CN101706560B - 利用自旋转矩二极管效应的磁场检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有电流垂直平面CPP传感器的磁场检测系统，所述CPP传感器比如为用于巨磁致电阻GMR和隧穿磁致电阻TMR自旋阀传感器的CPP传感器，所述磁场检测系统以与常规GMR和TMR自旋阀系统不同的模式操作。所述磁场检测系统包括：磁场传感器，包括：衬底；被钉扎铁磁层，具有面内磁化方向；自由铁磁层，具有在存在待检测外磁场时自由转动的面内磁化方向；以及非磁间隔层，在所述被钉扎铁磁层和自由铁磁层之间；电流源，耦接到所述磁场传感器，用于引导交流电流垂直通过所述磁场传感器的层；以及电压检测器，耦接到所述磁场传感器，用于检测施加交流电流期间存在外磁场时跨所述磁场传感器的直流电压。

Description

利用自旋转矩二极管效应的磁场检测系统
技术领域
本发明总地涉及使用电流垂直平面(CPP)型传感器(如用于巨磁致电阻(GMR)和隧穿磁致电阻(TMR)自旋阀(SV)传感器的CPP传感器)的磁场检测系统，更特别地，涉及以与常规GMR-SV和TMR-SV系统不同的模式操作CPP传感器的磁场检测系统。
背景技术
用于检测磁场的系统是公知的，包括磁记录盘驱动器中用于从盘读取磁记录数据的系统。一类盘驱动器数据读取系统使用常规磁致电阻(MR)自旋阀(SV)传感器或读头。SV MR传感器具有层的堆叠，包括非磁导电间隔层(通常为铜(Cu))分隔开的两个铁磁层。一个铁磁层使其磁化方向被固定，例如通过与相邻的反铁磁层交换耦合而被钉扎，另一铁磁层使其磁化方向在存在外磁场时“自由”旋转。检测或偏置直流电流施加到传感器时，自由层磁化相对于固定层磁化的旋转可检测为电阻的变化。
在磁记录盘驱动器SV读传感器或读头中，层的堆叠位于磁屏蔽件之间的读“间隙”中。固定层或被钉扎层的磁化基本垂直于盘的平面，自由层的磁化在没有外磁场时基本平行于盘平面。当暴露到来自于盘上记录的数据的外磁场时，自由层磁化将旋转，导致电阻的改变。电流垂直平面(CPP)SV传感器以与传感器堆叠中的层平面垂直地引导的检测或偏置直流电流操作。CPP巨磁致电阻SV读头由A.Tanaka等人在“Spin-valve heads in thecurrent-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording”，IEEETRANSACTIONS ONMAGNETICS，38(1)：84-88Part 1 JAN 2002中描述。
另一类CPP传感器是磁隧道结(MTJ)传感器，也称为隧穿MR或TMR传感器，其中非磁间隔层是非常薄的非磁隧道势垒层。在CPP-TMR传感器中，垂直穿过所述层的隧穿电流依赖于两个铁磁层的磁化的相对取向。虽然在CPP-SV读头中间隔层由导电材料例如Cu形成，但是在CPP-TMR读头中间隔层由电绝缘材料例如TiO2、MgO或Al2O3形成。
在具有CPP传感器的磁场检测系统中，期望以高的偏置电流密度来操作传感器从而使信号和信噪比SNR最大化。然而，已知CPP传感器易受电流引起的噪声和不稳定性的影响。自旋极化的偏置电流垂直流经铁磁层且产生对局域磁化的自旋转矩效应。这能产生磁化的连续回旋(gyration)或激励(excitation)，导致显著的低频磁噪声，如果偏置电流大于“临界电流”(IC)的话。该效应由J.-G.Zhu等人在“Spin transfer induced noise in CPP readheads”，IEEE Transactions on Magnetics，Vol.40，Jan 2004，pp.182-188中描述。因此自旋转矩的负面影响限制了CPP传感器能工作的偏置电流。
需要一种磁场检测系统，例如磁记录盘驱动器中的数据读取系统，其使用CPP传感器但是在存在电流引起的自旋转矩的情况下操作而没有负面影响。
发明内容
