DE1190986B - Datenspeicher mit einem Magnetschichtelement axialer Anisotropie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

ti V3k

Deutsche Kl.: 21 al-37/60

Nummer: 1190 986

Aktenzeichen: J 21570IX c/21 al

Anmeldetag: 6. April 1962

Auslegetag: 15. April 1965

Die Erfindung betrifft einen Datenspeicher mit einem Magnetschichtelement axialer Anisotropie.

Es ist bekannt, dünne Magnetschichtelemente so herzustellen, daß sie eine uniaxiale Anisotropie aufweisen, d. h. daß ihre remanente Magnetisierung parallel zu einer Vorzugsachse ausgerichtet ist. In dieser Vorzugsachse kann die remanente Magnetisierung entsprechend ihrer Polarität eine von zwei Richtungen annehmen. Die Elemente sind daher bistabil und somit zur Speicherung von Binärinformationen geeignet.

Es wurde bereits vorgeschlagen, für Schiebe- und Matrizenspeicher anisotropische Magnetschichtelemente zu verwenden. Bei diesen Einrichtungen erfolgt die Abfühlung von Binärinformationen ebenso wie deren Speicherung durch die Umkehrung der Polarität der remanenten Magnetisierung. Diese Umkehrung des Magnetisierungszustandes eines Magnetschichtelementes erfordert ein steuerndes Magnetfeld hoher Intensität, dessen Erregung störende Streufelder zur Folge hat.

Zur Übertragung der Information zwischen Speicherelementen wurde ferner schon vorgeschlagen, den Vektor der Magnetisierung zum Zweck der Abfühlung eines Magnetschichtelementes durch ein senkrecht zur Vorzugsachse wirkendes Magnetfeld nur kurzzeitig aus der Vorzugsachse auszulenken. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß die erforderliche Intensität des steuernden Magnetfeldes wesentlich geringer ist. Außerdem wird der Vorgang der Abfühlung dadurch beschleunigt, und der Binärzustand des Elementes wird durch die Abfühlung nicht geändert. Bei einer Einrichtung dieser Art erfolgt die Speicherung einer Information durch zwei koinzident auftretende Magnetfelder. Das eine Magnetfeld bewirkt die Auslenkung des Vektors der Magnetisierung bis annähernd senkrecht zur Vorzugsachse, und das andere Magnetfeld wirkt in Richtung der Vorzugsachse mit einer Polarität, die im Sinne der zu speichernden Binärinformation ausgerichtet ist. Um diese Art der Speicherung durchzuführen, ist es notwendig, zwei steuernde Magnetfelder vorzusehen, die genau koinzident auftreten.

Dieser Aufwand wird bei einem Datenspeicher gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß das Magnetschichtelement mehrere Vorzugsachsen der remanenten Magnetisierung aufweist.

Magnetschichtelemente dieser Art können so hergestellt sein, daß sie eine sogenannte biaxiale Anisotropie aufweisen, d. h. daß zwei Vorzugsachsen der remanenten Magnetisierung vorhanden sind. Solche Elemente bieten den Vorteil, daß es nicht notwendig Datenspeicher mit einem Magnetschichtelement
axialer Anisotropie

Anmelder:

International Business Machines Corporation,
Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Emerson W. Pugh, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. April 1961 (102184)

ist, zur Speicherung und Abfühlung von Informationen entweder die Intensität eines steuernden Magnetfeldes sehr groß zu wählen oder zwei steuernde Magnetfelder von kleinerer Intensität koinzident auftreten zu lassen. Zur Abfühlung und zur Speicherung der Information ist jeweils nur eine Wicklung erforderlich, und die Koinzidenz von Steuerimpulsen ist nicht einzuhalten. Bei Speichern hoher Arbeitsgeschwindigkeit wird dadurch die Betriebssicherheit wesentlich erhöht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine aus Magnetschichtelementen bestehende Matrix mit den zugehörigen Speicher- und Abfühleinrichtungen;

F i g. 2 und 3 zeigen verschiedene räumliche Ausbildungen eines Magnetschichtelementes; in

