DE1764482A1 - Synthetisches Element mit den Schalteigenschaften eines duennen,ferromagnetischen Films - Google Patents

Description

PATENTANWALT

H. F. E L L M E R

FRANKFURT/MAIN WEBERSTRASSE 8

SPERRT RAND CORPORATION, New York, N.

Synthetisches Element mit den Schalteigenschaften eines dünnen,

ferromagnetischen Films (Zusats snr Anmeldung ρ 73024 vom gleichen Tage)

Die Erfindung betrifft magnetische Elemente, die beispielsweise als Kern für Transformatoren oder Drosselspulen oder als magnetische Datenspeicher sum Speichern von binären Digits geeignet sind.

Zum Speichern von Daten werden, wie an sich bekannt ist, Bereiche aus dünnen, magnetischen Filmen benutzt, die eine einsige magnetische Domäne mit einer leichten Achse der Magnetisierung aufweisen, die in die eine oder andere in dieser Achse liegende Richtung umgeschaltet werden kann, durch die eine binäre Mull oder. Eins wiedergegeben wird. Sine solche Umschaltung geschieht durch eine sehr schnelle Drehung dee Magnetisierungsvektors.

Die Hystereseschleife dieser Filme ist in besug auf ein sur leichten Achse paralleles Magnetfeld rechtwinklig und in besug auf ein sur leichten Achse senkrechtes Feld linear und nahesu verlustlos. Die Film· müssen jedoch Äußerst dünn sein, damit ihre Eigenschaft der einsigen Domäne und somit ihre brauchbare magnetische Charakteristik beibehalten werden. Die gesamte magnetische Energie des Films wird dadurch auf einen geringen Wert beschränkt, was auch tür dl·, Auegangesignal· gilt, dl« infolge des Umschalten» erhalten werden kCnnta«

Se ist bereite vorgeschlagen worden, magnetische Filmelemente aus mehreren dünnen Schichten eines magnetischen Materials herzustellen, die durch dünne isolierende Schichten getrennt sind, aber durch diese Maßnahmen wird die Gesamtdicke des magnetischen Materials nicht wesentlich vergrößert, die ohne ein Aufbrechen der Domäne zur Anwendung kommen kann.

ORIGINAL

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Ziel der Brfindung ist ein Magnetisches Element, dessen Eigenschaften denen eines dünnen, magnetischen Filme ähnlich sind, in dem aber eine größer· Dicke des magnetischen Materials unter· gebracht iat.

In der Kauptanmeldung ρ 73024 vom gleichen Tage 1st eine Anordnung erläutert, in der sich die leichte Magnetisierungsachse Ton aufeinanderfolgenden Schichten unterscheidet, so dafl unter den Einfluß eines angelegten Feldes die Drehrichtung der Magnetisierung in den sich abwechselnden Schichten verschieden ist. Mit der vorliegenden Brfindung wird dasselbe Ergebnis durch die Aufnahme permanent magnetislerter Bereiche in die abwechselnden Schichten erreicht.

Bei der Anwendung der Brfindung auf Drosselspulen- und Transformatorkerne kann dasselbe Prinsip für nieht-ferromagnetisches Material von hoher Permeabilität und mit einer bevorzugten Magnetisierungsrichtung benutst werden, wenn man von den permanent magnetisieren Bereichen absieht.

Ausfuhrungsbeispiele der Brfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Die Einzelheiten der Figuren geben die iu patentierenden Merkmale wieder. Bs stellen dar:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Elementes gemftfl der Brfindung,

Figur 2 eine teilweise abgebrochene Ansicht des Elementes der Figur 1 von oben,

Figur 3 ein Tektordiagramm lur Erläuterung der Arbeltsweise des Elementes nach den Figuren 1 und 2,

die Figuren 4 und 5 Ansichten von Elementen gemift der Brfindung von oben, die als Transformator- oder Drosselepulenkern btw. Speicherelement arbeiten, und

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Figur 6 eine suaamaengesetite Hystereseschleife der magnetischen Elemente nach den Figuren 4 und 5.

In der Seltenansicht der Figur 1 ist ein Element gemäß der Erfindung dargestellt, das aus einer Glas- oder Metallunterlage 12 und mehreren magnetisierbaren Schichten 14» 16 besteht, die durch isolierende Schichten 18 voneinander getrennt sind. Es kann in einem ununterbrochenen Aufda»pfung3verfahren s. B. nach der USA-Patentschrift Nr. 2.900.282, 3.155.561 oder 3.065.105 bereitet werden.

