DE3150892C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen den Magnetwiderstandseffekt ausnutzenden Magnetkopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein den magnetischen Widerstandseffekt ausnutzender Magnetkopf enthält grundsätzlich ein Material mit dem nach­ stehend kurz als "MR-Effekt" bezeichneten Magnetoresistenz- oder Magnetwiderstandseffekt mit einer als Dünnschicht aus­ gebildeten magnetischen Legierung wie Nickel-Eisen-Legierung oder Nickel-Kobalt-Legierung. Eine derartige Legierungs­ dünnschicht wird zur Bildung eines Magnetwandlers in einem MR-Kopf mit einer Dicke von einigen 10 nm und einer Länge von einigen -zig bis einigen Hundert µm auf ein nicht­ magnetisches Substrat wie Saphir aufgetragen und hat eine zur Spurabtastung geeignete Breite. Die eine Endfläche des MR-Dünnschichtelements wird durch eine einem magnetischen Aufzeichnungsmedium zugekehrte Kontaktfläche des Magnet­ kopfes gebildet. Die Richtung der Schichtdicke des MR-Dünn­ schichtelements stimmt mit der Transportrichtung des Auf­ zeichnungsmediums überein.

Grundsätzlich sind MR-Magnetköpfe sonstigen Induktions- Magnetköpfen bezüglich ihrer Empfindlichkeit bei der Ab­ tastung einer schmalen Spur, bei kurzer Wellenlänge und sehr langsamer Wiedergabegeschwindigkeit überlegen.

In der Praxis sind jedoch die Wiedergabeeigenschaften bekannter MR-Wiedergabemagnetköpfe bei kurzen Signalwellen­ längen oft nicht ausreichend. Ein nahe der Kontakt­ fläche zum Aufzeichnungsmedium verbleibender blinder Ab­ schnitt führt dazu, daß kurze Wellenlängen nicht optimal wiedergegeben werden.

Wenn durch das in Fig. 1 der anliegenden Zeichnung dargestellte bandförmige MR-Dünnschichtelement 1 ein Strom J in Längsrichtung fließt und diesen senkrecht schneidend sowie in Richtung einer Schichtoberfläche des Elements 1 ein gleichförmiges Magnetfeld H angelegt wird, tritt in Abhängigkeit von der Stärke dieses Magnetfelds H eine Wider­ standsänderung Δζ des Elements 1 (siehe Kurve 2 in Fig. 2), die symmetrisch in bezug auf ± H ist auf. Wenn ohne Anwesenheit eines Vormagnetisierungsfeldes in Fig. 2 von dem Aufzeich­ nungsmedium ein Signalmagnetfeld 3 auf das MR-Dünnschicht­ element 1 übertragen wird, gibt das Element ein Ausgangs­ signal 4 mit unbestimmbarer Polarität ab.

Um dem abzuhelfen, wird einem solchen MR-Wiedergabe­ kopf ein bestimmtes gleichförmiges Vormagnetisierungsfeld H _B (Fig. 3) zugeführt, so daß der Kopf das eingangsseitige Signal­ magnetfeld 3′ in ein Ausgangssignal 4′ mit unterscheidbarer Polarität umsetzt.

Dabei wird aber das Entmagnetisierungsfeld in dem be­ treffenden MR-Dünnschichtelement 1, bezogen auf die Breiten­ richtung des Elements, gemäß Fig. 4 in der Mitte geschwächt, an den beiden Endflächen 1 a und 1 b des Elements jedoch ver­ stärkt. Wenn das MR-Element 1 zwischen der dicht an dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 5 verlaufenden Endfläche 1 a und der gegenüberliegenden Endfläche 1 b beispielsweise eine Breite W von 5 µm, ferner eine Dicke von 0,05 µm und eine Länge von 60 µm hat und gemäß Fig. 5 in Richtung der Breite in sechs durch unterbrochene Linien a₁ bis a₅ angedeutete Abschnitte unterteilt wird, dann verursacht das Vormagnetisie­ rungsfeld H _B in diesen Abschnitten ganz unterschiedliche Widerstandsänderungen; siehe Fig. 6. Die Kurve 6 gibt die Widerstandsänderung für den ersten und sechsten Abschnitt, Kurve 7 für den zweiten und fünften Abschnitt und Kurve 8 für den mittleren dritten und vierten Abschnitt an. Bei einem dünnen MR-Element 1 werden im Zentrum der Breite, also im dritten und vierten Abschnitt das Entmagnetisierungs­ feld und außerdem das anisotrope Magnetfeld H _K so klein, daß die Magnetisierung leicht schon bei einem relativ gerin­ gen Magnetfeld in die Sättigung übergeht, so daß auch die Widerstandsänderungen im Sättigungsbereich liegen. Andererseits wird durch einen Randzoneneffekt in den ersten und sechsten Ab­ schnitten das Entmagnetisierungsfeld verstärkt, so daß die Sättigung der Magnetisierung dort nur schwer erreichbar ist und die Widerstandsänderung über einen weiten Bereich linear verläuft.

