FR2772965A1 - Senseur de champ magnetique et tete magnetique de lecture utilisant un tel senseur - Google Patents

Abstract

Senseur de champ magnétique et tête magnétique de lecture l'utilisant.Le senseur est du type magnétorésistance à vanne de spin avec deux couches magnétiques (31, 32) à aimantations (M1, M2) transversales.Application à la lecture d'informations enregistrées magnétiquement sur un support.

Description

SENSEUR DE CHAMP MAGNETIQUE ET TETE MAGNETIQUE
DE LECTURE UTILISANT UN TEL SENSEUR
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention a pour objet un senseur de champ magnétique et une tête magnétique de lecture utilisant un tel senseur. Elle trouve une application dans la mesure des champs magnétiques et dans la lecture d'informations enregistrées sur un support quelconque (disque, bande, etc...).

Etat de la technique antérieure
Le senseur de champ magnétique de l'invention est du type magnétorésistance à vanne de spins (en terminologie anglaise"spin-valve magnetoresistance").

Ces senseurs connus comprennent en général un empilement de couches minces avec deux couches ferromagnétiques séparées par une couche intermédiaire non magnétique et électriquement conductrice.

Un tel empilement possède une résistance qui est fonction du champ magnétique appliqué. Le passage d'un courant dans la couche intermédiaire permet de mesurer cette résistance et d'accéder ainsi au champ.

Le brevet US-A-4,949,039 délivré le 14 août 1990 à
P. GRUNBERG décrit un tel senseur, dont la structure et le fonctionnement sont illustrés sur les figures 1 et 2 annexées. Sur la figure 1, tout d'abord, on voit un empilement 10 comprenant une première couche ferromagnétique 11, une seconde couche ferromagnétique 12 et une couche intermédiaire 13 non magnétique et électriquement conductrice. Les matériaux constituant les couches ferromagnétiques 11 et 12 peuvent être le fer, le cobalt ou des alliages de ces matériaux avec notamment des corps comme Ni, Ru, Mu, Zr, B, Tb. La couche intermédiaire peut être en cuivre, en or, etc...

La première couche magnétique 11 présente une aimantation M1 qui est dirigée longitudinalement, c'est-à-dire dans la direction de la plus grande dimension du ruban constituant l'empilement. De même, pour l'aimantation M2 de la seconde couche magnétique 12. Ces deux aimantations sont de préférence antiparallèles, comme représenté sur la figure, c'està-dire que leurs sens sont opposés.

L'épaisseur de la couche intermédiaire 13 doit être suffisamment grande pour éviter un couplage direct entre les couches magnétiques 11 et 12, mais suffisamment faible pour être inférieure au libre parcours moyen des électrons de conduction. Une épaisseur de l'ordre de 5 nm convient en général.

Le phénomène physique sur lequel repose ce dispositif est lié à la diffusion des électrons dans la couche intermédiaire, diffusion dont le taux dépend de l'orientation du spin des électrons diffusés par rapport à l'aimantation avoisinante. Si les deux aimantations sont parallèles, seuls les électrons ayant le sens commun de ces aimantations sont diffusés. Avec des aimantations antiparallèles, les électrons ayant des spins orientés selon l'un ou l'autre de ces sens sont diffusés et la condition est moins contraignante.

La couche conductrice intermédiaire voit sa conductibilité diminuer du fait de la diffusion des électrons et, corrélativement, sa résistance augmenter.

La résistance est donc plus grande avec des aimantations antiparallèles. C'est généralement la disposition adoptée.

L'application d'un champ magnétique transversal à l'ensemble modifie l'orientation des aimantations comme le montre la figure 2. Le champ à mesurer y est noté H.

Les deux aimantations M1, M2 tournent légèrement
(composition vectorielle de H et de M1, M2) et l'angle qu'elles forment n'est plus rigoureusement égal à 1800. La diffusion des électrons diminue donc, la conductibilité augmente et la résistance diminue.