本发明涉及一种具有电流垂直平面(CPP)传感器(如用于巨磁致电阻(GMR)和隧穿磁致电阻(TMR)自旋阀(SV)传感器的CPP传感器)的磁场检测系统，其以与常规GMR-SV和TMR-SV系统不同的模式操作。在常规CPP传感器中，有比临界电流(IC)水平低的偏置或检测直流电流(DC)以确保没有自旋转矩影响CPP传感器的自由层的磁化，其可产生过多的噪声。然而，在根据本发明的系统中，交流电流(AC)源以固定的选定频率操作且引导交流电流垂直穿过CPP传感器的层，交流电流幅度IAC足够高从而故意在CPP传感器的自由层中引起自旋转矩。在所述选定频率处交流电流引起的自旋转矩导致自由层中磁化的振荡，这提升了DC电压信号VDC。自由层和被钉扎层或参考层的共振频率一般分开足够远从而如果AC频率选择为自由层的共振频率附近，则将不会在被钉扎层中引起共振。因此，DC电压信号VDC是仅在自由层中引起的共振的直接结果。VDC的值将响应于所检测的外磁场的大小而改变，且随着自由层与交流电流共振地和非共振地被驱动而改变。在本发明的CPP传感器中，由AC引起的自由层磁化的自旋转矩共振所导致的DC电压表示实际磁致电阻信号，而在常规CPP传感器中DC引起的自旋转矩共振向磁致电阻信号增加噪声。自由层的共振频率将随着外场的大小(而不是符合)而改变。因此，在所检测的磁场具有正和负值的盘驱动器应用中，需要外偏置场使得传感器检测在零至来自磁化区域的磁场的值的约两倍范围内的磁转变。
在盘驱动器实施例中，传感器可以是CPP GMR-SV型传感器或者CPPTMR-SV型传感器。如果传感器是其中自由层与被钉扎层之间的非磁间隔层是绝缘隧道势垒的TMR-SV传感器，则自由层和被钉扎层的磁化在没有外磁场时基本彼此正交地取向。如果传感器是其中非磁间隔层是导电层的GMR-SV，则自由层和被钉扎层的磁化基本取向为与彼此平行相比更趋向于反平行。在任一种情况中，自由层的磁化取向为基本垂直于盘的表面。
因为需要传感器在IC之上的电流水平操作以在自由层中引发自旋转矩效应，所以可以选择用于传感器中的自由层的材料的属性以减小IC，且因此减小AC源需要提供的电流水平。用于自由层的一类材料是高自旋极化材料，因为它们将降低IC。因此自由层可以由铁磁赫斯勒(Heusler)合金形成或者包括铁磁赫斯勒合金，已知一些铁磁赫斯勒合金在块体(bulk)形式表现出高自旋极化。全赫斯勒合金和半赫斯勒合金是具有特定成分和晶体结构的金属间化合物。赫斯勒合金的示例包括但不限于全赫斯勒合金Co2MnX(X是Al、Sb、Si、Sn、Ga、Ge中的一种或更多)、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al(其中x在0和1之间)。示例还包括但不限于半赫斯勒合金NiMnSb和PtMnSb。用于自由层的另一类材料是与一般自由层的厚度相比具有短的自旋扩散长度的材料。与具有高自旋极化的材料类似，它们能在短的长度尺度上有效散射自旋，因此引起自旋转矩不稳定性。一种这样的优选材料具有成分(CoxFe100-x)(100-y)My，其中M是选自由Al、Ge和Si构成的组的元素，x在约40和60之间，且y在约20和40之间。再一类材料是具有低的磁阻尼(magneticdamping)的材料，例如坡莫合金(NiFe19)。一般地，表现出高自旋极化和低阻尼的材料对于本发明的传感器来说是期望的，因为这些属性减小了IC。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，请结合附图参照下面的详细描述。
附图说明
图1是盖被去除的常规磁记录硬盘驱动器的示意性俯视图；
图2是滑块和沿图1的方向2-2截取的一部分盘的放大末端视图；
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出从盘观察时的读/写头的端部；
图4是CPP读头的面对气垫面(ABS)的示意性剖视图，示出位于磁屏蔽层之间的层堆叠；
图5是磁记录盘驱动器应用中根据本发明一实施例的磁场检测系统的示意图；
图6是曲线图，示出跨过CPP传感器的VDC如何响应于来自于记录层中不同记录磁化的所施加的磁场。
具体实施方式
图1-4示出常规CPP磁致电阻(MR)磁场检测传感器和系统。图1是具有使用常规CPP磁致电阻(MR)传感器的数据读取系统的常规磁记录硬盘驱动器的结构图。盘驱动器包括支承在盘驱动器外壳或基座16上的磁记录盘12和旋转音圈马达(VCM)致动器14。盘12具有旋转中心13且通过安装到基座16的心轴马达(未示出)沿方向15旋转。致动器14绕轴17枢转且包括刚性致动器臂18。基本柔性的悬臂20包括挠曲件23且连接到臂18的末端。头载具或气垫滑块22附着到挠曲件23。磁记录读/写头24形成在滑块22的拖尾表面25上。挠曲件23和悬臂20使滑块能在旋转盘12产生的气垫上“俯仰”和“滚转”。一般地，有多个盘堆叠在通过心轴马达旋转的毂上，单独的滑块和读/写头与每个盘表面关联。
