DE2442565C2 - Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf - Google Patents

Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf gemäß dem Ober- so begriff des Anspruchs 1.
Magnetoresistive Signalwandler, hergestellt mittels Verfahren aus der Technologie dünner Schichten, sind Mittel, um in magnetischen Aufzeichnungsgeräten eine höhere Aufzeichnungsdichte zu erzielen. Solche Wandler sind klein und arbeiten unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Wandler und magnetischem Aufzeichnungsmedium. Thermische Schwankungen verursachen allerdings in magnetoresistiven Fühlelementen Widerstandsänderungen, die sich als Störsignale bemerkbar machen. Es müssen deshalb für magnetoresistive Signalwandler Schutzvorkehrungen eingeführt werden, um die Anfälligkeit für Störsignale zu vermindern und einen annehmbaren Geräuschabstand zu erzielen.
Ein Magnetkopf, der ein Lösungskonzept zur Eliminierung von Gleichtakt-Störsignalen verwirklicht und von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, ist im »IBM-Technical Disclosure Bulletin«, Bd. 15 Nr.9. Februar 1973 auf der Seite 2680 von R. L. O'Day beschrieben und hier zum Zwecke der Erläuterung in F i g. 1 schematisch wiedergegeben. Diese Veröffentlichung mit dem Titei »Balanced magnetic head«, beschreibt einen Lesekopf mit zwei magnetoresistiven (MR) Elementen 10 und 11 mit einem zentralen Stromleiter 13. Der Vorspannstrom 1& weicher durch den genannten Leiter 13 Hießt, dient dazu, beide magnetoresistiven Fühlelemente vorzumagnetisieren. Die MR -Elemente sind mit den zwei Widerständen R zu einer Brückenschaltung zusammengeschlossen. Eine Spannungsquelle 19, weiche an die Verbindung der zwei Widerstände geschlossen ist, erzeugt einen Lesestrom is, der die MÄ-EIemente durchfließt Das Ausgangssignal der Brücke gelangt an einen Differenzverstärker 18, der die Differenz des Spannungsabfalles über den beiden MÄ-Elementen erfaßt und so die Signale ausscheidet, weiche beispielsweise durch Temperaturschwankungen erzeugt werden.
Diese bereits bekannte Struktur benötigt also einen Vorspannstrom der den zentralen Leiter durchfließt, zusätzlich zum Lesestrom der jedes magnetoresistive Element durchfließt. Der Vorspannstrom muß ein Vormagnetisierungsfeld erzeugen, das etwa 0,7mal den Wert des gesamten anisotropen Magnetfeldes erreicht Das genannte anisotrope Feld setzt sich aus einer induzierten Anisotropie, die während der Schichtherstellung entsteht, und einer Form-Anisotropie zusammen, die in ihrer Stärke von der Geometrie der Fühlelemente abhängig ist Für magnetoresistive Schichten aus Permalloy mit geeigneter Geometrie ist ein induziertes anisotropes Feld von 5 Oersted typisch. Das mit der Form-Anisotropie zusammenhängende F=Id beträgt etwa, 40 Oersted für Schichten, die durch einen relativ dicken Leiter getrennt und daher magnetostatisch miteinander nicht gekoppelt sind.
Das benötigte Vormagnetisierungsfeld muß also eine Stärke von etwa 31 Oersted cufwefcm. was einen Vorspannstrom bedingt, der wesentlich größer ist als die Erregerströme, welche für die vorliegende Erfindung erforderlich sind. Wegen des großen benötigten Vorspannstroms wird in den Λ/Λ-Elementen große Wärme erzeugt. Die Folge des Temperaturanstieges in den Elementen ist eine Änderung des Widerstandes, was wiederum eine Verschiebung des Ruhe-Arbeitspunktes auf der Kennlinie nach sich zieht. Ein noch ernsthafteres Problem stellen die örtlichen thermischen Schwankungen dar, die durch Wechselwirkung mit dem Aufzeichnungsmedium erzeugt werden. Die Vermeidung von Störsignalen verlangt aber einen sehr kleinen räumlich zn Abstand der zwei magnetoresistiven Elemente.
Gleichzeitig muß auch erkannt werden, daß zur Isolierung der magnetoresistiven Elemente vom Vorspannstrom und zur Herstellung eines Leiters, der zur Aufnahme des benötigten Vorspannstromes dick genug ist, eine Strecke von mehr als 600 nm notwendig ist, weiche die M/?-Elememe trennt. Mit diesem Abstand sind im wesentlichen die Elemente magnetostatisch nicht mehr miteinander gekoppelt und unterliegen da: her nicht den gleichen thermischen Schwankungen.
