超薄数据载体及其读出方法与流程

本发明涉及一种超薄数据载体和制造这种超薄数据载体的方法。

背景技术：

1、据估计，人类平均每天生成约2.5万兆字节。虽然所述数据的很大一部分可能只是为了短期使用而生成，但是对长期数据存储的需求正在日益增加。显然，现有数据载体诸如闪存、硬盘驱动器(hdd)和磁带在长期存储方面远非理想。因此，像微软这样的公司目前正在探索替代存储技术的替代技术(参见，例如所谓的“project silica”和us10,719,239b2)。

2、wo 2021/028035 al中描述了用于长期信息存储的不同技术。所述技术基于使用涂覆有不同材料层的陶瓷基板，并通过使用例如激光在所述涂覆基板上对信息进行编码，以便操纵所述涂覆基板的局部区域。此技术已被证明允许高度耐受湿气、电磁场、酸性和腐蚀性物质等的信息存储，使得编码的可写陶瓷板提供其他常用信息存储介质所不具备的耐久性。然而，所述技术的一个潜在缺点是使用厚度约1mm的体积相当大的陶瓷板。因此，单位体积的数据存储密度可能达不到当前使用的数据载体的数据存储密度。

3、因此，需要进一步改进适合长期使用和存储的数据载体。

技术实现思路

1、本发明的发明人现在令人惊讶地认识到，wo 2021/028035 al中描述的技术可类似地应用于玻璃陶瓷、陶瓷或玻璃材料的薄膜。

2、因此，根据第一方面，本发明涉及一种数据载体，其包括具有相反的第一表面和第二表面和至多500μm、优选地至多200μm、更优选地至多150μm的厚度的陶瓷(玻璃陶瓷或玻璃)基板，其中基板的第一表面包括对信息进行编码的多个激光烧蚀凹槽，其中每个凹槽优选地具有至多1μm的深度。虽然所述陶瓷膜由于其厚度而在机械上可能不太稳定，因为它们可能例如在过度扭结期间破裂，但是它们对湿气、电磁场以及酸性或腐蚀性物质的耐受性与wo 2021/028035 al中描述的陶瓷基板的耐受性一样高。同时，将数据载体的厚度减少至少2倍(优选地5倍，更优选地6倍)自动地将单位体积的数据存储密度增加相同的倍数。

3、借助于多个凹槽编码的信息可以是模拟和/或数字信息。例如，多个凹槽可结合形成模拟图像、文本、数字等。另选地，多个凹槽可对类似于例如在cd、dvd蓝光盘或数据矩阵码上编码的数字信息的数字信息进行编码。在任何情况下，编码信息优选地可光学解码，或者通过肉眼视觉地或者借助于合适的光学器件诸如显微镜等或者借助于光学解码器来解码。

4、与根据wo 2021/028035 al的信息存储介质不同，根据本发明的第一方面的数据载体不需要附加涂层。由于用于本发明的数据载体的陶瓷膜的柔性足以卷绕在卷上，因此在某些前提下，涂覆所述陶瓷膜以及在数据编码和弯曲基板之后保持所述涂层可能具有挑战性。因此，根据第一方面的数据载体的基板包括对信息进行编码的多个凹槽。这些凹槽通过激光束产生，并且可具有如wo 2022/002418 al中详细描述的各种形状和/或深度，此文件通过引用完全并入本文，特别是关于其中详细解释如何通过凹槽深度来对信息进行编码的任何公开。在此第一方面的最简单的形式中，每个凹槽具有大约相同的深度，并且光学解码器通过测量例如相位差或检测反射率的变化(如果例如基板表面被抛光并且凹槽的底部被弯曲或变粗糙)来检测没有凹槽的基板区域和凹槽之间的差异。为了最小化陶瓷膜材料的变形，优选的是，凹槽具有尽可能小的深度，例如至多100nm、优选地至多50nm并且更优选地至多30nm的深度。还优选的是，每个凹槽的深度小于基板厚度的1％，优选地小于0.1％，更优选地小于0.05％。

5、为了产生可容易地检测到的明确限定的凹槽，优选地，通过利用皮秒或飞秒脉冲激光的激光烧蚀来产生凹槽。实际上，使用此类脉冲激光器会产生圆柱形凹槽，在每个凹槽的顶部圆周处没有任何熔融材料边缘。

