CN1134189A - 磁信号检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用铁磁薄膜磁致电阻元件的磁信号检测装置，其利用小的偏磁磁场，通过使薄膜磁致电阻元件在磁化方向实现最佳产生高线性度的最大输出。沿相对于电流I的方向即在基片(1)上的薄膜磁致电阻元件的长度方向成近于56°的方向施加偏磁磁场Hb，使磁化强度M的方向约为45°，以便在电源端(4，5)之间得到高线性的输出。

Description

磁信号检测装置
本发明涉及一种使用铁磁薄膜磁致电阻元件的磁信号检测装置。
众所周知，通过利用铁磁薄膜磁致电阻元件(MR元件)作为重现磁头并将角度θ设定为近于45°(这一角度θ是铁磁薄膜磁致电阻元件的磁化方向M和流经该电阻元件的电流I之间构成的角度)，在将小信号的磁场Hs变换为电阻元件中磁阻变化的过程中，能够增强重现输出和提高重现灵敏度。图8中表示了现有技术的一个实例，其中沿与电流I的方向成45°施加一磁场Hb。在图8中，通过利用偏磁磁性体3沿与流经薄膜磁致电阻元件2的电流I的方向成近于45°方向施加一偏磁磁场Hb，按照图9所示的磁致电阻特性，可以选择得到高线性度和高重现输出的工作点。在图8中，数码4和5标注用于向薄膜磁致电阻元件2提供电流的电源端。
按照磁晶格节距(magnetic Iattice pitch)λ的1/2的间隔配置铁磁薄膜磁致电阻元件和施加偏磁磁场也是公知的。此外，用于沿45°的方向施加偏磁磁场的方法已是公知的，如图10所示(JP-B-1-45008)。在图10中，数码6和8标准电源端，数码7标注输出端，数码9标注偏磁磁场，数码10标注磁场信号记录介质。
在上述的任何一种方法中都是沿与电阻元件的长度方向(电流方向)成45°的方向施加偏磁磁场的。当形成在基片(由陶瓷或玻璃材料制成)上的MR薄膜被老化处理时，以便形成一电阻元件(薄膜宽度为几微米到几十微米)，电阻元件的磁化方向M由于轮廓形状效应取为沿电阻元件的长度方向。为了通过利用与电阻元件的长度方向成45°施加的偏磁磁场，使磁化强度沿与该长度方向成45°的方向取向，必须施加量级为几千到几万高斯的大的偏磁磁场，这是因为电阻元件具有的形状能量是大的。当施加相对较小的偏磁磁场(几百高斯)时，电阻元件磁化方向则处在小于45°的方向上。由于这些现象，存在如下的问题。
(1)由于电阻元件的磁化是由大的偏磁磁场限定的，或由于磁化方向小于45°，提供需要检测的磁信号的磁性材料的小的满磁磁场的检测输出是低的，信噪比小，畸变增加，难于利用信号处理电路来进行处理，最近以来，由于要求装置紧凑、控制精度提高和对微弱信号实现高保真度重现，因此需要检测的漏磁场变得越来越弱了。
(2)为了得到大的输出，需要使检测元件尽可能靠近提供磁信号的磁性材料，以便在所需检测的大范围的信号的磁场内进行检测。为了在需要检测的磁性材料和检测元件之间利用均匀精细缝隙检测相对的直线位移和旋转位移，需要对磁性材料表面进行精密机加工，并利用填隙片调节该缝隙。这就使得制造过程非常耗费时间。
本发明的目的是提供一种磁信号检测装置，其解决了在现有技术中遇到的上述问题，使得能够利用最小的偏磁磁场使磁化方向M取为相对电流为±45°或±135°的方向。
为了实现上述目的，本发明的磁信号检测装置包含的一各向导性的电阻元件在基片上以面对面的方式或与磁信号记录表面相垂直的方式配置，其由铁磁金属薄膜制成，以及包含一用于以与所述电阻元件成预定角度的方式施加偏磁磁场的磁场施加装置。设定由所述磁场施加装置施加的偏磁场的方向一使之满足如下表示流经所述电阻元件的电流方向的公式：
α＝±(Sin-1((Ku＋Ks)/H×M)＋Ф)
其中Ф：45°或135°
α：电流和偏磁磁场间的角度
Ku：各向异性能(焦耳/立方米)
Ks：轮廓各向导性能(Contour anisotropy energy)(焦耳/立方米)
H：偏磁磁场强度(安/米)
M：饱和磁通密度(特斯拉)