In der DE-OS 22 63 077 ist eine Magnetwiderstandsstruktur beschrieben, bei der die magnetoresistive Schicht zwischen magnetischen Schichten großer Permeabilität angeordnet ist. Diese magnetischen Schichten großer Permeabilität sind elektrisch von der magnetoresistiven Schicht isoliert aber mit dieser magnetostatisch gekoppelt Sie dienen zur Erhöhung der Empfind-
lichkei: und zur Verbesserung der Auflösung beim Lesevorgang und erzeugen dabei eine statische Vormagnetisierung, die unabhängig von äußeren Einflüssen ist Eine Erzeugung der Vormagnetisierung auf elektrischem Wege durch Stromdurchfluß durch die magnetoresistive Schicht selbst, ist dieser Offenlegungsschrift fremd.
Aus der GB-PS 12 72 044 ist ein magnetoresistiver Signalwandler bekannt, bei dem zur Erzeugung der Vorspannung eine Schicht aus permanent magnetischem Material parallel zum magnetoresistiven Element angebracht ist, unter Zwischenschaltung einer nicht magnetischen Abstandsschicht Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand wird auch hier die Vorspannung nicht durch Stromdurchfluö, sondern durch einen Permanentmagneten erzeugt
Aus dem Gegenstand des älteren Rechts, der DE-PS 24 09 323 ist ein magnetoresistiver Wiedergabekopf-bekannt zum Ablesen eines Magnetaufzeichnungsträgers, mit einer auf einem starren Träger angebrachten dünnen anisotropen Schicht aus magnetoresistiwm ferromagnetischen Material, die in einer senkrecht zur Oberfläche des Magnetaufzeichnungsträgers stehenden Ebene so angeordnet ist, daß eine Kante der Schicht entlang der Oberfläche des Magnetaufzeichnungsträgers Hegt, wobei die leichte Magnetisierungsachse im Winkel von 45° zu der Richtung des in die Schicht eingeprägten elektrischen Stroms und im Winkel von 45° zu der Oberfläche des Magnetaufzeichnungsträgers liegt Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der anisotropen magnetoresistiven Schicht eine mit dieser Schicht magtietostatisch gekoppelte zweite anisotrope magnetoresistive Schicht angeordnet ist, deren leichte Magnetisierungsachse im rechten Winkel zu der leichten Magnetisierungsachse der ersten Schicht liegt, und daß die beiden Schichten elektrisch so angeschlossen sind, daß ihre Ausgangssignale summiert werden.
Beim Gegenstand dieses älteren Patents sind die resultierenden Magnetisierungsrichtungen in den einzelnen magnetoresistiven Abtastelementen unter dem Winkel von 45" gegen die Längsachse der Elemente bzw. die Stromrichtung bereits vorher fest eingeprägt, so daß sie nicht erst durch eine Vormagnetisierung in diese Richtung gedreht werden müssen. Die so bereits vorher festgelegten Magnetisierungsrichtungen kreuzen sich unter einem Winkel von 90° und stehen demnach jeweiis umgekehrt zu der Richtung der Hauptaus· dehnungsachsc der Elemente. Neben dieser von der Lösung gemäß vorliegende'.· Erfindung sehr unterschiedlichen Lösung dieses älteren Rechts ist darüber hinaus die Aufgabe bei dieser Anordnung grundverschieden. Beim Gegenstand vorliegender Erfindung wird die Größe des Streumagnetfelds, das aus dem magnetischen Aufzeichnungsträger heraustritt, durch den Lesekopf gemessen. Dabei wirken die beiden parallelen magnetoresistiven Elemente über die Differenzsignalauswertung entsprechend der Größe des Magnetfeldes sich gegenseitig unterstützend. Bei dar Anordnung gemäß dem älteren Patent wird dagegen die Differenz der Felder gemessen, die an den beiden direkt den magnetoresistiven Elementen gegenüberstehenden Punkten des Aufzeichnungsträgers auftreten. Sind die Feldstärken bei dieser Anordnung an den Orten beider magnetoresistiver Elemente gleich, dann ist die Ausgangsspannung, d. h. die Signalspannung, gleich null. Dies ist grundverschieden von der Anordnung gemiß vorliegender Erfindung.