Ainsi, la résistance de l'empilement dépend-elle du champ appliqué. Pour mesurer cette variation de résistance, il suffit de prévoir deux conducteurs 21 et 22 reliés à une source de courant 24 pour faire circuler un courant continu I dans l'empilement (en pratique, dans la couche intermédiaire 13) et un appareil 26 apte à mesurer la tension aux bornes de l'empilement. A courant constant, la variation de tension reflète la variation de résistance, donc la valeur du champ appliqué.

Telle est du moins l'interprétation qui est donnée dans le brevet cité US-A-4,949,039.

L'antiparallélisme des aimantations peut être obtenu par exemple, en utilisant deux matériaux ferromagnétiques ayant des champs coercitifs différents pour constituer les couches 11 et 12. En appliquant un fort champ de polarisation longitudinal supérieur au plus fort des champs coercitifs on oriente les deux aimantations dans le même sens. En renversant ensuite ce champ et en lui donnant une valeur intermédiaire entre les deux champs coercitifs, on renverse l'une des almantations mais pas l'autre.

On observera que dans ce senseur de l'art antérieur, les aimantations (M1, M2) sont orientées dans des directions longitudinales, c'est-à-dire selon la plus grande dimension du ruban constituant l'empilement, (tout au moins en dehors de tout champ extérieur appliqué) et que le phénomène mis en oeuvre est la légère rotation des aimantations lors de l'application d'un champ à mesurer, champ qui est appliqué perpendiculairement aux directions des aimantations.

Dans les senseurs à vanne de spin de ce type, on peut imposer un sens fixe à l'aimantation de la première couche magnétique par l'utilisation d'un matériau à fort champ coercitif, comme TbCo par exemple, et laisser l'aimantation de la seconde couche magnétique s'orienter au gré du champ extérieur appliqué. La seconde couche est alors dite "libre" ("free layer" en anglais). La première couche peut d'ailleurs être décomposée en deux sous-couches, une couche dite piégeante ("pinning layer") et une couche piégée ("pinned layer").

On peut aussi adopter diverses variantes plus symétriques avec trois couches magnétiques séparées par deux couches non magnétiques.

Bien que donnant satisfaction à certains égards, ce type de senseur manque de sensibilité. Le but de l'invention est d'augmenter encore cette sensibilité et de proposer un autre type de fonctionnement, qui peut tre qualifié de "numérique" (ou logique).

Exposé de l'invention
Le senseur de l'invention reprend sensiblement la structure qui vient d'être décrite mais prévoit que les aimantations des couches magnétiques sont transversales et non plus longitudinales. Le champ à mesurer, s'il est toujours appliqué transversalement, se trouve donc être, cette fois, dirigé parallèlement aux aimantations. Dans ces conditions, le fonctionnement du senseur est profondément modifié : l'aimantation de la couche libre, dont le champ coercitif est choisi faible (par exemple quelques Oersteds), suit le sens du champ appliqué (lorsque celui-ci excède le champ coercitif) tandis que l'aimantation de la première couche reste dans la direction qui lui a été imposée. Les aimantations se retrouvent donc en situation soit de parallélisme soit d'antiparallélisme selon le sens du champ appliqué. L'antiparallélisme conduit à une diffusion des électrons plus forte que le parallélisme, pour les raisons évoquées plus haut, de sorte que la résistance de la couche conductrice est plus forte en configuration antiparallèle. La résistance de l'empilement peut donc prendre deux valeurs distinctes, selon le sens du champ appliqué, le basculement de l'une à l'autre s'effectuant lorsque le champ appliqué se renverse et présente une intensité supérieure au champ coercitif de la couche libre.

