DE2443449C3 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Anwesenheit einer magnetischen Domäne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem wi Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß der Magnetisationsvektor eines Magnetowiderstandsabtastelementes gedreht werden kann, wenn das Abtastelement magnetisch mit dem i" Streufeld einer einwandigen magnetischen Domäne (nachstehend als »Bubble«-Domäne bezeichnet) gekop-DeIt wird. Dies hat wieder zur Folge, daß sich der elektrische Widerstand des Abtastelements ändert, was eine Signalspannung ergibt, wenn ein konstanter Strom durch das Abtastelement geführt wird, oder was einen Signalstrom ergibt, wenn eine konstante Spannung über dem Abtastelement steht (Proceedings of the I. E. E. E., April 1973, S. 442-443).

Magnetowiderstandsabtastvorrichtungen zum Obertragen von durch »Bubble«-Domänen dargestellter Information bieten gewisse Vorteile, z. B. in bezug auf die einfache Herstellung und das günstige Signal-Rausch-Verhältnis.

Obgleich Magnetowiderstandselemente an sich in jeder Vorrichtung, in der »Bubble«-Domänen in dazu geeigneten dünnen magnetischen Schichten für Detektionszwecke verschoben werden, verwendet werden können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Domänenverschiebungsmittel aus weichmagnetischen Streifen bestehen, die z. B. als T-,I- oder chevronförmige Metallschichten auf den dünnen magnetischen Schichten angebracht sind. In diesem Falle können die Magnetowiderstandselemente aus demselben Material hergestellt und gegebenenfalls in demselben Bearbeitungsschritt angebracht werden.

Es hat sich aber gezeigt, daß das in diesem Falle für die Verschiebung der »Bubble«-Domänen benutzte, in der Ebene der magnetischen Schicht arbeitende magnetische Drehfeld eine starke Störung des Signals der zur Detektion dienenden Magnetowiderstandselemente herbeiführt, da dieses Drehfeld die Drehung des Magnetisationsvektors des Abtastelements auf unerwünschte Weise beeinflußt. Es ist unvermeidlich, daß die aus weichmagnetischem Material bestehenden Verschiebungsmittel den Abtastelementen sehr nahe liegen. Dies ergibt einen Magnetisationsbeitrag, der im ungünstigsten Fall die verhältnismäßig geringe Änderung, die durch die An- oder Abwesenheit einer »Bubble«-Domäne herbeigeführt wird, völlig überdekken kann. Insbesondere kann obendrein die Anwesenheit benachbarter »Bubble«-Domänen das Auftreten von Störungen zur Folge haben.

Aus der US-PS 35 23 286 ist eine Anordnung bekannt, bei der das Vorhandensein einer Domäne mittels zweier gekoppelter Leiterschleifen gemessen wird, wobei durch die eine Leiterschleife ein derartiger Stromimpuls ausgesandt wird, daß die Domäne zusammenbricht. In diesem Fall wird in der zweiten Leiterschleife ein entsprechender Impuls erregt, während dieser Impuls praktisch fehlt, wenn keine Domäne vorhanden gewesen ist. Diese bekannte Anordnung ermöglicht jedoch nicht eine zerstörungsfreie Abtastung der Anwesenheit einer Domäne. Auch wird dabei kein Magnetowiderstandsmaterial verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem die Bestimmung der Anwesenheit oder Abwesenheit einer einwandigen magnetischen Domäne auch bei starken überlagerten Magnetfeldern einfach und zuverlässig möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Ein Verfahren zum· Messen eines magnetischen Feldes mit Hilfe eines Magnetowiderstandselements, bei dem dem zu messenden Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld überlagert wird, ist aus der GB-PS 10 63 037 bekannt. Dabei ist die Amplitude jedoch erheblich größer als das zu messende Magnetfeld. Bei Verwendung eines derartigen starken überlagerten

Wechselfeldes für die Bestimmung der Anwesenheit einer Domäne würde eine vorhandene Domäne jedoch zusammenbrechen, so daß das bekannte Verfahren für diesen Zweck nicht verwendbar ist

Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Modulation der Größe einer zu delektierenden einwandigen magnetischen Domäne an der Stelle des Abtastelements das vom Abtastelement abgegebene Signal von Störfeldern wesentlich verschieden gemacht werden kann. Durch Modulation der Größe der magnetischen Domäne wird nämlich das Streufeld der Domäne und damit das vom Magnetowiderstandselement abgegebene Detektionssignal moduliert Eine Analyse dieses Signals zeigt, daß es Tenne, in denen alle Störfelder vorkommen, und »störungsfreie« Terme enthält Wie noch näher erläutert wird, können diese störungsfreien Terme mit Hilfe geeigneter gewählter Filter selektiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine »Bubblett-Materialplatte, auf der ein schleifenförmiges Magnetowiderstandsabtastelement angebracht ist;

F i g. 2 teilweise im Schnitt eine »Bubble«-Materialplatte, auf der ein schleifenförmiges Magnetowiderstandsabtastelement sowie ein schleifenförmiger Stromdraht angebracht sind; und

Fig.3 ein teilweises Blockschaltbild einer D~tektionsvorrichtung nach der Erfindung.

