DE69621727T2

DE69621727T2 - Bistabiles magnetisches Element und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69621727T2
Application number: DE69621727T
Authority: DE
Inventors: Kaneo Mohri
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: US5870328A; EP0763832B1; JPH0982082A; DE69621727D1; EP0763832A1; JP3321341B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bistabiles magnetisches Element, das kompakt und hochempfindlich ist sowie eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bistabilen magnetischen Elementes. Das bistabile magnetische Element der vorliegenden Erfindung ist geeignet zur Verwendung in Magnetsensorschaltern wie einem Näherungsschalter und einem digitalen Magnetschalter, die in Eingabevorrichtungen für Computer und Informationsgeräte sowie in Ausrüstungen zur Betriebsautomatisierung (BA) verwendet werden, und ist auch geeignet zur Verwendung in digitalen Magnetspeicherzellen und dergleichen für Computer und Informationsgeräte, die einen Schreib-Lese-Betrieb mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen.

Beschreibung des verwandten Fachgebietes:

Mit dem Fortschreiten der Mikro-Nano-Elektroniktechnologie und Multimediatechnologie sind Computer, tragbare Informationsterminals, AV-Ausrüstungen, BA-Ausrüstungen, Mess-/ Steuerausrüstungen usw. in Bezug auf Größenverringerung und Leistungssteigerung verbessert worden. Insbesondere auf dem Gebiet computerbezogener Ausstattungen ist dieser Trend bemerkenswert. Bei Magnetaufzeichnungsvorrichtungen, wie z. B. eine Magnetplatte und ein Magnetdiskettenlaufwerk, die als externe Speichervorrichtungen dienen, ist es auch erwünscht, eine Speichervorrichtung zu realisieren, die keinen mechanischen Bewegungsteil aufweist und die elektronische Ausführung des Schreib-Lese-Betriebs ermöglicht. Ein Beispiel einer solchen Speichervorrichtung ist eine NDRO-(nicht zerstörende Auslese)-Magnetspeicherkarte wie eine Magnet-Flash-Speicherkarte.
Um der Forderung nachzukommen, ist eine digitale Speicherzelle im Mikroformat notwendig, die eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit besitzt sowie eine einfache Gestaltung und gewünschte Sensorfunktion aufweist. Es sind jedoch noch keine magnetischen Elemente entwickelt worden, die den oben beschriebenen Anforderungen genügen.
In der Vergangenheit wurde als nicht zerstörender Magnetspeicher ein Parametronelement verwendet. Bei einem derartigen Element, das einen Ferritkern verwendet, ist jedoch die Anstiegszeit der parametrischen Erregung bei Erhalt eines Triggerimpulses lang (d. h. einige Mikrosekunden), und es sind Spulen erforderlich, was es schwierig macht, das Parametronelement als Teil einer integrierten Schaltung herzustellen. Folglich wird das Parametronelement heutzutage nicht mehr verwendet.
Danach wurde ein Twistor-Speicherelement erfunden, in dem elektrisch leitende Permalloyfolie schraubenförmig gewickelt ist. Zwar arbeitet das Twistor-Speicherelement als bistabiler Magnetspeicher, aber seine Herstellung ist aufwendig, und es ist notwendig, dem Speicherelement einen großen Strom zuzuführen. Darüber hinaus ist die Herstellung des Twistor-Speicherelementes als Teil einer integrierten Schaltung ebenfalls schwierig. Aufgrund dieser Nachteile wird das Twistor-Speicherelement heute nicht mehr verwendet.
Unterdessen wird eine riesige Anzahl von Näherungsschaltern des Magnettyps in Tastaturen und Mäusen für Computer und Textverarbeitungssysteme, Joysticks für Spielgeräte und Näherungssensoren für die Betriebsautomatisierung verwendet. Ein in dem Magnetnäherungsschalter verwendetes Kombinationsmodul aus einem Hall-Element oder MR-Element und einem Hysterese-Vergleicher benötigt jedoch ein Magnetfeld mit einigen zehn Gauss oder mehr, um zu funktionieren, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Moduls gering ist. Überdies ist die Temperaturcharakteristik des Moduls nicht stabil.
Um eine hohe Empfindlichkeit zu erhalten, kann ein Kopf mit einem Luftspaltsensor verwendet werden. Wegen entmagnetisierender Felder kann die Größe des Kopfes jedoch nicht verringert werden. Ferner ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Kopfes niedrig, weil der Kopf durch einen Spulenstrom angetrieben wird.

