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Aus zwei Schichten bestehender dünner magnetischer Film
Die Erfindung betrifft für die Informationsspeicherung in elektronischen Ziffemrechnern verwendbare magnetische Vorrichtungen, insbesondere eine bezüglich ihrer Betriebseigenschafteri verbesserte bistabile magnetische Vorrichtung sowie Verfahren zur Herstellung solcher verbesserter magnetischer Vorrichtungen.
Auf dem Gebiete der bistabilen magnetischen Datenspeichervorrichtungen wurde bereits viel Zeit und Mühe aufgewendet, um Speicherelemente zu schaffen, die durch einen möglichst schwachen Erregungsstrom in einer möglichst kurzen Zeit von einem Remanenzzustand in den andern umschalten.
Ausserdem sollen diese Datenspeicherelemente so klein wie möglich sein und eine möglichst rechteckige Hysteresisschleife aufweisen.
Es sind bereits bistabile magnetische Vorrichtungen bekannt, die aus dünnen Drähten bestehen, auf denen eine dünne, festhaftende magnetisierbare Schicht galvanisch abgelagert ist, die aus etwa 93 - 99'10 Eisen und etwa 7 - 1% Nickel besteht. Diese Vorrichtungen haben eine der angestrebten Rechteckform sehr nahe kommende Hysteresisschleife sowie sehr kurze Umschaltzeiten in der Grössenordnung von 50 Nanosekunden. Im allgemeinen verkürzt sich die Umschaltzeit- mit der Herabsetzung des Nickelgehaltes in der magnetisierbarenSchicht.
DieSättigungsfeldstärke eines solchenSchichtmaterials bewegt sich jedoch in der Grössenordnung von etwa 15 Oersted, so dass ein Treiberimpuls von etwa 400 Milliampere zur Um- schaltung des magnetischen Materials erforderlich ist. Es ist zwar möglich. einen Strom der genannten Grösse in den bekannten Vorrichtungen zu erzielen, dochistes auf jeden Fall zweckmässig die Grösse des Treiberstromes wenn irgend möglich zu verringern.
Ganz allgemein besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer neuen Art eines dünnen magnetisierbaren Films. Dieser dünne, magnetisierbare, für magnetische Vorrichtungen geeignete Film soll neben einer Hysteresisschleife mit möglichst guter Reckteckform eine ausserordentlich kurze Schaltzeit haben und zudem eine möglichst niedrige Sättigungsfeldstärke aufweisen, um mit einem nur sehr geringen Treiberstrom arbeiten zu können. Die Sättigungsfeldstarke des magnetischen Films soll kleiner als 10 Oersted sein.
Es wurde festgestellt, dass durch Verwendung von zwei Schichten aus verschiedenen magnetischen Materialien nicht vorhersehbare Wirkungen erzielt werden können, die den Schichten einzeln nicht eigen sind. Durch die unmittelbare Nähe der beiden Schichten scheint eine Änderung ihrer Eigenschaften bewirkt werden zu können. Für diese Erscheinung gibt es derzeit noch keine genaue Erklärung, jedoch können Kombinationen von diese Wirkung aufweisenden Schichten ohne weiteres durch Versuche bestimmt werden, was aus der folgenden Beschreibung deutlich wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein dünner magnetischer Film für Datenspeicher oder logische
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ke zwischen 500 und 5000 besitzt, wobei die erste Schicht aus mit 1-7 Gew.-% Kobalt und/oder Nickel legiertem Eisen und die zweite Schicht aus mit 30-90 Gew.-% Kobalt und/oder Nickel legiertem Eisen besteht.
Wie bereits ausgeführt, sind die wichtigsten Merkmale einer magnetischen Speichervorrichtung eine geringe Umschaltzeit, niedrige Sättigungsfeldstärke und eine Hysteresisschleife mit möglichst guter
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Rechteckform. Bei Verwendung von Eisen-Nickel-Legierungen als Beschichtungsmittel können zur Erzielung der erforderlichen Eigenschaften der Nickelgehalt und die Dicke der magnetischen Schicht variiert werden. Während optimale Umschaltzeiten mit einer 1 - 70/0 Nickel enthaltenden Eisen-NickelLegierung erreicht werden, können relativ niedrige Sättigungsfeldstärken durch aus 30-90% Nickel bestehenden Eisen-Nickel-Legierungen (Permalloy) erzielt werden.
Mit dem Ziel optimale Werte für Umschaltzeiten und Sättigungsfeldstärke bei Aufrechterhaltung einer möglichst rechteckigen Hysteresisschleife zu erhalten, wird in der Erfindung eine Kombination aus verschiedenen Legierungen bestehenden Schichten verwendet.
