CN1095153C - 磁电阻传感元件及磁电阻传感器 - Google Patents

磁电阻传感元件及磁电阻传感器 Download PDF

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Abstract

一种磁电阻(MR)传感器，包括一个形成MR传感元件的铁磁材料层，其中只利用MR条的单轴各向异性和传感元件作用区的形状各向异性偏置MR传感器。MR元件的作用区具有一般为正方形的尺寸以提供所需的形状各向异性。在MR传感器的制作中，利用形状各向异性限定传感元件作用区四边的磁化，并将易磁化轴倾斜适当角度，使MR传感器被偏置约45度。传感器作用区尺寸(即条高度和道宽度)被减小到小于特性畴壁厚度。

Description

磁电阻传感元件及磁电阻传感器
本发明一般涉及用于从磁存储设备中读取数据的薄膜磁头中的磁电阻(MR)读传感器，更具体地涉及到这样的一种MR读传感器：它利用形状的各向异性并预定义MR检测元件边缘的磁化强度，其中，MR检测元件的易磁化轴在制作期间按某个预先选择的角度倾斜，以获得对称和线性的输出。
磁记录***中MR传感器操作原理的一般描述由Tsang的“小型磁电阻传感器的磁性”(《应用物理杂志》，1984年3月15日第55(6)卷第2226-2231页)一文提供。基本上说，MR传感器通过磁电阻读元件的阻抗变化检测磁场信号，这种阻抗变化是该元件正在检测·的磁通量及其方向的函数。使用MR传感器基于以下的三个主要原因：当检测磁介质中被记录的磁通翻转时，输出电压大并且与被作用的检测电流成正比；能获得良好的线性密度分辨率；MR传感器的输出独立于传感器和介质之间的相对速度。
MR传感器通常包括一细条铁磁材料，如镍铁(NiFe)合金，沿着低矫顽性的易磁化轴被磁化。MR磁条，有时也称为stripe，一般装在磁转换器或磁头上，使得易磁化轴与磁盘记录介质转动的方向相交并且与磁盘的平面平行。来自与被存储数据位相关的磁盘的磁通引起MR磁条的磁化向量转动，而这又引起MR材料的电阻率的变化。电阻率的这种变化由流过横向触点之间的MR磁条检测到，电阻率近似于根据磁化向量和电流向量之间角度的COS平方变化。由于这种COS2的关系，如果磁化向量和电流向量最初是在一直线上，则由于磁盘的磁通使得电阻率的初始变化低而且不定向。因此，通常对易磁化轴的磁化向量或电流向量偏置约45°，以便增强磁化过程中对角度变化的响应并使传感器的输出线性化。
众所周知，在现在技术中，为使MR传感器能最佳操作，需要两个偏置磁场。如上所述，为了偏置MR检测元件，使其对磁通磁场的响应为线性的，通常需要一个横向偏磁场，该偏磁场垂直于磁介质的平面，而平行于平面MR元件的表面。MR元件通常用到的第二个偏磁场称为纵向偏磁场，该偏磁场延伸平行于磁介质的表面，也平行于MR元件的纵长方向。纵向偏置的主要目的是抑制巴克豪森噪声，这种噪声是由于在某个应用磁场中磁畴的单向运动引起的，即磁化向量的相关转动不一致并受到抑制，并取决于畴壁的运动。从而偏磁场在MR检测元件的作用区中维持单一的磁畴，从而消除了这种噪声机制。纵向偏磁场的第二个目的是在高磁场激励下提高磁稳定性。纵向偏磁场通常由硬磁或交替耦合偏置的反铁磁/铁磁提供。
横向偏磁场通常由流过软磁材料层的电流提供，软磁材料层邻近MR元件并由一个薄的磁隔离层分开。这种提供横向偏磁场的方法有一个主要的缺点：相当大的一部分MR元件检测电流被邻近传感器元件的传导层分流走了。其结果是减少了所有的磁阻(ΔR/R)，因而降低了灵敏度。在检测电流和易磁化轴磁化向量之间设置角度的另一种方法称为“理发师的标杆(barber pole)”，该方法利用通过MR磁条形成的传导带，由于相对易磁化轴倾斜，因此也改变电流向量相对于易磁化轴磁向量的方向。然而，当不存在检测电流的分流时，“理发师的标杆”设计的缺点是：MR传感器元件的有效长度小于传感器导线接点之间的纵向距离。“理发师的标杆”设计还要求精确的平版印刷处理，以形成倾斜的传导带。
