Brevet FR2604805A1 — publié le 19880408

Dispositif de lecture pour mémoire ferroélectrique L'invention concerne un dispositif de lecture pour mémoire ferroélectrique, cette mémoire comportant une couche de matériau ferroélectrique stockant des informations binaires sous la forme d'une suite de domaines dont la direction de polarisation est perpendiculaire au plan de la couche, le sens de polarisation de chaque domaine traduisant une information binaire. Une telle mémoire peut avoir la forme d'une matrice de cellules élémentaires ayant chacune un dispositif de lecture, ou bien la forme d'un ruban ou d'un disque défilant devant un dispositif unique de lecture des informations binaires. Il est connu un procédé de lecture non destructive mettant en oeuvre l'effet pyroélectrique, c'est-à-dire l'apparition de charges à la surface de la couche sous l'effet d'une élévation de température. Le signe des charges qui apparaît indique le sens de la polarisation de chaque domaine de la couche. Il est connu aussi de réaliser une lecture non destructive en mettant en oeuvre l'effet piézoélectrique, en soumettant chaque domaine de la couche à une contrainte mécanique. Cette contrainte provoque l'apparition de charges à la surface de la couche, et ces charges indiquent le signe de la polarisation rémanente de chaque domaine. La sollicitation mécanique ou thermique de chaque domaine de la couche de matériau ferroélectrique est en général malaisée, d'autant plus que le volume de chaque domaine est plus faible. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de lecture non destructive dont la réalisation soit simple, ne comportant pas de transducteurs thermiques ou mécaniques, mais des transducteurs purement électriques. L'objet de l'invention est un dispositif de lecture comportant principalement des électrodes en contact avec la couche de matériau ferroélectrique. Selon l'invention, un dispositif de lecture pour mémoire ferroélectrique, cette mémoire comportant une couche de matériau ferroélectrique stockant des informations binaires sous la forme d'une suite de domaines dont la direction de polarisation est perpendiculaire au plan de la couche, le sens de polarisation de chaque domaine traduisant une information binaire, est caractérisé en ce que, pour lire l'information binaire portée par chaque domaine, ilcomporte il comporte:: - des moyens pour appliquer un champ électrique alternatif d'excitation, parallèle au plan de la couche, à travers le domaine considéré, et ayant une fréquence fixé f - des moyens pour détecter une composante de fréquence 2f dans des variations de la polarisation du domaine considéré, créés par l'excitation - des moyens pour comparer la phase de cette composante à la phase du champ électrique d'excitation et en déduire la valeur de l'information binaire portée par le domaine considéré. L'objet de l'invention sera mieux compris et d'autres détails apparaîtront à l'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompa gnant: - les figures 1 et 2 illustrent le procédé mis en oeuvre pour la lecture; - la figure 3 représente le schéma synoptique d'un exemple de réalisation du dispositif de lecture, selon l'invention - la figure 4 représente le schéma d'une partie d'une variante de cet exemple de réalisation - la figure 5 représente le schéma synoptique d'un second exemple de réalisation. La figure 1 représente un cube de matériau ferromagnétique correspondant à un domaine où la polarisation rémanente est uniforme. Une mémoire ferroélectrique est constituée par une couche plane, d'épaisseur constante, constituée d'une suite de tels domaines juxtaposés. Le sens de la polarisation de chaque domaine traduit une information binaire. Le vecteur polarisation de ce cube est repéré dans un repère constitué de trois axes orthogonaux notés 1, 2, et 3. La polarisation rémanente est parallèle à l'axe 3 et est représentée par un vecteur Pr . Le procédé de lecture non destructive mis en oeuvre au moyen du dispositif selon l'invention, consiste à appliquer un champ électrique d'excitation, alternatif, ayant une fréquence fixée f, perpendiculairement à la direction de la polarisation rémanente Pr s par exemple au moyen de deux électrodes planes, 4 et 5, situées de