DE2442565A1 - Signalwandler fuer einen magnetischen lesekopf - Google Patents

Signalwandler fuer einen magnetischen lesekopf

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Description

Aktenzeichen der Anmelderin: SA 973 020
SjLg_n_aJLwandler für einen magnetischen Lesekopf
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf, der zur Unterdrückung von Störsignalen wenigstens aus zwei getrennten magnetoresistiven Abfühlelementen aufgebaut ist.
Magnetoresistive Signalwandler; hergestellt mittels Verfahren aus der Technologie dünner Schichten, sind Mittel, um in magnetischen Aufzeichnungsgeräten höhere Aufzeichnungsdichte zu erzielen. Solche Wandler sind klein und arbeiten unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Wandler und magnetischem Aufzeichnungsmedium. Thermische Schwankungen verursachen allerdings in magnetoresistiven Fühlelementen Widerstandsänderungen, die'sich als Störsignale bemerkbar machen. Es müssen deshalb für magnetoresistive Signalwandler Schutzvorkehrungen eingeführt werden, um die Anfälligkeit für Störsignale zu vermindern und einen annehmbaren Geräuschabstand zu erzielen.
Ein Magnetkopf, der ein Lösungskonzept zur Ausscheidung von Gleichtakt-Störsignalen verwirklicht, ist im "IBM Technical Disclosure Bulletin", Bd. 15 Nr. 9, Februar 1973 auf der Seite 2680 von R.L. O'Day beschrieben und hier zum Zwecke der Erläuterung in Fig. 1 schematisch wiedergegeben. Diese Veröffentlichung mit dem Titel "Belanced magnetic head", beschreibt einen Lesekopf mit zwei magnetoresistiven (MR) Elementen 10 und 11 mit
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einem zentralen Stromleiter 13. Der Vorspannsstrom 1, , welcher durch den genannten Leiter 13 fließt, dient dazu, beide magnetoresistiven Fühlelemente vorzumagnetisieren. Die MR-Elemente sind mit den zwei Widerständen R zu einer Brückenschaltung zusammengeschlossen. Eine Spannungsquelle 19, welche an die Verbindung der zwei Widerstände geschlossen ist, erzeugt einen Lesestrom I , der die MR-Elemente durchfließt. Das Ausgangssignal der Brücke gelangt an einen Differenzverstärker 18, der die Differenz des Spannungsabfalles über den beiden MR-Elementen erfaßt und so die Signale ausscheidet, welche beispielsweise durch Temperaturschwankungen erzeugt werden.
Diese bereits bekannte Struktur benötigt also einen Vorspannstrom der den zentralen Leiter durchfließt, zusätzlich zum Lesestrom der jedes magnetoresistive Element durchfließt. Der Vorspannstrom muß ein Vormagnetisierungsfeld erzeugen, das etwa 0,7 mal den Wert des gesamten anisotropen Magnetfeldes erreicht. Das genannte anisotrope Feld setzt sich aus einer induzierten Anisotropie, die während der Schichtherstellung entsteht, und einer Form-Anisotropie zusammen, die in ihrer Stärke von der Geometrie der Fühlelemente abhängig ist. Für magnetoresistive Schichten aus Permalloy mit geeigneter Geometrie ist ein induziertes anisotropes Feld von 5 Oersted typisch. Das mit der Form-Anisotropie zusammenhängende Feld beträgt etwa 40 Oersted für Schichten, die durch einen relativ dicken Leiter getrennt und daher megnetostatisch miteinander nicht gekoppelt sind.
Das benötigte Vormagnetisierungsfeld muß also eine Stärke von etwa 31 Oersted aufweisen, was einen Vorspannstrom bedingt, der wesentlich größer ist als die Erregerströme, welche für die vorliegende Erfindung erforderlich sind. Wegen des großen benötigten Vorspannstromes wird in den MR~Elementen große Wärme erzeugt. Die Folge des Temperaturanstieges in den Elementen ist eine Änderung des Widerstandes, was wiederum eine Verschiebung des Ruhe-Arbeitspunktes auf der Kennlinie nach sich zieht. Ein noch ernsthafteres Problem stellen die örtlichen thermischen Schwankungen dar, die durch Wechselwirkung mit dem Aufzeichnungsmedium er-
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zeugt werden. Die Vermeidung von Störsignalen verlangt aber einen sehr kleinen räumlichen Abstand der zwei magnetoresistiven Elemente .