更确切地说，偏磁磁场相对于电阻元件不小于约±47°并相对于电流的方向不大于约±75°，或者偏磁磁场相对于电阻元件不小于约±105°并相对于电流方向不大于约±133°。
图1表示在本发明的一个实施例中的薄膜磁致电阻元件的结构；
图2表示在另一实施例中检测元件相对磁信号记录介质的配置；
图3表示再一实施例中检测元件相对磁信号记录介质的配置；
图4表示当施加偏磁磁场时偏磁磁场Hb方向和磁化强度M方向之间的关系；
图5表示当沿与电流方向成56°的方向施加偏磁磁场时的中点输出电压；
图6表示利用偏磁磁场强度作为参数表示的偏磁磁场角度和磁化方向的角度；
图7表示当利用偏磁磁性体施加偏磁磁场时，表明偏磁磁性体、基片和MR元件之间相互关系的配置；
图8表示现有技术的薄膜磁致电阻元件的结构；
图9表示当磁化方向M基本上取为45°时磁致电阻的特性关系图；
图10表示现有技术的检测元件相对于磁信号记录介质的配置。
下面参照附图解释本发明的各优选实施例。
如图4所示，当对一具有沿铁磁薄膜电阻元件的长度方向(电流I的方向)为易磁化轴线方向的薄膜施加偏磁磁场Hb时，在总能量Et最小的状态下，磁化方向M是稳定的，磁化方向M和电流I之间的角度是确定的。该总能是各向异性能量Ku×Sin2θ、由于轮廓效应产生的稳态磁能Ks×Sin2θ以及泽曼(Zehmann)能量-H×M×Cos(θ-α)的和，即：
Et＝Ku×Sin2θ＋Ks×Sin2θ-H×M×Cos(α-θ)…(1)其中：Ku：各向异性能(焦尔/立方米)
Ks：轮廓各向异性能(焦尔/立方米)
M：饱和磁通密度(特斯拉)
H：偏磁磁场强度(安/米)
θ：电流和磁化方向之间的角度
α：电流和偏磁磁场之间的角度
当θ指定为±45°或±135°时，α和H之间的角度的一般关系式为：
α＝±(Sin-1((Ku＋Ks)/H×M)＋Ф)…(2)
其中：Ф：    45°或135°
      薄膜材料：    NiFe(坡莫合金)
      薄膜厚度：    0.1微米
      薄膜宽度：    20微米
在公式(2)中代入Ku＝200，Ks＝2000，以及M＝1，α和H之间的相互关系由下式指定：
α＝±(Sin-1(2200/H)＋45°)……(3)
公式(3)表示的α和H的相互关系表示在图6中，其中H＝Hb×80。
例如，假设薄膜厚度等于0.1微米，薄膜宽度等于20微米，偏磁磁场强度Hb＝140奥斯特(Oe)，使用坡莫合金薄膜，为使磁化方向M相对于电阻元件的长度方向(电流方向)基本上成45°的方向，要求施加的Hb相对电阻元件的长度方向约成56°的方向。
假设根据现有技术沿基本45°的方向施加偏磁磁场，为了使在铁磁薄膜(MR薄膜)中的磁化方向基本上为45°，偏磁磁场强度要约大于10000Oe(奥斯特)。与之相似，当Hb相对较弱时，例如近于140Oe，沿与电流方向成45°的方向施加该Hb时，磁化方向在近于33°的方向上。当利用薄膜厚度为0.1微米一薄膜宽度为20微米的HR薄膜的如图2所示结构重现磁信号时，利用磁化方向M和电流之间的角度作为一个参数来计算输出。当施加的电压Vcc＝5.0伏，磁致电阻变化率Δρ/ρ＝0.026以及信号磁场Hs＝10奥斯特时，利用Hb＝140奥斯特的偏磁磁场强度、α＝56°的偏磁磁场角度，输出电压为Vo＝6.6毫伏(峰-峰值)。当偏磁磁场强度Hb＝140奥斯特，偏磁磁场角度α＝45°时，Vo＝0.2毫伏(峰-峰值)。因而可以理解，前者输出约高于后者输出7％。当偏磁磁场角度α＝45°时，为了使磁化M的方向取为45°，需要施加Hb强度为10000奥斯特或其以上的偏磁磁场，输出则近于0.1毫伏(峰峰值)，呈现明显降低。因此，当沿56°的方向施加约140奥斯特的Hb，使磁化方向M处在近于±45°(或近于±135°)的方向上时，重现输出变大。在具有如图1所示结构的重放磁头中，施加Hb强度为140奥斯特的沿α＝56°的方向的偏磁磁场，使输出增加。