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ausgehend von einem Signalwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 niedergelegten Art, den Aufbau eines einfachen magnetischen Signalwandlers von geringen Abmessungen anzugeben, der in der Lage ist magnetisch gespeicherte Informationen, beispielsweise von Band 5 oder von einem Speicher mit Magnetblasen oder von einem anderen magnetischen Medium zu lesen. Insbesondere soll dabei ein separater Stromleiter zur elektrischen Erzeugung der magnetischen Vorspannung vermieden werden. Weiterhin soll der Signalwandler gemaß vorliegender Erfindung Störsignale vermeiden und magnetoresistive Elemente mit so enger magnetostatischer Kopplung angeben, daß dadurch die Form-Anisotropie der Elemente weitgehend unterdrückt und nur eine geringe Vormagnetisierung benötigt wird. Gleichzeitig soll auch die magnetische Abschirmung der magnetoresistiven Elemente des Wandlers sehr eng und platzsparend ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung sind in der» Unteransprüchen niedergelegt
Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet auf sehr engem Raum einen magnetoresistiven Lesekopf, bei derr; der für das Lesen sowieso notwendige Signalstrom gleichzeitig als Vormagnetisierungsstrom ausgenutzt wird. Es ist damit auch sichergestellt, daß ein nur geringer Signalstrom als Vormagnetisierungsstrom für das parallel liegende magnetoresistive Abtastelement genutzt wird. Da beide Elemente eng beieinander sind und gleichartig aufgebaut sind, unterliegen sie den gleichen thermischen Schwankungen, so daß durch die Signalabnahme sichergestellt ist, daß Gleichlaufsignalstörungen komplett eliminiert werden.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen in allen Einzelheiten beschrieben. Die einzelnen Figuren zeigen
F i g. 1 den schematischen Aufbau eines bereits bekannten magnetoresistiven Signalwandlers,
F · g. 2 den schematischen Aufbau eines magnetischen Signalwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,
F i g. 3 eine Darstellung der miteinander gekoppelten magnetoresistiven Schichten,
F i g. 4 eine Kennlinie der magnetoresistiven Elemen-
te, welche die Änderung des Widerstandes R in Abhängigkeit von dem auf die Elemente sm.iwawiten Magnetfeld //zeigt und
Fig.5 einen Querschnitt durch die bevorzugte Ausführungsform eines solchen magnetischen Lesekopfes.
Gleiche Einzelheiten sind in den Zeichnungen stets mit derselben Bezugsziffer versehen.
In den Fign. 2 und 5 Ut eine Magnetkopfanordnung dargestellt, die allgemein mit der Ziffer 30 bezeichnet und dafür vorgesehen ist, auf einefn Magnetband 32 gespeicherte Datenbits abzufühlen, während sich das Band gegenüber der Magnetkopfanordnung bewegt Die Aufzeichnungsspur kann natürlich auch auf einer rotierenden Magn<*tspeicherplatte oder einem anderen Medium liegen oder die Datenbits können durch bewegte Magnetblasen dargestellt sein.
In der Praxis wird ein solcher Magnetkopf als mehrfache, dünne Schicht hergestellt, wobei bekannte Verfahren des Aufdampfens oder des galvanischen Überzugs zur Anwendung kon.men. Er umfaßt die magnetoresisti-
K ven (MJi) Elemente 40 und 42, die miteinander magnetostatisch gekoppelt sind. Die Λ/Λ-Elemente können als dünne, ferromagnetische Schichten ausgebildet sein, die zueinander parallel liegen und durch eine dünne Isola-
tionsschicht 44 gelrennt sind. Die Elemente 40 und 42 weisen geringe Anisotropie auf, besitzen aber einen hohen magnetoresistiven Koeffizienten. Die MR-Elemente sind einander angepaßt und haben im wesentlichen dieselbe Dicke. Auch die übrigen Abmessungen, der Widerstandswert, der spezifische Widerstand, der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Form-Anisotropie sind dieselben.