Gleichzeitig muß auch erkannt werden,· daß zur Isolierung der magnetoresistiven Elemente vom Vorspannstrom und zur Herstellung eines Leiters, der zur Aufnahme des benötigten Vorspannstromes dick genug ist, eine Strecke von mehr als 6'000 Angstrom notwendig ist, welche die MR-Elemente trennt. Mit diesem Abstand sind im wesentlichen die Elemente magnetostatisch nicht mehr miteinander gekoppelt und unterliegen daher nicht den gleichen thermischen Schwankungen. .
Mit der vorliegenden Erfindung wird daher der Zweck verfolgt, den Aufbau eines einfachen magnetischen Signalwandlers von geringen Abmessungen darzulegen, der in der Lage ist, magnetisch gespeicherte Information beispielsweise ab Band oder in einem Speicher mit Magnetblasen oder von einem anderen magnetischen Medium zu lesen. Der erfinderische Signalwandler soll,Störsignale vermeiden und MR-Elemente mit so fester magnetostatischer Kopplung umfassen, daß dadurch die Form--Anisostropie der Elemente weitgehend unterdrückt wird und eine geringere Vormagnetisierung benötigt wird. Glichzeitig soll auch die magnetische Abschirmung der magnetoresistiven Elemente des Wandlers sehr eng ausgeführt werden können. .
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen in allen Einzelheiten beschrieben. Die einzelnen Figuren zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines bereits bekannten
magnetoresistiven Signalwandlers,
Fig. 2 den schematischen Aufbau eines magnetischen
Signalwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
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■" OWGlNAL INSPECTED
Pig. 3 eine Darstellung der miteinander gekoppelten
magnetoresistiven Schichten,
Fig. 4 eine Kennlinie der magnetoresistiven Elemente,
welche die Änderung des Widerstandes R in Abhängigkeit von dem auf die Elemente angewandten Magnetfeld H zeigt, und
Fig. 5 einen Querschnitt durch die bevorzugte Ausführungsform eines solchen magnetischen Lesekopfes.
Gleiche Einzelheiten sind in den Zeichnungen stets mit derselben Bezugsziffer versehen.
In den Fign. 2 und 5 ist eine Magnetkopfanordnung dargestellt, die allgemein mit der Ziffer 30 bezeichnet und dafür vorgesehen ist, auf einem Magnetband 32 gespeicherte Datenbits abzufühlen, während sich das Band gegenüber der Magnetkopfanordnung bewegt. Die Aufzeichnungsspur kann natürlich auch auf einer rotierenden Magnetspeicherplatte oder einem anderen Medium liegen oder die Datenbits können durch bewegte Magnetblasen dargestellt sein.
In der Praxis wird ein solcher Magnetkopf als mehrfache, dünne Schicht hergestellt, wobei bekannte Verfahren des Aufdampfens oder des galvanischen Überzugs zur Anwendung kommen. Er umfaßt die magnetoresistiven (MR) Elemente 40 und 42, die miteinander magnetostatisch gekoppelt sind. Die MR-Elemente können als dünne, ferromagnetische Schichten ausgebildet sein, die zueinander parallel liegen und durch eine dünne Isolationsschicht 44 getrennt sind. Die Elemente 40 und 42 weisen geringe Anisotropie auf, besitzen aber einen hohen magnetoresistiven Koeffizienten. Die MR-Elemente sind einander angepaßt und haben im wesentlichen dieselbeDicke. Auch die übrigen Abmessungen, der Widerstandswert, der spezifische Widerstand, der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Form-Anisotropie sind dieselben.