De façon plus précise, la présente invention a pour objet un senseur de champ magnétique du type à vanne de spin, comprenant un empilement de couches minces en forme de ruban avec une direction longitudinale et une direction transversale, cet empilement comprenant au moins une première couche magnétique avec une première aimantation ayant une première direction, une seconde couche magnétique avec une seconde aimantation libre, une couche intermédiaire non magnétique et électriquement conductrice, des moyens pour faire circuler un courant dans l'empilement et des moyens pour mesurer la résistance de l'empilement, ce senseur étant caractérisé par le fait que la première aimantation de la première couche magnétique est transversale et en ce que la seconde couche magnétique présente une aimantation elle aussi transversale dont le sens dépend de l'amplitude du champ magnétique appliqué au senseur transversalement.

Pour des raisons qui apparaîtront mieux dans la suite, la forme du ruban magnétorésistant peut s opposer, si la forme est très allongée, au maintien des aimantations dans le sens transversal. Il est donc utile de prévoir des moyens pour garantir ce caractère transverse des aimantations. L'un de ces moyens peut consister en un circuit magnétique à faible réluctance venant encadrer étroitement le ruban, en longeant des bords longitudinaux de celui-ci. De cette manière, les champs démagnétisants, qui auraient tendance à empêcher le maintien d'une aimantation transversale, sont réduits, voire supprimés.

Ce circuit magnétique à faible réluctance peut être constitué par le circuit d'une tête magnétique telle qu'elle est décrite et revendiquée dans la demande de brevet français n"97 12425 déposée le 6 octobre 1997 par le présent Demandeur.

La présente invention a donc également pour objet une tête magnétique de lecture de ce type utilisant comme élément magnétorésistant le senseur qui a été défini plus haut. De préférence, la tête utilise deux senseurs identiques placés symétriquement et ajoutant leurs effets.

Brève description des dessins
- la figure 1, déjà décrite, montre un senseur
magnétorésistif selon l'état de la technique
antérieure
- la figure 2, déjà décrite, explique le
fonctionnement de ce senseur
- la figure 3 illustre un mode de réalisation
d'un senseur conforme à l'invention ;
- les figures 4A, 4B, 4C, 4D sont des schémas
montrant les orientations respectives des
aimantations et les résistances
correspondantes
- la figure 5 illustre, en coupe, une tête
magnétique de lecture utilisant deux senseurs
conformes à l'invention ;
- la figure 6 est une vue de dessus de la partie
centrale de la tête de la figure 5
- la figure 7 montre les variations relatives de
résistance du senseur an espace libre
- la figure 8 montre ces mêmes variations lorsque
le senseur est placé dans une tête magnétique
de lecture
- les figures 9A et 9B montrent un support
d'enregistrement et le signal de lecture
correspondant obtenu par une tête magnétique
conforme à l'invention.

Exposé détaillé de modes de réalisation
On voit, sur la figure 3, un senseur selon l'invention représenté de manière schématique. Il comprend une première couche ferromagnétique 31, une seconde couche ferromagnétique 32 et une couche intermédiaire 33 non magnétique et électriquement conductrice.

Les couches magnétiques 31, 32 peuvent être en Co,
Ni, NiO, FeNi, TbCo, etc..., par exemple, et la couche intermédiaire en Cu ou Au par exemple. De manière générale, tous les matériaux connus pour réaliser des magnétorésistances à vanne de spin sont utilisables.

L'épaisseur de la couche intermédiaire est de l'ordre de 5 nm, en pratique en 1 et 10 nm. L'épaisseur des couches magnétiques est moins critique et peut aller de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres.

L'empilement peut être déposé sur un substrat de silicium.

Le senseur se complète par deux connexions électriques 41, 42, une source de courant 44 et un moyen de mesure de tension 46. Mais tout autre moyen de mesure de la résistance est possible.

L'originalité du senseur représenté sur la figure 3 est que les aimantations M1, M2 des couches magnétiques 31, 32 sont transversales. L'aimantation M1 de la couche 31 est de sens fixe, grâce à un champ coercitif élevé et un procédé de réalisation qui sera exposé plus loin. En revanche, l'aimantation de la couche 32 dépend du champ appliqué H, car la couche est libre. L'aimantation peut y être soit parallèle (M2 en trait plein), soit antiparallèle (M'2 en tireté).