Da bei dem bisher üblichen MR-Element 1 der Gesamtaus­ gang durch die Einzelcharakteristiken sämtlicher sechs Ab­ schnitte bestimmt wird, mußte das Vormagnetisierungsfeld etwa auf die Mitte des Magnetfeldbereiches verlegt werden, damit die Linearität der Widerstandsänderungskurve in die Gesamtcharakteristik fällt. Die Vormagnetisierungsfeldstärke ist daher mit einem relativ niedrigen Wert von 12 000 bis 16 000 A/m angesetzt und kann deshalb im ersten und sechsten Ab­ schnitt von Fig. 6 an den Endflächen 1 a und 1 b des Elements 1 nur eine sehr geringe Widerstandsänderung Δζ hervorrufen. Da mit kürzer werdenden Wellenlängen eines dem MR-Element 1 zugeführten Signalmagnetfeldes die Spaltverluste zunehmen, wird nur der erste Abschnitt neben der am Aufzeichnungsmedium anliegenden Endfläche 1 a zur Wiedergabe ausgenutzt, seine Widerstandsänderungs-Kennlinie entspricht Kurve 6 in Fig. 6. Da aber das Vormagnetisierungsfeld für diesen ersten Abschnitt nicht optimal ist, hat ein derartiger MR-Magnetkopf bei der Wiedergabe kurzwelliger Aufzeichnungsignale einen schlechten Wirkungs­ grad, wie eingangs bereits erwähnt.

Zwar wurde zur Erzielung einer gewissen Verbesserung dieser Kurzwellencharak­ teristik bereits daran gedacht, das MR-Element z. B. mit einer geringeren Dünn­ schichtbreite herzustellen; diese Maßnahme ist jedoch bezüglich der Lebensdauer des MR-Elements bedenklich, denn es ist dem schleifenden Kontakt des Aufzeichnungsmediums 5 ausgesetzt und verschleißt dabei.

Aus der DE 27 44 993 A1 ist ein den Magnetwiderstand ausnutzender Lesekopf be­ kannt, dessen dynamischer Bereich an das auszulesende Signal angepaßt werden kann. Diese Einstellung erfolgt durch Variieren der Stärke des Hilfsfeldes in einem bestimmten Bereich. Die Änderung der Hilfsfeldstärke führt dabei zu einer Verän­ derung der Neigung des Widerstandssignalfeldes bei gleichbleibendem Arbeits­ punkt. Die Achse leichter Magnetisierung verläuft dabei zur größten Abmessung des Elementes parallel, wobei weiterhin eine Anzahl paralleler Äquipotentialstreifen elektrisch leitenden Werkstoffes auf einer Hauptfläche des Magnetowider­ standselementes unter einem Winkel von 35° bis 55° mit den größten Abmessungen zwischen den Kontakten vorhanden ist. Auch diese Vorrichtung vermeidet nicht die oben genannten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen den Magnetwiderstandseffekt ausnutzenden Magnetkopf anzugeben, dessen Wirkungsgrad insbesondere bei der Widergabe relativ kurzwelliger Signale verbessert wird und der gleichzeitig einem geringeren Verschleiß ausgesetzt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens zum Inhalt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Stärke des Vormagnetisie­ rungsfeldes an dem MR-Element so zu bemessen, daß in dem auf die Elementbreite bezogenen Mittelabschnitt eine magnetische Sättigung auftritt und somit eine Auf­ nahmeempfindlichkeit für ein von einem magnetischen Medium übertragenen Sig­ nalmagnetfeld auf einen an dieses Medium angrenzenden relativ schmalen Randabschnitt begrenzt bleibt.

Auf diese Weise kann ein Magnetoresistenz-Wander­ element bei guten Wiedergabeeigenschaften ausreichend breit hergestellt werden. Eine größere Breite ist aus Verschleiß­ gründen Grundbedingung für eine erhöhte Lebensdauer. Das erfindungsgemäße Wanderelement hat gegenüber herkömmlichen Elementen eine höhere Empfindlichkeit und einen überlegenen Frequenzgang.

