DE2409323A1 - Magnetischer wandler - Google Patents

Description

Compagnie Internationale
pour 1'Informatique

68, Rte de Versailles

LOUYECIENNES Frankreich

Unser Zeichen; C 2987

Magnetischer Wandler

Die Erfindung betrifft magnetische Wandler für das Lesen von Magnetaufzeichnungen von Binärinformationen sowohl bei Bewegung als auch im Stillstand. Sie befaßt sich insbesondere mit Wandlern, bei denen die Magnetwiderstandseigenschaften bestimmter Magnetmaterialien ausgenutzt werden, die in dünnen Schichten auf das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes durch eine Änderung des elektrischen Widerstands reagieren, die durch die Änderung der Stärke eines unter konstanter Spannung angelegten Stroms feststellbar ist. Eine nicht einschränkende Aufzählung solcher Materialien, zu denen insbesondere die vorzugsweise anisotropen ferromagnetischen Nickellegierungen gehören, findet sich beispielsweise in dem Aufsatz "The anisotropy in the magnetoresistance of some nickel alloys" von M.C. Van Eist in der Zeitschrift "PHYSICA", Band XXV, 1959, Seiten 702 bis 720.

Lei/Pe

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- ir. -

Die aus solchen Materialien gebildeten und diese Eigenschaft ausnutzenden Leseköpfe sind im Wesentlichen für den Wert eines Magnetflusses empfindlich, unabhängig von der Änderung dieses Flusses. Sie ermöglichen demzufolge ein Lesen der Magnetaufzeichnungen bei jeder beliebigen Bewegungsgeschwindigkeit der Aufzeichnungsträger relativ zu den Köpfen, einschließlich der Geschwindigkeit Null. Ferner können mit ihnen sehr ausgedehnte Frequenzgänge erhalten werden, die von Null bis zu einigen zehn Megahertz gehen. Sie ermöglichen ferner die Erzielung einer Amplitude des Lesesignals, die beträchtlich größer ist als die Amplitude, die mit Magnetkopf strukturen erhalten werden kann, die nur auf Änderungen des Magnetflusses ansprechen.

Diese Magnetköpfe weisen jedoch auf der anderen Seite zwei Nachteile auf. Der erste Nachteil besteht darin, daß sie für sich allein nicht für die Richtung des von der abzulesenden Aufzeichnung ausgehenden Erregermagnetflusses empfindlibh sind, sondern nur für den Betrag dieses Flusses, wogegen die meisten Magnetaufzeichnungsverfahren die Flußrichtung berücksichtigen. Der zweite Nachteil besteht darin, daß sie ohne weitere Maßnahmen nur ein schlechtes Auflösungsvermögen haben, so daß sie nicht in der Lage sind, nahe beieinanderliegende magnetische Ladungen zu unterscheiden, wie sie bei Magnetaufzeichnungen mit großer Informationsdichte vorkommen. ?

In der DT-OS 2 263 077 ist beschrieben, wie der erste Mangel dadurch beseitigt werden kann, daß die leichte Magnetisierungsachse des anisotropen Materials einer

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r o "

Magnetwiderstandsschicht so ausgebildet wird, daß sie um einen Wert zwischen 0° und 90°, praktisch in der Nähe von 45°» gegen die Durchgangsrichtung des das Lesesignal liefernden Stroms durch die Schicht geneigt ist.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetwider stands-Wandlerstruktur, die "bei Anwendung dieser Neigung der leichten Magnetisierungsachse von etwa 45° gegen die Flußrichtung des elektrischen Stroms sowie einer gleichen Neigung gegen die Richtung des Erregermagnetfeldes ein hohes Auflösungsvermögen aufweist, das das Lesen von Magnetaufzeichnungen mit großer Informationsdichte ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält der Wandler nach der Erfindung zwei anisotrope Magnetwiderstandsschichten, deren leichte Magnetisierungsachsen sich rechtwinkelig kreuzen und jeweils einen Winkel von etwa 45° mit der parallel zu ihrer größten Dimension liegenden Durchgangsrichtung des elektrischen Lesestroms einschließen, wobei die Schichten magnetostatisch miteinander gekoppelt und mit Anschlüssen für die Stromversorgung und die Summierung ihrer Ausgangssignale versehen sind.

