CN1064163C - 双元件磁致电阻传感器 - Google Patents
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Abstract
一种具有将两个无源端区分隔开的中央有源区的双元件磁致电阻(MR)传感器，包括被高电阻非磁性隔层分隔开的第一和第二MR元件，第一和第二MR元件和所述隔层基本上仅在中央有源区上延伸，其中，具有用来分别在第一和第二MR元件中提供纵向偏磁场的第一和第二纵向偏置装置，该第一和第二纵向偏置装置中的至少一个基本上在所述无源端区上延伸；且第一MR元件内的与第二MR元件内的纵向偏磁场的方向反平行。
Description
本发明涉及磁阻(MR)传感器，尤其是涉及具有良好的磁状态稳定性和改善的制造工艺性的双元件MR传感器。
双元件MR传感器的优点已在美国专利USP 4，987，509和5，084，794中做了充分的论述。
USP5，084，794公开了一种MR传感器，此传感器包括两个实质上相同的MR元件，除了电短接这两个元件的导电端带之外，这两个元件由一绝缘隔层分离开。这两个短接的MR元件将加至其上的电流分成相等的两部分电流，这两部分电流以相同方向流过这两个元件。这两部分相等的电流提供偏流，并且还构成用于检测元件电阻变化的感测电流。无感测电流通过绝缘隔层分流。由于相同元件具有相同电阻，因此若发生电短路将不会形成电位差，结果是，两MR元件间的任何短路均不会影响记录信号的检测。但是，由于这种传感器是未屏蔽的，因此两MR元件间的空隙厚度是极严格的。绝缘层必须相当厚，而且导电带必须仅接触两元件的一小块区域。这使得传感器无法适应窄磁道宽度之应用。另外，此专利中没有关于如何稳定反向磁场的教导，此反向磁场是由通过导线加至MR元件的电流产生的，它会影响MR元件的磁状态的稳定。
USP 4，987，509公开了一种屏蔽的MR传感器，此传感器包括一对由薄电介质材料所分离的MR的元件。感测导体接触两元件的靠近端，以便向外传输所产生的感测电流。一共用导体设置在两元件的相对靠近端之间并与其接触，以便电短接这两个元件并提供感测电流的返回路径。由公用导体产生的磁场方向与由感测导体产生的磁场相同，从而使MR元件的磁状态稳定。但是，为实现稳定，这种结构需要至少三个连接件(两个感测导体和一个公用导体)。另外，在两个MR元件间插入公用导体使制造工艺复杂化。
有关的其它现有技术包括共同转让的美国专利USP 5，079，035，此专利公开了一种带有一些硬磁偏置层的MR传感器，这些硬磁偏置层为单个MR元件的相对端提供了具有电磁连续性的接触连接。另外，1992年6月15日出版的应用物理通讯(appl．phys．Lett)第60卷的第3060页起刊载的题目为“Ni81Fe19与NiO和CoxNi1-xO的耦合膜中的各向异性交换”(ExchangeAnisotropy In Coupled Films of Ni81Fe19 with NiO andCoxNi1-xO)的文章公开了NiO用于交换耦合的情况。
在双元件MR传感器中，为提供合适的传感头功能，保证两个MR元件的磁稳定性是很重要的。由于MR元件可在多种磁状态间转换，因此可产生有幅度的波动和不平衡。在具有或没有磁屏蔽的双元件MR传感器中，需实现磁稳定性，这里所说的传感器具有下列特点：(1)适于窄磁道宽度之应用；(2)具有改进的结构，这种结构使空气支承表面上和／或MR元件之间发生电短路的可能性降至最小并提供磁道端界的对接，所述电短路会因增大了对共模噪声的敏感性而降低传感器性能；和(3)使制造工艺简化。
本发明提供一种双元件磁致电阻(MR)传感器，其具有将两个无源端区分隔开的中央有源区，该传感器包括：被由高电阻值材料构成的非磁性隔层分隔开的第一和第二MR元件，且所述第一和第二MR元件和所述隔层基本仅在所述中央有源区上延伸，其特征在于：
