CN1148710A - 具有锁定层逆平行磁化的旋转阀传感器 - Google Patents

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Abstract

一种在磁阻(MR)传感器包括两个不同的旋转阀结构。每个旋转阀包括由一个非磁性材料薄膜层隔开的第一(自由)和第二(锁定)铁磁材料层。各个旋转阀中铁磁材料锁定层的磁化方向是固定的，它们的磁化置为相互是逆平行的。产生电流流过该MR传感器，并感测由于自由铁磁材料层中磁化的转动而导致的作为所感测磁场函数的MR传感器磁阻的变化而造成的MR传感器两端的电压变化。

Description

具有锁定层逆平行磁化的旋转阀传感器
本发明一般地涉及用于读出存储在磁介质上的信息信号的磁传感器，尤其涉及一种采用双旋转阀(spin valve)结构的改进型磁阻读传感器。
现有技术公开称为磁阻(MR)传感器或磁头的磁读出传感器表现出从磁表面上以大线密度读出数据的能力。通过磁性材料制成的读出元件的磁阻变化MR传感器检测磁场信号，该磁阻变化是读出元件感测的磁通强度和方向的函数。新近，一种不同的、更显著的磁阻效应已见诸描述，在这种效应中层状磁传感器的磁阻变化归因于磁性层之间经过非磁性层的与旋转有关的传导电子的发射以及伴随的与旋转有关的散射。这种磁阻效应有时称为“巨磁阻”效应，或者简称为“巨磁阻”。
共同转让的美国专利5,206,590号公开一种MR传感器，其中由一层非磁性层隔开的二层不耦合铁磁体层之间的磁阻观察为按这两层磁化的夹角的余弦变化并且在其中一层铁磁体层的磁化方向是固定的。这种MR传感器称为“旋转阀”并且基于巨磁阻效应。
共同转让的美国专利5,287,238号说明一种具有多层双旋转阀结构的MR传感器。这种结构包括两层其磁性具有固定方向的外铁磁体材料层和一层其磁性响应外部施加的磁场自由转动的中间铁磁体材料层。
本发明的主要目的是提供一种双元件磁阻(MR)传感器，它在共模激励下产生相反极性的信号，从而排除共模噪音。
按照本发明，一种双MR传感器包括第一和第二分层结构。每个分层结构由被一层非磁性材料薄膜层隔开的第一和第二铁磁体材料薄膜层构成。第一层中的磁化方向响应外加磁场自由转动。第二层中的磁化方向保持固定的位置并且在向该MR传感器施加外磁场时其方向不转动。各个分层结构进而包括在各分层结构中固定第二铁磁体材料层(“锁定层”)的磁化方向的装置。第一分层结构中铁磁体材料锁定层的磁化方向固定为在方向上和第二分层结构中铁磁体材料锁定层的磁化方向逆平行。通过提供通过MR传感器的感测电流，由于各分层结构中第一铁磁体材料层(“自由层”)磁化的转动可以感测出MR传感器响应外磁场时阻率的变化。
第一和第二分层结构各包括旋转阀结构，并且，在第一实施方式中，各旋转阀中的铁磁体材料的自由层是MR结构的外层。在备择的实施方式中，铁磁体材料的自由层是MR传感器的中央部分。两个旋转阀结构由一层相对厚的非磁性隔离层隔开，该隔离层还用作为双MR传感器的读出间隙。
图1是包含本发明的磁盘存储系统的简化方块图；
图2是按照本发明的原理的双磁阻传感器的透视分解图；
图3a、3b和3c是从图2中所示的双磁阻传感器的最佳实施方式的传感器空气轴承表面看过去的端面图；
图4是一个方块图，表示采用图3a、3b和3c中所示的双磁阻传感器的差分检测电路；
图5是按照本发明的原理的另一种双磁阻传感器的实施方式的透视分解图；
图6是从图5中所示的双磁阻传感器的实施方式的传感器空气轴承表面看过去的端面图；
图7是一组三个相关的曲线图，表示图5和图6中所示的双磁阻传感器中的计算出的传感器电流密度与传感器上位置之间的函数关系；
图8是图7中所示的曲线图的一部分的放大图；
图9是按照本发明的原理的双磁阻传感器的另一种实施方式的透视分解图；
图10是从图9中所示的双磁阻传感器的实施方式的传感器空气轴承看过去的端面图；以及
图11是一组三条相关的曲线图，表示图9和图10所示的双磁阻传感器中计算出的传感器电流密度和传感器的位置之间的函数关系。
现参见图1，尽管本发明被描述成实施于如图1所示的磁盘存储系统中，很清楚本发明还可应用于其它的例如象磁带记录系统的磁记录系统，或者可用于其它采用传感器检测磁场的应用中。一个磁盘存储系统包括至少一个可旋转的磁盘12，磁盘12由主轴14支承并由盘驱动马达18旋转。各盘上磁记录介质的形式为盘12上同心数据磁道(未示出)构成的环状模式。
在盘12上至少设置一个浮动块13，每个浮动块13支持一个或多个通常称为读/写磁头的磁读/写传感器21。当磁盘12旋转时，浮动块13径向地沿磁表面22往返移动，从而磁头21可以访问盘上记录着所需数据的不同部位。各个浮动块13借助悬架15和致动器臂19连接。悬架15具有细微的弹簧力，该力使浮动块13偏向盘面22。每个致动器臂19和一个致动器装置27连接。图1中所示的致动器装置例如可以是一个音圈马达(VCM)。该音圈马达包括一个可在固定磁场中移动的线圈，线圈移动的方向和速度由控制器提供的马达电流信号控制。
在磁盘存储系统的运行期间，盘12的旋转在浮动块13和盘表面22之间产生在浮动块上施加向上力或升力的空气轴承。这样该空气轴承抵消悬架15的轻微弹簧力并且在运行期间支承浮动块13离开盘表面并以一个小的基本恒定的间隔略处于盘表面的上方。