Wenn eine solche Wandlerstruktur an eine Magnetaufzeichnung angesetzt wird, bei der die die Information ausdrückenden Unstetigkeiten parallel zu den Ebenen der Schichten liegen, hat das resultierende Ausgangssignal einen Wert, der proportional zu dem Wert des Erregerfeldes ist, das durch ein Fenster gesehen wird, dessen Breite gleich dem Abstand zwischen den Ebenen der Schichten ist.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung und Beschaltung einer Zweischicht-Wandlerstruktur nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Zweischicht-Wandlerstruktur nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Darstellung einer Schicht zur Definition verschiedener Parameter, die von Einfluß für die Wirkungsweise der Struktur sind,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Wandlerstruktur und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines praktischen Ausführungsbeispiels.

Ein Lesekopf nach der Erfindung enthält im wesentlichen zwei ebene Elemente von gleichen Abmessungen, von denen jedes aus einer dünnen Magnetwiderstandsschicht 1 bzw.2 besteht, wobei diese Schichten zueinander parallel sind und im Abstand L voneinander liegen. Die Zweischichtanordnung ist dazu bestimmt, an eine Magnetaufzeichnungsfläche M angesetzt zu werden, in welcher die Information in Form von Magnetisierungs-Ünstetigkeiten oder Flußübergängen "aufgeschrieben¹¹ ist, wie in Fig. 1 und 2 beispfelshalber bei 0 angedeutet ist. Das Ansetzen erfolgt so, daß die Ebenen der Schichten senkrecht zu der Magnetaufzeichnungsfläche stehen. Bei jeder Stellung

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der Fläche M relativ zu diesen Ebenen wirken somit auf die Schichten 1 und 2 Feldkomponenten, wie die Feldkomponenten H^ und H£, des von der Fläche M ausgehenden Erregerfeldes ein. Die Schicht 1 ist mit zwei Anschlußleitern ausgestattet, die zu den Klemmen A und B führen, und die Schicht 2 ist in gleicher Weise mit zwei Anschlußleitern versehen, die zu den Klemmen C und D führen. Durch Jede Schicht fließt ein elektrischer Strom I, der von einer nicht dargestellten Konstantspannungsquelle stammt und in der Längsrichtung der Schicht fließt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. .

Jede Schicht besteht aus einem anisotropen Magnetwiderstandsmaterial, in welchem bei der Bildung eine leichte Magnetisierungsachse induziert worden ist, die für die Schicht 1 mit a und für die Schicht 2 mit b bezeichnet ist. Diese Achsen sind im Winkel von 90° zueinander gekreuzt, und jede Achse steht im Winkel von 45° zu der Flußrichtung des Stroms I und somit auch zu der Richtung jeder aktiven Komponente des von der Magnetaufzeichnungsfläche M ausgehenden Erregerfeldes.

Damit die induzierte Anisotropie in jeder der Schichten für sich allein betrachtet aufrecht erhalten wird, wäre es notwendig, daß sie größer äLs die Form-Anisotropie der Schicht ist, wie sie durch deren Dimensionen L1, L2 und e definiert ist; dies ist nur selten der Fall für eine Schicht, deren Länge L1 sehr viel größer als ihre Breite L2 ist, und deren Dicke e dann, wenn für die Schicht die Näherung eines Ellypsoids angewendet wird, mit L2 die folgende Beziehung erfüllen müßte:

(1) H₀ > B_r-(e/L2), 409838/0727

worin H die Koerzitivfeldstärke und B die Remanenzinduk-feion des Materials der Schicht sind. Bei der erfindungsgemäßen Struktur liegen jedoch die beiden Schichten sehr nahe beieinander, so daß sie magnetostatisch gekoppelt sind, wodurch für jede Schicht der Einfluß der Form-Anisotropie verringert wird, so daß ihre leichte Magnetisierungsachss die durch die induzierte Anisotropie erteilte Orientierung beibehalten kann. Wenn also der Magnetisierungsvektor der Schicht beispielsweise in der Richtung des Pfeils (a) von Fig. 3 orientiert ist, liegt die Orientierung des Magnetisierungsvektors der Schicht 2 in der Richtung des Pfeils (b), der in Fig; 3 gestrichelt dargestellt ist. Diese Orientierungen können in ihrer Gesamtheit umgekehrt werden, wie beispielsweise in Fig. 1, 2 und 5 dargestellt ist. Dies sind die einzigen eindeutig umkehrbaren Gleichgewichtsbedingungen des von den Schichten gebildeten gekoppelten Systems, und jede dieser Bedingungen bildet sich automatisch aus, sobald die Richtungen der Anisotropieachsen der Schichten festgelegt sind. Die Resultierende der Magnetisierungen der Schichten bildet sich also parallel zu ihrer Längsrichtung aus, und somit parallel zu jedem Magnetisierungswechsel der Aufzeichnung, an die der Wandler angesetzt wird,