具有用来分别在所述第一和第二MR元件中提供纵向偏磁场的第一和第二纵向偏置装置，且该第一和第二纵向偏置装置中的至少一个基本上在所述无源端区上延伸；
所述第一MR元件内的纵向偏磁场的方向与所述第二MR元件内的纵向偏磁场的方向反平行。
图1是MR感测系统的示意图，它示出体现本发明的MR传感器的一个实施例的侧视图，这是从一磁盘文件的空气支承表面(ABS)上观视到的。
图2是MR传感器的一实施例的侧视图，它构成图1所示实施例的一种改进。
图3是体现本发明的MR传感器的另一实施例的侧视图，这是从一磁盘文件的空气支承表面(ABS)上观视到的。
图4是构成图3所示实施例的改进的MR传感器的一实施例的侧视图。
如图1所示，体现本发明的一种双元件磁阻(MR)传感器10淀积于一个绝缘衬底12上。传感器10具有一个中央有源区，此中央有源区将两个无源端区分离开。中央区域包括依次淀积并通过离子研磨和光刻界定的下列各层：籽晶层14、软铁磁材料构成的第一MR元件MR1、高阻导电隔层16、软铁磁材料构成的第二MR元件MR2、以及保护层18。隔层16将MR1和MR2完全分隔开。
此后形成无源端区。每个端区包括一个软铁磁材料的薄层20，此薄层的厚度基本上等于淀积于衬底12上的MR1的厚度。随后，依次淀积反铁磁材料层22和非磁性金属材料层24。下一步是淀积硬磁偏置材料层26。这里使用的术语“硬磁偏置材料”是指诸如永磁材料之类的具有高矫顽力和高磁化强度的材料。为降低引线的电阻，在层26与导体引线30a和30b之间淀积有一个适当的材料层28。层20-30是这样淀积的：在传感器10的中央有源区的磁道边缘处对接MR元件MR1和MR2。
根据用于磁盘文件(图中未示出)的双元件MR传感器10的一优选实施例，衬底12由Al2O3构成；籽晶层14由厚达40的Ta构成；元件MR1和MR2由50-300厚的NiFe构成；高阻导电隔层16由60-1000厚的β相Ta构成；防护涂层18由20-40厚的Ta构成；层20由50-300厚的NiFe构成；层22由300-600厚的NiMn或NiO构成；层24由50-100厚的Cr构成；层26由200-600厚的CoPtCr构成；层28由大约100厚的TiW构成；导体引线30a和30b由厚达约1000的Ta构成。
根据本发明的特征，Cr层24不仅用作CoPtCr层26的籽晶层，而且还在MiMn层22和CoPtCr层之间提供磁去耦作用。MR元件MR1交换耦合至NiFe层20，以提供幅度至少为20奥斯特(Oe)量级的纵向交换偏磁耦合。硬偏磁CoPtCr层26最好具有500Oe以上的矫顽力。MR元件MR2由硬偏磁CoPtCr层26施加纵向偏磁。由于NiMn具有大约400℃的阻挡温度(blockingtemperature)，在传感器组件10的制造过程中，交换场的方向是通过在约240℃温度下在沿感测电流轴取向的磁场中，对NiFe／NiMn双层20和22进行退火来设定的，此方向示于图1中。硬偏磁CoPtCr层26的磁化方向是在制备传感器10之后在室温下通过沿感测电流轴方向施加大的外部磁场设定的。通过在沿感测电流轴的相反方向上对双层20和22施加外磁场，可将纵向偏磁的方向和由此在MR元件MR1和MR2中形成的磁化取向设定为彼此反平行。反平行取向特别适于窄磁道宽度之应用。
光刻和离子研磨技术是本领域技术人员公知的并且不构成本发明的一部分，这些技术用于淀积上述各层并在中央有源区和诸无源端区的各层之间提供上述的对接，而且还提供尽可能垂直的磁道边缘。
