DE3039290A1 - Magnetkopf und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• "Magnetkopf und Verfahren zu seiner Herstellung
• Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf mit einem durch einen dünnen Film gebildeten Hallelement als magnetischelektrischen Wandler.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Magnetkopfes.
• 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.
• 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.
• 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.
• Die Ausgangssignalgröße wird kaum von der Frequenz abhängen.
• Das bedeutet, daß Frequenzkompensationsmittel für die Wiedergabe praktisch nicht benötigt werden und daß keine Amplitudenverzerrung durch Gleichlaufschwankungen erzeugt wird.
• 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.
• 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.
• 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.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkopf zu erstellen, der bei gleicher Auflösung ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
• 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.
• 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.
• Die Anschlußmuster werden in vorbestimmte Formen durch Foto-Ätzung oder ähnliches gebracht. Auf diese Weise wird ein amorphes Dünnfilm-Hallelement 15 erstellt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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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Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Magnetkopf mit einem durch einen dünnen Film gebildeten Hallelement als magnetisch-elektrischen Wandler, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der magnetisch-elektrische Wandler aus einem amorphen dünnen Film (14) aus einer Legierung eines Seltenerde-und eines übergangselements 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.
2. 2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe dünne Film (14) zwischen einem ferromagnetischen Substrat (10) und einem ferromagnetischen Block (24) angeordnet ist, von denen jeweils eine Endfläche den Frontspalt (28) bilden, und daß der amorphe dünne Film (14) zwischen den beiden Endflächen angeordnet ist.
3. 3. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d#ß ci:#e erste und eine zweite ferromagnetische Kernhälfte (10A, 24A) miteinander verbunden einen Frontspalt {28 u-##C einen hinteren Spalt (30) bilden, und daß der amorphe,ma#-netische,dünne Film (14) und ein nicht magnetisches Abstandsstück (32) in den hinteren bzw. vorderen Spalt (30, 28) eingesetzt sind.
4. 4. Magnetkopf nach Anspruch 3r dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (34) zur Erzeugung eines Aufnahme-Magnetfeldes im Bereich des Frontspalts (28) wenigstens um eine der beiden Kernhälften (10A, 24A) gewickelt ist.
5. 5. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe, magnetische, dünne Film (14) aus einer Legierung aus Gadolinium und Kobalt oder aus Gadolinium und Eisen gebildet ist.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens schritte 1. Polieren einer Seite eines ferromagnetischen Substrats (10) zu einer optisch ebenen Fläche 2. Aufbringen einer ersten Isolationsschicht (12) auf die polierte Seite des Substrats (10) 3. Aufbringen eines amorphen, magnetischen, dünnen Films (14) aus einer Legierung eines Seltenerdeelements und einem Übergangselement in der Weise, daß die Dicke des dünnen Films (14) etwa zwischen 0,2 und 1 A liegt und daß der Anteil des Seltenerdeelements etwa zwischen 10 und 40 Atomprozent liegt 4. Bildung von Stromanschlußmustern (20, 22) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des dünnen Films (14) und Spannungs-Anschlußmustern (16, 18) auf den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des dünnen Films (14), die im rechten Winkel zu den Strom-Anschlußmustern (20, 22) angeordnet sind 5. Aufbringen einer zweiten Isolationsschicht (23) auf den dünnen Film (14), die Strom-Anschlußmuster (20, 22) und die Spannungs-Anschlußmuster (16, 18) 6. Befestigen eines ferromagnetischen Blockes auf die zweite Isolationsschicht (23) 7. Abschleifen des Substrats (10) und des Blockes (24) entlang der Längsrichtung des dünnen Films (14) zur Bildung einer gebogenen Gleitfläche (104) für ein magnetisches Aufnahmemedium, die einen Frontspalt (28) einschließt.
7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte 1.Schleifen einer Seite eines elektrisch isolierenden ferromagnetischen Substrats (10) zu einer optisch ebenen Fläche 2. Aufbringen eines amorphen, magnetischen, dünnen Films (14) aus einer Legierung eines Seltenerdeelements und einem übergangselement in der Weise, daß die Dicke des dünnen Films (14) etwa zwischen 0,2 und 1# liegt und daß der Anteil des Seltenerdeelements etwa zwischen 10 und 40 Atomprozent liegt 3. Bildung von Strom-Anschlußmustern (20,22) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des dünnen Films (14) und Spannungs-Anschlußmustern (16, 18) auf den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des dünnen Films (14), die im rechten Winkel zu den Strom-Anschlußmustern (20, 22) angeordnet sind 4. Befestigen eines elektrisch isolierenden ferromagnetischen Blockes auf die zweite Isolationsschicht (23) 5. Abschleifen des Substrats (10) und des Blockes (24) entlang der Längsrichtung des dünnen Films (14) zur Bildung einer gebogenen Gleitfläche (104) für ein magnetisches furin nahmemedium, die einen Frontspalt (28) einschließt.