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Verfahren zum Ein- und Auslesen von Signalen auf Basis
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elektrisch polarisierbarer Schichten Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Ein- und Auslesen von binären oder analogen elektrischen Signalen unter Verwendung
eines Datenspeichers auf Basis einer elektrisch polarisierbaren und mit einem Elektrodensystem
kontaktierten Polymerschicht. Der Einlesevorgang beruht darauf, daß die Polymerschicht
entsprechend den aufzuzeichnenden Signalen in lokalen Domänen remanent polarisiert
wird. Der Auslesevorgang beruht auf einer pyroelektrischen Aktivierung der polarisierten
Domänen.
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Die gegenwärtige Situation auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik,
insbesondere dem Gebiet der Datenverarbeitung, ist gekennzeichnet durch die Entwicklung
und den Einsatz von Informationsspeichern mit immer höherer Datendichte. Derzeit
sind kommerziell im Einsatz vorrangig stationäre elektrische Speicher auf Si-Basis
(ROM, RAM, CCD) mit Speicherdichten um 106 bit cm#2 und bewegliche magnetische Speicher
(Band, Platte, Trommel) um 107 bit cm -2 In Entwicklung befinden sich elektrische
Speicher höherer Dichte (Herstellung mit Hilfe von Elektronenstrahl- bzw. Röntgenstrahl-Lithographie),
magnetische Speicher höherer Dichte (Ersatz der Pigment/ Bindemittelsysteme durch
metallische Schichten, Einführung der perpendicular resording"-Technik) sowie optische
Speicher, insbesondere nicht löschbare optomecha-
nische Speicher,
z. B. Bildplatte, und löschbare optomagnetische Speicher auf Basis Kerr- oder Faraday-Effekt.
Alle diese Speicher werden - zumindest in absehbarer Zeit - nicht größere Speicherdichten
als ca. 108 bit cm 2 erreichen; so sind z. B. die optischen Speicher durch die maximale
Bündelung des Laserstrahles 2.
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von ca. 1 Rm2 in ihrer Speicherdichte begrenzt.
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Gewünscht und dringend gebraucht aber werden Speicher mit wesentlich
höheren Speicherdichten als 108 bit/cm 2.
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Neben der Speicherdichte sind weitere wichtige Größen die Zugriffszeit,
Datenübertragungsrate, Kosten pro bit, Lebensdauer der gespeicherten Informationen
und Kompatibilität zu bestehenden Rechnersystemen. Folgende Daten werden als Zielgrößen
für Speicher der 90er Jahre angestrebt: Speicherdichten 1011 bit/cm2 Zugriffszeiten
10 8 sec Datenübertragungsraten 108 bit/sec Permanenz 10 Jahre und löschbar.
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Wesentliche Entwicklungsziele sind eine höhere Speicherdichte und
eine kürzere Zugriffszeit. Verfolgt werden derzeit zwei Entwicklungsrichtungen:
a) Bei der "mehrdimensionalen Speicherung" mittels der Laser-Holographie oder mittels
"fotochemischem Lochbrennen" wird die Information mit einem Laserstrahl in das Speichermedium
eingeschrieben. Bei holographischen Systemen wird die Information räumlich dreidimensional
gespeichert (z. B. in LiNbO2 oder in Polymeren). Beim fotochemischen Lochbrennen
wird die Information mittels des Lasers eingelesen, aber
zusätzlich
werden pro Flächenelement (ca. 1 wem2) in eine breitbandige Festkörper-IR-Absorptionsbande
(Breite ca. 500 GHz) bis zu 103 unterschiedliche schmale Banden ("Löcher") mit einer
Bandbreite von 50 MHz eingebrannt. In beiden Fällen besteht der Nachteil, daß nicht
bit für bit gelöscht und wieder eingelesen werden kann, sondern die Löschung stets
paketweise, z. B. ä 103 bit beim fotochemischen Lochbrennen, erfolgt.
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b) Die zweite Entwicklungsrichtung befaßt sich mit der Verwendung
von Elektronenstrahlen zum Ein- bzw. Auslesen. Der Elektronenstrahl hat gegenüber
dem Laser den Vorteil eines erheblich geringeren Strahldurchmessers (Größenordnung
0,005 #m). Dementsprechend wird eine höhere Ortsauflösung und damit eine höhere
Speicherdichte erreicht. Mit dieser Methode wurde in neuerer Zeit ein nicht lösch-
und nicht wiedereinschreibbarer Speicher durch Einbrennen winziger Löcher in ß-Aluminium
hergestellt.
