CN100356448C - 磁盘驱动器及其读出磁头 - Google Patents

Abstract

一种供具有特性阻抗Z₀的互连传输线使用的读出磁头，包括隧道真空管器件和与隧道真空管器件并联的分流电阻R_S。隧道真空管器件具有对应于预先确定的电阻面积(RA)之积的器件电阻R_T。分流电阻值是基于R_T和R_S的并联组合基本上等于互连传输线的特性阻抗Z₀。预先确定的电阻面积(RA)之积大约等于至少大约10 Ohm·μm²。可选地，预先确定的电阻面积(RA)之积大约等于隧道真空管器件的“拐角”值RA_C。

Description

磁盘驱动器及其读出磁头

技术领域

本发明涉及存储设备。特别地，本发明涉及使有效器件电阻R_D达到最小并改善器件信号噪声比(SNR)的磁盘驱动器的隧道真空管读出磁头。

背景技术

图1显示具有磁性读出/写入头(或记录浮动块)101的示例性的高RPM磁盘驱动器100，读出/写入磁头101包括，例如隧道真空管读出传感器，其使用例如两级伺服系统放置在磁盘102上的选定轨道之上，以读出存储在磁盘102上的数据。两级伺服系统包括用于粗定位读出/写入磁头悬臂105的音圈马达(VCM)104，并且可以包括用于将读出/写入磁头101精定位到选定轨道之上的微传动器或微动台。

与隧道真空管读出传感器相关的问题是，具有大的和/或最优隧道磁阻(TMR)值(即ΔR/R₀)的隧道结的电阻面积(RA)之积的可达到值，对于达到小于0.1μm²器件面积A_D时小于大约300Ohm的期望器件电阻R_D来说太大了。较低器件电阻R_D的动机主要是为了，在否则受下面描述的另外因素所限制的给定偏置电压V_bias下工作时，增加信号功率(∝(ΔR/R)²(V_bias)²/R_D)并同时减小隧道真空管磁头的散粒噪声(∝R_D)。第二考虑是为了，避免与互连到臂电子(AE)组件的传输线的特性阻抗Z₀的过度器件阻抗失配，特性阻抗Z₀典型地小于或等于100 Ohm。失配具有增加放大器噪声的效果。因此，约束R_D＝(RA)/A_D小于300Ohm要求RA大于1-2Ohm·μm²。

图2是显示典型隧道结的RA和ΔR/R₀之间近似关系的曲线200，其中RA和ΔR/R₀分别是曲线200的横坐标和纵坐标。当通过减小物理势垒厚度RA减小到“拐角”值RA_c以下时，低电压TMR比值ΔR/R₀开始随RA减小而近似线性地下降。隧道真空管势垒典型地表现出大约5-10Ohm·μm²的RAc值。因此，对于RA＜1-2Ohm·μm²可达到的ΔR/R₀将大大地低于对于相同势垒材料的更厚、更高RA势垒可获得的最大值ΔR/R_max。通过减小势垒厚度来减小RA也导致势垒较小的物理鲁棒性以及对针孔和/或其他批次可变性更加敏感，这些可能产生跨越圆片和/或从圆片到圆片的ΔR/R₀和RA值两者大的分布。当使用具有RA≥RA_C的较厚隧道势垒时，这些变化不那么普遍得多。

另外，众所周知TMR比值并不独立于偏置电压，而是随V_bias变大而单调减小。图3是显示隧道势垒的典型ΔR/R作为V_bias的函数的曲线300。如图3中所示，ΔR/R随渐增的V_bias≤V₅₀近似线性地减小，其中V₅₀是TMR比值ΔR/R已下降到其低电压极限一半时V_bias的值。仅仅由于这个缘故，在大于V_bias偏置电压下操作隧道真空管读出传感器变得不能实施。但是，长期下降通常将实际势垒偏置电压V_bias限制于很好地低于V₅₀值。依赖于势垒材料，对于较薄、较低的RA势垒，V₅₀趋于下降，并且最多当RA≤RA_c时大约不变。

