DE1222597B - Aus duennen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehendes Bauelement fuer Schalt- und Speicherzwecke - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIf

Deutsche KL: 21g-31/02

H 34926 VIII c/21g
27. November 1958
11. August 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement für Schalt- und Speicherzwecke, das aus dünnen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung besteht, wobei eine erste dünne magnetische Schicht auf einer festen Unterlage aufgetragen ist. Das erfindungsgemäße Bauelement ist insbesondere für Rechensysteme, Logikschaltungen und Speicheranordnungen oder -schaltungen bestimmt.

Es ist zwar bekannt, daß man magnetische Schichten im Vakuum aufdampfen kann; es ist auch bekannt, mehrere magnetische Schichten jeweils unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht aufzutragen, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Auch ist es bekannt, elektrisch leitende Beläge auf einem der bekannten magnetischen, ringförmigen Kerne anzubringen. Auch ist bekannt, diese magnetischen Schichten auf einer elektrisch leitenden Röhre anzubringen, wobei wohl sowohl die Röhre selbst wie auch durch die Röhre geführte Drähte als Leiter dienen. Auch ist so bereits eine Speichermatrix bekannt, bei der auf einer ebenen Unterlage eine magnetische Schicht aufgebracht ist, die Aussparungen aufweist, durch die aus Draht gebildete Leiter hindurchgeführt werden, so daß also die Leiter in dem für die Funktion des EIementes wesentlichen Bereich senkrecht zur Ebene der magnetischen Schicht verlaufen.

Dabei bildet sich um jeden stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld mit konzentrisch um den Leiter verlaufenden Feldlinien aus, dessen Feldstärke mit zunehmender Entfernung von dem Leiter abnimmt. Da die für die Ummagnetisierung eines bestimmten Bereiches der magnetischen Schicht erforderliche Zeit bei abnehmender magnetischer Feldstärke zunimmt, werden die von einem Leiter weiter entfernen Bereiche langsamer ummagnetisiert als die nahen, und es ergeben sich bei diesen Anordnungen insgesamt wesentlich längere Schaltzeiten, als den Erwartungen entspricht.

Demgegenüber ist das aus dünnen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehende Bauelement gemäß der Erfindung, das eine auf einer festen Unterlage aufgetragene erste dünne magnetische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Schicht die elektrische Leiteranordnung in Form von übereinanderliegenden dünnen isolierenden und elektrisch leitenden Schichten und darauf eine zweite dünne magnetische Schicht aufgebracht ist, die die erste Schicht an zwei einander gegenüberliegenden Rändern berührt.

Eine derartige Anordnung hat gegenüber den bekannten Anordnungen den Vorteil, daß alle Teile der Aus dünnen magnetischen Schichten und
einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung
bestehendes Bauelement für Schalt- und
Speicherzwecke

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,

Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,

Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:

Kent D. Broadbent,· San Pedre, CaUf. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1957
(699 850)

beiden magnetischen Schichten etwa den gleichen, sehr kleinen Abstand von dem mit ihnen gekoppelten elektrischen Leitern haben, so daß die Schaltzeiten äußerst kurz und die erforderlichen Schaltströme, somit auch die zum Schalten bzw. Ummagnetisieren der magnetischen Schicht erforderliche Leistung, klein sind. Die niedrigen Schaltströme ermöglichen den Aufbau von Schaltanordnungen unter Verwendung handelsüblicher Transistoren.

Da die elektrischen Leiter erfindungsgemäß nicht aus Draht, sondern durch elektrisch leitende Schichten gebildet sind und damit das ganze Bauelement lediglich aus übereinander angeordneten dünnsten Schichten besteht, beträgt der Raumbedarf des erfindungsgemäßen Bauelementes nur einen kleinen Bruchteil des Raumbedarfes der bekannten, vergleichbaren Bauelemente. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Bauelementes für Speichermatrizen u. dgl. ein ganz entscheidender Vorteil; denn gerade bei diesen Bauelementen verlangt die Technik heute immer stärkere Verkleinerung der Abmessungen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein.

