Dünnschichtspeicheranordnung und Verfahren für deren Betrieb Die Erfindung betrifft eine Dünnschichtspeicher- anordnung mit einer streifenförmig ausgebildeten, auf einen nichtmagnetischen Träger aufgebrachten Schicht aus magnetischem Material.
Durch Domänenwände innerhalb der Schicht ge bildete Zonen dienen zur Aufnahme von zu spei chernden Daten, die unter dem Einfluss von im Träger auftretenden mechanischen Longitudinal-Schwingun- gen transportiert werden. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb der Speicheranordnung angegeben.
Es sind bereits Speicheranordnungen mit magne tischen Dünrnschichtfilmen bekannt. Die Anordnun gen dienen zur statischen Speicherung von Informa tionen, indem jedes der Dünnschichtelemente durch einen zugeordneten Magnetisierungszustand einen Bi närwert so lange speichert, bis sein Abruf erfolgt. Die Elemente sind auf einem nichtmagnetischen Trä ger aufgebracht und weisen eine magnetische Vor zugsachse, die sogenannte Achse leichter Magnetisie- rung auf.
Die in dieser Achse liegenden Magnetisie- rungsrichtungen, in die die Magnetisierungsvektoren durch kohärentes Rotationsschalter geschaltet wer den, dienen als Speicherkriterien für die Binärwerte. Derartige Speicheranordnungen sind nicht ohne wei teres als dynamische Umlaufspeicher benutzbar.
Es sind ferner magnetostriktive Speicheranord nungen bekannt, die als Umlaufspeicher arbeiten. Beispielsweise wird ein eingespannter Nickeldraht an einem Ende dem Magnetfeld einer Sendespule aus gesetzt, welches entsprechend der zu speichernden Information impulsweise verändert wird. Entspre chend seiner Magnetisierung dehnt sich der Draht aus oder zieht sich zusammen, wodurch im Draht Longitudinal-Schwingungen induziert werden. Diese erzeugen in einer Empfangsspule, die am anderen Ende den an dieser Stelle vormagnetisierten Draht umgibt, Impulse als Lesesignale. Diese Speicher sind als statische Speicher nicht verwendbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, - eine magnetische Dünnschichbspeicheranordnung aufzuzeigen, die als dynamischer Speicher dienen kann. Hierbei wird eine Dünnschichtspeicheranordnung mit einer streifenför- mig ausgebildeten Schicht aus magnetischem Material verwendet, die auf einen nichtmagnetischen Träger aufgebracht ist.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist gekennzeichnet durch wenigstens einen elektromecha nischen Wandler, der mit dem Träger derart gekop pelt ist, dass auf den Träger übertragene Schwingun gen in diesem mechanische Longitudinal-Schwingun- gen hervorrufen, unter deren Einfluss sich in. der Schicht durch Domänenwände begrenzte, mit den Schwingungen wandernde Zonen ausbilden, durch eine an einem Ende der Schicht derart angeordnete Schreibleitung,
dass ihr zugeführte Datensignale eine Ausrichtung der Magnetisierung in der nächstgelege nen Zone in Übereinstimmung mit den zu speichern den Daten bewirken, und durch eine am anderen Ende der Schicht vorhandene Leseleitung, in der beim Richtungswechsel der Magnetisierung in der ihr nächstgelegenen Zone eine Spannung induziert wird.
Die Merkmale der Erfindung sind aus der nach folgend anhand von Zeichnungen erfolgenden Be schreibung eines Ausführungsbeispieles ersichtlich. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer Spei cheranordnung gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkung der mechanischen Schwingungen, denen der Träger und die Schicht der Speicheranordnung nach Fig. 1 ausgesetzt werden, Fig. 3a bis 3 f die Datenverschiebung in der Schicht der Anordnung nach Fig. 1 bei Verwendung der Darstellungsweise nach Fig. 2.
Es folgt die Beschreibung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Spei cheranordnung.