按照这种方式，通过沿比磁化方向M的目标角度相对电流方向更接近直角的角度施加弱的磁场强度Hb，磁化方向M和电流之间形成的角度近于±45°(或近于±135°)，使磁信号的重现特性改进。
如图5所示，当两个电阻元件串联时，中点的输出由下式表示：
K×Vcc×Cos2θ
其中K：比例常数
Vcc：电源电压
θ：磁化方向M和电流之间的角度
以及，从原理上讲，当θ＝45°时，温度飘移变为零。按照这种方式，通过使磁化方向相对电流方向取为±45°或±135°，改进磁信号的重现特性。
由图6看出，在偏磁磁场强度Hb和偏磁角度θ之间的相互关系为这样的关系，当Hb增加时，偏磁磁场强度Hb的角度α和磁化方向M的角度θ之间的差(θ-α)则降低。
对于目前市场上可得到的用于偏磁磁性体的磁性材料，已知的有钕(neodium)族，具有很大的剩余磁通密度Br和近于13千高斯的最大磁通密度Brmax。当按照图7所示方向使用时，由于是经过基片的厚度(约0.7毫米)将磁场施加到薄膜电阻元件上的，施加在电阻元件上磁通强度最大为约1400奥斯特。导致在磁化方向M和电流之间约成±45°(或±135°)的偏磁磁场的角度由公式(3)确定，经为±47°(±133°)。另一方面，随着施加的磁场降低，磁化方向M的角度θ在140奥斯特的附近处产生明显的变化。由于考虑温度变化进行去磁，施加的磁场强度最好至少为140奥斯特。当施加的磁场强度为140奥斯特，偏磁磁场的角度接近±56°(或接近±124°)。因此，当使用钕磁铁，以及MR薄膜厚度为0.05～0.1微米和薄膜宽度为8～20微米时，偏磁磁场的角度近于±47°～±75°(或近于±105°～133°)。
确切地说，当使用NiFe作为MR薄膜，各向异向能Ku＝5×40时，以及当将Hb为140奥斯特或1400奥斯特的磁场施加到薄膜厚度为0.05～0.1微米、薄膜宽度为8～20微米的MR薄膜上时，对于产生最大输出的角度α表示如下。
Ku(焦耳/立方米) 薄膜厚度(微米) 薄膜宽度(微米) Ks(焦耳/立方米) α(°)当Hb＝140Oe时 α(°)当Hb＝1400Oe时
200 0.05 20 1000  51.15 45.61
200 0.1 20 2000  56.32 46.12
200 0.05 8 2500  58.94 46.38
200 0.1 8 5000  72.66  47.66
Ks＝薄膜厚度/薄膜宽度×104×40
当使用NiCo作为MR薄膜，各向异向能量Ku＝15×40时，以及当将140奥斯特或1400奥斯特的Hb施加到薄膜厚度0.05～0.1微米，薄膜宽度为8～20微米的MR薄膜上时，对于产生最大输出的角度α表示如下。
Ku(焦耳/立方米) 薄膜厚度(微米) 薄膜宽度(微米) Ks(焦耳/立方米) α(°)当Hb＝140Oe时 α(°)当Hb＝1400Oe时
600 0.05 20 1000  53.21  45.82
600 0.1 20 2000  58.42  46.33
600 0.05 8 2500  61.06  46.58
600 0.1 8 5000  75.0  47.86
Ks＝薄膜厚度/薄膜宽度×104×40
因而，当使用目前市售的磁铁，及MR薄膜的薄膜厚度为0.05～0.1微米和薄膜宽度为8-20微米时，对MR薄膜所施加的偏磁磁铁的偏磁角度近于±47°～±75°。
下面参阅附图，更详细地解释本发明的各特定实施例。
图1表示在一个实施例中的薄膜磁致电阻元件的结构，其中沿与面向磁信号记录介质的检测元件的长度方向(电流I的方向)成56°方向施加偏磁磁场。与表示现有技术的图8不同，利用偏磁磁性体沿与薄膜磁致电阻元件2的长度方向(电流I的方向)成56°的方向施加偏磁磁场Hb，以便使磁化方向M在相对该长度方向成45°的方向上。
图2表示在本发明另一实施例中检测元件相对磁信号记录介质的配置。薄膜磁致电阻元件按照λ/2的间隔配置，其中λ是磁晶格节距，以及沿近于56°的方向施加偏磁磁场Hb，使磁化方向相对电阻元件的长度方向近于成45°。