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Speicher auf Basis elektrisch polarisierbarer Schichten werden seit
1950 entwickelt. In dem US-Patent 2 698 928 sind die grundlegenden Verfahren für
einen beweglichen Speicher beschrieben. Hierbei wird ein Band/Platte bestehend aus
einem elektrisch remanent polarisierbaren Material, das eine elektrisch leitende
Unterschicht besitzt, an einer Elektrode vorbeibewegt. Durch Beaufschlagung der
Elektrode mit einer Spannung werden Bereiche der elektrisch polarisierbaren Schicht
remanent polarisiert und dadurch Information gespeichert. Die Elektrode kann sich
sowohl in direktem Kontakt mit der Schicht befinden als auch einen definierten Abstand
aufweisen. Andere Verfahren zur Erzeugung remanent polarisierter
Bereiche
sind die Verwendung von Elektronenstrahlen bzw. Ionenbeschuß. Zum Auslesen der gespeicherten
Information wird der piezoelektrische Effekt verwendet, d. h. auf die elektrisch
polarisierbare Schicht wird ein Zug/Druck durch Vorbeibewegen an einer scharfen
Kante oder durch Verwendung von Ultraschall ausgeübt, so daß die freigesetzten Ladungen
eine Spannung in der Elektrode induzieren, die proportional zu der beim Schreibvorgang
verwendeten Spannung ist. Als elektrisch polarisierbare Medien werden anorganische
Ferroelektrika aber auch elektrisch polarisierbare Kunststoffe genannt.
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Neben der piezoelektrischen Auslesung wurde Ende der sechziger Jahre
bei bandförmigen Speichern zur Auslesung der pyroelektrische Effekt verwendet (H.
Tanaka, R. Sato, Trans. I.E.C.J. 52-A, 436 (1969); H. Niitsuma, R. Sato, Ferroelectrics
34, 37 (1980)). Hierbei wurden Spannungen durch Erhitzen der elektrisch polarisierten
Schicht in den abgreifenden Schleif-Elektroden erzeugt.
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Als elektrisch polarisierbare Schicht wurden anorganische Materialien
wie Pb (ZrTi)03 (=PZT) verwendet.
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Eine Weiterentwicklung zu einem Speicher hoher Dichte ist nicht bekannt.
Eine solche Weiterentwicklung dürfte auch nicht erfolgversprechend sein,da keramische
Ferroelektrika, wie z. B. PZT, wegen ihrer hohen Dielektrizitätskonstanten und ihrer
gleichzeitig niedrigen Koerzitivkraft nicht geeignete, elektrisch polarisierbare
Materialien für Speicher höchster Dichte darstellen.
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Die hohe Dielektrizitätskonstante hat ein niedriges Auslesesignal
zur Folge und die niedrige Koerzitivkraft führt zu einer geringen Speicherdichte.
In einem zu dem
von Tanaka und Sato vorgeschlagenen analogen Verfahren
unter Verwendung von Schleifelektroden und pyroelektrischer Auslesung wird in dem
US-Patent 4 389 445 eine polarisierbare makromolekulare Schicht, wie z. B. Polyvinilydenfluorid
(PVDF) eingesetzt, die aus den oben angegebenen Gründen grundsätzlich besser als
anorganische Materialien geeignet ist. Ebenfalls auf PVDF-Basis wurde ein Datenspeicher
in dem US-Patent 4 059 827 beschrieben, wobei das Einlesen direkt mit Elektronenstrahl
und das Auslesen über die Aufweitung des Elektronenstrahls an polarisierten PVDF-Domänen
erfolgt.
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Eine Einlesung mittels Elektronenstrahl bringt aber die Gefahr mit
sich, daß bei Elektronenbeschuß mit höheren Stromdichten eine Abspaltung von Fluor
aus dem PVDF und damit eine irreversible Zerstörung des Speichermaterials stattfindet.
Weiterhin kann bei dem oben beschriebenen Verfahren das Einlesen der Information
mittels Elektronenstrahl nur nach Aufheizung der PVDF-Folie über eine bestimmte
Temperatur(800 C) incl.