6、为了进一步增加数据存储密度，优选的是，基板的第二表面还包括对信息进行编码的多个激光烧蚀凹槽，每个凹槽具有至多1μm的深度和类似于上面所讨论的那些的特性。由于基板的厚度比每个凹槽的深度大至少两个数量级，所以可使用熟知的技术来区分光是在第一表面上、在第一表面的凹槽的底部处还是在相反的第二表面处被反射。

7、根据第二方面，本发明涉及一种数据载体，其包括具有相反的第一表面和第二表面和至多500μm、优选地至多200μm、更优选地至多150μm的厚度的陶瓷基板，其中基板的第一表面涂覆有第一涂层，第一涂层的材料不同于陶瓷基板的材料，其中第一涂层包括对信息进行编码的多个激光烧蚀凹槽。与上面讨论的本发明的第一方面相比，附加涂层提供允许更复杂的光学效果的益处，所述益处在wo 2021/028035 al中详细概述，此文件的全部内容通过引用并入本文。例如，第一涂层的材料可具有与陶瓷基板的光学特性相比不同的光学特性。例如，如果陶瓷基板的材料呈现亮色或白色，而第一涂层的材料呈现深色或黑色，则烧蚀第一涂层的材料以产生一直朝向陶瓷基板延伸或者甚至延伸到陶瓷基板中的凹槽将在一方面的第一涂层的整个表面和另一方面的每个凹槽之间产生强烈的光学对比度。此对比度可以是(例如，肉眼)可见的，从而产生图像、文本等的印象，或者此对比度可提供可由光学解码器容易且可靠地解码的数字编码(凹槽对无凹槽)。

8、然而，考虑到本发明的数据载体的预期长期使用，必须确定第一涂层保持可靠地附着到陶瓷基板，优选地即使基板被弯曲或卷绕在卷上。因此，优选地施加厚度为至多10μm，优选地至多1μm，更优选地至多200nm，甚至更优选地至多150nm，甚至更优选地至多100nm，甚至更优选地至多50nm，甚至更优选地至多30nm并且最优选地至多20nm的相当薄的涂层。就例如通过光学对比度要达到的光学效果而言，提供允许大量吸收、多重散射、反射等的厚度就足够了。

9、考虑到便于涂覆过程、特别是解码过程，优选的是，基板表面和涂层表面两者的平均粗糙度ra小于10nm，优选地小于5nm，更优选地小于3nm。ra是根据沿评估长度的中心线的偏差确定的过滤后的粗糙度轮廓的算术平均值。

10、由于陶瓷基板上的第一涂层可在数据载体中产生应变，因此涂覆陶瓷基板的两个表面以实现对称应变可能是有益的。因此，优选的是，基板的第二表面涂覆有第二涂层，第二涂层的材料不同于陶瓷基板的材料(并且优选地与第一涂层的材料相同)。当然，如果提供第二涂层，则所述第二涂层也可用于编码附加信息，从而使要存储在数据载体上的数据的量加倍。因此，优选的是，第二涂层还包括对信息进行编码的多个激光烧蚀凹槽。

11、为了确保第一涂层和第二涂层和陶瓷基板之间的牢固结合，可在涂覆过程期间和/或之后对数据载体进行回火。这种回火可实现基板和第一涂层之间和/或基板和第二涂层之间的烧结界面，此烧结界面增强基板和涂层之间的结合。优选地，烧结界面包括来自基板的至少一种元素和来自相应涂层的至少一种元素。

12、如上所提及，根据第二方面的数据载体允许在涂层未受干扰的区域和具有凹槽的区域之间提供光学对比度或另一种光学特性差异。为此目的，优选的是，第一涂层和/或第二涂层中的每个凹槽具有等于或大于相应涂层的厚度的深度。换句话讲，优选的是，涂层材料在每个凹槽处基本上完全被烧蚀(或蒸发或以其他方式去除)，以便使陶瓷基板的材料可由光学解码访问(通过例如肉眼、显微镜、相机或更复杂的光学解码器)。在此上下文中，理想的是，精确地去除凹槽位置处的所有涂层材料而不影响陶瓷基板。然而，这可能难以可靠且可再现地控制。因此，优选的是，控制用于烧蚀的激光系统，使得第一涂层和/或第二涂层中的每个凹槽具有稍微大于相应涂层的厚度的深度。例如，每个凹槽的深度和相应涂层的厚度之间的比率可在1.01和1.2之间、优选地1.01和1.1之间、更优选地1.02和1.05之间的范围内。优选地，每个凹槽延伸到陶瓷基板中的深度为至多1μm，优选地至多100nm，更优选地至多50nm，甚至更优选地至多30nm，甚至更优选地至多20nm并且最优选地至多10nm。