Der nichtmagnetische Träger 10 weist die Eigen schaft auf, sich unter der Einwirkung von mechani schen Longitudinal-Schwingungen auszudehnen und zusammenzuziehen und nur eine minimale Dämpfung auf diese Schwingungen auszuüben. Er kann vorzugs weise aus einem Einkristall oder aus geschmolzenem Quarz bestehen. An einem Ende ist der Träger 10 mit einem elektromechanischen Wandler 12 verbun den, der von einem Schwingungsgenerator gespeist wird und Longitudinal-Schwingungen auf den Träger 10 überträgt. Die Schwingungen durchlaufen den Träger in seiner Längsrichtung, die in Fig. 1 als X-Achse definiert ist.
Am entgegengesetzten Ende des Trägers 10 ist ein schwingungsabsorbierendes Glied 16 für die Absorbierung der im Träger auf tretenden Dehnungen und Schrumpfungen vorgese hen. Anstelle der Verwendung des Gliedes 16 kann der Träger 10 an diesem Ende zugespitzt werden, um den gleichen Effekt zu erreichen. Auf der Ober fläche des Trägers 10 ist eine dünne Magnetschicht 18 aufgetragen, die eine leichte Magnetisierungsachse besitzt, welche in Richtung der Querachse des Trä gers 10 verläuft, die in Fig. 1 durch den Doppel pfeil Y angegeben ist. Die Magnetschicht 18 kann auf den Träger 10 durch irgendeine bekannte Me thode, wie z.
B. Vakuumaufdampfung, Kathodenzer- stäubung, Elektroplattierung usw., in Anwesenheit eines magnetischen Feldes aufgetragen werden, das die leichte Achse der Magnetisierung erzeugt. Die Magnetschicht besteht aus einer Nickel-Eisen-Legie- rung mit annähernd 85 % Ni und 15 % Fe oder aus einer solchen mit 75 % Ni und 25 % Fe Gewichtsantei len.
Diese Kompositionen des ferromagnetischen Ma terials wurden gewählt, um der Schicht 18 entweder eine negative Magnetostriktion (85 % Ni und 15 % Fe) oder eine positive Magnetostriktion (75 % Ni und 25 % Fe) zu verleihen.
Die positive Magnetostriktion ist für ein magneti sches Material, welches in seiner Längsrichtung me chanischen Dehnungen und Schrumpfungen unter worfen wird, folgendermassen definiert: Eine Deh nung erzeugt eine mechanisch induzierte magnetische Anisotropie in. Richtung der Dehnung, eine Schrump fung dagegen eine mechanisch induzierte magnetische Anisotropie quer zur Schrumpfungsrichtung.
Dem entsprechend ist eine negative Magnetostriktion da durch definiert, dass sich eine mechanisch induzierte Schrumpfungsanisotropie in Richtung der Schrump fung !sowie eine mechanisch induzierte Dehnungs- anisotropie quer zur Richtung der Dehnung einstel len.
Die Anisotropien erzeugen dabei jeweils eine bevorzugte Magnetisierungsachse. Wird angenommen, dass die Magnetschicht 18 eine positive Magnetostrik- tion aufweist, so wird sich bei einer Schrumpfung des Trägers 10 eine Schrumpfungsanisotropie der Schicht 18 parallel zur Y-Achse einstellen und bei einer Dehnung des Trägers 10 eine Dehnungs- anisotropie parallel zur X-Achse. Der Träger 10 und daher auch die Schicht 18 werden durch den mit dem Schwingungserzeuger 14 gekoppelten elektrome chanischen Wandler 12 zu Dehnungen und Schrump fungen angeregt.
Eine Eingangsleitung 20 und eine Ausgangslei tung 22 verlaufen über den beiden Enden der Schicht 18 in Richtung der Y-Achse. Die Leitung 20 ist mit der Dateneingabeschaltung 24 und die Ausgangs leitung 22 mit der Ausgangsschaltung 26 verbunden.
Die Fig. 2 zeigt die Schicht 18, für die positive Magnetostriktion angenommen wird. Sie ist in sechs Zonen unterteilt, die mit A bis F bezeichnet sind. über der Schicht 18 ist eine Kurve 28 gezeichnet, die eine zu einem gegebenen Zeitpunkt im Träger 10 wirksame Longitudinal-Welle darstellt. Die Welle ist sinusförmig und ähnlich den im Schwingungsgenera tor 14 erzeugten Signalen.