图2是滑块22和沿图1中的方向2-2取得的部分盘12的放大末端视图。滑块22附着到挠曲件23且具有面对盘12的气垫面(ABS)27和基本垂直于ABS的拖尾表面25。ABS 27使来自旋转盘12的气流产生空气承垫，其支承滑块22距离盘12的表面非常小的距离或者几乎接触盘12的表面。读/写头24形成在拖尾表面25上且通过到拖尾表面25上的端子焊盘29的电连接而连接到盘驱动器读/写电子电路。
图3是图2的沿方向3-3的视图，示出从盘12观察时的读/写头24的末端。读/写头24是沉积并光刻构图于滑块22的拖尾表面25上的一系列薄膜。写头包括通过写间隙30分隔开的磁写极P1/S2和P1。CPP MR传感器或读头100位于两个磁屏蔽件S1和P1/S2之间，P1/S2还用作写头的第一写极。屏蔽件S1、S2由导磁材料形成，且是导电的，从而它们能用作到读头100的电引线。也可使用单独的电引线，在该情况下读头100形成为接触导电引线材料层，导电引线材料例如为钽、金、Ru、Rh或铜，导电引线材料层接触屏蔽件S1、S2。
图4是放大剖视图，示出从传感器的气垫面(ABS)观察的构成传感器100的层。传感器100是CPP读头，包括形成在两个磁屏蔽层S1、S2之间的层堆叠，两个磁屏蔽层S1、S2一般是电镀的NiFe合金膜。下屏蔽件S1一般通过化学机械抛光(CMP)被抛光从而提供光滑衬底用于传感器堆叠的生长。这可留下氧化物涂层，其能紧在传感器沉积之前用适度的蚀刻来去除。传感器层包括参考铁磁层120、自由铁磁层110和在参考层120与自由层110之间的非磁间隔层130，参考铁磁层120具有基本垂直于ABS取向(进入页面)的固定磁矩或磁化方向121，自由铁磁层110具有基本平行于ABS取向且响应于来自盘12的横向外磁场在层110的平面内旋转的磁矩或磁化方向111。如果间隔层是一般由铜(Cu)形成的导电间隔层，则CPP传感器是CPP-GMR传感器。如果间隔层是电绝缘间隔层，一般由材料如TiO2、MgO或Al2O3形成，则CPP传感器是CPP-TMR传感器。
CPP传感器中的固定或被钉扎铁磁层可以是单个被钉扎层或者反平行(AP)被钉扎结构。AP被钉扎结构具有通过非磁反平行耦合(APC)层分隔开的第一(AP1)和第二(AP2)铁磁层，两个AP被钉扎铁磁层的磁化方向基本反平行地取向。一侧接触非磁APC层且另一侧接触传感器的导电间隔层的AP2层一般称为参考层。一般一侧接触反铁磁或硬磁钉扎层且另一侧接触非磁APC层的AP1层一般称为被钉扎层。AP被钉扎结构最小化了参考/被钉扎层与CPP自由铁磁层之间的净静磁耦合。AP被钉扎结构，也称为“层叠”被钉扎层，有时称为合成反铁磁(SFA)，描述于美国专利5465185中。
图4的CPP传感器中的被钉扎层结构是AP被钉扎结构，具有跨过AP耦合(APC)层123反铁磁耦合的参考铁磁层120(AP2)和下铁磁层122(AP1)。APC层123通常是Ru、Ir、Rh、Cr或其合金。自由铁磁层110、间隔层130和AP2层120一起构成传感器的所谓的“有源区”。AP1和AP2铁磁层使其各自的磁化方向127、121反平行取向。AP1层122可使其磁化方向通过交换耦合到反铁磁(AF)层124而被钉扎，如图4所示。供选地，AP被钉扎结构可以“自钉扎”或者它可以通过硬磁层例如Co100-xPtx或Co100-xPtxCry(其中x约在8和30原子百分比之间)被钉扎。在“自钉扎”传感器中，AP1和AP2层的磁化方向127、121一般通过磁致伸缩(magnetostriction)和存在于所制造的传感器中的残余应力设置为基本垂直于盘表面。期望的是，AP1和AP2层具有类似的磁矩。这确保AP被钉扎结构的净磁矩小，从而到自由层的静磁耦合被最小化，且AF层124的有效钉扎场(其大致反比于AP被钉扎结构的净磁化)保持为高。在硬磁钉扎层的情况下，当平衡AP1和AP2的磁矩以最小化到自由层的静磁耦合时，需要考虑硬磁钉扎层的磁矩。
位于下屏蔽层S1和AP被钉扎结构之间的是底部电引线126和籽层125。籽层125可以是单层或者不同材料的多层。位于自由铁磁层110与上屏蔽层S2之间的是盖层112和顶部电引线113。盖层112可以是单层或者不同材料的多层，例如Cu/Ru/Ta三层。
