DE2442566C3 - Magnetoresistiver Signalwandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Signalwandler zum Lesen gespeicherter information, die auf einem Trägermedium magnetisch aufgezeichnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Technik der Datenspeicherung auf einem magnetischen Medium entwickelt sich laufend in Richtung auf Anlagen mit noch höherer Bitspeicherdichte. Bei dieser Steigerung werden immer kleinere, kompakte Signalwandler benötigt, die einen verhältnismäßig schmalen Abfühlspalt besitzen. Zur Zeit richten s sich die Interessen auf Strukturen, die aus dünnen Schichten aufgebaut sind, auf integrierte Anordnungen und auf Massenherstellung von magnetischen Signalwandlern. Einfachheit und Leichtigkeit in dti Herstellung sind dabei sehr wichtige Ziele. Das Herstellungs-

iü produkt muß gute elektrische und magnetische Eigenschaften, sowie im Gebrauch eine vernünftige Lebensdauer aufweisen. Magnetoresistive Signalwandler beispielsweise, die durch Niederschlag im Vakuum auf einem Substrat herstellbar sind, erlauben diese Ziele zu erreichen und können verhältnismäßig billig fabriziert werden.

Magnetoresistive (MR) Elemente verändern ihren spezifischen Widerstand als Folge von Änderungen eines äußeren Magnetfeldes. Es gibt für die MR-EIemente bevorzugte Arbeitspunkte, die durch Erzeugung der passenden äußeren Magnetfeldstärke erreicht werden können. Bisher war es üblich, durch Verwendung von permanentmagnetischem Material das äußere Magnetfeld aufzubauen. Diese Methode ist aber auf eine konstante Feldstärke beschränkt Außerdem tritt in so einem Fall eine galvanisch bedingte Korrosion zutage, die aufgrund der Materialunterschiede zwischen dem MR-EIement und dem permanenten Magneten entsteht. Darunter leidet die Signalabgabe am Ausgang und die

jo Lebensdauer der gesamten MR-Anordnung wird drastisch verkürzt Bei permanenter Vormagnetisierung ändert sich außerdem sowohl die Polarität wie auch die Amplitude des Ausgangssignals, wenn die Richtung des Betriebsstromes für das MR-Elemerit umgekehrt wird, was wiederum fehlerhafte Lesesignale zur Folge hat.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin VoI. 15. No. 9, Februar 1973, Seite 2680 ist ein magnetoresistiver Lesekopf beschrieben, der zwei magnetoresistive Elemente enthält, welche durch eine weitere Schicht voneinander getrennt sind, die z^r Vormagnetisierung der beiden magnetoresistiven Elemente dient. Dazu wird diese weitere Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, abweichend vom Material der magnetoresistiven Elemente, hergestellt und durch diese von den magnetoresistiven Elementen isolierte Vormagnetisierungsschicht wird ein Strom hindurch geleitet. Dieser Strom baut ein Magnetfeld auf, das die genügende Vorspannung aufbringt, um die leichte Magnetisierungsachse innerhalb der magnetoresistiven Elemente so zu drehen, daß diese im gewünschten günstigen Arbeitspunkt liegen. - Bei dieser Anordnung wird demnach ein separater Stromanschluß für die Vorspannschicht benötigt und ist es die Tatsache festzuhalten, daß die Vorspannschicht aus einem

5> anderen Material als die magnetoresistiven Elemente aufgebaut sein muß.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 22 63 077 ist eine Magnetwiderstandsstruktur bekannt, die ein magnetoresistives Element zwischen zwei hoch perme-

bfi ablen, dicken, weichmägnetischen Schichten aufweist. Diese breiten äußeren Schichten sorgen für eine Kanalisierung der Feldlinien des abgetasteten Signals und verdrehen die leichte Magnetisierungsachse des magnetoresistiven Elementes kongruent mit. Dazu ist

b> allerdings vorgesehen, daß diese leichte Magnetisierungsachse von Anfang an bereits im Ruhezustand in dem günstigen Arbeitswinkel von 45° zu der Richtung des Stromes liegt, der als Betriebsstrom das magnetore-

sistive Element durchfließt Durch magnetostatische Kopplung zwischen den beiden Außenschichten und dem magnetoresistiven Element wird dessen Magnetisierungsachse entsprechend der Richtung der Magnetisierungsachse der umgebenden Schichten mit verdreht Diese Verdrehung erfolgt aufgrund des außen anliegenden Feldes, welches das Signalfeld ist, was festgestellt werden soll. - Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand wird aJso bei dieser bekannten Anordnung im eigentlichen Sinne keine Vormagnetisierung benötigt da die leichte Magnetisierungsachse bereits im günstigen Bereich angeordnet ist