13、还可优选的是，第一涂层和/或第二涂层中的每个凹槽具有小于相应涂层的厚度的深度。例如，可优化每个凹槽的深度，使得凹槽从不接触陶瓷基板，同时相应涂层的凹槽下方的底部材料足够薄，使得特定波长的激光仍然可至少部分地透射穿过所述涂层材料并到达陶瓷基板的材料，以便实现上面讨论的光学对比度。为此目的，优选的是，每个凹槽的深度和相应涂层的厚度之间的比率在0.9和0.99之间、优选地0.95和0.99之间、更优选地0.97和0.99之间的范围内。另选地，第一涂层和/或第二涂层中的每个凹槽可具有显著小于相应涂层的厚度的深度。在这种情况下，可以与上面讨论的本发明的第一方面类似的方式利用凹槽。换句话讲，在这种情况下，陶瓷基板仅用作载体基板，完全仅相对于涂层材料进行编码和解码。

14、优选地，第一涂层和/或第二涂层包含以下材料中的一种或它们的组合：cr、co、ni、fe、al、ti、si、w、zr、ta、th、nb、mn、mg、hf、mo、v；金属氮化物，诸如crn、craln、tin、ticn、tialn、zrn、aln、vn、si3n4、thn、hfn、bn；金属碳化物，诸如tic、crc、al4c3、vc、zrc、hfc、thc、b4c、sic；金属氧化物，诸如al2o3、tio2、sio2、zro2、tho2、mgo、cr2o3、zr2o3、v2o3；金属硼化物，诸如tib2、zrb2、crb2、vb2、sib6、thb2、hfb2、wb2、wb4；或者金属硅化物，诸如tisi2、zrsi2、mosi2、mosi、wsi2、ptsi、mg2si。

15、当然，上面关于第一方面讨论的所有特征(其也可在第二方面的上下文中采用)应当被认为也针对第二方面公开。此外，下面进一步讨论的所有特征同样适用于本发明的两个方面。

16、优选地，陶瓷基板包括以下材料中的一种或它们的组合：氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化锌、氧化镁。

17、优选地，基板对于可见光谱内的至少一个波长范围是透明的，优选地在整个可见光谱上，即在400nm和700nm之间是透明的，和/或对于uv光谱，优选在整个uv光谱上，即在100nm和400nm之间是透明的。优选地，对于可见光谱内的至少一个波长范围，优选在整个可见光谱上，即在400nm和700nm之间，和/或在uv光谱内，优选地在整个uv光谱上，即在100nm和400nm之间，基板表现出至少80％、优选地至少90％且更优选地至少95％的透射率。

18、本发明的数据载体可以薄片形式提供，这些薄片可彼此堆叠。例如，每个数据载体可以是圆形、圆盘状、矩形或方形片材，例如10cm×10cm的片材。此类片材在编码和解码期间可容易地处理，并且可彼此堆叠，例如，50个或甚至500个片材形成一个堆叠。

19、另选地，数据载体可以是细长膜，所述细长膜可卷绕成卷。为此目的，如果基板(以及优选地整个数据载体)具有至多80gpa、优选地至多75gpa的杨氏模量，则是特别有利的。进一步优选的是，数据载体在100mm、优选地50mm、更优选地25mm、更优选地10mm、更优选地5mm、更优选地2.5mm的曲率半径下不破裂。为了实现这些机械特性，优选地使数据载体尽可能薄。优选地，数据载体的厚度为至多130μm，更优选地至多110μm，甚至更优选地至多100μm，甚至更优选地至多90μm并且最优选地至多80μm。

