DE2262659B2

DE2262659B2 - Magnetkopf mit einem magneto-resistiven Dünnfilm-Element und Verfahren zu seiner Herstellung in Dünnfilm-Technik

Info

Publication number: DE2262659B2
Application number: DE19722262659
Authority: DE
Inventors: David Allen Somers N.Y. Thompson (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-12-27
Filing date: 1972-12-21
Publication date: 1975-10-23
Also published as: AU466336B2; DE2262659A1; FR2165974B1; BE792917A; FR2165974A1; JPS4877818A; AU5041172A; DK132595B; ES408374A1; IT967901B; JPS5325488B2; SE382512B; GB1368908A; CA1014657A; NL7217350A; CH557073A; DK132595C

Description

,2 62

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetkopf mit einem magneto-resistiven Dünnfiim-Element anzugeben, bei dem das magneto-resi.iiive Element hinsichtlich der erzeugten Ausgangsspanuung optimal angeordnet ist, der ein hohes Auflösungsvermögen besitzt, dessen elektrische und magnetische Eigenschaften nicht rasch durch Verschleiß verändert werden, der auch a!;. Aufzeichnungskopf dient und der für die Herstellung in Dünnfilm-Technik geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Magnetkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein offenes Magnetjoch mit drei durch nicht magnetische Schichten getrennten Schenkeln vorgesehen ist, dessen mittlerer Schenkel in einem bestimmten Abstand von den Polflächen einen nicht magnetischen Spalt aufweist, der von einem gegen das Magnetjoch isoliert angeordneten, dünnen Streifen aus magneto-resistivem Material überbrückt ist, und daß die zwischen dem mittleren und einem äußeren Schenkel des Magnetjochs liegende, nicht magnetische Schicht als elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist.

Die Anordnung des mit dem magneto-resistiven Element versehenen Schenkels zwischen den beiden äußeren Schenkeln des dreiteiligen Magnetjochs hat den Vorteil, daß die beiden äußeren Schenkel jede magnetische Einwirkung auf das magneto-resistive Element von außerhalb des Bereichs zwischen den beiden äußeren Schenkeln gespeicherten Informationen abschirmen. Es wird somit nur die Information abgetastet, die jeweils zwischen den beiden äußeren Schenkeln auf dem Aufzeichnungsträger gespeichert ist. Da der Abstand zwischen diesen Schenkeln, insbesondere bei Verwendung der Dünnfilm-Technik, sehr gering gehalten werden kann, erhält man eine hohe Auflösung. Der nicht magnetische Leiter kann sowohl zum Schreiben von Informationen als auch zur Herstellung einer Vormagnetisierung für das magnetoresistive Element verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, daß die nicht magnetische, elektrisch leitende, vorzugsweise aus Kupfer bestehende Schicht quer zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsträgers eine größere Länge aufweist als die Länge des magnetoresistiven Elements, daß die elektrisch leitende Schicht im Lesebetrieb von einem Strom zur magnetischen Vorspannung des magneto-resistiven Elements durchflössen ist, und daß im Aufzeichnungsbetrieb die elektrisch leitende Schicht mit einem gegenüber dem Vorspannungsstrom wesentlich größeren, modulierten Strom beaufschlagbar ist.

Die Erfindung wird an Hand von durch Zeichnun- 5<> gen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Magnetkopfs im Schnitt,

Fig. 2 ebenfalls im Schnitt, ein zweites Ausführungsbeispiel des Magnetkopfs, der in Dünnfilm-Technik aufgebaut ist,

Fig. 3 in einer Schnittdarstellung das Zusammenwirken des in Fig. 2 dargestellten Magnetkopfs mit einem Aufzeichnungsträger,

Fig. 4 einen Schaltkreis zur Auswertung der Lesesignale und zur Vormagnetisierung des magnetoresistiven Elements bzw. zum Schreiben von Informationen und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit des Widerstands eines magneto-resistiven Elements von seiner Magnetisierung.

