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"Magnetkopf und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf mit einem durch einen dünnen
Film gebildeten Hallelement als magnetischelektrischen Wandler.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
derartigen Magnetkopfes.
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Zur Detektion von auf einem magnetischen Aufnahmemedium gespeicherten
Informationen sind zwei Arten von Magnetköpfen bekannt. Die eine Sorte weist einen
hochpermeablen Kern mit einer umihRerumgewickelten Windung auf, der einen magnetischen
Kreis bildet, während die andere Sorte ein Halbleiter-Hallelement enthält, das in
einen hinteren Spalt in dem magnetischen Kreis eingesetzt ist. Bei dem eine Windung
aufweisenden Magnetkopf ist das wiedergegebene Ausgangssignal proportional zu der
zeitlichen Veränderung d# ~b /dt des detektierten magnetischen Flusses + . Demzufolge
wird das Ausgangssignal kleiner, wenn die Frequenz des detektierten magnetischen
Flusses ( herabgesetzt wird. Die Gleichstromkomponente (d# /dt = 0) kann nicht wiedergegeben
werden.
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Das wiedergegebene Ausgangssignal wird mit der Änderung
der
Geschwindigkeit des Aufnahmemediums verändert. Wenn daher ein derartiger Magnetkopf
in einem Audio-Bandgerät verwendet wird, entsteht durch eine durch Gleichlauf schwankungen
des Bandantriebssystems erzeugte Frequenzmodulation eine das Signal verzerrende
Amplitudenmodulation. Da der Magnetkopf Platz für die Wicklung erfordert, können
die Spurabstände zwischen den Spuren bei einem mehrkanäligen Magnetkopf nicht optimal
angenähert werden. Demzufolge ist es schwierig, die Spurdichte zu erhöhen.
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Bei einem Magnetkopf mit einem Hallelement ist dagegen das wiedergegebene
Ausgangssignal proportional zur Größe des detektierten magnetischen Flusses selbst.
Demzufolge kann eine Frequenzänderung der Größe des magnetischen Flusses, der durch
den magnetischen Kreis fließt, vernachlässigt werden.
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Die Ausgangssignalgröße wird kaum von der Frequenz abhängen.
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Das bedeutet, daß Frequenzkompensationsmittel für die Wiedergabe praktisch
nicht benötigt werden und daß keine Amplitudenverzerrung durch Gleichlaufschwankungen
erzeugt wird.
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Die Frequenzcharakteristik eines Magnetkopfes hängt jedoch nicht nur
von dem Hallelement als dem magnetisch-elektrischen Wandler ab, sondern auch von
dem Kernmaterial, das den Magnetkreis bildet, der Breite des den magnetischen Fluß
detektierenden Spaltes (Frontspalt) und von anderen Faktoren. Insbesondere hat die
Spaltbreite einen großen Einfluß auf die Frequenzcharakteristik. Zur Erhöhung der
Auflösung bei Hochfrequenzsignalen sollte die Spaltbreite minimisiert werden. Bei
den bekannten Halbleiter-Hallelementen stößt dies auf Schwierigkeiten, da die Verringerung
der Dicke des Hallelements aufgrund kristalliner Effekte zu einem Stromrauschen
führt.
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Wenn andererseits das Hallelement in den hinteren Spalt eingesetzt
wird, kann der Frontspalt ohne Rücksicht auf die Dicke
des Hallelements
verkleinert werden. Die Verkleinerung des Frontspalts führt jedoch zu einer Verringerung
des magnetischen Widerstandes (der Reluktanz) des Frontspaltes, wodurch der Wirkungsgrad
für die Wiedergabe verschlechtert wird, weil ein großer Anteil des detektierten
magnetischen Flusses im Bereich des Frontspaltes mit der geringen Reluktanz kurzgeschlossen
wird, so daß die Größe des zum Hallelement in dem hinteren Spalt übertragenen magnetischen
Flusses reduziert wird. Wenn daher der Frontspalt verkleinert wird, um die Frequenzcharakteristik
(Auflösung) des Magnetkopfes insgesamt zu erhöhen, ist es daher erforderlich, einen
sehr wirkungsvollen Kreis für den magnetischen Fluß zu erstellen. Insbesondere inuß
die Reluktanz des magnetischen Kreises einschließlich des hinteren Spaltes mit dem
darin eingesetzten Hallelement klein genug sein.
