NL1011679C2 - Magnetische flux-sensor. - Google Patents

Description

Titel: Magnetische flux-sensor

De uitvinding heeft betrekking op een magnetische flux-sensor die is opgebouwd uit een lagenstructuur, welke sensor een magnetoresistief sensorelement omvat, dat deel uitmaakt van een laag in de lagenstructuur en dat is 5 opgenomen in een meetstroomketen, alsmede een biasstroomketen voor het opwekken van een biasveld in het sensorelement.

Een dergelijke sensor is bekend uit EP 0 725 388. In een zo'n sensor wordt door een magnetoresistieve laag een 10 meetstroom gestuurd, waarbij de weerstand van deze laag verandert bij een veranderend extern magnetisch veld. De magnetoresistieve laag heeft de vorm van een strip, en wordt ook wel MR-strip genoemd. Essentieel voor het optimaal functioneren van een magnetische flux-sensor is 15 het instellen van de juiste hoek tussen de richting van de meetstroom en de magnetisatie in de MR-strip van het sensorelement. Diverse methoden zijn hiervoor bekend zoals het instellen van een biasveld door middel van een aparte, elektrisch gescheiden biaswinding laag, door middel van 20 barberpole biasing, waarbij dwars op de magnetoresistieve laag onder een bepaalde hoek zogenaamde kortsluitstrips zijn aangebracht, waardoor de stroom door de magnetoresistieve laag onder een hoek ten opzichte van de MR-striprichting wordt geforceerd, of door middel van 25 shuntbiasing, waarbij de stroom wordt verdeeld over de magnetoresistieve laag en een daarop aangebrachte niet magnetische, elektrisch geleidende shuntlaag, of door het instellen van een biasveld via een nabij gelegen magnetische laag (SAL: soft adjacent layer) of door het 30 instellen van een biasveld via een magnetische voorkeursrichting die gedraaid is ten opzichte van de MR- 1 ·) .

2 striprichting. Bij gebruik van deze methoden dient altijd rekening te worden gehouden met het zogenaamde "selfbiasing" effect dat wordt veroorzaakt door het veld dat door de meetstroom in de sensor wordt opgewekt in 5 wisselwerking met nabij gelegen magnetisch materiaal. Dit "selfbias"-veld is, afhankelijk van de richting van de meetstroom en de plaats van het magnetische materiaal, tegen het biasveld in of met dit veld mee. Variaties in het "selfbias"-veld zijn van invloed op het instellen van het 10 werkpunt door middel van een biasveld. Een belangrijke parameter die de grootte van het "selfbias"-effect bepaalt, is de dikte van de magnetoresistieve laag in de sensor. Beheersing van deze dikte is daarom van groot belang teneinde een reproduceerbaar werkpunt voor de sensor te 15 verkrijgen. Omdat vanwege beperkingen in het vervaardigingsproces een exact reproduceerbare dikte van de magnetoresistieve laag niet is te realiseren, bestaat de behoefte het biasveld te compenseren voor een wisselende dikte van de magnetoresistieve laag. Een bekende oplossing, 20 zoals bijvoorbeeld beschreven in het eerder genoemde EP 0 725 388 bestaat uit een eerste geleider die in serie is geschakeld met het sensorelement, welke geleider een biasveld opwekt, en een tweede geleider die parallel met deze geleider is geschakeld. Op deze wijze wordt een 25 opstelling bereikt, die kan compenseren voor de variërende dikte van de magnetoresistieve laag, omdat de tweede geleider een weerstand kan worden gegeven, die een optimum werkpunt instelt.

Nadeel van de bekende magnetische flux-sensor is 30 echter, dat de grootte van de aan te brengen instelweerstand experimenteel moet worden vastgesteld. Deze instelling kan op verschillende manieren worden bereikt: door een regelchip, door handmatige instelling van het biasveld per kop in elk systeem, door een instelketen voor 1 0 1 i a 7 o 3 de bias op een printplaat of door een vaste instelling waarbij niet wordt gecorrigeerd voor variërende dikte van de laag. Alle methoden hebben als nadeel, dat geen rechtstreekse terugkoppeling bestaat met de dikte van het 5 sensorelement.