Der in Fig. 1 gezeigte Magnetkopf 2 besitzt ein Joch 4 mit zwei äußeren Schenkeln 6 und 8 sowie einem mittleren Schenkel, der in einen oberen Teil 10 und einen unteren Teil 12 aufgeteilt ist. Die beiden, durch den Spalt 14 getrennten Teile 10 und 12 sind durch ein nicht magnetisches Zwischenstück miteinander verbunden. Das Joch 4 mit den drei Schenkeln besteht aus ferromagnetischem Material, beispielsweise aus Permalloy oder einem Ferrit. Das den Spalt 14 ausfüllende Zwischenstück sowie die Schichten 18 und 20 zwischen den Schenkeln sind aus nicht magnetischem Material, z. B. Kupfer oder Glas, gebildet. Das magneto-resistive Element 16 muß von den anderen Teilen des Magnetkopfs elektrisch isoliert sein. Wenn daher die Teile 10 und 12, das Zwischenstück im Spalt 14 oder die Schicht 18 elektrisch leitend sind, dann muß eine zusätzliche elektrische Isolierung zwischen dem magneto-resistiven Element und dem entsprechenden leitenden Teil vorgesehen sein. Eine solche Isolierung ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Wenn der Magnetkopf 2 auch zum Schreiben von Informationen auf einen Aufzeichnungsträger vorgesehen ist, dann muß mindestens eine der beiden Schichten 18 oder 20 aus leitfähigem Material bestehen. Vorzugsweise wird hier die Schicht 20 gewählt, da diese nicht in Berührung mit dem magneto-resistiven Element 16 steht. Das magneto-resistive Element 16 besteht aus einer dünnen ferromagnetischen Schicht, die eine geringe Anisotropie und einen hohen magneto-resistiven Koeffizienten aufweist. Als Material für dieses Element kann beispielsweise Permalloy verwendet werden. Die zum Schreiben von Informationen benötigte leitende Schicht 18 oder 20 kann auch zur Herstellung einer Vormagnetisierung für das magneto-resistive Element 16 benutzt werden.

Die Fig. 2 zeigt, wie der in Fig. 1 dargestellte Magnetkopf als Dünnschicht-Magnetkopf aufgebaut ist. Dieser Kopf besteht aus übereinanderliegenden Schichten, die beispielsweise durch Aufdampfen oder Elektroplattieren hergestellt werden. Auf einem geeigneten Substrat 22 aus Glas, Siliciumdioxid oder einem ähnlichen Material wird eine erste Permalloyschicht 24 aufgedampft, auf der eine isolierende Schicht 26 niedergeschlagen wird. Als Material für diese Schicht 26 kann Siliciumdioxid gewählt werden; es können hierfür jedoch auch andere geeignete isolierende Materialien verwendet werden. Auf der Schicht 26 wird das magnetoresistive Element 28 aufgebracht, das zur elektrischen Isolierung mit einer zweiten isolierenden Schicht 30 bedeckt wird. Auf der Schicht 30 wird eine zweite Permalloyschicht 32 niedergeschlagen, die an ihrem linken Ende auch mit der Permalloyschicht 24 in Berührung steht. In der Permalloyschicht 32 befindet sich ein Fenster 34, so daß sich direkt über dem magneto-resistiven Element 28 kein magnetisches Material befindet. Das Fenster 34 wird mit einem isolierenden Material gefüllt, das dem der Schichten 26 and 30 entspricht. Die Schicht 32 wird durch das Fenster 34 in einen oberen Abschnitt 10' und einen unteren Abschnitt 12' unterteilt. Auf der Permalloyschicht 32 wird ein leitender Streifen 36 aufgebracht, der etwa die gleiche Ausdehnung wie die isolierenden Schichten 26 und 30 besitzt und der aus einem beliebigen elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, z. B. Kupfer, bestehen kann. Schließlich wird noch eine dritte Permalloyschicht 38 über dem leitenden Streifen 36 aufgetragen, wobei diese Schicht 38 ebenfalls mit den beiden anderen Permalloyschichten 24

und 32 in Berührung steht. Nach dem Aufbringen der Ein Vorteil des Magnetkopfs nach Fig. 3 besteht

letzten Schicht 38 wird die Anordnung entlang der darin, daß die lineare Auflösung und die Verschleiß-Linien AA und BB geschnitten und poliert. Der festigkeit getrennt eingestellt und damit getrennt zwischen den beiden Linien gezeigte Teil der Anord- optimiert werden können. Die Verschleißfestigkeit nung in Fig. 2 stellt den fertigen Magnetkopf dar, der 5 wird durch den Abstand s' bestimmt, da ein Abirieb des nur noch mit den elektrischen Zuleitungen versehen Magnetkopfs um diesen Betrag stattfinden kann, werden muß. ohne daß das magneto-resistive Element 28 beeinträch-