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Die beste Methode zur Verringerung der Reluktanz des magnetischen
Kreises besteht darin, den hinteren Spalt zu verkleinern. Die Permeabilität des
Halbleiter-Hallelements ist wesentlich geringer als die der hochpermeablen ferromagnetischen
Substanz, die den magnetischen Kreis bildet. Demzufolge kann die Reluktanz des magnetischen
Kreises durch Reduzierung der Breite des hinteren Spaltes auch nur um einen geringen
Betrag der Größenordnung von Mikrometern erheblich herabgesetzt werden. Das bedeutet,
daß die Dicke des Hallelements verkleinert werden muß. Bei einem Hallelement, das
aus einem polykristallinen,dünnen Halbleiterfilm, beispielsweise aus Indiumantimonid
(InSb) besteht, werden dann jedoch die Einflüsse der Grenzbereiche des polykristallinen
Aufbaus vorherrschen, wenn die Schichtdicke reduziert wird, wodurch das Stromrauschen
anwächst. Wenn in einem Magnetkopf ein durch einen dünnen Film gebildetes Halbleiter-Hallelement
zur Erzielung einer hohen Auflösung verwendet wird, steigt das Stromrauschen
so
stark an, daß die Erzielung eines großen Signal-Rausch-Verhältnisses unmöglich wird.
Das Problem wird noch gravierender, wenn das Hallelement in den Frontspalt eingesetzt
wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkopf zu
erstellen, der bei gleicher Auflösung ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis
aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Magnetkopf der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der magnetischelektrische Wandler aus einem
amorphen,dünnen Film (14) aus einer Legierung eines Seltenerde- und eines Übergangs
elements besteht, wobei der Anteil des Seltenerdeelements in dem amorphen, dünnen
Film (14) zwischen etwa 10 und 40 Atomprozent liegt, und daß der amorphe, dünne
Film (14) in einen Frontspalt (28) oder einen hinteren Spalt (30) des Magnetkopfes
so eingesetzt ist, daß der durch den Frontspalt (28) detektierte Magnetfluß durch
den Film (14) im wesentlichen im rechten Winkel zur Oberfläche des Films (14) hindurchtritt.
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Erfindungsgemäß wird daher ein durch einen amorphen, dünnen Film gebildetes
Hallelement verwendet, dessen Vorzugsrichtung für die Magnetisierung im rechten
Winkel zur Filmoberfläche liegt. Bei einem amorphen, dünnen Film wird kein Stromrauschen
verursacht, so daß der Frontspalt des Kopfes zum Detektieren des magnetischen Flusses
von dem Aufnahmemedium selbst dann sehr eng gestaltet werden kann, wenn der amorphe,
dünne Film in den Frontspalt eingesetzt ist. Auch beim Einsatz des amorphen, dünnen
Films in einen hinteren Spalt entstehen Vorteile, da die Reluktanz des magnetischen
Kreises des Magnetkopfes durch die Minimisierung der Dicke des amorphen, dünnen
Films reduziert werden kann. Durch die Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche des
Filmes wird die Wiedergabeauflösung verbessert, so daß der Wirkungsgrad der Wiedergabe
nicht
verringert wird, wenn die Breite des Frontspaltes klein gemacht wird. Der erfindungsgemäße
Magnetkopf bietet daher ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und eine höhere
Auflösung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben und anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung des Magnetkopfes
weist folgende Verfahrensschritte auf: 1. Polieren einer Seite eines ferromagnetischen
Substrats zu einer optisch ebenen Fläche 2. Aufbringen einer ersten Isolationsschicht
auf die polierte Seite des Substrats 3. Aufbringen eines amorphen, magnetischen,
dünnen Films aus einer Legierung eines Seltenerdeelements und einem Übergangselement
in der Weise, daß die Dicke des dünnen Films etwa zwischen 0,2 und 1# liegt und
daß der Anteil des Seltenerdeelements etwa zwischen 10 und 40 Atomprozent liegt
4. Bildung von Strom-Anschlußmustern auf zwei gegenüberliegenden Seiten des dünnen
Films und Spannungs-Anschlußmustern auf den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten
des dünnen Films, die im rechten Winkel zu den Strom-Anschlußmustern angeordnet
sind 5. Aufbringen einer zweiten Isolationsschicht auf den dünnen Film, die Strom-Anschlußmuster
und die Spannungs-Anschlußmuster 6. Befestigen eines ferromagnetischen Blockes auf
die zweite Isolationsschicht
7. Abschleifen des Substrats und des
Blockes entlang der Längsrichtung des dünnen Films zur Bildung einer gebogenen Gleitfläche
für ein magnetisches Aufnahmemedium, die einen Frontspalt einschließt.