Les figures 4A et 4B montrent les deux configurations possibles pour les aimantations, soit parallèle (4A), soit antiparallèle (4B). Comme expliqué plus haut, la diffusion des électrons est plus forte dans le cas de l'antiparallélisme, de sorte que la conductibilité est plus faible et la résistance plus grande. Les figures 4C et 4D montrent les valeurs des résistances correspondantes Rp (parallèle) et Rap
(antiparallèle).

La première couche magnétique de l'empilement (31 sur la figure 3) qui peut être, par exemple, en TbCo, est obtenue par dépôt sous vide sur un substrat avec application d'un fort champ magnétique transversal.

L'aimantation de cette couche va donc se trouver orientée transversalement. On dépose ensuite la couche intermédiaire 33 (en Cu par exemple), puis la seconde couche magnétique 32 (par exemple en FeNi). . Cette dernière couche peut être déposée sous le même champ magnétique que la première couche et se trouve donc orientée, elle aussi, transversalement et dans le même sens. Quand, par la suite, on grave l'empilement obtenu pour former un ruban allongé, on crée une forte anisotropie de forme qui va provoquer la rotation de l'aimantation de la couche libre 32, cette aimantation venant se placer dans le sens longitudinal du ruban, car, dans la direction transversale, le champ démagnétisant est très intense. Dans la première couche 31, cette rotation est empêchée par l'existence d'un très fort champ coercitif.

Si l'on teste un tel ruban, non incorporé dans une tête de lecture, on trouve une variation relative de résistance AR/R conforme à la figure 5. Pour un ruban de 2 um de largeur, lorsqu'on applique un champ de l'ordre de 25 à 30 Oe dans le sens transversal, on obtient une variation relative de résistance de 5 à 10%, soit une sensibilité de 0, 5E par Oersted. La courbe des variations de AR/R montre en outre une faible hystérésis. Si l'on réduit le champ appliqué,
AR/R diminue et, pour un champ nul, AR/R est sensiblement nul (à l'hystérésis près).

Ce fonctionnement n'est pas conforme à ce que l'on souhaite obtenir. En revanche, si l'on incorpore un tel ruban dans une structure magnétique appropriée le champ démagnétisant va se trouver réduit et l'aimantation de la couche libre va retrouver sa direction transversale privilégiée. Cette structure peut être celle qui est décrite dans la demande de brevet français 97 12425 du 6 octobre 1997 déposée par le présent Demandeur. La figure 6 montre, en coupe, comment se présente cette structure et la figure 7 montre, en vue de dessus, la zone centrale. Telle qu'illustrée, la structure comprend d'abord une couche magnétique 106 formant blindage, cette couche présentant une ouverture 107.

Elle comprend ensuite une couche magnétique 102 perpendiculaire au blindage 106 et constituant une sonde de champ (ou un capteur de champ) : il s'agit d'une couche mince, d'une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres (quelques centaines d'Angstrôms) et d'une hauteur de quelques centaines de nanomètres (quelques milliers d'Angstrôms) ; sa longueur, dans le sens perpendiculaire au plan de la figure, est égale à la largeur de la piste à lire. La couche 102 se prolonge par un pied 103, également magnétique. La longueur du pied 103 est la même que celle de la couche 102 ; sa hauteur est aussi de quelques centaines de nanomètres. Couche 102 et pied 103 peuvent être en alliage FeNi. Le pied 103 est avantageusement relié à la masse.

La largeur de l'ouverture 107 peut être de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. La couche mince magnétique 106 est par exemple en alliage FeNi, avec une épaisseur comprise entre 10 nm et 100 nm environ.