要注意的是，由偏磁层20在层20和MR1之间的接合处产生的杂散磁场以及由硬偏磁层26在层26和MR2之间的接合处产生的杂散磁场是附加的。这种静磁耦合有利于稳定元件MR1和MR2的反平行磁场取向。交换偏磁NiFe层20的磁场强度和厚度之乘积值应至少等于MR元件MR1的磁场强度和厚度之积值。硬偏磁CoPtCr层26的磁场强度和厚度之乘积值应至少等于MR元件MR2的相磁场强度和厚度之积值。另外，高阻导电隔层16的电阻率应至少为大约100微欧／厘米，以避免由于分流而造成过多的感测电流损耗。
尽管已对一个优选实施例进行了描述，但应指出的是，如果需要，隔层16可以由氮化铌、氮化钽、氧化钽、氮化钛或NiCrO构成；但是若采用这些材料，它们应由一个薄的Ta籽晶层覆盖，以避免降低MR元件MR2的MR系数。另外，如果需要，硬偏磁层26可以优选地由诸如CoCrTa或CoSm之类的其它硬偏磁材料构成。最后，如果需要，非磁性金属Cr薄层24可优选地由TiW或TaW合金制成；而引线30a和30b可优选地由TiW／Ta或Ta／Au／Ta构成。
由此将能看出，根据本实施例的传感器10最好容许纵向偏磁场的取向和由此引起的元件MR1和MR2的磁场取向能独立地设定。例如，当元件MR1和MR2采取反平行取向时，传感器特别适于引入诸如小于1微米的非常窄的磁道宽度的感测应用。
偏流源31和感测装置32并联接在引线30a和30b之间。当传感器10的双元件传感头感测到来自磁盘存储器(图中未示出)的模拟信号时，所产生的电压将由感测装置32所感测。应注意，对于此双元件传感器而言，引线30a和30b的每一个仅要求一个电连接。还应注意，偏流提供了大小为θ的偏角，对于图1中所示的反平行结构，此偏角对于MR1而言是向下进纸面方向，而对于MR2而言是与之相反的向上出纸面方向的。电流将在元件MR1和MR2之间均等分配，所以角θ对于两个MR元件将是相等的。
根据本实施例的一种变化方式，如图2所示，其中双元件传感器33与(图1所示的)传感器10的区别仅在于，以NiFe／NiO的双层34和35替代了图1中的NiFe／NiMn的双层20和22，并以NiFe／NiMn的双层36和37替代了图1中的硬偏磁CoPtCr层26。相应地，图2中采用带“’”的相同参考数字表示与图1中相同的部件。由于NiMn和NiO分别具有大约为400℃和200℃的阻挡温度，因此首先在约240℃温度下对NiMn层37进行退火以设定其交换偏磁方向，从而类似地设定元件MR2的磁化方向；然后在约160℃温度下对NiO层35进行退火，以设定其磁化方向并因此将MR元件MR1的磁化方向类似地设定为与NiMn层37的磁化方向反平行。另外，采用这一变化方式，Cr层24’消除了NiFe／NiO双层34和35与NiFe／NiMn双层36和37的耦合；并且双层36和37中的NiMn层37应最接近引线30a和30b，因为它是导电的且将有助于建立这些引线与MR元件的连接。
利用仅仅交换偏磁层实现反平行的稳定化的这种结构最好用于使用非常薄的MR传感器元件(例如小于100)的应用场合中，因为采用薄的硬偏磁材料以获得所要求的矫顽力是比较困难的。不过，除非要使用非常薄的MR元件，否则在先描述的实施例是更好的，因为根据这种变化方式的结构需要在两个而不是一个温度下退火。
如图3所示，根据这一实施的双元件MR传感器38包括一个最好由Al2O3构成的衬底40，在此衬底40的中央区域上通过光刻工艺依次淀积有下列各层：交换偏磁材料层41、软磁材料构成的MR元件MR3、高阻导电隔层42、软铁磁材料构成的第二MR元件MR4、以及防护涂层46。隔层42将元件MR3和MR4完全隔开。
在衬底40上，在上述各层的每一侧的无源区中依次淀积下列各层：位于衬底和导电引线48a、48b之间的层44，用于降低引线的电阻；籽晶层50；硬磁偏置材料层52；以及位于层52和引线54a、54b之间的层53，此层53用于降低引线的电阻。