Alle Schichten haben vorzugsweise etwa dieselbe Dicke und besitzen die Eigenschaft des rotatorischen üasehaltens einer einiigen Domäne. Sich abwechselnde Schichten 14 weisen je einen Abschnitt 20 Bit hoher Koerzitivkraft R_Q auf, damit sie als Permanentmagnet arbeiten. Die übrigen Teile 22 der Schichten 14 und alle Schichten 16 sind aus einem Material mit einen schwachen anisotropen Feld H^. Die Magnetisierung der Abschnitte 20, die je einen Permanentmagneten darstellen, ist dauernd auf eine Achse IL ausgerichtet, so daß ein der Vormagnetisierung dienendes Feld vorhanden let, das die übrigen Teile 22 der Schichten 14 von geringer Anisotropie in dieselbe Richtung, die abwechselnden Schichten 16 von geringer Anisotropie aber in die antiparallele Richtung einstellt.

Figur 2 ist eine Ansicht des Elementes 10 der Figur 1 mit einer Gesamtlänge L* von oben. Die Abschnitte 20 und 22 der Schichten 14 überlappen sich auf einer Breite B. Wie man herausgefunden bat, kann ein Abstand L₂ von der Mitte der schrägen Kante mit der Breite E bis sum Rand des Elementes 10 weit kleiner ale 1/3 L^ sein. Bei dieser Aueftthrungsform können die Teile 22 und Schichten 16 mit dem Feld von geringer Anisotropie (H^ von 3 Oersted) aus etwa 80 % Fe und 20 £ Rl bestehen, während die Abschnitte 20 der Schichten 14 einen hohen Anteil Kobalt enthalten und eine Koerzitivkraft H_A von 10 Oersted oder »ehr aufweisen können. -In Figur 3 sind schematisch die Bahnen dargestellt, die unter den Einfluß eines aufgeprägten Feldes von den Magnetislerungsvektoren in den Schichten 14, 16 durchlaufen werden. Hierbei wird

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das Symbol M₁ sowohl für die leichte Achse der Schicht 14 ale auch für ihren Magnetisierungsvektor benutet, wenn dieser Vektor in der leichten Achse liegt. Ein ähnliches Symbol mit einer Beiziffer, z. B. M^, M^ soll einen Magnetisierungsvektor wiedergeben, der nicht in der leichten Achse liegt.

Wsnn ein Antriebafeld H längs der Mittelachse M_ einwirkt, dreht sich die Magnetisierung M₂ der Schicht 16 um einen Winkel J^ in

Richtung auf eine Lage Mi. Wenn die Magnetisierung die leichte Ach-

2 se MLj verl&ßt, wird eine Komponente M₂ senkrecht aur Schichtebene hervorgerufen. Hierdurch entsteht ein entmagnetisierendes Feld, das diese Komponente auf äußerst geringe Werte begrenzt, so daß die Magnetisierung im wesentlichen in der Ebene der Schicht 16 rotiert. Dieser Mechanismus ist ausführlicher in dem Aufsat«: "Amplifier and Memory Devices: With Films and Diodes", McGraw-Hill Book Company 1965, Kapitel 13, behandelt.

Wenn die leichten Achsen der Schichten sämtlich parallel wären, würde ein aufgeprägtes Feld bewirken, daß sich die Magnetisierung aller Schichten in derselben Richtung dreht; die senkrechten Komponenten würden innere Polpaare bilden, die sich einander ausloschen, wobei nur die Pole an der Deck*- und Bodenschicht 16 ungelöscht blieben. Bei einer ziemlich großen Qesamtdicke der Schichten ergäbe sich ein sehr schwaches entmagnetisierendes Feld, das sich demjenigen eines kompakten, magnet!sierbaren Körpers von derselben Dicke annähert, so daß die Magnetisierung wie die in einem kompakten Material umgeschaltet würde.

Bei der vorliegenden Anordnung dreht sich die Magnetisierung der Schichten 14 und 16 jedoch in der entgegengesetzten Richtung, so daß sich die inneren Polpaare einander verstärken. Hierdurch entsteht in allen Schichten ein starkes entmagnetisierendes Feld, von dem die Magnetisierung durch die Drehung derart umgeschaltet wird, wie es bei einer einsigen Schicht eines dünnen, ferromagnetischen Films der Fall ist.

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In Figur 4 ist ein Element 10 a dargestellt, in dem die leichten Achasn der Bereiche 22 und Schichten 16 von geringer Anisotropie und die permanente Magnetachse Mp der Abschnitte 20 der Schichten 14 von hoher Koerzitivkraft sämtlich in ainer Linie 44 liegen. Die Schichten mit geringer Anisotropie brauchen nicht ferromagnetisch zu sein: ein Material, dessen Permeabilität u^· 1, also größer aiii die der Luft ist, und das praktisch keine remanente Magnetisierung besitzt, kann als Transformator- oder Droaselspulenkern arbeiten.