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ORIGINAL INSPECTED
Die MR-Elemente 40 und 42 besitzen eine gemeinsame Verbindung 45, die über einen Leiter 49 mit einem Bezugsspannungspegel, beispielsweise mit dem Erdanschluß 46, verbunden ist. Diese Elemente werden von einer Konstantstromquelle 50 über die Leiter 47 und 48 mit Strom versorgt. Die Leiter 47, 48 und 49 sind über den Enden der MR-Elemente aufgebracht. Ein Differenzverstärker 55 ist mit dem Ausgangsanschluß der Elemente verbunden. Somit übernimmt der genannte Differenzverstärker die Spannungsdifferenz -über den zwei MR-Elementen. die nach Verstärkung an der Äusgangsklemme 57 erscheint. Fließt nun ein Erregerstrom von der Quelle 50 über die Leiter 47 und 4 8 durch die zwei MR-Elemente, dann bewirkt beispielsweise der das Element 40 durchfließende Strom während der Versorgung des eigenen Elementes mit Energie die Vormagnetisierung des Elementes 42. Dies trifft in gleicher Weise für den das Element 42 durchfließenden Strom zu, er erzeugt nebenbei noch das Vormagnetisierungsfehld für das Element 40. Die in der vorliegenden Anordnung benötigten Erregerströme sind erheblich kleiner als der in bisher bekannten Anordnungen fließende Vorspannstrom.
Die Kopplung der Elemente untereinander ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt. Darin bezeichnet Hl das Magnetfeld, welches . vom Stropt durch das Element 40 erzeugt auf das MR-Element 42 einwirkt. Ml ist die dazugehörige Magnetisierungskomponente in vertikaler Richtung mit Bezug auf das Aufzeichnungsmedium. In gleicher Weise ist M2 die Magnetisierungskomponente im Element 40, welche von dem das Element 42 durchfließenden Strom erzeugt wird. Da die beiden MR-Elemente einander angepaßt sind, sind auch die beiden Magnetisierungskomponenten Ml und M2, die senkrecht zur Richtung des Stromflusses stehen, gleich groß. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der magnetische Lesekopf so lange funktionsfähig ist, als die Produkte der Dicke eines MR-Elementes und der Magnetisierungskomponente im selben Element für beide magnetostatisch gekoppelten Elemente gleich groß sind.
Die dünne Isolationsschicht 44, welche die zwei MR-Elemente trennt, unterbricht die magnetische Austauschkopplung zwischen
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ihnen und isoliert elektrisch das eine Element vom anderen. Die Isolation ist vorzugsweise Silizium-Monoxid, obwohl auch Silizium-Dioxid, Aluminiumoxid oder weitere Isoliermaterialien verwendet
werden können.
Schichten 64 und 65 zur magnetischen Abschirmung verhindern, daß fremde, magnetische Streufelder von den MR-Elementen 40 und 42 erfaßt werden (siehe Fig. 5). Der Abstand zwischen den beiden Abschirmungen 64 und 65 bestimmt den minimal zulässigen Bitabstand. Solange die Bits voneinander einen Abstand wahren, der größer ist als die Innenseite der Abschirmung, werden nur Bits von den MR-Elementen gelesen, die wie Bit 34 genau darunter liegen. Dieser Bitabstand verhindert, daß die MR-Elemente gleichzeitig zwei verschiedene Bits erfassen können. Die Äbschirmungsschichten 64 und 65 sind von den magnetoresistiven Elementen durch die Schichten 66 bzw. 67, wie in Fig. 5 dargestellt, isoliert.
In der bevorzugten Ausführung bestehen die Abschirmungsschichten 64 und 65 aus Permalloy mit einem Gehalt von 80% Nickel und 20% Eisen bei einer Dicke von 1 pm. Die MR-Elemente sind ebenfalls aus Permalloy mit der gleichen Zusammensetzung und einer Dicke von etwa 0,03 pm. Die Isolierschicht 44 besteht aus Silizium-Monoxid und hat auch eine Dicke von etwa 0,03 um, während die Isolierschichten 66 und 67 aus Silizium-Monoxid von zusammen etwa 1 um Dicke bestehen. Da die äußeren Isolationsschichten viel dicker sind als die MR-Elemente, ist der Abstand zwischen den Abschirmungen im wesentlichen durch die Dicken der Isolierschichten gegeben, das sind je etwa 0,5 um. Ein solcher Magnetkopf kann Flußänderungen von annähernd 101OOO Bits pro Zentimeter abfühlen. Sind noch höhere Bitdichten erwünscht, so kann die Dicke der Isolationsschichten 66 und 67 in geeigneter Weise verkleinert werden.