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Bei der Verwendung eines elektrisch isolierenden ferromagnetischen
Substrats und eines elektrisch isolierenden ferromagnetischen Blockes können die
Isolationsschichten fortgelassen werden, so daß sich dann die Verfahrensschritte
2 und 5 erübrigen.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen: Figur 1 einen Abschnitt eines Hallelements eines erfindungsgemäßen
Magnetkopfes Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Figur 1 Figur 3 die
Anordnung eines Frontspalts, der durch Zufügen einer zweiten Kernhälfte zu dem Aufbau
aus Figur 2 gebildet ist Figur 3A eine perspektivische Darstellung eines Magnetkopfes
mit dem Aufbau aus Figur 3 in einem Gehäuse Figur 4 eine perspektivische Darstellung
eines Magnetkopfaufbaus mit dem Hallelement in dem hinteren Teil des Spalts.
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In den Figuren 1 und 2 befindet sich eine aus einem dünnen Film gebildete
Isolationsschicht 12 auf einem ferromagnetischen Substrat 10, das die erste Kernhälfte
bildet. Diese Anordnung wird beispielsweise dadurch hergestellt, daß SiO2 oder ein
anderes Material auf einen Mn-Zn Ferritblock aufgedampft oder durch Kathodenzerstubung
aufgebracht wird, wobei die Oberfläche des Ferritblockes optisch eben poliert ist.
Ein dünner Film 14 aus Gd-Co oder Gd-Fe wird durch Vakuumverdampfung oder Hochfrequenz-Zerstäubung
aufgebracht. Die Dicke des auf diese Weise hergestellten amorphen, dünnen Films
14 wird in einem Bereich von etwa 2.000 bis 10.000 Ä (0,2 bis 1,0 #) beispielsweise
gewählt. Gadolinium wird als Seltenerde-Element für den dünnen Film 14 verwendet
und die Zusammensetzung wird
so gewählt, daß der Anteil des Seltenerdeelements
in dem Film 14 unterhalb von ungefähr 40 Atomprozent liegt. Der Atomanteil von Gd
wird so ausgewählt, daß der dünne Film 14 eine magnetische Anisotropie aufweist
mit einer Achse der leichten Magnetisierung in einem rechten Winkel zur Oberfläche
des Films. Der Anteil kann gewöhnlich zwischen ungefähr 10 und 40 Atomprozent liegen.
Der dünne Film 14 wird in eine vorgegebene Größe und Konfiguration, wie sie in Figur
1 dargestellt ist, durch Foto-Ätzung oder ein ähnliches Verfahren gebracht. Als
Spannungsanschlüsse 16 und 18 und Stromanschlüsse 20 und 22 dienende Muster werden
auf dem dünnen Film 14 durch Verwendung von Aluminium oder Kupfer gebildet. Auch
die Bildung dieser Muster kann durch Vakuumverdampfung oder Zerstäubung erfolgen.
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Die Anschlußmuster werden in vorbestimmte Formen durch Foto-Ätzung
oder ähnliches gebracht. Auf diese Weise wird ein amorphes Dünnfilm-Hallelement
15 erstellt.
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Danach wird, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, ein eine zweite
Kernhälfte bildender ferromagnetischer Block 24 mit dem ferromagnetischen Substrat
gekoppelt, so daß das Dünnfilm-Hallelement 15 über eine Isolationsschicht 23 aus
Si02 oder anderem Material dazwischen gehalten wird. Die Kopplung kann durch Druckverspannung
oder durch eine Klebeverbindung erzielt werden. Ein in dieser Weise hergestellter
Kopfblock 26 wird in einem Abschirmgehäuse 100 (Figur 3A) untergebracht und durch
Epoxidharze o.ä. festgelegt. Vor dieser Festlegung werden die Anschlußmuster 16
bis 22 mit externen Klemmen 102 verbunden. Die Kernoberflächen, einschließlich eines
Spalts 28, an denen die Aufzeichnungsmedien, wie beispielsweise Magnetbänder, vorbeigleiten,
werden in einer Kurvenform poliert, wie dies durch eine gestrichelte Linie in Figur
3 angedeutet ist.
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Dadurch wird eine in Figur 3A dargestellte Gleitoberfläche 104
erzeugt.
Wenn elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise ein hochdichtes Ferrit-Oxyd
(zone Nio, ZnO oder Fe203 hochdichte Ferrite) für das Substrat 10 und den Block
24 verwendet werden, können die isolierenden Schichten 12 und 23 fortgelassen werden.
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In dem so gebildeten Magnetkopf ist die Weglänge des magnetischen
Flusses in dem magnetischen Flußkreislauf, der aus den ferromagnetischen Blöcken
10 und 24 mit dem dazwischen befindlichen Dünnfilm-Hallelement 15 gebildet ist,
kurz, wie dies in Figur 3 erkennbar ist. Daher kann der magnetische Fluß der durch
den Spalt 28 detektiert wird, durch den dünnen Film 14 mit einem hohen Wirkungsgrad
hindurchtreten Dies ist für die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sehr
vorteilhaft. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des erfindungsgemäßen
Magnetkopfes trägt auch die amorphe Ausbildung des dünnen Films 14 erheblich bei.