Sie besitzt die gegebene Frequenz<B>f o.</B> Die Welle kann einer Serie von Deh nungen und Schrumpfungen in der Schicht 18 gleich gesetzt werden, wodurch eine Längsanisotropie in den Zellen A, C und E parallel zur X-Achse und eine Queranisotropie in den Zellen<I>B, D</I> und F par allel zur Y-Achse induziert werden.
Die durch den Schwingungsgenerator 14 erzeug ten und über den Wandler 12 auf den Träger 10 übertragenen Schwingungen sind so bemessen, dass die induzierte Dehnungsanisotropie ausreicht, um eine Drehung der Magnetisierung der Zonen wenigstens angenähert in eine der der X-Achse parallelen Rich tungen zu bewirken.
Nach Abklingen der Dehnung drehen die Magnetisierungen unter dem Einfluss der Schichtanisotropie in Richtung der leichten Achse der Schicht 18 zurück, wobei durch geeignete Ausrich tung der Speicheranordnung zum magnetischen Erd- feld oder vorzugsweise durch Anlegen eines kon stanten Vormagnetisierungsfeldes, das beispielsweise durch eine nicht gezeigte Helmholtz-Spule erzeugt werden kann, eine einheitliche Ausrichtung der Ma gnetisierungen in eine Richtung erreicht wird.
Wie nachstehend ersichtlich wird, dient die Ein gabeschaltung 24 dazu, der Eingangsleitung 20 je weils dann positive oder negative Impulse zu liefern, wenn der mit dem Leiter 20 gekoppelte Abschnitt des Filmes 18 eine mechanisch induzierte Längs- anisotropie zeigt. Es wird angenommen, dass zu einem Zeitpunkt, an welchem der erste Abschnitt der Schicht 18, die Zone A, einer Dehnung unterworfen ist, das Signal von der Eingabeschaltung 24 die Lei tung 20 so erregt, dass sie ein Magnetfeld parallel der Längsachse der Schicht 18 in Richtung nach rechts erzeugt.
Da die durch die Dehnung erzeugte induzierte Longitudinal-Anisotropie gross genug ist, um eine Orientierung der Magnetisierung entlang der X-Achse zu bewirken, stellt das vom Eingangssignal erzeugte Feld die Magnetisierungsvektoren der Zone A in die Richtung nach rechts. Dies ist aus Fig. 3a ersichtlich. Die Magnetisierungsvektoren der Zonen C und E liegen ebenfalls parallel zur X-Achse der Schicht 18; sie sind jedoch durch Doppelpfeile gekennzeichnet, womit angedeutet ist, dass die Ma gnetisierung dieser Zonen sowohl nach links wie nach rechts gerichtet sein kann.
Die Magnetisierungen der Zonen<I>B, D</I> und F liegen unter dem Einfluss der Schichtanisotropie und der hier wirkenden Schrump- fungsanisotropie parallel zur Y-Achse, wobei das Vormagnetisierungsfeld die einheitliche Ausrichtung nach oben bewirkt. Entsprechend der Fortpflanzung der Schwingungen von einem Ende der Schicht 18 zum anderen Ende, bewegt sich auch die Welle 28 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit nach rechts. Die Fig. 3b bis 3f zeigen die Lage der Magnetisierun- gen der Zonen A bis F für jede der folgenden Halb perioden der Welle 28.
Die Fig. 3b illustriert die Lage der Magnetisie- rungen der Schicht 18 nach der Wanderung der me chanischen Schwingung um eine Zone nach rechts. Die Magnetisierung der Zonen A,
C und E ist hier aufwärts parallel der leichten Achse der Schicht 18 gerichtet in Übereinstimmung mit der mechanisch in duzierten Schrumpfungsanisotropie. Die Magnetisie- rung der Zone B ist nach rechts orientiert parallel zur Längsachse der Schicht 18 als Folge der induzier ten Longitudinal-Anisotropie durch Dehnung dieses Teiles sowie durch die Beeinflussung durch die zuvor in der Zone A vorhandene Ausrichtung der Magneti- sierung. Die Magnetisierung der Zonen C und E verläuft in Richtung der X-Achse der Schicht 18 und ist mit Doppelpfeilen bezeichnet, woraus hervorgeht,
dass die Orientierung dieser Zonen sowohl nach rechts als auch nach links gerichtet sein kann.