F i g. 4 ist das Diagramm der Impulse dargestellt, durch die an einem Magnetschichtelement Daten gespeichert und abgefühlt werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Magnetschichtelement a hat in Richtung der Pfeile 18 α und 20 a zwei

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Vorzugsachsen der remanenten Magnetisierung. Parallel zu diesen Vorzugsachsen kann die Magnetisierung entsprechend ihrer Polarität je eine von zwei Richtungen annehmen. Durch eine der Magnetisierungsrichtungen in der Achse 18 a wird entweder die Binärinformation 1 oder 0 dargestellt. Die remanente Magnetisierung entlang der Achse 20 a dient der Abfühlung des Elementes und wird entsprechend der Richtung des Pfeiles stets mit der gleichen Polarität eingestellt. Das Element 10 a hat demnach drei stabile Zustände der remanenten Magnetisierung. Die Magnetisierung der Achse 18 a ist durch einen der in Fig. 4 dargestellten Magnetfeldimpulse H_x einstellbar. Diese Magnetfeldimpulse können gemäß der Darstellung entweder positive oder negative Polarität aufweisen, um eine der Binärinformationen 0 oder 1 zu speichern. Die abfühlenden Magnetfeldimpulse H_w haben nur eine Polarität.

Die Fig. 1 zeigt eine Matrix der Magnetschichtelemente 10. Jeder Reihe der Matrix ist eine der Speicherleitungen X₁, X₂, X₃ zugeordnet. Die Magnetfelder dieser Speicherleitungen sind zu der Vorzugsachse 18 a der Elemente 10 parallel ausgerichtet. Die Speicherleitungen X₁ bis Z₃ sind mit einer Speicheradressensteuerung 14 verbunden. Zu jeder Spalte der Matrix gehört eine der Treiberleitungen W₁, W₂, W₃. Diese sind mit der Wortabfühlsteuerung 12 verbunden. Die Leitungen S₁, S₂, S₃ dienen der Abfühlung von Informationen. Ihre Felder sind zur Vorzugsachse 20 a der Elemente 10 parallel ausgerichtet. Diese Leitungen sind mit den Belastungswiderständen 1O₁, 16₂ und I63 verbunden.

Die Matrix der Elemente 10 dient der Speicherung von Informationswörtern. Jeweils eines der Informationswörter wird in einer der Spalten der Matrix gespeichert. Der Betrieb des Speichers erfolgt in der Weise, daß in einem ersten Zeitabschnitt das Informationswort einer Spalte abgefühlt wird. Diese Abfühlung erfolgt durch die Auswahl einer der Leitungen W₁ bis W₃ in der Wortabfühlsteuerung 12. Durch diesen Vorgang wird die Speicherung eines neuen Informationswortes in der ausgewählten Spalte vorbereitet. In einem zweiten Zeitabschnitt werden Leitungen X₁ bis X₃ aus der Speicheradressensteuerung entsprechend einer vorgegebenen Information positive oder negative Impulse zugeführt. In dieser Weise wird das neue Informationswort in der ausgewählten Spalte der Matrix gespeichert.

Das Verhalten von Magnetschichtelementen uniaxialer und biaxialer Anisotropie wird durch die folgenden Energiegleichungen bestimmt:

Eu = K₁J sin² θ (uniaxiale Anisotropie),
Eβ = ¹A K_B sin² 2 Θ (biaxiale Anisotropie) .

Die Werte E_u bzw. E_B zeigen, welche magnetischen Energien notwendig sind, um bei einem Element uniaxialer bzw. biaxialer Anisotropie den Vektor der remanenten Magnetisierung aus der Vorzugsachse um den Winkel Θ auszulenken. Ein Magnetschichtelement kann abhängig von seiner Herstellung einfach biaxiale, komplex biaxiale oder uniaxiale Anisotropie aufweisen. Diese Eigenschaften der Elemente werden durch die Konstanten Ky und K_B bestimmt. An Hand einer Tabelle wird der Einfluß der Verhältniszahlen K_V/K_B auf die Magnetfelder, die zur Steuerung eines Magnetschichtelementes notwendig sind, näher erläutert.