Aufgabe vorliegendei Erfindung ist es, ausgehend von einem magnetoresistiven Signalwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, diesen so auszugestalten, daß er ohne besonderen Stromanschluß für die Erzeugung der Vormagnetisierung des magnetoresistiven Elementes auskommt und einen Weg aufzuzeigen, der einen Signalwandler aufzubauen gestattet, welcher einfach, kompakt und billig ist bei dem im weiteren beim Aufbau die Dickenmaße des magne'oresistiven Elementes und der übrigen aktiven Elemente keine übergroße Genauigkeit erfordern. Der erfindungsgemäße Signalwandler soll in der Lage sein, große Signalamplituden abzugeben und gleichzeitig ein hohes Auflösevermögen aufweisen. Das Ausgangssignal soll möglichst von thermischem Rauschen nicht beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anwendung der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 niedergelegten Merkmale grundsätzlich gelöst

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung wird der Vorteil erzielt, daß durch den Betriebsstrom selbst während des Betriebs die nötige Vormagnetisierung des magnetoresistiven Elementes erzielt wird. Dadurch, daß durch den Lesestrom des magnetoresistiven Elementes und die besondere Gestaltung des Signalwandlers dafür gesorgt wrd, daß die Vormagnetisierungsschicht in der Sättigung betrieben wird, ist eine konstante Magnetisierungsstärke erreicht, welche gegenüber dann auftretenden Stromschwankungen bzw. Temperatureinflüssen weitgehend unabhängig ist. Es wird dadurch für eine konstante Vormagnetisierung gesorgt. Dies ist erreicht bei einem einfachen Aufbau de:·; Kopfes und der Möglichkeit, sowohl für das magnetoresistive Element als auch für die Vormagnetisierungsschicht ein und dasselbe Material zu verwenden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der prinzipiellen Lösung sind in den Unteransprüchen niedergelegt Die damit verbundenen Vorteile liegen entweder auf der Hand oder sind an den entsprechenden Stellen der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele ist die Erfindung nachstehend näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die Anordnung des magnetoresistiven Signalwandlers gemäß dieser Erfindung,

Fi g. 2 eine Darstellung des MR-Elementes sowie der weichmagnetischen Vormagnetisierungsschicht, mit Angabe der leichten Magnetisierungsrichtung und einschließlich einiger Schaltelemente.

Fig.3 ein Teil einer Parabel, die den Verlauf der Änderungen des spezifischen Widerstandes ^ρ in Funktion der Stärke des Magnetfeldes H und den Arbeitspunkt (AP)des MR-Elementes zeigt,

Fig. 4 eine Darstellung der fl-WMagnetisierungskurve mit Angabe des Sättigungswertes Ms, auf welchem die Vormagnetisierungsschicht arbeitet, und schließlich, F i g. 5 die Darstellung einer speziellen Ausführungsform der erfinderischen Anordnung mit einer Nebenschlußschicht

Gleiche Elemente sind in der Zeichnung stets mit derselben Bezugsziffer versehen.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines magnetoresistiven Signalwandlers gemäß vorliegender

ίο Erfindung dargestellt, die ein magnetoresistives Element 10 eingebettet zwischen zwei isolierenden Schichten 12 und 14 umfaßt Das MR-Element kann aus Permalloy im Vakuum niedergeschlagen werden und besitzt eine Dicke im Bereich von etwa 20—50 nm. Die Isolierschichten können beispielsweise aus Silizium-Dioxid hergestellt werden, wobei jsde eine Dicke von etwa 200 nm haben kann. Eine Vormagnetisierungsschicht 16, die aus weich-magnetischem Material wie Permalloy bestehen kann, ist auf rtj« Isolierschicht 14 aufgebracht und von zusätzlichem Isoliermaterial 18 eingehüllt Die Breite der Vormagnetisierungsschicht in Richtung der Aufzeichnungsspurbreite kann gleich oder größer als die Breite des MR-Elementes sein. Das Problem der Ausrichtung der Schichten bei geringen Spurbreiten kann erheblich an Bedeutung verlieren, wenn man die Vormagnetisierungsschicht breiter gestaltet als die Abmessung der MR-Schicht