Das Fenster 34 kann auch durch den leitenden tigt wird. Die lineare Auflösung dagegen wird, wie Streifen 36 ausgefüllt werden. Die Oberfläche des bereits erwähnt wurde, durch die Dicken der Schichten Streifens 36 weist dann im Bereich des Fensters 34 10 26, 30, 32 und 36 bestimmt. Sie hängt nur sehr eine entsprechende Absenkung auf. Es ist dabei zu schwach ab von den Dicken der beiden äußeren Perbeachten, daß die Dicke des Streifens 36 mindestens malloyschichten 24 und 38, so daß diese sehr dick derjenigen des Permalloystreifens 32 entspricht. ausgebildet sein können und damit eine mechanische

Es werden im folgenden für die Dicke der einzelnen Stütze für den Magnetkopf darstellen. Dadurch kann Schichten in Fig. 2 folgende beispielhafte Werte 15 auch das Substrat 22 fortgelassen werden, angegeben: Die Art, in welcher der Magnetkopf zum Lesen

und Schreiben verwendet wird, ist aus den Fig. 4 und 5

Permalloyschicht 24 etwa 30 000 A ersichtlich. In Fig. 4 ist das magneto-resistive EIe-

Isolierende Schicht 26 aus ment 28 als Widerstand dargestellt. Es ist parallel zu

Siliciumdioxid etwa 5 000 Λ ao der Reihenschaltung aus einer Batterie 40 und einem

Magneto-resistive Schicht 28. .etwa 200 A Widerstand 48, die einen Strom h durch das magnetoisolierende Schicht 30 aus resistive Element 28 erzeugt, geschaltet. Änderungen

Siliciumdioxid etwa 800 A im Widerstandswert des Elements 28 bewirken eine

Permalloyschicht 32 etwa 2 000 A Spannungsänderung an diesem Element, die auch auf

Kupferschicht 36 etwa 5 000 A 25 die Eingänge eines Verstärkers 42 übertragen wird.

Permalloyschicht 38 etwa 30 000 A Das verstärkte Lesesignal wird dann einem Detektor 44

zugeführt. Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit des Wider-

Es ist wünschenswert, bei einem Magnetkopf eine stands des Elements 28 von seiner Magnetisierung. Das hohe lineare Auflösung zu erreichen. Wenn man das Element 28 wird vorzugsweise so vormagnetisiert, daß Ausgangssignal eines Magnetkopfs als Funktion der 3° der Zustand P in der Kurve nach Fig. 5 erhalten wird. Anzahl der auf einem Aufzeichnungsträger gespeicher- Das für die Vormagnetisierung erforderliche magneten Bits/cm betrachtet, dann ergibt die Anzahl der tische Feld Ht, kann durch einen Strom in dem leiten-Bits/cm für die halbe Signalamplitude, d. h. für den den Streifen 36 erzeugt werden. Der Streifen 36 ist in halben Wert der maximalen Ausgangsspannung, ein Fig. 4 als Widerstand dargestellt. Es sind somit zwei Maß für die lineare Auflösung des Kopfs. Beim be- 35 getrennte Stromkreise für den Magnetkopf vorgesehen, reits genannten USA.-Patent 34 93 694 hat die Bit- In einigen Fällen können jedoch die Widerstände 28 dichte bei dem halben Amplitudenwert etwa den Wert und 36 in Reihe geschaltet werden, so daß nur ein l/n>+2i, wobei w die Länge des magneto-resistiven einziger Stromkreis erforderlich ist. Die Vormagneti-Elements und s den kürzesten Abstand zwischen dem sierungdes magneto-resistiven Elements 28 wird durchElement und dem magnetischen Aufzeichnungsträger 4° geführt, um einen günstigen Ausgangszustand für das bedeuten. Die Länge h> wird durch die minimal erreich- Abtasten der gespeicherten Informationen zu erhalten, bare Spurbreite und 5 im wesentlichen durch die unver- Der Punkt P liegt in einem Bereich der Kurve, in dem meidbaren Toleranzen im Abstand vom Aufzeich- die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der nungsträger begrenzt. Auch mit den modernsten Magnetisierung am größten ist.

Fertigungsverfahren läßt sich damit eine Auflösung 45 Wenn ein Schreibvorgang durchgeführt wird, dann von nur einigen tausend Bits pro Zoll erreichen. Bei wird durch den Generator 46 in Fig. 4 ein durch die dem in der vorliegenden Fig. 3 dargestellten Magnet- Schicht 36 fließender Strom f_w erzeugt, der erheblich kopf wird die lineare Auflösung in erster Linie durch größer als der Strom h ist. Es wirkt dadurch ein starkes die Dicken der Schichten 26, 30, 32 und 36 bestimmt. magnetisches Feld H auf den Aufzeichnungsträger m Dies entspricht der Auflösung eines mit induktiver 50 ein. Im vorliegenden Fall ist die Breite einer auf dem Abtastung arbeitenden Magnetkopfs, dessen Über- Aufzeichnungsträger geschriebenen Spur größer als tragungsspaltbreite etwa dem halben Wert der Summe die Breite einer gelesenen Spur. Die Breite der gelesenen der Dicken der Schichten 26, 30, 32 und 36 entspricht. Spur ist abhängig von der Länge des magneto-Da diese Schichten sehr dünn hergestellt werden kön- resistiven Elements 16 oder 28 senkrecht zur Bewenen, ist eine sehr hohe Auflösung von etwa 12 000 Bits/ 55 gungsrichtung des Aufzeichnungsträgers, wohingegen cm erzielbar. _ die Breite der geschriebenen Spur von der Ausdehnung

