DE2241906C2

DE2241906C2 - Magnetoresistives Abfühlelement

Info

Publication number: DE2241906C2
Application number: DE2241906A
Authority: DE
Inventors: George Stanley Purdy Station N.Y. Almasi; George Edward Montrose N.Y. Keefe; Yeong Show Mt. Kisco N.Y. Lin; David Allen Somers N.Y. Thompson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-10-26
Filing date: 1972-08-25
Publication date: 1982-10-28
Also published as: GB1369573A; FR2157876B1; DE2241906A1; JPS5037490B2; CA943665A; US3716781A; IT967620B; JPS4852142A; FR2157876A1

Description

hierin bedeuten:

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge /, die Breite n·, die Dicke l, das uniaxiale Eigenanisotropiefeld Hi und die Magnetisierung Mdes Abfühlelements durch folgende Beziehung miteinander verknüpft sind:

Mw-\ll<\lt(Hil4nM).

4. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der magnetischen Schicht (10) die gleiche Richtung wie die Ruhelage der Magnetisierung besitzt und das Abfühlelement aus Permalloy besteht.

5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formanisotropiefeld stärker als das uniaxiale Eigenanisotropiefeld ist.

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Abfühlelement, wie es dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Das Abfühlen von Signalen kleiner Magnetfelder gestaltet sich häufig sehr schwierig, selbst wenn der magnetoresistive Effekt zur. Abfühlung ausgenutzt wird. So ist es z. B. äußerst schwierig, Magnetfelder mit Hilfe magnetoresistiver Abfühlelemente abzufühlen, welche aufgrund magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen auftreten, die in jüngster Zeit zur Informationsüber- t die Dicke des Abfühlstreifens
w die Breite des Abfühlstreifens
Mp die Sättigungsmagnetisierung des Abfühlstreifens

Für einen Abfühlstreifen aus Permalloy in den beschriebenen Dimensionen müßte ein Abfühler mit einer Dicke von 20 nm für eine magnetische zylindrische Einzelwanddomäne von 5 μη: ein Domänenfeld voraussetzen, das größer als etwa 3200 A/m ist, damit überhaupt eine Widerstandsänderung im Abfühlstreifen zustande kommen kann. Demgegenüber ist aber zu beachten, daß ein Feld einer magnetischen zylindrischen Einzelwanddomäne im allgemeinen etwa 10% des Wertes für 4nM_s beträgt, worin M_s die Sättigungsmagnetisierung der Einzelwanddomäne darstellt, die typischerweise 1600 A/m ist. Das läßt erkennen, daß die Abkühlung kleiner Einzelwanddomänen ein äußerst schwieriges Problem darstellt.

Für Speicheranordnungen unter Anwendung von magnetischen zylindrischen Einzelwanddomänen und für magnetische Aufzeichnungsverfahren ist bereits die Ausnutzung transversaler Vormagnetisierung vorgeschlagen worden (siehe z. B. »IEEE Transactions on Magnetics« MAG-7, Nr. 1, März 1977, Seiten 150-154), um das Abfühlen magnetischer Signale kleiner Amplitude zu erleichtern. Obgleich kein Zweifel darin besteht, daß die Anwendung solcher transversaler Vormagnetisierung eines magnetoresistiven Abfühlelementes das Abfühlen magnetischer Signale kleiner Amplitude ermöglicht, so ist doch die Gesamtwiderstandsänderung des Abfühlstreifens noch begrenzt, da der untere

Schwellenwert des Abfühlstreifens erhalten bleibt So wird unter der Gegebenheit, daß das abzufohlende Streufeld klein ist gegenüber dem Magnetfeld, das an sich erforderlich wäre, um den Abfühlstreifen zu sättigen, durch Anwenden transversaler Vormagnetisierung die Widerstandsänderung des AbiChlstreifens beim Einwirken eines kleinen magnetischen Signals erhöht, jedoch ergibt sich ohne weiteres noch keine maximale Widerstandsänderung, die sich erst dann einstellt, w^nn ein Magnetfeld, dessen Stärke gleich der des Sättigungsfeldes ist, zur Einwirkung käme.

In der US-PS 34 93 694 ist ein magnetoresistor Magnetkopf in Form eines streifenförmigen Abfühlelements aus magnetischem Material geringer Anisotropie beschrieben, welcher entweder mit seiner Schmalseite zur Erfassung vertikaler Komponenten des Magnetfeldes oder mit seiner Breitseite zur Erfassung longitudinaler Komponenten des Magnetfeldes, je relativ zum Magnetband, dient Das jeweilige Magnetfeld des Magnetbandes ruft entsprechende Änderungen der Magnetisierung des Abfühlelements hervor, so daß !infolge seiner magnetoresistiven Eigenschaft sein Widerstand moduliert wird und damit entsprechende Stromschwankungen auf angeschlossene Auswertungsschaltungen übertragen werden.

Bei dieser Sachlage besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Abfühlelement obengenannter Art bereitzustellen, das gestattet, Magnetfelder äußerst kleiner Feldstärken, wie sie z. B. bei Feldern magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen vorliegen, unter Kompensation von bei Abfühlbetrieb entgegengesetzt wirkender Entmagnetisierung betriebszuverlässig zu erfassen, ohne den Herstellungsaufwand gegenüber bisherigen Anordnungen dieser Art nennenswert zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Eine solche Anordnung ist sowohl zur Abfühlung von Magnetfeldern zylindrischer EinzeKvanddomänen als auch zum Abfühlen magnetischer Signale geeignet, die auf Aufzeichnungen auf Magnetbändern, Magnetplatten und dergleichen beruhen. Ganz allgemein gesagt wird durch die Erfindung ein magnetoresistor Abfühler geschaffen, der einen geringen unteren Schwellenwert besitzt und dabei jedoch Ausgangssignale maximaler Amplitude bereitzustellen vermag, selbst im Ansprechen auf magnetische Signale, deren Amplituden so klein sind, daß sie normalerweise nicht den Abfühlstreifen in die Sättigung zu bringen vermögen.