Das Permalloy-Material für d&s magnetoresistive Element 10 wie für die Vormagnetisierungsschicht 16 kann aus einer Zusammensetzung von 80% Nickel und 20% Eisen hergestellt werden. Wie die F i g. 2 mittels Pfeil anzeigt, verläuft in diesem Ausführungsbeispiel die leichte Magnetisierungsachse sowohl im MR-Element wie auch in der Vormagnetisierungsschicht in Richtung der Spurbreite. Es ist allerdings auch möglich, für die Vormagnetisierung ein isotropes Material mit geringer Koerzitivkraft von 3—4 Oersted zu verwenden. Beidseitig der Anordnung werden über die Isolierschichten 12 und 18 noch magnetische Abschirmungen 20 und 22 aufgebracht, um den Einfluß magnetischer Streufelder, welche die Lesbarkeit der Lesesignale beeinträchtigen, so gering als möglich zu halten.

Im Betrieb Hefen die Konstantstromqueüe 24 einen Strom an das MR-Element. Dieser Lesestrom im magnetoresistiven Element erzeugt ein Magnetfeld, das auf die Vormagnetisierungsschicht 16 einwirkt. Eine Magnetisierungskomponente in dieser Schicht ihrerseits induziert ein umgekehrt gerichtetes Magnetfeld, welches auf das MR-Element 10 Einfluß nimmt. Das auf

so das MR-Element SO einwirkende Vormagnetisierungsfeld ist somit eine Funktion des Lesestromes im selben Element Die Stärke des Stromes, der das MR-Element (Jurciifließt, ist so gewählt, daß die Vormagnetisierungsschicht 16 in die Sättigung versetzt wird. Damit arbeitet die Schicht 16 stets mit einer konstanten tvlagnetisierungsstärke M„ wie dies Fig. 4 zeigt. Ist die Vormagnetisierungsschicht unter dem Einfluß des Lesestromes einral in der Sättigung, dann ist das auf das MR-Element einwirkende Vormagnetisierungsfeld

bö im wesentlichen unabhängig vom Lesestrom.

Die Dicken und Zusammensetzungen tier aktiven Schichten, nämlich des MR-Elementes und der Vormagnetisierungsschicht, wie auch die Stärke des dem MRElemeni zugefjhrten Betriebsstromes bestimmen

b5 den Arbeitspunkt AP des MR-Elementes. Sind diese beiden Schichten aus Permalloy hergestellt, dann wird die Vormagnetisierungsschicht dünner gemacht als das MR-Element. Besteht die erstere jedoch aus weichem

Ferrit-Material, dann muß deren Dicke gleich oder bis zum Zweifachen der Dicke des MR-Elementes gewählt werden. Das Vormagnetisierungsfeld wird durch die Gleichung definiert:

H_n = η-[Ml ti - M\ t\).

worin Hb die magnetische Feldstärke in Oersted ist, L die Höhe beider Schichten, M 2 das vertikale magnetische Moment der Vormagnetisierungsschicht ausge- in drückt in elektromagnetischer Maßeinheit pro Kubikzentimeter, 12 die Dicke der Vormagnetisierungsschicht, M1 und 11 sind das entsprechende Moment bzw. die Dicke des MR-Elementes. Dabei ist zu bedenken, daß das vertikale Moment eine dem Material ι > zugehörige Eigenschaft ist. Die Parameter L 11 und 12 sind natürlich in denselben Maßeinheiten einzusetzen. Der Faktor Mt stellt also das Produkt Moment mal Dicke der betroffenen Schicht dar, wss dem Produkt der vertikalen Magnetisierung mal Dicke äquivalent ist. Es wäre wünschbar, für den Betrieb der erfinderischen Anordnung eine Feldstärke der Vormagnetisierung von etwa 0,5 — 0,7 Hk zu erzielen. Hk ist die magnetische Feldstärke, bei der das MR-Element die Sättigung erreicht, wenn es einem Feld in der harten Magnetisierungsrichtung ausgesetzt ist. Die Parabel der F i g. 3 zeigt Änderungen des spezifischen Widerstandes Δρ des MR-Elementes in Funktion des magnetischen Feldes, das auf die MR-Schicht einwirkt. Dabei ist ersichtlich, daß die Lage des Arbeitspunktes von der Vormagneti- in sierung beeinflußt wird, die ihrerseits durch die Vormagnetisierungsschicht erzeugt wird.