Daß diese Überlegungen zutreffend sind, kann an der leitenden Schichten 18, 20 oder 36 und der Hand der Fig. 3 deutlich gemacht werden. Die Per- magnetischen Schicht 24 und 38 in der gleichen Richmalloyschichten 24 und 38 begrenzen das magnetische tung abhängt. Die Länge des magneto-resistiven EIe-FeId, das auf das magneto-resistive Element 28 ein- ^6o ments in der Richtung, die in den Fig. 1 und 3 senkwirken kann. Die Bits W₁, m₂ und m₃ auf dem in Rieh- recht zur Zeichenebene verläuft, wird daher kürzer tung des Pfeils bewegten Aufzeichnungsträger m wer- gehalten als die der Schenkel 6 und 8 und der daden somit so lange gegenüber dem magneto-resistiven zwischenliegenden Schichten 18 und 20 in Fig. 1 bzw. Element 28 abgeschirmt, wie sie sich außerhalb des der Schenkel 24, 32 und 38 und der Kupferschicht 36 zwischen den Permalloyschichten 24 und 38 liegenden ⁶5 in Fig. 3. Dadurch, daß die Lesespur schmaler als die Bereichs befinden. Sie können somit nur abgetastet Schreibspur ist, sind die Anforderungen an die mewerden, wenn sie sich direkt unterhalb des magneto- chanischen Toleranzen des Magnetkopfs nicht so resistiven Elements 28 befinden. streng wie bei gleich breiten Spuren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetkopf mit einem als Wandler dienenden magneto-resistiven Dünnfilm-Element, das in einem Magnetjoch in einem Abstand von den durch Schenkel des Magnetjochs gebildeten Polflächen angeordnet ist, und das unter Bildung eines Spalts eines Schenkels des Magnetjochs in den magnetischen Fluß eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein offenes Magnetjoch mit drei durch nicht magnetische Schichten (20, 18 bzw. 26, 30, 36) getrennten Schenkeln (6, 10, 8 bzw. 24, 32, 38) vorgesehen ist, dessen mittlerer Schenkel (!0, 12 bzw. 32) in einem bestimmten Absiand von den Polflächen einen nicht magnetischen Spalt (14 bzw. 34) aufweist, der von einem gegen das Magnetjoch isoliert angeordneten, dünnen Streifen (16 bzw. 28) aus magneto-resistivem Material überbrückt ist, und daß die zwischen dem mittleren und einem äußeren Schenkel des Magnetjochs liegende, nicht magnetische Schicht als elektrisch leitende Schicht ausgebildet ist.

2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht magnetische, elektrisch leitende, vorzugsweise aus Kupfer bestehende Schicht (20 bzw. 36) quer zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsträgers eine größere Länge aufweist als die Länge des magneto-resistiven Elements.

3. Magnetkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (20 bzw. 36) im Lesebetrieb von einem Strom (h) zur magnetischen Vorspannung des magneto-resistiven Elements durchflossen ist, und daß im Aufzeichnungsbetrieb die elektrisch leitende Schicht mit einem gegenüber dem Vorspannungsstrom wesentlich größeren, modulierten Strom (/„,) beaufschlagbar ist.

4. Verfahren zur Herstellung des Magnetkopfs nach den Ansprüchen 1 bis 3 in Dünnfilmtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander folgende, als dünne Filme ausgebildete Schichten auf einem Substrat (22) aufgebracht werden: eine erste Permalloy-Schicht (24), eine erste Isolierschicht aus Siliciumdioxyd (26), eine magneto-resistive Schicht (28) auf einem Teilbereich der Isolierschicht (26), eine zweite, die erste Isolierschicht und die magnetoresistive Schicht bedeckende Isolierschicht (30), eine zweite, an einem Ende die erste überragende Permalloy-Schicht (32) mit einer öffnung gegenüber der magneto-resistiven Schicht, eine die öffnung füllende Isolierschicht (34), eine elektrisch leitende, nicht magnetische Schicht (36) und eine dritte Permalloy-Schicht (38), und daß die die Polfläche bildende Stirnfläche dieser Schichten eben geschliffen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schichtdicken mit den Größenordnungen 30000 A für die die äußeren Schenkel des Magnetjochs bildenden Permalloyschichten (24, 36), 5000 A und 800 A für die Isolierschichten (26,30,34), 2000 A für den mittleren Schenkel des Magnetjochs (32), 5000 A für den elektrischen Leiter (36) und 200 A für das magneto-resistive Element (28) aufgebracht werden.

Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf mit einem als Wandler dienenden, magneto-resistiven Dünnfilm-Element, das in einem Magnetjoch in einem Abstand von den durch Schenkel des Magnetjochs gebildeten Polflächen angeordnet ist, und das unter Bildung eines Spalts eines Schenkeis des Magnetjochs in den magnetischen Fluß eingeschaltet ist.

Magnetköpfe, bei denen zum Abtasten magnetoresistive Dünnfilm-Elemente verwendet werden, sind

ίο an sich bekannt. Diese Magnetköpfe haben beim Lesen magnetisch gespeicherter Informationen den Vorteil, daß die Höhe ihrer Ausgangssignale unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Aufzeichnungsträger und Magnetkopf ist. Magnetköpfe mit magneto-

resistiven Elementen sind daher besonders dann gut verwendbar, wenn die Aufzeichnungsträgergeschwindigkeit relativ niedrig ist.

Bei bekannten Magnetköpfen dieser Art, wie sie in der USA.-Patentschrift 34 93 694 oder in der Zeit-

ao schrift »IEEE Transactions on Magnetics«, Vol. MAG-7, Nr. 1, März 1971, S. 150 bis 154, beschrieben sind, ist das magneto-resistive Element als dünner Streifen oder als dünner Film ausgebildet und auf eine Unterlage aus Glas aufgebracht. Die Unterlage ist

»5 mit dpm darauf befindlichen Streifen entweder parallel oder senkrecht zum Aufzeichnungsträger angeordnet, wobei entweder longitudinal oder vertikale Komponenten des magnetischen Feldes abgetastet werden können. Bei der senkrechten Anordnung kann die Unterlage auch durch einen Block aus magnetischem Material ersetzt werden, der zusammen mit einem zweiten, angrenzend angeordneten Block dazu dient, das magnetische Feld des Aufzeichnungsträgers auf den magneto-resistiven Streifen zu konzentrieren. Um eine gute Auflösung beim Lesevorgang zu erreichen, muß bei dieser Anordnung das magneto-resistive Element mit dem Aufzeichnungsträger praktisch in Berührung gebracht werden. Es wurde gefunden, daß, wenn das magneto-resistive Element vertikal angeord-

♦° net ist, dieses für eine hohe Auflösung beim Lesen mit einer nicht erreichbaren Genauigkeit hergestellt werden müßte, während bei einem horizontal angeordneten magneto-resistiven Element dieses durch den bewegten Aufzeichnungsträger, vorzugsweise ein Magnetband,

♦5 einem beträchtlichen Verschleiß unterworfen ist, und somit seine Lebensdauer beträchtlich eingeschränkt ist.

Ein anderer, durch die USA.-Patentschrift 32 74 575 bekannter Magnetkopf besitzt einen aufgespaltenen Kern aus magnetischem Material, in welchem zwei Übertragungsspalte vorhanden sind. Das magnetoresistive Element befindet sich im hinteren Spalt, während mit dem vorderen Spalt der die Information tragende Aufzeichnungsträger abgetastet wird. Eine ähnliche Abtastkopfanordnung mit einem dreischenkligen Magnetjoch ist auch in der deutschen Offenlegungsschrift 14 74 464 beschrieben. Bei diesen Anordnungen werden durch den vorderen Spalt mit dem gesamten magnetischen Fluß auch die Störeinflüsse,

z. B. Streuflüsse, erfaßt. Die Auflösung beim Lesevorgang ist somit nicht sehr hoch. Weiterhin werden bei Magnetköpfen dieser Art zwei Impulse bei jedem Flußwechsel erzeugt, so daß aufwendige Filterkreise zur Ausblendung der unerwünschten Impulse erforderlich

⁶S sind. Auch sind diese Magnetköpfe nicht für die Herstellung als Dünnschicht-Magnetköpfe geeignet, da der verwendete magneto-resistive Streifen senkrecht zu seiner Unterlage angeordnet werden muß.