Die Erfindung besteht somit aus einem dünnen Trägerdraht, auf deren elektrisch leitender Oberfläche eine erste festhaftende Eisen-Nickel-Schicht galvanisch abgelagert ist. Die eine dieser beiden Schichten besteht aus etwa 30 - 90% Nickel und 70-10% Eisen und die andere aus etwa 93 - 990/0 Eisen und 7-1% Nickel. Des weiteren hat sich gezeigt, dass die optimalen Werte am besten dann erreicht werden, wenn die aus 30-90% Nickel bestehende Schicht eine Dicke zwischen 500 und 4000 Ä
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besonders vorteilhaft hat sich ein drahtförmiger Träger erwiesen, der mechanisch sehr widerstandsfähig und elastisch ist.
WeitereAufgaben, Merkmale und Vorteile sowie Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen magnetischen Vorrichtung werden in der nachfolgenden BeschssBibung an Hand der Zeichnungen erläutert, in denen Fig. 1 charakteristische Magnetisierungskurven für eine mit einer erfindungsgemässen Kombination mehrerer magnetischer Schichten gebildete bistabile magnetische Vorrichtung und Fig. 2 zwei Kurvenformen zeigen, die einen an eine die erfindungsgemässe Vorrichtung umgebende Wicklung angelegten Stromimpulse bzw. den dadurch auf einer zweiten, die Vorrichtung umgebenden Wicklung erzeugten Spannungsimpuls darstellen.
Die erfindungsgemässe magnetische Vorrichtung besteht aus einem fedemdenDraht, z. B. aus Berylliumbronze und zwei sehr dünnen auf diesem Träger fest haftenden Schichten aus magnetischem Material. Der Trägerdraht kann zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften einer Wärmebe -
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eckige Hysteresisschleife und eine sehr niedrige Sättigungsfeldstärke aufweist. Das magnetische Material in der Schicht mit geringem Nickelgehalt, die mittels eines später näher beschriebenen Verfahrens auf der"Permalloy"-Schicht galvanisch abgelagert wird, besteht vorzugsweise aus 97% Eisen und 3% Nickel und besitzt dadurch eine annähernd rechteckige Magnetisierungskurve und eine äusserst kurze Umschaltzeit.
Das genannte Mengenverhältnis für diese zweite Schicht braucht nicht genau eingehalten zu werden, da sich auch brauchbare Vorrichtungen mit einem Verhältnis von 93-99% Eisen zu 7 - 10/0 Nickel in der äusserenschicht ergeben. Die Prozentsätze von Eisen und Nickel lassen sich durch das Verhältnis der Eisen-und Nickelsalze in den Elektrolyten, in denen die magnetischen Materialien auf die entsprechenden Flächen aufgalvanisiert werden, leicht verändern. Die stäbchen-oder drahtförmigen Kupfer-Berylliumträger können einen Durchmesser zwischen 0,12 und 1,3 mm besitzen. Bei einem bevorzugten Träger wurde ein Durchmesser von 0, 25 mm gewählt.
Es hat sich gezeigt, dass Vorrichtungen mit diesem Durchmesser eine ausreichende Steifigkeit besitzen, um ohne besondere Vorsicht gehandhabt werden zu können, und zudem ausgezeichnete magnetische Eigenschaften für eine Verwendung in Datenspeicheranordnungen und Matrizen besitzen. Die Dicke beider magnetischer Schichten hängt von den Bedingungen ab, unter denen sie auf den Träger aufgalvanisiert werden. Bevorzugte Dicken wurden bereits angegeben und werden normalerweise durch indirekte Verfahren errechnet. Um eine minimale Sättigungsfeldstärke zu erreichen, muss die Dicke der "Permalloy"-Schicht etwa 4000 A betragen.
Die in jeder beliebigen Länge herstellbare bistabile magnetische Vorrichtung wird mit einer, vorzugsweise aber mit mehreren Wicklungseinheiten versehen. Diese Wicklungseinheiten bestehen aus jeweils mehreren einlagigen Einzelwicklungen, die im allgemeinen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Jede Wicklungseinheit umgibt einen bestimmten Längenabschnitt der äusseren magnetischen Schicht. Sind mehrere Wicklungseinheiten vorgesehen, dann sind diese in einem solchen Abstand voneinander auf der magnetischen Vorrichtung angeordnet, dass unerwünschte gegenseitige Beeinflussungen vermieden werden, und jede Wicklungseinheit mit ihrem jeweiligen Längsabschnitt der magnetischen
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Schichten zusammenarbeitet.