在运行中磁盘存储系统的各部件由控制单元29产生的控制信号(例如存取控制信号和内部时钟信号)控制。典型地，控制单元29包括，例如，逻辑控制电路、存储装置和一个微处理器。控制单元29产生控制信号，以便控制各种系统操作，诸如线23上的驱动马达控制信号和线28上的磁头定位及查找控制信号。线28上的控制信号提供所需的电流曲线，以便最佳地把选定的浮动块13移动及定位到相关磁盘12上的所需数据磁道上。通过记录通道25向和从读/写磁头21通信读和写信号。
上述对典型磁盘存储系统的描述以及图1的相应图示仅用于说明目的。应该清楚磁盘存储系统可以包括大I的浮动块。
现参见图2，按照本发明的双磁阻(MR)读传感器30包括第一和第二分层结构，每个分层结构包含一个旋转阀结构32、34，在旋转阀结构中第一或“自由的”铁磁体层31、39通过一个薄的非磁性间隔层33、41和磁化方向固定的第二或“锁定的”铁磁体层35、43隔开。相邻于锁定铁磁体层35、43淀积一层反铁磁材料层37、45，并且该反铁磁层和锁定铁磁体层接触，从而通过交换耦合来固定(即锁定)锁定层中的磁化方向。这两个旋转阀结构是构造在一个基片上的并且通过薄绝缘材料层47相互分开。两个锁定层35、43中的磁化方向(如箭头38、44所示)置成逆平行，从而磁阻传感器30响应外磁场的阻率变化可以因各分层结构的自由层31、39中的磁化的转动而不同地感测。基于旋转阀效应的其中传感器读元件包括铁磁体/非磁性/铁磁体分层结构的MR传感器在上面提及的专利5,206,590中得到详细说明，该专利这里作为参考文献。
铁磁体材料自由层31、39的磁化方向相互平行，即在同一方向上，并且在不存在外加磁场的情况下相对于铁磁体锁定层35、43的磁化方向大约成90°夹角，如箭头36和42所示。铁磁体材料锁定层35、43的磁化方向固定为逆平行，如箭头38和44所示。这样，在铁磁材料锁定层35、43的磁化方向保持固定的同时，铁磁材料自由层31、39的磁化响应外加磁场(例如图2中所示的磁场h)自由转动它们的方向，如图2中自由层31和39上的虚箭头所示。
在不存在外加磁场的情况下，最好使铁磁材料自由层31和39的磁化如图2中所示在方向上和铁磁材料锁定层35和43的磁化基本上成90°。鉴于图2中虚箭头所示的两个磁化转动方向的偏移相同，这种定向使MR传感器产生最大的灵敏度。为了产生这种定向就必须平衡影响自由层31和39中磁化方向的三个对抗磁场。这三个磁场中的一个是从锁定层到达自由层的磁场，另一个是锁定层和自由层之间的层间耦合磁场，而第三个磁场是因感测电流量Is流经传感器(如图4中所示)而造成的磁场。需要以这样的方式选择各层的材料和厚度：即为达到自由层和锁定层之间基本上90°取向的所需感测电流的值另一方面也适应传感器的应用环境。
现参照图3a、3b和3c，图中表示图2的  MR传感器的一种最佳实施方式。双MR传感器30包括构造在适当基片50上的第一分层结构32和第二分层结构34，每个分层结构32、34包括一个旋转阀结构。旋转阀结构32、34由电气上隔离两个旋转阀结构的一层相对厚的绝缘材料隔离层47离开。两个旋转阀结构32、34构造在两个绝缘材料间隙层G1、G2之间，反过来，两个间隙层又构造在两个磁材料的磁屏蔽层S1、S2之间。双MR传感器30利用众所周知的真空淀积和电镀方法制成例如，第一屏蔽层49可能镀在基片50的表面上。然后，例如通过溅镀淀积第一间隙层51、包括第一旋转阀32的各层、绝缘层47、包括第二旋转阀34的各层以及第二间隙层53。最后，在第二间隙层53上镀上第二磁屏蔽层55。
第一旋转阀结构32包括第一铁磁材料薄膜层(自由层)31、第一非导磁材料薄膜层33和第二铁磁材料薄膜层35。在图3a中所示的特定实施方式中，固定第二铁磁材料薄膜层(锁定层)35的磁化方向的装置包括第一反铁磁材料薄膜层37。第二铁磁层35中磁化通过反铁磁/铁磁交换耦合得到固定。在淀积第一铁磁层31之前淀积种层61以促进旋转阀32的随后各层的适当生长。在旋转阀结构的相对两端处构造的电引线导体57提供与外部电路的连接并且定义旋转阀32的中央激活区。
第二旋转阀结构34包括第三铁磁材料薄膜层(自由层)39、第二非导磁材料薄膜层41和第四铁磁材料薄膜层(锁定层)43。在图3a、3b和3c所示的特定实施方式中，固定第四铁磁材料薄膜层43的磁化方向的装置包括第二反铁磁材料薄膜层45。通过反铁磁/铁磁交换耦合固定第四铁磁层中的磁化。如上面对第一旋转阀结构32所作出的说明一样，在淀积第三铁磁层39之前淀积第二种层63。相类似，在旋转阀34的相对两端上构造电引线导体59。
为提供一个旋转阀对另一个旋转阀的电绝缘，两个旋转阀结构32、34被一个非磁绝缘材料隔离层47所隔开。如氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiO2)的材料适用于该用途。非磁隔离层43还用于对两个旋转阀结构32、34的自由层31、39磁去耦。