WESEN DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu lösen und ein bistabiles magnetisches Element bereitzustellen, das kompakt ist und eine hohe Empfindlichkeit sowie hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung des bistabilen magnetischen Elementes, wie oben dargelegt.
Zur Lösung der obigen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein bistabiles magnetisches Element bereit, in dem einem weichmagnetischen Werkstoff mit schraubenförmiger magnetischer Anisotropie ein Impulsstrom oder ein Hochfrequenzstrom mit Gleichstromvormagnetisierung zugeführt wird. Als Ergebnis wechselt die Stärke einer über den weichmagnetischen Werkstoff induzierten Spannung mit einer Hysterese im Hinblick auf eine Änderung in dem äußeren magnetischen Feld abrupt.
Daher ist es möglich, die Größe des bistabilen magnetischen Elementes zu verringern und große Änderungen der Ausgangsspannung im Hinblick auf Änderungen in äußeren magnetischen Feldern zu erhalten. Dementsprechend ist es möglich, ein bistabiles magnetisches Element zu erhalten, das eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist.
Vorzugsweise ist der weichmagnetische Werkstoff ein amorpher magnetischer Werkstoff. Da der amorphe magnetische Werkstoff einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, kann die Impedanz erhöht und die Größe des bistabilen magnetischen Elementes weiter herabgesetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, große Spannungsänderungen im Hinblick auf Änderungen in äußeren magnetischen Feldern zu erhalten.
Noch bevorzugter ist der amorphe magnetische Werkstoff ein amorpher Draht.
In diesem Fall kann die Größe des bistabilen magnetischen Elementes bis zur Größenordnung von weniger als ein Millimeter weiter herabgesetzt werden, und es ist möglich, große Spannungsänderungen im Hinblick auf Änderungen in äußeren magnetischen Feldern zu erhalten.
Alternativ dazu ist der weichmagnetische Werkstoff ein Dünnfilm.
Auch in diesem Fall kann die Größe des bistabilen magnetischen Elementes bis zur Größenordnung von weniger als ein Millimeter weiter herabgesetzt werden, und es ist möglich, große Spannungsänderungen im Hinblick auf Änderungen in äußeren magnetischen Feldern zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes bereit. Dieses Verfahren umfasst die Schritte Ziehen eines länglichen weichmagnetischen Werkstoffs mit einer Magnetostriktion, um einen dünnen Draht zu erhalten; Glühen des Drahts, während eine Spannung daran angelegt wird; Verdrehen des Drahtes um einen vorbestimmten Betrag und Befestigen beider Enden des Drahtes an Elektroden.
Wie oben beschrieben, wird eine Torsionskraft an den Draht angelegt, um unter Verwendung des magnetostriktiven Umkehreffekts eine schraubenförmige magnetische Anisotropie zu induzieren. Dementsprechend ist ein bistabiles magnetisches Element, das kompakt ist und eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, leicht herstellbar. In diesem Fall ist der Draht aus dem weichmagnetischen Werkstoff vorzugsweise ein amorpher Draht mit einer Zusammensetzung von FeCoSiB.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes bereit. Dieses Verfahren umfasst die Schritte Ziehen eines länglichen weichmagnetischen Werkstoffs mit einer Magnetostriktion, um einen dünnen Draht zu erhalten; Glühen des Drahtes in einem Zustand, in dem der Draht um einen vorbestimmten Betrag verdreht wurde; Abschrecken des Drahtes und Befestigen beider Enden des Drahtes an Elektroden.
Wie oben beschrieben, wird der Draht in einem Zustand erwärmt und abgeschreckt, in dem eine Torsionskraft auf den Draht ausgeübt worden ist, um eine schraubenförmige magnetische Anisotropie zu induzieren. Dementsprechend ist ein bistabiles magnetisches Element, das kompakt ist und eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, leicht herstellbar.
In diesem Fall ist der Draht aus dem weichmagnetischen Werkstoff vorzugsweise ein amorpher Draht mit einer Zusammensetzung von CoSiB.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes bereit. Dieses Verfahren umfasst die Schritte Formen eines langgestreckten Dünnfilms aus einem weichmagnetischen Werkstoff mit null Magnetostriktion; Glühen des Dünnfilms in einem Zustand, in dem ein umlaufendes magnetisches Gleichfeld und ein magnetisches Längsgleichfeld gleichzeitig an den Dünnfilm angelegt werden, und Befestigen beider Enden des ausgeglühten Dünnfilms an Elektroden.
Wie oben beschrieben, wird die schraubenförmige magnetische Anisotropie durch ein sog. "orthogonales Magnetfeld-Glühverfahren" induziert, bei dem der Glühvorgang in einem Zustand durchgeführt wird, in dem ein Gleichstrom (d. h. umlaufendes magnetisches Gleichfeld) und ein magnetisches Längsgleichfeld gleichzeitig an den Dünnfilm angelegt werden.
Dementsprechend ist ein bistabiles magnetisches Element, das kompakt ist und eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, leicht herstellbar.
In diesem Fall wird als der Dünnfilm aus dem weichmagnetischen Werkstoff vorzugsweise ein amorpher gesputterter Dünnfilm mit einer Zusammensetzung von FeCoB verwendet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaltdiagramm, das die Struktur eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld, das an ein bistabiles magnetisches Element (amorpher Draht) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes zeigt;
Fig. 3(a)-3(c) zeigen die Wellenform von dem in Fig. 2 gezeigten bistabilen magnetischen Element (amorpher Draht) zugeführtem Strom und die Wellenformen der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld, das an ein bistabiles magnetisches Element (verdrillter amorpher Draht) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes zeigt;