在存在关注范围内的外磁场，即来自盘12上的记录数据的磁场时，自由层110的磁化方向111将旋转，同时参考层120的磁化方向121将基本保持被固定且不旋转。自由层磁化111相对于参考层磁化121的旋转导致电阻的改变。因此，当检测直流电流IS施加在顶部引线113和底部引线126之间时，电阻改变被检测为与来自盘上的记录数据的信号磁场的强度成比例的电压信号。
引线126、113通常是Ta或Rh。然而，也可使用低电阻材料。它们是可选的，且用于调节屏蔽件到屏蔽件间隔。如果引线126和113不存在，则底部和顶部屏蔽件S1和S2用作引线。籽层125通常是NiFeCr、NiFe、Ta、Cu或Ru的一层或多层。AF层124通常是Mn合金，例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、IrMnCr、PdMn、PtPdMn或RhMn。如果代替AF层使用硬磁层，它通常是CoPt或FePt合金，例如CoPtCr。盖层112提供侵蚀防护且通常由Ru或Ta形成。
铁磁层122(AP1)、120(AP2)和110(自由层)通常由选自包括Co、Fe和Ni的组的合金形成，例如CoFe或NiFe合金，或者由这些材料的多层形成，例如CoFe/NiFe双层。AP2层也可以是层叠结构，以获得高度自旋相关界面散射。例如，AP2层可以是FM/XX/FM/.../XX/FM叠层，其中铁磁(FM)层由Co、Fe或Ni，它们的合金之一，或者这些材料的多层(例如CoFe-NiFe-CoFe三层)形成，XX层是非磁层，通常为Cu、Ag或Au，或者它们的合金，且足够薄从而相邻FM层强铁磁耦合。
例如，AP2层120可以是CoFe合金，通常10至厚，自由铁磁层110可以是CoFe合金和NiFe合金的双层，CoFe合金通常约5-
Figure G2009101603490D00062
厚且形成在间隔层130上，NiFe合金通常为10-
Figure G2009101603490D00071
厚，形成在双层中的CoFe层上。AP被钉扎结构中的APC层通常是Ru或Ir，具有约4-
Figure G2009101603490D00072
的厚度。
如果AP被钉扎结构是“自钉扎”型，则不需要钉扎层。在不存在反铁磁或硬磁钉扎层的自钉扎结构中，AP1层接触传感器衬底上的籽层。
硬磁偏置层(未示出)例如CoPt或CoCrPt层也可包括在自由铁磁层110的侧边缘附近并在传感器堆叠外，或者在用于自由铁磁层110的磁稳定化或纵向偏置的堆叠中。
自由层110、AP2层120、盖层112和导电非磁间隔层130中的一种或更多也可包括纳米氧化层(NOL)以局部限制电流路径和增大有源区的有效电阻。例如可以这样形成CoFe NOL，在一些CoFe已经沉积于自由层、AP2层、盖层或导电间隔层中某处之后，中断沉积，且在0.1-10托(Torr)的O2或O2/Ar气体中氧化其表面数分钟。NOL可以通过氧化其他材料例如Cu/Al或Cu/Ti合金或多层来形成。
虽然图4所示的读头100是“底部被钉扎型”读头，因为AP被钉扎结构在自由层110下方，但是自由层110可以位于AP被钉扎结构下方。在这样的布置中，AP被钉扎结构的层被颠倒，AP2层120在间隔层130上方且与其接触。
图5是根据本发明一实施例的磁场检测系统的示意图。该系统示出为具有传感器200的磁记录盘驱动器，传感器200的气垫面面对盘250。盘250具有衬底252和记录层254，记录层254用作磁记录介质，具有朝向或远离ABS指向的箭头所示的磁化区域。当盘旋转时，磁化区域沿箭头215的方向移动经过传感器200。记录层254示出为垂直磁记录介质，具有与记录层254的平面垂直地磁化的区域，但是供选地，它可以是纵向磁记录介质，具有在记录层254的平面内磁化的区域。
图5的传感器200基本类似于前述图4的CPP传感器100，以200系列编号的项对应于图4的传感器100中以100系列编号的项。传感器200可以是CPP GMR-SV型传感器或CPP TMR-SV型传感器。
然而，在前述使用常规CPP传感器100的常规数据读取系统中，有施加到CPP传感器的偏置或检测直流电流(IS)，该电流在小于临界电流(IC)的水平以确保没有自旋转矩影响自由层的磁化。在常规CPP传感器中，如果DC电流太高，即大于IC，则产生自旋转矩激励和过多的噪声。DC电流引发的自旋转矩效应会是复杂的，即能激励数种模式且不仅在自由层中，也会在更多层例如在被钉扎层中引起自旋转矩激励。