交换层41最好由200-400厚的NiO或NiO合金构成。位于MR传感器38的中央有源区中的层MR3、42、MR4和46的厚度及成分最好分别与图1所示实施例中的层MR1、16、MR2和18的厚度及成分相同。另外，如果隔层42不是由Ta构成，则应在淀积层MR4之前，在隔层上淀积一个薄的Ta籽晶层(图中未示出)。相似地，层44和53的厚度和成分最好与图1所示实施例中的层28的相同，而层50和52的厚度和成分最好和层24和26的厚度和成分相同，而且导体引线48和54的组合厚度及成分与图1所示实施例中的引线30的厚度及成分相同。不过，如果需要，也可优选地替换成其它成分，诸如图1所示实施例中相应各层采用的成分。
根据本发明的特征，MR元件MR3由NiO或NiO合金层41施加偏磁交换，从而形成约10Oe量级的交换耦合。NiO优于NiMn和FeMn，因为它是绝缘体，并且因此不对感测电流进行分流。如果NiO层41和MR元件MR3之间的交换耦合太强，NiO可与诸如Al之类的另一元素形成合金，以使交换场降至所希望的幅度。隔层42具有至少100微欧／厘米的电阻率。它起一个间隙之作用，其厚度决定存储于磁道中的数据的线性密度。
图4所示实施例与图3所示实施例的区别在于，在MR传感器38’的中央有源区中的各层以相反顺序淀积在衬底40’上，并且因此以带“’”号的相同参考数字来表示。不过，无源端区与图3中的情况不同，在图4中这些端区包括在衬底40’上依次淀积的下列各层：籽晶层60；硬磁偏置层62；以及导体引线64a和64b。
如在图1所示的实施例中那样，层60最好由Cr构成。MR元件MR3’交换耦合至NiO或NiO合金41’，以形成幅度为10Oe量级的纵向交换偏磁耦合。MR元件MR4’由硬偏磁层62纵向施加偏磁。对于图3和4所示的这些实施例而言，交换场的方向是在制造过程中通过在沿感测电流轴向施加的磁场中在160℃温度下进行退火而设定的。
图3和4所示的实施例与结合图1所述的实施例的区别在于，在图3和4中，一个MR元件(MR4或MR4’)分别由诸如标号为52或62的硬偏磁层纵向施加偏磁；而另一MR元件(MR3或MR3’)分别通过与反铁磁性的NIO或NiO合金层41或41’的交换耦合获得纵向偏磁，这种状态跨过传感器的整个中央区延伸。另外，仅仅需要硬偏磁层52(图3)或62(图4)的磁场强度和厚度之乘积值分别至少等于MR元件MR4或MR4’的磁场强度和厚度之乘积值。不过，象前面所述的那样，使MR3’和MR4’的磁化方向反平行。
在图3所示的实施例中，MR元件MR4在以后的工艺过程中最好由防护涂层46密封和防护起来。在图4所示的实施例中，由于NiO是一种绝缘体，NiO层41’的宽度最好界定磁道宽度，而不受引线64a和64b与MR元件的准直的制约。
应当指出的是，上述实施例的结构可用于屏蔽的或者未屏蔽的MR传感器。如果MR传感器是屏蔽的，隔层16，16’42或42’是相当薄的，而如若传感器是未屏蔽的，所述隔层的厚度则根据技术方案的要求来控制。
尽管已参照优选实施例对本发明做了具体地展示和描述，但本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节方面的各种改进。因此，这里所公开的MR传感器之结构仅应认为是例证性的，本发明只能由权利要求书限定。
Claims (14)
1．一种双元件磁致电阻(MR)传感器，其具有将两个无源端区分隔开的中央有源区，该传感器包括：被由高电阻值材料构成的非磁性隔层分隔开的第一和第二MR元件，且所述第一和第二MR元件和所述隔层基本上仅在所述中央有源区上延伸，其特征在于：
具有用来分别在所述第一和第二MR元件中提供纵向偏磁场的第一和第二纵向偏置装置，且该第一和第二纵向偏置装置中的至少一个基本上在所述无源端区上延伸；
所述第一MR元件内的纵向偏磁场的方向与所述第二MR元件内的纵向偏磁场的方向反平行。