In dieser Anordnung magnetisieren die permanentmagnetischen Abschnitte 20 die Bereiche 22 geringer Anisotropie baw, die Schichten 16 parallel baw. antiparallsl zur Magnetachse NL in der Linie 44 vor. Diese Anordnung stimmt mit der nach Figur 1 überein, wobei man sieht, da3 die benachbarten Schichten 14, 16 gegenseitig als KUckfÜhrwege des Flusses wirken.

Im Betrieb wird ein Wechselfeld über eine Wicklung 40 längs einer Achse 42 angelegt, wodurch die Magnetisierungen M,, Mg der Schichten 14, 16 über Winkel Oy, O₂ sum Schwingen georacn« werden. Infolge der Flußänderung wird in einer Sekundärwicklung 46 ein elektrischer Strom indueiert. Diese Wicklung 46 kann bei einer Drosselspule wegfallen.

Falls über die Wicklung 40 eine maximale Feldstärke (H^_x -0,9 Hjg) aufgebaut wird, die die Magnetisierungen M^, M₂ um die Achse 44 in einem Winkel von + 65° (O₁, O₂ - 130°) schwingen J.äflt, beträgt die gesamte FIuBanderung im Element 10 a annähernd 0,9 des umachaltbaren Totalflusses.

Figur 6 zeigt für das Element 10 a der Figur 4 eine idealisierte, nahesu verlustlose B-H-Schleif e 60, die gewöhnlich Schichten aus einem dünnen, ferromagnetischen Film sukonmt, wenn sie in der "harten" Richtung angetrieben werden.

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In Figur 5 ist die Anwendung der Erfindung auf ein Speicherelement 10 b veranschaulicht. Bei dieser Anordnung sind die Magnetisierungen der Abschnitte 20 mit der hohen Koerzitivkraft in der Achse M_ ausgerichtet, während die leichten Achsen der Bereiche 22 der Schichten 14 von geringer Anisotropie und der Schichten 16 in eine Achse 52 fallen, die senkrecht zur Magnetachse M^ verläuft. Die durch die magnetisieren Abschnitte 20 angelegten Magnetfelder bewirken, daß die Magnetisierungen M-p M₂ aus der leichten Achse 52 herausgebracht werden.

Im Betrieb wird über ein** Spule 50 zur Speicherung einer Eins ein Magnetfeld + H und sur Speicherung einer Null ein Magnetfeld - H angelegt. Dieses Feld H besitzt eine Starke, die sich dem Vert Hj, annähert und die Magnetisierungen M·^ und M₂ in einem Winkel von weniger als 180°, beispielsweise von 120° dreht. Die magnetisch?» Flußänderung, die auf eine beträchtliche bzw. unwesentliche Drehung der Magnetisierungen M^₁ M₂, also von 1 nach 0 bzw. von 0 nach 0 zurückzuführen ist, wird von einer Abtastspule 56 wahrgenommen, deren magnetische Achse zur Achse 52 parallel verläuft.

In der Figur 6 ist auch eine B-H-Schleife 62 des Elementes 10 b dargestallt, wenn dieses in der zuvor erläuterten Weise als Speicherkern verwendet wird. Die Schleife ist annähernd rechtwinklig und zeigt die ideale Charakteristik für ein magnetisches Speicherelement.

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Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

1. Magnetisches Element nit übereinanderliegenden Schichten axis ei'iiss? ipagnetischen FLlm, der «ins leichte Magnetisierung.«? achi?3 miiV-sist, und mit die:-*« Schichten voneinander trennenden,

iroliörenden L&&m nach dem Patent ... (Answldtmg ρ 730?/·, vom

gl«ich-ün T&S&) t ά ;? d u r c h gekennzeichnet,

ds.ß die iibii-schr-elnden Schichten (14 a, Ih₁. b, 14 c, 14 d) de« öine Sats-ja ,-Jß einen Abschnitt (20) aus einem Material von hoher Kosr» nvift (H ϊ aufwaissn, das längs einer Achse (Mi) psrmanent ii i

2. D ;'O3i?«il.=ipule oder Trsnaformator mit einem magnetischen Element nach dem Anspruch l_fdadurch gekennzeichnet, daß seine leichte Ach?e parallel zur Ifagneti» 3ierungsdchi3s {VL) der permanent magnetisieren Abschnitte (20) verläuft, und daß eine V/icklung (40) vorgesehen ist, von der ein raagnetisierendes Feld längs einer Achse (4^) anlegbar ist, die senkrecht auf der Achse (H ) der permanenten Magnetisierung steht.

3. Umschaltbarer Speicher mit einem magnetischen Element nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine leichte Achse senkrecht zur Magnetisierungsachae (!L) dar peimanent magnetisieren Abschnitte (20) verläuft, und daß von einer Wic&lung (50) ein magnetisches Feld senkrecht but lisgnetisierungaachse (M ) enlegbar ist und von einer Abtastwicklung (56) Magnetif5ierungf«änderungen im Element ClO b) abfühlbar sind.

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