part et d'autre du cube et parallèles au plan défini par les axes 2 et 3.Ces électrodes 4 et 5 sont reliées à un générateur 8 de tension alternative, d'amplitude V et de fréquence f. Le procédé consiste en outre à recueillir une tension d'amplitude u et de fréquence 2f sur deux électrodes planes, 6 et 7, placées de part et d'autre du cube et contre celui-ci, parallèlement au plan défini par les axes 1 et 2, autrement dit perpendiculaires aux électrodes d'excitations 4 et 5. Dans un diélectrique quelconque, le vecteur de polarisation P a des composantes Pi , avec i variant de 1 à 3, qui dépendent du champ électrique appliqué E. Ce dernier a trois composantes Ex, j variant de I à 3. Les valeurs des composantes Pi sont données par la relation P i = # i# E. + # ijk.Ei.Ek +#ijkl.EjEkEl + ... (1) I J i ijkl j où r gij sontles éléments du tenseur de permittivité linéaire et où Q gijk et sont sont les éléments des tenseurs de permittivité non linéaire. Pour un diélectrique polaire, tel qu'un matériau ferroélectrique polarisé, endessous de sa température de Curie, le tenseur & . est diagonal, c'est-à-dire que les valeurs de ses éléments sont nulles pour i différent de j. Un champ électrique n'induit donc pas de polarisation, d'amplitude proportionnelle à ce champ, dans une direction perpendiculaire à ce champ. Par contre, le tenseur 8 ijk , qui est de même symétrie que le tenseur piézoélectrique, présente un certain nombre d'éléments non nuls. Dans le cas des matériaux ayant une structure cristallographique de symétrie mm2, c'est-à-dire ayant deux plans de symétrie et un axe de symétrie de second ordre, c'est-à-dire ayant une maille parallélipédique à trois faces rectangulaires, les éléments non nuls relatifs aux champs électriques normaux à l'axe 3 et concernant la polarisation rémanente le long de l'axe 3, sont: E #311 , t-322 e 8333 . Par conséquent, lorsque des champs électriques E1 et E2 sont appliqués respectivement dans les directions des axes 1 et 2, une variation de polarisation apparaît dans la direction de l'axe de polarisation rémanente, 3, proportionnellement au carré des champs électriques E1 et E2 s selon la formule: AP3 = #311.E21 + #322.E22 (2) D'autre part, comme tous les éléments de tenseur de rang 3 des matériaux ferroélectriques, les éléments # 311 et t 322 sont proportionnels à la polarisation rémanente P r du matériau 8311 = g311. P i 6 322 = g322. Pr (3) où g311 et g322 sont des constantes. Il résulte de la formule (2) que, si une excitation est appliquée à ce cube de matériau ferroélectrique, sous la forme d'un champ électrique ayant une composante E1 ou E2 non nulle, il apparaît dans la direction de l'axe 3 une variation de polarisation ayant une composante à la fréquence 2f. Il découle des formules (3) que le signe de la polarisation rémanente détermine le signe des deux coefficients t 311 et g322 et par conséquent détermine le signe de la variation de polarisation Au3 . Le signe de cette variation de polarisation correspond à une différence de phase, 0 ou , de la composante à la fréquence 2f par rapport au champ d'excitation.Il est donc possible de déterminer la valeur d'une information binaire, indiquée par le sens de la polarisation rémanente dans un domaine, en comparant la phase de la composante à la fréquence 2f par rapport à la phase d'un champ d'excitation appliqué dans la direction de l'axe 1, par exemple. La figure 2a représente le graphe d'un champ électrique E 1 parallèle à l'axe 1 et constituant le champ d'excitation du cube du matériau, dans un exemple où ce champ est constitué d'une seule composante parallèle à l'axe 1 et est une fonction sinusolclale du temps. La figure 2b représente les variations de la polarisation dans la direction de l'axe 3, lorsque la polarisation rémanente est dirigée dans le sens de l'axe 3. La figure 2c représente les variations de la polarisation dans la direction de l'axe 3 lorsque la polarisation rémanente est dirigée dans le sens opposé au sens de l'axe 3. Dans cette représentation, le matériau ferroélectrique est modélisé en considérant que la polarisation P est le moment d'un dipôle rigide tournant autour de son origine C, le long du cercle en pointillés, sous l'effet d'un couple de forces engendré