DE2432259B2 - Abgeschirmter, magnetoresistiver magnetkopf - Google Patents
Abgeschirmter, magnetoresistiver magnetkopfInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen abgeschirmten magnetosistiven Magnetkopf mit mindestens einem zwischen
icm Paar einen vorgegebenen Abstand voneinander ifweisenden. aus magnetisch permeablem Material
bestehenden Abschirmelementen liegenden magnetoresistivem
Element, wobei die dem Aufzeichnungsmedium am nächsten liegenden Endflächen dieser Elemente alle
in einer Ebene liegen.
Für viele moderne Probleme sind mit Induktion arbeitende Magnetköpfe zum Aufzeichnen und Lesen
von Information auf magnetisierbaren Medien nicht allgemein anwendbar. Beispielsweise muß auf für den
Verbraucher bestimmten Behältern magnetisch codierte Information unter extremen Umgebungseinflüssen
und -bedingungen durch billige, für rauhen Betrieb geeignete Magnetköpfe gelesen und in Datenverarbeitungsanlagen
eingegeben werden. Mit Induktion arbeitende Magnetköpfe, die magnetische Flußänderungen
in elektrische Signale umsetzen, benötigen eine möglichst konstante Relativgeschwindigkeit zwischen
Magnetkopf und Aufzeichnungsmedium, was sich jedcch mit einem in einer in der Hand gehaltenen
Lesevorrichtung enthaltenen Magnetkopf nicht verwirklichen läßt. Die hohen Herstellungskosten solcher
induktiver Magnetköpfe schließt außerdem ihre Verwendung dann aus, wenn mit Beschädigung oder sogar
Diebstahl gerechnet werden muß.
B;ide Probleme, nämlich das einer konstanten
Relativgeschwindigkeit und geringer Herstellkosten, lasson sich offenbar durch ebensogut bekannte auf den
Magnetfluß (Φ) selbst, statt auf die Änderung des Magnetflusses ''' ansprechende Vorrichtungen lösen
Mit Hilfe solcher Vorrichtungen läßt sich magnetisch aufgezeichnete Information unabhängig von der Gleichmäßigkeit
der Relativbewegung /wischen Magnetkopf und Aufzeichnungsträger lesen, sie sind auch wesentlich
billiger herzustellen, da sie sich für eine Serienfertigung
eignen. Bei dem sogenannten Halleffekt bewirkt ein Magnetfeld, daß über einem Material ein Potential als
Fun<tion der Flußdichte B des Magnetfeldes auftritt, wobei ßeine Funktion von Φ ist. Mit Hallmagnetköpfen
läßt sich also rein theoretisch das Problem der konstanten Relativbewegung lösen. :rotzdem sind sie
deswegen kostspielig, weil bei diesen Magnetköpfen Schwierigkeiten mit Störsignalen, mit der Grenzfrequenz
und komplizierter Vorspannungsteehniken auftreten. Ein typischer solcher Hallmagnetkopf ist in der
US Patentschrift 33 55 727 beschrieben.
Wesentlich günstiger scheinen sich diese bei konventionellen induktiven Magnetköpfen ergebenden Probleme
durch die Verwendung des magnetoresistiven Effekts lösen zu lassen, wie er beispielsweise in der
US-Patentschrift 34 93 694 und in dem Auf'iatz mit dem
Titel »A Magnetoresistive Readout Transducer« von R. P. H u η t, veröffentlicht in IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, Band MAG-7, Nr. 1, Mär/ 1971 auf den Seiten 150 bis 154, beschrieben ist. Dort ist ein
magnetoresistiver Magnetkopf offenbart, der sowohl billig herstellbar als auch gegen die Geschwindigkeit
unempfindlich ist, mit der ein aufgezeichnetes Informationsfeld durch den Magnetkopf abgetastet wird. Der
dort offenbarte magnetoresistive Magnetkopf enthält einen dünnen, schmalen Streifen aus ferromagnetic
schem, metallischem Material geringer Anisotropie, wie z. B. Permalloy, mit der Breite von 0,025 mm und einer
Dicke in der Größenordnung von 600 Λ. In dieser AusFührungsf'orm ist das magnetoresistive Hement mit
seiner Breite senkrecht zu und unmittelbar anschließend an das Aufzeichnungsmedium in einer Stützvorrichtung
befestigt, die sowohl als Stütze als auch der Feldkonzentration und der Abschirmung dient. Die Stützvorrich-
tung tritt nur an einer Seite des magnetoresistiven
Elements auf, obwohl man möglicherweise schließen könnte, daß die Stützvorrichtung das magr.etoresistive
Element vollständig umgibt, wie dies noch weiter unten besprochen wird. Eine Vormagnetisierung, die für das
Arbeiten eines magnetoresistiven Elements erforderlich ist, wird in dieser Ausführungsform durch einen
beweglichen Pennanentmagneten geliefert. Es ist dort
ausgeführt, daß dann, wenn die Wellenlänge des aufgezeichneten Feldes in die Nähe der Höhe des
magnetoresistiven Elementes kommt, die Amplitude des Ausgangssignals rasch absinkt Weiterhin ist dort
offenbart, daß man einen Magnetkopf von überlegenen Eigenschaften erhalten würde, wenn man die Höhe des
magnetoresistiven Elements auf 0,0125 mm verringert.
