CN1439157A - 磁阻传感器里的屏蔽设计 - Google Patents

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Abstract

一磁性传感器包括磁阻传感器元件(160)和与该磁阻传感器元件(160)连接的电触头，以便检测磁阻元件对磁场的响应。一磁屏蔽(150)位于磁阻元件(160)的附近，以便使磁阻元件(160)与杂散的磁场隔开。该屏蔽(150)具有基本稳定的磁畴图形。一屏蔽通量取样器(180)一般位于屏蔽(150)的平面里并通过一间隙(182)与屏蔽(150)隔开。

Description

磁阻传感器里的屏蔽设计
技术领域
本发明一般涉及磁阻传感器。特别是，本发明涉及用于磁阻传感器的磁屏蔽。
背景技术
本发明涉及磁阻(MR)传感器。特别是，本发明涉及在操作过程中具有改进的稳定性的磁阻传感器。
磁性存储系统被用来以磁性格式存储信息，以便以后的检索。许多技术可用来读出被存储的信息。一种较新的技术是使用磁阻传感器来进行这种读出。
磁阻传感器对通过存在的磁场产生的电阻系数方面的变化是响应的，并作为磁盘驱动器磁头里的读出元件被广泛使用。它们特别有用，因为电阻系数方面的变化与磁盘速度无关，而只取决于磁通。此外，传感器的输出通过调整检测电流容易被测出。各种类型的磁阻传感器包括AMR、GMR及隧道结传感器。传感器安装在磁头里，与磁盘的平面及磁盘转动方向平行。来自磁盘表面的磁通造成电阻系数的变化。检测电流通过传感器有源层，通过检测横跨元件的(由于变化的电阻系数的结果的)电压的变化可检测磁通。
与磁阻传感器有关的一个问题是巴克豪森噪声，它是在施加电场情况下磁畴的不可逆运动产生的，即，磁化矢量的一致转动是不均匀的和被抑制，且取决于磁畴壁行为。在磁阻元件里产生的巴克豪森噪声可通过在磁阻传感器的有源区域产生单个磁畴被消除。
本发明提供一种针对这个和其它问题的方案，并提供优于现有技术的其它优点。
发明内容
本发明涉及磁阻传感器，它们具有解决上述问题的磁屏蔽。
按照本发明的一个实施例，磁阻传感器包括一磁屏蔽和一屏蔽“通量取样器”。该传感器可用于磁性存储装置，并具有一磁阻传感器元件，与该磁阻元件连接的电触头，以及在一磁性存储装置里的传感器，该磁性存储装置包括磁阻传感器元件和与该磁阻元件连接的电触头，它们检测磁阻元件对磁场的响应。一位于磁阻元件附近的磁屏蔽使磁阻元件与杂散的磁场隔开。该屏蔽具有基本稳定的磁畴图形。一屏蔽通量取样器与屏蔽隔开，并在制造磁阻传感器元件过程中减少屏蔽里的退磁场。
附图的简要说明
图1是磁盘存储系统的简化图；
图2是沿着与读写磁头的空气支承表面垂直的平面剖视的读写磁头和磁盘的剖视图；
图3是从空气支承表面角度观察到的读写磁头的分层视图；
图4是具有基本稳定的磁畴图形的小的底部屏蔽的平面图；
图5是按照本发明的一个示范性实施例的磁屏蔽和屏蔽通量取样器的平面图；
图6是屏蔽通量取样器的另一个示范性实施例的平面图；
图7是屏蔽通量取样器的另一个示范性实施例的平面图；
图8是针对许多不同的通量取样器构造的施加的磁场与传感器里的磁场的曲线图；以及
图9实际的退磁场与模拟的退磁场的图解。
具体实施方式
在磁阻传感器里，最好具有屏蔽设计，以便约束在屏蔽里的磁畴壁，从而减少屏蔽和传感器之间的相互作用。如果磁畴在屏蔽里是不稳定的，磁畴图形里的变化可能在磁阻传感器里产生噪声。然而，如果屏蔽相当小，在磁畴传感器元件的喷镀和处理过程中屏蔽将产生退磁场。来自屏蔽的退磁是显著的，并在制造传感器时使用的喷镀和磁场退火过程中定位于传感器区域内。一方面，本发明在技术上维持所需的屏蔽尺寸和结构，同时在传感器喷镀过程中减少来自屏蔽的退磁场。这是通过形成“通量取样器”获得的，通量取样器环绕着屏蔽，并用来扩散退磁场，从而减少退磁场的局部强度而不会在屏蔽的磁畴里产生不稳定性。通量取样器形成附加的磁极，它与屏蔽的磁极结合，给由于屏蔽上的退磁场产生的磁通提供定位的端点。
图1是磁盘驱动器10的俯视图，它包括按照本发明的磁阻传感器。磁盘驱动器10包括一磁盘12，它被安装成可转动地环绕着由壳体16内的心轴14限定的轴线。磁盘驱动器10还包括一致动器18，它安装在壳体16的底板20上被可环绕着轴线22相对磁盘12枢转移动。一盖板复盖致动器18的一部分。驱动控制器26与致动器18连接。在较佳的实施例里，驱动控制器26或者安装在磁盘驱动器10里，或者位于磁盘驱动器10的外侧而与致动器18适当地连接。致动器1 8包括致动臂组件28、刚性支承件30和磁头万向节组件32。磁头万向节组件32包括与刚性件30连接的负载梁或挠曲臂34，以及通过万向节(未画出)与负载梁34连接的流动空气支承(滑动件)36。滑动件36支承一磁阻传感器，以便从磁盘12里读出信息和将信息编码入磁盘12。
在操作过程中，驱动控制器26接受表示被访问的磁盘12的部分的位置信息。驱动控制器26接受来自操作者、主机或另一个适当的控制器的位置信息。根据该位置信息，驱动控制器26提供一位置信号给致动器18。该位置信号使致动器18环绕着轴线22枢转。接着，使滑动件36(及安装在滑动件36上的传感器)在磁盘12表面的上方、沿着箭头38所示的大致弧形路径径向移动。驱动控制器26和致动器18在已知的闭合环、负反馈方式操作，这样，由滑动件36携带的传感器位于磁盘12的所需部分上方。一旦传感器适当地定位，驱动控制器26执行所需的读出或写入操作。
图2是沿着与读写磁头50的空气支承表面54垂直的平面剖视的读写磁头50和磁盘12的剖视图。磁头50设置在图1所示的滑动件36上或是滑动件的一部分。图1显示了读写磁头50及其相对于磁盘12的位置。读写磁头50的空气支承表面54面向磁盘12的磁盘表面56。磁盘12沿着箭头A所示的方向相对读写磁头50移动或转动。空气支承表面54和磁盘表面56之间的间隔较佳的是最小化，同时避免读写磁头50与磁盘12之间的接触。
读写磁头50的读出器部分包括底部间隙层58、顶部间隙层60、金属接触层62、底部屏蔽64、顶部屏蔽66及读出元件68。读出间隙70形成于在底部间隙层5 8和金属接触层62之间的空气支承表面54上。金属接触层62位于底部间隙层58和顶部间隙层60之间。读出元件68位于底部间隙层58和金属接触层62的终端之间。
读写磁头50的记录器部分包括顶部屏蔽66、写入间隙层72、顶部磁极74、传导线圈76及聚合物层78。写入间隙80通过在顶部磁极74和顶部屏蔽66的终端之间的写入间隙层72而形成在空气支承表面54上。除了作为屏蔽，顶部屏蔽66还作为共享磁极用来与顶部磁极74会合。若干电传导线圈76被用来产生横跨写入间隙80的磁场并位于顶部磁极74和写入间隙层72之间的聚合物层78里。虽然图2显示了单层传导线圈76，但本技术领域的技术人员应该知道，也可使用若干层的传导线圈，它们由若干聚合物层分开。虽然显示了读写磁头，本发明也可应用于不包括写入元件的磁阻传感器。
图3是读写磁头50的分层视图。图3显示了当沿着图2所示的读写磁头50的空气支承表面54显示时读写磁头50的许多有磁力的主要元件的位置。在图3中，为清楚起见，所有的间隔的和绝缘的层被省略。底部屏蔽64和顶部屏蔽66被隔开以便给读出元件68提供位置。读出元件68具有两个无源区域，作为读出元件68靠近金属触头62A和62B定位的部分。读出元件68的有源区域作为读出元件68在读出元件68的两无源区域之间的部分。读出元件68的有源区域限定了读出传感器的宽度。
读出元件68较佳的是一磁阻元件或大的磁阻堆。磁阻元件通常由其阻抗对应于外部磁场变动的铁磁材料形成，较佳的是由磁介质或磁盘形成。通过提供通过磁阻元件的读出电流，在磁阻元件的阻抗上的变化可被外部电路检测到和使用，以便译解存储在磁介质或磁盘里的信息。大的磁阻堆进行类似的操作，但允许更显著的磁阻作用。大的磁阻堆通常由三层形成：铁磁自由层、铁磁引线层及在自由层和引线层之间的非磁间隔层。引线层的栓接磁化保持不变，同时自由层的自由磁化是自由的，以便响应于外部磁场、即来自磁盘的转换而转动。大的磁阻堆的电阻系数作为自由磁化和栓接磁化的方向之间的夹角的函数而变化。
图4是在无外部磁场情况下的屏蔽150的平面图。在一个实施例里，屏蔽150是图2和3中所示的底部屏蔽64。屏蔽150包括三角形的闭合磁畴152A、152B、152C和152D，磁畴154A、154B和154C，以及磁畴壁156A和156B。磁化158A-158G代表在各磁畴上的磁化。屏蔽150是这样设计的，宽度W与高度H之比提供了一个理想的磁畴结构。宽度与高度之比取决于各种材料性能，包括各向异性、磁矩和薄膜厚度。对于任何材料来说，理想的高度相对任何特征宽度应该等于一个或两个畴周期(domain period)的高度。这可通过计算或通过在改变宽度和高度的矩形特征的畴的实证研究来确定。该宽度与高度之比正好允许两个三角形闭合磁畴位于屏蔽150的每一侧。这样，三角形闭合磁畴152A-152D各等于一平衡畴，平衡畴是退磁的样品屏蔽里的磁畴的平均宽度，该退磁的样品屏蔽具有等于零的总磁矩。
由于没有磁场施加在屏蔽150上，三角形闭合磁畴152A-152D各具有等于屏蔽高度H一半的基础高度h。此外，磁畴154A具有等于磁畴154C的高度。同样地，由于该特殊设计，磁畴154B的高度等于磁畴154A或磁畴154C的高度的两倍。如图4所示，屏蔽150在尺寸上具有大于读出元件160的宽度的宽度。这种设计特征确保没有磁畴壁穿过读出元件160。本发明还适用于其它的屏蔽设计和畴结构，且不限于这里具体显示的。
如果使用图4中所示的屏蔽150的结构，该屏蔽必须在传感器160喷镀前被构图。来自屏蔽的退磁场是显著的，而且由于它的小尺寸，在传感器喷镀和热磁处理(它在制造传感器160时使用)过程中被定位。退磁屏蔽将对抗所施加的、用来对齐传感器160里的各层的磁场。
为了在传感器喷镀过程中保持所需的屏蔽尺寸，同时减少退磁场，可形成图5所示的通量取样器180。通量取样器180环绕着屏蔽150，并通过间隙182与屏蔽隔开。间隙182可是任何适当的尺寸，根据材料、尺寸和磁场强度而定。在一个例子里，间隙182在约5和40μm之间。在另一个例子里，间隙182约小于5μm。在许多方面，间隙可是一个可变的距离和/或可是屏蔽150接触取样器180的区域。屏蔽150的形状可是任何所需的形状，而不限于这里所示的形状。同样地，通量取样器可是任何所需的形状和材料，而不限于这里具体显示的。
在一个示范性的实施例里，通量取样器180是由与屏蔽150相同的材料制造的。在该实施例里，屏蔽150和取样器180可通过光致抗蚀掩膜电镀，或可在喷镀后构图。然而，任何喷镀和/或电镀技术均可使用。位于传感器有源区域外侧的屏蔽的材料(图5中未画出)可被构图以确定尺寸，从而允许构图屏蔽的饱和。在制造过程中，使用研磨加工，以便除去材料186，直至到达空气支承表面(ABS)线184。
图6显示了通量取样器180的另一个示范性实施例，其中，间隙182不完全环绕着屏蔽150延伸。在图6的实施例里，屏蔽150沿着一区域固定在通量取样器180上，该区域在用来形成空气支承表面线184的研磨加工的过程中被除去。这种结构进一步减少了在一区域内被喷镀或退火的这些层的退磁场，而该区域垂直于空气支承表面。屏蔽150可用一种材料涂刷并整平，该材料作为热膨胀接点是有效的。该涂层可充填间隙182并在操作温度时减缓屏蔽150的任何热膨胀。该涂层可具有热膨胀系数，它在屏蔽的相反方向，从而补偿屏蔽和通量取样器的膨胀。该涂层还可用于其它的实施例。
图7显示了另一个示范的实施例，其中，通量取样器180自空气支承表面线184被凹进。在该实施例里，通量取样器180不经受机压加工。这可能是有益的，因为它减少了元件在空气支承表面处一起短路，并允许传感器的带宽度在研磨加工中被更精确地测量。
图8是针对许多不同的通量取样器构造的传感器里的磁场与施加的磁场的图表。通量取样器的效率取决于距屏蔽的距离和沿施加的磁场方向的通量取样器的长度。如图8所示，在工艺参数允许的范围内，较佳的是，取样器180和屏蔽150之间的距离小于5μm，而取样器在施加磁场方向上至少有200μm长。
图9是实际传递曲线退磁场与模拟的退磁场(用奥斯特表示)的图表。图9显示了与独立的单屏蔽相比、本发明的一个实施例的模拟的退磁场与测量的退磁场。图9显示了屏蔽通量取样器在更改退磁场方面的影响。在一次试验中，硬访问测量显示了出现在传感器上的退磁场有10％的减少。
本发明提供一小屏蔽设置在一磁阻传感器上或靠近一磁阻传感器的优点，同时还提供与大屏蔽有关的退磁场的减少的优点。小屏蔽较佳的是具有能提供稳定的磁畴的结构。大屏蔽或“取样器”180将退磁场散布在一较大面积上并减少磁阻传感器能看到的退磁场。
应该知道，虽然本发明的许多实施例的许多性能和优点已在上述介绍中、并结合本发明的许多实施例的结构和功能的细节进行了描述，但这种介绍只是示范性的，在本发明的原则内，特别是与零件的结构和布置有关的许多改变可详细地作出，这些改变都在由附后的权利要求书表述的条款的广泛含义表示的完整范围内。例如，具体的元件可根据磁阻传感器的具体的用途改变，同时保持基本的相同功能，这不超出本发明的范围和精神。此外，虽然这里描述的较佳的实施例针对用于磁盘系统的磁阻传感器，但本技术领域的技术人员知道，本发明的内容也可应用于其它的检测磁场的系统，这也不超出本发明的范围和精神。通量取样器可以是任何适当的材料，诸如坡莫合金的软磁材料。

Claims (12)

1.一种在磁存储装置里的磁性传感器，包括：
一磁阻传感器元件；
电触头，与磁阻元件连接，以便检测磁阻元件对磁场的响应；
磁屏蔽，靠近磁阻元件，以便使磁阻元件与杂散的磁场隔开，该屏蔽具有一基本稳定的磁畴图形；以及
一屏蔽通量取样器，通常在屏蔽的平面里并通过一间隙与屏蔽隔开，通量取样器和屏蔽合作以减少屏蔽里的退磁场。
2.如权利要求1所述的磁性传感器，其特征在于，屏蔽具有能提供基本稳定的磁畴图形的几何形状。
3.如权利要求1所述的磁性传感器，其特征在于，还包括空气支承表面，其中，屏蔽通量取样器从空气支承表面凹进。
4.如权利要求1所述的磁性传感器，其特征在于，还包括空气支承表面，其中，屏蔽具有至少一侧，该侧基本上与空气支承表面平齐。
5.如权利要求4所述的磁性传感器，其特征在于，屏蔽通量取样器具有第一和第二侧，它们位于屏蔽的相对两侧，它们基本上与空气支承表面平齐。
6.一种包括如权利要求1所述的磁性传感器的磁盘存储系统。
7.一种制造磁存储装置里使用的磁性传感器的方法，包括：
将一层磁性材料喷镀在一基底上；
在该磁性材料里形成一间隙，由此形成一磁屏蔽和一屏蔽通量取样器；以及
将一磁阻传感器喷镀在磁屏蔽附近；
其中，在喷镀磁阻传感器过程中，由此构成的通量取样器减少磁阻传感器里的退磁场。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使屏蔽构成后具有基本稳定的磁畴图形。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括研磨传感器以形成空气支承表面，其中，屏蔽和磁通取样器具有基本上与空气支承表面平齐的边缘。
10.一种包括如权利要求1或6所述的磁性传感器的磁盘存储系统。
11.一种在磁存储系统里的磁性传感器，包括：
磁阻传感器装置，以便检测磁性编码的信息；
磁屏蔽装置，以便使磁阻传感器装置与磁场隔开；以及
屏蔽通量取样器装置，以便从磁阻传感器装置里的磁屏蔽上减少退磁场。
12.如权利要求11所述的磁性传感器，其特征在于，屏蔽通量取样器装置包括通过一间隙与磁屏蔽装置隔开的磁性材料。
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