Greg S.Mowry发表的题目为“非线性的磁电阻传感器”的美国专利第4841398号中提出了一种MR传感器，该传感器具有一个能在中央作用区中提供稳定的单个磁畴的定形的检测元件。在一个最佳实施例中没有利用横向偏置，因此消除了“理发师标杆”配置，以提供一种其检测元件磁化向量平行于检测电流向量并且按照非线性的响应方式操作的MR传感器。在另一个实施例中，被连接到其中央作用区端点的检测元件上的被倾斜的电接触器或导线改变了检测电流向量的方向，以提供传感器的线性操作。此外，Mowry还提出通过规定检测元件的形状来提供倾斜的易磁化轴，以及倾斜的电导线来提供线性操作。
因此，本发明的主要目的是提供一种具有增强灵敏度的磁电阻(MR)读传感器。
本发明的另一个目的是提供这样的一种MR读传感器：既能实现MR传感器的稳定和线性操作，又不需要横向偏置层及其磁隔离层。
根据本发明的原理，MR读传感器包括形成MR检测元件的一个磁电阻材料层，其中MR传感器被偏置只需利用MR磁条的单轴各向异性和检测元件中央作用区的形状各向异性。MR元件的中央作用区通常为正方形，以提供所需的形状各向异性。MR传感器被偏置约45°是通过定义检测元件作用区的四个边上的磁化强度来实现的，而对磁化强度的定义则是利用其形状各向异性并在MR传感器制作期间对易磁化轴倾斜某个适当的角度。为了使巴克豪森噪声达到最小，通过减少传感器作用区的面积来实现单个磁畴的配置(作用区的面积即为磁条的高度和磁道的宽度)，把面积减小到小于特性畴壁的厚度，使得多磁畴的形式不再是很讨人喜欢的一种形式。
在本发明的MR传感器中，为了得到对称和线性响应所需的适当偏置，不需要再利用对电流分流的横向偏置层。因此，全部的检测电流都能通过MR检测元件并得到MR传感器的最大灵敏度。
具体地讲，本发明的技术方案为如下：
本发明提供一种磁电阻传感元件，其特征在于包括一个具有一般限定为正方形的平面尺寸的铁磁材料层，选择平面尺寸小于铁磁层中磁畴奈尔壁的厚度，铁磁层的磁化在其边缘上具有一个预定取向，各向异性的磁化轴取向为与铁磁层的纵向轴约呈45度。
本发明还提供种具有被中央作用区隔开的端区的磁电阻传感器，中央作用区响应被截断的磁场，产生表示中央作用区中阻抗变化的一种信号，其特征在于包括：
一个淀积在衬底上并至少延伸过中央作用区的铁磁材料层，在中央作用区中的铁磁层具有一个一般限定为正方形的平面尺寸，平面尺寸小于铁磁层中磁畴奈尔壁的厚度，铁磁层的磁化在中央作用区的边缘上具有一个预定取向，各向异性的磁化轴取向为与铁磁层的纵向轴约呈45度；以及
淀积在磁电阻传感器的端区上并且接触铁磁层的电导线，电导线延伸到中央作用区的对边，中央作用区的水平尺寸由导线的边界决定。
通过下面对本发明最佳实施例的详细描述，并引用附图，将能够更好地了解本发明的上述和其他的目的、特征和优点，在附图中，同样的引用数字将表示相同的部分。在这些附图中：
图1是体现本发明的磁盘存储***的简图；
图2说明了现有技术中薄膜MR传感器的结构；
图3是根据本发明的原理说明MR检测元件的磁化(强度)；
图4把畴壁的厚度表示为镍铁层厚度的函数；
图5是一张表，把边缘偏置的MR传感器的几何参数表示为记录密度的函数；
图6说明根据本发明原理的MR传感器的一个最佳实施例；
图7说明对于一个具有1.4μm高度的磁条来说，MR偏置角度和MR磁条几何比的函数关系；
图8具有条高1.2μm和磁道宽度为1.0μm的边缘偏置MR传感器的响应(特性曲线)；
图9是气体轴承表面上的一个截面图，说明根据本发明原理的另一个边缘偏置MR传感器的最佳实施例；
图10是一个顶视图，说明图9所示的MR传感器的端部和中央区的磁化强度。
现在参图1，虽然本发明的描述体现在图1所示的磁盘存储***中，但显然本发明也同样适用于其他的磁记录***，如磁带记录***。至少有一个可转动的磁盘12装在主轴14上并由磁盘驱动电机18转动。每个磁盘上的磁记录介质都采用磁盘12上的同轴数据磁道的环形模式(图中没有表示)。