De uitvinding heeft als doel dit nadeel op te lossen of te verminderen door het vereenvoudigen van de instelling van het werkpunt van een magnetische flux-sensor. Tevens wordt een verbeterde werking van de sensor nagestreefd. Dit 10 doel wordt bereikt doordat in de biasstroomketen een referentieweerstand is opgenomen, die overeenkomstig is gestructureerd met en zich bevindt in dezelfde laag als het sensorelement. Dit heeft als gevolg dat een eenvoudiger instelling van het werkpunt van de magnetische flux-sensor 15 mogelijk is, dat het aantal processtappen van de vervaardiging van de magnetische kop met de bijbehorende aanstuurelectronica kan worden teruggebracht en dat het aantal benodigde onderdelen van de magnetische kop kan worden verminderd.

20 'In het bijzonder kan tijdens het aanbrengen van de magnetoresistieve laag voor de magnetische flux-sensor een gedeelte van deze laag worden gereserveerd voor het opnemen in de biasstroomketen van een aldus overeenkomstig gestructureerde weerstand.

25 Deze referentieweerstand wordt in dezelfde processtap als die van het aanbrengen van een magnetoresistieve laag gerealiseerd, zodat deze een gelijke dikte en samenstelling heeft als het sensorelement. De biasweerstand wordt zo gevormd samen met het 30 overeenkomstige sensorelement, zonder dat een aparte biasweerstand afzonderlijk behoeft te worden vervaardigd en ingesteld.

Bij voorkeur is de keten van de biasstroom gescheiden van die van de meetstroom, zodat de 10 116 7 9 4 biasstroomketen geheel kan worden ingericht voor het genereren van een optimaal biasveld.

Met name is het effect van terugkoppeling van de laagdikte optimaal in het geval dat een vaste spanning 5 wordt aangelegd over de biasstroomketen, omdat naarmate de magnetoresistieve laag dunner is, de referentieweerstand een hogere weerstand zal hebben. De corresponderende biasstroom zal bij een vaste spanning een evenredig lagere waarde hebben, zodat een kleiner biasveld wordt opgewekt, 10 dat bij de kleinere laagdikte van het sensorelement is benodigd voor een overeenkomstig lagere werkpuntinstelling.

De uitvinding kan in het bijzonder worden toegepast bij magnetische flux-sensoren van het AMR- (anisotropic magnetoresistive) of het GMR- (giant magnetoresistive) 15 type, omdat voor deze typen het bovengenoemde koppelingseffeet van laagdikte en biasveld geldt.

Een geschikte toepassing van een magnetische flux-sensor volgens de uitvinding is om deze te integreren in een magnetische kop voor het aftasten van een magnetisch 20 oppervlak door in de lagenstructuur tevens fluxgeleiders op te nemen. De biasstroom in een biasstroomgeleider, die het biasveld opwekt in het sensorelement, is daarbij parallel gericht met de meetstroom.

Een geschikte plaats voor deze stroomgeleider is de 25 plaats tussen de fluxgeleider en het sensorelement, of aan de van de fluxgeleider afgekeerde zijde van het sensorelement.

De uitvinding is ook geschikt voor toepassing in een zogenaamde meerkanaalskop, dat wil zeggen een magneetkop 30 geschikt voor het uitlezen van meerdere parallelle kanalen. In dit geval wordt met voordeel bereikt, dat slechts één biasstroomketen benodigd is voor het genereren van een biasveld in de respectieve sensoren, waarbij de 10 1 16 7 9 5 terugkoppeling wordt gerealiseerd met behulp van één referentieweerstand volgens de uitvinding.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een recorder voor het uitlezen van informatie die is opgeslagen 5 op een magnetisch oppervlak, zoals diskdrives of taperecorders, waarin is voorzien in een dergelijke magneetkop.

De bovenstaande doelen en voordelen van de uitvinding kunnen beter worden begrepen bij het in 10 aanmerking nemen van de volgende meer gedetailleerde beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm onder verwijzing naar bijgevoegde tekening waarin:

Figuur 1 een weergave is van een voorkeursuitvoeringvorm van de magnetische flux-sensor 15 volgens de uitvinding, toegepast in een magneetkop van het yoke type;

Figuur 2 een doorsnede is volgens de lijn I-I in figuur 1;

Figuur 3 een karakteristiek is van de spanning over 20 het' sensorelement in relatie met de magneetflux door het sensorelement voor afzonderlijke dikten van het sensorelement;

Figuur 4 een weergave is van het stroomschema van de magnetische flux-sensor volgens de uitvinding.

