DE69801767T2

DE69801767T2 - Magnetfeldfühler mit magnetowiderstand

Info

Publication number: DE69801767T2
Application number: DE69801767T
Authority: DE
Inventors: Marc Aid; Jean-Baptiste Albertini
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-04-01
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2018-04-01
Also published as: EP1023608B1; JP2001517309A; WO1998044359A1; DE69801767D1; EP1023608A1; FR2761477A1; US6388846B1; FR2761477B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung hat einen Magnetfeldfühler mit Magnetowiderstand zum Gegenstand. Ihre Hauptanwendung ist das Messen schwacher Felder, von einem Nanotesla bis einige Millitesla, und das magnetische Aufzeichnen, insbesondere für das Lesen.

Stand der Technik

Ein Magnetfeldfühler mit Magnetowiderstand ist eine Vorrichtung, die schematisch einen Magnetkreis mit einem Hauptspalt umfasst, fähig das zu messende Feld zu detektieren, und einem Sekundärspalt (oder Lesespalt), verbunden mit einem Magnetowiderstand. (In bestimmten Fällen fallen der Hauptspalt und der Sekundärspalt zusammen). Das detektierte Magnetfeld wird durch den Magnetkreis kanalisiert und in den Sekundärspalt mit dem Magnetowiderstand eingekoppelt. Der Widerstand dieses letzteren ist abhängig von dem ihn durchquerenden Feld, sodass das Messen dieses Widerstands ermöglicht, zu dem detektierten Feld zu gelangen bzw. es zu erhalten.
Solche Fühler können diverse Formen haben und sich insbesondere als Dünnschichten- Magnetköpfe präsentieren, die sowohl Leseköpfe als auch Schreibköpfe sind. Bei einem Dünnschichten-Magnetkopf wird der Magnetkreis durch eine oder zwei Schichten von geringer Dicke gebildet (typisch in der Mikrometer-Größenordnung) aus einem Material mit hoher Permeabilität. Ein Dünnschichten-Magnetkopf kann eine waagrechte Struktur aufweisen, wenn die Ebene der Dünnschichten im Betrieb parallel zum Aufzeichnungsträger ist (Platte oder Band), oder eine senkrechte Struktur, wenn diese Ebene senkrecht zum Aufzeichnungsträger ist. Jeden dieser Kopftypen kann man für einen Schreibbetrieb des induktiven Typs auslegen, indem man in einer das Magnetfeld umgebenden leitenden Spule einen Strom fließen lässt.
Der Magnetowiderstand, der zum Lesen dient, wird entsprechend einer in dieser Technik üblichen Abkürzung in der Folge mit MR bezeichnet.
Die beigefügte Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Dünnschichten-Magnetkopfs des waagrechten Typs, so wie beschrieben in dem Dokument FR-A-2 712 420. In dieser Figur sieht man ein Substrat 10, eine hintere Magnetschicht 12, zwei magnetische Säulen 16-1, 16- 2, zwei einen Sekundärspalt 22 definierende magnetische Zwischenschichten 20-1, 20-2, wobei diese Schichten 20-1, 20-2 am Spalt 22 schmaler sind als bei den Säulen 16-1, 16-2 und derart als Feldkonzentratoren wirken. Ein Magnetowiderstand 24 ist quer zum Sekundärspalt 22 angeordnet und ein Polarisationsleiter 26 befindet sich über ihm. Zwei Polstücke 28-1, 28-2 definieren einen Hauptspalt 30. Eine Leiterspule 18 umgibt die Säulen 16-1, 16-2. Dieser Kopf ist fähig, sich relativ in Bezug auf einen magnetischen Aufzeichnungsträger 40 zu bewegen.