至少有一个浮动块13被放在磁盘12上，每个浮动块13支持一个或多个磁读/写转换器21，该转换器通常被称为读/写磁头。当磁盘转动时，浮动块13在磁盘表面22上快速地进出移动，因此，磁头21能访问所需数据被记录的磁盘不同部分。每个浮动块13通过悬浮物15连接到一个传动臂19，悬浮物15提供一个微子的弹力，使浮动块13偏向磁盘表面22。每个传动臂19连接一个传动装置27。传动装置(如图1所示)可以是一个音图电机(VCM)，音图电机包括了在某个固定磁场中的一个可移动线圈，线圈移动的方向和速度由控制器提供的电机电流信号所控制。
在磁盘存储***操作期间，磁盘12的转动在浮动块13和磁盘表面22之间产生一个气体轴承，在浮动块上施加一个向上的力。因此，气体轴承抵销了悬浮物15的微小弹力，并通过操作过程中一个微小和基本不变的空间运动浮动块13离开并稍微在磁盘表面之上方。
磁盘存储***各部分的操作由控制器29产生的控制信号所控制，例如访问控制信号和内部时钟信号。控制器29通常包括逻辑控制电路，存储装置和一个微处理器。控制器29产生各种控制信号来控制***的各种操作，例如线23上的驱动电机控制信号和线28上的磁头定位和导道控制信号。线28上的控制信号提供所需的电流曲线来最佳地移动并定位一个被选择的浮动块13到相关磁盘12上的所需数据磁道。读和写信号通过记录通道25送到读/写磁头21(或从读/写磁头21送出来)。
上面结合图1对一个典型磁盘存储***的描述仅仅是为了表达的需要，显然，磁盘存储***可包括大量的磁盘和传动装置，而每个传动装置又可以支持许多浮动块。
现在参看图2，这是如美国专利4663685中描述的现有技术中的一种薄膜MR传感器30，它包括一个中央作用区34，把无源端区36和38分开。淀积在衬底32上的一个软磁材料层形成了横向偏置层31。间隔层33、MR层35和反铁磁层39被顺序淀积到横向偏置层31之上，反铁磁层39被摹制来只在端区36和38中重迭和接触MR层35。电导线41被安排只在端区36和38中重迭和接触MR层。连接在导线36和38之间的电流源43在中央区34中提供一个检测电流，其中的一部分产生横向偏磁场，用以在MR传感器中产生一个线性响应。由铁磁材料(如Ni81Fe19)形成的MR层35提供了一个输出电流，该电流使能记录通道25中的一个独立的检测电路，来决定MR层中的阻抗变化。阻抗变化是由MR层35截断、表示被记录在磁存储介质22上的数据的磁场变化的函数。
为了保证MR层35具有单轴各向异性，在MR层35上形成了反铁磁层39。反铁磁层39具有一个有序的铜金-I(CuAu-I)结构(即面心正方形(fet)结构)的反铁磁θ相位的锰合金，最好是镍锰。反铁磁层39建立了一个与铁磁MR层35耦合的界面交换，这导致了MR层中的纵向交换偏磁场(HUA)，并在MR层35中建立了单一的磁畴。MR层中单一磁畴状态的存在对于抑制同显示多磁畴状态的MR材料相关的巴克豪森噪声是至关重要的。
横向偏置层31提供了一个通常垂直于介质22的磁场，以便在不平行于介质22的方向上稍微偏置MR层35中的磁场。这个横向偏磁场把MR层35维持在一个线性响应的方式中，使得电流输出基本上是阻抗变化的一个线性函数。横向偏置层31由一个薄的非磁性间隔层(如钽)隔开了MR层35。
如上所述，检测电流的一部分被横向偏置层31分流，用以为MR传感器产生一个横向偏置磁场。此外，由于间隔层33通常是由具有相当高的电阻率材料组成的(如高电阻率相位的钽)，因此，一部分检测电流也被这个间隔层分流了。因此，只有一部分检测电流流过MR检测元件35的作用区，从而导致了较低的输出信号并降低了灵敏度。