Wie in der zuvor erwähnten Offenlegungsschrift erläutert ist, weist ein Magnetwiderstandselement der in Fig. 3 gezeigten Art mit einer einzigen Schicht beim Anlegen eines Erregerfeldes, das sich von einem Wert -H_c sin θ bis zu einem Wert +H_c cos θ ändert, wobei im vorliegenden Fall θ = 45° gilt, einen Widerstand R auf, der sich für die Schicht 1 mit der leichten Magnetisierungsachse a

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von Fig. 3 nach der durch die Kurve (1) in Fig. 4 dargestellten Funktion ändert. Der Spannungsabfall V in der Schicht folgt der gleichen Funktion. Da der Magnetisierungsvektor der Schicht 2 .im rechten Winkel zu demjenigen der Schicht 1 orientiert ist, ist die Änderungsfunktfon des Widerstands dieser zweiten Schicht im wesentlichen symmetrisch dazu, wie durch die Kurve (2) von Fig. 4 dargestellt ist. Wie in der zuvor erwähnten Offenlegungsschrift erläutert ist, erfolgt die Festlegung des Ursprungs am Punkt O am Ort der Abnahme des Lesesignals.

Die Spannungsabfälle an den Klemmen der Schichten 1 und 2 werden an einem Ausgang E (Fig. 1 und 2) addiert, und da die Flußrichtung des Stroms I für den Magnetwiderstandseffekt gleichgültig 1st, kann der elektrische Strom an den Klemmen A und D der Schichten zugeführt ■und das Ausgangs signal zwischen den Klemmen B und C abgenommen werden, wie in Fig. -1 dargestellt ist, oder es kann auch der Strom gemäß Fig. 2 über die Klemmen A und C zugeführt und das Ausgangs signal zwischen den Klemmen B und D abgenommen werden. Aus Fig. 4 ist folgendes zu erkennen: So lange auf die beiden Schichten der gleiche Wert der Komponente des Erregerfeldes einwirkt,

1 2 ist die Summe der Spannungsabfälle gleich O O und konstant. Wenn dagegen die Werte der Feldkömponenten verschieden sind, wobei beispielsweise die eine Feldkomponente für die Schicht 1 den Wert H^ und die andere Feldkomponente für die Schicht 2 den Wert H^ hat, ist aus den entsprechenden Kurven von Fig. 4 zu erkennen, daß die Spannungsabfälle E₁ und E₂ beim Addieren nicht mehr diesen konstanten maximalen Wert ergeben, sondern einen Wert, der von der Differenz der Werte dieser Feldkomponenten abhängt. Damit ein Ausgangssignal erhalten

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wird, das nach Betrag und Vorzeichen für diese Wertedifferenz kennzeichnend ist, braucht nur am Punkt E eine

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Spannung des Wertes 0 0 von entgegengesetzter Polarität hinzugefügt zu werden, damit der Nullpunkt des Ausgangssignals des Lesekopfes festgelegt wird: ,solange der Wert der an den Magnetwiderstandskopf angelegten Feldkomponente für die beiden Schichten gleich ist, hat dieses Ausgangssignal dann den Wert Null; wenn eine der Feldkomponenten größer als die andere Feldkomponente wird, nimmt das Ausgangssignal einen Differenzwert der einen oder der anderen Polarität an, je nach dem, ob die auf die Schicht 1 einwirkende Feldkomponente größer oder kleiner als die auf die Schicht 2 einwirkende Feldkomponente ist. Damit dieser Bedingung genügt wird, kann am Ausgang E vorzugsweise ein Summierverstärker angeordnet werden, der die von den Schichten abgegebenen Spannungen und die den Nullpunkt festlegende Spannung empfängt.