Das Dokument FR-A-2 712 420 nimmt Bezug auf andere Dünnschichten-Magnetköpfe des waagrechten Typs, wo der MR in der Nähe des Hauptspalts angeordnet ist, oder in der Nähe eines in der hinteren Magnetschicht vorgesehenen Spalts.
Außerdem beschreibt der Artikel "Magnetoresitive Head for High Density Magnetic Recording" von K. YAMADA, veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Translation Journal on Magnetics in Japan", Vol. 8, Nr. 4, April 1993, Seiten 260-268, einen Magnetkopf des waagrechten Typs, der in der beigefügten Fig. 2 dargestellt ist. Dort sieht man einen Kopf mit einem Magnetkreis, der zwei Polstücke 50-1, 50-2 umfasst, getrennt durch einen Hauptspalt 52, zwei Seitenarme 54-1, 54-2 und einen hinteren Schluss-Teil 56. Zwei Sekundärspalte sind in den Seitenarmen vorgesehen, wo zwei MR 60-1, 60-2 angeordnet sind.
Der Aufzeichnungsträger 70 befindet sich dem Kopf gegenüber, der senkrecht zum genannten Träger ist.
Neben diesen Fühlern in Schreib-Lese-Magnetkopfform gibt es einfachere Fühler, gebildet durch einen MR, angeordnet zwischen zwei Magnetschirmen. Der Magnetkreis ist folglich reduziert auf diese beiden Schirme.
Der Artikel "Effect of Magnetic Saturation on Reproducing Charakteristics of Magnetoresistive Heads" von HIROTSUGU FUKUOKA et al., veröffentlicht in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. 30, Nr. 4, Juli 1994, Seiten 1345-1349, beschreibt einen Fühler, der in der beigefügten Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Fühler umfasst zwei Magnetschirme 70-1, 70-2 und einen Magnetowiderstand 72. Ein Leiter 75 befindet sich auf diesem MR 72. Das Ganze bewegt sich vor einem Aufzeichnungsträger 80. In gewisser Weise fällt der Hauptspalt, der das vom Träger stammende Feld detektiert, mit dem den MR enthaltenden Sekundärspalt zusammen.
Der schon zitierte Artikel von R. YAMADA beschreibt auch eine solche Vorrichtung.
Bei den Magnetfeldfühlern, deren MR sich im Hauptspalt befindet, besteht das Risiko, dass sich der MR sättigt, wobei das Risiko bei den Magnetköpfen mit Lese- und Schreibbetrieb noch größer ist.
Außerdem weisen alle Fühler nach dem Stand der Technik Nachteile auf. Bei Magnetköpfen wie dem der Fig. 1 existieren Streuungen des Magnetfelds, die das Messsignal schwächen. Bei denen nach der Fig. 2 existieren diese Streuungen ebenfalls und außerdem verfügt man über wenig Platz zur Unterbringung des MR. Bei den Fühlern nach der Fig. 3 befindet sich der MR zu nahe beim Aufzeichnungsträger, was zu einem schnellen Verschleiß von diesem führt und außerdem zu Überschlagproblemen. Die Größe des MR ist außerdem durch die Größe des Spalts begrenzt, der seinerseits abhängig ist von der Dichte der auf dem Träger aufgezeichneten Information.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
Das Dokument EP-A-0 501 603 beschreibt einen Magnetkopf mit zwei einen Hauptspalt abgrenzenden Polstücken, einem MR und einem Flussleiter, der nicht zum Magnetkreis gehört, sondern eine zusätzliche Einrichtung im bzw. am Hauptspalt bildet.
Das Dokument US-A-5,583,726 beschreibt einen Magnetkopf mit Magnetowiderstand mit wieder einem Flussleiter und einem MR, abgeschieden am Ende dieses Leiters.
Das Dokument US-A-5,436,779 beschreibt einen MR-Transducer mit einem unteren Magnetstück und einer oberen Magnetschicht. Ein Sekundärspalt ist ausgebildet und einem MR zugeordnet.