Fig. 5(a)-5(c) zeigen die Wellenform von dem in Fig. 4 gezeigten bistabilen magnetischen Element (verdrillter amorpher Draht) zugeführtem Strom und die Wellenformen der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld, das an ein bistabiles magnetisches Element (amorpher gesputterter Dünnfilm ohne Magnetostriktion) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes zeigt; und
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld, das an ein bistabiles magnetisches Element (Draht mit CoSiB-Zusammensetzung) gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes zeigt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die vorliegende Erfindung stellt ein bistabiles magnetisches Element im Mikroformat bereit, das eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist. Das bistabile magnetische Element verwendet einen länglichen weichmagnetischen Werkstoff mit hoher Permeabilität, in den eine schraubenförmige magnetische Anisotropie induziert wurde. An den magnetischen Werkstoff wird in Längsrichtung ein äußeres magnetisches Feld angelegt, so dass durch eine unstete Hystereseerscheinung des Magnetisierungswechsels ein bistabiler magnetischer Betrieb verursacht wird. Wenn dem magnetischen Werkstoff ein scharf umrissener Impulsstrom oder ein Hochfrequenzstrom mit Gleichstromvormagnetisierung zugeführt wird, wird aufgrund des Hochgeschwindigkeits-Magnetisierungswechsels in Übereinstimmung mit der bistabilen Magnetisierung eine große Spannungsänderung zwischen entgegengesetzten Enden des magnetischen Werkstoffs induziert.
Fig. 1 ist ein Schaltdiagramm, das die Struktur eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind eine Hochfrequenz-Energiequelle (eac) 2 und eine Direktstrom- Energiequelle (Edc) (oder ein Impulsgenerator) 3 über einen Widerstand (R) 4 an einen weichmagnetischen Werkstoff (amorphen Draht) 1 mit schraubenförmiger magnetischer Anisotropie angeschlossen und führen dadurch dem weichmagnetischen Werkstoff 1 einen Hochfrequenzstrom zu, der durch einen Gleichstrom oder einen Impulsstrom überlagert ist. Infolgedessen springt die Stärke einer zwischen den zwei Enden des amorphen Drahtes 1 induzierten Spannung, wenn ein äußeres magnetisches Feld Hex einen bestimmten Pegel erreicht.
In der vorliegenden Erfindung wird dem magnetischen Werkstoff keine Beschränkung auferlegt, vorausgesetzt, er weist eine schraubenförmige magnetische Anisotropie auf. Wenn der magnetische Werkstoff jedoch eine längliche Gestalt aufweist, ist es möglich, die Größe zu verringern und erhöhte Änderungen in der Ausgangsspannung zu erhalten. Wenn ein amorpher magnetischer Werkstoff verwendet wird, kann die Impedanz des magnetischen Werkstoffs wegen dessen großer elektrischer Widerstandsfähigkeit erhöht werden. Dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Größe und den Erhalt weiter erhöhter Änderungen der Ausgangsspannung.
Abhängig von der Gestalt des magnetischen Werkstoffs wird zum Induzieren der schraubenförmigen magnetischen Anisotropie wahlweise eines der folgenden Verfahren verwendet. Wenn ein Draht aus einem magnetischen Werkstoff verwendet wird, wird eine Torsionskraft an den Draht angelegt, um den magnetostriktiven Umkehreffekt auszunutzen, oder es wird ein sog. "Torsionsglühverfahren" verwendet, bei dem das Erwärmen und Abschrecken in einem Zustand durchgeführt werden, in dem eine Torsionskraft an den Draht angelegt worden ist, wodurch die schraubenförmige magnetische Anisotropie induziert wird. Wenn ein Dünnfilm aus einem magnetischen Werkstoff verwendet wird, wird ein sog.
"Quermagnetfeld-Glühverfahren" verwendet, bei dem der Glühvorgang in einem Zustand durchgeführt wird, in dem ein Gleichstrom (d. h. gedrehtes magnetisches Gleichfeld) und ein magnetisches Gleichfeld gleichzeitig in Längsrichtung an den Dünnfilm angelegt werden.
Bei diesen Verfahren wird die schraubenförmige Anisotropie nur in der Oberflächenschicht des magnetischen Werkstoffs induziert. Diese Induktionsverfahren sind jedoch ausreichend wirksam, weil die Induktion einer Spannung wegen des Skineffekts eines Impulsstroms oder eines Hochfrequenzstroms nur von der magnetischen Eigenschaft der Oberflächenschicht abhängt.
Das oben beschriebene bistabile magnetische Element wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt: Ein amorpher Draht (Durchmesser: 30 um, Länge: 1 mm, null Magnetostriktion) wird verdreht, und beide Enden des Drahtes werden an Elektroden angelötet. Wenn dem Draht ein scharf umrissener Impulsstrom mit einer Impulsbreite von ca. 5 ns und einer Höhe von ca. 15 mA zugeführt wird, zeigt der Draht als Reaktion auf das Anlegen magnetischer Felder von etwa ±1 Gauss (oder Oersted) in Längsrichtung des Drahtes ein deutliches bistabiles Ansprechen. Die Stärken der Speicherspannungsimpulse betragen ca. 200 mV und ca. 400 mV. In der vorliegenden Erfindung kann dünner Draht mit einer hohen Permeabilität wie Draht aus amorphem Material oder Permalloy oder Draht aus Siliciumstahl verwendet werden.
Zur Realisierung eines bistabilen Elementes unter Verwendung eines magnetischen Werkstoffs werden i. a. zwei Verfahren verwendet. Im ersten Verfahren wird die Magnetflussumkehr aufgrund der Wandausbreitung des ferromagnetischen Bezirks genutzt. Im zweiten Verfahren wird die Magnetflussumkehr aufgrund der Drehung des Magnetisierungsvektors genutzt.