Wird angenommen, dass die Zone A wieder einer mechanischen Dehnung ausgesetzt wird, so erfolgt eine Drehung der Magnetisierung parallel zur X-Achse, bedingt durch die induzierte Longitudinal-Anisotropie (Fig. 3c). Zu diesem Zeitpunkt bewirkt die Eingabe schaltung 24 einen Stromfluss in der Leitung 20, beispielsweise derart, dass in der Zone A ein nach links gerichtetes Feld erzeugt wird. Die Magnetisie- rung der Zone A richtet sich dann parallel zur X-Achse nach links aus.
Die Magnetisierung der Zonen<I>B, D</I> und F ist zu diesem Zeitpunkt aufwärts gerichtet parallel zur leichten Achse der Schicht 18. Die Magnetisierung der Zone C ist nach rechts par allel zur X-Achse ausgerichtet als Folge der induzier ten Dehnungsanisotropie und des Einflusses der zuvor in der Zone B vorhandenen Ausrichtung der Ma gnetisierung. Die Magnetisierung der Zone E ist wieder parallel zur X-Achse eingezeichnet.
Ihre Lage wird bestimmt durch die induzierte Dehnungs- anisotropie, wobei jedoch gemäss dem eingezeichneten Doppelpfeil die Magnetisierungsrichtung dieser Zone sowohl nach rechts als auch nach links gerichtet sein kann.
Mit der Ausbreitung der mechanischen Schwin gungen in der Schicht 18 nach rechts, werden die Zonen A, C und E (Fig. 3d) einer induzierten Quer- anisotropie unterworfen, die als Folge einer Schrump fung entsteht, während die Zonen<I>B, D</I> und F eine induzierte Längsanisotropie erhalten, entsprechend einer in diesen Bereichen wirksamen Dehnung.
Die Zonen A, C und E sind in ihrer Magnetisierung aufwärts orientiert in Übereinstimmung mit dem be stehenden Vormagnetisierungsfeld. Die Magnetisie- rung der Zone Bist nach links gerichtet als Folge der zuvor vorhandenen Ausrichtung der Magnetisic- rung der Zone A in diese Richtung, und die Magneti- sierung der Zone D ist nach rechts gerichtet als Folge der vorausgegangenen Magnetisierung der Zone C.
Die Zonen A, C und E werden im weiteren einer mechanisch induzierten Längsanisotropie unterworfen als Folge einer Dehnung, während die Zonen<I>B, D</I> und F eine mechanisch induzierte Queranisotropie durch eine Schrumpfung erhalten, wie es in Fig. 3e ersichtlich ist. In der Fig. 3e wird angenommen, dass durch die Eingangsleitung 20 ein nach rechts gerich tetes Feld erzeugt wird, welches die Zone A parallel zur X-Achse in Richtung nach rechts magnetisiert. Die Magnetisierung der Zonen B, D und F ist auf wärts gerichtet, die der Zone C nach links und die der Zone E nach rechts.
Die Fig. 3 f zeigt die Ausrichtung der Magneti- sierungen der Zonen A bis F für den während der nächsten Halbperiode herrschenden Schwingungszu stand, durch welchen die Zonen A, C und E einer mechanisch induzierten Queranisotropie unterworfen sind, während die Zonen B, D und F eine induzierte Längsanisotropie erhalten haben.