如上面参照图2所讨论的那样，自由层31、39的磁化垂直于锁定层35、43的磁化，而且，锁定层35、43的磁化必须是互相逆平行的。因为锁定层35、43中的交换耦合场的方向或定向是通过把该结构加热到超过反铁磁材料的奈耳温度然后在具有所需方向的磁场下冷却该结构来设定的，从而必须使两个反铁磁层37、45的不同反铁磁材料分别具有明显不同的奈耳温度。对于图3a中所示的最佳实施方式，第一反铁磁层37的材料可以是例如具有相对低的奈耳温度的铁锰(FeMn)或氧化镍(NiO)而第二反铁磁层45的材料可以是例如具有相对高的奈耳温度的镍锰(NiMn)。
第二旋转阀34的锁定层43里的交换耦合磁场的定向是通过在施加具有所需方向的磁场下从高于第二反铁磁层45的材料如NiMn的奈耳温度上冷却传感器30设定的。接着在高于第一反铁磁层37的材料的奈耳温度但又低于第二反铁磁层45的奈耳温度的温度上，同时施加与第一次退火过程所施加的磁场逆平行(180°)的磁场，对传感器30进行第二次退火。最好使锁定层35、43的磁化垂直于传感器的空气轴承平面以及介质表面，并且在静状态(即不施加外磁场)下使自由层31、39的磁化平行于传感器的空气轴承表面和介质表面。
在最佳实施方式中，铁磁层32、35、39和43可以用任何适当的磁性材料制造，例如如钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)以及它们的合金如镍铁(NiFe，通常称为玻莫合金)、镍钴(NiCo)和铁钴(FeCo)。传导隔离层33和41可以是任何适当的非磁性导电材料，例如如铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)。传导引线57和59应该是低电阻率材料(即良导体)，并且具有硬度和好的抗蚀性，因为引线材料会暴露在传感器空气轴承表面上。例如，钽(Ta)是一种适用于引线导体57、59的材料。第一和第二间隙层51、53是非磁性绝缘材料，例如Al2O3或SiO2。磁屏蔽层49、55是高永磁性材料如NiFe或铁硅铝磁合金(AlSiFe)。在最佳实施方式中，第一屏蔽G1是NiFe或AlSiFe中的一种，而第二屏蔽G2是NiFe。图3a中所示双MR传感器30的特定实施例具有以下结构：Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)/Al2O3(500埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/NiMn(300埃)。
继续参见图3b，其中表示了双MR传感器30的另一种实施方式。该实施方式和上面参照图3a说明的实施方式类似。图3b中所示的传感器30包括用非磁性绝缘隔离层47与第二旋转阀结构电隔离的第一旋转阀结构36。虽然第二旋转阀结构38和图3a中所示的第二旋转阀结构34相同，第一旋转阀结构3b和图3a中所示的第一旋转阀结构32的不同之处在于所采用的实现锁定层65中磁化的装置。
第一旋转阀36包括种层61、第一铁磁层(自由层)31、第一导电隔离层33和第二铁磁层(锁定层)65。锁定层65是一个分层结构，它具有第一铁磁材料层67、非磁性材料的反铁磁耦合层69和第二铁磁材料层71。隔离层47直接淀积在第二铁磁体层71上并和第二铁磁体层71接触，隔离层47是一层反铁磁材料。通过层71的铁磁材料和隔离层47的反铁磁材料之间的交换耦合，在锁定层即第二铁磁体层71中感应一个有效磁场。因为第一铁磁锁定层67是和第二铁磁锁定层71是反铁磁地耦合的，这两层都和反铁磁间隙层47交换耦合，从而在铁磁层67中产生一个在中小外加磁场下固定的有效磁场。
在该最佳实施方式中，如所述，铁磁体层可以是任何适当的磁性材料而导电间隙层33及41可以是任何适当的非磁性导电材料。在第一旋转阀锁定层65中，反铁磁耦合层69可以是任何适当的非磁性材料，如钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)或其它材料或者周知的可促进铁磁体层之间逆平行耦合的它们的合金。因为隔离层47还用于在电气上把第一旋转阀36和第二旋转阀38绝缘开，它除了是反铁磁材料外还必须是电绝缘材料，诸如NiO。
将分层的锁定层65与反铁磁隔离层47一起使用。允许在比传感器中所使用的两个反铁磁材料的较高奈耳温度更高的温度下只用单个加热/冷却过程在第一和第二旋转阀36和38的锁定层65及43中分别感应逆平行磁场。这样，当经交换耦合在第二铁磁锁定层71中感应的磁场平行于锁定层43中感应的磁场的同时，经静磁耦合在相邻导电隔离层33的第一铁磁锁定层67中感应的磁场将相对于锁定层43中的磁场是逆平行的。