Es ist bekannt, daß zeitweilig thermisch induzierte Geräuschspitzen auftreten, wenn MR-Signalwandler in Berührung mit einem Aufzeichnungsmedium verwendet J5 werden. Um diese thermischen Störsignale zu kompensieren, wird zwischen die Vormagnetisierungsschicht 16 und das MR-Element 10, wie in Fig.5 gezeigt, eine zusätzliche Schicht 26 als Nebenschluß (NS) eingeführt. Diese NS-Schicht, welche das magnetoresistive Element berührt, ist unmagnetisch, besitzt aber einen vergleichbaren spezifischen Widerstand wie auch eine ähnliche obere Grenze der Stromdichte im Vergleich zum Permalloy der Vormagnetisierungsschicht und des MR-Elementes. Die NS-Schicht 26 kann beispielsweise aus Titanium hergestellt werden. Zwischen die Nebenschlußschicht und die Vormagnetisierungsschicht ist eine Isolierschicht 27 gelegt Vorzugsweise werden auch mit dieser Anordnung Schichten zur magnetischen Abschirmung verwendet die allerdings in der Fig.5 zwecks Vereinfachung und klarer Darstellung nicht gezeigt sind.

Im Betrieb wird die Vormagnetisierungsschicht 16 in die Sättigung versetzt wobei diese Schicht nun ein thermisch induziertes Signal produziert Der die Vormagnetisierungsschicht durchfließende Strom wird gleich dem Strom durch die NS-Schicht gemacht wobei die Stromflußrichtung in Fig.5 durch die Projektion der Strompfeile angegeben ist Der Arbeitspunkt des MR-Elementes wird einzig durch das von der Vormagnetisierungsschicht erzeugte Magnetfeld bestimmt Der Strom durch die Vormagnetisierungsschicht beeinflußt die Lage des Arbeitspunktes nicht da dieser Strom durch jenen in der Nebenschlußschicht 26 aufgewogen oder kompensiert wird.

In diesem Fall wird der Strom in der Vormagnetisierungsschicht oder Vorspannstrom gegenüber dem Betriebs- oder Lesestrom des MR-Elementes verhältnismäßig klein gehalten. Die Stromstärke kann durch die relative Dicke und den spezifischen Widerstand der NS-Schicht 26 geregelt werden. In eier in Fig. 5 gezeigten Anordnung werden die vorhandenen thermischen Störsignale am MR-Element 10 und an der Vormagnetisierungsschicht 16 gedämpft, so daß das endgültige Lesesignal keine unerwünschten, thermischen Geräuschspitzen mehr enthält.

Es ist zu bemerken, daß die Vormagnetisierungsschicht nicht notwendigerweise nur auf dieser einen Seite der Nebenschlußschicht angebracht werden kann. Man kann sie in der Fig. 5 auch links, aber elektrisch isoliert vom MR-Element anbringen. In solch einem Fall wird der Vorspannstrom durch die Vormagnetisierungsschicht umgekehrt d. h. in gleicher Richtung wie der Strom im MR-Element fließen. Allerdings ist der Aufbau nach F i g. 5 vorzuziehen, da er Streufelder am besten fernhält.

durch ein Kreuz in einem Kreis, verläuft in die Zeichnungsebene hinein. Der Kreis mit Mittelpunkt bezeichnet die umgekehrte Richtung d. h. aus der Zeichnungsebene heraus. Stromleiter 28 und 30 sind an eine Stromquelle 24 und an das MR-Element geschlossen, wie die F i g. 2 zeigt. Sie Stromquelle umfaßt Teile mit positiver und negativer Spannung 24a bzw. 24b, die über die Widerstände 32 bzw. 34 angeschlossen sind. Der Wirt dieser Widerstände ist sehr viel größer als der Widerstand des MR-Elementes und beträgt beispielsweise das Zehnfache davon. Ein Differenz-Leseverstärker 42 ist zur Fernhaltung des Gleichstromes über die Kapazitäten 40a und 40b mk den Anschlüssen des MR-Elementes verbunden und verarbeitet das Lesesignal. Der Eingang des Verstärkers 42 wird gleichzeitig durch zwei Vorspannwiderstände 44a und 44b überbrückt.