Auf einer Platte 1 (oder einem dünnen Film) aus einem einkristallinen Granatmaterial, in der »Bubble«- Domänen fortbewegt werden können, ist ein schleifenförmiger Streifen 2 aus einer Ni-Legierung derart angebracht, daß das Streufeld einer »Bubble«-Domäne 3 den Widerstand des Streifens 2 ändern kann. Ein charakteristischer Wert für die relative Änderung ist 1 °/o. Wenn ein konstanter Strom / durch die Schleife 2 geführt wird, erscheint diese Widerstandsänderung AR als eine Spannungsänderung IAR. Durch ein zur Fortbewegung von »Bubble«-Domänen in der Platte 1 benutztes Magnetfeld in der Ebene der Platte 1 und durch das Vorhandensein von »Bubble«-Domänen in der Nähe der »Bubble«-Domäne 3 können aber Störungen herbeigeführt werden. Wenn nun ein Wechselstrom durch die Schleife 2 geführt wird, ist es möglich, den Durchmesser 2/?o der »Bubblew-Domäne 3 zu modulieren und damit die gemessene Spannungsänderung von Störfeldern wesentlich verschieden zu machen. Dies läßt sich wie folgt nachweisen:

Wenn

R = der Radius der »Bubble«-Domäne 3,
R₀ = der Radius im Gleichgewichtszustand,

t = die Dicke der Platte 1,

Ms = die Magnetisation des Materials der Platte 1,

H_x = ein Magnetfeld senkrecht zu der Platte 1,

gilt, daß

A = 3s. LLr ^{1 4H}:>

t ~ t 4χ~Μ> '

Das Feld H_x wird dadurch erzeugt daß ein Strom / durch die Schleife 2 mit einem Radius r geführt wird, und es wird einem für die Stabilisierung der »Bubbles« benötigten Vorspannungsfeld H überlagert, also

H. = //2.-Tr,
so daß auch geschrieben werden kann:

R/t = R₀ (\ + ~\t.

Das radiale Feld der »Bubble«-Domäne wird dargestellt durch:

= Jl₀ + Jl₁ (HKf

wenn r/t — 1

Ib) h_r = h₂ + h_}( Ij = Ji₄ + Ij₅(II,)

wenn r/t = 1,2

J5 Dabei lassen sich die Zahlen A₁, h₂, Zj₃, Zi₀ durch Versuche bestimmen. Der Widerstand ρ des Streifens 2 ändert sich quadratisch mit der radialen Feldstärke, so daß geschrieben werden kann:

c- = »ο + 1"Jh²ZhI),

wobei

h„, = ein geometrie- und materialabhängiger Para-■4 > meter,

Ag_n, = die maximale Änderung des Widerstandes, der im Material auftreten kann.

Zur Modulation des Durchmessers der »Bubble«-Do- V) mäne wird für /ein Wechselstrom gewählt, z. B.

/ = /osin cot.

Wenn nun die Mittellinie der Schleife 2 auf dem Rand der »Bubblew-Domäne 3 liegt, ist R₀Ir= 1, während, ■ο wenn r/t gleich 1 bzw. 1,2 gewählt wird, durch Kombination der vorstehenden Formeln folgt:

2a) V = /„sin «.-(<- = V_Qsm<»t + -^f-- (τ") ⁺ -~γτ^Λ- (~τΜ sin²e.r + f A-yrj sin⁴.-rl sin.·,/

2b) V= I_n sin «,tu = K₀ sin «>t + —"ül--" \(Ji-) + -Ji--*. -JL _sj_n „>/ + f J^-p-^ sin¹ r.,/1 sin ...f

'.Ό L\''_m/ 'τ,, /_r \ lh„K J J

Das gemessene Signal V enthält also 1 cniic in ω, 3o) sei hier bemerkt, daß die Frequenz in bezug auf die bzw. 5ω und im zweiten Falle in ω, 2oj bzw. 3oj sowie Fortbewegungsfrequenz des Systems hoch gewählt einen Gleichspannungstenn. Für ein gutes Verständnis wird, so daß der Ausdruck »Gleichspannung« nur eine

relative Bedeutung hat. Die Störfelder und die Konstante ρο ergeben Spannungsterme, die mit sin ωί moduliert sind.

Indem einer der anderen Terme elektronisch selektiert wird, kann also ein störungsfreies Signal erhalten werden. Zu diesem Zweck kann z.B. ein selektiver, auf 2ω, 3ω oder 5ω abgestimmter Verstärker (oder ein Bandfilter) verwendet oder es kann nur der Gleichspannungsterm durch Anwendung eines Tiefpasses gemessen werden.