In diesen beiden Veröffentlichungen ist an sich ein sehr weitgehend verbesserter Magnetkopf offenbart,
wobei jedoch zwei wesentliche Schwierigkeiten immer noch ungelöst sind:
1. Auf irgendeine Weise muß eine gesonderte magnetische Vormagnetisierung dem magnetoresistiven
Element zugeführt werden, und
2. die Höhe des magnetoresistiven Elementes muß sehr gering sein, damit dieses Element bei hohen
linearen Aufzeichnungsdichten ein brauchbares Ausgangssignal liefert.
Beide Probleme beeinflussen direkt die Brauchbarkeit
und die Herstellkosten eines kommerziell herzustellenden Magnetkopfes. Im Stande der Technik findet sich
jedoch keinerlei Hinweis darauf, wie man die Aufwendungen und Schwierigkeiten bei der Herstellung eines
magnetoresistiven Elementes von sehr geringer Höhe umgeht, das gemäß dieser Veröffentlichungen für ein
brauchbares Ausgar.gssignal notwendig ist.
Obgleich in den beiden obengenannten Veröffentlichungen
keine Angabe darüber zu finden ist. das magnetoresistive Element mit einer Stütze zu umgeben,
so kann doch die Anwesenheit einer U-förmigen Stütze abgeleitet werden und daiaus theoretisch auf den
Abstand zwischen den innenliegenden Oberflächen geschlossen werden. Ein hypothetischer Abstand läßt
sich insoweit angenähert berechnen, als ein magnetoresistive«.
Element bekannter Dicke auf einem Glassubstrat von offenbai handelsüblicher Dicke von nicht
mehr als 1 mm aufgetragen ist. Unter der Annahme, daß ein 600 Ä dickes, magnetoresistives Element zwischen
zwei Glasschichten eingebettet ist, wäre der Absttand dabei etwa 2 mm oder 20 000 000 ÄE. Dieser Abstand
ist so groß, daß er tatsächlich vernachlässigi werden
kann, und das magnetoresistive Element kann so analysiert werden, als ob es sich oberhalb des
magnetisierbaren Mediums im freien Raum befände. In
diesem Fall wird dieser bekannte Magnetkopf eine relativ schlechte räumliche Auflösung aufweisen, d. h.,
die Amplitude seines Ausgangssignals (das sich aus einem veränderlichen Strom ergibt, der im allgemeinen
proportional zu den Widerstandsänderungen als Funktion der abgeführten Flußwerte ist) wird für verschiede
nc Wellenlängen der aufgezeichneten Signale grolle Unterschiede aufweisen.
Die Höhe eines magnetoresismen Elements ist eine
Hauptveränderliche in der Bestimmung der räumlichen Auflösung. Mit abnehmender Wellenlänge wir,; ein
mutier kleinerer Teil des magnetoresistiven Elements
durch die von dem magne'.isierten Medium ausgehen
den Fkißlinien geschnitten. Damit ist auch für
abnehmende Wellenlangen das Verhältnis der Wider-■-1..Ί
känrWune <4/?(und daher der dvnamische Bereich
der Amplitude des Ausgangssignals) relativ zum Gesamtwiderstand R des magnetoresistiven Elements
gegen 0 gehend. Obgleich dies die Erkenntnis nahelegt,
daß eine Verringerung der Höhe des magnetoresistiven Elements und damit des Widerstandes R den Wirkungsgrad verbessert, so ist doch eine ausreichende
Verringerung eben dieser Höhe wegen der Schwierigkeiten in der Herstellung auf einer vernünftigen,
kommerziellen Basis nicht möglich. Man kann beispiels weise vernünftigerweise erwarten, daß der in dem
obengenannten Patent offenbarte Magnetkopf auf Wellenlängen von mehr als 1 mm beschränkt ist. Die
praktische Brauchbarkeit dieses Magnetkopfes wird aber dadurch sehr stark verringert.
is Ein weiterer Versuch, dieses allgemeine Problem
unter Verwendung von magnetoresistiven Elementen zu lösen, ist in der DT-OS 22 62 659 der Anmelderin
beschrieben. Hier wird angegeben, das magnetoresistive Element mit einem Abstand von der unmittelbaren
:o Nachbarschaft mit dem Aufzeichnungsmedium anzubringen,
um dadurch ein verbessertes Betriebsverhalter zu erreichen.
