkezetű lemez. A médium alapja egy vezető barázdát tartalmazó polikarbonát korong, kis részletének vázlatát a 8.21. ábra mutatja. Az adatokat rögzítő réteg alá és fölé vékony dielektromos optikai illesztő réteget visznek fel. A felső illesztő rétegen található az ezüst színű tükröző réteg, efölött van a védőlakk, és erre jön rá a porózus szerkezetű címke. Az újraírhatóság biztosítása érdekében a CD-RW esetében reverzibilisen módosítható adathordozó réteget alkalmaznak. A korongokra felvitt ezüst (Ag), indium (In), antimon (Sb), tellur (Te) ötvözet szerkezete hőenergia hatására kristályos és amorf állapotba hozható. és ez az átalakítás oda-vissza megismételhető. Az alkalmazott rögzítési elv neve fázisváltás (phase change), amelynek lényege, hogy a polikristályos szerkezetű Ag-In-Sb-Te réteget rövid idő alatt olvadási pontja kb. 600 °C fölé melegítve az ötvözet elveszti kristályos szerkezetét, folyékony halmazállapotba kerül. A melegítés megszűnésével a szabálytalan szerkezetű folyékony halmazállapotú ötvözet elveszti kristályos szerkezetét, folyékony halmazállapotúvá válik. A melegítés megszűnésekor a szabálytalan szerkezetű folyékony ötvözet a gyors lehűlés hatására amorf állapotban szilárdul meg. Ha az amorf fázisú ötvözetet lassan a kristályosodási hőmérséklet (kb. 200 °C) és az olvadási hőmérséklet közötti tartományba melegítjük, az ötvözet atomszerkezete ismét kristályossá alakul. A fázisváltás tehát reverzibilis folyamat, amely az újraírhatóság szempontjából alapfeltétel.

Újraírható CD lemez felépítése

forrás: Jákó: Digitális hangtechnika

8.21. ábra - Újraírható CD lemez felépítése


Az információ hordozó „pit”-eket és az ezeket elválasztó „land”-eket az amorf és a kristályos fázisú területek kialakításával lehet létrehozni. A gyárból kikerülő üres korongok adathordozó rétege kristályos állapotban van. A „pit”-ek felírása igen rövid, de nagyenergiájú lézerimpulzus sorozatokkal történik (8.22. ábra). Az impulzusok átlapolódott kör alakú amorf fázisú területeket hoznak létre a vezetőbarázdában. A „land”-ok felírása egyetlen, alacsonyabb energiatartalmú szélesebb lézerimpulzussal történik.

A CD-RW korongok olvasása megegyezik a CD-R korongoknál alkalmazott módszerrel. Az adathordozó réteg visszaverő képessége az adott pont fázisától függ: kristályos szerkezet esetében a reflexiós tényező magasabb, mintegy 25%, míg amorf állapotban kb. 15%. Ezek az értékek a klasszikus technológiával előállított (kiemelkedéseket tartalmazó fröccsöntött) korongokhoz képest igen szerénynek mondhatók. Ezért a régebben gyártott CD olvasók néha nem képesek a számítógéppel írt CD-ket olvasni. Az újabban gyártott olvasók azonban rendelkeznek az automatikus erősítésszabályozási képességgel, azaz az erősítést megnövelik a kisebb amplitúdó ingadozást produkáló CD-RW korongoknál olvasott jeleknél.

A CD-RW korongok várható élettartama kb. 30 év, az újraírások száma több, mint 1000. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy a korong alapanyaga maga is szerves anyag, és a technológia megjelenése óta még nem telt el annyi idő, hogy az élettartam kérdésekre megbízható választ lehessen adni.

Az újraírható CD lemez működési elve

forrás: Jákó: Digitális hangtechnika

8.22. ábra - Az újraírható CD lemez működési elve


A DVD és Blu-ray technika alapelveikben megegyezik a CD technikával, különbségek azonban vannak nemcsak az adatsűrűségben, hanem az optikai rendszert illetően is. Legjellemzőbb példa a lézerdióda hullámhosszának változása: mennél nagyobb az adatsűrűség, ez annál rövidebb hullámhosszat igényel. Mindegyik technológia közös abban, hogy mikromechanikai méretű struktúrát tartalmaz, még a számítógéppel írható korongok is.

Az optikai tárolók kedvező, érintésmentes kiolvasási technológiája ösztönözte a kutatókat, hogy a CD rendszert továbbfejlesszék képek rögzítésére is alkalmas rendszerek irányába. így jött létre a DVD (Digital Versatile Disc, vagy Digital Video Disc), a HD DVD és a Blu-ray technika. Mindegyik azonos fizikai elveken épül fel, azonban a mikrostruktúra egyre finomabb lett, következésképpen az adattárolási kapacitás is egyre nagyobb lett. A struktúra finomodásával a felhasznált lézerdióda hullámhosszát is csökkenteni kellett. Az egyes rendszerek összehasonlítását a 8.23. ábra mutatja. Érdemes végiggondolni, hogy a CD technikánál az író-olvasó fénypont átmérője 1,7 μm, a Blu ray technikánál ez már csak 0,48 μm. A sávok távolsága 1,6 μm-ről 0,32 μm-re csökkent (a hajszál átmérőjének kb. 1/20-a). Mindez azért érdekes, mert nem kutató laboratóriumok eredményeiről van szó, hanem mindennapi, kommersz technika.

Az optikai adattárolók főbb tulajdonságainak összehasonlítása

forrás: Jákó: Wikipédia

8.23. ábra - Az optikai adattárolók főbb tulajdonságainak összehasonlítása


A tárolt adatok méretei nyilvánvalóan meghatározzák a lemezeken tárolható adatok mennyiségét. A DVD-k alap-kapacitása 4,5 GB, a BD-k alap-kapacitása 25 GB.

Az adattárolók legújabb változatait alkotják a szilárdtest adattárolók. A fejlesztők ugyanis törekedtek arra, hogy az adattároláshoz ne legyen szükség mechanikai mozgásra. A mechanikai mozgás létrehozása mindig problémákkal jár, rendszerint annak precizitása miatt, de sokszor nem elhanyagolható szempont a teljesítményigény, az ütésre, rázásra való érzékenység, vagy az igen kis mértékű, de mégis létező zaj sem. A félvezetős adattárolás ugyan régóta ismert technológia, de a régi technológiához tápfeszültségre volt szükség. A mai szilárdtest adattárolók (SD kártya, pen-drive) mikroelektronikai eszközök, mikromechanikai részeket nem tartalmaznak, ezért ezekkel itt nem foglalkozunk.