Der hiermit bereitgestellte magnetoresistive Abfühlstreifen wird möglichst nahe an die abzufühlende magnetische Aufzeichnung, bzw. den Erfassungsort von Domänen herangebracht. Das heißt, der Abfunlstreifen besitzt einen Abstand zum Aufzeichnungsträger oder der die Domänen beherbergenden Magnetschicht, welcher eine Magnetflußkoppiung zum abzufühlenden magnetischen Signal ermöglicht, wobei jedes magnetoresistive Material Anwendung finden kann.

Ein speziell geeignetes Material für die erfindungsgemäße Anordnung stellt Ni-Fe dar, was auch schon deshalb zu bevorzugen ist, da bei Anwenden von magnetischen zylindrischen Einzelwanddomänen Ni-Fe-Streifen zu ihrer Weiterleitung dienen und somit die Herstellung als ganzes vereinfacht wird.

Bei Betrieb ist sichergestellt, daß der Magnetisierungsvektor M des Abfühlstreifens immer in die Ruhelage zurückkehrt, wenn kein magnetisches Signalfeld anliegt, bzw. wenn ein magnetisches Signalfeld abklingt

Während der Strom, der durch den magnetoresistiven Abfühlstreifen übertragen wird, in seiner Richtung längs der Ach&e leichter Magnetisierbarkeit oder der Achse schwerer Magnetisierbarkeit des magnetoresistiven Abfühlstreifens übertragen werden kann, ist in jedem Fall vorgesehen, daß der magnetoresistive Abfühlstreifen an einer Konstantstromquelle liegt, um so beim Auftreten eines magnetischen Signalfeldes dank der dann eintretenden Widerstandsänderung des magnetoresistiven Abfühlstreifens eine entsprechende Ausgangsspannungsänderung hervorrufen zu lassen. Diese Spannungsänderung ist maximal, da Vorsorge dafür getroffen ist daß der Stromfluß unabhängig von der Wid^rstandseinstellung konstant bleibt Umgekehrt ließe sich allerdings auch eine Konstantspannungsquelle anwenden, um dann entsprechend Stromänderungen im Ansprechen auf magnetische Signalfelder zu erfassen.

Ein derart konzipierter magnetoresistiver Abfühlstreifen besitzt einen zur Signaierfassung unteren Schwellenwert der sich durch die Beziehung | Hf— H, \ anstatt durch die Summe | Hf+ H₁ \ wie bisher definieren läßt. Das Formanisotropiefeld Hp stellt dabei die skalare Differenz zwischen den Entmagnetisierungsfeldern dar, die mit den langen und kurzen Kantenrichtungen eines nicht-symmetrischen Abfühlstreifens verbunden sind. Hi stellt die Eigenanisotropie des Abfühlstreifens dar. Dementsprechend lassen sich magnetische Signale sehr viet kleinerer Amplituden als bisher abfühlen, da, wie oben angegeben, der Magnetfeldschwellenwert zur Sättigung des Abfühlstreifens entsprechend reduziert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. IA ein magnetoresistives Abfühlelement gemäß der Erfindung für zylindrische Einzelwanddomänen,

Fig. IB einen Ausschnitt aus einem Abfühlelement gemäß Fig. IA beim Auftreten einer zylindrischen Einzelwanddomäne,

F i g. 2A ein anderes Ausführungsbeispiel eines magnetoresistiven Abfühlelements für zylindrische Einzelwanddomänen,

F i g. 2B einen Ausschnitt aus dem magnetoresistiven Abfühlelement gemäß Fig. 2A beim Auftreten einer zylindrischen Einzelwanddomäne,

Fig.3A die Anwendung des Abfühlelements gemäß der Erfindung zur Magnetbandabfühlung,

F i g. 3B in schematischer Weise eine bevorzugte Ausführung eines magnetoresistiven Abfühlelements gemäß der Erfindung für die Zwecke der F i g. 3A,

Fig.4 eine schematische Darstellung eines Abfühlelementes mit Vektordiagramm für Hf> H_h

Fig.5 eine schematische Darstellung eines Abfühlelementes mit Vektordiagramm für Hf< H*

Beim magnetoresistiven Abfühlelement yemäß der Erfindung steht die Richtung der Formanisotropie des Magnetfeldes senkrecht zur Richtung der Eigenanisotropie. Daraus resultiert, daß der Betrag des zur Drehung des Magnetisierungsvektors M_pdes Abfühlelements erforderliche äußere Magnetfeld beträchtlich reduziert werden kann.

Zum Verständnis der Erfindung ist es zweckmäßig, die verschiedenen magnetischen Eigenschaften des hier benutzten magnetoresistiven Abfühlelementes in Betracht zu ziehen. Das Formanisotropiefeld läßt sich als

skalare Differenz zwischen den Entmagnetisierungsfeldern in den beiden Richtungen des Abfühlelementes definieren. Das heißt, das Formanisotropiefeld Hfstellt die Differenz von Hdk und Hdi dar, wobei die letzteren Werte Entmagnetisierungsfelder längs der kurzen und langen Richtung des Abfühlelementes darstellen. Die Entmagnetisierungsfelder Hj stellen Felder dar, die danach trachten, die Drehung des Magnetisierungsvektors Mdes Abfühlelementes in irgendeine Richtung aus der Ruhelage dieses Vektors zu verhindern. Ganz allgemein ist das zur Sättigung der Magnetisierung einer isotropen Folie in irgendeiner Richtung erforderliche Magnetfeld durch folgende Gleichung festgelegt:

H_d=NM_s
Hierin bedeuten:

15

N einen Entmagnetisierungsvektor M_s die Sättigungsmagnetisierung der isotropen Folie

20

25

So ergibt sich z. B. für einen Dünnfilm mit eliptischem Querschnitt, daß N angenähert Ant/w entspricht.

Hierin bedeuten:

t die Dicke des Dünnfilms

w die Breite des Films in Richtung der Sättigung

für f < < w.