所需要的是一种技术，其使隧道真空管读出磁头的有效器件电阻R_D达到最小并且改善隧道真空管读出磁头的器件信号噪声比(SNR)。

发明内容

本发明使隧道真空管读出磁头的有效器件电阻R_D达到最小，并且改善隧道真空管(tunnel valve)读出磁头的器件信号噪声比(SNR)。

本发明的优点由供具有特性阻抗Z₀的互连传输线使用的读出磁头提供。读出磁头包括隧道真空管器件和分流电阻R_S。隧道真空管器件具有对应于预先确定的电阻面积(RA)之积的器件电阻R_T。分流电阻R_S与隧道真空管器件并联。分流电阻值被选择，使得R_T和R_S的并联组合基本上等于预先确定的选定电阻值，例如互连传输线的特性阻抗Z₀。根据本发明一个方面，预先确定的电阻面积(RA)之积大约等于至少大约10Ohm·μm²。根据本发明另一个方面，预先确定的电阻面积(RA)之积大约等于这样的电阻面积(RA)之积的值，其中对于电阻面积(RA)之积的值进一步增加，隧道真空管器件的隧道磁阻(TMR)比值ΔR/R₀基本上不增加。

附图说明

本发明在附图中作为例子而不是限制来阐明，在附图中相似的参考数字指示相似元素，并且其中：

图1显示具有磁性读出/写入头的示例性的高RPM磁盘驱动器；

图2是显示隧道结的RA和ΔR/R₀之间近似关系的曲线；

图3是显示隧道势垒的典型ΔR/R作为V_bias的函数的曲线；

图4显示MTJ传感器真空管，磁头AE互连传输线以及AE前置放大器的等效电路示意图；以及

图5是显示对于几个V_bias值，SNR₂：SNR₁之比作为R_D的函数的曲线。

具体实施方式

本发明使隧道真空管读出磁头的有效器件电阻R_D达到最小，并且改善隧道真空管读出磁头的器件信号噪声比(SNR)。分流电阻R_S优选地使用标准沉积或光刻技术直接制作在衬底/浮动块上，虽然分流电阻也可能作为AE组件的一部分而从外部提供。隧道真空管磁头可以如下设计：对于给定的目标器件面积A_D和电阻R_D使用本发明的分流电阻R_S，并同时将隧道真空管势垒制作成具有大得多的物理鲁棒(robust)厚度，其中RA≈RA_C，而不管本征隧道传感器电阻R_T＝RA_C/A_D可能大大地超过R_D。本发明使隧道真空管磁头的有效器件电阻R_D达到最小，而不过分损害信号/噪声比(SNR)以及与器件产量、圆片可变性和长期可靠性有关的器件鲁棒性(robustness)。

图4显示MTJ传感器真空管401，磁头AE互连传输线402以及AE前置放大器403的等效电路示意图400。MTJ传感器真空管401包括隧道真空管传感器电阻R_T和分流电阻R_S。如图4中所示，MTJ传感器真空管401做成包括信号电压S_T和/或噪声源N_T。分流电阻R_S做成包括噪声源N_S。前置放大器403做成包括rms电压噪声源V_A和电流噪声源I_A。另外，前置放大器403的输入阻抗假设等于互连传输线402的特性阻抗Z₀，使得MTJ传感器真空管401的rms信号电压S_T和rms噪声电压N_T两者都没有反射地传送到前置放大器403。

MTJ传感器真空管的预期电压信号功率S_D ²为，

$S_D^2={(Z/R_T)}^2{V}_{\mathrm{bias}}^2{(\mathrm{\ΔR}/R)}_0^2{(1-\frac{1}{2}|V_{\mathrm{bias}}/V_{50})}^2---\left(1\right)$

其中，

Z＝R_D‖Z₀    (2)

R_D＝R_T‖R_S    (3)