609 609/302

I 222 597

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Ausführungsbeispiel ist eine einzige leitende Schicht Erfindung dargestellt. 29 angeordnet, die von den magnetischen Schichten

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines durch Isolierschichten getrennt ist. Die leitenden und bekannten magnetischen Schaltelementes und seiner isolierenden Schichten müssen schmaler als die Bewicklung; - 5 magnetischen Schichten 27 und 28 sein, damit die

F i g. 2 zeigt schaubildlich eine Grundform eines Schichten 27 und 28 sich an ihren Längsseiten noch erfindungsgemäßen, aus dünnen magnetischen und überlappen können, um den magnetischen Kreis zu elektrischen Schichten bestehenden Bauelementes; schließen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen verzerrt und ver- Im folgenden wird der Aufbau einer als »und«-

größert gezeichneten senkrechten Schnitt durch eine 10 Sdhaltelement arbeitenden Ausführungsform in Ver-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelemen- bindung mit den F i g. 3 und 4 erläutert. Als Auflage tes, wobei die Leitungsdrähte entfernt sind; für die dünnen magnetischen Schichten ist ein Träger

F i g. 4 zeigt ein auseinandergezogenes und ver- 30 vorgesehen, der aus einem isolierenden Werkstoff, größertes Schaubild der einzelnen dünnen Schichten, beispielsweise aus handelsüblichem weichem Glas, die das magnetische Element nach F i g. 3 aufweist 15 besteht. Es können jedoch auch andere, höhere Tem- und wie diese Schichten aufeinanderfolgen. peraturen aushaltende Werkstoffe verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Bauelement gehört zu der Die dargestellte Ausführungsform des magnetischen

Gattung der in F i g. 1 dargestellten, bekannten Ring- Schaltelementes, die aus 15 im Vakuum aufgedampfkernspeicher oder -schaltelemente. Dieses magnetische ten dünnen Schichten mit magnetischen, leitenden Bauelement enthält einen Kern 10, der einen einzigen 20 oder isolierenden Eigenschaften besteht, entspricht Flußweg aufweist und aus einem Werkstoff mit einer in ihrer Funktion dem logischen »und«-Schaltelement im wesentlichen rechteckigen Hysteresisschleife be- der F i g. 1 unter Verwendung von nur zwei Steuersteht. Der Kern 10 trägt mehrere Drahtwicklungen, wicklungen.

die bei der dargestellten Ausführungsform so ange- Die Dicke der einzelnen Schichten liegt im Bereich

ordnet sind, daß das Bauelement als logisches »und«- 25 zwischen 1000 und 25 000 A, die Gesamtdicke des Schaltelement betrieben werden kann, nämlich eine auf der Unterlage 30 aufgebrachten magnetischen magnetisch mit dem Kern 10 gekoppelte Eingangs- Schaltelementes somit in der Größenordnung von wicklung 14, eine Ausgangswicklung 16 und vier 0,015 mm. Die Länge der beiden aus Permalloy.be-Steuerwicklungen 18, 20, 22 und 24. Die Zahl der stehenden magnetischen Schichten beträgt ungefähr Steuerwicklungen an einem Logikelement hängt im 30 5 mm, die Breite beispielsweise 0,6 mm. Bei einer allgemeinen von der gewünschten logischen Ver- derartigen Anordnung von dünnen Schichten überknüpfung zwischen den Steuergrößen ab. Die Ein- lappen sich die Enden der magnetischen Schichten gang§wicklung; ist.. mit einem nicht gezeichneten 32 und 34 an den Rändern, damit ein geschlossener Impulsgeber verbunden, die -Ausgangswieklung 16 magnetischer Aufbau bzw. ein geschlossener Flußweg kann beispielsweise einen Transistor entsperren 35 entsteht, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Nur der od. dgl. Ie nach .der, dem Kern durch die Steuer- besseren Erläuterung wegen ist dies in Fig. 3 nicht wicklungen eingeprägtenMagnetisierungsrichtung dargestellt. . ; -^P » ?lj