Darstellung der Erfindung

Nach der Erfindung verbreitert sich der Magnetkreis in Richtung Sekundärspalt, dort wo der MR angeordnet ist, um die Feldverluste zu minimieren (der aktive Fluss, d. h. der den MR durchquerende, ist maximal) und dabei den für die Anordnung des MR verfügbaren Platz zu maximieren (was das Signal und den Geräuschabstand vergrößert). Auch werden dadurch die Risiken der Sättigung reduziert aufgrund der Abnahme des Feldes in Höhe des Sekundärspalts. Bis heute hat der Fachmann dazu tendiert, das Magnetfeld in dem MR zu konzentrieren und folglich den Querschnitt des Magnetkreises zu verringern, der beim Lesespalt als Leiter dient, um den Fluss in Höhe des Fühlers zu erhöhen. Dies ist in der schon beschriebenen Fig. 1 deutlich zu sehen, wo die Schichten 20-1, 20-2 die Rolle der Konzentratoren spielen. Indem er dies tat, erhöhte er auch die Reluktanz des Magnetkreises und die Sättigungsrisiken des MR. Mit anderen Worten versuchte der Fachmann, das Niveau des Feldes zu erhöhen, um das Signal zu verstärken. Die Originalidee der Erfindung besteht darin, den Integrationsquerschnitt zu vergrößern, indem man von der Tatsache profitiert, dass die MRs das Signal in ihrem Volumen integrieren. Nach der Erfindung verbreitert man also den Magnetkreis in Höhe des Lesespalts.
Noch genauer hat die vorliegende Erfindung einen Magnetfeldfühler zum Gegenstand, der einen Magnetkreis mit einem Hauptspalt umfasst, der von dem zu detektierenden Feld durchquert werden kann, wobei dieser Magnetkreis von wenigstens einem mit einem MR versehenen Sekundärspalt unterbrochen wird und dieser Fühler dabei dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnetkreis beiderseits des Sekundärspalts eine ausgeweitete Form aufweist, indem er sich in Richtung dieses Sekundärspalts verbreitert.
Der erfindungsgemäße Fühler kann diverse Formen annehmen, z. B. die allgemeine Form der Dünnschichten-Magnetköpfe des horizontalen Typs, oder diejenige der Dünnschichten-Magnetköpfe des vertikalen Typs, oder auch die Form der Magnetschirm- Fühler.

Kurzbeschreibung der Figuren

- Die Fig. 1, schon beschrieben, zeigt einen horizontalen Dünnschichten-Magnetkopf,
- die Fig. 2, schon beschrieben, zeigt einen vertikalen Magnetkopf nach dem Stand der Technik,
- die Fig. 3, schon beschrieben, zeigt einen Fühler, gebildet durch einen Magnetowiderstand zwischen zwei Schirmen nach dem Stand der Technik,
- die Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsart der Erfindung entsprechend einem Dünnschichten-Magnetkopf des horizontalen Typs im Schnitt,
- die Fig. 5 zeigt als Draufsicht die Verbreiterung des Magnetkreises in Richtung Sekundärspalt,
- die Fig. 6 zeigt im Schnitt eine Variante des horizontalen Dünnschichten-Magnetkopfs mit sich verbreiternden magnetischen Zwischenschichten,
- die Fig. 7 zeigt als Draufsicht die sich verbreiternden magnetischen Zwischenschichten,
- die Fig. 8 zeigt eine andere einfache Variante im Schnitt,
- die Fig. 9 zeigt eine zweite einem vertikalen Magnetkopf entsprechende Ausführungsart,
- die Fig. 10 zeigt eine Variante eines vertikalen Magnetkopfs mit direkt hinter dem Hauptspalt befindlichem Sekundärspalt,
- die Fig. 11 zeigt eine weitere, vereinfachte Variante,
- die Fig. 12 zeigt eine andere Magnetschirm-Variante.

Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten

Nach einer ersten Ausführungsart, dargestellt in den Fig. 4 bis 8, hat der Fühler die allgemeine Form eines horizontalen Dünnschichten-Magnetkopfes. In der Fig. 4 sieht man zunächst - dem Kopf der Fig. 1 entsprechend - einen Fühler mit einem Substrat 10, einer hinteren Magnetschicht, zwei magnetischen Pfeilern 16-1, 16-2 und einer vorderen Magnetschicht mit zwei Polstücken 28-1, 28-2, getrennt durch einen Hauptspalt 30. Der Kopf bewegt sich vor einem zu den Ebenen der Schichten parallelen Aufzeichnungsträger 40.
Die Neuartigkeit des in der Fig. 4 dargestellten Fühlers besteht darin, dass die magnetischen Schichten 12-1 und 12-2, die den Sekundärspalt 15 abgrenzen, sich in Richtung Spalt verbreitern, was in der Fig. 5 noch besser zu sehen ist. In letzterer Figur sind aus Gründen der Vereinfachung nur die Stücke 12-1 und 12-2, der Sekundärspalt 15 und der zugeordnete MR 25 dargestellt.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Variante, wo der Kopf zwei magnetische Zwischenschichten 20-1, 20-2 umfasst, angeordnet zwischen den Polstücken 28-1, 28-2 und der vertikalen Magnetschicht 12, wobei diese Zwischenschichten den mit dem MR 25 versehenen Sekundärspalt 22 abgrenzen. Die sich verbreiternde Form der Schichten 20-1, 20- 2 ist in der Fig. 7 besser zu sehen, die eine Draufsicht ist.
Bei dieser Variante ist es möglich, um die hintere Schicht 12 eine leitende Spule 19 zu wickeln oder eine integrierte Spule des Solenoid-Typs zu realisieren. Man könnte diese Spule ebenso gut um die magnetischen Pfeiler 16-1, 16-2 herum vorsehen, wie bei dem Kopf der Fig. 1.
Ein sehr einfacher Fühler ist in der Fig. 8 dargestellt, wo es nur noch eine einzige Magnetschicht mit ihren beiden Polstücken 28-1, 20-2 gibt, die durch den Hauptspalt 30 getrennt sind, und eine hintere Magnetschicht, gebildet durch die beiden sich verbreiternden Teile 20-1, 20-2, getrennt durch den Sekundärspalt 22. Die sich verbreiternden Teile 20-1, 20- 2 der Fig. 8 können die in der Fig. 7 dargestellte Form haben.
Nach einer zweiten Ausführungsart, dargestellt durch die Fig. 9, 10 und 11, haben die Fühler die allgemeine Form eines vertikalen Magnetkopfs. In der Fig. 9 sieht man einen Fühler mit zwei Polstücken 50-1, 50-2, die einen Hauptspalt 52 abgrenzen, zwei Seitenzweigen 54-1, 54-2, eventuell umgeben von einer Spule des Solenoid-Typs, und einen hinteren Zweig, gebildet durch die beiden Teile 56-1, 56-2, die sich beiderseits eines Sekundärspalts 57 verbreitern. Der Magnetowiderstand 58 ist mit diesem Spalt gekoppelt. Alle magnetischen Teile können durch Abscheidung und Ätzung einer magnetischen Schicht realisiert werden, deren Ebene senkrecht zu dem Aufzeichnungsträger 70 ist.
Bei einer Variante dieser Ausführungsart ist der Sekundärspalt in wenigstens einem der Seitenzweige vorgesehen, wobei der MR mit diesem Spalt gekoppelt ist. Wenn jeder Seitenzweig einen Sekundärspalt aufweist, dann ist jedem dieser Spalte ein MR zugeordnet.
Bei der in der Fig. 10 dargestellten Variante ist der hintere Zweig 56 aus einem Stück und es sind die beiden Seitenzweige, die durch zwei sich verbreiternde Teile 51-1, 51-2 verlängert werden, die den Sekundärspalt 59 definieren. Der Sekundärspalt 59 ist breiter (die Breite gesehen in der Richtung der Relativbewegung des Trägers 79) als der Hauptspalt 52.
Im Falle der Fig. 10 kann eine Spule 58 um den Schluss-Zweig 56 herum gewickelt werden.
Die Fig. 11 zeigt noch eine andere Variante, wo der Fühler nur zwei Polstücke 50-1, 50-2 und zwei Seitenzweige 54-1, 54-2 umfasst, wobei die Innenränder dieser letzteren den Sekundärspalt 61 definieren.
Die Fig. 12 schließlich zeigt einen Fühlertyp mit einem MR zwischen zwei Magnetschirmen. Erfindungsgemäß haben diese Schirme eine sich verbreiternde Form und der MR 72 befindet sich zwischen diesen Schirmen.
Unabhängig von der Ausführungsform kann der Magnetowiderstand in dem Sekundärspalt oder auf oder unter diesem Spalt angeordnet sein.
Der Magnetowiderstand kann entweder Im Transversalbetrieb oder im Longitudina- Ibetrieb arbeiten. Er kann in bestimmten Teilen im Longitudinalbetrieb arbeiten und in anderen Teilen im Transversalbetrieb. Dies ist bei denjenigen der dargestellten Varianten der Fall, wo der Magnetowiderstand Mäanderform aufweist. Der MR kann auch eine parallelepipedische Form haben (Transversalbetrieb).
Der Magnetowiderstand kann durch eine einzige Schicht oder durch eine Rieseneffekt- Multischicht gebildet werden.