Da die Magnetflussumkehr eines magnetischen Werkstoffs allgemein in einem Zustand auftritt, in dem sowohl eine Wandverschiebung des ferromagnetischen Bezirks als auch eine Magnetisierungsdrehung aufgetreten sind, zeigt die Magnetflussumkehr eine sanft abfallende B-H-Hysterese. In diesem Fall kommt kaum eine rechteckige B-H-Hysterese oder eine einspringende (spulenförmige) B-H-Hysterese vor.
Zum Erhalt eines bistabilen magnetischen Elementes ist es demnach notwendig, einen magnetischen Werkstoff in einen besonderen Zustand zu magnetisieren, in dem nur eine Wandverschiebung des ferromagnetischen Bezirks (Bereichsausbreitung) oder Magnetisierungsdrehung mit einem geeigneten Ausgangswinkel auftritt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass bei amorphem Draht auf Eisenbasis und Siliciumstahl-Einkristalldraht nur eine Wandausbreitung des ferromagnetischen Bezirks auftritt. Amorpher Draht ist bei Sicherheitssensor-Lötösen weit verbreitet. In diesem bistabilen magnetischen Element des Typs mit Wandausbreitung des ferromagnetischen Bezirks wird ein scharf umrissener Impuls (Impulsbreite an der halben Amplitude: mehrere Mikrosekunden) in einer Erfassungsspule (im Falle eines verdrillten Drahtes in der Erfassungsspule oder zwischen den beiden Enden des Drahtes) induziert, ungeachtet der Anregungsfrequenz (0,01-50 kHz) eines äußeren magnetischen Feldes. Um der Wirkung des Entmagnetisierungsfeldes zu entgehen, muss das bistabile magnetische Element jedoch eine Länge aufweisen, die der Länge der Wand des ferromagnetischen Bezirks entspricht. Im Falle eines unter Zugspannung geglühten amorphen Drahtes muss der Draht nach dem Ziehen eine Länge von 10 mm oder mehr aufweisen. Im Falle eines As-Gussdrahtes muss der Draht nach dem Ziehen eine Länge von 80 mm oder mehr aufweisen.
Andererseits ist von keinem Fall berichtet worden, in dem ein bistabiles magnetisches Element nur durch Magnetisierungsdrehung verwirklicht wird. Da das Schwellenmagnetfeld (Koerzitivkraft) der Bereichswandverschiebung (im Falle einer einzelnen magnetischen Bereichsstruktur, bei der das magnetische Feld durch den magnetischen Bezirk erzeugt wird) i. a. kleiner ist als das Schwellenmagnetfeld der Magnetisierungsdrehung, treten wegen der Wandverschiebung des ferromagnetischen Bezirks Änderungen des Magnetflusses auf, bevor die Magnetisierungsdrehung stattfindet. Daher kann keine Magnetflussumkehr aufgrund der Magnetisierungsdrehung gemessen werden. Dies ist der Grund, warum von keinem nur durch Magnetisierungsdrehung verwirklichten bistabilen magnetischen Element berichtet worden ist.
Zur Realisierung eines bistabilen magnetischen Elementes unter Verwendung der Magnetisierungsdrehung muss demnach
(i) ein Zustand verwirklicht werden, in dem keine Wandverschiebung des ferromagnetischen Bezirks stattfindet, und
(ii) der Winkel zwischen einem Magnetisierungsvektor, der die Magnetisierungsdrehungshysterese bewirkt, und dem Vektor eines äußeren magnetischen Feldes auf einen geeigneten Wert eingestellt werden (ca. 45º).
Angesichts der oben beschriebenen Prinzipien werden in der vorliegenden Erfindung die folgenden Techniken verwendet, um ein hochempfindliches bistabiles magnetisches Element bereitzustellen. Das heißt, um die Bedingung (i) zu erfüllen, wird ein Hochfrequenzstrom oder ein sehr scharf umrissener Impulsstrom an einen magnetischen Werkstoff angelegt, so dass eine starke Unterdrückungskraft, die durch Wirbelstrom erzeugt wird, verhindert, dass die Bereichswände sich verschieben. Um die Bedingung (ii) zu erfüllen, wird eine Torsionskraft an den magnetischen Draht angelegt, um unter Verwendung des Umkehreffektes der Magnetostriktion schraubenförmige magnetische Anisotropie in der Oberflächenschicht des Drahtes zu induzieren, so dass die schraubenförmige magnetische Anisotropie mit einem Winkel von ca. ±45º zur Längsachse des Drahtes induziert wird. Diese Verfahrenstechniken ermöglichen die Bereitstellung eines hochempfindlichen bistabilen magnetischen Elementes, das eine sehr geringe Länge von ca. 1 mm, eine beachtlich hohe Reaktionsgeschwindigkeit (einige Nanosekunden) und ein kleines Schwellenmagnetfeld von ca. 1 Oersted (Oe) aufweist.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat bereits ein magnetisches Sensorelement (Magnetimpedanz-(MI)-Element) im Mikroformat vorgeschlagen (siehe japanische Patentanmeldungsoffenlegung (Kokai) Nr. 7-181239). In dem MI-Element wird ein magnetischer Dünndraht durch einen Hochfrequenzstrom angetrieben, um den Skineffekt auszunutzen. Das MI-Element weist eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit auf.
Die Erfinder fanden heraus, dass ein bemerkenswerter bistabiler digitaler Betrieb erhalten werden kann, wenn dem als analoges Element wirkenden MI-Element eine schraubenförmige magnetische Anisotropie zugefügt wird und dem MI-Element ein scharf umrissener Impulsstrom zugeführt wird. Das bistabile magnetische Element der vorliegenden Erfindung basiert auf dieser Erkenntnis.
Bei einem drahtförmigen magnetischen Werkstoff wird die Torsionsbelastung an dessen Oberfläche am größten, so dass die schraubenförmige Anisotropie in der Oberflächenschicht induziert wird. Da andererseits die Magnetisierung in Umfangsrichtung wegen des starken Skineffektes in der Oberflächenschicht variiert, erscheint nur eine unumkehrbare Umkehr des Magnetisierungsvektors in der Oberflächenschicht effektiv. Dabei geschieht eine derartige unumkehrbare Umkehr des Magnetisierungsvektors aufgrund von Änderungen in äußeren magnetischen Feldern, und das Anlegen eines Hochfrequenzstroms oder eines scharf umrissenen Impulsstroms unterdrückt die Verschiebung der Bereichswände, so dass zwischen den beiden Enden des Drahtes eine hohe Spannung erzeugt wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