Die MÄ-Elemente 40 und 42 besitzen eine gemeinsame Verbindung 45, die über einen Leiter 49 mit einem Bczugsspannungspegel, beispielsweise mit dem Erdanschluß 46, verbunden ist Diese Elemente werden von einer Konstantstromquelle 50 über die Leiter 47 und 48 mit Strom versorgt. Die Leiter 47, 48 und 49 sind über den Enden der M/?-Elemente aufgebracht. Ein Differenzverstärker 55 ist mit dem Ausgangsanschluß der Elemente verbunden. Somit übernimmt der genannte Differenzverstärker die Spannungsdifferenz über den zwei Λ/Λ-Elementen. die nach Verstärkung an der Ausgangsklemme 57 erscheint. Fließt nun ein Erregerstrom von der Quelle 50 über die Leiter 47 und 48 durch die zwei MR- Elemente, dann bewirkt beispielsweise der das Element 40 durchfließende Strom während der Versorgung des eigenen Elementes mit Energie die Vormagnetisierung des Elementes 42. Dies trifft in gleicher Weise für den das Element 42 durchfließenden Strom zu, er erzeugt nebenbei noch das Vormagnetisierungsfeld für das Element 40. Die in der vorliegenden Anordnung benötigten Erregerströme sind erheblich kleiner als der in bisher bekannten Anordnungen fließende Vorspannstrom.
Die Kopplung der Elemente untereinander ist schematisch in der F i g. 3 dargestellt. Darin bezeichnet H1 das Magnetfeld, welches vom Strom durch das Element 40 erzeugt auf das Λ//?-Element 42 einwirkt. M1 ist die dazugehörige Magnetisierungskomponente in vertikaler Richtung mit Bezug auf das Aufzeichnungsmedium. In gleicher Weise ist M 2 die Magnetisierungskomponente im Element 40. welche von dem das Element 42 durchfließenden Snom erzeugt wird. Da die beiden MÄ-Elemente einander angepaßt sind, sind auch die beiden Magnetisierungskomponenten MX und M2, die senkrecht zur Richtung des Stromflusses stehen, gleich groß. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der magnetische Lesekopf so lange funktionsfähig ist. als die Produkte der Dicke eines MR-Elementes und der Magnetisierungskomponente im selben Element für beide magnetostatisch gekoppelten Elemente gleich groß sind.
Die dünne Isolationsschicht 44, welche die zwei MR-Elemente trennt, unterbricht die magnetische Austauschkopplung zwischen ihnen und isoliert elektrisch das eine Element vom anderen. Die Isolation ist vorzugsweise Silizium-Monoxid, obwohl auch Silizium-Dioxid, Aluminiumoxid oder weitere Isoliermaterialien verwendet werden können.
Schichten 64 und 65 zur magnetischen Abschirmung verhindern, daß fremde, magnetische Streufelder von den MÄ-Elementen 40 und 42 erfaßt werden (siehe F i g. Sy Der Abstand zwischen den beiden Abschirmungen 64 und 65 bestimmt den minimal zulässigen Bitabstand. Solange die Bits voneinander einen Abstand wahren, der größer ist als die Innenseite der Abschirmung, werden nur Bits von den MÄ-EIementen gelesen, die wie Bit 34 genau darunter liegen. Dieser Bitabstand verhindert, daß die Λ/Ä-Elemente gleichzeitig zwei verschiedene Bits erfassen können. Die Abschirmungsschichten 64 und 65 sind von den magnetoresistiven Elementen durch die Schichten 66 bzw. 67, wie in F i g. 5 dargestellt, isoliert.
In der bevorzugten Ausführung bestehen die Abschirmungsschichten 64 und 65 aus Permalloy mit einem Gehalt von 80% Nickel und 20% Eisen bei einer Dicke von 1 μπ\. Die M/?· Elemente sind ebenfalls aus Permalloy mit der gleichen Zusammensetzung und einer Dicke von etwa 0,03 μπι. Die Isolierschicht 44 besteht aus Silizium-Monoxid und hat auch eine Dicke von etwa
to 0,03 μπι, während die Isolierschichten 66 und 67 aus Silizium-Monoxid von zusammen etwa I μπι Dicke bestehen. Da die äußeren Isolationsschichten viel dicker sind als die Λ/Ä-Elemente, ist der Abstand zwischen den Abschirmungen im wesentlichen durch die Dicken der Iso-
IS lierschichten gegeben, das sind je etwa 0,5 μπι. Ein solcher Magnetkopf kann Flußänderungen von annähernd 10 000 Bits pro Zentimeter abfühlen. Sind noch höhere Bitdichten erwünscht, so kann die Dicke der Isolationsschichten 66 und 67 in geeigneter Weise verkleinert werden.