与自旋转矩效应相关的现象是自旋转矩二极管效应，如Tulpurkar等人在“Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions”，Nature，Vol.438-17，November 2005，339-42中描述的那样。当交流电流的频率约为自由层的共振频率时，向磁隧道结(MTJ)应用小的射频(radio frequency)交流电流(AC)能产生可测量的跨器件的直流(DC)电压。假定自由和参考层磁化在膜平面内且相对于彼此以Θ角取向。在AC周期的一半期间，通常是AC的电子流从参考层流向自由层的负半周期中，经过MTJ器件中的层的堆叠的AC对自由层磁化施加转矩，将其朝向被钉扎层磁化旋转。该配置具有低电阻。在AC周期的下一半，即电子流从自由层流向参考层的正半周期中，自由层磁化沿相反方向远离参考层转动，这是高电阻状态。在自由层共振频率附近的小频率窗中，电阻的改变以相同频率遵循AC，有一些相位滞后。这导致DC输出电压，其与AC电流成比例。自由层共振频率附近的频率窗可以通过外磁场有效调节且随着下面的复数表达式的实部缩放：
V DC = 1 4 ΔR sin 2 ( Θ ) I AC Re ( if γ ′ ST - γ ′ 2 H d FT ( f 0 2 - f 2 ) - ifα γ ′ H d )
= - 1 4 ΔR sin 2 ( Θ ) I AC γ ′ 2 H d f 2 αST + ( f 0 2 - f 2 ) FT ( f 0 2 - f 2 ) 2 + f 2 α 2 γ ′ 2 H d 2 方程式1
其中ST是常用反阻尼(anti-damping)如自旋转矩，FT是类场自旋转矩项，IAC是AC的幅度，γ′＝γ/2π，γ是旋磁常数，α是自由层的阻尼常数，Hd是垂直于自由层平面的退磁场，f0是自由层的共振频率，f是交流电流频率，Θ是参考层和自由层之间时间平均的角度。在方程式1中，共振频率f0且因此VDC依赖于外磁场的大小。
在图5的系统中，与上面描述且示于图1-4中的常规CPP传感器和系统不同，交流(AC)源260在固定的选定频率操作且引导AC垂直通过CPP传感器200的层，AC幅度IAC足够高从而在自由层210中故意引发自旋转矩。在选定频率处AC引发的自旋转矩导致自由层210的磁化的振荡，这提升了直流电压信号VDC，如上所述。相信AC引起的自旋转矩振荡避免了常规CPP传感器中会发生的与DC引起的自旋转矩激励相关的问题。因为AC源260以固定的选定频率操作，所以仅一种振荡模式被激励且能通过AC频率的适当选择来选择该模式。因为自由层和被钉扎层(如果使用AP被钉扎结构则是参考层)的共振频率一般分开足够远，所以如果AC频率选择为在自由层的共振频率附近，则在被钉扎层中将没有引发振荡。因此DC电压信号VDC是仅在自由层中引发的振荡的直接结果。假定图5所示的传感器是使用绝缘隧道势垒作为间隔层230的TMR传感器。则所示的参考层220的优选在平面内的磁化221基本平行于ABS。在没有来自AC源260的交流电流时，所示的自由层210的面内磁化211基本垂直于ABS(基本与参考层磁化正交)。该取向最大化了sin2(Θ)项且因此最大化了DC输出电压。可以选择其他角度的Θ，自由层210的面内磁化211仍保持基本垂直于ABS且参考层220的面内磁化221相应地旋转。然而，需要避免太接近于零的角度Θ，因为它们将最小化DC输出电压。因此约30＜Θ＜120度范围的Θ是优选的。在存在来自AC源260的IC以上的交流电流时，自由层210的磁化211将相对于参考层220的磁化221来回振荡，这将产生VDC。如下面将说明的那样，VDC的值将响应于被检测的外磁场的大小而改变且随着自由层与AC共振地和非共振地被驱动而改变。
如果代替具有隧道势垒的TMR传感器使用金属性GMR传感器，金属性GMR传感器具有用作间隔层230的金属性间隔比如Cu，则参考层磁化221与自由层磁化211之间的优选角将更接近于反平行而不是平行(90＜Θ＜180)。这是由于Slonczewski项(见J.C.Slonczewski，JMMM 159，L1(1996)和N.Smith et al.IEEE Trans.Magn.41，2935(2005))，其表达了与CPP-TMR传感器相比，CPP-GMR传感器的磁致电阻的不同的角度相关性。则用于CPP-GMR类传感器的DC电压的上述方程式1将包括Slonczewski项。
在本发明的CPP传感器中，由AC引起的自由层磁化的自旋转矩振荡导致的DC电压表示实际磁致电阻信号，而在常规CPP传感器中，DC引起的自旋转矩振荡向磁致电阻信号添加噪声。因此在这里自由层磁化的振荡是期望的。