2．如权利要求1所述的双元件MR传感器，其特征在于：
所述第一纵向偏置装置包括在分别与所述第一MR元件的端部相接的每个所述无源端区上设置的交换耦合反铁磁／铁磁双层，用来在所述第一MR元件中提供所述纵向偏磁场；
所述第二纵向偏置装置包括在每个所述无源端区上设置的硬磁层，该硬磁层位于所述交换耦合双层之上，并与所述第二MR元件的各端部分别相接，用来在所述第二MR元件中提供所述纵向偏磁场；且
所述交换耦合双层与所述硬磁层被非磁性去耦合层隔开。
3．如权利要求2所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述交换耦合双层包括在NiFe层上淀积并与其接触的NiMn层。
4．如权利要求2所述的双元件MR传感器，其特征在于；所述硬磁层包括CoPtCr层。
5．如权利要求1所述的双元件MR传感器，其特征在于：
所述第一纵向偏置装置包括在分别与所述第一MR元件的端部相接的每个所述无源端区上设置的第一交换耦合反铁磁／铁磁双层，用来在所述第一MR元件中提供所述纵向偏磁场；
所述第二纵向偏置装置包括在分别与所述第二MR元件的端部相接的每个所述无源端区上设置的第二交换耦合反铁磁／铁磁双层，用来在所述第二MR元件中提供所述纵向偏磁场；且
所述第一交换耦合双层与所述第二交换耦合双层被非磁性去耦合层隔开。
6．如权利要求5所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述第一交换耦合双层包括在NiFe层上淀积并与其接触的NiMn层；所述第二交换耦合双层包括在NiFe层上淀积并与其接触的NiO层。
7．如权利要求6所述的双元件MR传感器，其特征在于；所述非磁性去耦合层包括Cr层。
8．如权利要求1所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述第一纵向偏置装置包括与第一和第二MR元件之一的表面上相邻并相接地设置的反铁磁材料构成的偏磁层，该表面与所述非磁性隔层相对置，所述反铁磁偏置层在所述第一和第二MR元件之一中提供交换耦合偏磁场。
9．如权利要求8所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述第二纵向偏置装置包括在与所述第一或第二MR元件中的另一个的各端部相接的每个所述无源端区中设置的反铁磁／铁磁交换耦合双层，用来在上述的所述第一或第二MR元件中的另一个上提供纵向偏磁场。
10．如权利要求9所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述交换耦合双层包括NiFe层和在其上形成并与其接触的反铁磁材料层，该反铁磁材料从包括MnFe、NiMn和NiO的组中选择，所述交换耦合双层的反铁磁材料与所述反铁磁偏磁层的材料不同。
11．如权利要求8所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述第二纵向偏置装置包括在与所述第一或第二MR元件中的另一个的各端部相接的每个所述无源端区中设置的硬磁层，用来在上述的所述第一或第二MR元件中的另一个上提供纵向偏磁场。
12．如权利要求11所述的双元件MR传感器，其特征在于；所述硬磁层包括CoPtCr层。
13．如权利要求8所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述反铁磁偏磁层的材料从包括MnFe、NiMn和NiO的组中选择。
14．如权利要求1所述的双元件MR传感器，其特征在于：所述第一和第二MR元件都包括NiFe层，所述非磁性隔层包括Ta层。
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