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Abkühlung nach dem Einlesevorgang bewerkstelligt werden. Damit sind
- wegen der thermischen Trägheit des Polymermaterials - nur äußerst niedrige Datenübertragungsraten
möglich, die für die Praxis uninteressant sind. Die Datenübertragungsrate stellt
bei dem Schleifelektrodenverfahren kein Problem dar. Der entscheidende Nachteil,
der aber allen beweglichen Speichern anhaftet, ist die Zugriffszeit, die bedingt
durch den Positionierungsprozeß immer einige 10 3 sec. betragen wird.
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Dieses Problem tritt bei den stationären Speichern auf Si-Basis nicht
auf.Deshalb wurden parallel zu den Speichern auf Si-Basis auch stationäre Speicher
auf Basis
elektrisch polarisierbarer Medien entwickelt. So wurde
von Crawford (J.C. Crawford, Ferroelectrics 3, Seiten 139 - 146 (1972)) eine ferroelektrische
Speicheranordnung beschrieben, die kompatibel zu den damaligen elektrischen Speichern
auf Si-Basis war. Bei diesem Speicher wurden Elektrodenstreifen (sog. Kammelektrode)
auf der Ober- und Unterseite einer keramischen ferroelektrischen Schicht (PZT) um
900 gegeneinander gedreht aufgedampft.
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Information konnte gespeichert werden, indem durch Anlegen einer Spannung
an entsprechende Elektroden auf Ober- und Unterseite der Bereich im Kreuzungspunkt
dieser Elektroden polarisiert wurde. Unterhalb der ferroelektrischen Schicht war
eine Epoxy-Schicht aufgebracht, auf der wiederum ein piezoelektrisches Material
geklebt wurde. Diese piezoelektrische Schicht wurde selektiv durch Anlegen einer
Spannung-in Schwingungen versetzt, so daß die entstandene Schallwelle über den Epoxy-Kleber
Druck/Zug auf die ferroelektrische Speicherschicht ausübt und dadurch wiederum mittels
des piezoelektrischen Effektes eine Spannung in dem entsprechenden Elektrodenpaar
erzeugt wurde, die je nach Vorzeichen der in dem polarisierten Bereich vorliegenden
remanenten Polarisation positiv oder negativ war.
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Mit diesem Vorschlag ist aber ein Speicher hoher Datendichte nicht
realisierbar, da wegen der notwendigen Dicke der Epoxy-Schicht (bei 10 MHz zumindest
0,5 mm) schmale Elektroden ( <100 rom), die ja erst große Speicherdichten ermöglichen
würden, nicht selektiv genug ansprechbar sind und zudem die unvermeidbar auftretenden
Schallreflexionen zeitverzögert auch nichtadressierte Bereiche ansprechen, so daß
durch räumliche Interferenz teilweise völlig falsche Auslesedaten erhalten wurden.
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Ein ähnliches Kammelektrodensystem aufgebracht auf ein Polymer,wie
z. B. PVDF,wird in dem US-Patent Nr. 3 772 518 vorgestellt. In diesem Patent wird
allerdings nicht an Datenspeicherung gedacht, sondern ausschließlich an ein Lichtdetektionssystem
ähnlich wie bei einer VIDICON-Röhre. Hierbei fällt ein feiner Lichtstrahl auf eine
einheitlich vorpolarisierte organische Folie, so daß unter Ausnutzung des pyroelektrischen
Effektes mittels Kammelektroden die Position des einfallenden Lichtstrahls detektiert
werden kann. Die hierbei registrierten Ströme -11 betragen ca. 10 11 A. Durch Beaufschlagen
der aufgebrachten Kammelektroden mit einer Spannung können analog zu Crawford Informationen
gespeichert werden und mittels des feinen Lichtstrahls ausgelesen werden. Es ergibt
sich aber wiederum das Problem der Positionierung des Lichtstrahls, das zu einer
unerwünscht großen Zugriffszeit führt sowie die Begrenzung der Speicherdichte durch
die maximal mögliche Bündelung des Laserlichtstrahls auf ca.