由AC引起的自旋转矩振荡所导致的跨传感器的DC电压VDC的改变被测量且直接相关于传感器200上的外磁场的改变。在该示例中，被检测的磁场是来自盘250的记录层254中的记录位图案磁化的磁场。
施加到传感器200的来自源260的AC的频率选择为在没有磁场时自由层210的共振频率附近，这能通过铁磁共振实验容易地确定。用于该应用的一般且期望的共振频率在2-10GHz的范围内。现代盘驱动系统中的一般数据速率为约0.5至1GHz。相应地，DC电压信号变化的较高频率为约0.5至1GHz。因此，电子低通过滤器，如图5中的电阻器R和电容器C所示例的过滤器，将驱动传感器的AC与快速改变的VDC信号水平分开，VDC信号水平随着各个位转变而改变。
来自AC电流源260的电流峰值应在CPP传感器200的引发自旋转矩振荡的临界电流阈值IC之上。因此，电流密度应高于106A/cm2，优选地在约106-108A/cm2的范围。虽然要求最小电流密度来引起自旋转矩激励，但是太高的电流密度会例如通过电迁移(electromigration)导致传感器的物理击穿。在传感器200上没有施加磁场时，该水平的AC将导致约10-1000μV的VDC。在磁记录盘驱动器应用中，来自记录层254的磁场将在约-250至+250Oe的范围。然而，自由层的共振频率将随着外磁场的大小(而不是符号)而改变。因此，在被检测的磁场具有正和负值的盘驱动器应用中，需要至少来自记录层254的磁化区域的磁场的值例如250Oe的外偏置场，使得传感器200检测在约0至500Oe范围的磁转变。偏置场可以通过传感器的在与ABS相反侧的背部中的硬磁体提供。这在图5中由在自由层210之后的在传感器200的背部中的硬磁体270示出，其可以是例如CoPt合金层。硬磁体层270在自由层210上产生外偏置磁场，由箭头271表示，其与传感器的ABS正交地取向，因此能加或减来自于位的磁场。假定AC以没有磁场时自由层的共振频率驱动传感器。当传感器在“向下”的磁位上方扫描时，传感器上的净磁场约为零，因为偏置场271(假定+250Oe)和记录的“向下”的磁位(假定-250Oe)彼此抵消。所得DC电压为VDC＝V0，例如约100μV。当传感器在“向上”的磁位上方扫描时，来自“向上”的位的磁场(假定+250Oe)增加到偏置场271，因此传感器上的净磁场足以改变自由层共振频率，使得它与AC不共振。则所得DC电压为约VDC＝0。因此，随着盘250移动经过传感器200，VDC将从约0μV(处于约+500Oe且与AC不共振)到约100μV(处于约0Oe且与AC共振)改变。图6是曲线图，示出VDC如何随着传感器200响应于来自记录层254中的“向上”和“向下”的不同记录磁化(0和1位)的磁场而变化。VDC是记录在盘上的数据的模拟信号表示，可以被任何常规电压检测器所检测。该信号可以使用用于磁记录盘驱动器的常规读通道中使用的公知技术和电路部件转化成数字数据信号。
因为在本发明中需要传感器200在IC之上的电流水平操作以在自由层210中引发自旋转矩效应，所以可以选择用于CPP传感器中的自由层的材料的属性以减小IC，且因此减小AC源260需要提供的电流的水平。临界电流基本由下式给出：
IC＝(α/g)MSt(Hk+2πMs)方程式2
其中α是阻尼参数，g是依赖于铁磁材料的自旋极化的参数，Ms是自由层的饱和磁化，t是自由层的厚度，Hk是自由层的各向异性场。乘积Ms*t由来自盘上的记录位的通量(flux)确定且一般以NiFe合金的等价厚度给出，例如等价
Figure G2009101603490D00111
的坡莫合金(～800emu/cm3)。因此，对于参数α、Ms和Hk具有期望值的自由层材料能被选择来最小化IC。例如，Ni81Fe19表现出约0.01至0.02的低α，约800emu/cm3的低Ms*t和约1Oe的低本征各向异性场Hk。