Ce blindage 106 définit le plan de vol 100 de la structure. La couche sonde 102 affleure sur le plan de vol 100 au centre de l'ouverture 107 et est perpendiculaire au plan de vol.

La structure illustrée se complète par deux piliers magnétiques 130, 132 disposés de part et d'autre de l'élément magnétorésistant. Eventuellement, un blindage supplémentaire 134 peut être prévu avec une couche magnétique inférieure en contact avec les deux piliers 130 et 132.

La figure 6 indique en outre la direction de l'axe de facile aimantation de certaines pièces magnétiques, à savoir le blindage 106, la couche sonde 102, le pied 103, les pièces magnétiques 130 et 132. Cette direction est marquée par une croix cerclée, ce qui signifie qu'elle est perpendiculaire au plan de la figure.

Autrement dit, la direction de facile aimantation est parallèle à la direction longitudinale de la couche sonde 102 et du pied 103.

On peut incorporer le senseur de la figure 3 dans une telle structure dans l'intervalle séparant le pied 103 de l'un des piliers magnétiques 130, 132. On peut même incorporer deux senseurs, de manière symétrique par rapport au pied 103. Ces deux senseurs portent les références 104a et 104b. Sur la figure 6, la direction de l'aimantation dans les couches minces de l'un des senseurs doit être opposée à la direction de l'aimantation dans les couches minces de l'autre senseur pour obtenir un effet cumulatif. Les intervalles G1 et G2 qui les séparent des pièces magnétiques voisines sont de quelques dizaines de nanomètres (10 à 50 nm).

Les connexions électriques permettant de mesurer les résistances de ces deux senseurs sont apparentes sur la figure 7. Deux connexions électriques 110a et 110b sont reliées à des premières extrémités des senseurs, et un pont conducteur 112 relie leurs secondes extrémités.

Un senseur incorporé dans une telle structure se comporte tout à fait différemment d'un même senseur en espace libre. En effet, en raison de la présence du pied magnétique 103 et des piliers magnétiques 130, 132 et des très faibles distances G1 et G2 séparant le senseur de ces pièces, le champ démagnétisant va quasiment disparaître et la couche libre 32 va retrouver son anisotropie magnétocristalline d'origine.

L'aimantation, qui était longitudinale devient alors transversale. Si l'on mesure à nouveau la variation relative de résistance AR/R d'un ruban placé dans de telles conditions, la courbe obtenue n'est plus celle de la figure 5 mais celle de la figure 8. On retrouve la même amplitude de variation relative de résistance (5 à 1090) mais cette variation est obtenue avec un champ beaucoup plus faible, de l'ordre de 2 Oe.

L'hystérésis se retrouve (c'est celle du champ coercitif du matériau utilisé pour constituer la couche libre 32, par exemple du FeNi) , mais avec une différence fondamentale par rapport à la figure 5 : en champ nul, la variation de résistance AR/R n'est plus nulle mais prend l'une ou l'autre des valeurs maximales marquées par le point A ou le point B sur la courbe de la figure 8. Le ruban magnétorésistant présente donc un caractère numérique (ou logique) en ce sens qu'un champ magnétique appliqué transversalement se traduit par un signal de valeur constante, quelle que soit l'intensité du champ (au-dessus du champ coercitif de la couche libre, qui est de l'ordre de l'Oersted). Autrement dit encore, la tête de lecture présente un caractère logique, avec une sortie à un niveau haut ou à un niveau bas, selon le sens du champ appliqué. La tête ne mesure plus vraiment l'intensité du champ mais détecte sa présence et son sens. La sensibilité de cette détection est très grande puisqu'elle est de l'ordre de 5 à 10% par Oersted, c'est-à-dire plus de 10 fois plus que celle d'un senseur situé hors de la tête.

A titre d'exemple, pour un ruban ayant une résistance de 50 Ohms, une variation de 5% de cette résistance correspond à 2,5 Ohms, ce qui, pour un courant de 8 mA correspond à un signal de 20 mV crête à crête. Un tel signal est 10 fois supérieur à celui des meilleures têtes connues dans l'état de l'art.