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1 tjm 2 Ideal wäre ein Speicher, der auch diesen Nachteil vermeidet
und somit alle Eigenschaften der Speicher auf 10 Silizium-Basis aufweist, jedoch
Speicherdichten von 10 bit/cm2 zuläßt. Bei den Si-Speichern liegt die technologisch
bedingte Grenze der Speicherdichte bei ca. 106 bit/ cm2, Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, in Kombination mit einem Datenspeicher auf der Basis einer ferroelektrischen
Polymerschicht ein Ein- und Ausleseverfahren zu entwickeln, das höchste Speicherdichten
und kürzeste Zugriffszeiten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer mit einem Elektrodensystem
kontaktierten Polymerschicht unter Ausnutzung der remanenten elektrischen Polarisierung
lokaler
Domänen beim Einlesen und der pyroelektrischen Aktivierung
beim Auslesen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die pyroelektrische Aktivierung
bei oder unmittelbar vor dem Auslesevorgang derart erfolgt, daß simultan eine Vielzahl
der polarisierten Domänen im Elektrodensystem Signale induzieren, die dann parallel
und/oder nach einem Multiplex-Verfahren zugeordnet und abgefragt werden.
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Beim Einlesen entstehen zeitstabile polarisierte Domänen in der Polymerschicht.
Die eingeschriebene remanente Polarisation wird allerdings durch freie Ladungsträger
(Elektronen und Löcher) abgeschirmt, so daß nach außen nahezu kein externes elektrisches
Feld dringt. Aus diesem Grunde muß eine Störung des Systems durchgeführt werden,
um die abschirmende Wirkung der Kompensationsladungen vorübergehend aufzuheben.
Zu diesem Zweck wird beim Auslesevorgang die Polymerschicht durch kurzzeitige Aufheizung
pyroelektrisch aktiviert. Dabei nimmt die spontane Polarisierung ab, so daß aufgrund
der dann vorhandenen Überkompensation ein äußeres Feld entgegen dem Polarisationsfeld
auftritt, das als Signalfeld ausgenutzt wird.
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Bevorzugt wird als Elektrodensystem eine Streifenmatrix, die durch
eine Vielzahl elektrisch leitfähiger, paralleler Streifen auf der Ober- und Unterseite
der Polymerschicht gebildet wird. Bei einem derart aufgebauten Speicher können in
vorteilhafter Weise die einer einzigen Leiterbahn der Streifenmatrix zugeordneten
polarisierten Domänen der Polymerschicht simultan durch einen in dieser Leiterbahn
fließenden Heizstromimpuls pyroelektrisch aktiviert werden. Auf diese Weise können
die der Leiterbahn zugeordneten polarisierten Bereiche gleichzeitig abgefragt werden
und dann durch ein Überwechseln auf eine
andere Leiterbahn die
entsprechenden anderen Bereiche aktiviert werden, so daß insgesamt ein selektiv
paralleler Auslesemodus ermöglicht wird.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß zur pyroelektrischen Aktivierung
der Polymerschicht äußerst geringe thermische Leistungen ausreichend sind. So genügt
z. B. eine -7 Heizleistung von 10 7 Watt für eine globale Aktivierung des gesamten
Speichers. Die eingeschriebene Information, d. h. der Polarisationszustand der Polymerschicht,bleibt
auch bei der Aktivierung unverändert erhalten. Die remanent polarisierte Polymerschicht
stellt daher ein Speichersystem mit hoher Zeitstabilität und hoher Aufzeichnungsdichte
dar. So existiert zum Beispiel das bei Si-Speichern bekannte Problem der « -Strahlung,
deren Einfluß in Form von Bit-Fehlern sich vor allem bei hoher Speicherdichte bemerkbar
macht und aufwendige Korrekturverfahren erfordert, bei dem hier beschriebenen Speicher
nicht. Die Löschung des Speichers kann durch Beaufschlagung des Speichers mit einem
Wechselfeld abnehmender Amplitude erfolgen.
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Zur pyroelektrischen Aktivierung beim Auslesen kann grundsätzlich
die gleiche Elektrodenmatrix benutzt werden, die zum Einlesen der Information dient.
Selbstverständlich können aber auch getrennte Leiterbahnen für die kurzzeitige globale
oder lokale Aufheizung der Polymer-Schicht mittels eines Heizstromimpulses vorgesehen
werden.