Das Auflösungsvermögen des Lesekopfes ist offensichtlich mit dem Abstand zwischen den Schichten verknüpft, und dieser Abstand kann sehr klein gegenüber dem Abstand bemessen werden, der bei einer Aufzeichnung großer Informationsdichte zwei Flußwechsel voneinander trennt. Praktisch verhält sich dieses"Fenster" also wie der Luftspalt eines klassischen Magnetkopfs.

Fig. 5 zeigt lediglich als Beispiel eine Ausführungsform einer nach der Erfindung ausgebildeten Magnetwiderstands-Wandlerstruktur, die dadurch gebildet ist, daß ihre Schichten in aufeinanderfolgenden Aufträgen, beispielsweise durch Vakuumaufdampfung, aufgebracht sind. Als Anhaltspunkt kann angegeben werden, daß eine solche Struktur die folgenden Abmessungen haben kann: eine Länge LI

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von 1mm, eine Breite L2 von 60 nm» eine Dicke e in der Größenordnung von 600 A* und einen Abstand L zwischen den Schichten in der Größenordnung von 0,8 jam.

Auf ein Substrat 10 aus Glas oder Keramik werden zunächst Anschlußleiter 11 und 12 aufgebracht, die an den Flächen der Klemmen A bzw. B enden. Dann erfolgt das Aufbringen der Schicht 1, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 82% Eisen und 18% Nickel, die bekanntlich praktisch keinen Magnetwiderstandseffekt aufweist. Während dieses Aufbrihgens wird ein orientierendes Magnetfeld angelegt, das' in der bekannten Weise eine leichte Magnetisierungsachse der Richtung a in der Schicht 1 induziert. Dann erfolgt das Aufbringen einer Schicht 15i beispielsweise aus SiOp, mit der für die Festlegung des Abstands zwischen den Magnetwiderstandsschichten erforderlichen Dicke, und auf diese Schicht 15 wird die zweite Magnetwiderstandsschicht 2 aus dem gleichen Material wie die erste Schicht aufgebracht, jedoch mit einem orientierenden Magnetfeld (wobei das erste Magnetfeld aufgehoben ist) in der Weise, daß in der Schicht 2 eine leichte Magnetisierungsachse induziert wird, die in der Richtung b liegt, die einen Winkel von 90° mit der Richtung a einschließt. Damit die Orientierung der Achse a während des Aufbringens der zweiten Magnetwiderstandsschicht nicht gestört wird, arbeitet man bei einer Substrattemperatur und einem Wert des orientierenden Magnetfeldes, die so bemessen sind, daß zwar das gewünschte Ergebnis erhalten wird, aber jede Störung vermieden wird. Auf die freiliegende Fläche der Schicht 15 und der Schicht 2 bringt man dann die Anschlußleiter 13 und 14 auf, die .zu den Klemmen C bzw. D führen. Man kann dann eine Schutzschicht aufbringen, beispielsweise ebenfalls aus SiO₂, deren Dicke für die Wirkungsweise des Magnetwiderstandskopfes-ohne Bedeutung ist.

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Die Anschlüsse können beispielsweise aus Kupfer sein, doch können sie auch aus dem gleichen Material wie die Mggnetwiderstandsschichten gebildet werden; in diesem Fall können sie gleichzeitig mit diesen Schichten geformt werden, wodurch die Anzahl der Arbeitsgänge verringert wird.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   ll* Wandler, bei welchem der Magnetwiderstands effekt von ferromagnetisehen Materialien für.das Lesen von magnetischen Aufzeichnungen, insbesondere von solchen hoher Informationsdichte, ausgenutzt wird, gekennzeichnet durch zwei anisotrope Magnetwiderstandsschichten, deren leichte Magnetisierungsachsen sich rechtwinklig kreuzen und jeweils einen Winkel von etwa 45° mit der parallel zu.ihrer größten Dimension liegenden Durchgangsrichtung des elektrischen Lesestrome einschließen, wobei die Schichten magnetostatisch miteinander gekoppelt und mit Anschlüssen für die Stromversorgung und die Summierung ihrer Ausgangssignale versehen sind.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die die 'magnetostatische Kopplung zwischen die Magnetwiderstandsschichten eine dielektrische Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen zehntel Mikron eingefügt ist, während die Dicke der Magnetwiderstandsschichten in der Größenordnung von einigen hundert Angström liegt.
3. 3.-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Summierung eine zusätzliche Spannungskomponente für die Bestimmung des Nullpunktes des resultierenden Signals eingeführt wird.

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