Claims

1. Magnetfeldfühler, einen Magnetkreis (12-1, 12-2, 16-1, 16-2, 28-1, 28-2), (50-1, 50- 2, 54-1, 54-2, 56-1, 56-2), (20-1, 20-2, 28-1, 28-2) mit einem Hauptspalt (30, 52) umfassend, den das zu fühlende bzw. zu detektierende Magnetfeld durchqueren kann, wobei dieser Magnetkreis durch wenigstens einen Sekundärspalt (15, 57, 22, 53) unterbrochen wird, der mit einem Magnetowiderstand (25, 55, 72) versehen ist, und dieser Fühler dabei dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnetkreis eine ausweitete Form beiderseits des Sekundärspalte (15, 22, 57, 59, 61) aufweist, indem er sich in Höhe des genannten Sekundärspalts verbreitert.

2. Fühler nach Anspruch 1, die Struktur eines horizontalen Magnetkopfs mit einem Magnetkreis aufweisend, der wenigstens eine Magnetschicht mit zwei durch den Hauptspalt (30) getrennten Polschuhen (28-1, 28-2) und eine hintere Magnetschicht (12-1, 12-2) umfasst, die mit der vorderen Magnetschicht gekoppelt ist, wobei diese vordere und hintere Magnetschicht in parallelen Ebenen angeordnet sind und der Kopf dazu bestimmt ist, mit einem magnetischen Aufzeichnungsträger (40) zusammenzuwirken, der parallel zu diesen Ebenen angeordnet ist.

3. Fühler nach Anspruch 2, bei dem die vordere Magnetschicht (28-1, 28-2) und die hintere Magnetschicht (12-1, 12-2) durch zwei magnetische Elemente (16-1, 16-2) verbunden sind.

4. Fühler nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei dem der den Magnetkreis unterbrechende Sekundärspalt (15) sich in der hinteren Magnetschicht befindet, wobei diese zwei ausgeweitete Teile (12-1, 12-2) beiderseits des Sekundärspalts (15) aufweist.