Aus dem Siand der Technik für induktive Magnetköpfe kommen jedoch keinerlei Anregung für dieses
:? Problem. Es ist allgemein bekannt, daP sich der
Wirkungsgrad eines induktiven Magnetkopfes mit zunehmender Spaltbreite verschlechtert, wenn diese
Spaltbreite relativ zur Wellenlänge des aufgezeichneten Signals groß wird Damit wird für einen gegebenen
Vj Spalt in einem induktiven Magnetkopf die Amplitude
des aufgezeichneten Signals für kürzere aufgezeichnete Wellenlängen verringert Dies ist in Kapitel 3 des
Buches »Magnetic Recording Techniques« von W. Ear! Stewart (McGraw-Hill, 1958) erläutert. Wendet man
'* die dort benutzte Analyse an. dann hätte ein praktisch
ausgeführter, normal aufgebauter induktiver Magnetkopf einen Spalt, dessen Breite 50%, im allgemeinen
jedoch näher an 25% der aufgezeichneten Wellenlänge beträgt. Die Anwendung dieser üblichen Analyse von
Magnetspalten bei induktiven Magnetköpfen auf magnetoresistive Köpfe ist wegen der konstruktiven
und theoretischen Unterschiede zwischen induktiven (Ringkern) und magnetoresistiven Magnetköpfen nicht
möglich. Obgleich diese Unterschiede allgemein bc-
!<■ kannt und vielseitig beschrieben wurden, sollen noch die
wichtigsten Unterschiede hier zusammengefaßt werden:
1. Ein induktiver Magnetkopf fühlt Hie Horizontalkomponente des aufgezeichneten Signals üb. während
>f; ein magnetoresistor Kopf die Vertikalkomponente
abfühlt.
2. In einem induktiven Magnetkopf muß ein
geschlossener, magnetischer Pfad für die horizontalen Flußkomponenten vom magnetisierten Medium über
ns magnetisch permeable Pole vorgesehen sein. Andererseits
benötigt aber ein magnetoresistives Element keinerlei Pole zum Abfühlen der Vertikalkomponente
de., magnetischen Flusses.
3. Für einen Spalt zwischen !'ölen in einem induktiven
Magnetkopf gibt es kein Analogon in einem magnete
>re sistiven Kopf, der keine Pole besitzt.
Mit magnetoresistiven Elementen arbeitende Ma gnetköpfe sind an sich ζ IV aus der DT-OS 22b3O77
bekannt. Der dort offenbarte Magnetkopf weist ein '■<
M R-Element auf, das von zwei Abschirmungen eingefaßt ist, die von dem MR-Element jeweils durch
eine isolierende Siüj-Schicht getrennt sind. Die der
1 findung zugrundeliegenden Erkenntnisse und (.leset/-
mäßigkeiten sind dort nicht offenbart. Dasselbe trifft
auch für den aus der DT-OS 22 62 659 bekannten Magnetkopf zu. Die für die Erfindung wesentlichen
Merkmale lassen sich dieser Veröffentlichung ebenfalls nicht entnehmen.
Auch der im IBM TDB, Band 15, Nr. 4. September 1972, Seiten 1206/1207 veröffentlichte Vorschlag für
einen MR-Magnetkopf liefert keinen Beitrag zur spezifischen Lösung des der Erfindung zugrunde
liegenden Problems, nämlich die Ausgangssignale eines MR-Magnetkopfes für einen großen Bereich zwischen
Amin und Amax der aufgezeichneten Signale von der
Höhe des MR-Elementes unabhängig zu machen.
Die Anmelderin hat nämlich festgestellt, daß man tatsächlich einen magnetoresistiven Kopf mit einem
wünschenswerterweise hohen magnetoresistiven Element dann herstellen kann, wenn dieses Element sehr
dicht zwischen zwei magnetisch permeablen Abschirmungselementen liegt. Die Endfläche eines jeden
Abschirmelementes und des magnetoresistiven Elements liegen in einer einzigen Ebene in der unmittelbaren
Nachbarschaft des Aufzeichnungsmediums. Die innenliegenden Kanten der Abschirmelemen'.e weisen
einen gegenseitigen Abstand auf, der kleiner ist als die kleinste aufgezeichnete Signalwellenlänge. Das magnetoresistive
Element kann in der Mitte in dem Raum zwischen den Abschirmelementen zentriert sein, und es
ist nicht notwenig, daß die Abschirmelemente miteinander verbunden sind. Versuche haben gezeigt, daß ein
derartiger Aufbau über einen vernünftigen Bereich aufgezeichneter Signalwellenlängen eine im wesentlichen
konstante Amplitude des Ausgangssignals liefert, während man bei derselben Höhe des magnetoresistiven
Elements eine unerwünscht große Amplitudenänderung über den gleichen Wellenlängenbereich erhält,
wenn keine Abschirmeiemenie benutzt werden. Weitere
Versuche haben gezeigt, daß eine weiter vergrößerte Höhe des magnetoresistiven Elements die räumliche
Auflösung des Magnetkopfes nicht wesentlich beeinflußt, solange der Abstand zwischen den Abschirmelementen
in der Größenordnung der kürzesten aufgezeichneten Wellenlänge liegt, jedoch kleiner ist als
diese. Es wird angenommen, daß die engbenachbarten Abschirmelemente alle diejenigen Flußlinien maskieren,
die nicht einem einzigen aufgezeichneten Flußübergang zugeordnet werden können. Unter Außerachtlassung
anderer bekannter Verluste ergibt diese Maskierung angenähert den gleichen Flußbeirag für alle Wellenlängen, wodurch in der Praxis der Fall ausgeschlossen wird,
daß Signale mit sehr kurzen Wellenlängen einen Fluß nur für einen kleinen Teil des Elementes liefern,
während große Wellenlängen tatsächlich das magnetoresistive Element »sättigen«.