Ausführung 1:

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld (Oe), das an ein bistabiles magnetisches Element (amorpher Draht) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung (V) des bistabilen magnetischen Elementes zeigt.
Ein amorpher Draht (Fe4,35Co68,15Si12,5B15,0, Bs = 0,7 T) mit einer leicht negativen Magnetostriktion (-10&supmin;&sup7;) wurde so gezogen, dass der Durchmesser 30 um wurde, und unter Anlegung einer Spannung von 8 kg/mm² an den Draht geglüht (425ºC, 20 Minuten). Anschließend wurde der amorphe Draht mit 20 Umdrehungen pro Meter verdreht. Beide Enden des Drahtes mit einer Länge von 1 mm wurden an Elektroden gelötet und dadurch eine Probe erhalten. Die bistabile Eigenschaft der Probe wurde gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind in Fig. 2 gezeigt.
Fig. 3(a)-3(c) zeigen die Wellenform des an das in Fig. 2 gezeigte bistabile magnetische Element (amorpher Draht) zugeführten Stromes und die Wellenformen der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes, wobei Fig. 3(a) die Wellenform eines Impulsstroms zeigt, der dem in Fig. 2 gezeigten amorphen Draht zugeführt wird, Fig. 3(b) die Wellenform der Ausgangsspannung des in Fig. 2 gezeigten amorphen Drahtes für die Speicherstufe 1 zeigt und Fig. 3(c) die Wellenform der Ausgangsspannung des in Fig. 2 gezeigten amorphen Drahtes für die Speicherstufe 2 zeigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Stärke der induzierten Ausgangsspannung V&sub0; ungefähr so niedrig wie 0,18 V, wenn das äußere magnetische Feld (Hex) im negativen Bereich genügend erhöht und dann auf Null zurückgesetzt wird. Wenn das äußere magnetische Feld (Hex) im positiven Bereich erhöht wird und 0,9 Oe erreicht, springt die Ausgangsspannung V&sub0; auf 0,53 V. Wenn das äußere magnetische Feld Hex auf Null heruntergesetzt wird, wird die Ausgangsspannung V&sub0; auf 0,44 V gehalten, so dass dieser Zustand gespeichert wird. Wenn das externe magnetische Feld -0,4 Oe erreicht, fällt die Ausgangsspannung V&sub0; zurück. Man ist der Ansicht, dass die Differenz zwischen dem positiven Schwellenwert und dem negativen Schwellenwert durch magnetische Störfelder wie das Erdfeld (ca. 0,3 Oe) und die Gleichstromkomponente eines durch den Impulsstrom erzeugten magnetischen Umgrenzungsfeldes verursacht wird.
Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, kann das bistabile magnetische Element der vorliegenden Erfindung als Näherungsschalter verwendet werden, der eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, sowie als magnetisches digitales NDRO- Hochgeschwindigkeits-Speicherelement verwendet werden. Da herkömmliche Näherungsschalter zur Betriebsautomatisierung sehr groß sind (Länge: ca. 30 mm, Breite: ca. 10 mm; Dicke: ca. 3 mm) können sie auf bestimmten technischen Gebieten nicht eingesetzt werden, beispielsweise dem Gebiet der Halbleiter-Herstellungsvorrichtungen, die kleine Näherungsschalter erfordern. Das bistabile magnetische Element der vorliegenden Erfindung kann auf solchen technischen Gebieten als Mikro-Näherungsschalter verwendet werden.