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung auf­ weisendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den zuvor besprochenen Stand der Tech­ nik umfaßt, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Darstellung des eingangs beschriebenen Dünnschichtelements mit Magneto­ resistenz-Effekt,

Fig. 2 bis 4 eingangs erläuterte graphische Kenn­ liniendarstellungen zu dem herkömmlichen Ele­ ment von Fig. 1,

Fig. 5 eine andere vergrößerte Darstellung eines Ele­ ments gemäß Fig. 1,

Fig. 6 eine Kennliniengruppe zu dem Element von Fig. 5,

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiels eines mit einem erfindungsgemäßen MR-Element ausgerüsteten Magnetkopfes,

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht bei abgenomme­ ner Deckplatte von dem Magnetkopf aus Fig. 7,

Fig. 9A bis 9E graphische Darstellungen von Wieder­ gabesignalen des Magnetkopfs gemäß Fig. 7 bei verändertem Vormagnetisierungsfeld, und

Fig. 10 und 11 graphische Kennliniendarstellungen zu dem Magnetkopf von Fig. 7.

Erfindungsgemäß wird ein MR-Dünnschichtelement (MR = Magnetoresistenz-Effekt) in der Mitte seiner Dünn­ schicht-Breite durch ein Vormagnetisierungsfeld in die Sättigung gebracht, damit das Element im wesentlichen nur in der Nähe seiner in Kontakt mit einem magnetischen Auf­ zeichnungsmedium befindlichen Endfläche aktiv ist. Die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes wird unter Berücksich­ tigung der Dicke und Materialeigenschaften des MR-Elements sowie der Größe des anisotropen Magnetfeldes so gewählt, daß unter dem Einfluß dieses externen Magnetfeldes in dem Mittelabschnitt der Dünnschichtelement-Breite eine weit­ gehende Sättigung der Widerstandsänderung eintritt, d. h. die Kurve 8 in Fig. 6 wird sehr steil. Zur Erzielung der richtigen Vormagnetisierungswerte wie z. B. nach Kurve 6 in Fig. 6 an der Endoberfläche des MR-Elements wird ein Vormagnetisierungsfeld HB₁ mit einer Stärke von beispiels­ weise 20 000 bis 24 000 A/m gewählt; die Sättigung der Widerstands­ änderung entspricht dann in der Mitte (über die Breite ge­ sehen), Kurve 8, in manchen Fällen Kurve 7 in Fig. 6.

Der in Fig. 7 und 8 dargestellte erfindungsgemäße Magnetwandlerkopf enthält ein auf ein Substrat 11, das bei­ spielswelse aus einem Saphir hergestellt ist, aufgestäubtes U-förmiges MR-Dünnschichtelement 1, welches an beiden Enden mit Anschlüsse 12 bildenden elektrisch leitfähigen Schichten belegt ist. Das Substrat 11 und die Anschlüsse 12 sind mit einer beispielsweise in einem HF-Kathodenzerstäubungsverfahren aufgetragenen Isolierschicht 13 aus SiO₂ (Silizium-Dioxid) überdeckt, und darauf ist mittels einer Klebematerialschicht 16 ein Dauermagnet 14, der die Vormagnetisierung bewirkt, und ein Verstärkungssubstrat 15 befestigt. Die am mag­ netischen Aufzeichnungsmedium 5 anliegende Endfläche 1 a ist nach Art eines Spiegels 17 feinstbearbeitet.

Unter der Einwirkung einer Vormagnetisierung von 20 000 bis 24 000 A/m kann in den Mittelabschnitten 3 und 4 des MR- Elements, wie zuvor beschrieben, Sättigung eintreten. Die Magnetisierung ist auf die Richtung des Vormagnetisierungs­ feldes fixiert, und ein aufgenommenes Signalmagnetfeld ver­ ursacht hier keine Drehung der Magnetisierung. Dagegen kann trotz des starken Vormagnetisierungsfeldes am Rand wie bei­ spielsweise im ersten Abschnitt aufgrund des vorhandenen Entmagnetisierungsfeldes bei Aufnahme eines Signalmagnet­ feldes von dem Aufzeichnungsmedium eine Drehung der Magne­ tisierung des Elements eintreten.

Da der vorstehend beschriebene Magnetkopf eine Charak­ terstik nach Kurve 6 in Fig. 6 mit breitem Linearitätsbereich für kurzwellige magnetische Signale hat, tritt der MR-Effekt überwiegend nur im Bereich seiner mit dem Aufzeichnungsmedium 5 in Kontakt befindlichen Endoberfläche 1 a bzw. 17 auf, wo in Verbindung mit dem richtig dimensionierten Vormagnetisie­ rungsfeld besonders gute Wiedergabeeigenschaften für kurz­ wellige Signale vorhanden sind.