现在参考图3、图4和图5，通过定义具有合适的单轴各向异性HK的MR传感器作用区边界的磁化强度来实现根据本发明原理的一个边界偏置MR传感器。图3给出了一个具有单轴各向异性HK(如箭头53所指示的)并且一般为正方形的边界偏置MR检测元件50。对于其作用区基本上是一个正方形的MR传感器来说，所产生的各向异性磁场偏置MR传感器约45°，并且不需要任何其他的磁性层来提供传感器作用区中的横向偏磁场。为了增强按45°或其他更好的面向度来面向各向异性磁场的趋势，在传感器的制作期间MR检测元件50的易磁化轴也可以被设置为相对于传感器纵向轴的45°角。例如，在淀积之后，MR检测元件50可以在具有所要的面向度或其他使用了这一技术中已知的技术的磁场中退火。被横向偏置层31和间隔层33分流的情况将会消失，从而实现了全部利用MR传感器层ΔR/R的目的。
为了实现单磁畴配置，MR检测元件50的几何图形(即磁条高(h)、磁道宽(Tw)，如图10所示)被选择为小于特性畴壁的厚度，使封闭磁畴的形式不再是一种好的形式。在每种薄膜中(如厚度小于约200A的薄膜)，只能看到奈尔壁，在奈尔壁中，磁力矩在薄膜的平面中转动。图4给出了奈尔壁厚度与镍铁薄膜厚度(Ni20Fe80合金薄膜)的对比图，根据S.Middlehoek在1964年4月第34卷4号《应用物理杂志》第1054-1059页中题为“镍铁薄膜中的畴壁”一文中所提供的计算和测量数据。图5把各种数据记录密度所要求的MR传感器(作用区)的几何参数同奈尔壁的厚度(从图4所示的数据中提取)进行了比较。从图5中显然可以看出，随着记录密度的增加，MR传感器的几何图形正好在奈尔壁的厚度之中。
现在再看图6、图7和图8，给出了根据本发明的MR传感器最佳实施例。MR传感器60包括在一个铁磁材料的MR层61和在MR层某一端上形成的导线63。传感器的作用区62由MR层61上的导线结构63的重迭所定义。在该最佳实施例中，MR层61是一个具有结构为Ta(50)/NiFe(150)/Ta(50)的多层薄膜，其中Ta(钽)层为NiFe(镍铁)层提供了保护，防止侵蚀以及在随后的处理和使用中的其他各种不好的影响。然而，正如在这一技术中所知道的，MR检测层可以使用任何合适的铁磁材料，如Fe(铁)，Ni(镍)、Co(钴)或由这些元素组成的磁合金。同样，导线也包括一个具有结构为Ta(200)/AuNi(600)/Ta(200)的多层薄膜，但可以是任何合适的传导材料，如Au或Cu。适当选择MR层作用区62的面积，使得MR层的磁晶各向异性能提供一个所需的偏磁场，该磁场相对于纵向轴倾斜约45°角，而不用其他的纵向或横向偏置机制。
具有图6中的各种面积的结构的磁电阻传感器被制作和测试，以便决定传感器几何图形对磁畴稳定性和偏置磁场角度的影响。在屏蔽MR传感器的2×4矩阵上进行薄片级的测试，MR传感器的MR磁条高度为1.4和2.3μm，磁道宽度为1.0、2.0、4.0和10μm，厚度为150的镍铁MR层。图7给出了偏磁场角(相于MR传感器60的水平轴)和MR磁条高对磁道宽度之比的函数关系，传感器的MR磁条高为1.4μm。当传感器作用区62变成基本为正方形时，即磁道的宽度从10μm被减到1.0μm，传感器从非偏置的变成约45°的偏磁场角度。图7还表明，随着MR传感器几何比的变化，尤其在所需的45°偏磁场角度的周围，偏磁场的面向度将很快地变化。
图8给出了具有MR磁条高1.2μm，磁道宽1.0μm和MR层厚度为150的重叠的边界偏置MR传感器60的准静态响应曲线。作用到该MR传感器的检测电流为6毫安。响应曲线是线性的表明该传感器已被适当地偏置。响应曲线也表明：在曲线的某些部分中出现微小的滞后现象，这说明可能存在残留的磁壁结构。为了最小化滞后现象并提高偏磁场的稳定性，当MR传感器的作用区面积大于奈尔壁的厚度时(正如被说明的这种情况)，通过在传感器的导线区61中加入交换偏置或硬偏置层，就能为作用区62提供一个微弱的纵向偏磁场。