Aus dieser Beziehung ist leicht zu ersehen, daß das Entmagnetisierungsfeld in dem Maße anwächst wie die Breite der Folie abnimmt, wenn von einer festgelegten Dicke der magnetisierbaren Folie ausgegangen wird. Infolgedessen ist bei einem magnetoresistiven Abfühlelement rechteckiger Form das Entmagnetisierungsfeld Hdk iängs der kurzen Richtung größer als Hdi entsprechend dem Entmagnetisierungsfeld längs der langen Richtung des magnetoresistiven Abfühlelements.

Es versteht sich, daß jedes Abfühlelement mit unsymmetrischer Form erfindungsgemäß Anwendung finden kann.

In einem magnetischen Dünnfilm mit uniaxialer Anisotropie, z. B. bei einem Dünnfilm unendlicher Ausdehnung, ist die Magnetisierung dieses Filmes lediglich längs einer Achse stabil, die als die Achse der leichten Magnetisierbarkeit dieses Filmes definiert ist. Die mit dieser Anisotropie verbundene Magnetisierung stellt das magnetische Eigenanisotropiefeld (HJ dar, welches die Kraft darstellt, um den Magnetisierungsvektor M des Abfühlelementes in die Richtung längs der so Achse der leichten Magnetisierbarkeit zurückzustellen.

Für ein magnetoresistives Abfühlelement mit endlichen Dimensionen muß das magnetische Signal zur Drehung des Magnetisierungsvektors M dieses Abfühlelementes, um eine Widerstandsänderung aufgrund des magnetoresistiven Effekts zu erhalten, zumindest gleich der Summe aus Formanisotropiefeld Hpund uniaxialem Eigenanisotropiefeld H, sein. Sind jedoch kleine magnetische Signale aufzunehmen, entstehen Schwierigkeiten aus der Schwellenwertbedingung \Hf+H,\ des Abfühlelementes. Das Abfühlelement besitzt vorzugsweise eine Länge in Richtung der Normalen des magnetischen Signals von angenähert gleicher Größe wie die effektive Breite des magnetischen. Signals. Im Falle einer zylindrischen Einzelwanddomäne ist demnach die Länge des Abfühlelementes, durch welches die Magnetisierung gedreht wird, angenähert gleich dem Durchmesser dieser zylindrischen Einzelwanddomäne. Weiterhin ergibt sich, daß das Abfühlelement nicht dünner sein kann als ungefähr 10 bis 20 nm, ohne daß die magnetoresiistiven Eigenschaften Einbuße erleiden. Infolgedessen ergibt sich durch das Formanisotropiefeld des magnetoresistiven Abfühlelementes beim Zufügen zum uniaxialen Anisotropiefeld H-, ein Schwellenwert, der größer als das angelegte magnetische Signal ist. Aus diesem Grunde kann das magnetische Signal nicht ausreichen, um den Magnetisierungsvektor des Abfühlelementes zu drehen, so daß sich völlig unzulängliche Spannungssignale am Ausgang des Abfühlelementes ergeben.

Um diese Schwierigkeiten zu beheben, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, das durch die Formanisotropie bedingte effektive Magnetfeld im im wesentlichen rechten Winkel zum durch die uniaxiale Eigenanisotropie bedingten effektiven Magnetfeld auszurichten. Hinzu kommt, daß das größere dieser beiden effektiven Anisotropiefelder im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Feldes des magnetischen Signals ausgerichtet ist, um sicherzustellen, daß beim Nichtauftreten eines magnetischen Signals der Magnetisierungsvektor M des Abfühlelementes in seine Ruhelage zurückgedreht wird. In diesem Falle ergibt sich dann für den Schwellenwert des magnetoresistiven Abfühlelementes die Beziehung \Hf— H,\. Dementsprechend können bereits sehr kleine magnetische Signale in vollem Maße eine Drehung des Magnetisierungsvektors des Abfühlelementes herbeiführen, so daß Ausgangssignale ausreichender Stärke vom magnetoresistiven Abfühlelement abgegeben werden können, ohne daß besondere transversale Vormagnetisierungsfelder an die Abfühlelemente angelegt werden.

In Fig. IA ist schematisch ein magnetoresistives Abfühlelement gezeigt, bei dem die formbedingte Anisotropie und die uniaxiale Eigenanisotropie rechtwinklig aufeinander stehen, und zwar im Gegensatz zu üblichen magnetischen Strukturen, bei denen diese Anisotropierichtung parallel zueinander verlaufen. Im vorliegenden Fall ist das magnetoresistive Abfühlelement in Anwendung bei Einrichtungen unter Ausnutzung magnetischer Einzelwanddomänen gezeigt In einer solchen Anordnung wird eine magnetisierbare Folie 10, z. B. aus Orthoferrit oder Granat, vorgesehen, in der diese zylindrischen Einzelwanddomänen existieren und verschoben werden können.

So bestehen die in Fi g. IA gezeigten Verschiebemittel 12 an sich bekannter Bauart, aus einem T- und I-Streifenmuster aus weichmagnetischem Material, das entsprechend auf der magnetichen Folie 10 aufgebracht ist. Unter dem Einfluß eines sich in der Ebene der magnetisierbaren Folie drehenden Magnetfeldes H bewegen sich die magnetischen Einzelwanddomänen in der Folie 10 in Richtung des Pfeiles 14, wenn entsprechend aufeinanderfolgend magnetische Pole in den mit 1, 2,3 und 4 bezeichneten Pollagen des T- und !-Streifenmusters 12 erzeugt werden.

Weiterhin ist auf der magnetisierbaren Folie 10, bzw. in enger Nachbarschaft hierzu, ein magnetoresistives Abfühlelement 16 angeordnet Das magnetoresistive Abfühlelement 16 besteht aus magnetoresistivem Material 18, wie z. B. Permalloy. Der Abfühlstreifen 18 ist über die Zuleitungen 19 elektrisch mit einer Stromquelle 20 verbunden, die vorzugsweise als Konstantstromquelle ausgebildet ist, und einen Meßstrom Is durch den Abfühlstreifen 18 schickt Die Spannungsänderungen über dem Abfühlstreifen 18, im Ansprechen auf abgefühlte Magnetfelder gelangen als

Spannungssignale Vs auf die Auswertungsschaltung 22, die als Abfühlverstärker oder andere Detektorschaltung ausgebildet sein kann. Wenn auch insoweit Gleichheit mit bereits vorgeschlagenen Abfühlanordnungen besteht, so ergeben sich doch Unterschiede, wenn die Anisotropieeigenschaften einer näheren Betrachtung unterzogen werden.