In den Fig. 9A bis 9E sind die Ausgangssignale eines mit dem erfindungsgemäßen MR-Dünnschichtelement gemäß Fig. 7 und 8 ausgestatteten Magnetkopfes graphisch dargestellt, welche dieser bei Aufnahme von 2-kHz-Signalen und bei unterschiedlicher Vormagnetisierungsfeldstärke H _B von jeweils 4000 A/m, 8000 A/m, 12 000 A/m, 16 000 A/m bzw. 24 000 A/m abgibt. Das MR- Dünnschichtelement 1 mit einer 5,0 µm breiten Permalloy- Dünnschicht nimmt einen Strom von 5,0 mA auf. Die beste Sig­ nalauflösung bietet dieser Kopf offensichtlich bei einer Vormagnetisierung von 24 000 A/m.

Gemäß Fig. 10 hat dieser Magnetkopf bei der hier gewählten Vormagnetisierungsfeldstärke H _B von 24 000 A/m (Kurve 20) einen wesentlich besseren Frequenzgang als bei der sonst üblichen Vormagnetisierung mit 12 000 bis 16 000 A/m (Kurve 21).

In Fig. 11 ist die gemessene Abhängigkeit des Frequenz­ gangs von der Vormagnetisierungsfeldstärke für ein Pegel­ verhältnis zwischen 2-kHz- und 20-kHz-Pegeln graphisch auf­ getragen. Die Gleichförmigkeit des Frequenzgangs stellt sich, wie ersichtlich, erst bei einer großen Feldstärke von etwa 24 000 A/m ein.

Da erfindungsgemäß der Breiteneinfluß auf den Mittel­ abschnitt des MR-Dünnschichtelements zuverlässig beseitigt wurde, kann die Schichtbreite unbedenklich nach Bedarf er­ höht werden. Da das Element durch Gleitkontakt am Aufzeich­ nungsmedium dem Verschleiß unterliegt, kann jetzt durch Ver­ größerung der Breite die Gesamtlebensdauer des Kopfes be­ trächtlich verlängert werden.

Claims (6)

1. Magnetkopf unter Ausnutzung des Magnetwiderstandseffekts mit:
einem den magnetischen Widerstandseffekt ausnutzenden Dünnschichtelement mit einer verlängerten Seite, die nahe gegenüber der Aufzeichnungsspur eines magnetischen Aufzeichnungsmediums liegt, zur Abtastung eines auf der Aufzeichnungspur aufgezeichneten Signals, wobei die verlängerte Seite in Längsrichtung liegt,
einer mit dem Element verbundenen Stromversorgungseinrichtung, die einen Stromfluß in Längsrichtung des Elements erzeugt,
dem Element verbundener Vorspannungseinrichtung, die an das Element ein DC-Vormagnetisierungsfeld anlegt, gekennzeichnet durch:
Vorrichtungen, die die Konfiguration (1) und die Lage seiner verlängerten Seite relativ zu der Vorspannungseinrichtung so gewährleisten, daß ein Entmagnetisierungsfeld erzeugt wird, das relativ hohe Intensität in einem ersten Bereich (1 a) des Elements an der verlängerten Seite und eine relativ geringe Intensität in einem zweiten, davon entfernten Bereich des Elementes aufweist, wobei die DC-Vormagnetisierungsfeldstärke so stark ist, daß sie das Element im zweiten Bereich sättigt, während der erste Bereich für ein von der Aufzeichnungspur des magnetischen Aufzeichnungsmediums (5) ausgehendes Signalmagnetfeld empfindlich bleibt.

2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichförmige Vormagnetisierungsfeld stark genug gewählt ist, um die Magnetisierung des Elements (1) im Mittelabschnitt (bezogen auf die Breite) bei Aufnahme eines Signalmagnet­ feldes von dem Aufzeichnungsmedium in die Richtung der Vormagnetisierung zu fixieren.

3. Magnetkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vor­ magnetisierungsfeld so gewählt ist, daß die Magnetisierung des MR-Elements (1) in dem Randabschnitt (bei 1 a) sich bei Aufnahme eines Signalmagnetfeldes von dem Aufzeichnungsmedium drehen kann.

4. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das MR-Dünnschichtelement (1) eine Fe-Ni-Legierung oder eine Ni-Co-Legierung enthält.

5. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungs-Magnetelement ein nahe dem MR-Element (1) angebrachter Dauermagnet (14) ist, der das gleichförmige Vormagnetisierungsfeld in einer Richtung aufrechterhält, die senkrecht zur Längsrichtung des Elements verläuft.

6. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das MR- Dünnschichtelement (1) auf einem durch einen Saphir gebildeten nicht-magnetischen Substrat (11) angeordnet ist.