entsteht bei einem Impuls in* der Eingangsleitung 14 , Zwischen diesen magnetischen Schichten 32 und 34 in der Ausgangsleitung 16 entweder keinlmpuls oder ist eine Mehrzahl von isolierenden und leitfähigen ebenfalls ein Impuls. DieSe Arbeitsweise eines Ring- 40 dünnen Schichten angeordnet. Die Schichten sind kernspeichers ist bekannt. Es wird jedoch in diesem nacheinander auf die Unterlage 30 über die magne-Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die Zahl tische Schicht 32 aufgetragen und bilden gegeneinder BeeinflussungsmögKchkeiten der Magnetisierung ander isoliert zwei Steuerwicklungen, die Eingangsdes Kernes lediglich durch den Raum begrenzt wird, wicklung und die Ausgangswieklung. Die Ausgangsder zum Anbringen von Steuerwicklungen um den 45 wicklung besteht aus einer elektrischen Schleife um Kern verfügbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen die magnetische Schicht 34, wie später noch näher Schaltelement, das aus einzelnen dünnen Schichten erläutert wird. Eine dünne leitfähige Schicht 36 ist aufgebaut ist, sind wegen des geringen Platzbedarfes ebenfalls zwischen, den magnetischen Schichten 32 sehr viele Steuerwicklungen möglich. und 34 angeordnet, die als elektrostatische Abschir-

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte, bekannte 50 mung dient. Unmittelbar auf der magnetischen Schaltelement, besteht aus einem massiven Ringkern Schicht 32 liegt eine Isolierschicht 38 aus Siliziumaus ferromagnetischem Werkstoff mit jeweils in einer monoxyd. Die Isolierschicht 38 hat eine Breite von oder mehreren Windungen um den Ring gewundenen 0,38 τητη und ist längs der Mittellinie der magne-Wicklungen aus Draht. tischen Schicht 32 angeordnet. Diese Isolierschicht

Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführungs- 55 38 erstreckt sich über die Enden der magnetischen form der Erfindung weist an Stelle des massiven Schicht 32 hinaus. Die erste Steuerwicklung wird Ringkernes zwei extrem dünne, auf eine ebene Unter- durch die leitende Schicht 40 dargestellt, die direkt lage aufgetragene magnetische Schichten und an Stelle über der Isolierschicht 38 so angeordnet ist, daß sie der Drahtwicklungen einzelne, zwischen oder über von der magnetischen Schicht 32 vollständig isoliert den magnetischen Schichten angeordnete leitende 60 ist. Zu diesem Zweck hat die leitende Schicht 40 nur Schichten auf. eine Breite von 0,25 mm und ist auf die Mitte der

Die. einfachste Ausführungsform gemäß Fig. 2 Isolierschicht 38 aufgetragen, wobei ihre Endbesteht aus zwei im wesentlichen gleich großen recht- abschnitte sich über die Isolierschicht 38 hinauseckigen magnetischen Schichten 27 und 28, die sich erstrecken. Diese Enden können so ausgebildet sein, nur längs zweier einander gegenüberliegender Ränder 6g daß an ihnen ein elektrisch leitender Draht zur Ver- »A« berühren. Zwischen diesen magnetischen bindung mit äußeren Schaltkreisen angeschlossen Schichten kann eine Vielzahl von elektrisch isolierten werden kann; sie können beispielsweise Lappen 40 a leitenden Schichten angeordnet sein; im vorliegenden und 40 b aufweisen.