D. h. aber, daß das der Erfindung zugrunde liegende
Problem im Prinzip dadurch gelöst wird, daß der Abstand S zwischen einander gegenüberliegenden
Flächen der magnetisch permeablen Abschirmelemente gleich groß oder kleiner ist als die Wellenlänge der
aufgezeichneten Information und daß die Höhe h des MR-Elements der Höhe der Abschirmelemente entspricht.
Dieses höhere magnetoresistive Element macht zum ersten Mal eine Großproduktion von magnetoresistiven
Elementen dadurch möglich, daß die bisher so schwierig zu überwachenden, engen Toleranzen beseitigt werden.
Die Abstände zwischen den beiden Abschirmelementen liegen etwa bei O.OOO75 mm. bei 0.001 mm, bei
0,00175 mm und bei 0,003 mm. während die aufgezeichneten Signale eine kleinste Wellenlänge von
0,00125 mm, O,OO39mm, 0,0056 mm bzw. 0,008 mm
aufweisen. Zusätzlich dazu erzielt man einen so engen Abstand der beiden Abschirmelemente dadurch, daß
s man ein besonders passives Substrat für das magnetoresistive Element wegläßt und dafür ein aktives Vormagnetisierungselement
vorsieht.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen
ίο näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale sind in den beigefügten Patentansprüchen
ebenfalls im einzelnen angegeben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. la bis Id die Flußverteilung bei verschiedenen
magnetoresistiven Magnetköpfen bekannter Bauart,
F i g. 2a und 2b die Flußverteilung bei magnetoresistiven Magnetköpfen gemäß der vorliegenden Erfindung.
F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Widerstandsverhältnisse als Funktion des magnetischen
Flusses in den Köpfen der F i g. 1 a bis 2b.
F i g. 4 ein Diagramm der Ausgangssignale bei den Magnetköpfen der Fig. 1 a bis 2b,
F i g. 5 den typischen Amplitudenverlauf der Magneiköpfe
der F i g. 1 a bis 2b und
:s Fig.6 eine dreidimensionale Querschnittsansichi
eines Mehrspur-Magnetkopfes.
Fig. la bis Id dienen der Erläuterung der Theorie der
Arbeitsweise bisher bekannter magnetoresistiver Köpfe.
xo In den Fig. la und Ib trägt ein magnetisches
Aufzeichnungsmedium 1 ein idealisiert dargestelltes,
aufgezeichnetes Signal mit einer Wellenlänge λ, die von einer willkürlich angenommenen kleinsten Wellenlänge
Amin bis zu einer willkürlich angenommenen größten Wellenlänge Amax reichen kann und einen Entsprechen
den Fluß Φ an ein magnetoresisiives Element 2 abgibt
Die Wellenlänge Amin liegt allgemein in der Größen Ordnung von etwa 0,025 mm bis herunter /u
0.00127 mm. Amax kann, abhängig von der Aufzeichnungsdichte
und von dem Aufzeichnungscode, beinahe jede beliebige Wellenlänge haben, und zwar bis zu
enendlich (z. B. bei einer NRZI-Aufzeichnung mit einer langen Serie von Nullen). Amax läßt sich auf einer
vernünftigen Wen. z. B. ein Vielfaches von Amin, etwa durch Wahl eines entsprechenden Codes begrenzen
Wie allgemein bekannt, hat das magnetoresistive Element 2 einen Nennwiderstand /?, der als Funktior
des Magnetflusses Φ, dem das Element ausgesetzt ist sich um einen Betrag ±AR ändert In Fig. la sind nui
die maximale Wellenlänge Amax und die entsprechen den Flußlinien gezeigt, während F i g. Ib nur die kleinste
Wellenlänge Amin und die entsprechenden Flußlinier zeigt In jedem Fall tritt ein niedriger Wert des Flusse:
»4>niedrig« in der Nähe des Nullpunktes des aufgezeich
neten Signals und ein höherer Flußwert »Φηοώι« an der
Punkten auf, die in der Nähe der Spitzenamplitude de: Signals liegen. Dazwischenliegende Werte sind dei
Einfachheit halber weggelassen. Das magnetoresistiv< Element hat eine Höhe von h und eine Dicke von 1
F i g. la und Ib zeigen, daß dann, wenn die Höhe h s(
gewählt ist daß »Φηοείι« an der Stelle Amax in F i g. 11
das gesamte magnetoresistive Element durchsetzt be Amin in Fig. Ib nur ein Teil des magnetoresistive]
Elements ausgenutzt wird. Das ist insofern unerwünscht
da der Betrag der Widerstandsänderung AR im Elemen