现在参看图9和图10，这里给出了根据本发明的第二个最佳实施例。MR传感器90包括一个铁磁材料的MR层91(如Ni80Fe20)，一个反铁磁材料(如MnFe或NiMn)的钉扎层93(被摹制来只复盖MR传感器的无源区或端区94)，以及合适传导材料(如Au或Cu)的传导线95(在传感器端区94中的钉扎层上形成的)。此外，钉扎层93可以是某种硬磁材料，例如CoNi，CoPt或它们和Cr的合金。MR传感器90在衬底98上形成(衬底98为Si或陶瓷材料)，而在衬底表面之上和MR层91之下又形成了一个所需材料(如Ta)的隔离或籽晶层96。在制作过程中，MR层91被放在一个具有在所需方向上面向MR层易磁化轴的所需的面向度的磁场中。此外，其他合适的方法(例如在这一技术中已知的在磁场中退火的方法)也可以用来设置易磁化轴的面向度。正如在这一技术中已知的，其他的材料层(如磁屏蔽层)也可以被淀积在MR层91和衬底98之间。
传感器作用区92的面积是使用该MR传感器的磁存储***中数据存储密度的函数。例如，如图5所示，对于约2Gb/in2的记录密度，MR层91的作用区将具有约1.0μm的磁道宽度Tw，约0.6μm的磁条高度h和约120的厚度。反铁磁钉扎层93的厚度在约50至300A的范围内。
MR传感器90通过导线95和101被耦合到电流源99和信号检测与处理电路97上。电流源99提供一个检测电流到MR层91的作用区92。为了响应某个作用的磁信号(如对图1和图2的引用所描述的那样)而由MR传感器产生的输出信号在检测电路96中被处理。
作用区或磁道边缘103上的MR层磁化强度被固定或“被别住”，通过交换耦合到反铁磁的钉扎层93，以便防止在边界103上磁力矩的转换或转动。为了最小化或消除在角落和其他的几何断点上的磁奇异性，MR层91延伸为一个经过传感器作用区92和传感器端区94的连续薄膜。
虽然本发明是以引用其最佳实施例的方式来具体说明和描述的，但熟悉这方面技术的人将会理解：其中的形式和细节都可以进行各种变化，而不会脱离本发明的精神、范围和讲授。因此，这里所提出的发明仅仅被认为是说明，只受附加的权利要求书中所给出的范围的限制。

Claims (9)

1.一种磁电阻传感元件，其特征在于包括一个正方形的铁磁材料层，选择所述正方形的边长小于所述铁磁层中磁畴奈尔壁的厚度，所述铁磁层的磁化在其边缘上具有一个取向，各向异性的易磁化轴取向为与所述铁磁层的纵向轴呈45度。
2.权利要求1的磁电阻传感元件，其特征在于所述铁磁材料是从铁、镍、钴和铁、镍或钴合金中选择的。
3.权利要求2的磁电阻传感元件，其特征在于所述铁磁层是包含铁和镍的一种合金。
4.一种具有被中央作用区隔开的端区的磁电阻传感器，所述中央作用区响应被截断的磁场，产生表示所述中央作用区中阻抗变化的一种信号，其特征在于包括：
一个淀积在衬底上并至少延伸过所述中央作用区的铁磁材料层，在所述中央作用区中的所述铁磁层为正方形，所述正方形的边长小于所述铁磁层中磁畴奈尔壁的厚度，所述铁磁层的磁化在所述中央作用区的边缘上具有一个取向，各向异性的易磁化轴取向为与所述铁磁层的纵向轴呈45度；以及
淀积在所述磁电阻传感器的所述端区上并且接触所述铁磁层的电导线，所述电导线延伸到所述中央作用区的对边，所述中央作用区的水平尺寸由所述导线的边界决定。
5.权利要求4的磁电阻传感器，其特征在于所述铁磁材料是从铁、镍、钴和铁、镍或钴合金中选择的。
6.权利要求5的磁电阻传感器，其特征在于所述铁磁层是包含铁和镍的一种合金。
7.权利要求4的磁电阻传感器，其特征在于所述导线是从金、银、铜、钽及其传导合金中选择的一种电传导材料。
8.权利要求4的磁电阻传感器，其特征在于所述的每个导线包括一个钽的衬底、在所述衬底上形成的一个金镍合金的传导层和在所述传导层上形成的一个钽的表层。
9.权利要求4的磁电阻传感器，其特征在于包括一个只延伸过所述端区的磁偏置材料层。
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