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Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Weise durchgeführt
werden, daß als Elektrodensystem eine Punkt-Matrix verwendet wird und alle polarisierten
Domänen der Polymerschicht global durch elektromagnetische Strahlung oder durch
einen im Elektroden-
system eingeprägten Heizstromimpuls pyroelektrisch
aktiviert und die induzierten Signale parallel ausgelesen werden. Voraussetzung
ist dafür allerdings, daß sämtliche Kontakte der Punktmatrix mit individuellen Anschlüssen
versehen sind. Die Auswertung und Zuordnung der ausgelesenen Signale kann dann wiederum
mit einem Multiplexer erfolgen. Eine andere Möglichkeit der Signalverarbeitung bei
der globalen pyroelektrischen Aktivierung mittels elektromagnetischer Strahlung
oder Joul#.''scher Wärme besteht darin, daß die induzierten Signale mittels Laufzeitanalyse
parallel ausgelesen und den Speicherelementen (Domänen) der Polymerschicht zugeordnet
werden. Als Strahlungsquelle für die kurzzeitige Aufheizung der Polymerschicht hat
sich eine handelsübliche Blitzlichtlampe bewährt.
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Als Polymer wird vorteilhaft Polyvinilydenfluorid (PVDF) oder Copolymere
von PVDF oder Abmischungen von PVDF bzw.
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Copolymeren des PVDF mit anderen Polymeren verwendet.
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Bei PVDF handelt es sich um ein marktübliches Produkt, das insbesondere
für piezoelektrische Anwendungen in Form von Folien im Handel erhältlich ist. Für
das erfindungsgemäße Verfahren werden Folien mit einer Dicke zwischen 0,1 und 2
Fm bevorzugt.
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PVDF-Folien mit hoher Isotopie und hohem Orientierungsgrad der Molekülketten
erhält man, wenn man PVDF aus einer Lösung zwischen Glasplatten zu Film eindampft
oder PVDF unter Einwirkung eines elektrischen Feldes aus einer Schmelze erstarren
läßt oder aus einer Lösung eindampft. Durch entsprechende Wahl der Verfahrensparameter
können die wichtigen Daten der Polymerfolie, wie z.B.
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die Koerzitivkraft, die Rechteckigkeit der Hysterese-Kurve und die
pyroelektrische Konstante, eingestellt werden.
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Der für das erfindungsgemäße Verfahren erforderliche Datenspeicher
zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und durch eine hohe Betriebssicherheit
aus. Das Kammelektrodensystem gewährleistet eine ausreichende Selektivität hinsichtlich
der durch die Kreuzungspunkte der Streifen definierten Speicherelemente. Desgleichen
werden beim Auslesen nur die adressierten Speicherelemente (Domänen) angesprochen.
Interferenzerscheinungen zwischen benachbarten Bezirken werden vermieden.
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Eine Weiterentwicklung des Datenspeichers ist dadurch gekennzeichnet,
daß meh ere Polymerschichten mit ihren Elektrodensystemen gitterartig übereinander
angeordnet sind, gegebenenfalls mit isolierenden Zwischenschichten,so daß ein dreidimensionaler
Speicherblock gebildet wird.
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Bei Verwendung eines PVDF-Datenspeichers werden mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren folgende Vorteile erzielt: - Da PVDF eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke
von etwa 600 MV/m besitzt, kann eine sehr stabile elektrische Polarisation innerhalb
kleiner Volumina erzeugt werden, d. h. es können hohe Speidherdichten bei langer
Lebensdauer erreicht werden.
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- Aufgrund des relativ großen pyroelektrischen Koeffizienten bei PVDF
genügen bereits kleine Temperaturänderungen und damit eine sehr geringe Heizleistung
bei der pyroelektrischenAktivierung, um gut meßbare Auslesepotentiale zu erzeugen.
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- Aufgrund der kleinen Dielektrizitätskonstanten von PVDF erhält man
beim Auslesen mittels pyroelektrischer Aktivierung eine hohe Ausgangsspannung und
daher ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
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- PVDF ist als dünne resistente Folie herstellbar,deren Daten physikalisch
im Hinblick auf den Anwendungszweck optimiert werden können ( z. B. durch Recken,
durch Tempern, gegebenenfalls im elektrischen Feld, und durch Einstellung der Schichtdicke).