	} °	#(180°)	H (90°)	H(90°)
	0,3	Umschal	Einstel	Einstel
	0,6	tung ent lang der Speicher achse	lung in Abfühi- achse	lung in Speicher achse
Einfach Biaxial	1	0,27	0,27
Komplex ....	1,3	0,38	0,15
Biaxial	1,6	0,52	0,07

Ein Magnetschichtelement ist einfach biaxial, wenn Konstante K₁J gleich 0. Für diesen Fall hat das steuernde Magnetfeld H (180°), das parallel einer der Vorzugsachsen angelegt wird, um den Vektor der remanenten Magnetisierung umzukehren, den Wert 1. Um den Vektor der Magnetisierung aus einer der Vorzugsachsen in die dazu senkrecht angeordnete andere Vorzugsachse zu steuern, wird ein Magnetfeld benötigt, das erhalten wird, wenn man den generellen Wert mit dem Faktor 0,27 multipliziert. In entsprechender Weise können zu anderen Verhältniszahlen der beiden Konstanten K_v und K_B die Werte der Steuermagnetfelder entnommen werden. Hat dieses Verhältnis einen Wert zwischen 0 und 1, so wird das Magnetschichtelement komplex biaxial. Die in einer der beiden senkrecht zueinander angeordneten Vorzugsachsen wirkende remanente Magnetisierung ist dominierend. Diese dominierende Achse entspricht der in Fi g. 2 dargestellten Vorzugsachse 18a, die zur Speicherung der Binärwerte benutzt wird. Gemäß der Zeile 2 der Tabelle ist zur Drehung der Magnetisierung aus der Vorzugsachse 18 a in die Vorzugsachse 20 a ein Magnetfeld des Wertes 0,38 erforderlich. Dieses Magnetfeld hat nur den Wert 0,15, wenn die Magnetisierung aus der Achse 20 a in die Achse 18 a gedreht werden soll.

Diese unterschiedliche Energie der in den beiden Vorzugsachsen wirkenden remanenten Magnetisierungen wird noch deutlicher, wenn das Verhältnis der beiden Konstanten den Wert 0,6 annimmt. Wird dieses Verhältnis größer als 1, so ist das Magnet-Schichtelement uniaxial.

Die in F i g. 1 dargestellten Magnetschichtelemente 10 der Speichermatrix können entweder einfach biaxiale oder komplex biaxiale Anisotropie aufweisen. Die Abfühlung des Informationswortes der ersten Spalte erfolgt in der Weise, daß der Leitung W₁ der Impuls H_w zugeführt wird. Dieser Impuls bewirkt, daß in allen Elementen der Spalte die Magnetisierungen parallel zur Vorzugsachse 20 a ausgerichtet werden, dadurch werden abhängig von der Information der einzelnen Elemente 10 in den Leitungen S₁ bis S₃ positive oder negative Spannungsimpulse erzeugt. Diese werden in den Einrichtungen 16j bis I63 ausgewertet.

Durch die Abfühlung der ersten Spalte der Matrix wurden deren Elemente zur Speicherung von Informationen vorbereitet. Diese Vorbereitung ergibt sich dadurch, daß die remanenten Magnetisierungen aller Elemente in Richtung des Vektors der Vorzugsachse 20 a ausgerichtet sind. Gemäß der Darstellung nach F i g. 4 erfolgt diese Abfühlung durch einen Impuls H_w während eines ersten Zeitabschnitts. In einem zweiten Zeitabschnitt werden den Leitungen X₁ bis X₃ in Abhängigkeit von den zu speichernden Infor-

mationen positive oder negative Impulse H_x zugeführt. Diese Impulse bewirken die Umstellung der Magnetisierungen der Elemente 10 von der Achse 20« in die Achse 18 α. In dieser Weise werden die Binärwerte eines ganzen Informationswortes gespeichert.