Ausführung 2:

Als Nächstes wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem äußeren magnetischen Feld (Oe), das an ein bistabiles magnetisches Element (verdrillter amorpher Draht) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt ist, und der Ausgangsspannung (V) des bistabilen magnetischen Elementes zeigt.
Der amorphe Draht der ersten, in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform wurde mit 20 Umdrehungen pro Meter verdreht und der verdrillte Draht dann 20 Minuten bei 500ºC in Luft in einem Ofen erwärmt. Danach wurde der amorphe Draht außerhalb des Ofens in Luft abgeschreckt. Beide Enden des abgeschreckten Drahtes mit einer Länge von 1 mm wurden an Elektroden angelötet und dadurch eine Probe erhalten. Diese Probe wurde demselben Versuch unterzogen wie bei der ersten Ausführung.
Fig. 5(a)-5(c) zeigen die Wellenform von dem in Fig. 4 gezeigten bistabilen magnetischen Element (amorpher Draht) zugeführtem Strom und die Wellenformen der Ausgangsspannung des bistabilen magnetischen Elementes. Das heißt, Fig. 5(a) zeigt die Wellenform eines scharf umrissenen Impulsstroms (Anstiegszeit: 3,5 ns, Abfallzeit: 3,2 ns, Halbwertbreite: 5,8 ns, Höhe: 30 mA), der dem in Fig. 4 gezeigten amorphen Draht zugeführt wurde. Fig. 5(b) zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung des in Fig. 4 gezeigten amorphen Drahtes für die Speicherstufe 1, und Fig. 5(c) zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung des in Fig. 4 gezeigten amorphen Drahtes für die Speicherstufe 2.
Das magnetische Feld war etwas größer als dasjenige der ersten Ausführung, d. h. ca. 1,2 Oe.
Auch in diesem Fall betrugen die Spannungspegel zum Speichern der Impulsspannung ungefähr 200 mV und ungefähr 400 mV.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, können die Elektroden des Elementes leicht geformt werden, wenn ein amorpher Draht mit Resttorsionsspannung verwendet wird.