前置放大器403输入处的噪声功率N_D ²为，

$N_D^2={\left|\frac{Z}{R_T}\right|}^{2}4\mathrm{kT}{R}_T\left\{\frac{V_{\mathrm{bias}}}{V_{\mathrm{tj}}}\coth \left(\frac{V_{\mathrm{bias}}}{V_{\mathrm{th}}}\right)\right\}+{\left|\frac{Z}{R_S}\right|}^2{4\mathrm{kTR}}_S---\left(4\right)$

其中，

V_th＝2kT/e≈60mV    (5)

S_D ²和N_D ²两者的表达式包括本发明的分流电阻R_S以及前置放大器输入阻抗Z₀两者的分流作用。除分流电阻R_S的热激噪声之外，噪声功率N_D ²的表达式包括隧道真空管的散粒噪声加上热激噪声。(为了简单起见，该表达式不包括依赖于传输线和读出传感器之间阻抗失配界面处反射的放大器电流及电压噪声引起的噪声。)对于期望在100-200mV的偏置电压，隧道真空管的散粒噪声功率基本上大于隧道真空管器件的热激噪声4kTR_T，以及可比拟的分流电阻的热激噪声4kTR_S，并且随V_bias基本上线性地变化。信号功率S_D ²的表达式显式地包括图3中所示的ΔR/R(V_bias)相关性，但仅隐式地包括图2中所示的ΔR/R₀对隧道势垒RA之积的相关性。ΔR/R₀对隧道势垒RA之积的相关性具有关键重要性，因为信号功率与(ΔR/R₀)²成正比。

为了强调ΔR/R₀对隧道势垒RA之积相关性的重要性，信号和噪声表达式用来计算信号/噪声比SNR，

$\mathrm{SNR}=\frac{S_D^2}{N_D^2}---\left(6\right)$

对于常规隧道真空管磁头和对于设计目标器件电阻R_D和设计目标器件面积A_D具有根据本发明的分流电阻R_S的隧道真空管磁头。对于常规隧道真空管磁头设计，没有分流电阻器(即R_S趋向无穷大)，并且隧道势垒厚度被选择，使得势垒的RA之积为

RA₁＝R_DA_D    (7)

对于具有根据本发明的分流电阻R_S的隧道真空管磁头设计，隧道势垒厚度增加，使得

RA₂＝RA_C    (8)

也就是图2中所示的ΔR/R₀对RA曲线的“拐角”值。则隧道真空管的磁头电阻为

$R_T=\frac{{\mathrm{RA}}_C}{A_D}---\left(9\right)$

然后分流电阻R_S被选择，使得R_T和R_S的并联组合(R_T‖R_S)等于目标器件电阻R_D。也就是，

R_S＝R_TR_D/(R_T-R_D)    (10)

自然地假设R_D≤R_T，因为，否则分流电阻R_S变得多余。

为了比较，将假设下面的参数值：A_D＝0.005μm²，V₅₀＝400mV，RA_C＝10Ohm·μm²，以及Z₀＝75Ohm。在该情况下，RA＝RA_C时厚势垒的本征传感器电阻将非常大R_T＝RA_C/A_D＝2000Ohm。特性“热电压”V_th＝2kT/e(在室温下50mV)取为60mV。

图5是显示对于几个V_bias值，SNR₂∶SNR₁之比作为设计目标器件电阻R_D的函数的曲线。在图5中，SNR₁是常规隧道真空管磁头的SNR，而SNR₂是具有根据本发明的分流电阻R_S的隧道真空管磁头的SNR。如图5中所示，SNR₂∶SNR₁之比随R_D减小而增加。两种设计当R_D＝2kOhm时是等效的。在更期望的设计目标电阻R_D＝300Ohm的情况下，明显更大的本征传感器信号/噪声比(即3-4dB不包括放大器噪声)可以由本发明通过使用物理鲁棒的RA＝10Ohm·μm²的势垒结合分流电阻R_S＝350Ohm来达到。相反地，常规隧道真空管磁头设计对于相同的设计目标电阻R_D＝300Ohm要求薄的隧道势垒制作成具有非常低的值RA＝1.5，并且具有预期的85％TMR损耗ΔR/R₀＝(RA/RA_C＝0.15)ΔR/R_max。本发明的相对SNR优点随目标器件电阻R_D进一步减小和/或偏置电压V_bias增加而增加。