图3b中所示的  MR传感器30的特定实施例具有如下结构：Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/Ru(4埃)/Co(40埃)/NiO(400埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)。为了获得锁定层65和43的磁化的所需逆平行定向，Ru反铁磁耦合层69的厚度应该在4-6埃的范围之内，而第一和第二Co层67和71在厚度上应该相差约10埃。在该最佳实施方式中，选择Ru耦合层69的4-6埃的厚度以提供Co层67和71之间的大反铁磁交换耦合。关于该过程的更详细说明，请参见作为本文参考文献的Parkin等的Phys.Rev.Lett，Vol.64，P.2034(1990)。两个Co层67和71之间的厚度差异决定锁定层65的磁化和磁性异向，关于这一方面在本文的另一参考文献即共同转让的美国专利5,408,377中有更详细的说明。锁定层65和43的净磁化量决定作用在传感器自由层31、39上的去磁场量。该去磁场与自由层和锁定层31及35、39及43之间的铁磁耦合分别穿过非磁性隔离层33、41，并且由传感器偏置电流(感测电流)所产生的磁场决定静态偏置点(即，不存在外部磁场下的自由层磁化定向)。所以选择两个Co层的厚度差异以获得最佳偏置点。
继续参见图3c，它表示双MR传感器30的另一种最佳实施方式。该实施方式类似于上面参照图3b描述的实施方式，图3c中所示的传感器30包括借助非磁性绝缘隔离层47和第二旋转阀44在电气上隔离的第一旋转阀结构42，其中第一旋转阀42和图3b中的第一旋转阀结构36的不同之处在于所采用的在锁定层73中提供交换耦合磁场的材料。
第一旋转阀42包括种层61、第一铁磁体层(自由层)31、第一导电隔离层33、第二分层铁磁体层(锁定层)73和第一反铁磁体层37。锁定层73包括第一铁磁体层75、第二铁磁体层79和把第一及第二铁磁体层75、79隔开的去耦合层77。反铁磁体层37淀积在第二铁磁锁定层79上并与其直接接触。通过和反铁磁体层37的交换耦合在第二铁磁体层79中感应有效的磁场。接着经过和第二铁磁锁定层79的反铁磁耦合在第一铁磁锁定层75感应有效的磁场，从而在中小外加磁场下固定铁磁体层75的磁化。
如参照图3b所描述的那样，分层的锁定层73与第一反铁磁体材料37一起使用允许只用一个加热/冷却处理过程而在第一铁磁锁定层75中和第二旋转阀44的锁定层43中感应固定的逆平行磁场。
图3c中所示的双MR传感器30的一个特定的实施方式具有如下结构：Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/Ru(4埃)/Co(40埃)/FeMn(150埃)/Al2O3(500埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)。采用单个退火处理设定锁定层73、43中的磁化可消除对第一和第二反铁磁体层37、45采用具有不同的奈耳温度的不同材料的要求。因为在本实施方式中隔离层47只用来在电气上隔离二个旋转阀结构42、44，该隔离层可以是任何适当的绝缘材料，例如Al2O3或SiO2。
现在再参照图4，图4是一个方块图，它表示一个采用参照图3a、3b和3c所说明的双MR传感30的差分检测电路。电源81向1号旋转阀提供恒定偏置或感测电流Is。类似地，电源83向2号旋转阀提供恒定感测电流Is。电流以相同方向通过两个旋转阀。各个旋转阀的输出信号分别施加到差分放大器85的相反极性输入上。两个旋转阀中的锁定层的逆平行磁化响应外加磁场(比如记录在磁盘上的磁数据信号)在两个旋转阀中提供相反的磁阻变化。磁阻变化及输出信号在差分检测器85上是增加，从而提供更大的灵敏度。采用差分检测还提供对诸如来自热不均的共模噪声的抑制。
现再参看图5，图中表示按照本发明的双MR传感器的另一种实施方式。该双MR传感器90包括被一个可以是电传导或电绝缘材料构成的非磁性间隔层99分隔的第一旋转阀结构92、第二旋转阀结构94。每个旋转阀92、94包括第一(自由)铁磁体层97、101，并通过非磁性电传导薄层95、103与第二(锁定)铁磁体层93、105隔开。相邻锁定铁磁体层93、105分别构造加锁层91、107，以便提供固定各锁定层93、105中磁化方向的装置。如上面参照图2中所说明的那样，每个锁定层93、105中的磁化方向是固定地彼此逆平行(分别地，箭头109、117)。每个自由铁磁体层97、101中的磁化方向置为和锁定层93、105中的磁化方向相垂直，并且响应外部施加的磁场自由转动(分别地，箭头111、113)。
现再参照图6，图中表示图5的双MR传感器90的一个特定实施方式。第一和第二旋转阀结构92和94通过绝缘隔离层99被隔开并且用真空淀积技术构造绝缘层89上，而绝缘层89又构造在适当的基片87上。绝缘层89与图3a中所示的第一间隙层G1类似。
出于说明的目的，基片87包括技术上已知的任何附加层，例如图3a中所示的第一磁屏蔽层S1。第一旋转阀结构92包括由非磁性导电隔离层95分开的第一铁磁体恩自由层)97和第二铁磁体层93(锁定层)。如上面参照图3b和3c所说明的那样，锁定层93包括由薄非磁性去耦合层123隔开的第一和第二铁磁体层121和125。