Ausführung 3:

Als Nächstes wird nun eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem an ein bistabiles magnetisches Element (amorpher gesputterter Dünnfilm ohne Magnetostriktion) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegten äußeren magnetischen Feld (Oe) und der Ausgangsspannung (V) des bistabilen magnetischen Elementes zeigt.
50 mA eines Gleichstroms (gedrehtes Oberflächen-Magnetfeld: ca. 2 Oe) und ca. 1 Oe eines Längsgleichstrom-Magnetfeldes werden an einen amorphen gesputterten FeCoB-Dünnfilm mit null Magnetostriktion (Dicke: 4 um, Breite: 0,3 mm, Länge: 10 mm, Substrat: Glas) angelegt. In diesem Zustand wurde der Dünnfilm 20 Minuten bei 250ºC in Luft geglüht. Der Probe wurde ein Impulsstrom mit einer Breite von 8 ns und einer Höhe von 150 mA zugeführt. Fig. 6 zeigt das Verhältnis zwischen dem äußeren magnetischen Feld und der zwischen den beiden Enden des Drahtes erzeugten Ausgangsspannung.
Bei dem bistabilen magnetischen Element der vorliegenden Ausführungsform sind der Sprungbetrag und die Änderungsrate geringer als bei den amorphen Drähten der ersten und zweiten Ausführung. Es ist jedoch möglich, nach dem Anlegen des äußeren magnetischen Feldes eine Binärwert-Speichererscheinung zu erhalten.

Ausführung 4:

Als Nächstes wird nun eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein amorpher Draht (Co7,25Si12,5B15,0) mit 30 um ø (eine Minute mit einer Zugspannung von 2 kg/mm² bei 475ºC geglüht) wurde verdreht und beide Enden des Drahtes an Elektroden gelötet. Der Draht hat eine Länge von 0,5 mm. Ein scharf umrissener Impulsstrom (Stärke: 5 mA, Frequenz: 1 MHz, Impulsbreite: 30 ns) wurde direkt an den Draht angelegt, um diesen zu erregen. Ein äußeres magnetisches Gleichfeld Hex wurde angelegt und die zwischen den beiden Enden der Probe erzeugte impulsförmige Ausgangsspannung V&sub0; gemessen.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einem an ein bistabiles magnetisches Element gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegten äußeren magnetischen Feld (Oe) und der Ausgangsspannung (mV) des bistabilen magnetischen Elementes zeigt. Fig. 7 zeigt eine bistabile Charakteristik für den Fall, dass der Verdrehbetrag zwei Umdrehungen war. Die Stärke des äußeren magnetischen Feldes, bei dem die Ausgangsspannung sprang, stieg auf 8 Oe im positiven Bereich und auf 4 Oe im negativen Bereich.
Bei den in der ersten bis einschließlich dritten Ausführung gezeigten amorphen FeCoSiB- Drähten betrug die Stärke des äußeren magnetischen Feldes, bei dem die Ausgangsspannung sprang, ungefähr 1 Oe, und die Impulsbreite musste reduziert werden. Bei dem amorphen CoSiB-Draht der vierten Ausführungsform kann die Wirkung der magnetischen Störfelder, wie z. B. das Erdfeld, reduziert werden.
Der Grund für die Zurschaustellung der bistabilen Merkmale wird darin gesehen, dass ein großer Barkhausen-Effekt im Oberflächenbereich des Drahtes auftritt. Wenn die Richtung eines äußeren magnetischen Feldes Hex nahe der Richtung des magnetischen Vektors ist, der aufgrund der Torsionskraft in einem Winkel von 45º geneigt ist, dreht die Erregung durch den Impulsstrom den Magnetisierungsvektor leicht, so dass eine hohe Spannung erzeugt wird. Wenn der Winkel zwischen dem äußeren magnetischen Feld Hex und dem Magnetisierungsvektor gleich oder größer 90º ist, wird es schwierig, den Magnetisierungsvektor zu drehen, so dass eine niedrige Spannung erzeugt wird.
Wie oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen bereit:
Durch Anlegen einer schraubenförmigen magnetischen Anisotropie an einen amorphen Draht oder dergleichen und Erregen desselben unter Verwendung eines Impulsstroms oder eines Hochfrequenzstroms mit Gleichstromvormagnetisierung kann ein bistabiles magnetisches Element im Mikroformat erhalten werden, das eine hohe Empfindlichkeit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweist.
Darüber hinaus können durch Verwendung dieses bistabilen magnetischen Elementes ein hochempfindlicher Näherungsschalter im Kleinformat und ein digitales magnetisches NDRO- Aufzeichnungselement gebildet werden. Dies ermöglicht die Schaffung einer magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung, die den Schreib-Lese-Betrieb elektronisch durchführen kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind gegenüber dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung möglich und sind vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen.

Claims

1. Bistabiles magnetisches Element,

dadurch gekennzeichnet, daß

einem weichmagnetischen Werkstoff mit schraubenförmiger magnetischer Anisotropie ein Impulsstrom oder ein Hochfrequenzstrom mit Gleichstromvormagnetisierung zugeführt wird, so daß die Stärke einer über den weichmagnetischen Werkstoff induzierten Spannung im Hinblick auf eine Änderung in einem äußeren magnetischen Feld abrupt wechselt.

2. Bistabiles magnetisches Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Werkstoff ein amorpher magnetischer Werkstoff ist.

3. Bistabiles magnetisches Element gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe magnetische Werkstoff ein amorpher Draht ist.

4. Bistabiles magnetisches Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische Werkstoff ein Dünnfilm aus einem amorphen magnetischen Werkstoff ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Ziehen eines länglichen weichmagnetischen Werkstoffs mit einer Magnetostriktion, um einen dünnen Draht zu erhalten;

(b) Glühen des Drahtes, während eine Spannung daran angelegt wird;

(c) Verdrehen des Drahtes um einen vorbestimmten Betrag; und

(d) Befestigen beider Enden des Drahtes an Elektroden.

6. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus dem weichmagnetischen Werkstoff ein amorpher Draht mit einer Zusammensetzung von FeCoSiB ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Glühen des Drahtes in einem Zustand, in dem der Draht um einen vorbestimmten Betrag verdreht wurde; und

- Abschrecken des Drahtes.

8. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus dem weichmagnetischen Werkstoff ein amorpher Draht mit einer Zusammensetzung von CoSiB ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) Formen eines langgestreckten Dünnfilms aus einem weichmagnetischen Werkstoff ohne Magnetostriktion;

(b) Glühen des Dünnfilms in einem Zustand, in dem ein gedrehtes magnetisches Gleichfeld und ein magnetisches Gleichfeld gleichzeitig in Längsrichtung an den Dünnfilm angelegt werden; und

(c) Befestigen beider Enden des ausgeglühten Dünnfilms an Elektroden.

10. Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Elementes gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als der Dünnfilm ein amorpher gesputterter Dünnfilm mit einer Zusammensetzung von FeCoB verwendet wird.