Wird angenommen, dass die Ausgangsleitung 22 über der Zone F liegt, ist ersichtlich, dass durch den Wechsel der Magneti- sierungsrichtung in -der Zone F von der in Fig. 3e angegebenen Lage in die in Fig. 3 f gezeigten Lage in der Leitung ein Ausgangssignal induziert wird. Dieser Wechsel besteht aus einer Drehung der Ma gnetisierungsvektoren im Uhrzeigersinn. Wäre die Magnetisierung der Zone F in die entgegengesetzte Richtung gedreht worden, also entgegen dem Uhr zeigersinn, hätte das induzierte Ausgangssignal ent gegengesetzte Polarität.
Unterschiedliche Binärwerte bewirken somit eine unterschiedliche Polarität der Ausgangssignale in der Leitung 22.
In Fig. 3 ist für jede Zone ein Pfeil angegeben, um die Ausrichtung der Magnetisierungsvektoren an zudeuten. Es liegt nun die Frage nahe, ob die Ma gnetisierungen auch in den Grenzbereichen zwischen zwei Zonen diese Richtung einnehmen.
In den Zonen treten jeweils zwei Anisotropien auf: die in. Richtung der Y-Achse verlaufende Schiohtanisotropie und die mechanisch induzierte Dehnungs- oder Schrump- fungsanisotropie, wobei die Dehnungsanisotropie par allel zur X-Achse, die Schrumpfungsanisotropie par allel zur Y-Achse liegt. Bei im Schrumpfungsgebiet liegenden Zonen liegt die resultierende leichte Achse zweifellos parallel zur Y-Achse, d. h. auch die Ma gnetisierung wird im ganzen Zonenbereich in diese Richtung ausgerichtet werden.
Im Fall einer im Deh nungsbereich liegenden Zone, in der die beiden wirk- sauren Anisotropien rechtwinklig zueinander liegen, liegt die resultierende leichte Achse in Richtung der jeweils grösseren Anisotropie;
d. h. im Grenzbereich einer solchen Zone wird, bei noch geringer Dehnung, die leichte Achse und somit auch die Richtung der Magnetisierung zunächst noch parallel zur Schicht anisotropie liegen, und erst wenn die Dehnungsaniso- tropie die Schichtanisotropie überwiegt, parallel zur Dehnungsanisotropie. An den praktisch sprunghaften Änderungsstellen der Magnetisierungsrichtung bilden sich Domänenwände aus,
die mit den fortlaufenden mechanischen Schwingungen im Träger ebenfalls in Richtung der X-Achse weiterwandern.
Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass binäre Datenwerte in die Speicheranordnung nach Fig. 1 eingegeben werden können, wenn der mit der Leitung 20 gekoppelte Teil der Schicht 18 einer mechanisch induzierten Längsanisotropie als Folge einer Dehnung bei positiver Magnetostriktion oder einer Schrumpfung bei negativer Magnetostriktion ausgesetzt wird.
Da dieser mit der Eingangsleitung 20 gekoppelte Teil der Schicht 18 einer induzierten Längsanisotropie ausgesetzt wird, erfolgt bei Erregung der Leitung 20 eine Rotation der Magnetisierung; Domänenwände werden gebildet, die mit der mecha nischen Schwingung in Richtung der X-Achse wei terwandern.
Wenn ein Schichtbereich nach Passieren einer Domänenwand einer induzierten Queranisotro- pie ausgesetzt wird, erfolgt eine Rückorientierung der Magnetisierung in diesem Bereich in Richtung der leichten Achse der Schicht (Y-Achse); im beschrie benen Beispiel werden alle Magnetisierungsvektoren unter dem Einfluss des erwähnten Vormagnetisie- rungsfeldes aufwärts ausgerichtet.
Eine sehr vorteilhafte Verbesserung der Wirkung der beschriebenen Einrichtung kann dadurch erreicht werden, dass die Magnetschicht 18 neben ihrer leich ten Achse in Y-Richtung eine zweite Achse leichter Magnetisierung in X-Richtung erhält. Methoden zur Herstellung dünner Magnetschichten mit biaxialer Anisotropie sind bekannt.
