基于巨磁阻抗效应的多铁存储器及无线收发装置

本发明涉及计算机，特别是一种基于巨磁阻抗效应的多铁存储器及无线收发装置，可以在外部电源关闭后实现非易失性的多态信息存储，同时能够实现存储信息的无线收发功能。

背景技术：

1、随着云计算、深度学习和互联网技术的快速发展，每年全世界的数字信息产生量达到44zb，因此急需发展高密度的多态存储技术以满足海量的数据存储需求。同时物联网节点需要在本地完成感知、数据处理、存储以及无线收发功能，这个过程中的能耗严重。由于物联网的节点通常由电池或能量采集器提供能量，其电能供给有限。因此为了在有限电能下实现物联网节点的传感、存储、计算和通信能力，研究人员试图将微处理器、内存和图形处理器集成在一块芯片上，实现多任务的并行处理。kota提出了一种基于感应耦合式的三维sram芯片间无线通信技术，其功耗相比于传统无线传输方式减小了45％。m.kim提出了一种内存映射技术用以减少基于fram的物联网节点能耗。a.engel研究了基于硬件加速的低功耗粒子算法，优化了内存单元、运算单元、感知单元和无线通信单元之间的数据传输。然而目前物联网节点的存算单元与无线通信模块(如蓝牙、rfid等)处于物理分离状态，一方面降低了芯片的集成度，另一方面在信息收发时需要在不同单元间传输大量数据，显著增加了功耗。因此针对物联网中数据存储和无线数据传输的缺陷，急需研究一种新型信息器件以同时实现信息的非易失多态存储和存储信息的无线收发功能。

2、1992年日本名古屋大学k.mohri等发现cofesib非晶丝的复阻抗随外部直流磁场的增加而急剧变化，即巨磁阻抗效应。研究者进一步研究发现外应力同样可以改变软磁材料的磁导率从而进一步调控巨磁阻抗效应。巨磁阻抗效应凭借其低成本和高阻抗变化率等优点使得其在存储领域的应用具有极大的潜力。目前已有的巨磁阻抗存储器(cn111933196a)主要是基于由巨磁致伸缩材料和软磁材料构成的层合物，在信息写入过程中主要利用外部直流磁场调节巨磁致伸缩材料的滞回磁致伸缩效应，通过其产生的非易失应力调控软磁材料的巨磁阻抗效应，但这个过程采用的磁场调控方式会显著增大信息的写入功耗，而且无法实现对存储信息的无线收发功能，这严重制约了其应用于能量供给困难的物联网节点。

技术实现思路

1、针对背景技术中的问题，本发明提出一种基于巨磁阻抗效应的无线多铁存储器，该器件可以同时实现超低功耗的非易失多态信息存储功能和存储信息的无线收发功能。无线存储器有两种结构：结构1是由软磁薄膜/具有滞回电致伸缩效应的铁电层/软磁薄膜和外部缠绕的线圈构成，在信息写入过程中对铁电层施加特定的电场脉冲，通过耦合软磁薄膜在电场调控下的非易失巨磁阻抗效应和铁电层自身由于铁电畴旋转所引起的非易失阻抗效应，实现非易失的多态存储功能。对于存储信息的无线收发，在发射端对多铁存储器的铁电层施加特定频率和大小的交流电场，利用铁电层介电常数和谐振频率随写入电场变化的特性调控软磁薄膜的磁矩振荡强度，从而实现存储信息的调制和发送，而接收端的多铁存储器则作为交流磁传感器实现对不同强度的交流磁场感知和解调，并通过外围电路实现接收信息的非易失写入。结构2是由具有滞回电致伸缩效应的铁电层/软磁薄膜/绝缘层/金属层/绝缘层/软磁薄膜/具有滞回电致伸缩效应的铁电层构成，其结构的连接方式与结构1不同，一方面将上部和下部的铁电层并联作为信息写入端口，另一方面将上部的铁电层、下部的铁电层和金属层串联作为信息读出端口，其信息读写和无线收发过程的原理与结构1相同。

2、本发明基于巨磁阻抗效应的无线多铁存储器的技术解决方案如下：

3、结构1和结构2在信息写入过程中都是利用电场脉冲激励铁电层，一方面电激励下的铁电层产生非易失电致伸缩并传递到临近的软磁薄膜，通过改变软磁薄膜的磁导率实现对非易失巨磁阻抗效应的调控功能；另一方面铁电层内部由于电畴的非易失旋转会引起自身极化强度和非易失阻抗的改变。在信息读出过程中，结构1将外部缠绕的线圈通入交流电流，一方面软磁薄膜的磁导率改变会引起外部线圈的纵向驱动巨磁阻抗效应变化，另一方面由于缠绕的线圈和铁电层相连，通入交流电流可以读出铁电层由于铁电畴旋转所引起的阻抗变化。最终的器件阻抗是由软磁层的巨磁阻抗和铁电层的阻抗耦合而成，和单一效应相比可以显著提高阻抗的调控范围。而结构2在信息读出过程中，通过导线将金属层和铁电层串联并将金属层中通入交流电流，则可以读出由软磁薄膜/绝缘层/金属层/绝缘层/软磁薄膜结构产生的非易失巨磁阻抗和铁电层的非易失阻抗耦合而成的器件阻抗。值得注意的是在多态存储器(包括结构1和结构2)的信息写入过程中，可以对铁电层施加不同幅值的电场脉冲，从而利用铁电层的非易失形变引起磁性层的巨磁阻抗和自身电畴转动引起的阻抗耦合而成的非易失阻抗变化，最终实现非易失多态(2n)存储功能。