Die vierte bis achte Schicht sind in ähnlicher Weise aufgebaut, sie bestehen aus isolierenden und leitfähigen Schichten und bilden die andere elektrisch isolierte Steuerwicklung und die Eingangswicklung. Die isolierenden Schichten sind durch die Bezugszeichen 42, 46 und 50 bezeichnet, sie haben die gleiche Breite wie die Isolierschicht 38. Die leitfähigen Schichten 44 und 48, die zwischen diesen Isolierschichten angeordnet sind, haben die gleichen Abmessungen und sind in ähnlicher Weise ausgebildet wie die leitfähige Schicht der Steuerwicklung 40. Die zweite Steuerwicklung besteht aus der leitfähigen Schicht 44 einschließlich der Lappen 44« und 44 & und ist zwischen den isolierenden Schichten 42 und 46 angeordnet, während die Eingangswicklung (Taktwicklung) aus der leitfähigen Schicht 48 mit den Lappen 48 α und 48 b besteht, die zwischen den isolierenden Schichten 46 und 50 angeordnet ist. Die neunte Schicht 36 ist eine leitende Schicht und dient zur elektrostatischen Abschirmung. Die Schicht 36 hat eine Breite von 0,25 mm und weist einen nach außen rechtwinklig abstehenden Teil 36 a auf, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht. Dieser Teil ist elektrisch mit den magnetischen Schichten 32 und 34 verbunden. Der Zweck dieser elektrostatischen Abschirmung wird weiter unten erläutert.

Die zehnte Schicht ist eine Isolierschicht 60, die gleich groß wie die übrigen Isolierschichten ist und auch in gleicher Weise als Zwischenlage angeordnet ist.

Ein Teil der Ausgangswicklung ist durch die leitfähige Schicht 52 gebildet, die unmittelbar auf die Isolierschicht 60 aufgetragen ist. Die Schicht 52 ist im wesentlichen gleich groß wie die übrigen leitfähigen Schichten und weist einen Lappen 52 a an ihrem in Fig. 4 linken Ende zur Verbindung mit äußeren Stromkreiselementen auf. Die zwölfte Schicht ist eine Isolierschicht 54, die wiederum ähnlich wie die übrigen Isolierschichten ist und auf der die magnetische Schicht 34 angeordnet ist. Die Isolierschicht 56 entspricht wieder der Schicht 54 und ist auf die gleiche Weise aufgetragen und trägt als fünfzehnte Schicht die Schlußschicht 58, die nach dem Auftragen elektrisch mit der Schicht 52 verbunden ist und gemeinsam mit dieser die Ausgangswicklung für das magnetische Schaltelement bildet. Die Schicht 58 ist eine leitfähige Schicht mit einem Lappen 58 a an dem in F i g. 4 linken Ende, deren rechtes Ende außerhalb der Isolierschichten 54 und 56 auf dem entsprechenden Ende der leitfähigen Schicht 52 aufliegt, so daß diese Schichten sich innig berühren und einen elektrischen Kreis bilden, der sich von dem linken Ende oder dem Lappen 58 α der Länge nach durch die Schicht 58 und zurück durch die Schicht 52 zu dem Lappen 52 a erstreckt. Die Ausgangswicklung bildet somit eine Schleife um die magnetische Schicht 34.

Die Steuerschichten und die Eingangsschicht sind mit der diese leitenden Schichten umfassenden Schleife der magnetischen Schichten infolge der geringen Abstände zwischen den dünnen Schichten induktiv eng gekoppelt. Jedoch muß die Kapazität zwischen den Wicklungen beachtet und gegebenenfalls verringert werden. Diese Wicklungskapazität kann auf verschiedene Art und Weise unterdrückt werden. Im vorliegenden Beispiel erschien es am bequemsten, dies durch die Abschirmschicht 36 vorzunehmen, die gegenüber den leitfähigen Schichten isoliert ist und die mit den magnetischen Schichten 32 und 34 elektrisch dadurch verbunden ist, daß die Lappen 32 a und 34 a der magnetischen Schichten und der Lappen 36 a der Abschirmschichten aufeinanderliegen. Es ist zweckmäßig, die Schichten an diesem Punkt zu erden oder mit einem Punkt eines gemeinsamen Potentials zu verbinden, der einen niedrigen Scheinwiderstand besitzt. Die zuletzt erwähnte Verbindung bewirkt eine Erdung außerhalb des magnetischen Kreises und verhindert dadurch besonders die Wirkungen kapazitiver Koppelung der Ausgangswicklung. Die Wirkung, die die Lappen 32 a und 34 a der magnetischen Schichten 32 und 34 auf die Wirkungsweise des magnetischen Kreises haben, sind hier nachweisbar klein.