In einem Ausführungsbeispiel wurde das geeignete Vormagnetisierungsfeld durch eine Schicht von etwa 20 nm Dicke eraeugt wozu ein MR-Element von 30-50nm Dicke mit einem magnetischen Sättigungswert Hk im Bereich von 3 — 6 Oersted gehörte. Die magnetoresistive Schicht war etwa 5 μπι hoch. Bei einem Abstand zwischen Vormagnetisierungsschicht und MR-Element von 500-1000 Angström ergab ein Lesestrom zwischen 5 mA und 30 mA eine passende Vormagnetisierung für das MR-Element Es wurde auch festgestellt daß die Wirkung von sog. Elektromigration klein gehalten werden kann, wenn gelegentlich mit umgekehrter Stromrichtung gearbeitet wird. Daraufhin wurde etwa gleichlange Zeit mit jeder Stromrichtung gearbeitet

Es kann kein Zweifel daran bestehen, daß sich die vorliegende Erfindung auch mit anderen als den aufgeführten Materialien, mit anderen Parametern und Abmessungen verwirklichen läßt Beispielsweise können sowohl die magnetische Abschirmung als auch die Vormagnetisierungsschicht aus weich-magnetischem Ferrit hergestellt werden. So kann auch das Material des Aufzeichnungsmediums sich ändern wie beispielsweise metallische, magnetische Schichten auf Speicherplatten im Vergleich zu üblichem Magnetschichtmaterial aus Partikeln auf Band. In der Anwendung mit metallischen Platten kann ein MR-Element durch den hohen Wert des Produktes Mt der Platte in die Sättigung gelangen, so daß die Leseimpulse etwas verzerrt erscheinen. Dies kann vermieden werden, indem man das MR-Eiement und die Vormagnetisierungsschicht proportional dicker ausführt dadurch die magnetische Flußdichte im

MR-Element herabsetzt und so seine Neigung, in Sättigung verset/t zu werden, verkleinert. Mit anderen Worten, es k-\nn die Dicke des magnetoresistiven F.lementes sowie der Vorrpagnetisierungsschicht einem breiten Bereich von Aufzeichnungsniedien angepaßt werden. Wenn die relativen Dicken in der Anordnung nid" das gewünschte Verhältnis aufweisen, dann kann zur Erzielung der geeigneten Vormagnetisierung der Vormagnetisierungsschicht ein Strom zugeführt werden.

Die Ausfallquote bei der Herstellung solcher Signalwandler liißt sich außerdem herabsetzen, wenn die Anordnung mit einem Paar gemeinsamer Stromleiter sowohl zur Vormagnetisicrungsschicht als inch zum magnetoresistiven FJement ausgeführt wird. Diese Art der Ausführung wird durch allfällige elektrische Kurzschlüsse zwischen den betreffenden zwei Schichten nicht beeinträchtigt, außer daß dadurch am Ausgang kleinerer Signale zu erwarten sind.

I li. i/u I IiI,ill Aichnunnen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Magnetoresistiver Signalwandler zum Lesen gespeicherter Information, die auf einem Trägermedium magnetisch aufgezeichnet ist, mit wenigstens einem magnetoresistiven Element und einer weiteren Schicht zur Vormagnetisierung des magnetoresistiven Elements, dadurch gekennzeichnet,

daß diese weitere Schicht (16) aus weichmagnetischem Material besteht und dünner als das magnetoresistive Element (10) ausgestaltet ist,
daß diese weitere Schicht (16) mit dem magnetoresistiven Element (10) magnetostatisch gekoppelt und von ihm durch eine Isolierschicht (14) getrennt ist,
daß der das magnetoresistive Element (10) durchfließende Betriebsstrom so gewählt ist, dcß die weichmsgnetische weitere Schicht (16) gesättigt ist und

daß das so erzeugte magnetische Feld der weiteren Schicht (16) (Vormagnetisierungsschicht) in Rückwirkung die Vormagnetisierung des magnetoresistiven Elements (10) bewirkt

2. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungsschicht (16) und das magnetoresistive Element (10) gleich hoch sind, daß ihre Ebenen sowie deren Richtung der leichten Magnetisierung parallel angeordnet und gleich gerichtet sind

3. Signalwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der ganzen Anordnung je eine weitere 3chicht (20, 22) von Material zur magnetischen Abschirn: jng der Anordnung vorgesehen ist

4. Signalwandler nach Anspruch 1, oder einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an das magnetoresistive Element (10) und parallel zu diesem eine elektrisch leitende Nebenschlußschicht (26) angeordnet ist, die nicht magnetisierbar ist.

5. Signalwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußschicht (26) zwischen dem magnetoresistiven Element (10) und der Vormagnetisierungsschicht (16) angeordnet ist.

6. Signalwandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Element (10) eine Dicke im Bereich von 20 bis 50 nm aufweist.

7. Signalwandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungsschicht (16) und das magnetoresistive Element (10) aus dem gleichen Material, insbesondere Permalloy, hergestellt sind.

8. Signalwandler, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungsschicht (16) aus Ferritmaterial besteht.