DE1764482A1 - Synthetic element with the switching properties of a thin, ferromagnetic film - Google Patents
Synthetic element with the switching properties of a thin, ferromagnetic filmInfo
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Description
H. F. E L L M E RH. F. E L L M E R
FRANKFURT/MAIN WEBERSTRASSE 8FRANKFURT / MAIN WEBERSTRASSE 8
SPERRT RAND CORPORATION, New York, N.LOCK RAND CORPORATION, New York, N.
Synthetisches Element mit den Schalteigenschaften eines dünnen,Synthetic element with the switching properties of a thin,
ferromagnetischen Films (Zusats snr Anmeldung ρ 73024 vom gleichen Tage) ferromagnetic film (additional snr registration ρ 73024 from the same day)
Die Erfindung betrifft magnetische Elemente, die beispielsweise als Kern für Transformatoren oder Drosselspulen oder als magnetische Datenspeicher sum Speichern von binären Digits geeignet sind.The invention relates to magnetic elements, for example as a core for transformers or reactors or as magnetic Data memories are suitable for storing binary digits.
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.As is known per se, areas of thin, magnetic films are used to store data, which are a single area have magnetic domains with an easy axis of magnetization lying in one or the other in this axis Direction can be switched by using a binary mull or. One is reproduced. When such switching occurs by a very fast rotation of the magnetization vector.
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«The hysteresis loop of these films is perpendicular to a magnetic field parallel on the easy axis and linear and almost lossless in relation to a field perpendicular to the easy axis. However, the films must be extremely thin in order to maintain their single domain property and thus their useful magnetic characteristics. The total magnetic energy of the film is thus limited to a small value, which also door dl ·, · Auegangesignal applies dl are obtained "due to the switching" 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.It has already been proposed to use magnetic film elements made from several thin layers of a magnetic material, separated by thin insulating layers, but by these measures, the total thickness of the magnetic material becomes not increased significantly, which can be used without breaking the domain.
ORIGINALORIGINAL
2098U/12402098U / 1240
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.The aim of the invention is a magnetic element whose properties are similar to those of a thin, magnetic film, in which, however, a greater thickness of the magnetic material under brought 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.In the Kauptan application ρ 73024 from the same day, an arrangement is explained in which the easy axis of magnetization Ton successive layers, so that under the influence of an applied field the direction of rotation of the magnetization is different in the alternating layers. With The present invention achieves the same result by including permanently magnetized areas in the alternating ones Layers reached.
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.When applying the invention to inductor and transformer cores, the same principle can be used for non-ferromagnetic Material of high permeability and with a preferred direction of magnetization can be used if one of the permanent magnetize areas.
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:Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below. The details of the figures show the patented features. Bs represent:
Figur 2 eine teilweise abgebrochene Ansicht des Elementes der Figur 1 von oben,Figure 2 is a partially broken view of the element of Figure 1 from above,
Figur 3 ein Tektordiagramm lur Erläuterung der Arbeltsweise des Elementes nach den Figuren 1 und 2,FIG. 3 shows a tector diagram for explaining the mode of operation of the element according to Figures 1 and 2,
die Figuren 4 und 5 Ansichten von Elementen gemift der Brfindung von oben, die als Transformator- oder Drosselepulenkern btw. Speicherelement arbeiten, undFigures 4 and 5 are views of elements gemift der Brfindung from above, which btw as a transformer or inductor core. Working storage element, and
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Figur 6 eine suaamaengesetite Hystereseschleife der magnetischen Elemente nach den Figuren 4 und 5.FIG. 6 shows a complete hysteresis loop of the magnetic elements according to FIGS. 4 and 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.In the rare view of FIG. 1, an element according to the invention is shown, which consists of a glass or metal base 12 and a plurality of magnetizable layers 14 »16, which through insulating layers 18 are separated from one another. It can be prepared in an uninterrupted absorption process, e.g. according to US Pat. No. 2,900,282, 3,155,561 or 3,065,105 will.
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 RQ 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.All layers preferably have approximately the same thickness and have the property of rotationally maintaining a uniform domain. Alternating layers 14 each have a section 20-bit high coercive force R Q so that they work as a permanent magnet. The remaining parts 22 of the layers 14 and all of the layers 16 are made of a material with a weak anisotropic field H ^. The magnetization of the sections 20, each representing a permanent magnet, is permanently aligned with an axis IL, so that a field serving the premagnetization can be present, which the remaining parts 22 of the layers 14 of low anisotropy in the same direction, the alternating layers 16 of low anisotropy but adjusts in the anti-parallel direction.