par le champ électrique E1 . Cette polarisation P a une composante P1 sur l'axe 1 et une composante P3 sur l'axe 3, qui varient en fonction du temps à cause de la rotation du dipôle. La partie gauche de la figure 2d représente le graphe, en fonction du temps, de la variation AP3 de la composante P3 de la polarisation. De même, la partie gauche de la figure 2c représente le graphe, en fonction du temps, de la variation AP3 de la composante P3 de la polarisation. Il apparaît sur ces graphes que ces variations ont une fréquence double de la fréquence du champ d'excitation E1 et que dans le second cas, la phase est la même que celle d'une tension engendrée par doublage en fréquence de la tension d'excitation, et que, dans le premier cas, la phase est opposée à celle de cette tension à fréquence double. L'amplitude du champ électrique d'excitation est choisie très inférieure à celle du champ coercitif nécessaire pour dépolariser le matériau utilisé. Par exemple, pour une mémoire constituée de PIF2, ayant une polarisation rémanente P3 = 10.10'2C.m2 un champ électrique E1 d'amplitude 107V.m 1, correspondant au dizième du champ coercitif approximativement, peut fournir une variation de polarisation se traduisant par une variation de potentiel de l'ordre de 200 millivolts par micron d'épaisseur dans la direction de l'axe 3. La figure 3 représente le schéma synoptique d'un premier exemple de réalisation du dispositif de lecture, selon l'invention. Dans cet exemple, la mémoire ferroélectrique est constituée par un ruban formé d'une couche uniforme, 10, de matériau ferroélectrique du type P(VF2/VF3). Le ruban 10 est en mouvement longit#dinal par rapport au dispositif de lecture, et porte des informations binaires successives stockées chacune dans un domaine 9 ayant une longueur fixée. La direction de la polarisa- tion rémanente est perpendiculaire au plan de la couche 10. Le sens de la polarisation rémanente dans chaque domaine 9 traduit une information binaire. Chaque domaine 9 n'est pas accessible latéralement comme le cube de matériau considéré sur la figure 1. Le champ électrique d'excitation est donc appliqué au moyen d'électrodes 12 et 13 situées à l'extérieur de la couche 10, appliquées contre une première face de celle-ci, et distantes d'une longueur approximativement égale à la longueur de chaque domaine 9. Ainsi certaines des lignes du champ électrique d'excitation, créées par les électrodes 12 et 13, traversent latéralement le domaine situé à mi-chemin entre ces deux électrodes à l'instant considéré. Une troisième électrode, 11, est appliquée contre l'autre face de la couche 10 en vis à vis de l'espace séparant les électrodes 12 et 13, pour permettre la mesure d'une différence de potentiel créé par la polarisation rémanente, entre les électrodes 12 et 13, d'une part, et l'électrode 11, d'autre part. Un oscillateur de fréquence f = 10KHI fournit une tension alter native sinusotdale qui est appliquée par un transformateur 14 aux deux électrodes 12 et 13. Le transformateur 14 possède un secondaire à point milieu. Les deux extrémités de ce secondaire sont reliées aux électrodes 12 et 13 et le point milieu constitue une référence de potentiel qui est reliée à une première entrée d'un amplificateur sélectif 17. Celui-ci est accordé à la fréquence 2f = 20KHz et possède une seconde entrée reliée à l'électrode 11. L'oscillateur 15 est relié à un doubleur de fréquence 16.Un détecteur synchrone 18 possède : une entrée reliée à la sortie de l'amplificateur 17 ; une entrée reliée à la sortie du doubleur de fréquence 16 ; et une sortie qui fournit à une borne de sortie 19 un signal logique traduisant la concordance de phase ou l'opposition de phase entre les signaux fournis respectivement par l'amplificateur 17 et par le doubleur de fréquence 16. Ce signal logique représente les informations binaires portées par la couche de matériau ferroélectrique 10. L'oscillateur 15, le doubleur de fréquence 16, l'amplificateur sélectif 17, et le détecteur synchrone 18 sont des dispositifs classiques dont la réalisation est à la portée de l'homme de l'art. Dans un exemple de réalisation, l'épaisseur de la couche 10 de P(VF2/VF3) est égale à 1 micron; l'espace entre les électrodes 12 et 13 