Wie üblich wird weiterhin ein Vormagnetisierungsfeld H₇. in Richtung der Normalen der magnetisierbaren Folie 10 mit Hilfe der Vormagnetisierungsmittel 24 angelegt. Diese Vormagnetisierungsmittel 24 bestehen im wesentlichen aus einer Spule, die die magnetisierbare Folie 10 umgibt, oder aber auch aus einem permanenten Magneten. Außerdem ist es bekannt, dieses Vormagnetisierungsfeld durch eine magnetische Folie auf der magnetisierbaren Folie 10 bereit zu stellen, die in Austauschkopplung hierzu steht, um die magnetischen Einzelwanddomänen in der magnetisierbaren Folie 10 zu stabilisieren.

Das Verschiebefeld H stellt ein sich in der Ebene der magnetisierbaren Folie 10 in Pfeilrichtung drehendes Feld /7 dar. Dieses Feld wird durch die Weherleitungsfeldmittel 26 erzeugt, die im wesentlichen aus einer Serie von X- und y-Spulen bestehen, die die magnetisierbare Folie 10 umgeben, und die weiterhin abwechselnd durch Impulse gesteuert werden, um ein aufeinanderfolgend in die Richtungen 1, 2, 3 und 4 gedrehtes Magnetfeld zu erzeugen. Weiterhin sind in Fig. IA Steuermittel 28 vorgesehen, die dazu dienen, die Vormagnetisierungsfeldmittel 24 und Weiterleitungsfeldmittel 26 zu betätigen, um so die magnetischen Einzelwanddoniänen zu stabilisieren und weiterzuleiten. Bevor im einzelnen auf die Wirkungsweise des magnetoresistiven Abfühlstreifens 18 eingegangen wird, dürfte es zweckmäßig sein, kurz allgemein die Betriebsweise magnetoresistiver Abfühlelemente zu erläutern. Dem Abfühlstreifen 18 ist ein Magnetisierungsvektor M zugeordnet, der die in Fig. IA angedeutete Ruhelage beim Nichtauftreten eines magnetischen Signals einnimmt, das ja danach strebt, den Magnetisierungsvektor in Richtung des angelegten magnetischen Signals zu drehen. Wird nun ein magnetisches Feld quer zur Richtung des Magnetisierungsvektors M angelegt, dann strebt dieser Vektor danach, sich in Richtung des angelegten Signalfeldes zu drehen, wobei dann seine Drehung eine Widerstandsänderung im Abfühlstreifen 18 aufgrund des magnetoresistiven Effektes verursacht Diese Widerstandsänderung über dem Abfühlstreifen 18 ergibt im Zusammenwirken mit dem Konstantstrom /_s ein Spannungssignal V₅, das dem angelegten magnetischen Signalfeld entspricht. Auf diese Weise entsteht eine Serie von Spannungssignalen V₁ in den Auswertungsmitteln 22, wenn magnetische Signale durch den Abfühlstreifen 18 aufgenommen werden. Beim Nichtvorhandensein von magnetischen Signalen dreht bzw. bleibt der Magnetisierungsvektor Min Ruhelage, wobei entsprechend der Widerstand des Abfühlstreifens 18 seinen Normalwert einnimmt

Der Abfühlstreifen 18 gemäß der Erfindung besitzt seine Fonnanisotropie im rechten Winkel zu seiner uniaxialen Eigenanisotropie. Im Ruhezustand ist der Magnetisierungsvektor M in Längsrichtung des Streifenelements 18 ausgerichtet Dies wird dadurch erreicht daß das Formanisotropiefeld stärker ausgebildet wird, als das uniaxiale Eigenanisotropiefeld. Die Richtung des uniaxialen Eigenanisotropiefeldes liegt in Richtung der Achse der leichten Magnetisierbarkeit des Abfühlstreifens 18, was durch den zweiseitigen Pfeil EA.

angedeutet wird. Wie bereits erwähnt, liegt die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der kurzen Seite des Abfühlstreifens 18. Das effektive, der Formanisotropie zugeordnete magnetische Feld ist demgegenüber in Längsrichtung des Abfühlstreifens 18 ausgerichtet. Damit stehen also diese effektiven Magnetfelder im rechten Winkel zueinander, so daß der magnetische Schwellenwert des Abfühielementes 18 durch die Beziehung \Hf— H,\ definiert ist. Wird nun ein magnetisches Signalfeld entsprechend diesem Schwellenwert, und im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Magnetisierungsvektors M angelegt, dann wird dieser Vektor in die Achse der leichten Magnetisierbarkeit gedreht. Klingt 'las magnetische Signalfeld ab, dann dreht der Magnetisierungsvektor sich in seine Ruhelage in Längsrichtung des Abfühielementes 18 zurück; und zwar nur dann, wenn das Formanisotropiefeld größer als das uniaxiale Eigenanisotropiefeld ist. Das heißt also, daß von den beiden magnetischen Anisotropiefeldern das größere normal zur Richtung des magnetischen Signalfeldes ausgerichtet sein muß, um zu gewährleisten, daß beim Nichtauftreten eines magnetischen Signals der Magnetisierungsvektor Min seine Ruhelage zurückdrehen kann.

In Fig. IA ist die Situation dargestellt, bei der der Magnetisierungsvektor M sich in seiner Ruhelage befindet. Es ist also kein magnetisches Signalfeld am Abfühlstreifen 18 wirksam.