绝缘层89是例如NiO的反铁磁体材料。第一铁磁体锁定层121淀积在反铁磁绝缘层89的表面上并与其直接接触。通过和反铁磁绝缘层89的交换耦合在铁磁体层121中感应一个磁场，从而通过静磁耦合在第二铁磁体层125中提供一个磁场。第二旋转阀结构包括由非磁性导电隔离层103隔开的第一铁磁体层(自由层)101和第二铁磁体层(锁定层)105。反铁磁体层107构造在第二铁磁体层105上并且与其接触以通过交换耦合在锁定层105中提供一个磁场。本实施方式的一个特点是各旋转阀的自由层97、101淀积在和绝缘隔离层99的相对两个侧面相邻的传感器结构的中部上。隔离层99是一层非磁性(而且电绝缘)材料以分别在两个旋转阀92、94的自由层97、101之间提供磁去耦。
导电引线119构造在旋转阀92、94的相对两端上，在各端上把旋转阀92、94短路在一起并定义传感器90的中央激活区(即，传感器90响应所施加磁信号的部分)。传感器激活区还定义传感器的道宽。导电引线119把传感器90和外部电路如电流装置129和感测装置127连接起来。电流装置129向传感器90提供感测电流Is。感测装置127检测传感器响应外加磁场的输出信号。
按照本发明的该实施方式，铁磁体层93、97和101和105可以用任何适当的磁性材料例如如Co、Fe、Ni和它们的合金NiFe、NiCo及FeCo制造，并且分层铁磁体层93的结构如上所述。在图6中的特定实施方式中，铁磁体层93、97、101和105可以可选地包括一层例如NiFe的第一铁磁材料层和一层例如Co的称为“毫微层”的第二铁磁材料薄层。毫微层结构在作为本文的参考文献的共同转让的美国专利5,341,261中有说明。第二铁磁材料的毫微层淀积在第一铁磁材料层和非磁性间隔层之间的界面上。最佳铁磁体层是NiFe薄膜层93和厚约为7-20埃的Co毫微层93a。铁磁材料层97、97a、101、101a、105和105a也具有这种双层结构。这种双层结构在磁阻上提供更大的变化并且提供低的矫顽磁性和低的磁性异向。此外，这种磁参数的结合是不能由两个铁磁材料层中的单层单独提供的。
非磁性间隔层33、38包括例如Cu，或者其它适当的导电金属如Ag、Au或它们的合金。导电引线119可以是任何适当的导电材料，如Ta。反铁磁材料层107例如可以是FeMn或MiMn。绝缘层89可以是任何反铁磁体并且电绝缘的材料，如NiO。在第一旋转阀92中采用分层的锁定层93允许只利用单个加热/冷却过程没定层93和105里的磁方向置成彼此逆平行。备选地，可以通过采用邻接的硬磁层或者通过对锁定层93、105使用具有足够高矫顽磁性的材料固定锁定铁磁体层93、105的磁化方向。
图7中表示一组三个有关的曲线，这些曲线表示图5和6中所示的双MR传感器的计算出的传感器电流密度和经过传感器的各个位置之间的函数关系。双MR传感器90的该特定实施方式具有如下的结构：NiO(400埃)/Co(30埃)/Ru(6埃)/Co(40埃)/Cu(25埃)/Co(20埃)/NiFe(70埃)/Ta(500埃)/NiFe(70埃)/Co(20埃)/Cu(25埃)/Co(20埃)/NiFe(30埃)/FeMn(200埃)。在最上面的曲线图中，假定自由层和锁定层之间是逆平行校准的。上旋曲线用虚线表示，下旋曲线用实线表示而总电流密度用点划线表示。中间的曲线图表示逆平行校准和平行校准二者的总电流密度，而最下面的曲线图表示中间曲线图所示的两条曲线之间的差。
图8是一个放大的曲线图，它表示图7实施方式的一个旋转阀结构的电流密度。该图从NiO层之后开始并且表示各层对旋转阀结构的总电流密度的贡献。图7和图8中所示的曲线是代表性的旋转阀，用于说明旋转阀传感器的运行。各特定实施方式的阀将作为旋转阀结构中不同层的厚度和材料的函数变化。
现参照图9和图10，其中表示了按照本发明的MR传感器的另一种最佳实施方式。双MR传感器130包括被绝缘隔离层137隔开的第一旋转阀结构142和第二旋转阀结构144。
在该双传感器实施方式中，旋转阀142、144的第一或自由铁磁材料层131、143淀积在该结构的端部(或顶端和底端)上，而第二或锁定铁磁材料层135、139淀积在该分层结构的中央附近并和绝缘间隔层137的相对的两侧面相邻。绝缘间隔层135是反铁磁材料的，用于通过交换耦合固定锁定层135、139中的磁化。如将在下面所讨论的那样，这种构局在传感器内造成更有效的电流分布。
旋转阀结构142和144淀积在适当的基片129和隔离层128上。在淀积第一铁磁体层131之前可以在隔离层128上淀积诸如Ta、Ru或CrV的适当的底基层。底基层145的用途是优化相继各层的结构、颗粒尺寸和形态。如果隔离层是由具有适当特性的材料构成的，可以省掉底基层145。第一非磁性导电间隔层133和第二铁磁体层135的淀积完成了第一旋转阀结构142。然后在第二铁磁体层135上淀积反铁磁体隔离层137，并且这两层相接触。在该实施方式中，借助交换耦合第二铁磁材料层135的磁化方向由反铁磁材料的隔离膜层137固定在适当位置上，如图9中的箭头134所示。
第二旋转结构144包括构造在反铁磁体隔离层137上并和该层137接触的第三铁磁材料层(锁定层)139、第二非磁性导电材料薄膜间隔层141和第四铁磁材料层(自由层)143。在该实施方式中，通过借助和反铁磁体间隔层137的交换耦合将第三铁磁体材料层139的磁化方向固定，如图9中的箭头136所示。
如上面参照图6所说明的那样，第一旋转阀142的锁定层135包括由薄非磁性去耦合层157隔开的第一和第二铁磁体层155、159。锁定层135的这种结构允许利用单个反铁磁体层137以及利用单个加热/冷却过程在锁定层135、139中获得所需的逆平行磁化方向。