Les figures 9A et 9B montrent un signal enregistré et la forme du signal de lecture délivré par une tête magnétique de lecture selon l'invention. La figure 9A montre un support d'enregistrement 200, avec des transitions positives T1 et négatives T2. La figure 9B montre le signal de lecture obtenu avec des pics S1 correspondant aux transitions T1 et des pics S2 correspondant aux transitions T2.

Claims (8)

REVEND I CAT IONS

1. Senseur de champ magnétique du type à vanne de spin, comprenant un empilement (10, 30) de couches minces en forme de ruban avec une direction longitudinale et une direction transversale, cet empilement (10, 30) comprenant au moins une première couche magnétique (11, 31) avec une première aimantation (M1) ayant une première direction, une seconde couche magnétique (12, 32) avec une seconde aimantation libre (M2), une couche intermédiaire (13, 33) non magnétique et électriquement conductrice, des moyens (21, 22, 24) (41, 42, 44) pour faire circuler un courant dans l'empilement et des moyens (26, 46) pour mesurer la résistance de l'empilement, ce senseur étant caractérisé par le fait que la première aimantation (M1) de la première couche magnétique (31) est transversale et en ce que la seconde couche magnétique présente une aimantation (M2) elle aussi transversale dont le sens dépend de l'amplitude du champ magnétique (H) appliqué au senseur transversalement.

2. Senseur selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit magnétique à faible réluctance (106, 102, 103, 130, 132) encadrant longitudinalement l'empilement de couches (104a, 104b), ce circuit guidant le champ magnétique (H) appliqué.

3. Tête magnétique de lecture comprenant

- sur une face destinée à être placée en regard

d'un support d'enregistrement magnétique à lire, une e couche mince magnétique de blindage

(106), avec une ouverture (107), cette couche

de blindage constituant un plan de vol (100)

pour la tête,

- une couche magnétique sonde (102) disposée

perpendiculairement au plan de vol (100) et

affleurant sur le plan de vol dans l'ouverture

(107) de la couche de blindage (106), cette

couche sonde (102) ayant une direction

longitudinale,

- un pied magnétique (103), prolongeant la couche

sonde (102),

- au moins un pilier magnétique (130, 132) relié

au blindage (106), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un senseur de champ magnétique selon la revendication 1, disposé entre le pied magnétique (103) et le pilier magnétique (130, 132).

4. Tete magnétique selon la revendication 3, dans laquelle la couche mince magnétique de blindage (106), la couche magnétique sonde (102), le pied magnétique (1034) et le pilier magnétique (130, 132) présentent un axe de facile aimantation dirigé parallèlement à la direction longitudinale du (des) senseur(s).

5. Tête magnétique selon la revendication 3, comprenant deux piliers magnétiques (130, 132) reliés au blindage et deux senseurs (104a, 104b) disposés entre le pied (103) et les deux dits piliers magnétiques (103, 132), la direction de l'aimantation dans les couches minces magnétiques de l'un des deux senseurs (104a) étant opposée à la direction de l'aimantation dans les couches minces magnétiques (121) de l'autre senseur (104b).

6. Tête magnétique selon la revendication 5, comprenant en outre une couche magnétique (134) disposée sous les deux piliers magnétiques (130, 132) et en contact avec celles-ci.

7. Tête magnétique selon la revendication 5, dans laquelle les deux senseurs (104a, 104b) sont écartés du pied magnétique (103) et des deux piliers magnétiques (130, 132) par des intervalles (G1, G2) de largeur de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres.

8. Tête magnétique selon la revendication 5, dans laquelle deux premières extrémités desdites couches conductrices (123) sont reliées à des connexions électriques (llOa, 110b) et deux secondes extrémités des couches conductrices (123) des deux senseurs sont reliées électriquement par un pont conducteur (112).