一般地，本发明的优点与图2中所示的ΔR/R₀对RA的相关性有关。假设RA≤RA_C，ΔR/R₀与RA近似成正比，而对于固定的A_D，R_T与RA成正比。因此，ΔR/R₀与R_T近似成正比。对于图4电路的典型参数值，其中Z₀＜＜R_T，R_S，使得Z≈Z₀，S_D ²变得粗略地与R_T无关，而N_D ²与1/R_D+1/R_T*[V_bias/V_thcoth(V_bias/V_th)-1]成正比。因此，对于固定的目标R_D，通过增加本征R_T，噪声功率减小而SNR增加。当V_bias增加时，特别是当V_bias＞＞V_th时，这期望是实际情况，噪声功率进一步减小而SNR进一步增加。在接近Z₀的非常低的R_D，这在无分流(常规)情况R_D＝R_T，S_D ²另外地开始随R_T减小而减小，而本发明的分流电阻的SNR优点加速，该趋势在图5中也很明显。最后，当使用由本发明提供的更高R_T，物理上更厚和更鲁棒的隧道势垒时，由本发明提供的本征传感器SNR的优点并不基于V₅₀和/或安全及稳定的最大工作偏置电压的电势增加的任何额外好处。

虽然上述发明为了清楚理解的目的已相当详细地描述，很明显地，可以在附加权利要求书的范围内实施某些改变和修改。因此，本实施方案应当认为是说明性的而不是限制性的，从而本发明并不局限于这里所给出的细节，而是可以在附加权利要求书的范围和等价内修改。

Claims (12)

1.一种供具有特性阻抗Z₀的互连传输线使用的读出磁头，该读出磁头包括：

隧道真空管器件，隧道真空管器件具有对应于预先确定的电阻面积(RA)之积的器件电阻R_T；以及

与隧道真空管器件并联的分流电阻R_S，分流电阻值是基于R_T和R_S的并联组合等于预先确定的选定电阻值。

2.根据权利要求1的读出磁头，其中预先确定的选定电阻值等于互联传输线的特性阻抗Z₀。

3.根据权利要求1的读出磁头，其中预先确定的电阻面积(RA)之积等于至少10Ohm·μm²。

4.根据权利要求1的读出磁头，其中预先确定的电阻面积(RA)之积等于这样的电阻面积(RA)之积的值，其中对于电阻面积(RA)之积的值的进一步增加，隧道真空管器件的隧道磁阻(TMR)比值ΔR/R₀不增加。

5.根据权利要求1的读出磁头，其中分流电阻R_S放置在读出磁头的衬底/浮动块上。

6.根据权利要求1的读出磁头，其中分流电阻R_S放置在与读出磁头相关联的臂电子组件上。

7.一种磁盘驱动器，包括：

具有特性阻抗Z₀的互连传输线；以及

具有隧道真空管器件和分流电阻R_S的读出磁头，隧道真空管器件具有对应于预先确定的电阻面积(RA)之积的器件电阻R_T；分流电阻R_S与隧道真空管器件并联，并且分流电阻值基于R_T和R_S的并联组合等于预先确定的选定电阻值。

8.根据权利要求7的磁盘驱动器，其中预先确定的选定电阻值等于互连传输线的特性阻抗Z₀。

9.根据权利要求7的磁盘驱动器，其中预先确定的电阻面积(RA)之积等于至少10Ohm·μm²。

10.根据权利要求7的磁盘驱动器，其中预先确定的电阻面积(RA)之积等于这样的电阻面积(RA)之积的值，其中对于电阻面积(RA)之积的值的进一步增加，隧道真空管器件的隧道磁阻(TMR)比值ΔR/R₀不增加。

11.根据权利要求7的磁盘驱动器，其中分流电阻R_S放置在读出磁头的衬底/浮动块上。

12.根据权利要求7的磁盘驱动器，其中分流电阻R_S放置在与读出磁头相关联的臂电子组件上。

Images