铁磁体层131、135、139、143可以是任何适当的磁性材料，诸Co、Fe、Ni以及它们的合金NiFe、NiCo和FeCo，其中分层锁定层135的结构如上面所述。备选地，铁磁体层131、135、139、143可以包括一层上面参照图6说明的由不同的铁磁材料构成的毫微层。非磁性导电层133、141例如由Cu或者其它合适的导电金属比如Ag、Au或它们的合金构成。绝缘隔离层137由任何具有高电阻的适当反铁磁材料构成。
电导体引线149在双MR传感器130、电源153和感测装置151之间构成电路通路。如上面参照图6所说明的那样，导体引线149在各端上把两个旋转阀结构142、144短路起来并且定义传感器130的中央激活区和道宽。熟练的技术人员可以理解双MR传感器130还可以包括别的不同的层，例如如Ta盖层和如纵向偏置层的各种偏置层(未示出)。
图9表示铁磁材料的自由层131、143的磁化在定向时是平行的，即是同一方向的，并且在不存在外加磁场的情况下它们的方向和箭头134及136所示的铁磁材料的锁定层135、139的磁化方向大约成90°的角度。这样，在铁磁材料的锁定层135、139的磁化方向保持固定的同时，响应外加磁场(例如图9中所示的磁场h)铁磁材料的自由层131、143的磁化自由地转动它们的方向，如分别由自由层131和143上的虚箭头132、138所示那样。
图11中表示一组三个有关的曲线图，它们表示图9和图10所示的MR传感器的计算的传感器电流密度和经过传感器的各个位置之间的函数关系。MR传感器的一个特定实施方式具有如下结构：
Ta(50埃)/NiFe(50埃)/Cu(25埃)/Co(40埃)/Ru(6埃)/Co(30埃)/NiO(400埃)/Co(50埃)/Cu(25埃)/NiFe(50埃)/Ta(50埃)。在最上面的曲线图中，假定自由层和锁定层之间是逆平行校准的。上旋曲线用虚线表示，下旋曲线用实线表示，而总的电流密度在点划线中表示。中间的曲线圈表示逆平行校准(虚线)和平行校准(实线)两种情况的总电流密度，而最下面的曲线表示中间的曲线图中所示的两条曲线之间的差。
当自由层位于双MR传感器的中央附近(如图5和6所示)时和当自由层位于双MR传感器的边缘附近时(如图9和图10所示)传感器的操作上存在明显的不同。在这两种情况中运行期间由流过传感器的感测电流产生的磁场对自由层的作用是不同的。在确定用来适当地偏置传感器以获得最对称的运行以及最高信号输出的正确电流时，该磁场是要计算在内的(与锁定层的静磁场和层间耦合以及其它任何作用在自由层上的有效的或实际的磁场一起)。
当自由层位于传感器的中央附近时，较多的感测电流流过各自由层的两侧。因为流经一给定自由层的一侧的电流所产生的磁场抵消了流过另一侧的电流所产生的磁场，当自由层位于MR结构的中央附近时电流产生较小的净磁场。当自由层位于传感器结构的外边缘附近时，由电流产生的作用在自由层上的磁场较大。这种或另一种实施方式是否为最佳取决于作用在自由层上其他磁场的总和。对于磁矩大于25埃厚的Ni80Fe20层的等效磁矩的锁定层，或者对于自由层和锁定层之间的铁磁耦合大于约10Oe的结构，图5和图6中所示的MR结构是最佳的。否则，图9和图10中所示的MR结构是最佳的。部分地，所使用的最佳结构是通过感测电流产生的总磁场确定的。传感器结构中电流密度可以如图7、8和11所示计算。对自由层右侧和左侧电流产生的磁场的平衡的一个简便的量度是“Q”，即如果所有电流在自由层的一侧的所出现的小部分磁场。“Q”的值是层厚度、材料选择和制备条件的函数。例如对于图9和图10中所示的典型结构可得到Q＝0.85的值，而对于图5和图6中所示的典型结构可得到Q＝0.36的值。如技术上周知那样，屏蔽对磁场平衡的影响也是重要的，并且必须包括在任何微磁模型中。
尽管本发明是参照它的最佳实施方式具体地表示和说明的，熟练的技术人员可以理解，在不违背本发明的实质、范围和原理的前提下在形式和细节上可以进行各种改变。从而，这里所公开的本发明被认为仅是示意性的并且在范围上仅受到附属权利要求书的规定的限制。

Claims (40)

1.一种磁盘记录系统，包括：
具有多条记录数据的磁道的磁存储介质；
一个磁传感器，在所述磁传感器和所述磁存储介质之间的相对运动期间，所述磁传感器相对于所述磁存储介质保持很小间距位置，所述磁传感器包含一个磁阻读传感器，该磁阻读传感器包括：
第一和第二分层结构，所述第一和第二分层结构由一个隔离层隔开，
各个所述分层结构包括由一层非磁性材料隔开的第一和第二铁磁体材料层，
在各个所述分层结构中固定所述第二铁磁材料层的磁化方向的装置，
所述第一分层结构中的所述第二铁磁材料层的所述磁化方向固定为和所述第二分层结构中的第二铁磁材料层的磁化方向逆平行，
产生流过所述磁阻传感器的电流的装置，
由于各所述分层结构中所述第一铁磁材料层里磁化转动，所述磁阻传感器对外部磁场作出响应产生阻率的变化；
同所述磁传感器连接的致动器装置，用于把所述磁传感器移动到所述磁存储介质的选定磁道上；以及