In dem in Fig. IB gezeigten Ausschnitt der Anordnung nach Fig. IA, befindet sich eine magnetische zylindrische Einzelwanddomäne 30 unterhalb des Abfühlstreifens 18, so daß ein magnetisches Signalfeld entsprechend dem Streumagnetfeld Hb der magnetischen, zylindrischen Einzelwanddomäne 30 wirksam ist, und zwar in Querrichtung zur Ruhelage des Magnetisierungsvektors M, wie in Fig. IA gezeigt. Dies hat eine Drehung des Magnetisierungsvektors M um einen Winkel Θ zur Folge, so daß eine Widerstandsänderung im Abfühlstreifen 18 eintritt. Wie bereits erwähnt, manifestiert sich diese Widerstandsänderung in einem entsprechenden Spannungssignal V₅.

In der Anordnung nach Fig.2A ist eine andere Orientierung des magnetoresisliven Abfühlstreifens 18 gezeigt wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit im wesentlichen senkrecht zum magnetischen Signalfeld ausgerichtet ist, das durch magnetische, zylindrische Einzelwanddomänen, die sich längs des Ausbreitungspfades 12 bewegen, erzeugt wird. In den F i g. 2A und 2B werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie in den Fig. IA und IB, wenn immer gleiche Teile gleiche Funktionen ausführen. Dementsprechend sind in Fig.2A auf der magnetisierbaren Folie 10 ebenfalls die Weiterleitungsmittel 12 angeordnet, um die Verschiebung der magnetischen, zylindrischen Einzelwanddomänen längs der Pfeilrichtung 14 zu ermöglichen. Ebenso ist auch hier wiederum eine magnetoresistive Abfühlanordnung 16 auf der magnetisierbaren Folie 10 vorgesehen, die den magnetoresistiven Abfühlstreifen 18 enthält der durch eine Konstantstromquelle 20 über die Zuleitungen 19 gespeist wird. Ebenso wird dann auch jede Spannungsänderung über dem Abfühlstreifen 18 auf die Auswertungsmittel 22 übertragen, die, wie gesagt aus einem Abfühlverstärker oder anderen bekannten Detektoren bestehen können. Wie beim System nach Fig. IA, dient ein Vormagnetisierungsfeld Hz in Richtung der Normalen, der magnetisierbaren Folie 10 mit Hilfe der Vormagnetisierungsfeldmittel 24 zur Stabilisierung der magnetischen,

9 10

zylindrischen Einzelwanddomänen. Das zur Verschie- stand zurückdrehen kann.

bung der Domänen dienende Weiterleitungsfeld H wird In Fig. 3A wird eine verbesserte magnetoresistive

durch die Weiterleitungsfeldmittel 26 betrieben, die wie Abfühleinrichiung mit geringerem magnetischen

oben beschrieben, ausgebildet sind. Die Weiterleitungs- Schwellenwert zur Abfühlung magnetischer Signale von

feldmittel 26 und die Vormagnelisierungsfeldmittel 24 5 einem magnetisierbar Aufzeichnungsträger, wie z. B.

werden dann, wie ebenfalls oben beschrieben, durch die von einem Magnetband, angewendet, das sich unmittel-

Steuermittel 28 betätigt. bar unter der Abfühlanordnung vorbeibewegt. Im

Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. IA ist bei einzelnen enthält die magnetoresistive Abfühlanord-

Fig.2A vorgesehen, daß der Abfühlstreifen 18 derart nung 32 ein magnetoresistives Abfühlelement 34, das

angeordnet ist, daß seine Achse der leichten Magneti- io über die Zuleitungen 38 an einer Konstantstromquelle

sierbarkeit, wie durch den mit EA. bezeichneten Pfeil 36 liegt. Auch hier wiederum wird das vom Abfühlele-

angedeutet, im wesentlichen in Richtung der Normalen. ment 34 erhaltene Spannungssignal V₅ auf Auswertungs-

des magnetischen Signalfeldes, hervorgerufen durch mittel 40 übertragen, die aus einem Abfühlverstärker

eine magnetische, zylindrische Einzelwanddomänc, oder anderen Detektormitteln bestehen können,

ausgerichtet ist, welche sich in Richtung von Pollage 1 15 Die Abfühlanordnung 32 dient zum Lesen magneti-

zu Foliage 2 des T-förmigen Pennalloystreifens der scher Felder eines Magnetbandes 42, das sich in

Weiterleitungsmittel 12 bewegt. Das bedeutet, daß im Richtung des Pfeiles 44 bewegt. Die verschiedenen

Ruhezustand der Magnetisierungsvektor M in Richtung magnetischen Domänen auf dem Band 42 sind mit 42/4,

der Achse der leichten Magnetisierbarkeit im Abfühl- 42S, 42C und 42D bezeichnet. Die Domäne 42D ist

streifen 18 der Fig. 2A ausgerichtet ist, im Gegensatz 20 durch eine gestrichelte Linie geteilt, um anzuzeigen, daß

zur Querrichtung der Achse der leichten Magnetisier- sie zweimal so lang ist als die anderen Domänen, bei

barkeit im Abfühlstreifen 18 der Fig. IA. Dies wird denen die Magnetisierungsvektoren Mrjeweilsabwech-

dadurch erzielt, daß das uniaxiale Eigenanisotropiefeld selnd eine andere Richtung besitzen. Die Magnetisie-

hier größer gemacht wird, als das Formanisotropiefeld. rungsvektoren Mr dieser Domänen sind dabei durch

Jedoch befindet sich in beiden Fällen die Achse der 25 entsprechende Pfeile angedeutet,

leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der kurzen Die Abfühlanordnung 32 fühlt die magnetischen

Ausdehnung des Abfühlstreifens 18. Übergänge auf dem Magnetband 42 bei seiner

Die Betriebsweise der magnetoresistiven Abfühlan- Bewegung längs der Abfühlanordnung ab. Das heißt ein

Ordnung 16 in Fig.2A ist gleich der in Fig. IA Wechsel in der Richtung des Magnetisierungsvektors

gezeigten. Unter Bezugnahme auf F i g. 2B ist es leicht 30 von einer Domäne zur nächsten wird in bekannter

einzusehen, daß das magnetische Signalfeld Hb, das Weise als ein »!«-Bit abgefühlt, wohingegen kein

durch die magnetische, zylindrische Einzelwanddomäne Wechsel in der Magnetisierungsrichtung als ein »O«-Bit