Der Aufbau und die Anordnung der Wicklungseinheiten und die zwischen diesen und den magnetischen Filmen auftretenden Wirkungen sind bekannt, so dass sich diesbezüglich eine nähere Beschreibung erübrigt.
In einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein steifer, nichtmagnetischer, elektrisch nicht leitender, fadenförmiger Träger verwendet. Dieser ist mit einem sehr dünnen Überzug aus elektrisch leitendem Material versehen, auf dem eine erste Schicht aus magnetischem Material und auf dieser wieder eine zweite Schicht aus magnetischem Material aufgalvanisiert ist. Die magnetischenschichten haben die gleiche Zusammensetzung und Dicke wie im vorangegangenen beschrieben. Als elektrisch nicht leitender Träger wird beispielsweise ein Glas- oder Quarzfaden verwendet. Ein solcher Glas- oder Quarzfaden hat vorzugsweise den gleichen Durchmesser (z. B. 0, 25 mm) wie der im vorangegangenen beschriebene Trägerdraht. Die auf dem nicht leitenden Träger aufgebrachte dünne elektrisch leitende Schicht besteht vorzugsweise aus Silber.
Zur Herstellung dieser Schicht kann eine Silberlösung zusammen mit einer Reduktionslösung auf den Faden aufgesprüht werden. Um die Stromverlusteinder fertigen Vorrichtung zu vermindern, soll die Silberschicht nur so dünn sein etwa 0, 1 - 0, 1 Ohm / cm2, dass sie gerade noch eine befriedigende Leitfähigkeit für das Aufgalvanisieren der magnetischen Schicht ergibt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Dicke der magnetischen Schichten sowie deren magnetische Eigenschaften von den Bedingungen abhängig, unter denen die Schichten aufgalvanisiert werden. Von der Vielzahl möglicher galvanischer Bäder und Verfahren werden nachstehend diejenigen aufgeführt, mit denen die besten Ergebnisse bei der Herstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung erzielt werden.
Galvanische Bäder a) Permalloyschicht Erste Badzusammensetzung :
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<tb>
<tb> FeSO. <SEP> 7H <SEP> 0 <SEP> 5 <SEP> g/l <SEP> wässerige <SEP> Lösung
<tb> NiSo. <SEP> 6H2O <SEP> 18, <SEP> 6 <SEP> g/l <SEP>
<tb> NHCl. <SEP> 50 <SEP> g/l
<tb> Saccharin <SEP> 1 <SEP> g/l
<tb> PH-Wert <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> bis <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Anode <SEP> Platin
<tb> Temperatur <SEP> Zimmertemperatur
<tb> Stromdichte <SEP> 10- <SEP> 50 <SEP> mÄ/cm2 <SEP>
<tb> axiales <SEP> Magnetfeld. <SEP> 200 <SEP> Oersted
<tb> Rühren <SEP> nicht <SEP> erforderlich
<tb>
Zweite Badzusammensetzung :
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<tb>
<tb> Fes. <SEP> 7ho <SEP> 5 <SEP> g/l <SEP> wässerige <SEP> Lösung
<tb> NiS04. <SEP> 6HzO <SEP> 218 <SEP> g/l
<tb> NaCl <SEP> 9, <SEP> 7 <SEP> g/l <SEP>
<tb> H3BO3 <SEP> 25 <SEP> g/l
<tb> Saccharin <SEP> 0,83 <SEP> g/l
<tb> Natriumlaurylsulfat <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP> g/l <SEP>
<tb> PH-Wert <SEP> 2, <SEP> 7-3, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Anode <SEP> Platin
<tb> Temperatur <SEP> Zimmertemperatur
<tb> Stromdichte <SEP> 10 <SEP> bis <SEP> 50 <SEP> mA/cm'
<tb> axiales <SEP> Magnetfeld <SEP> 200 <SEP> Oersted
<tb> starkes <SEP> Rühren <SEP> ist <SEP> erforderlich
<tb>
b) Schicht mit niedrigem Nickelgehalt
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<tb>
<tb> FeCl. <SEP> 4H <SEP> O <SEP> 290 <SEP> g/l <SEP> wässerige <SEP> Lösung
<tb> NiC1. <SEP> 6H <SEP> O <SEP> 12 <SEP> g/l <SEP>
<tb> CaCl.