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- Die Information kann entweder in Form binärer Signale (Polarisationszustand
0 oder 1 oder auch -1 und +1) oder analog gespeichert werden. Bei der analogen Speicherung
wird in jeder Speicherzelle eine Polarisation erzeugt, deren Wert der jeweiligen
Signalamplitude entspricht.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Ein- und Ausleseprinzip bei einem mit einem
Elektrodensystem versehenen PVDF-Speicher, Fig. 2 die Zeitabhängigkeit des durch
den pyroelektrischen Effekt erzeugten Auslesesignals.
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Der PVDF-Speicher gemäß Fig. 1 besteht aus einer 1 Am dicken,weitgehend
uniaxial orientierten PVDF-Folie 1, deren Molekülketten weitgehend parallel zur
Oberfläche gerichtet sind. Die gegenüberliegenden Flächen der Folie 1 sind mit einem
Elektrodensystem kontaktiert. Das Elektroden-
system besteht aus
je einer Elektrodenmatrix 2 und 3 auf der Ober- und Unterseite der Folie 1. Die
Elektrodenmatrix 2 besteht ihrerseits aus einer Vielzahl paralleler Streifen 21...2n,
die Elektrodenmatrix 3 aus einem analogen Streifensystem 31...3mm das jedoch mit
den Streifen 2 2 einen Winkel von 900 einschließt. Das Elektrodensystem 2,3 entspricht
einem X-Y-Koordinatennetz in der Folienebene. Sämtliche Streifen sind mit Anschlüssen
versehen. Durch einen Kreuzungspunkt der Streifen ist jeweils eine Speicherzelle
4 definiert. Beim Einlesen können entweder parallel auf einer Elektrode alle Kreuzungspunkte
adressiert werden oder selektiv nur wenige Speicherbereiche belegt oder geändert
werden.
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Die Streifen bestehen z. B. aus Gold,Aluminium oder Nickel und werden
durch Aufdampfen, Sputtern oder auf fotochemischem Wege direkt auf die Folie aufgebracht.
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Die Streifenbreite beträgt ca. 1 jim und der Abstand der Streifen
variiert je nach gewünschter Speicherdichte zwischen 1 Wm und 1000 jim.
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Das Einlesen eines Signals erfolgt in der Weise, daß z. B. an die
Elektroden 24 und 33 eine Gleichspannung U angelegt wird. Dadurch wird der im Kreuzungspunkt
der Elektroden 24/33 liegende Bereich 4 ( punktierter Quader) remanent polarisiert;
d. h. die Polarisation bleibt auch nach dem Abschalten der Spannung erhalten. Die
zum Einlesen erforderliche elektrische Feldstärke liegt in der Größenordnung MV
/cm, d. h. die erforderliche Spannung U liegt bei einer Foliendicke von 1 jim in
der Größenordnung von 100 V. Die räumliche Ausdehnung des Bereiches 4 ist direkt
mit der Streifenbreite korreliert, so daß z. B. bei einer Streifenbreite und einem
Streifenabstand
von 1 Fm eine Speicherdichte von 108 bit/cm2 im
Binärcode erreicht wird. Der Binärcode wird durch Vorzeichenwechsel der remanenten
Polarisation, d. h. durch Umpolen der Spannung U, realisiert. Es ist jedoch auch
eine Aufzeichnung auf Basis der Polarisationszustände O (keine Polarisation) und
1 (volle Polarisation) möglich. Darüber hinaus wurde gefunden, daß eine quasi analoge
Aufzeichnung durch Beaufschlagung der Elektrodenmatrizen mit veränderlicher Spannung
möglich ist. Die einzelnen Speicherzellen werden in diesem Fall unterschiedlich
stark remanent polarisiert.
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Zum Auslesen der in Form von Polarisationszuständen gespeicherten
Information wird das gleiche Elektrodensystem 2, 3 benutzt. Es ist jedoch nicht
möglich, die Polarisationszustände der durch die Kreuzungspunkte der Streifen 21...2m,
31...3m definierten Speicherzellen direkt abzufragen, da die Polarisationsladungen
durch freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) abgeschirmt werden, so daß nach
außen kein elektrisches Feld auftritt. Wird dieses Gleichgewicht in einer polarisierten
Domäne durch kurzzeitige Erwärmung gestört, so resultiert an den betreffenden Elektroden
ein von 0 verschiedenes Potential. Dieser Effekt wird zum Auslesen benutzt. Die
thermische Aktivierung einer Speicherzelle in einem ferroelektrischen Aufzeichnungs
medium wird als pyroelektrische Aktivierung bezeichnet.