同所述磁阻读传感器连接的检测装置，用于感测所述磁阻材料中对磁场起反应而产生的阻率变化，这些磁场代表着由所述磁阻传感器侦听的记录在所述磁存储介质中的数据位。
2.权利要求1的磁盘记录系统，其特征在于，用于固定各所述第一和第二分层结构中所述第二铁磁材料层的磁化方向的所述装置包括一层和所述第二铁磁材料层接触的反铁磁材料层。
3.权利要求2的磁盘记录系统，其特征在于，用于固定所述第一分层结构中所述第二铁磁材料层的磁化方向的所述装置包括所述隔离层，所述隔离层为具有高电阻率的反铁磁材料，所述隔离层和所述第一分层结构的所述第二铁磁材料层相接触。
4.权利要求3的磁盘记录系统，其特征在于，所述隔离层包括氧化镍。
5.权利要求2的磁盘记录系统，其特征在于，和所述第一分层结构中的所述第二铁磁材料层接触的所述反铁磁材料层包括第一反铁磁材料，并且和所述第二分层结构中的所述第二铁磁材料层接触的所述反铁磁材料层包括第二反铁磁材料，所述第一和第二反铁磁材料具有不同的奈耳温度。
6.权利要求5的磁盘记录系统，其特征在于，所述第一反铁磁材料层由铁锰组成，而所述第二反铁磁材料层由氧化镍组成。
7.权利要求2的磁盘记录系统，其特征在于，所述隔离层包括一层电绝缘材料层，各所述第一和第二分层结构进而包括构造在所述分层结构的相对两端上的用于把各所述第一和第二分层结构和所述产生电流的装置连接起来的电导体引线。
8.权利要求7的磁盘记录系统，其特征在于，所述产生电流的装置包括分别和所述第一和第二分层结构连接的第一和第二恒电流源，各所述第一和第二分层结构和一个差分放大器电路的不同输入端子连接。
9.权利要求2的磁盘记录系统，其特征在于，所述第一分层结构的所述第二铁磁材料层包括一个反铁磁耦合层隔开的第一和第二铁磁材料层，所述第一和第二铁磁材料层中的一层和所述反铁磁材料层接触，所述第一和第二铁磁材料层中的另一层和所述非磁性材料层接触。
10.权利要示9的磁盘记录系统，其特征在于，所述第二铁磁材料层的第一和第二铁磁材料层由钴组成并且所述反铁磁耦合层由钌组成。
11.一种双磁阻传感器，包括：
第一和第二分层结构，所述第一和第二分层结构被一个隔离层隔开；
各所述分层结构包括由一个非磁性材料层隔开的第一和第二铁磁材料层；
用于固定各所述分层结构中所述第二铁磁材料层的磁化方向的装置；
所述第一分层结构中所述第二铁磁材料层的所述磁化方向在方向上固定为和所述第二分层结构中所述第二铁磁材料层的所述磁化方向逆平行；
用于产生通过所述磁阻传感器的电流的装置；以及
用于感测该磁阻传感器的阻率变化的装置，该阻率变化是由于各所述分层结构中所述第一铁磁材料层的磁化转动响应外部磁场而造成的。
12.权利要求11的双磁阻传感器，其特征在于，用于固定各所述分层结构中所述第二铁磁材料层的磁化方向的所述装置包括一个和所述第二铁磁材料层接触的反铁磁材料层。
13.权利要求12的双磁阻传感器，其特征在于，用于固定所述第一分层结构的所述第二铁磁材料层中的磁化方向的所述装置包括所述隔离层，所述隔离层为具有高电阻率的反铁磁材料，所述隔离层为具有高电阻率的反铁磁材料，所述隔离层和所述第一分层结构的所述第二铁磁材料层接触。
14.权利要求13的双磁阻传感器，其特征在于所述隔离层包括氧化镍。
15.权利要求12的双磁阻传感器，其特征在于，和所述第一分层结构中的所述第二铁磁材料层接触的所述反铁磁材料层由第一反铁磁材料组成，并且和所述第二分层结构中的所述第二铁磁材料层接触的所述反铁磁材料层由第二反铁磁材料组成，所述第一和第二反铁磁材料具有不同的奈耳温度。
16.权利要求15的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一反铁磁材料层由铁锰组成，所述第二反铁磁材料层由氧化镍组成。
17.权利要求11的双磁阻传感器，其特征在于，各所述铁磁材料层包括具有第一铁磁材料层和薄的与所述第一铁磁材料层接触的第二铁磁材料层的双层结构，所述薄的第二铁磁材料层淀积在所述铁磁材料层和所述非铁磁材料层之间的界面上。
18.权利要求17的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一铁磁材料是镍铁，并且所述第二铁磁材料是钴。
19.权利要求12的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一分层结构的所述第二铁磁材料层包括由一层反铁磁耦合层隔开的第一和第二铁磁材料层，所述第一和第二铁磁材料层中的一层和所述反铁磁材料层接触，所述第一和第二铁磁材料层中的另一层和所述非磁性材料层接触。
20.权利要求19的双磁阻传感器，其特征在于，所述反铁磁耦合层是一种从一组包括着钌、铬、铑、铱以及它们的合金的材料中选择的材料。
21.权利要求19的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一和第二铁磁材料层由钴组成并且所述反铁磁耦合层由钌组成。
22.权利要求19的双磁阻传感器，其特征在于，所述反铁磁耦合层具有范围约在3埃至6埃的厚度。
23.一种双磁阻传感器，包括：
一块基片；
在所述基片上构造的第一旋转阀；