<SEP> 2Hz <SEP> 0 <SEP> 238 <SEP> g/l <SEP>
<tb>
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<tb>
<tb> Eisenwolle <SEP> oder-pulver <SEP> in <SEP> solcher <SEP> Menge, <SEP> dass <SEP> eine <SEP> Ferro- <SEP> und <SEP>
<tb> nicht <SEP> eine <SEP> Ferrilösung <SEP> entsteht
<tb> PH-Wert <SEP> 0, <SEP> 95-1, <SEP> 05 <SEP>
<tb> Temperatur <SEP> Zimmertemperatur
<tb> Stromdichte <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 45 <SEP> mA/cm2 <SEP>
<tb> axiales <SEP> Magnetfeld <SEP> nicht <SEP> vorhanden
<tb>
Vor dem Galvanisieren des Kupfer-Berylliumdrahtes wird dieser in einem alkalischen Reinigungsbad gründlich gereinigt und unmittelbar danach mit destilliertem Wasser abgespült. Danach wird der Draht in eine konzentrierte Salpetersäure getaucht, um eine dünne Oberflächenschicht des Drahtes zu entfernen.
Unmittelbar nach der Säurebehandlung erfolgt wieder ein gründliches Abspülen mit destilliertem Wasser. Um eine erneute Korrosion der Drahtoberfläche zu vermeiden, wird die erste magnetische Schicht sofort nach dem letzten Ätzverfahren und dem anschliessenden Spülen aufgalvanisiert.
Als nächstes wird der Draht wieder gründlich mit destilliertem Wasser abgespült, worauf sofort die zweite Schicht auf die erste aufgalvanisiert wird.
Nach dem zweiten Galvanisieren wird der Draht wieder gründlich abgespült und sofort danach beispielsweise in einemAzetonbad oder durch Besprühen mit Azeton getrocknet. Daraufhin erhält die Vorrichtung sofort einen Schutzüberzug, um ein Oxydieren oder sonstiges Korrodieren der äusseren magnetschen Schicht zu verhindern. Dieser Überzug kann durch Eintauchen der getrockneten Vorrichtungen in ein geeignetes feuchtigkeitsbeständiges selbsthärtende Harz, beispielsweise Urethanharz, aufgebracht werden. Sobald der Schutzüberzug ausgehärtet oder getrocknet ist, kann die magnetische Vorrichtung
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Wird ein fadenförmiger Glasträger mit einer dünnen Silber ablagerung an Stelle eine Metalldrahtes verwendet, dann werden die gleichen Galvanisierungsverfahren, wie die im vorangegangenen beschrieben, angewendet.
Das Glas muss jedoch zunächst mit einer Silberschicht überzogen werden. Dies geschieht auf folgende Weise : Zunächst wird der Glasfaden beispielsweise durch eine Lösung aus Natriumdichromat und Schwefelsäure bei einer Temperatur von 550C chemisch gereinigt und mit Wasser nachgespült und anschliessend durch Eintauchen in eine Zinnchloridlösung sensibilisiert. Der Glasfaden wird nun mit einer geeigneten Versilberungs- und Silberreduktionslösung besprüht. Hiebei wird der Faden
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Oberfläche entsteht.
Die Silberablagerung kann während eines einmaligen langsamen Bewegens durch den Sprühbereich aufgebracht werden. Eine noch gleichmässigere Schicht entsteht jedoch durch mehrmaliges schnelles Bewegen des. Fadens durch den Sprühbereich, wobei der Träger nach jedem Durchbewegen mit destilliertem Wasser abgespült wird, um alle nichtgebundenen Silbersalze zu entfernen. Das Verfahren wird so oft wiederholt, bis sich auf dem Träger eine genügend dicke Silberschicht abgelagert hat. Wie bereits ausgeführt, soll die Silberablagerung so dünn sein, dass gerade noch eine ausreichende Leitfähigkeit für die anschliessenden Galvanisierungsverfahren besteht. Der versilberte Faden kann dann in die galvanischen Bäder eingeführt werden, in denen es nacheinander die beiden magnetischen Schichten erhält.