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 HA 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 wirdFIG. 2 is a view of the element 10 of FIG. 1 with an overall length L * from above. The sections 20 and 22 of the layers 14 overlap over a width B. As has been found, a distance L 2 from the center of the inclined edge with the width E to the edge of the element 10 can be far less than 1/3 L ^ . In this embodiment, the parts 22 and layers 16 with the field of low anisotropy (H ^ of 3 Oersted) consist of about 80 % Fe and 20 £ Rl, while the sections 20 of the layers 14 contain a high proportion of cobalt and a coercive force H. A of 10 oersteds or more. In FIG. 3, the paths which are traversed by the magnetization vectors in the layers 14, 16 under the influence of an impressed field are shown schematically. Here is
- 3 -2098 U/1240 BAD ORIGINAL- 3 -2098 U / 1240 BAD ORIGINAL
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.the symbol M 1 is used both for the easy axis of the layer 14 ale as well as for its magnetization vector if this vector lies in the easy axis. A similar symbol with a number, e.g. B. M ^, M ^ should represent a magnetization vector that is not in the easy axis.
Wsnn ein Antriebafeld H längs der Mittelachse M_ einwirkt, dreht sich die Magnetisierung M2 der Schicht 16 um einen Winkel J^ inIf a drive field H acts along the central axis M_, the magnetization M 2 of the layer 16 rotates by an angle J ^ in
2 se MLj verl&ßt, wird eine Komponente M2 senkrecht aur SchichtebeneWhen it leaves MLj, a component M 2 becomes perpendicular to the plane of the layer 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.evoked. This creates a demagnetizing field that limits this component to extremely low values, so that the magnetization essentially rotates in the plane of layer 16. This mechanism is more detailed in the article ": "Amplifier and Memory Devices: With Films and Diodes", McGraw-Hill Book Company 1965, chapter 13.
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.If the easy axes of the layers were all parallel, an applied field would cause the magnetization of all layers to rotate in the same direction; the perpendicular components would form inner pole pairs which cancel each other out, with only the poles on the top and bottom layers 16 remaining undeleted. With a fairly large total thickness of the layers there would be a very weak demagnetizing field, the that of a compact, magnetizable body of approaches the same thickness so that the magnetization would be switched as that in a compact material.
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.In the present arrangement, the magnetization of the rotates Layers 14 and 16, however, in the opposite direction so that the inner pole pairs reinforce one another. This creates a strong demagnetizing field in all layers, of which the magnetization is switched by the rotation in such a way as is the case with a single layer of a thin, ferromagnetic film.
J4 J 4 BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
209814/1240209814/1240
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 Figure 4, an element 10 a is shown in which the light Achasn of the regions 22 and layers 16 of low anisotropy and the permanent magnetic axis Mp of the portions 20 of the high coercive force layers 14 all lie in a line 44. The layers with low anisotropy do not need to be ferromagnetic: a material whose permeability is u ^ · 1, i.e. greater than that of the air, and practically no remanent Has magnetization, can work as a transformer or Droasel coil core.
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.In this arrangement, the permanent magnetic sections 20 magnetize the regions 22 of low anisotropy baw, the layers 16 parallel baw. antiparallsl to the magnet axis NL in the line 44 before. This arrangement corresponds to that according to FIG. 1, it being seen that the adjacent layers 14, 16 are mutually exclusive act as KUckfÜhrwege the river.
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.During operation, an alternating field is applied via a winding 40 along an axis 42, as a result of which the magnetizations M 1 , Mg of the layers 14, 16 are georacn over angles Oy, O 2 sum oscillations. As a result of the change in flux, an electrical current is induced in a secondary winding 46. This winding 46 can be omitted in the case of a choke coil.
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.If a maximum field strength (H ^ x -0.9 Hjg) is built up over the winding 40, the magnetizations M ^, M 2 around the axis 44 at an angle of + 65 ° (O 1 , O 2 - 130 °) If J.äflt oscillate, the total flux change in element 10a is approximately 0.9 of the total flux that can be switched.
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.FIG. 6 shows an idealized, Nearly lossless B-H loop e 60, which usually consists of layers a thin, ferromagnetic film sukonmt when driven in the "hard" direction.
. 5 2098U/1240 . 5 2098U / 1240
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.The application of the invention to a memory element 10b is illustrated in FIG. In this arrangement, the magnetizations of the high coercive force portions 20 are aligned in the axis M_, while the easy axes of the regions 22 of the layers 14 of low anisotropy and the layers 16 fall on an axis 52 perpendicular to the magnetic axis M ^. The magnetic fields applied by the magnetized sections 20 cause the magnetizations Mp M 2 to be brought out of the easy axis 52.
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 operation, a magnetic field + H is applied via a ** coil 50 to store a one and a magnetic field - H to store a zero. This field H has a strength which approaches the vert Hj and rotates the magnetizations M · ^ and M 2 at an angle of less than 180 °, for example 120 °. The magnetic? " Flux change, which is due to a considerable or insignificant rotation of the magnetizations M ^ 1 M 2 , that is, from 1 to 0 or from 0 to 0, is perceived by a scanning coil 56, the magnetic axis of which runs parallel to the axis 52.
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.In the figure 6 is also a B-H loop 62 of the element 10b shown when this is used as a memory core in the manner explained above. The loop is roughly right-angled and shows the ideal characteristic for a magnetic memory element.
- 6 -2098U/1240- 6 -2098U / 1240
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