30 ausgeübt wird, den Magnetisierungsvektor M des definiert ist. So wird z. B. ein »1«-Bit zwischen den

Abfühlstreifens 18 veranlaßt, sich um den Winkel θ zu Domänen 42Λ und 42ß abgefühk, da die jeweiligen

drehen, so daß er dann eine Richtung einnimmt, die im 35 Magnetisierungsvektoren Mt dieser Domänen entge-

wesentiichen senkrecht zu der seines Ruhezustandes gengesetzt zueinander gerichtet sind,

liegt. Hierdurch wiederum wird eine Widerstandsände- Das Abfühlelement 34 wird in gleicher Weise

rung im Abfühlstreifen 18 herbeigeführt, die als betrieben wie die Abfühlelemente 18 in den Anordnun-

Spannungssignal an den Auswertungsmitteln 22 auftritt. gen nach den Fi g. IA und 2A. Das Abfühlelement 34

In der magnetoresästiven Abfühlanordnung 16 der 40 wird durch ein Magnetfeld der Domänen des Magnet-

F i g. 2A liegt die Stromrichtung im wesentlichen bandes 42 erregt, so daß hierdurch eine Drehung des

senkrecht zur Richtung der Achse der leichten Magnetisierungsvektors Aides Abfühlelementes herbei-

Magnetisierbarkeit, ebenso wie in der Anordnung nach geführt wird. Die Drehung des Magnetisierungsvektors

F i g. 1A. Jedoch ist es ohne weiteres möglich, daß der M verursacht dann eine Widerstandsänderung in diesem

Strom sowohl entlang der Achse der leichten Magneti- 45 Abfühlelement, die sich als entsprechendes Spannungs- i

sierbarkeit, als auch senkrecht dazu angelegt werden signal V_s auswirkt. Das Magnetfeld vom Band 42 liegt

kann. senkrecht zur Richtung des Magnetisierungsvektors M

Die magnetoresistive Abfühlanordnung 16 der und ist längs der Richtung der Achse der leichten

Fig.2A ist nicht so wirkungsvoll, wie die der Fig. IA, Magnetisierbarkeit des Abfühlelementes 34 ausgerich-

da das magnetische Signalfeld H_b der magnetischen, 50 tet. Jedoch kann auch hier die Richtung des magneti-

zylindrischen Einzelwanddomäne hierbei nicht einen so sehen Signalfeldes des Magnetbandes 42 senkrecht zur

grüßen fviagneiisierungsbereicr. umschalten kann, wie Achse der leichten Magnetisierbarkeit des Abfühlele-

es bei der Anordnung nach F i g. 1A möglich ist, wo die mentes 34 ausgerichtet sein, wenn dieses Abfühlelement

Länge des Abfühlstreifens quer zur Magnetisierungs- um 90° in seiner Ebene gedreht wird, wie es mit dem

richtung des magnetischen Signals H_b nahezu dem 55 Abfühlelement der F ig.2A geschehen ist

Durchmesser der magnetischen, zylindrischen Einzel- In Fig.3B wird eine geeignete Struktur für die

wanddomäne entspricht. Jedoch läßt sich sagen, daß das Abfühlanordnung 32 der F i g. 3A gezeigt Das magneto-

Prinzip der Wirkungsweise für die in den F i g. 1A und resistive Abfühlelement 34 ist dabei auf einem Substrat

2A gezeigten Anordnungen identisch ist 46 niedergeschlagen, das selbst aus einem isolierenden

Bei der Anordnung nach F i g. 2A ist das Formaniso- 60 Material, wie Glas, Quarz oder Saphir, bestehen kann,

tropiefeld ///mach unten längs der langen Ausdehnung Weiterhin sind auf diesem Substrat 46 die elektrischen

des Abfühlstreifens 18 gerichtet Das uniaxiale Eigenan- Verbindungsleitungen 38 zum Abfühlelement 34 nieder-

isotropiefeld hingegen ist horizontal längs der Achse geschlagen. Auf diese Weise ergibt sich eine mechanisch

der leichten Magnetisierbarkeit ausgerichtet Bei stabile Struktur, die sich in einfacher Weise durch

diesem Abfühlelement ist das uniaxiale Eigenanisotro- 65 galvanische Abscheidungen z. B. herstellen läßt Bei

piefeld größer als das Formanisotropiefeld, um so zu Anwendung gemäß Fig.3A muß natürlich das Abfühl-

gewährleisten, daß der Magnetisierungsvektor M beim element 34 der Magnetschicht des Magnetbandes 42

Fehlen eines magnetischen Signals in seinen Ruhezu- gegenüberliegen.

11 12

Wie sich ohne weiteres ergibt, kann das Abfühlele- x,y Einheitsvektoren in den x- und ^-Richtungen

ment als Streifen rein geometrisch jede nicht symmetri- ^_

sehe Form besitzen, da dies ohne weiteres zu einer M = Mcos Qx+ M sin Qy die Magnetisierung

Formanisotropie führt, deren Richtung senkrecht zur des Abfühlelements.

Richtung der uniaxialen Eigenanisotropie gelegt wer- 5

den kann. So zeigen z.B. die Fig. IA und 2B zwei Das angelegte Signalfeld H_a läßt sich ausdrücken durch

verschiedene Ausführungsbeispiele für eine Abfühlan- ^_

Ordnung.Gemäß dem Ausführungsbeispiel (Fig. IA) ist H_a =yH_a. Hf> H„ wohingegen im zweiten Ausführungsbeispiel

(Fig. 2A) Hf<H-, ist. Die folgenden Berechnungen io Die Gesamtleistung stellt die Summe der uniaxialen

führen zu Dimensionierungsüberlegungen hinsichtlich Eigenanisotropieleistung, der Entmagnetisierungsfeld-

der Länge /und der Breite w der Abfühlelemente für leistung und der angelegten Feldleistung dar. Das heißt: diese beiden Ausführungsbeispiele.