Durch entsprechende Abänderungen der galvanischen Bäder lässt sich der Prozentsatz von Eisen in beiden magnetisierbaren Schichten variieren. Es wurden folgende Beispiele von Legierungskombinationen, die durch niedrige Sättigungsfeldstärke (10 Oersted) und schnelle Schaltzeit (50 Nanosekunden) gekennzeichnet sind, hergestellt (Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht) :
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<tb>
<tb> Permalloy-Schicht <SEP> Schicht <SEP> mit <SEP> geringem
<tb> Ni-Gehalt
<tb> Beispiel <SEP> Fe <SEP> : <SEP> Ni <SEP> : <SEP> Co. <SEP> axiales <SEP> Feld <SEP> während <SEP> Fe <SEP> : <SEP> Ni <SEP> : <SEP> Co
<tb> des <SEP> Galvanisierens
<tb> A <SEP> 20 <SEP> : <SEP> 80 <SEP> : <SEP> 0 <SEP> keines <SEP> 98. <SEP> 2. <SEP> 0 <SEP>
<tb> B <SEP> 20. <SEP> 79. <SEP> 1 <SEP> beliebig <SEP> 100 <SEP> : <SEP> 0 <SEP> : <SEP> 0 <SEP>
<tb> C <SEP> 20 <SEP> :
<SEP> 80 <SEP> : <SEP> 0 <SEP> beliebig <SEP> 98 <SEP> : <SEP> 0 <SEP> : <SEP> 2
<tb>
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In allen diesen Beispielen beträgt die Dicke der Schicht etwa 4000 A. In Beispiel A wurde die magnetische Schicht ohne Anlegen eines magnetischen Feldes aufgalvanisiert, während in den Beispielen B und C das Galvanisieren sowohl mit wie auch ohne ein axiales magnetisches Feld erfolgen kann.
In Fig. 1 sind zwei typische Hysteresiskurven gezeigt, die während des Betriebes einer erfindungsgemässen bistabilen magnetischen Vorrichtung oszillographisch aufgenommen wurde. Die Kurve U veranschaulicht die Grenzwertkurve, bei der ein hoher Wert der magnetischen Feldstärke H keine Änderung der Induktion B hervorruft. Die Kurve Z veranschaulicht eine durch weniger als den doppelten Wert der zur Erzeugung der Kurve U verwendeten Feldstärke verursachte Induktionsänderung. Der hohe Grad der Rechteckigkeit der Hysteresiskurve Z und der grosse Schwellenwert der Feldstärke, innerhalb der die Induktion sich nicht verändert, sind besonders hervorstechend Eigenschaften der Erfindung, die sich besonders bei der Verwendung der Vorrichtung zu Speicher- und Schaltzwecken vorteilhaft auswirken. Das Verhältnis B/B ist grösser als 0, 95.
Es sei bemerkt, dass die Sättigungsfeldstärke für diese Vorrichtung weniger als 10 Oersted, nämlich nur etwa 8 Oersted beträgt.
Während bekannte ringförmige Ferritkerne Umschaltzeiten von etwa 0, 5 bis 5 Mikrosekunden besitzen, hat eine bistabile magnetische Vorrichtung nach der Erfindung eine Umschaltzeit von nur etwa 50 Nanosekunden, was aus der Kurve für die Ausgangsspannung einer solchen Vorrichtung in Fig. 2 hervorgeht, die eine oszillographische Aufzeichnung wiedergibt. Diese Ausgangsspannung wird durch Anlegen eines Treiberimpulses von etwa 250 Milliampere, wie in dem oberen Teil der Fig. 2 gezeigt, ver- ursacht. Die Umschaltzeit von 50 Nanosekunden ist mindestens um eine Grössenordnung niedriger als bei herkömmlichen ringförmigen Ferritkernen.
Ein wichtiges und überraschendes Ergebnis der durch die Fig. l und 2 veranschaulichten Erfindung besteht ferner darin, dass die Hysteresiskurve für die mit mehreren magnetischen Schichten versehene Vorrichtung derjenigen einer homogenen Vorrichtung gleicht, während die Sättigungsfeldstärke durch Ver- ändern der Dicke der normalerweise eine niedrige Sättigungsfeldstärke besitzenden Teilschicht variiert werden kann. Ein noch wichtigeres Merkmal der erfindungsgemässen, mehrere magnetische Schichten aufweisenden Vorrichtung besteht in der niedrigen Umschaltzeit, die nicht durch die normalerweise hohe zwischen 0, 5 und 5 Mikrosekunden liegende Umschaltzeit der Permalloy-Schicht beeinträchtigt wird.
Da an Hand der im vorangegangenen aufgezeigten Gesichtspunkte für den Fachmann verschiedene Abwandlungen des Erfindungsgegenstandes naheliegen, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Obwohl im vorangegangenen die Anwendung eines galvanischen Verfahrens beschrieben wurde, kann zum Aufbringen der dünnen magnetischen Filme selbstverständlich auch ein beliebig anderes Verfahren angewendet werden, wie z. B. Aufdampfen, chemische Ablagerung oder Aufsprühen.