所述第一旋转阀包括由一个非磁性材料层隔开的第一和第二铁磁材料层；
用于固定所述第二铁磁材料层的磁化方向的装置；所述固定磁化方向的装置位于所述基片和所述第二铁磁材料层之间；
一个非磁性去耦合层，它构造在所述第一旋转阀结构上并和所述第一铁磁材料层接触。
构造在所述去耦合层上的第二旋转阀结构；
所述第二旋转阀结构包括由一个非磁性材料层隔开的第三和第四铁磁材料层，所述第三铁磁材料层和所述去耦合层接触；
用于固定所述第四铁磁材料层的磁化方向的装置，所述固定磁化方向的装置和所述第四铁磁材料层接触；
所述第一旋转阀结构中的所述第二铁磁材料层的所述磁化方向在方向上固定为和所述第二旋转阀结构中的所述第四铁磁材料层的所述磁化方向逆平行；
产生经过所述磁阻传感器的电流装置；以及
感测所述磁阻传感器的阻率变化的装置，该阻率变化是由于所述第一和第三铁磁材料层的磁化的转动对外磁场起反应造成的。
24.权利要求23的双磁阻传感器，其特征在于，用于固定所述旋转阀结构中的所述第二和第四铁磁材料层的磁化方向的所述装置包括一层各和第二及第四铁磁材料层接触的反铁磁材料层。
25.权利要求24的双磁阻传感器，其特征在于，和所述第二铁磁材料层接的所述反铁磁材料层由第一铁磁材料组成，并且和所述第四铁磁材料层接触的所述反铁磁材料层由第二铁磁材料组成，所述第一和第二反铁磁材料具有不同的奈耳温度。
26.权利要求25的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一反铁磁材料层由铁锰组成，并且所述第二反铁磁材料层由氧化镍组成。
27.权利要求23的双磁阻传感器，其特征在于，各所述铁磁材料层包括具有第一铁磁材料层和薄的与所述第一铁磁材料层接触的第二铁磁材料层的双层结构，所述薄的第二铁磁材料层淀积在所述铁磁材料层和所述非铁磁材料层之间的界面上。
28.权利要求27的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一铁磁材料是镍铁，并且所述第二铁磁材料是钴。
29.权利要求24的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一旋转阀结构的所述第二铁磁材料层包括由一层反铁磁耦合层隔开的第一和第二铁磁材料层，所述第一和第一铁磁材料层中的一层和所述反铁磁材料层接触，所述第一和第二铁磁材料层中的另一层和所述非磁性材料层接触。
30.权利要求29的双磁阻传感器，其特征在于，所述反铁磁耦合层是一种从一组包括钌、铬、铑、铱以及它们的合金的材料中选择的材料。
31.权利要求30的双磁阻传感器，其特征在于，所述第二铁磁材料层的第一和第二铁磁材料层由钴组成并且所述反铁磁耦合层由钌组成。
32.一种双磁阻传感器，包括：
一块基片；
在所述基片上构造的第一旋转阀结构；
所述第一旋转阀结构包括由一个非磁性材料层隔开的第一和第二铁磁材料层，所述第一铁磁材料层和所述基片接触；
相邻所述第一旋转阀结构构造的第二旋转阀结构；
所述第二旋转阀结构包括由一个非磁性材料层隔开的第三和第四铁磁材料层，所述第四铁磁材料层和所述第二铁磁材料层相邻；
用于固定所述第二和所述第四铁磁材料层的磁化方向的装置，所述用于固定所述第二和所述第四铁磁材料层的磁化方向的装置淀积在所述第二铁磁材料层和所述第四铁磁材料层之间；
所述第二铁磁材料层的所述磁化方向在方向上固定为和所述第四铁磁材料层的所述磁化方向逆平行；
产生流过所述磁阻传感器的电流的装置；以及
感测所述磁阻传感器的阻率变化的装置，该阻率变化是由于所述第一和第三铁磁材料层的磁化的转动对外部磁场起反应造成的。
33.权利要求32的双磁阻传感器，其特征在于，用于固定所述第二和所述第四铁磁材料层的磁化方向的所述装置包括和所述第二及所述第四铁磁材料层接触的一层反磁性材料层，所述反铁磁材料具有高电阻率。
34.权利要求33的双磁阻传感器，其特征在于，所述反磁性材料层由氧化镍组成。
35.权利要求32的双磁阻传感器，其特征在于，各所述铁磁材料层包括具有第一铁磁材料层和薄的与所述第一铁磁材料层接触的第二铁磁材料层的双层结构，所述薄的第二铁磁材料层淀积在所述铁磁材料层和所述非铁磁材料层之间的界面上。
36.权利要求35的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一铁磁材料是镍铁，并且所述第二铁磁材料是钴。
37.权利要求33的双磁阻传感器，其特征在于，所述第二铁磁层包括由一层反铁磁耦合层隔开的第一和第二铁磁材料层，所述第一和第二铁磁材料层中的一层和所述反铁磁材料层接触，所述第一和第二铁磁材料层中的另一层和所述非磁性材料层接触。
38.权利要求37的双磁阻传感器，其特征在于，所述第一和第二铁磁材料层由钴组成并且所述反铁磁耦合层由钌组成。
39.权利要求37的双磁阻传感器，其特征在于，所述反铁磁耦合层是一种从一组包括钌、铬、铑、铱以及它们的合金的材料中选择的材料。
40.权利要求37的双磁阻传感器，其特征在于，所述反铁磁耦合层具有范围约在3埃至6埃的厚度。
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