5. Fühler nach Anspruch 3, bei dem der Magnetkreis außerdem zwei magnetische Zwischenschichten (20-1, 20-2) aufweist, angeordnet zwischen der vorderen Magnetschicht (28-1, 28-2) und der hinteren Magnetschicht (12), wobei diese beiden magnetischen Zwischenschichten mit den magnetischen Elementen (16-1, 16-2) in Kontakt sind und durch den genannten Sekundärspalt (22) voneinander getrennt sind, und diese beiden magnetischen Zwischenschichten (20-1, 20-2) ausgeweitete Teile beiderseits des Sekundärspalts (22) aufweisen.

6. Fühler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Magnetkreis mit einer leitenden Spule (19) verbunden ist.

7. Fühler nach Anspruch 2, bei dem der Magnetkreis nur eine vordere Magnetschicht (28-1, 28-2) mit dem Hauptspalt (30) und nur eine durch den Sekundärspalt (22) unterbrochene hintere Magnetschicht (20-1, 20-2) umfasst.

8. Fühler nach Anspruch 1 mit einer Struktur eines vertikalen Magnetkopfs, wobei der Magnetkreis eine in einer Ebene angeordnete Magnetschicht (50-1, 50-2, 54-1, 54-2, 56-1, 56- 2) umfasst und der Kopf dazu bestimmt ist, mit einem zu dieser Ebene senkrechten magnetischen Aufzeichnungsträger (70) verbunden zu werden.

9. Fühler nach Anspruch 8, bei dem der Magnetkreis zwei durch den Hauptspalt (52) getrennte Polschuhe (50-1, 50-2), zwei seitliche Zweig (54-1, 54-2) und einen den Kreis schließenden hinteren Zweig (56-1, 56-2) umfasst.

10. Fühler nach Anspruch 9, bei dem der den Magnetkreis unterbrechende Sekundärspalt (57) in dem hinteren, den Kreis schließenden Zweig vorgesehen ist, wobei dieser Zweig zwei ausgeweitete Teile (56-1, 56-2) beiderseits des Sekundärspalts (57) umfasst.

11. Fühler nach Anspruch 9, bei dem der den Magnetkreis unterbrechende Sekundärspalt in einem der seitlichen Zweige (54-1, 54-2) vorgesehen ist.

12. Fühler nach Anspruch 9, bei dem die seitlichen Zweige (54-1, 54-2) zwei sich gegenüberstehende ausgeweitete Teile (51-1, 51-2) aufweisen und der Sekundärspalt (61) zwischen diesen ausgeweiteten Teilen (51-1, 51-2) vorgesehen und hinter dem Hauptspalt (52) angeordnet ist.

13. Fühler nach Anspruch 12, bei der Sekundärspalt (59) breiter ist als der Hauptspalt (52).

14. Fühler nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem der Magnetkreis (56) mit wenigstens einer leitenden Wicklung (58) versehen ist.

15. Fühler nach Anspruch 8, bei dem der Magnetkreis nur die beiden durch den Hauptspalt (52) getrennten Polstücke (50-1, 50-2) und zwei seitliche Zweige (54-1, 54-2) umfasst, wobei diese beiden seitlichen Zweige durch den genannten Sekundärspalt (61) voneinander getrennt sind.

16. Fühler nach Anspruch 1, bei dem der Hauptspalt und der Sekundärspalt zusammenfallen.

17. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) in dem Sekundärspalt (15, 22, 57, 59, 61) angeordnet ist.

18. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) über oder unter dem Sekundärspalt (15, 22, 57, 59, 61) angeordnet ist.

19. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) im Transversalbetrieb arbeitet.

20. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) im Longitudinalbetrieb arbeitet.

21. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) in bestimmten Teilen im Transversalbetrieb arbeitet und in anderen bestimmten Teilen im Longitudinalbetrieb.

22. Fühler nach Anspruch 21, bei dem der Magnetowiderstand (25, 55, 72) eine Mäanderform aufweist.

23. Fühler nach Anspruch 1 mit einem Magnetowiderstand (72), umrahmt bzw. eingeschlossen durch zwei magnetische Schirme (71-1, 71-2), die eine sich konisch erweiternde Form aufweisen.