2 kleiner und daher immer weniger leicht feststellba wird. Andererseits läßt sich das Problem nich
vollständig dadurch lösen, daß man die Höhe 1
verringert, um ein besseres Ansprechverhalten bei λιπίη
zu erhalten, wie dies beispielsweise in Fig. Id dargestellt ist. da das schmalere magnetoresistivc
Element 2' dem in dem obengenannten Aufsatz von Hunt beschriebenen Emmagnetisierungseffeki ausgesetzt
ist, der die Amplitude des Ausgangssignals des Magnetkopfes herabsetzt. Dies kann zwar dadurch
kompensiert werden, daß man die Dicke t des magnetoresistiven Elementes herabsetzt, wobei allerdings
die Flußdichte B (die gleich ist) für große
Wellenlängen so groß wird, daß das inagnetoresistive
Element in die Sättigung geht. Dies Tritt bekanntlicherweise deswegen auf. weil der auf das magnetoresistive
Element einwirkende Fluß mit zunehmender Wellenlänge zunimmt. Die Abmessungen μ-und t sind in F i g. 6
gezeigt.
F i g. 2a, 2b und 3 dienen der F.rläutcrung der Theorie der Arbeitsweise der magnetoresistiven Magnetköpft
gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei Abschirmelemente 3 und 4 sind mit einem Abstand 5 entweder mit
gleichen Abständen oder aber asymmetrisch zum Element 2 angeordnet. Ist der Abstand s viel kleiner als
die Wellenlänge, beispielsweise Amax, wie in Fig. 2a
gezeigt, dann tritt die soeben beschriebene Sättigung nicht ein. selbst wenn das magnetoresistive Element 2
dünner ist. Man nimmt an. daß der Grund dafür in einem Maskeneffc.kt liegt, bei dem die Abschirmelemente 3
und 4 die Flußlinien »«^niedrig« wegen der kleineren Signalamplitude ablenken und nu · die Flußlinien
»<£hoch« wegen der höheren Signalamplitude durchlassen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Verhältnisse der Widerstandsänderung zum Widerstand für gegebene
Werte von Amin und Amax sowohl für das höhere Element 2 als auch für das kleinere Element 2' praktisch
die gleichen. Betrachtet man F i g. 2b. so sieht man. daß derselbe Aufbau bei der kürzeren Wellenlänge Amin
genauso gut arbeitet, unabhängig davon, ob das magnetoresistive Element 2 oder 2' benutzt wird.
In Fig.4 ist ein Diagramm der Ausgangssignalc
verschiedener magnetoresistiver Köpfe zum Vergleich miteinander dargestellt. Das Ausgangssignal (hier in
db-Verluste gemessen) ist eine Funktion der Widerstandsänderung AR des magnetoresistiven Elements für
einen gegebenen Bereich der Wellenlängen /.min bis Amax des aufgezeichneten Signals. Man erhält tatsächlich
völlig andere Ausgangssignale von den Magnetköpfen gemäß dem Stand der Technik (Kurven 5 und 6). als
von einem erfindungsgemäß aufgebauten Magnetkopf (Kurve 7). Kurve 5 ist für einen Magnetkopf der in
Fig. la und Ib gezeigten Art aufgetragen mit einer Höhe h von 0,015 mm. Verringert man diese Höhe h auf
0.0015 mm. verringert dies in wünschenswerter Weise den Bereich der Amplitudenänderung ddb für jedes
gegebene Amin und Amax. Ein derartiger Magnetkopf ist in den F i g. Ic und Id dargestellt und sein Ansprechverhalten zeigt Kurve 6 in F i g. 4. Man sieht jedoch sofort
aus Kurve 6, daß für kurze Wellenlängen nahe an Amin die Ausgangsamplitude unerwünscht kleine Werte
annimmt (die Verluste in db nehmen zu). Die Kurve 7,
die die Ausgangssignale für einen Magnetkopf gemäß der Erfindung (F i g. 2a und 2b) darstellt, zeigt keines der
Probleme, die sich aus Kurven 5 und 6 ergebea Ein solcher Kopf enthält ein magnetoresistives Element mit
einer Höhe Λ von 0,015 mm und zwei Abschirmelementen mit einem gegenseitigen Abstand von 0,001 mm. Die
Ausgangsamplitude schwankt über den gesamten Bereich von Amin bis Amax nur um einige wenige db. Bei
Amin von 0,0015 mm beträgt die Amplitudendifferenz nur etwa 15 db (wegen der bekannten Verluste im
Medium) der Amplitude bei Amax, doch ist die Höhe des magnetoresistiven Elementes die gleiche wie für den
durch Kurve 5 dargestellten Kopf.
Der Maskeneffekt der Abschirmelemente 3 und 4 wird in F i g. 5 mit den Verhältnissen bei den
unabgeschirmten, magnetoresistiven Elementen verglichen. Wird die von verschiedenen Teilen eines in einem
κ- magnetoresistiven Element gemäß Fig. la bis 2b
liegenden Medium aufgezeichneten Flußübergangs sich ergebende Amplitude aufgetragen, dann erhält man die
Kurve 8 und 9. Die Ordinate stellt jede relative normalisierte, '.lichtlogarithmische Signalamplitude dar.
ι s und die Abszisse stellt eine Strecke längs des Mediums 1
dar. Diese Werte kann man dadurch erhalten, daß man das Ausgangssignal eines magnetoresistiven Elementes
2 oder 2' mißt, während man gleichzeitig das Aufzeichnungsmedium oder das Element bewegt. Eine
Anordnung gemäß dem Stande der Technik, wie sie in F i g. la und Ib dargestellt ist, ergibt die breite Kurve 8,
während der abgeschirmte Magnetkopf gemäß der Erfindung (Fig. 2a und 2b) eine sehr schmale Kurve 9
ergibt.
;s Es wurde also gezeigt, daß ein abgeschirmtes,
magnetoresistives Element wesentlich besser arbeitet als ein unabgeschirmtes Element. Der Abstand der
Abschirmelemente voneinander sollte dabei in der Größenordnung von und kleiner als die kürzeste
jo Wellenlänge des aufgezeichneten Signals sein. Die
Endflächen des magnetoresistiven Elements und der Abschirmelemente in unmittelbarer Nachbarschaft des
Aufzeichnungsmediums sollten in einer einzigen Ebene parallel zum Medium liegen oder wo das Medium nicht
flach oder eben ist, senkrecht zur vertikalen Komponente des Magnetfeldes. Die Anmelderin hat dabei
gefunden, daß eine solche Konstruktion die Verwendung eines magnetoresistiven Elements mit größerer
Spaltenhöhe h, als bisher möglich war. erlaubt, wodurch die Schleif-. Läpp- und andere Fertigungsoperationen,
die bei besonders kleinen Elementen besonders schwer zu beherrschen sind, sich leichter steuern und durchführen
lassen. Außerdem gibt eine größere Höhe ft und die sich damit ergebende Umempfindlichkeit weniger
Anlaß zur Veränderung der Eigenschaften des Magnetkopfes bei Abnutzung im Betrieb.
Das hier erwähnte Medium kann jedes beliebige Material sein, das in der Lage ist. Information in Form
von Bits als magnetisierte Bereiche zu speichern. Diese Bereiche können als diskrete Bereiche angesehen
werden, wobei eine Wellenlänge durch den Abstand zwischen dem Anfang aufeinanderfolgender Bereiche
bestimmt ist In typischer Weise liegen solche Bereiche bei Aufzeichnungsdichten zwischen 100 und 50 000 Bits
pro ZoIL Eine Ebene soll hier entweder im Sinne der ebenen Geometrie oder im Sinne der Oberfläche einer
Kugel in der sphärischen Geometrie verstanden werden.
arbeitendes magnetoresistives Element zwischen Ferritblöcken eingelegt die einen Abstand s voneinander
aufweisen und einen Magnetkopf 10 bilden. Während die NebenschluB-Vormagnetisierung die Herstellung
eines solchen Magnetkopfes erleichtert (weil dadurch
andere kompliziertere äußere oder sonstige Vormagnetisierungen entfallen), und insbesondere bei einer sehr
kleinen Abmessung von s, soll doch der Schutzbereich
der Erfindung nicht auf Magnetköpfe mit durch
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ίο
Nebenschluß erzeugter Vormagnetisierung begrenzt sein. Der Magnetkopf 10 soll nur für Lesen verwendet
werden, kann natürlich leicht auch für Lesen und für Schreiben ausgestaltet sein, entsprechend der Beschreibung
in dem IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN mit dem Titel »Magnetoresistive Read/
Write Head« von G. W. B r ο c k . F. B. S h e 11 e d y ui.d
L Viele vom September 1972, Seiten 1206 bis 1207. Dabei kann jede beliebige Anzahl von Elementen,
jeweils für eine einzige Spur, vorgesehen sein.
Ein magnetoresistives Element 11 eines Materials (wie z. B. NiFe), das einen magnetoresistiven Effekt
zeigt, wird auf einem Vormagnetisierungselement 12 niedergeschlagen, das aus einem Material, wie z. B. Ti,
besteht und ein Vormagnetisierungsfeld erzeugt, das das ι s
magnetoresistive Element 11 dann durchsetzt, wenn ein
elektrischer Strom von der Quelle /über Leitungen 18 (beispielsweise aus Kupfer) sowohl das magnetoresistive
Element 11 als auch das Vormagnetisierungselement
12 über elektrisch leitende Anschlüsse 17 durchfließt. Beispielsweise kann das magnetoresistive Element aus
einer 0,00003 mm (300 Ä) starken Schicht aus Permalloy bestehen, während das Vormagnetisierungselement aus
Titan mit einer Dicke von 0.000135 mm (1350 Ä) bestehen kann, das in üblicher Weise niedergeschlagen, -5
maskiert und geätzt worden ist. Das Vormagnetisierungselement 12 bildet auch eine Klebeschicht für die
Verbindung des magnetoresistiven Elements 11 mit einer 0,0OO375mm (3750 Ä) starken Isolierschicht 13
(wie z. B. AbOj). die zuvor auf einer Seite eines
Abschirmelementes 15 niedergeschlagen wurde. Das Abschirmelement 15 kann aus irgendeinem magnetisch
permeablen Material, wie z. B. Permalloy, bestehen. Falls erwünscht, kann mehr als eine magnetoresistive
Schicht mit einem Vormagnetisierungselement kombiniert werden, wobei jedes Vormagnetisierungselement
zwischen zwei magnetoresistiven Elementen zu liegen kommen kann, ein magnetoresistives Element kann
zwischen zwei Vormagnetisierungselemente gelegt werden, zwei magnetoresistive Elemente können sich
gegenseitig die Vormagnetisierung liefern, oder jede mögliche Kombination der vorgenannten hiemente ist
möglich. Eine solche Alternative ist im IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN vom Februar 1973.
Seite 2680, beschrieben. Der dreieckige Abschnitt (einschließlich Schicht 11) kann zusätzlich benutzt
werden. Eine weitere 0,000375 mm (3750 Ä) starke Isolierschicht 14 und ein weiteres Abschirmelement 16
vervollständigen den Aufbau. Die Oberkanten der Schichten 11 und 12 liegen in der gleichen Ebene wie die
Oberkanten der Ferrit-Abschirmelemente 15 und 16
und sind daher dem Verschmieren und der Erosion sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb des
Magnetkopfs 10 ausgesetzt Wenn man daher den Einsatz weicher Materialien, wie z. B. Permalloy und
Titan, auf diese sehr dünnen Schichten beschränkt so wird dadurch die Herstellbarkeit und die Lebensdauer
des Kopfes erhöht Die Höhe h der Schichten 11 und 12
ist nicht wie beim Stande der Technik für die Auflösung des Kopfes kritisch, sollte aber für einen guten &>
Wirkungsgrad etwa auf den lOfachen Wert des Abstande« s zwischen den Abschirmelementen 15 und
16 beschränkt werden. Die obengenannten Abmessungen geben damit einen Gesamtabstand s von
0,001465 mm (14 650 A). Zusätzliche gleichartige Köpfe <>5
wurden mit Abständen von 0,00175 mm (17 500 A), 0,001 mm (10 000 A), 0,00075 mm (7500 A) und 0,003 mm
(30 000 A) aufgebaut Der gesamte Aufbau wird durch das Gehäuse 19, 20 mit Hilfe von Schrauben
zusammengehalten und auf die gewünschte Oberflächenform des Kopfspiegels abgeschliffen. Anschließend
wird der Erläuterung halber ein mögliches Herstellungsverfahren für den Kopf in Fi g. 6 beschrieben:
1. Eine Oberfläche des Ferrit-Abschirmelements 15 wird poliert und gereinigt.
2. Eine Schicht 13 aus AbO1 wird auf der so
vorbereiteten Oberfläche des Abschirmelements 15 bis zu einer Dicke von 3750 A = 0,000375 mm
niedergeschlagen.
3. Eine Titanschicht 12 wird auf der AbOi-Schieht 13
bis zu einer Stärke von 1350 Ä = 0,OOO135mm
niedergeschlagen.
4. Eine Permalloyschicht 11 («3% Nickel. 17% Eisen)
wird auf die Titanschicht 12 mit einer Dicke von 300 Ä = 0,00003 mm in einem Magnetfeld aufgetragen,
das die Domänen senkrecht zur Höhe h ausrichtet.
5. Eine relative dicke, mechanische Streifenmaske (nicht gezeigt), z. B. aus rostfreiem Stahl, die die
Abmessungen des Halses definiert, wird auf die Permalloyschicht 11 aufgelegt, um den obersten
Teil der Permalloyschicht zeitweise zu schützen.
6. Eine Kupferschicht einschließlich der Anschlüsse 17 wird mit einer Dicke von 5000 Ä = 0,0005 mm
auf die Streifenmaske sowie auf den frei liegenden Teil der Permalloyschicht 11 niedergeschlagen.
7. Eine Maske (nicht gezeigt) wird auf die im Schritt 6 aufgebrachte Kupferschicht zur Definition der
Kupferanschlüsse 17 und innerhalb der Kopfelemente in F i g. 6 aufgebracht, und ein Ätzmittel wird
angewandt.
8. Die Maske wird entfernt.
9. Der unvollständige Magnetkopf wird dadurch
geprüft, daß der in den einzelnen Elementen induzierte Strom gemessen wird, wenn der
Magnetkopf in das induktive Feld eines Induktionsschleifen-Prüfgerätes oder eines ähnlichen Prüfgerätesgebracht
wird
10. Auf die nach Schritt 8 frei liegende Oberfläche wird
dann eine Schicht AbOj mit einer Stärke von
8750 Ä oder 0,000875 mm aufgebracht.
11. Eine Maske (nicht gezeigt) wird über der
AbO j-Schicht aufgelegt, die einen Bereich über den
Kupferanschlüssen 17 frei läßt, und ein Ätzmittel wird angewandt.
12. Die Maske wird entfernt.
13. Leitungsdrähte 18 werden an den frei liegenden Bereichen der Anschlüsse 17 angebracht
14. Ein zweites Ferrit-Abschirmelement 16 mit einer
polierten und gereinigten Oberfläche wird mit dem fertiggestellten Teilaufbau, wie in Fig.6 gezeigt
zusammengefügt
15. Gehäuseteile 19 und 20 werden um die Abschirmelemente 15 und 16 herumgelegt
16. Die obenliegende Oberfläche des fertigen Aufbaus
mit Gehäuse wird auf die gewünschte Form des Kopfspiegels abgeschliffen und poliert
Selbstverständlich kann der Ablauf der einzelnen Schritte umgekehrt werden, indem man das Abschirmelement 16 anstelle vom Abschirmelement 15 für Schritt
nimmt wobei die relative Lage der benachbarten Schichten 11 und 12 ohne Bedeutung ist Die Dicke der
einzelnen Schichten kann auch so eingestellt werden, daß die Perma'Joyschicht asymmetrisch zu den Abschirmelementen liegt
Hicr/u Z Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Abgeschirmter magnetoresistiver Magnetkopf ir.it mindestens einem zwischen einem Paar einen
vorgegebenen Abstand voneinander aufweisenden, aus magnetisch permeablem Material bestehenden
Abschirmelementen liegenden magnetoresistivem Element, wobei die dem Aufzeichnungsmedium am
nächsten liegenden Endflächen dieser Elemente alle in einer Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand ^zwischen einander
gegenüberliegenden Flächen der magnetisch permeablen Abschirmelemente (3, 4, 15, 16) gleich groß
oder kleiner ist als die Wellenlänge der aufgezeichneten Information und daß die Höhe (h) des
MR-Elements (2,11) der Höhe der Abschirmelemen-Ie
entspricht.
2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das magnetoresistive Element (11) in Form einer magnetoresitiven Schicht neben einer
Schicht aus relativ leitendem Material liegt.
3. Magnetkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum
!wischen dem Abschirmelementen (15, 16) mindestens ein Vormagnetisierungslement (12) in Berührung
mit dem magnetoresismen Element (11) angeordnet ist und daß zwischen dem Abschirmeiement
(15, 16) und dem MR-Element (11) eine Isolierschicht (13, 14) aus nichtleitendem, nichtmagnetischem
Material angeordnet ist.
4. Magnetkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der
Abschirmelemente ein magnetisch permeables Ma terial aus der Klasse der Ferrite ist.
5. Magnetkopf nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Abschirmelement
(16) von dem ersten Abschirmelement (15) einen der Summe der Materialstärken der dazwischenliegenden
Elemente (11, 12, 13, 14) entsprechenden Abstand (S) aufweist, der kleiner ist als die
kürzeste Wellenlänge des genannten Wellenlängenbereichs, daß ferner ein die beiden Abschirmelemente
(15, 16) zusammenhaltendes Gehäuse (19, 20) vorgesehen ist und daß die Endflächen der
Vormagnetisierungselemente (12), der Isolierschichten (13,14). des magnetoresistiven Elements (11) und
des Gehäuses (19, 20) in der Kopfspiegelfläche liegen.
6. Magnetkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Abschirmelementen
(15, 16) in der Größenordnung von 30% bis 40% des Abstandes zwischen den aufgezeichneten
Signalen liegt.
7. Magnetkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive
Element (11) dünner ist als 0,00005 mm und eine Höhe von etwa 0,0076 bis 0,015 mm aufweist.
8. Magnetkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des MR-Elementes etwa in
der Größenordnung von 0,0000254 mm liegt.
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US39921873 | 1973-09-20 |
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DE2432259A1 (de) | 1975-04-10 |
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