Durch das Vorhandensein einer zweiten leichten Achse parallel zur X-Achse, hat die mechanisch induzierte Anisotropie lediglich ein Drehen der Magnetisierung von der einen leichten Achse in die andere leichte Achse zu bewirken. Die Amplitude der Longitudinal-Schwingungen im Träger 10 kann dadurch geringer gehalten werden, so dass die Gefahr der Auslösung von Fehlschaltungen ver mieden wird.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3a bis 3 f ergibt sich für die Wirkungsweise einer derartigen Ausführungsform folgendes: Es wird angenommen, dass die Schicht 18 eine positive Magnetostriktion zeigt und dass während der Zeit, in der die Zone A einer Dehnung unterworfen wird, ein Eingangssignal in der Leitung 20 auftritt, welches in der Zone A ein mit der X-Achse übereinstimmendes und nach rechts gerichtetes Magnetfeld erzeugt.
Dieses Feld besitzt eine Grösse, die ausreicht, eine Drehung der Magnetisierung der Schicht 18 im Bereich der Zone A von der einen leichten Achse, die mit der Y-Achse übereinstimmt, in die andere leichte Achse, die mit der X-Achse übereinstimmt, zu bewirken. Das durch die Erregung der Leitung 20 erzeugte Magnetfeld bestimmt somit in Koinzidenz mit der induzierten Longitudinal- oder Dehnungsanisotropie eine derar tige Magnetisierung des Magnetmaterials der Zone A, dass sich die Magnetisierung in dieser Zone von einer Orientierung entlang der Y-Achse auf eine Orientie rung entlang der X-Achse mit einer Ausrichtung nach rechts einstellt.
In entsprechender Weise findet eine Drehung der Magnetisierung in umgekehrter Rich tung aus der X-Achse in die Y-Achse statt, wenn die betreffende Zone einer Schrumpfungsanisotropie un terworfen wird. Hierbei bestimmt das Vormagnetisie- rungsfeld die Ausrichtung der Magnetisierungsvek- toren in der Y-Achse.
Die vorausgehend beschriebene Anordnung hat die Funktion einer Verzögerungseinrichtung, in wel cher eine Information eingegeben wird und nach einem definierten Zeitintervall an ihrem Ausgang wie der verfügbar ist. Bei einer Verwendung als Infor mationsspeicher kann die Information in dauerndem Kreislauf in der Einrichtung gehalten werden durch Ausbildung einer geschlossenen Schleife, indem die Ausgangsleitung 22 mit der Eingangsleitung 20 ver bunden wird.
Nachstehend sind einige Angaben über die Her stellung der vorausgehend erläuterten Anordnung ge macht, ohne damit jedoch den Erfindungsgegenstand auf diese Angaben zu beschränken. Der Träger 10 in Fig. 1 ist aus einem geschmolzenen oder einkristal linen Quarz in Längsrichtung geschnitten, und der Wandler 12 kann aus in Dickenrichtung polarisierten Blei-Zirkonat-Titanit bestehen. Die Dicke des Wand- lers 12 wird bestimmt durch die gewünschte Schall frequenz. Für eine Frequenz von einem Megahertz kann die Dicke 2,1 mm betragen. Die vom Schwin gungsgenerator 14. an den Wandler 12 gelieferte Span nung kann dabei annähernd 50 Volt sein.
Das Eingabefeld, welches bei Erregung der Leitung 20 durch die Eingabeschaltung 24 auf die Schicht 18 ausgeübt wird, kann 1,0 Oersted und der Widerstand der Leitung 20 kann bei der verwendeten Frequenz 5 Ohm betragen. Die Impulslänge des Erregungs stromes in der Leitung 20 beträgt dabei annähernd 10 bis 30 Nanosekunden für eine Frequenz von einem Megahertz und 3 bis 10 Nanosekunden für eine Fre quenz von 10 Megahertz. Wenn gewünscht, kann entweder das erdmagnetische Feld oder ein von einer Helmholtz-Spule erzeugtes Vormagnetisierungsfeld von etwa 0,1 bis 0,3 Oersted in Richtung der Y-Achse angelegt werden.
Bei Benutzung eines Ein schreibfeldes von weniger als 1,0 Oersted entfällt die Notwendigkeit eines Vorspannungsfeldes.