Die Lappen der leitfähigen Schichten 40, 44, 48, 52 und 58 sind gestaffelt, versetzt und isoliert zueinander auf der Unterlage 30 angeordnet, um einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen den Kreisen zu verhindern. Wenn jedoch noch weitere »und«- und »oder«-Schaltkreise auf der gleichen Unterlage 30 angeordnet sind, so können die gemeinsamen Teile der einzelnen Schaltkreise, beispielsweise die Serienschaltung der Ausgangswicklungen, in einer durchgehenden Schicht auf der Unterlage 30 aufgebracht sein. Beispielsweise braucht die leitfähige Schicht 58 nicht an dem Lappen 58 α zu endigen, sondern kann statt dessen sich durch das nächste »undÄ-Schaltelement hindurch erstrecken, um einen Teil von dessen Ausgangswicklung zu bilden usw.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen magnetischen Schaltelementes erfolgt durch aufeinanderfolgendes Aufdampfen der dünnen Schichten im Vakuum unter Zuhilfenahme von Masken, die jeweils die Form der niederzuschlagenden Schicht frei lassen. Es können jedoch auch beliebige andere Verfahren zur Herstellung dünner Schichten mit genau begrenztem Umfang benutzt werden.

Die oben angegebenen Maße stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elementes dar und zeigen, welche Größen mit dem erfindungsgemäßen Aufbau verwirklicht werden können. Die Dicke der dünnen Schichten ist nach unten durch die Forderung begrenzt, daß diese Schichten noch ferromagnetisch sein sollen, während die Wirbelstromverluste die Verwendung von Schichten über einer bestimmten Dicke uninteressant erscheinen lassen. Ebenso ist auch die beschriebene Reihenfolge der fünfzehn im Vakuum niedergeschlagenen Schichten nur als Beispiel für den Aufbau eines Dünnschichtelementes, das dem in Fig. 1 dargestellten logischen »und«-Schaltelement voll entspricht, aufzufassen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Aus dünnen magnetischen Schichten und einer induktiv gekoppelten Leiteranordnung bestehendes Bauelement für Schalt- und Speicherzwecke, das eine auf einer festen Unterlage aufgetragene erste dünne magnetische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Schicht die elektrische Leiteranordnung in Form von übereinanderliegenden dünnen isolierenden und elektrisch leitenden Schichten und darauf eine zweite dünne magnetische Schicht aufgebracht ist, die die erste an zwei einander gegenüberliegenden Rändern berührt.

I 222

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Schichten im wesentlichen eine längliche Rechteckform aufweisen.

3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangswindung durch ein zusätzliches Paar von leitfähigen Schichten gebildet ist, die beiderseits einer magnetischen Schicht angeordnet sind und an einem in einem Abstand von der magnetischen Schicht liegenden Punkt miteinander verbunden sind, so daß sie eine die magnetische Schicht induktiv umfassende Schleife bilden.

4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Schichten einen sich nach außen erstrekkenden Teil aufweisen, der zur Verbindung mit anderen Stromkreiselementen dient.

5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der einzelnen Schichten im Bereich zwischen 1000 und 25 000 A liegt.

6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht zur kapazitiven Abschirmung zwischen den magnetischen Schichten angeordnet ist und mit diesen an einem bestimmten Punkt verbunden ist und daß das Element mehrere elektrisch isolierte leitfähige Schichten aufweist, die zwischen den magnetischen Schichten und der Abschirmschicht angeordnet sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Schichten in an sich bekannter Weise im Vakuum aufgedampft werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 013 803,
016 304;

deutsche Auslegeschrift N 11137, Villa/21a¹ (bekanntgemacht am 22. 11. 1956);

französisdhe Patentschrift Nr. 966 694;

USA.-Patentschriften Nr. 2724103, 2792563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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