此外，高自旋极化的材料将通过增大参数g的值而显著降低IC，参数g依赖于铁磁材料的自旋极化。因此，自由铁磁层210可由铁磁赫斯勒合金形成或者包括铁磁赫斯勒合金，已知一些铁磁赫斯勒合金在其块体(bulk)形式表现出高自旋极化。全赫斯勒合金和半赫斯勒合金是具有特定成分和晶体结构的金属间化合物。赫斯勒合金的示例包括但不限于全赫斯勒合金Co2MnX(X是Al、Sb、Si、Sn、Ga、Ge中的一种或更多)、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al(其中x在0和1之间)。示例还包括但不限于半赫斯勒合金NiMnSb和PtMnSb。理想的赫斯勒合金将具有100％的自旋极化。然而，有可能在薄膜形式和有限温度下，赫斯勒合金的能带结构(band structure)会偏离其最佳结构且自旋极化将下降。例如，一些合金会表现出化学位置无序(chemical site disorder)且以B2结构而不是L21赫斯勒结构结晶。尽管如此，自旋极化会超过常规铁磁合金的自旋极化。因此，在这里使用时，“赫斯勒合金”应意味着具有与已知的赫斯勒合金的成分基本相同的成分的合金，且其与常规铁磁材料例如NiFe和CoFe合金相比导致增强的自旋极化。
能使用的另一类材料是具有可与一般自由层的厚度相比的短自旋扩散长度的材料。与具有高自旋极化的材料类似，它们能在短的长度尺度上有效地散射自旋，因此引起自旋转矩不稳定性。一种这样的优选材料具有成分(CoxFe100-x)(100-y)My，其中M是选自由Al、Ge和Si构成的组的元素，x在约40和60之间，且y在约20和40之间。这些材料的优点在于具有适度高的自旋极化和低的磁阻尼，这对于在本发明的传感器中减小IC而言是期望的。
虽然已经参照优选实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离本发明的思想和范围。因此，所公开的发明应仅视为示例性的，且在范围上仅由所附权利要求限定。

Claims (24)

1.一种磁场检测系统，包括：
磁场传感器，包括：
衬底；
被钉扎铁磁层，具有面内磁化方向；
自由铁磁层，具有在存在待检测外磁场时自由转动的面内磁化方向，其中所述铁磁层具有响应于交流电流的磁化振荡共振频率；以及
非磁间隔层，在所述被钉扎铁磁层和自由铁磁层之间；
电流源，耦接到所述磁场传感器，用于基本以所述共振频率引导交流电流垂直通过所述磁场传感器的层，所述交流电流导致跨所述磁场传感器的直流电压；
施加到所述自由铁磁层的外偏置磁场的源；以及
电压检测器，耦接到所述磁场传感器，用于检测施加所述交流电流期间存在外磁场时跨所述磁场传感器的直流电压。
2.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述自由铁磁层具有特征临界电流值，在该特征临界电流值之上所述自由铁磁层的磁化方向的振荡被引发，且其中所述电流源引导比所述特征临界电流值更大的电流到所述磁场传感器。
3.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述非磁间隔层由电绝缘材料形成。
4.如权利要求3所述的磁场检测系统，其中在没有交流电流施加到所述磁场传感器的层且在没有外磁场时，所述自由铁磁层和所述被钉扎铁磁层的所述面内磁化方向基本彼此正交。
5.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述非磁间隔层由导电材料形成。
6.如权利要求5所述的磁场检测系统，其中在没有交流电流施加到所述磁场传感器的层且在没有外磁场时，所述自由铁磁层和所述被钉扎铁磁层的所述面内磁化方向相对于彼此更趋向于反平行而不是平行。
7.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述自由铁磁层具有成分(CoxFe100-x)(100-y)My，其中M是选自由Al、Ge和Si构成的组的元素，x在40和60之间，且y在20和40之间。
8.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述自由铁磁层包括铁磁赫斯勒合金，所述铁磁赫斯勒合金选自由Co2MnX、NiMnSb、PtMnSb、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al构成的组，其中X选自由Al、Sb、Si、Sn、Ga和Ge构成的组，x在0和1之间。
9.如权利要求1所述的磁场检测系统，其中所述自由铁磁层的磁化基本垂直于气垫面。
10.如权利要求1所述的磁场检测系统，还包括：
反平行被钉扎结构，包括具有面内磁化方向的第一反平行被钉扎铁磁层、具有与该第一反平行被钉扎铁磁层的磁化方向基本反平行的面内磁化方向的第二反平行被钉扎铁磁层、以及在该第一反平行被钉扎铁磁层和该第二反平行被钉扎铁磁层之间且与该第一反平行被钉扎铁磁层和该第二反平行被钉扎铁磁层接触的反平行耦合层，其中所述第二反平行被钉扎铁磁层包括所述被钉扎铁磁层。
11.如权利要求1所述的磁场检测系统，还包括具有记录磁化区域的磁记录介质，所述记录磁化区域向所述磁场传感器提供外磁场。
12.一种磁记录盘驱动器，包括：
可旋转的磁记录盘，具有提供磁场的磁化区域、表示记录的数据的磁化区域之间的转变；
读传感器，用于检测来自所述磁记录盘上的磁化区域的磁场，所述读传感器包括：
衬底；
被钉扎铁磁层，具有面内磁化方向；
自由铁磁层，具有在存在来自所述磁记录盘上的磁化区域的磁场时自由转动的面内磁化方向，所述自由铁磁层具有响应于交流电流的磁化振荡共振频率；以及
非磁间隔层，在所述被钉扎铁磁层和自由铁磁层之间；
电流源，耦接到所述读传感器，用于基本以所述共振频率引导交流电流垂直通过所述读传感器的层，所述交流电流导致跨所述读传感器的直流电压；
施加到所述自由铁磁层的外偏置磁场的源；以及
电压检测器，耦接到所述读传感器，用于在所述磁记录盘旋转时在所述磁记录盘上的磁化区域移动经过所述读传感器时检测跨过所述读传感器的直流电压。
13.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述外偏置磁场的源包括所述读传感器上的硬磁材料的层。
14.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述外偏置磁场至少和来自所述磁记录盘的磁化区域的磁场一样大。
15.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述磁记录盘的磁化区域被沿着与所述磁记录盘的表面基本垂直的方向磁化，所述外偏置磁场基本垂直于所述磁记录盘的表面取向。
16.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的非磁间隔层由电绝缘材料形成。
17.如权利要求16所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的自由铁磁层和被钉扎铁磁层的面内磁化在没有交流电流且不存在磁化区域时基本彼此正交。
18.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的非磁间隔层由导电材料形成。
19.如权利要求18所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的自由铁磁层和被钉扎铁磁层的面内磁化在没有交流电流且不存在磁化区域时相对于彼此基本更加趋向于反平行而不是平行。
20.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的自由铁磁层具有成分(CoxFe100-x)(100-y)My，其中M是选自由Al、Ge和Si构成的组的元素，x在40和60之间，且y在20和40之间。
21.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述读传感器的自由铁磁层包括铁磁赫斯勒合金，所述铁磁赫斯勒合金选自由Co2MnX、NiMnSb、PtMnSb、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al构成的组，其中X选自由Al、Sb、Si、Sn、Ga和Ge构成的组，x在0和1之间。
22.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述自由铁磁层的磁化基本垂直于气垫面。
23.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，还包括：
反平行被钉扎结构，包括具有面内磁化方向的第一反平行被钉扎铁磁层、具有与该第一反平行被钉扎铁磁层的磁化方向基本反平行的面内磁化方向的第二反平行被钉扎铁磁层、以及在该第一反平行被钉扎铁磁层和该第二反平行被钉扎铁磁层之间且与该第一反平行被钉扎铁磁层和该第二反平行被钉扎铁磁层接触的反平行耦合层，其中所述第二反平行被钉扎铁磁层包括所述被钉扎铁磁层。
24.如权利要求12所述的磁记录盘驱动器，其中所述电流源提供电流密度在106至107A/cm2范围内的交流电流。
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