Die Tabelle zeigt, daß bei wachsender Größe der Konstanten Ky die eine Achse eines Magnetschichtelementes bezüglich der remanenten magnetischen Wirkung immer stärker den Vorzug erhält. Die zweite Spalte der Tabelle enthält die entsprechenden Werte eines steuernden Magnetfeldes, das notwendig ist, um den Vektor der remanenten Magnetisierung aus der einen Richtung der Achse in die Gegenrichtung der Achse umzukehren. Daraus geht hervor, daß einfach biaxiale Magnetschichtelemente am besten geeignet sind für die Verwendung in Binärspeichern, weil das für die Steuerung notwendige Magnetfeld den geringsten Wert aufweist. Dieser Unterschied bezüglich der aufzuwendenden magnetischen Feldstärke wird noch deutlicher durch die Werte, die in der dritten und vierten Spalte der Tabelle enthalten sind. Diese Werte zeigen, daß bei einem einfachen biaxialen Magnetschichtelement der Vektor der remanenten Magnetisierung aus einer stabilen Lage durch eine 90°-Drehung in seine andere stabile Lage schaltbar ist durch ein steuerndes Magnetfeld, für das nur der Wert 0,27 aufzuwenden ist. Die in F i g. 1 dargestellte Speichermatrix enthält ausschließlich Magnetschichtelemente biaxialer Anisotropie. Bei diesen Elementen ergeben sich alle Vorgänge der Speicherung und der Abfühlung von Informationen dadurch, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung um 90° gedreht wird.

Die Intensität der steuernden Magnetfelder kann dadurch sehr klein gehalten werden. Zur Abfühlung und Speicherung einer Information ist jeweils nur eine Wicklung erforderlich, und die Koinzidenz von Steuerimpulsen ist nicht einzuhalten.

Wenn durch einen Treiberimpuls der Leitung W₁ die Elemente 10 der ersten Spalte abgefühlt werden, so entstehen in den Leitungen S₁ bis S₃ Ausgangsimpulse. Diese Impulse beeinflussen auch die Elemente 10 der zweiten und dritten Spalte, deren Magnetisierungen entsprechend ihrer Speicherwerte in der Vorzugsachse 18 α ausgerichtet sind. Diese Speicherwerte sollen durch den Vorgang der Abfühlung der ersten Spalte nicht geändert werden. Eine Änderung wird jedoch eintreten, wenn die in der Tabelle angegebenen Werte für H (180°) überschritten werden. Die Amplituden der Impulse H_w und die Kopplungen zwischen den Elementen 10 der Matrix sind daher so zu bemessen, daß die Elemente der übrigen Spalten bei der Abfühlung einer Spalte nicht beeinflußt werden. Auch die an den Leitungen X₁ bis Z₃ auftretenden Speicherimpulse H_x sind so zu bemessen, daß die Magnetisierungen der Elemente 10 nur um 90°, aber nicht um 180° gedreht werden können. Die Möglichkeit einer umgewollten Beeinflussung der Magnetschichtelemente wird weitgehend vermieden, wenn Elemente komplex biaxialer Anisotropie verwendet werden. Der dominierenden Vorzugsachse eines solchen Elementes wird die Funktion der Speicherung zugeordnet. Die zur Drehung der Magnetisierung aufzuwendende Steuerenergie wird dadurch erhöht.

Die Magnetschichtelemente der beschriebenen Matrix können auch ringförmig ausgebildet sein, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Die zylindrische Oberfläche des Elementes 10 b trägt eine dünne Magnetschicht. Die remanente Magnetisierung dieser Schicht ist entlang der Vorzugsachse 18 b und 20 & einstellbar. Zur Speicherung von Binärwerten wird die Magnetisierung der Vorzugsachse 18 b gewählt. Dadurch wird die gespeicherte magnetische Energie des Elementes 10 b mit den Leitungen X bzw. S, die der Speicherung bzw. der Abfühlung dienen, fest gekoppelt. Der am Umfang des Elementes 10 b angeordnete Bandleiter W dient der Abfühlsteuerung.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Datenspeicher mit einem Magnetschichtelement axialer Anisotropie, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetschichtelement (10 a, 10 b) mehrere Vorzugsachsen (18 a, l%b) der remanenten Magnetisierung aufweist (Fig. 2).

2. Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Vorzugsachsen vorgesehen sind, die einen vorzugsweise rechten Winkel einschließen.

3. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung aus den Vorzugsachsen durch ein steuerndes, vorzugsweise rechtwinklig zur Vorzugsachse gerichtetes Magnetfeld (H_x, H_w) auslenkbar ist.

4. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung aus den Vorzugsachsen durch steuernde Magnetfelder gleicher Intensität und vorzugsweise rechtwinkliger Ausrichtung zu den Vorzugsachsen um den gleichen Drehwinkel auslenkbar ist.

5. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung aus den Vorzugsachsen durch steuernde Magnetfelder gleicher Intensität und vorzugsweise rechtwinkliger Ausrichtung zu den Vorzugsachsen um verschiedene Drehwinkel auslenkbar ist.

6. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Magnetschichtelement (10) steuernde Treiberwicklungen (X₁, W₁) zur Aufzeichnung und Abfühlung von Informationen und eine Wicklung (S₁) zur Entnahme von Informationen angeordnet sind (Fig.l).

7. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Polarität der remanenten Magnetisierung, die in einer ersten Vorzugsachse (18 d) der Magnetisierung liegt, eine Binärinformation (0, 1) darstellbar ist (Fig. 2).

8. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis⁵ 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einstellung des Vektors der Magnetisierung in eine vorgegebene Richtung (20 a) der zweiten Vorzugsachse die gespeicherte Binärinformation abfühlbar ist (Fig. 2).

9. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des steuernden Magnetfeldes für eine vorgegebene Drehauslenkung des Vektors der remanenten Magnetisierung aus der zweiten Vorzugsachse

(20 α) kleiner ist als für die vorgegebene Drehauslenkung des Vektors der remanenten Magnetisierung aus der ersten Vorzugsachse, die zur Speicherung der Binärinformation vorgesehen ist (Fig. 2).

10. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetschichtelement als ebenes Element (10 a) ausgebildet ist (F i g. 2).

11. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetschichtelement als ringförmiges Element (10 b) ausgebildet ist, an dessen Umfang ein Bandleiter (W) und in dessen Öffnung Drahtleiter (X, S) angeordnet sind (F i g. 3).

12. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 9 und 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Magnetschichtelemente (10) in Form einer Matrix angeordnet sind (F i g. 1).

13. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Magnetschichtelementen (10) zur Speicherung von Binärinformationen Magnetfeldimpulse (H_x) vorgegebener Größe und wählbarer Polarität zugeführt werden (F i g. 4).

14. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Magnetschichtelementen (10) zur Abfühlung von Binärinformationen Magnetfeldimpulse (H_w) vorgegebener Größe und einer vorgegebenen Polarität zugeführt werden (F i g. 4).

15. Datenspeicher nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung eines Magnetschichtelementes (10) zur Speicherung einer Binärinformation von der zweiten Vorzugsachse (20 a) in die erste Vorzugsachse (18 a) gesteuert wird (Fig. 2).

16. Datenspeicher nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektor der remanenten Magnetisierung eines Magnetschichtelementes (10) zur Abfühlung einer Binärinformation von der ersten (18 a) in die zweite Vorzugsachse (20a) gesteuert wird (Fig. 2).

17. Datenspeicher nach den Ansprüchen 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß einer auswählbaren Spalte (PF₁ bis W₃) einer Matrix von Magnetschichtelementen (10) Abfühlimpulse zugeführt werden (F i g. 1).

18. Datenspeicher nach den Ansprüchen 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß den Reihen (X₁ bis Z₃) einer Matrix von Magnetschichtelementen (10) Speicherimpulse zugeführt werden (F i g. 1).

19. Datenspeicher nach den Ansprüchen 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß einer Spalte (W₁) einer Matrix von Magnetschichtelementen (10) Abfühlimpulse (H_w, H_x) solcher Bemessung zugeführt werden, daß sich in den Magnetschichtelementen (10) der übrigen Spalten (W₂, W₃) die Größe und die Lage der remanenten Magnetisierung nicht ändern (F i g. 1).

20. Datenspeicher nach den Ansprüchen 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Datenspeicherung eine Abfühlung des Speicherelementes zeitlich vorgeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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