25 Figuur 5 een andere weergave is van een voorkeursuitvoeringsvorm van de magnetische flux-sensor volgens de uitvinding toegepast in een meerkanaalskop van het yoke type;

In de magneetkop van figuur 1 is een sensorelement 30 3a weergegeven als onderdeel van de meetstroomketen met aansluitstrips 2a en 2b. De biasstroomketen voor dit sensorelement wordt gevormd door de aansluitstrips la, lb en de corresponderende referentieweerstand 3b, die dezelfde dikte heeft en uit dezelfde laag is gevormd als het 10 116 7 9 6 sensorelement. Het sensorelement is in magnetische verbinding met een fluxgeleider 4a. Een corresponderende fluxgeleider, die zich aan de achterzijde van de magnetische flux-sensor bevindt, is weergegeven met 5 verwijzingscijfer 4b. Het samenstel 4a en 4b vormt een zogenaamd yoke. Verwijzingscijfer 5 duidt het magnetische tape aan met daarin opgeslagen de informatie die door de magnetische flux-sensor wordt uitgelezen. De stromen van de biasstroomketen en de meetstroomketen zijn parallel, en 10 loodrecht op de flux die door de fluxgeleider loopt en die afkomstig is van het magnetisch tape 5. Het biasveld dat wordt opgewekt, is overwegend evenwijdig met de richting van de flux. In het sensorelement is een voorkeursrichting (zogenaamde easy axis) van de magnetoresistieve laag 15 evenwijdig met de richting van de meetstroom ISense- Door het aanbrengen van het biasveld wordt het inwendige veld van de magneetlaag gedraaid, zodat een verandering van weerstand optreedt, en een overeenkomstige verandering van spanning over het element. Door het aanbrengen van de 20 juiste biasspanning Vbias wordt het werkpunt van de magnetische flux-sensor ingesteld.

In figuur 2 is de opbouw weergegeven van de lagenstructuur van de magneetkop van figuur 1, langs de lijn I-I. In de figuur is te zien dat de laag, waaruit de 25 referentieweerstand 3b is gevormd, deel uitmaakt van dezelfde laag, als waaruit het sensorelement 3a is opgebouwd. Tevens geven de pijlen door het sensorelement 3a de fluxstroom weer, dia van het magnetische tape 5 via de fluxgeleider 4a in het sensorelement komt. Het biasveld in 30 het sensorelement wordt opgewekt in de stroomgeleider 1, die is gelegen tussen fluxgeleider 4a en het sensorelement 3a .

Als weergegeven in figuur 3, is een verschuiving in het optimale werkpunt waar te nemen wegens een variatie in 1 o ί 1 n 7 o 7 de dikte van de laag van het sensorelement. Een grotere gevoeligheid voor fluxveranderingen wordt bereikt bij dunnere magnetoresistieve lagen. Het werkpunt ligt hierbij evenredig veel lager. In de figuur duidt verwijzingscijfer 5 7 een zeer dunne laag, verwijzingscijfer 8 een laag van gemiddelde dikte en verwijzingscijfer 9 een dikkere laag. Zoals is te zien, verschuiven de daarbij respectievelijk behorende werkpunten 7a, 8a en 9a. Een karakteristiek volgens een lijn 7 heeft een zeer moeilijk in te stellen 10 werkpunt, en een karakteristiek volgens lijn 9 reageert relatief weinig op kleine fluxveranderingen. Een optimale karakteristiek is er één volgens lijn 8. Bij deze karakteristiek hoort een bepaalde dikte van de magnetoresistieve laag. Voor de afwijkingen in deze dikte, 15 ontstaan door variaties binnen de tolerantie van het productieproces, kan worden gecorrigeerd met een referentieweerstand volgens de uitvinding.

Figuur 4 is een vereenvoudigde weergave van het stroomschema, waarbij dezelfde onderdelen dezelfde 20 verWijzingscijfers hebben als in figuur 1. In deze figuur zijn de biasstroomketen en de meetstroomketen afzonderlijk weergegeven, met de biasstroomketen gevormd door een vaste spanning Vbias, aansluit strips la en lb en een referentieweerstand 3b, die een hogere weerstand heeft 25 naarmate de magnetoresistieve laag dunner is. De corresponderende biasstroom zal evenredig lager zijn, zodat een lager biasveld wordt opgewekt, dat benodigd is voor een lagere werkpuntinstelling. De meetstroomketen wordt hierbij gevormd door aansluitstrips 2a en 2b voor de meetstroom 30 Tsenser en het sensorelement 3a, dat correspondeert met de referentieweerstand 3b.