Für H_F>Hi liegt der Magnetisierungsvektor M E₁₀₁ = i cos²0 + (--H_d ■ m\ + (-H_a ■ M),

(Fig.4) des Abfühlelementes in der Ebene dieses 15 \ 2 J Elementes und wird um einen Winke! θ beim Auftreten

eines magnetischen Signalfeldes H₃ gedreht. Das hierin bedeuten: Entmagnetisierungsfeld Hj läßt sich durch folgende

Gleichung ausdrücken: E₁₀₁ Gesamtleistung,

^. ²⁰

H_d = -N_xMcOs Qx - NyMs'm Qy, / die uniaxiale Eigenanisotropieleistung.

hierin bedeuten: Unter Anwendung obenstehender Gleichungen ergibt

sich: N_x, Ny Entmagnetisierungsfaktoren, wobei N_y> N_x 25

₁₀₁ = Γ/

cos²6> - H_nM sin<9 +

Um das Minimum des Leistungszustandes zu ermitteln, wird die letzte Gleichung differenziert und dieses Differential d E₁₀Ja Q zu Null gesetzt. Dies ergibt, wenn nach sin© aufgelöst wird:

sinö = ^H" ^H" ^H"

(Ny-N_x)M-H₁ (H^_n '

hierin bedeuten: hierin bedeuten:

40

(Hj)_e[[ das erforderliche Schwellenwertfeld zur / die Längsausdehnung des Abfühlelementes,

Sättigung des Abfühlelementes, was seinerseits

definiert ist durch: w die kurze Ausdehnung des Abfühlelementes,

(ff,)_etr = (Ny -N_x) M-H₁. 45 ί die Filmdicke.

Das Verhältnis der Widerstandsänderung im Abfühl- Damit der Abfühlstreifen einwandfrei arbeitet, muß element zur möglichen Gesamtwiderstandsänderung das effektive Anisotropiefeldpositiv sein. Das bedeutet: beträgt:

50 (HJrt = (Ny-N_x) M-%>(},

25 Tj

• Für einen Dünnfilm elliptischen Querschnitts ergibt \w ν '

sich für N_x, N_y folgende Näherung:

ergibt sich

60

w 1 t XAnMJ'

(1)

Für das zweite Ausfiihrungsbeispiel (Fig.5) mit Hf<Hj ergeben sich folgende Berechnungen:

\ sin²» - E_aMsin S -)■ ^-ΛΙ⁵. 1 /

ί3

Η_αΜ

H_a

(iQ_e(r

bierin bedeuten:

(H₁)^=Q-(N_x-NJM.
Bei N_x = 4 π tiw and N_y = 4 π ti! ergibt sich dann

t 4 π Μ

(2)

Die Gleichungen (1) und (2) definieren die Bedingungen für die Länge / und die Breite w zur Bereitstellung eines Abfühlelementes geeigneter Formanisotropie. Für jedes Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß die effektive uniaxiale Eigenanisotropie längs der λ'-Richtung ein effektiv vermindertes Anisotropiefeld besitzt, wenn die Formanisotropie und uniaxiale Eigenanisotropie in rechten Winkeln zueinander liegen. Die Größe des effektiven Anisotropiefeldes entspricht der Größe der Differenz zwischen Formanisotropiefeld N,— N_x)Mund dem üblichen uniaxialen Eigenanisotropiefeld H₁.

Die Abfühlanordnungen in F i g. 1A und 2A besitzen magnetoresistive Abfühlelemente, die direkt auf der magnetisierbaren Folie 10 durch übliche Techniken niedergeschlagen sind, wie z. B. Aufsprühen, Aufdampfen oder Galvanisieren. In zweckentsprechender Weise besteht das Material des Abfühlstreifens aus Permalloy, da ja ebenfalls die Weiterleitungsmittel 12 aus Permalloy sind. Um einen magnetoresistiven Abfühlstreifen 18 niederzuschlagen, dessen Formanisotropiefeld im rechten Winkel zum uniaxialen Eigenanisotropiefeld liegt, sind folgende Verfahrensschritte geeignet:

1. Eine Permalloyfoiie, bestehend aus 81% Nickel und 19% Eisen, wird auf die magnetisierbare Folie 10 aufgedampft. Die Aufdampfung erfolgt bei etwa 330⁰C und unter dem Einfluß eines Magnetfeldes von etwa 1600 A/m. Das Magnetfeld ist längs der

■ gewünschten Richtung für die Achse der leichten Magnetisierbarkeit ausgerichtet, so daß die niedergeschlagene Permalloyschicht eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit in dieser Richtung erhält.

2. Hiernach wird ein Bereich des aufgedampften Permalloys, der als Abfühlelement dienen soll, mit einer Photowiderstandsschicht abgedeckt.

3. Ein Leiter, wie z. B. Gold oder Kupfer, wird dann als Schicht aufgalvanisiert.

4. Die elektrisch leitende Schicht und die Permalloyschicht werden abgeätzt, um so das Abfühlelement und die elektrischen Zuleitungen zum Abfühlelement zu definieren.

Bei Herstellung des Abfühlelementes 32 der Fi g. 3A werden grundsätzlich die gleichen Techniken angewendet, mit der Ausnahme, daß das Abfühlelement 34 auf ein nichtmagnetisierbares isolierendes Substrat 46 niedergeschlagen wird und nicht auf eine magnetisierbare Schicht, wie z. B. die Folie tO in F i g. 1A.