Da das auf die Grenzbereiche der Kristalle verursachte Stromrauschen in einem amorphen
Dünnfilm-Hallelement vermieden wird, entsteht beim Magnetkopf auch dann ein nur
geringes Rauschen, wenn die Dicke des Filmes reduziert wird. Es konnte so ein Signal-Rausch-Verhältnis
von ungefähr 50 dB bei der Verwendung einer Filmdicke von größenordnungsmäßig wenigen
Tausend Angström (z.B. ungefähr 2.000 bis 3.000 A) erzielt werden. Demzufolge kann
die Breite des Frontspalts 28 unter 1# auch dann gesenkt werden, wenn das Dünnfilm-Hallelement
15 in den Spalt 28 eingesetzt wird, wie dies anhand der Figur 3 gezeigt ist. Auf
diese Weise kann ein Magnetkopf mit einer großen Auflösung und einem guten Signal-Rausch-Verhältnis
erstellt werden.
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Figur 4 zeigt eine Modifikation des erfindungsgemäßen Magnetkopfes.
Dabei ist das amorphe Dünnfilm-Hallelement 15 in den hinteren Spalt 30 eingesetzt.
Ein nicht magnetisches Abstandsstück 32 aus Beryiiium-Kupfer, Keramik oder Glas
ist in den
vorderen Spalt 28 eingeführt. Das Dünnfilm-Hallelement
15 und das Abstandsstück 32 werden zwischen einer ersten Kernhälfte 10A und einer
zweiten Kernhälfte 24A angeordnet. Der auf der Seite des vorderen Spalts 28 detektierte
magnetische Fluß fließt durch einen magnetischen Kreis, der durch die Kernhälfte
10A, den hinteren Spalt 30 und die Kernhälfte 24A gebildet ist.
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Durch das Dünnfilm-Hallelement 15 wird der durch den Kreis fließende
magnetische Fluß in ein elektrisches Signal umgewandelt. Auf der Kernhälfte 24A
sind Flächen 241 und 242 so angeschnittenr daß der magnetische Fluß auf das Dünnfilm-Hallelement
15 gebündelt wird. In der Anordnung aus Figur 4 ist die Reluktanz des magnetischen
Kreises groß, da der Spalt 30 in Serie in dem Kreis liegt. Daher ist die Anordnung
hinsichtlich des Wirkungsgrades und des Signal-Rausch-Verhältnisses schlechter als
die Anordnung aus den Figuren 1 bis 3. Trotzdem ermöglicht die Verwendung des amorphen
Dünnfilm-Hallelements eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Vergleich
zu der Verwendung von Halbleiter-Hallelementen. Darüberhinaus hat die Dicke des
Dünnfilm-Hallelements 15 in der Anordnung der Figur 4 keinen Einfluß auf die Breite
des Frontspalts 28, so daß die Herstellung des Hallelements 15 erleichtert ist.
Dabei kann die Breite des Spaltes 28 durch die Wahl der Dicke des AbstandsstücKs
32 frei gewählt werden. Da die Kernhälften 10A und 24A sowohl jede geeignete Form
als auch eine beträchtliche Größe aufweisen können, ist es möglich, sie mit einer
Windung 34 für Aufnahmezwecke zu versehen, um eir.enAufnahme-Wiedergabe-Kopf zu
erstellen. Dabei kann in vorteilhafter Weise das Dünnfilm-Hallelement 15, das besonders
vorteilhaft im tiefen Frequenzbereich arbeitet, für die Wiedergabe der tiefen Frequenzen
um die Windung 34, die besonders vorteilhaft im Hochfrequenzbereich arbeitet, für
die Wiedergabe der hohen Frequenzen verwendet werden. Wenn die Windung 34 dagegen
nur für die Aufnahme benutzt wird, kann die Windungszahl klein gehalten
werden.
Die kleine Windungszahl kann durch einen höheren Aufnahmestrom kompensiert werden.
Durch die reduzierte Windungszahl ist die Windung 34 sehr raumsparend. Es ist eine
Vielzahl von Variationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich.
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So kann beispielsweise Permalloy, Sendust oder eine Kombination hiervon
statt der ferromagnetischen Ferrite für die ferromagnetischen Blöcke 10 und 24 verwendet
werden. Die Erfindung kann weiterhin bei mehrkanäligen Magnetköpfen Verwendung finden.
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