Gemäß Fig. 2 sind die magnetoresistiven Schichten 40 und 42, die miteinander magnetostatisch gekoppelt sind, über die betreffenden Leiter 47 bzw. 48 mit der Stromquelle 50 verbunden. Diese liefert einen Erreger-
strom für jedes der Elemente. Änderungen des Widerstandes jedes der beiden Elemente erscheinen daher als Signalspinnungen am Eingang des Verstärkers 55. Die Widerstandsänderung jedes der Elemente 40 und 42 ist in der Fig.4 als eine Funktion des Magnetfeldes H
χ dargestellt. Das Verhalten der beiden Elemente kann anhand einer einzigen Kennlinie 60 gezeigt werden, da die Elemente identisch sind. Der Erregerstrom, der das Element 40 durchfließt, versorgt dieses mit Energie und bewirkt gleichzeitig die Vormagnetisierung des Elementes 42 zum Arbeitspunkt 61 auf der Kennlinie. Gleicherweise ist das Element 40 zum Arbeitspunkt 62 hin vormagnetisiert. Die Arbeitspunkte werden auf der Kurve vorzugsweise an die Stelle der Wendepunkte, d. h., in den linearen Bereich gelegt, so daß ein kleines magnetisches Signal auf dem Aufzeichnungsmedium die größtmögliche und lineare Widerstandsänderung und den entsprechenden Spannungsabfall am Element erzeugt Beispielsweise bewirkt ein Bit einer magnetisch gespeicherten Information eine Widerstandserhöhung im MR-Element 40 und eine Widerstandsverminderung im Element 42.
Da die Widerstandsänderungen von gleicher Größe sind, aber mit umgekehrten Vorzeichen verlaufen, ist das am Ausgang des Differenzverstärkers 55 erschei-
so nende Ausgangssignal gleich zweimal dem Errrgerstrom mal der Widerstandsänderung in einem MK-EIement Diese Kopfanordnung bewirkt außerdem, daß thermische Störsignale ausgeschieden werden, weil Temperaturschwankungen im wesentlichen gleiche Widerstandsänderungen in den passend gepaarten MR-Elementen erzeugen. Dadurch werden die Arbeitspunkte 61 und 62 auf der Kennlinie 60 um denselben Betrag und für beide Λ/Ä-Elemente in derselben Richtung nach oben oder nach unten verschoben. Folglich erzeugen bloß aufgezeichnete Datenbits eine Spannungsdifferenz über den Λ/Λ-Elementen, wobei Störsignale auch bei nur lokaler Temperaturänderung ausgeschieden werden.
In Gebilden mit magnetoresistiven Elementen, die keine isotrope Form aufweisen wie beispielsweise eine rechteckige Schicht verläuft die Richtung der Magnetisierung entlang dem leichtesten Weg und das ist die längste Abmessung. In solch einem Fall entstehen im
ΛΥΛ-Element unerwünschte.entmagnetisierende Felder. Bei dem Aufbau der Kopfanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist Form-Anisotropie kein Problem, da die zwei einander angepaßten M/?-Elemente im wesentlichen einen geschlossenen Weg für den magnetischen Fluß aufweisen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
10
20
40
45
50
55
60
65

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf aus mindestens zwei magnetoresistiven Abfühlele- s menten, die dem Vormagnetisierungsfeld eines stromdurchflossenen Leiterstücks parallel zum magnetoresistiven Abfühlelement ausgesetzt sind, und bei dem an den beiden Abfühlelementen die Differenz der Spannungen über den Abfühlelementen abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühlelemente (40,42) so angeordnet sind und daß ihr gegenseitiger Abstand so klein gewählt ist, daß sie miteinander magnetostatisch gekoppelt sind, daß die Abfühlelemente (40, 42) im wesentlichen gleichartig ausgebildet sind, und
daß das vom Betriebsstrom in jedem Abfühlelement (40,42) erzeugte Magnetfeld das jeweils benachbarte Abfühletement (40, 42) vormagnetisiert und umgekehrt.
2. Signalwandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abfühlelementen (40,42) eine elektrisch isolierende Schicht (44) angeordnet ist.
3. Signalwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig der Abfühlelemente (40,42) Schichten (64,65) aus magnetisierbarer!! Material angeordnet sind, deren Flächenausdehnung zumindest näherungsweise parallel zur Fläche der Abfühlelement (40,42) liegt
4. Signalwandler nach Anspnjch3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den magnetischen Abschirm-Schichten (64,65) und deri Abfühlelementen (40, 42) elektrisch und magnetisch isolierende Schichten (66 bzw. 67) eingefügt sind.
5. Signalwandler nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abfühlelementen (40, 42) eine .magnetisch isolierende Schicht (44) angeordnet ist
DE2442565A 1973-10-04 1974-09-05 Signalwandler für einen magnetischen Lesekopf Expired DE2442565C2 (de)

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