Tot slot geeft figuur 5 een andere voorkeursuitvoeringsvorm weer, toegepast in een meerkanaalskop voor het uitlezen van informatie van 10 1:379 8 meerdere parallelle kanalen. In de figuur bevat de magneetkop vier sensorelementen, en evenzoveel aansluitstrips 2a, 2a', 2a" en 2a"' en 2b, 2b', 2b", 2b'" voor de meetstromen Is, Is', Is", Is"' . In een gangbare 5 meerkanaalskop kan het aantal sensorelementen enige tientallen bedragen. De sensorelementen 3a, 3a', 3a", 3a'" zijn gevormd uit dezelfde magnetoresistieve laag, en kunnen dus met dezelfde biasstroom op hun werkpunt worden ingesteld, welke biasstroom vloeit door aansluitstrips la, 10 lb en de enkele corresponderende referentieweerstand 3b. De fluxgeleiders van de respectieve sensorelementen zijn aangeduid met verwi j zingsci j fer 4a, 4a’, 4a", 4a'", waarbij de achterzijde van de fluxgeleider niet is afgebeeld. Het magnetisch tape wordt aangegeven met verwijzingscijfer 5.

15 De uitvinding is niet beperkt tot de aan de hand van de tekening beschreven uitvoeringsvoorbeelden, doch omvat allerlei variaties hierop, uiteraard voor zover deze vallen binnen de beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies. Met nadruk zij er op gewezen dat, hoewel de 20 uitvoeringsvoorbeelden van de aanvrage betrekking hebben op magneetkoppen van het yoke type, de uitvinding ook toepassing heeft in magneetkoppen van het shielded type, . zoals bijvoorbeeld is beschreven in EP 0 725 388 en dat de uitvinding voorts betrekking heeft op taperecorders, hard 25 disks, etc, waarin magneetkoppen volgens de uitvinding worden toegepast.

I 0 1 1 » 7 9

Claims (11)

1. Magnetische flux-sensor die is opgebouwd uit een lagenstructuur, welke sensor een magnetoresistief sensorelement omvat, dat deel uitmaakt van een laag in de lagenstructuur en dat is opgenomen in een meetstroomketen, alsmede een biasstroomketen voor het opwekken van een biasveld in het sensorelement, met het kenmerk, dat in de biasstroomketen een referentieweerstand is opgenomen, die overeenkomstig is gestructureerd met en zich bevindt in dezelfde laag als het sensorelement.

2. Magnetische flux-sensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de referentieweerstand eenzelfde samenstelling en dikte heeft als het sensorelement, en daarmee gelijktijdig is vervaardigd.

3. Magnetische flux-sensor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de meetstroomketen en de biasstroomketen elektrisch zijn gescheiden.

4. Magnetische flux-sensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat over de biasstroomketen een vaste spanning wordt aangelegd.

5. Magnetische flux-sensor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het sensorelement kan bestaan uit een AMR-of een GMR-element.

6. Magneetkop, voorzien van fluxgeleiders en een magnetische flux-sensor volgens een der voorgaande conclusies, die in de lagenstructuur zijn geïntegreerd.

7. Magneetkop volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de stroom door de biasstroomketen parallel is gericht aan de stroom door de meetstroomketen.

8. Magneetkop volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat een fluxgeleider is gelegen tussen het sensorelement en een geleiderlaag, die deel uitmaakt van de biasstroomketen. 10 116 7 9

9. Magneetkop volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het sensorelement is gelegen tussen een geleiderlaag, die deel uitmaakt van de biasstroomketen en een fluxgeleider.

10. Magneetkop volgens conclusie 5-8, voor het parallel uitlezen van informatie in meerdere kanalen met behulp van evenzoveel sensorelementen als kanalen, welke sensorelementen in één laag van een lagenstructuur zijn geïntegreerd, met het kenmerk, dat één biasstroomketen een biasveld in de sensorelementen opwekt.

11. Recorder met magneetkop volgens één van conclusies 6- 10. 10 11679