4、为了实现存储信息的无线收发功能，结构1和结构2都是利用特定频率和幅值的电场激励发射端的铁电层，利用铁电层的介电常数和谐振频率随不同写入电场变化的特性实现对磁矩振荡强度的调控功能，从而将存储信息调制在交流磁场中并传播出去。而结构1和结构2接收端的多铁存储器等效于交流磁传感器，软磁薄膜在交流磁场作用下产生磁致伸缩并传递到相邻的铁电层，通过压电效应引起铁电层的电输出。接收端中的铁电层上下表面与全波整流电路相连，所述的全波整流电路与控制器相连，所述的控制器与直流电源相连接，所述的直流电源与接收端多铁异质结中的铁电层相连，从而将铁电层的电响应转换为成相应的写入电场，实现接收端对信息的非易失存储功能。

5、具体的，一方面，本发明提供一种基于巨磁阻抗效应的多铁存储器，其特点在于，包括：铁电层、软磁薄膜层和金属层；

6、在信息写入时，在铁电层通入直流电源作为写入端口，利用电场脉冲激励铁电层产生非易失电致伸缩效应并传递到软磁薄膜层，通过耦合软磁薄膜在电场调控下的非易失巨磁阻抗效应和铁电层自身由于铁电畴旋转所引起的非易失阻抗效应，实现信息写入；

7、在信息读出时，通过将铁电层和金属层串联，并通入交流电源作为读出端口，读出的阻抗作为存储信息，实现信息读出。

8、结构1：一种基于巨磁阻抗效应的多铁存储器，其特点在于，包括：铁电层、软磁薄膜层和金属层；

9、所述的金属层为由导线缠绕的线圈；在所述铁电层的上下两面是软磁薄膜层，在所述的软磁薄膜层外是所述的金属层，所述的铁电层沿厚度方向极化、且上下表面覆盖有电极。

10、当实现信息写入时，所述铁电层的上下表面电极与开关连接构成写入端口，所述的开关控制所述的铁电层与直流电源相连，并利用电场脉冲激励所述的铁电层，实现信息写入；当实现信息读出时，所述铁电层的上下表面电极与所述的线圈串联作为读出端口，交流电源接入所述的读出端口，通入交流电流将读出的阻抗作为存储信息。

11、结构2：一种基于巨磁阻抗效应的多铁存储器，其特点在于，由上而下依次包括具有明显滞回电致伸缩效应的上铁电层、上软磁薄膜层、上绝缘层、金属层、下绝缘层、下软磁薄膜层、具有明显滞回电致伸缩效应的下铁电层；所述的上铁电层和下铁电层均沿厚度方向极化且极化方向相反。

12、当实现信息写入时，所述的上铁电层与下铁电层并联，且分别与开关连接构成写入端口，所述的开关控制所述的铁电层与直流电源连接，利用电场脉冲激励所述的铁电层实现信息写入；当实现信息读出时，所述的上铁电层、金属层和下铁电层串联作为读出端口，并在所述的读出端口中接入交流电源，通入交流电流将读出的阻抗作为存储信息。

13、另一方面，本发明还提供一种实现存储信息的无线收发装置，包括无线发射端和无线接收端，其特点在于，所述的无线发射端包括带有存储信息的结构1，在写入端口，所述的铁电层通过开关与交流电源相连，利用电场脉冲激励所述的铁电层，实现对磁矩振荡强度的调控，从而将存储信息调制在交流磁场中并传播出去；

14、所述的无线接收端包括结构1，软磁薄膜在发射的交流磁场作用下产生磁致伸缩并传递到相邻的铁电层，通过压电效应引起铁电层的电输出，所述的铁电层上下表面电极与全波整流电路相连，所述的全波整流电路与控制器相连，所述的控制器与直流电源相连接，所述的直流电源与开关相连，实现对接收信息的非易失写入功能，无线接收端的非易失存储信息通过读出端口读出。

15、第三，本发明还提供一种实现存储信息的无线收发装置，包括无线发射端和无线接收端，其特点在于，所述的无线发射端包括带有存储信息的结构2，在写入端口，所述的铁电层通过开关与交流电源相连；利用电场激励所述的铁电层，将存储信息调制在交流磁场中并传播出去；

16、所述的无线接收端包括带有存储信息的结构2，软磁薄膜在发射的交流磁场作用下产生磁致伸缩并传递到相邻的铁电层，通过压电效应引起铁电层的电输出，所述的上铁电层与所述的下铁电层分别与全波整流电路相连，所述的全波整流电路与控制器相连，所述的控制器通过所述的开关与直流电源相连接，实现对接收信息的非易失写入功能，无线接收端的非易失存储信息通过读出端口读出。

17、本发明的有益技术效果是：

18、(1)本发明提出了一种基于多铁异质结的新型阻抗调控机理，在信息写入过程中，通过电场脉冲激励铁电层，从而耦合软磁薄膜在电场调控下的非易失巨磁阻抗效应和铁电层自身由于铁电畴旋转所引起的非易失阻抗效应，和单一效应相比显著增大了阻抗的调控范围。同时由于铁电层具有很好的绝缘性能，其信息写入过程中的功耗和磁场调控方式相比减小了几个数量级，实现了超低功耗的信息写入功能。

19、(2)本发明基于巨磁阻抗效应的多铁异质结可以实现非二进制的非易失多态存储功能，和目前计算机系统中的二进制存储器相比显著提高了存储密度。

20、(3)本发明可以利用一对结构相同的多铁存储器实现对存储信息的无线收发功能，促进了存储器在供电困难的物联网节点中的应用。