Ein aus Permalloy bestehendes magnetoresistives Abfühlelement mit einer Dicke von 25 nm, einer Breite von 13 μπι und einer Länge von 70 μΐη, wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der 13-μη> Kante verläuft, besitzt ein Formanisotropiefeld von etwa 1280 A/m, da //</*= 1600 A/m und HdI= 320 A/m ist Ein uniaxiales Eigenanisotropiefeld H, von 800 A/m reicht nicht aus, um die Magnetisierung längs der Achse der leichten Magnetisierbarkeit aufrechtzuerhalten, so daß im Ruhezustand der Magnetisierungsvektor in Richtung einnehmen würde, die im wesentlichen parallel zur 70^m-Kante verläuft, wie es für das Ausführungsbeispiel nach Fig. IA der Fall ist Wenn die Achse der leichten Magnetisierbarkeit längs der 70^m-Kante verläuft, dann ist ein Feld in der Größe von \Hr+H,\ erforderlich, um die Magnetisierung zu drehen. Jedoch liegt die Achse de» leichten Magnetisierbarkeit längs der 13^m-KaMe des Dünnfilms, so daß dann Jas Schwellenwertfeld zur Drehung \Hf-H,\ = 1600-800 A/m beträgt Auf diese Weise kann dann der Magnetisierungsvektor in die Achse der leichten Magnetisierbarkeit im Ansprechen auf ein magnetisches Signalfeld gedreht werden, wenn es diesen Wert erreicht der in typischer Weise von magnetischen zylindrischen Einzelwanddomänen kleiner Abmessung zu erhalten ist.

Als anderes Beispiel kann ein Permalloyabfühlelement von etwa 20 nm Dicke mit einer Länge von etwa 7,5 μπι und einer Breite von etwa 5 μπι zum Abfühlen von magnetischen zylindrischen Einzelwanddomänen in der Größenordnung von einigen μπι dienen. So läßt sich

z. B. eine magnetische zylindrische Einzelwanddomäne mit einem Durchmesser von etwa 5 μΐη abfühlen, wenn die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der kurzen Ausdehnung des Abfühlelementes verläuft, wobei die Magnetisierung längs der langen Ausdehnung

■to des Dünnfilms im Ruhezustand ausgerichtet ist. Um den magnetoresistiven Effekt zu verstärken, kann in vorteilhafter Weise Kobalt bei Herstellung des Abfühlelementes zugefügt werden.
Oben ist ein magnetoresistives Abfühlelement beschrieben worden, bei dem die Formanisotropie und die uniaxiale Eigenanisotropie im rechten Winkel zueinander stehen, und zwar im Gegensatz zu bisherigen Gewohnheiten, bei denen beide Anisotropierichtungen parallel zueinander verlaufen. Es ist dabei vorausgesetzt, daß die gesamte Magnetisierung zur Umschaltung des Abfühlelementes beiträgt und daß das Abfühlelement nicht zur Bildung von Einzelwanddomänen geeignet ist. Die Richtigkeit dieser Annahme läßt sich durch Berechnung bestätigen, so daß das Abfühlelement selbst als magnetische Einzeldomäne wirkt Wenn auch die Erfindung allgemein zur Abfühlung magnetischer Signale geeignet ist, so ist sie doch besonders vorteilhaft dann anwendbar, wenn Streumagnetfelder von magnetischen Einzelwanddomänen in der Größenordnung von einigen μηι abgefühlt werden sollen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetoresistives, zur Erfassung von in magnetischen Schichten in Form von Magnetisierungszuständen oder -wechseln enthaltenden Informationen sowohl möglichst nahe der jeweiligen magnetischen Schicht angebrachtes als auch stromdurchflossenes, streifenförmiges und rechteckiges Abfühlelement, das zum einen formbedingte magne- ι ο tische Anisotropie, kurz Formanisotropie (Hf), hervorgerufen durch die Entmagnetisierungsfeldstärken-Differenz in Hauptabmessungsrichtur.gen des Abfühlelements und zum anderen uniaxiale, magnetische Anisotropie, kurz Eigenanisotropie (Η), aufweist, deren hiermit einhergehende Eigenanisotropie-Feldstärke den Magnetisierung.wektor des magnetoresistiven Abfühlelements in die Achse der leichten Magnetisierbarkeit zurückzustellen vermag, dadurch gekennzeichnet, daß bei in Richtung der kurzen Kante des rechteckigen Abfühlstreifens ausgerichteter Achse der leichten Magnetisierbarkeit zur Bereitstellung maximaler Signalamplituden bei Informationserfassung die Richtungen von Formanisotropie (H_F) und Eigenanisotropie (H) senkrecht zueinander liegen, und zwar derart, daß die größere der hiermit einhergehenden magnetischen Feldstärken senkrecht zur Richtung des mit dem jeweils erfaßten Magnetisierungszustand oder -wechsel verbundenen Magnetfeldes zur Auswirkung gelangt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge /, die Breite w, die Dicke t, das uniaxiale Eigenanisotropiefeld H₁ und die Magnetisierung Mdes Abfühlelements durch folgende Beziehung miteinander verknüpft sind:

tragung ausgenutzt werden. Da danach gestrebt wird, die Packungsdichten bei Speicheranordnungen mehr und mehr zu erhöhen, ist es nur natürlich, daß versucht wird, den Durchmesser magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen möglichst klein zu halten, wobei dann in Kauf genommen werden muß, daß der Magnetfluß dieser Domänen ebenfalls entsprechend herabgesetzt wird.

Um nun aber den Magnetisierungsvektor eines magnetoresistiven Abfühlelementes zu beeinflussen, muß das mittlere Streumagnetfeld sehr kleiner magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen das Entmagnetisierungsfeld des zugeordneten Abfühlelementes überwinden. Das heißt, die magnetische zylindrische Einzelwanddomäne muß ein Magnetfeld bereitstellen, das zumindest gleich dem Entmagnetisierungsfeld Hd plus dem Eigenanisotropiefeld H₁ ist, um ein maximales Ansprechsignal hervorrufen zu können.

Als weiteres Beispiel für die Schwierigkeit, kleine magnetische zylindrische Einzelwanddomänen abzufühlen, muß in Betracht gezogen werden, daß die Domänen einen Durchmesser besitzen, der kleiner als etwa 0,025 mm ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das Abfühlelement selbst nicht dünner sein kann als etwa 10 bis 20 nm, ohne Einbußen in seinen magnetoresistiven Eigenschaften in Kauf nehmen zu müssen. Zu einer möglichst wirkungsvollen Abfühlung wird im allgemeinen dio breite w des Abfühlstreifens, in dem die Magnetisierung gedreht werden soll, so gewählt, daß sie angenähert dem zylindrischen Domänendurchmesser d entspricht.

Für das Entmagnetisierungsfeld ergibt sich folgende Beziehung: