-
Verfahren zur Auslegung des magnetischen Inhalts eines magnetischen
Mediums unter Verwendung eines magnetoresistiven topfes Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einVerfahren zur verbesserten auslegung des magnetischen Inhalts
eines magnetischen Mediums unter Verwendung eines magnetoresistiven topfes, das
mit der spezifischen Anwendung des topfes kommensurabel ist und bei dem der opf
ein magnetoresistives Element mit gegebener Anisotropie und einer gegebenen Entmagnetisierungsfeldstärke
aufweist.
-
Im Rahmen der Erfindung handelt es sich dabei um magnetoresistive
zöpfe bei denen ein schmales Element aus magnetischem Material mit geringer Anisotropie
verwendet wird; insbesondere bezieht sich dabei die Erfindung auch auf eine Vorspannungstechnik,
welche an die spezielle Verwendung des magnetoresistiven topfes angepaßt ist. Einzelheiten
des Aufbaus und der Wirkungsweise von magnetore@istiven Köpfen sind in der US-Patentschrift
3 483 694 beschrieben.
-
Bei magnetoresistiven Köpfen wird ein schmales Element aus Material
mit kleiner Anisotropie, wie beispielsweise ein ferromagnetischer Film, in die unmittelbare
Ichbarschaft eines magnetischen Speichermediums, wie beispielsweise ein Magnetband,
gebracht. Der magnetische Inhalt des Speichermediums ruft entsprechende Änderungen
des Magnetisierungszustandes des Filmelementes hervor, wodurch dessen Widerstand
ueber den magnetoresistiven Effekt moduliert wird.
-
Die auf dem Speichermedium aufgezeichneten Felder drehen das Spinsystem
des Filmelementes des magnetoresistiven Kopfes als Funktion des magnetischen Inhaltes,
wodurch eine entsprechende Änderung des Widerstandes des Elementes hervorgerufen
wurde. Eine an das Filmelement angekoppelte äußere Schaltung liefert Stromfluktuationen,
welche ein Maß fiir die Widerstandsänderungen sind.
-
Bei Analogbetrieb wird die Wirkungsweise durch Lineariaierung des
magnetoresistiven Kopfes mittels Einprägung eines geeigneten Vorspannungsfeldes
optimalisiert. Nach der oben genannten US-Patentschrift wird die Vorspannung durch
äußere Mittel eingeprägt, welche erstens eine Anisotropie, deren leichte Achse mit
der Längsachse des Filmelementes zusammenfällt, und zweitens ein transversales Vorspannungsfeld
erzeugen, durch das der IMgnetisierungagleichgewichts-Winkel relativ zur Längsachse
des Elementes bei gleichzeitigem Vorhandensein eines transversalen Entmagnetisierungsfeldes
in dem Bereich von 450 eingestellt wird.
-
Im Gegensatz zu der vorbeschriebenen bekannten Technik ist bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen,daß der Kopf
und das magnetoresistive Element relativ zum magnetischen Medium magnetisch dberbrücken
angeordnet
wird, dass dem magnetoresistiven Element ein Strom eingeprägt wird, das zwischen
der gegebenen Anisotropie und dem Strom ein vorgegebener Magnetisierungsgleichgewichts-Winkel
eingestellt wird und daß die Änderung des Widerstandes des magnetoresistiven Elementes
als Funktion des magnetischen Inhalts des magnetischen Mediums gemessen wird.
-
Bei einer Ausflihrungsform der Erfindung erfolgt für einen optimalen
Analogbetrieb eine Linearisierung dadurch, daß das äußere transversale Feld durch
ein inneres Feld ersetzt wird. Dieses innere Feld kann auf verschiedene Weise erzeugt
werden. Die Anisotropie kann beispielsweise durch einen Temper-Prozess oder einen
magnetostriktiven Prozess eingeprägt werden. Die Richtung der induzierten Anisotropieachse
liegt vorzugsweise etwa unter 450 zur Längsachse des Elementes und damit etwa unter
450 zur Richtung des Stromflusses. Gemäß einer anderen Ausftilirungsform wird fiir
optimalen Analgbetrieb ein Magnetisierungsgleichgewichts-Winkel durch Einprägung
eines äußeren Vorspannungsfeldes etwa unter 450 zur Langsachse des Elementes eing¢natellt.
-
Bei einer weiteren Ausfilhrungsform entfällt fUr digitalen Betrieb
die äußere oder innere Vorspannung, was zu einem magnetoresistiven Kopf führt, welcher
im Bereich der Feldstärke Null der zugehörigen Spannungsfeld-Kurve arbeitet.
-
Bei der Erfindung handelt es sich also um ein Verfahren zur selektiven
Orientierung des magnetisierenden Zustandes des magnetoresistiven elementes zur
Optimierung des Betriebs eines zugehörigen magnetoresistiven Kopfes in speziellen
Anwendungsfällen.
-
Weitere Merkmale undEinzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Es zeigt:
Fig.
1 eine perspektivische Darstellung eines magnetoresistiven Kopfes, bei dem das erfindungsgemäße
Verfahren zur Anwendung kommt; Fig. 2 und 3 jeweils einen Aufriss eines magnetoresistiven
Elementes und eines zugehörigen magnetischen Mediums, wobei jeweils ein Koordinatensystem
zur Erläuterung der Theorie der Wirkungsweise von verschiedenen Ausftihrungaformen
eingezeichnet ist.
-
In Fig. 1 ist ein magnetoresistiver Kopf 10 dargestellt, welcher zur
Wiedergabe des magnetischen Inhaltes eines magnetischen Mediums 12 Verwendung findet.
Dieser Kopf 10 besitzt ein magnetoresistives Element 14, das Uber mit ihm in Kontakt-
stehende Kupfer leiter 18 an einen äußeren Auslesekreis 16 angekoppelt ist. Die
Elemente 14 und 18 sind auf ein Substrat 19, das beispielsweise aus Glas oder Saphir
hergestellt ist, aufgebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei nicht nur
auf einen "vertikalen" magnetoresistiven Kopf im dargestellten Sinne, sondern in
gleicher Weise auch auf einen fhorizontalen" Kopf angewendet werden. Genauere Einzelheiten
von Konfigurationen magnetoresistiver Köpfe sind in der eingangs genannten US-Patentanmeldung
beschriben.
-
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, bei der ein magnetoresistiver Kopf (symbolisiert durch das Element
20) durch ein inneres magnetisches Feld linearisiert wird. Dabei wird die leichte
Achse der Anisotropie H unter einem bestL-mten Winkel, vorzugsweise etwa unter 45
zum Strom I, bzw. zur Längsachse L des Elementes eingestellt. Diese Einstellung
der Anisotropieachse kann nach und/oder während der Herstellung des Elementes erfolgen.
Die Größe des Anisotropie-Feldes Hk
legt den dynamischen Bereich
fest. Da das Anisotropiefeld auch gegen das Entmagnetisierungsfeld Hde wirkt, weicht
die Richtung des Feldes Hk generell etwas von dem Winkel 45° ab.
-
Dieses innere Feld wird zweckmäßigerweise durch Induzierung einer
Anisotropie erzeugt, was durch einen Temper-Prozess oder einen magnetostriktiven
Prozeß erfolgen kann. Der letztgenannte Prozess kann zweckmäßiger sein, da dabei
die Anisotropie bis zu einem gewissen Grade nach der Herstellung des Elementes kontrollierbar
ist, während die Anisotropie bei dem erstgenannten Prozess während der Herstellung
permanent eingeprägt wird und danach außer durch thermische Temperprozesse nicht
mehr leicht kontrollierbar ist. Wie erwähnt, liegt die Richtung der eingerägten
Anisotropieachse vorzugsweise etwa unter einem Winkel von 450 zur Längsachse des
Elementes und damit zur Richtung des Stromflusses durch das Element, wobei die Effekte
des zntmagnetisierungsfeldes Hde in Rechnung gestellt sind.
-
Bei der Einprägung einer Anisotropie durch Temperung wird das magnetische
Filmelement (beispielsweise das Element 14 nach Fig. 1) durch Abscheidung im Vakuum
oder Galvanisch in einem magnetischen Feld erzeugt, dessen Richtung an die gewünschte
Anisotropie-Orientierung angepaßt ist.
-
Bei magnetostriktiver Einprägung wird die Anisotropie-Orientierung
zunächst durch Auswahl eines Materials für das Element mit magnetostriktiven Eigenschaften
festgelegt. Dabei handelt es sich um ein Material, dessen magnetische Eigenschaften
(Richtung der leichten Achse, positive oder negative Charakteristit, usw. ) sich
als Funktion von mechanischen Spannungen ändern. Sodann wird die Richtung
der
leichten Achse des Elementes durch Einwirkung von Kraft eingestellt (d.h., unter
etwa 450 gehalten).
-
Bei diesem letztgenannten Verfahren ist die induzierte Anisotropie
leicht durch die äußere Krafteinwirkung einstellbar. Da die Einstellung einer bestimmten
induzierten Anisotropie entweder durch Temper-Prozesse oder durch magnetostriktive
Prozesse an sich bekannt ist, werden dazu hier keine weiteren Erläuterungen gegeben.
-
Die Ausführungsform mit einer inneren Anisotropievorspannung ist speziell
vorteilhaft, da die Anordnung aufgrund des Fehlens der oberen Vorspannung unabhängig
vom Längenverhältnis ist und kein zusätzliches äußeres Feld aufgeprägt werden muß.
Daher kann der Reduzierung der Größe der Anordnung mehr Aufmerksamkeit gewidmet
werden, wobei ftlr eine gegebene Anordnung eine größere Ausgangsspannung erreicht
wird.
-
Nach den zugrundeliegenden Zusammenhängen ist gemäß Fig. 2 die freie
Energie für ein fehlendes Signalfeld gleich F = 1/2 MsHde sin @-K cos²(@-@o) (1)
Darin bedeutet @o die Orientierung der Magnetisierung M in bezug auf die Achse und
die Stromrichtung, @ die Lage der leichten Achse und K den Anisotropie-Koeffizienten.
-
Das Entmagnetisierungsfeld Hde ist durch Hde = NM2 sin @o (2) gegeben.
-
Damit ergibt sich F 8 1/2 NM22 ein 2 @o-K cos²(@-@o) (3)
Die
Minimalbedingung filr die Größe F in bezug auf #0 führt zu 2 1/2 NMs² -K sin 2#
cot 2#0+K cos 2 = 0 (4) oder
Die Eliminierung von Q aus der Gleichung 9 fUhrt unter Berücksichtigung von Gleich.5
zu
Wird nun ein Signalfeld HSig längs der Y-Achse eingeprägt, das im Vergleich zu Hk
und NMs klein ist, so ergibt sich F = - MsHsigsin #1/2 NMs² sin 2#-K cos²(#-#).
(6) Die Minialbedingung in bezug auf # führt zu MsHsig cos #+1/2NM2² sin 2#-K sin
2(#-#) = 0 (7) Da Hsig als klein angenommen wurde, weicht der Wert von Q um einen
kleinen Winkel 8 @ vom Gleichgewichtswinkel Q0 ab. Setzt man # = #0 + ##
(8) und berücksichtigt die Gleichung 5, so ergibt sich
Zur optimalen
Linearisierung des magnetostriktiven Effektes wird o = #/4 gesetzt. Damit führt
die Gleichung 5 zu der Beziehung
Formel 10 führt sodann zu der Beziehung
Dies giD unter der Voraussetzung, daß Hde=NMs # Hk ist, so daß # # #/4 ist. Unter
der Abnahme, daß Hsig # #2 Hk ist, gilt
Die magnetoresistive Spannung ist gleich
Unter Vernachlässigung des konstanten Terms ergibt sich
Die Bedingungen sind dabei so gewählt, daß sowohl Hde und Hsig
wesentlich kleiner als Hk sind, und daß Hk unter 45° zur Stromrichtung orientiert
ist. Wie oben erwähnt, kann die Anisotropie entweder induzierter oder magnetostriktiver
Natur sein.
-
In Big, 3 ist eine weitere Ausfuhrungsform dargestellt, bei der zur
Vorspannung ein äußeres Vorspannungsfeld Hb unter einem Winkel von etwa 450 zur
Längsachse eines Elementes 22 zur Anwendung kolnd;.
-
@Es sei zunächst angenommen, daß Hde und Hk vernachlässigbar sind.
In diesem Falle ist g einfach durch die Beziehung (16) gegeben.
-
Ist das gesamte Feld durch das Vorspannune ein Signalfeld H ig gegeben,
derart, daß ist, so kann leicht gezeigt werden, daß
ist. Darin bedeuten Hbx und Hby die x- und y-Komponenten des Vorspannungsfeldes
Hb # Der zweite Term ist für Hbx = Hby am größten, wobei das Vorspannungsfeld unter
45° zur x-Achse liegt. Unter dieser Bedingung gilt
Das Ausgangasignal des magnetoresistiven Kopfes ist durch
gegeben.
-
Darin bedeutet RO den gewöhnlichenisotropen Widerstandsterm.
-
Aus Gleichung (18) ergibt sich die Ausgangsspannung in einfacher Weise
als Funktion der Signalfelder durch
In dieser Gleichung sind triviale konstante Terme vernachlässigt. Ein einfacherer
Ausdruck ist durch
Darin bedeuten<Hsigx> und <Hsigy> räumliche Mittelwerte der Feldkomponenten
Uber den Kopfabmessungen.
-
Bs ist zu bemerken, daß der Kopf auf Feldkomponenten in x- und y-Richtung
gleich empfindlich anspricht, während eine Empfindlichkeit in z-Richtung nicht vorhanden
ist, da es sich um eine sehr dünne Filmanordnung handelt.
-
Anstelle der beschriebenen Vorspannung durch innere oder äußere magnetische
Felder kann der magnetoresistive Kopf auch als digitaler Auslesekopf verwendet werden,
wobei keine äußere Vorspannung vorhanden ist. In diesem Falle wird das Signalfeld
vom magnetischen Medium durch den magnetoresistiven Kopf/effekt quadriert, was sich
auch aus dem ersten Teil der der Eingangs-US-Patentschrift ergibt. Für digitale
Anwendungsfälle
stellt diese nichtlineare Einwirkung auf das Signalfeld keinen Nachteil dar, da
das Kopfelement die Änderung der magnetischen Zustande auf dem Aufzeichnungs medium
feststellt. In derartigen digitalen Anwendungsfällen geht der Gleichgewichtswinkel
O daher als Funktion der Wirkung des Lntmagnetisierungsfeldes Hde gegen Null.
-
- Patentansprüche -