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Eine ausreichende pyroelektrische Aktivierung erhält man schon bei
wenigen Grad C Temperaturerhöhung. Zu diesem Zweck wird, wie in Fig. 1 angedeutet,
der Streifen 33 kurzzeitig mit einem Heizstromimpuls beaufschlagt (Heizstromkreis
5), so daß durch die längs des Streifens
erzeugte elektrische Leistung
die gesamte über diesem Streifen befindliche Zone in der PVDF-Folie aufgeheizt wird.
Hierbei wird die Joule'sche Heizleistung auf die Foliendicke und den Abstand der
Elektroden so abgestimmt, daß ausschließlich die adressierten Bereiche signifikant
erwärmt werden. An den Kreuzungspunkten des Streifens 33 mit den Streifen 21 bis
2 werden dann die mit n dem Heizstromimpuls korrelierten Signale in den betreffenden
Elektrodenpaaren induziert, die parallel registriert werden können. In Fig. 1 ist
aus Gründen der Übersichtlichkeit nur für die zwischen den Elektroden 24 und 33
liegende Speicherzelle 4 eine Auswerteschaltung 6 gezeichnet.
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Nachdem die parallel anfallende Information dem zentralen Verarbeitungssystem
6 zugeführt worden ist, wird mittels eines Multiplexers 7 auf den Streifen 32 geschaltet,
so daß dann die in den Kreuzungspunkten von 32 mit 21 bis 2n gespeicherten n-bits
abgefragt werden können.
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Zur Verdeutlichung des pyroelektrischen Auslesens ist im oberen Teil
von Fig.2 der Heizstromimpuls (Impulsdauer tH) und im unteren Teil die dadurch hervorgerufene
Spannung (z. B. an der Speicherzelle 4) als Funktion der Zeit dargestellt. In unserem
Beispiel wurde mit tH = 1 10 6 sec eine Temperaturerhöhung von ca. 30 C erzielt
und Spannungen von ca. 1 V beobachtet. Die registrierte Anstiegszeit liegt im 10
9 Sekundenbereich, so daß die aus dieser Zeit und der Multiplexerzeit resultierende
Zugriffszeit ebenfalls im 10 9 Sekundenbereich liegt.
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Für die pyroelektrische Aktivierung mittels eines Heizstromimpulses
wurde hier dasselbe Elektrodensystem benutzt, das zur Abfrage der gespeicherten
Information
dient. Selbstverständlich kann die Aufheizung auch
durch getrennt aufgebrachte Leiterbahnen erfolgen. In diesem Fall enthält der PVDF-Datenspeicher
neben den Elektrodenmatrizen 2 und 3 noch ein separates Heizdrahtsystem.
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Anstelle eines Streifensystems 2, 3 kann auch eine Punktmatrix mit
individuellen Anschlüssen auf die PVDF-Oberfläche aufgedampft werden.
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Ein anderes Verfahren zur thermoelektrischen Aktivierung besteht darin,
daß die Aktivierungsenergie nicht durch Joule'sche Wärme erzeugt wird, sondern durch
elektromagnetische Strahlung. Praktisch geht man dabei so vor, daß man die gesamte
Speicherfläche mit einem Blitzlicht beleuchtet und die gespeicherten Signale parallel
ausgelesen werden.Wird in diesem Fall ein PVDF-Datenspeicher mit Punktmatrix als
Elektrodensystem verwendet, so können die Speicherzellen mit Hilfe des Multiplexers
selektiv angesprochen werden.
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Bei der Ausführung des Datenspeichers mit einer Streifenmatrix als
Elektrodensystem ist eine direkte Zuordnung der ausgelesenen Signale zu den einzelnen
Speicherelementen nicht möglich. Eine Zuordnung der Informationsinhalte zu den einzelnen
Speicherzellen läßt sich aber erreichen, wenn die ausgelösten Signalimpulse einer
Laufzeitanalyse unterzogen werden.
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Bei der Anregung mit Licht kann neben der thermischen Anregung auch
eine direkte fotoelektrische Anregung aufgrund eines inneren Fotoeffektes erfolgen.
Es ist jedoch noch nicht geklärt, inwieweit ein solcher Effekt eine technisch ausschlaggebende
Rolle spielt.