20、如上所讨论，凹槽可具有任意形状并且可以是椭圆形、圆形、矩形、正方形等。不同形状的不同凹槽也可用于对信息进行编码。然而，在其最简单和直接的方法中，通过激光束、优选地使用皮秒或飞秒激光脉冲的激光束来产生多个基本上相同的、基本上圆形的凹槽。这些凹槽可布置成规则图案，诸如矩形、正方形或六边形图案，以便编码数字信息。优选地，所述凹槽的直径尽可能小，但仍足够大以便能够进行正确的解码。优选地，每个凹槽具有垂直于其深度的至多1μm、优选地至多500nm、更优选地至多300nm、甚至更优选地至多200nm并且最优选地至多150nm的最大延度。

21、优选地，数据载体包括每平方厘米(每基板表面)至少10兆字节的编码信息，更优选地每平方厘米至少100兆字节的编码信息，甚至更优选地每平方厘米至少1千兆字节的信息。

22、本发明还涉及一种制造如上所述的数据载体的方法。为了制造根据第一方面的数据载体，提供陶瓷基板，并且通过激光烧蚀，优选地使用皮秒或飞秒激光脉冲的激光烧蚀，在基板的一个表面或两个表面中产生多个凹槽。为了制造根据第二方面的数据载体，提供陶瓷基板，用第一涂层和/或第二涂层涂覆基板的一个表面或两个表面，并且通过激光烧蚀，优选地使用皮秒或飞秒激光脉冲的激光烧蚀，在第一涂层和/或第二涂层中产生多个凹槽。

23、激光烧蚀可通过使用例如脉冲激光、优选地使用飞秒激光来实现。为了实现优选地圆柱形凹槽，优选的是，使用具有高斯或贝塞尔形状的激光束。

24、用第一涂层和/或第二涂层涂覆基板的一个表面或两个表面可通过各种已知技术执行。特别优选的技术是物理气相沉积或化学气相沉积。

25、如上所提及，回火可增强基板和涂层之间的结合。因此，所述方法优选地包括在至少200℃、优选地至少500℃、更优选地至少1,000℃的温度下对涂覆基板进行回火。

26、另选地，可用以下技术中的一种或多种在基板的一个表面或两个表面上处理陶瓷基板：加热、溅射、hipims(高功率脉冲磁控溅射)、施加合成气体诸如氮气和/或氢气。这些技术可改善基板的表面质量和/或可导致基板和涂层之间更强的结合。

27、陶瓷基板优选地对于用于激光烧蚀的激光的波长是透明的，并且激光烧蚀优选地利用透射穿过陶瓷基板的激光来执行。因此，在烧蚀期间产生的任何碎片不会影响用于烧蚀的光学器件，因为数据载体在烧蚀材料和光学器件之间形成阻隔。

28、本发明还涉及一种读出如上所述的数据载体的方法。根据所述方法，用第一波长的光照射第一方面或第二方面的数据载体。检测并分析透射穿过数据载体和/或被数据载体反射的光，以便对在数据载体的凹槽中编码的信息进行解码。例如，穿过(在第一方面的情况下在基板中的或在第二方面的情况下在涂层中的)凹槽的光和在数据载体中的不存在凹槽的地方(被例如不透明基板或不透明涂层)阻挡的光可组合产生诸如qr码的图案(亮/暗)，然后可使用熟知的技术对所述图案进行解码。

29、优选地，数据载体包括陶瓷基板和陶瓷基板的一个表面上的具有激光烧蚀凹槽的涂层，其中陶瓷基板对于第一波长是透明的并且其中透射穿过陶瓷基板的光被检测到。光的检测在透射模式和反射模式下都可能发生。特别地，数据载体可优选地从与涂层相反的一侧被照射透过陶瓷基板。此外，还可从与涂层相反的一侧穿过陶瓷基板检测到源自凹槽的光。此技术提高信噪比，因为与具有凹槽的涂层相反的一侧通常更清洁和/或具有更光滑的表面，从而有利于成像。由于灰尘颗粒可能存在于包括凹槽的一侧上，因此特别有利的是从相反侧进行照射并在相反侧上进行检测，其中照明和/或检测焦点位于凹槽的底部处，以便实现灰尘(或其他杂质)对光束的最小影响。