est égal à 1 micron ; et l'amplitude de la tension appliquée à ces électrodes est de 10 volts. La tension alternative de fréquence 2f reçue par l'amplificateur 17 est de l'ordre de 200 millivolts, dans ce cas. La figure 4 représente une vue schématique d'une partie d'une variante de l'exemple de réalisation précédent, adaptée pour lire une mémoire ferroélectrique comportant un ruban 21 de matériau ferroélectrique stockant des informations binaires sur une pluralité de pistes longitudinales. Cet exemple de réalisation est prévu pour la lecture de dix pistes, mais dans d'autres exemples de réalisation le nombre de pistes peut être beaucoup plus élevé. Il comporte un ruban 21 en matériau ferroélectrique défilant longitudinalement en s'appuyant sur deux électrodes d'excitation 22 et 24, de forme allongée, couvrant toute la largeur du ruban 21. Les électrodes d'excitation 22 et 24 sont communes pour toutes les pistes et sont reliées à un seul transformateur 26 analogue au transformateur 14 de l'exemple de réalisation précédent. Les électrodes 22 et 24 sont séparées par n espace dont la largeur est égale approximativement à la longueur d'un domaine portant une informarion binaire, dans la direction de déplacement du ruban 21. En vis à vis de cet espace, dix électrodes 23 sont alignées perpendiculairement au ruban 21 pour lire en parallèle dix pistes. Les électrodes 23 sont en contact avec le ruban 21 sur la face qui n'est pas celle en contact avec les électrodes d'excitation 22 et 24. Les électrodes 23 sont montées sur un système mécanique élastique, non représenté, qui les applique contre le ruban 21. Elles sont isolées électriquement les unes des autres et sont reliées chacune par une borne de sortie 25, à un amplificateur sélectif, non représenté, analogue à l'amplificateur 17 de l'exemple de réalisation précédent. Il est prévu un amplificateur sélectif et un détecteur synchrone pour chaque piste. Par contre il suffit d'un seul transformateur 26, d'un seul oscillateur, et d'un seul doubleur de fréquence pour toutes les pistes. La figure 5 représente un second exemple de réalisation du dispositif de lecture selon l'invention, utilisé dans une mémoire statique comportant une plaque 31 de matériau ferroélectrique stockant des informations binaires sous la forme d'une matrice de cellules 32, chaque cellule étant constituée par un domaine dont la polarisation est uniforme et traduit une information binaire. L'électrode 11 est alors remplacée par un ensemble d'électrodes 33 parallèles, situées sur une première face de la plaque 31 et correspondant aux lignes de la matrice. Chaque électrode 33 permet de lire le sens de la polarisation d'une cellule parmi toutes celles constituant une ligne, une seule cellule 32 de la ligne étant excitée à la fois. Sur la seconde face de la plaque 31, un ensemble d'électrodes parallèles 29 correspondant aux colonnes de la matrice, permet d'exciter simultanément toutes les cellules d'une colonne, une seule colonne étant excitée à la fois. Pour réaliser l'excitation d'une colonne donnée, deux tensions en opposition de phase, analogues à celles appliquées aux électrodes 12 et 13 de l'exemple précédent, sont appliquées respectivement à deux électrodes d'excitation 28 et 30 situées respectivement sous les deux colonnes voisines de la colonne considérée. Une électrode supplémentaire 34 est prévue pour la première colonne et une électrode supplémentaire 27 est prévue pour la dernière colonne puisque celles-ci ne possèdent qu'une seule colonne voisine. Des moyens de commutation 35, dont la réalisation est à la portée de l'homme de l'Art, permettent d'appliquer deux tensions d'excitation, fournies par un transformateur à point milieu 41, sur les deux électrodes d'excitation 28 et 30 voisines de la colonne à exciter. Des moyens de commutation 36 permettent de relier l'une des électrodes 33 de la première face à une entrée d'un amplificateur sélectif 38 analogue à l'amplificateur 17. La sortie de l'amplificateur 17 est reliée à une borne de sortie 42 du dispositif de lecture. Naturellement un doubleur de fréquence 39 et un détecteur synchrone 40 sont prévus et sont agencés comme dans l'exemple précédent. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, de nombreuses variantes sont à la portée de l'homme de l'art. Notamment, il est possible d'utiliser un signal d'excitation périodique mais non sinusoldaì, et il est possible d'utiliser un matériau ferroélectrique sous une forme différente, par exemple sous la forme d'un disque tournant par rapport au dispositif de lecture. L'invention est applicable à la lecture de tous les types de mémoires ferroélectriques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de lecture pour mémoire ferroélectrique, cette mémoire comportant une couche (10) de matériau ferroélectrique stockant des informations binaires sous la forme d'une suite de domaines (9) dont la direction de polarisation est perpendiculaire au plan de la couche (10), le sens de polarisation de chaque domaine traduisant une information binaire, caractérisé en ce que, pour lire l'information binaire portée par chaque domaine (9), il comporte:: - des moyens (12 à 15) pour appliquer un champ électrique alternatif d'excitation, parallèle au plan de la couche (10), à travers le domaine considéré, et ayant une fréquence fixée f ; - des moyens (11 à 13,.tu7) pour détecter une composante de fréquence 2f dans des variations de la polarisation du domaine considéré, créés par l'excitation - des moyens (18) pour comparer la phase de cette composante à la phase du champ électrique d'excitation et en déduire la valeur de l'information binaire portée par le domaine considéré. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer un champ électrique d'excitation comportent une première et une seconde électrode (12, 13) appliquées sur une première face de la couche (10), et séparées par un espace correspondant à un seul domaine; et en ce que les moyens pour détecter une composante de fréquence 2f dans des variations de la polarisation, comportent une troisième électrode (11) appliquée sur une seconde face de la couche (10) en vis à vis de l'espace séparant la première et de la seconde électrode (12, 13), et comportent un amplificateur sélectif (17) accordé sur la fréquence 2f, pour mesurer la composante de fréquence 2f dans un signal électrique traduisant la différence entre le potentiel de la troisième électrode (11) et le potentiel commun à la seconde et à la troisième électrode (12, 13). 3. Dispositif selon la revendication 2, où la couche (10) de matériau ferroélectrique a la forme d'un ruban (21) mû longitudinalement, caractérisé en ce que pour lire simultanément sur une pluralité de pistes longitudinales, il comporte: une première et une seconde électrode (22, 24) allongées perpendiculairement au ruban (21) et s'étendant sur toute la largeur de celui-ci; et en ce qu'il comporte une troisième électrode (23) pour chaque piste, les troisièmes électrodes (23) étant alignées perpendiculairement au ruban (21), étant isolées électriquement les unes des autres, et étant couplées chacune à un amplificateur sélectif. 4. Dispositif selon la revendication 1, où la couche (21) de matériau ferroélectrique est fixe par rapport au dispositif de lecture, et a la forme d'une plaque comportant une matrice de cellules (32) stockant chacune une information binaire, caractérisé en ce qu'il comporte: - une pluralité de premières électrodes (29) situées sur une première face de la plaque et correspondant aux colonnes de la matrice, chaque colonne de la matrice étant excitée par deux de ces premières électrodes (40, 41), ces deux électrodes étant situées sous les deux colonnes immédiatement voisines de la colonne à exciter - une pluralité de secondes électrodes (33) situées sur une seconde face de la plaque et correspondant aux lignes de la matrice; ; - un générateur (40, 41) de tension alternative, de fréquence f - des moyens de commutation (35) pour relier deux des premières électrodes (29, 31) respectivement à deux bornes du générateur de tension alternative (40, 41); - des moyens (37, 38, 39) pour comparer la phase d'une tension avec la phase de la tension fournie par le générateur (40, 41) et fournissant un signal binaire représentant une information binaire lue dans la mémoire; - des moyens de commutation (36) pour relier l'une des secondes électrodes (33) à une entrée des moyens (37, 38, 39) pour comparer la phase d'une tension.