Gemäß Fig. 2 sind die magnetoresistiven Schichten 40 und 42, die miteinander magnetostatisch gekoppelt sind, über die betreffenden
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Leiter 47 bzw. 48 mit der Stromquelle 50 verbunden. Diese liefert einen Erregerstrom für jedes der Elemente. Änderungen des Widerstandes jedes der beiden Elemente erscheinen daher als Signalspannungen am Eingang des Verstärkers 55. Die Widerstandsänderung jedes der Elemente 40 und 42 ist in der Fig. 4 als eine Funktion des Magnetfeldes H dargestellt. Das Verhalten der beiden Elemente kann anhand einer einzigen Kennlinie 60 gezeigt werden, da die Elemente identisch sind. Der Erregerstrom, der das Element 40 durchfließt, versorgt dieses mit Energie und bewirkt gleichzeitig die Vormagnetisierung des Elementes 42 zum Arbeitspunkt 61 auf der Kennlinie. Gleicherweise ist das Element 40 zum Arbeitspunkt 62 hin vormagnetisiert. Die Arbeitspunkte werden auf der Kurve vorzugsweise an die Stelle der Wendepunkte, d.h., in den linearen Bereich gelegt, so daß ein kleines magnetisches Signal auf dem-Aufzeichnungsmedium die größtmögliche und lineare Widerstandsänderung und den entsprechenden Spannungsabfall am Element erzeugt. Beispielsweise bewirkt ein Bit einer magnetisch gespeicherten Information eine Widerstandserhöhung im MR-Element 40 und eine Widerstandsverminderung im Element 42.
Da die Widerstandsänderungen von gleicher Größe sind, aber mit umgekehrten Vorzeichen verlaufen, ist das am Ausgang des Differenzverstärkers 55 erscheinende Ausgangssignal gleich zweimal dem Erregerstrom mal der Widerstandsänderung in einem MR-Element. ; Diese Kopfanordnung bewirkt außerdem, daß thermische Störsignale ausgeschieden werden, weil Temperaturschwankungen im wesentlichen ' gleiche Widerstandsänderungen in den passend gepaarten MR-EIementen erzeugen. Dadurch werden die Arbeitspunkte 61 und 62 auf der Kennlinie 60 um denselben Betrag und für beide MR-Elemente in derselben Richtung nach oben oder nach unten verschoben. Folglich erzeugen bloß aufgezeichnete Datenbits eine Spannungsdifferenz über den MR-Elementen, wobei Störsignale auch bei nur lokaler Temperaturänderung ausgeschieden werden.
In Gebilden mit magnetoresistiven Elementen, die keine isotrope Form aufweisen wie beispielsweise eine rechteckige Schicht, verläuft die Richtung der Magnetisierung entlang dem leichtesten
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Weg und das ist die längste Abmessung. In solch einem Fall entstehen im MR-Element unerwünschte, entmagnetisierende Felder. Bei dem Aufbau der Kopfanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist Form-Anisotropie kein Problem, da die zwei einander angepaßten
MR-Elemente im wesentlichen einen geschlossenen Weg für den magnetischen Fluß aufweisen.
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Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf aus mindestens zwei magnetoresistiven Abfühlelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfühlelemente (40, 42) so angeordnet sind und dass ihr gegenseitiger Abstand so klein gewählt ist, dass sie miteinander magnetostatisch gekoppelt sind und das vom Betriebsstrom in jedem Abfühlelement (40, 42) erzeugte Magnetfeld das jeweils benachbarte Abfühlelement (40, 42) vormagnetisiert und umgekehrt.
  2. 2. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abfühlelementen (40, 42) eine elektrisch isolierende Schicht (44) angeordnet ist.
  3. 3. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfühlelemente (40, 42) gleichartig ausgebildet sind .
  4. 4. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Abfühlelemente (40, 42) Schichten (64, 65) aus
    magnetisierbarem Material angeordnet sind, deren Flächenausdehnung zumindest näherungsweise parallel zur Fläche der Abfühlelemente liegt.
  5. 5. Signalwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der magnetischen Abschirmung (64, 65) und den Abfühlelementen (40, 42) elektrisch und magnetisch isolierende
    Schichten (66 bzw. 67) eingefügt sind.
  6. 6. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abfühlelementen (40, 42) eine magnetisch isolierende Schicht (44) angeordnet ist.
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