Außer durch Änderung des Detektorstroms, wie oben beschrieben wurde, kann der Durchmesser der »Bubble«-Domäne auch dadurch moduliert werden, daß ein gesonderter schleifenförmiger Stromdraht angebracht und durch diesen Draht ein Wechselstrom geschickt wird. Diese Situation ist in Fig.2 dargestellt. In dieser Figur ist eine Platte aus Granatmaterial im Schnitt mit 4, ein Magnetowiderstandsabtastelement mit 5, ein schleifenförmiger Stromleiter mit 6 und eine »Bubble«-Domäne mit 7 bezeichnet. Ein Strom

/ = /o sin ωοί

wird durch den (z. B. aus Gold bestehenden) Leiter 6 geschickt, um den Durchmesser der »Bubble«-Domäne 7 zu modulieren, während durch das Abtastelement 5 (das z. B. aus einer Ni-Fe-Legierung bestehen kann) ein Detektorstrom

/ = /ι sin ω\ί
geführt wird (gegebenenfalls kann ωί = 0 sein). Die Detektionsspannung enthält in diesem Falle Terme, die wie folgt geschrieben werden:

-- ■ V₀ COS(<n₀ — ID₁) — COS (('I₀ + "I₁).

Die Störungen befinden sich nun in Termen mit sin ωί f. Störungsfreie Detektion kann durch Anwendung eines selektiven Verstärkers stattfinden, der auf

in die Frequenz (ωο — ωί) oder auf die Frequenz (ωο — ωί) abgestimmt ist.

Wenn die Änderung des Durchmessers der »Bubble«- Domäne möglichst groß gemacht werden soll, ohne daß der dazu benötigte Strom k zu groß wird, kann die »Bubble«-Domäne in Resonanz versetzt werden. Dies gründet sich auf die Erkenntnis, daß der Wand einer »Bubble«-Domäne eine Masse m zuerkannt werden kann. Unter gewissen Bedingungen kann Resonanz z. B. bei Frequenzen zwischen 10 und 100 mHz auftreten.

2<i Fig.3 zeigt schematisch, wie ein schleifenförmiges Magnetowiderstandselement 8 mit einer Stromquelle 9 verbunden ist, die einen Gleichstrom liefert, wenn eine gesonderte, mit der Wechselstromquelle 11 verbundene Stromschleife 10 vorhanden ist, die ein Wechselfeld liefert, mit dem der Durchmesser einer zu detektierenden »Bubble«-Domäne moduliert wird, und die einen Wechselstrom liefert, wenn das genannte Wechselfeld mit Hilfe der Schleife 8 selber erzeugt werden muß. Das Detektionssignal wird über das Bandfilter 12 dem

j(i Verstärker 13 zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Anwesenheit oder Abwesenheit einer einwandigen magnetischen Domäne an einer Abtaststelle in einer dünnen Schicht aus magnetischem Material, in der stabile einwandige magnetische Domänen aufrechterhalten und fortbewegt werden können und auf der ein Abtastelement aus Magnetowiderstandsmaterial so angebracht ist, daß es durch die Anwesenheit einer magnetischen Domäne beeinflußt wird, wenn das Abtastelement von einem Meßstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser einer an der Abtaststelle vorhandenen ι ^ri magnetischen Domäne moduliert wird und daß ein bestimmter Anteil des Ausgangssignals des Abtastelementes ausgewählt wird, dessen Frequenz von der Frequenz des Meßstromes abweicht.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement die Form einer die Abtaststelle umgebenden Leiterschleife hat, und daß die an das Abtastelement angeschlossene Detektorschaltung eine frequenzselektive Schaltung enthält, die auf eine Frequenz abgestimmt ist, die von der Frequenz des Meßstromes durch das Abtastelement unterschiedlich ist

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement ein Wechselstrom m mit einer bestimmten Frequenz durchfließt und daß die frequenzselektive Schaltung auf die zweite, dritte oder fünfte Harmonische dieser Frequenz eingestellt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- r> zeichnet, daß die frequenzselektive Schaltung auf die Frequenz 0 eingestellt ist, so daß nur der Gleichstromanteil des Ausgangssignals des Abtastelementes durchgelassen wird.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 4ii zeichnet, daß eine weitere Leiterschleife die Abtaststelle umgibt und mit einem Stromgenerator zum Liefern eines Stromes mit einer ersten Frequenz zum Modulieren des Durchmessers einer Domäne verbunden ist, daß ein Meßstrom mit einer 4'> zweiten Frequenz das Abtastelement durchfließt, und daß die frequenzselektive Schaltung auf einer Frequenz entsprechend der Summe oder der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz eingestellt ist. "><>

6. Anordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des eine Domäne modulierenden Stromes so gewählt ist, daß diese Domäne in der Abtaststelle mit der Resonanzfrequenz moduliert wird. v>