图3表示在本发明的再一实施例中检测元件相对磁信号记录介质的配置。电阻元件按照λ的间距配置，各元件被分为第一组和第二组，在第一电阻元件组和第二电阻元件组之间相隔3λ/2，沿近于56°的方向施加偏磁磁场Hb，使磁化方向在相对电阻元件的长度方向近于成45°的方向上。
构成电阻元件的薄膜由铁磁材料例如NiFe或NiCo构成，膜厚为0.05～0.1微米，膜宽为8-20微米，若干件按折线图形配置。施加近于140奥斯特的偏磁磁场，使该磁场方向与电阻元件的长度方向(电流的方向)近于成56°。将用作向由铁氧体或稀土族各向同性的材料构成的检测元件施加偏磁磁场的磁场施加装置的磁性体利用熔化树脂或利用环氧粘接剂以粘接方式装到检测元件的基片上。另外，对于偏磁磁性体，可以将由高矫顽力的磁性薄膜制成的偏磁永久磁性薄膜层邻近检测元件配置，以便施加偏磁磁场，或者向电感器提供电流，以便施加由电流产生的磁场，或者向一导体提供电流，以便施加环绕该导体产生的磁场。
在各个实施例中，可以使薄膜磁致电阻元件表面以与磁信号记录介质垂直的方式配置，而不是采用面对面的配置方式。
根据以上各实施例，偏磁磁场可以较小，用于施加偏磁磁场的磁性体或线圈可以做得小，因而装置可以做得小。
根据本发明的磁信号检测装置，当利用磁检测元件和磁场施加装置由磁信号记录介质检测磁信号时，使偏磁磁场的方向更按近与流经电阻元件的电流方向成直角的方向，使得磁化强度M的方向相对于电流的方向成±45°或±135°的方向，利用小的偏磁磁场得到具有高线性度的最大输出，改进了磁信号重现特性，使整个装置更加紧凑。

Claims (8)

1.一种磁信号检测装置，包含：
各向异性的电阻元件，在一基片上其表面与磁信号记录表面以面对面的方式或垂直的方式配置，并且由铁磁金属薄膜构成；以及
磁场施加装置，用于相对所述电阻元件按预定角度施加偏磁磁场；
其中，设定利用所述磁场施加装置施加偏磁磁场的方向，以便相对于流经所述电阻元件的电流方向满足如下公式的要求：
α＝±(Sin-1((Ku＋Ks)/H×M)＋Ф)
其中Ф为45°或135°，α为电流和偏磁磁场之间的角度，Ku是各向异性能，Ks是轮廓各向异性能，H是偏磁磁场强度，M是饱和磁化强度。
2.根据权利要求1所述的磁信号检测装置，其中相对于电阻元件的偏磁磁场相对于电流的方向近于成±47°～±75°。
3.根据权利要求1所述的磁信号检测装置，其中相对于电阻元件的偏磁磁场相对于电流的方向近于成±105°～133°。
4.根据权利要求1所述的磁信号检测装置，其中具有若干串联的电阻元件的第一电阻元件组和具有若干串联的电阻元件的第二电阻元件组相连接，输出端设在所述二元件组的结合点，与结合点对侧的二端部连接到电源端，各个电阻元件按照磁记录单元节距λ相对磁信号记录表面以面对面的方式配置，并且第一电阻元件组和第二电阻元件组间隔距离等于nλ/2或(n/2＋1/2)λ，其中n是一整数。
5.一种磁信号检测装置，包含：
一各向异性的电阻元件，在一基片上，其表面相对于磁信号记录表面以面对面的方式或相垂直的方式配置，并且由铁磁金属薄膜构成，以及
磁场施加装置，用于按照预定的角度相对于所述电阻元件施加偏磁磁场；
其中当由所述磁场施加装置产生的偏磁磁场强度为140到1400奥斯特，所述电阻元件的薄膜的膜厚为0.05～1微米，膜宽为8～20微米时，由所述磁场施加装置施加的偏磁磁场的方向相对于流经所述电阻元件的电流方向近于成47°-75°，或者近于成105～133°角。
6.根据权利要求5所述的磁信号检测装置，其中所述的电阻元件为镍-钴合金。
7.根据权利要求5所述的磁信号检测装置，其中所述的电阻元件是镍-铁合金。
8.根据权利要求5所述的磁信号检测装置，其中所述的磁场施加装置是铁氧体磁性体或稀土族磁性体。
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