DE3622241A1 - Magnet-widerstandssensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem magnetischen Sensor
und betrifft insbesondere einen Magnet-Widerstandssensor
wie beispielsweise einen Wiedergabemagnetkopf, der ein
Magnet-Widerstandselement verwendet, das für ein magneti
sches Aufzeichnungssystem beispielsweise für eine Magnet
platte oder ein Magnetband geeignet ist.
Bei einem herkömmlichen Magnet-Widerstandssensor, wie er
in der US PS 39 40 797 beschrieben ist, ist eine dünne
Magnet-Widerstandsschicht aus einem magnetischen Ferrit
mit hoher Permeabilität (Ni-Zn oder Mn-Zn-Ferrit) mit einer
dazwischen vorgesehenen dünnen Isolierschicht aus SiO₂, Al₂O₃
oder ähnlichem ausgebildet. Die Magnetwiderstandsschicht er
zeugt eine sehr große Wärmemenge, da ein hoher Strom von
10⁵ bis 106 A/cm2 oder mehr anliegt. Der magnetische Ferrit
mit hoher Permeabilität hat eine sehr geringe Wärmeleitfähig
keit. Die Temperatur des Elementes nimmt daher durch die Wär
me zu, was zu einer Beeinträchtigung seiner Eigenschaften
führt. Bisher wurde jedoch unbeachtet gelassen, in welcher
Weise die dadurch hervorgerufene hohe Wärme schnell abge
führt werden kann und das Element auf einer niedrigen Tempe
ratur gehalten werden kann. Der oben beschriebene Ferrit, der
als magnetische Abschirmung dient, ist darüberhinaus ein massi
ver Ferrit, der eine Sättigungsflußdichte von höchstens 0,5 T
und eine Permeabilität von höchstens etwa 200 bis 300 bei 10 MHz
hat, so daß der Fluß vom magnetischen Aufzeichnungsträger in
den gesamten Ferrit bei niedriger Dichte streut und somit die
Flußdichte in der Nähe eines Magnetspaltes niedrig ist. In
diesem Zusammenhang wurde nicht darauf geachtet, die wieder
gegebene Wellenform von der Magnet-Widerstandsschicht scharf
auszubilden, obwohl die Wellenform breit ist.
Durch die Erfindung soll somit ein magnetischer Sensor wie
beispielsweise ein den Magnet-Widerstandseffekt ausnutzen
der Wiedergabekopf geschaffen werden, der den Anstieg der
Temperatur im Magnet-Widerstandselement verringern kann und
ein hohes Ausgangssignal und eine lange Lebensdauer hat, wo
bei der erfindungsgemäße magnetische Sensor beispielsweise
ein Magnet-Widerstandskopf mit Ferrit-Abschirmung eine schar
fe Wellenform wiedergeben soll.
Um das zu erreichen, ist der erfindungsgemäße Magnet-Wider
standssensor so aufgebaut, daß ein Magnet-Widerstandselement
mit einer dünnen Magnet-Widerstandsschicht zwischen zwei mag
netischen Abschirmungen aus einem magnetischen Ferrit mit ho
her Permeabilität gehalten ist, wobei eine Isolierschicht zwi
schen dem Element und der Abschirmung angeordnet ist, und eine
dünne ferromagnetische Metallschicht am Ferrit haftend zwischen wenig
stens einer der magnetischen Abschirmungen aus dem Ferrit und
der Isolierschicht ausgebildet ist.
Dadurch daß die dünne ferromagnetische Metallschicht mit einer
Permeabilität und einer Sättigungsflußdichte, die wenigstens
ähnlich der Permeabilität und Sättigungsflußdichte des Ferrit
sind, auf dem magnetischen Ferrit mit hoher Permeabilität aus
gebildet ist, kann der erfindungsgemäße Magnet-Widerstandssen
sor die von der Magnet-Widerstandsschicht erzeugte Wärme schnell
verteilen, ohne daß die Eigenschaften der magnetischen Abschir
mungen beeinträchtigt werden, was eine Abnahme des Ausgangs
signals und der Lebensdauer des Elementes verhindert, die sonst
durch den Anstieg der Temperatur in der Magnet-Widerstandsschicht
verursacht würde. Das ist dadurch möglich, daß die dünne ferro
magnetische Metallschicht im allgemeinen eine merklich höhere
Wärmeleitfähigkeit als der magnetische Ferrit mit hoher Permea
bilität hat. In diesem Fall kann eine besonders gute Wärmever
teilung und Ableitung mit einer geringen Beeinträchtigung
durch einen Verschleiß und durch ein Abblättern dann er
reicht werden, wenn die dünne Schicht 0,1 bis 3 µm stark
ausgebildet wird. Wenn jedoch die Permeabilität und/oder
die Sättigungsflußdichte dieser dünnen ferromagnetischen
Metallschicht über der Permeabilität und der Sättigungsfluß
dichte des o. g. Ferrites liegen, wird die Flußdichte auf der
Abschirmungsseite hoch, wenn der Fluß in die dünne Schicht
eindringt, so daß die Ausgangswellenform so scharf gemacht
werden kann, daß ein verbessertes Ausgangssignal erhalten
werden kann. Wenn dieser Effekt ausgenutzt wird, ist es be
vorzugt, die dünne ferromagnetische Metallschicht 0,2 bis 3 µm
stark auszubilden, wobei noch bessere Ergebnisse insbesondere
dann erzielt werden können, wenn die Stärke 0,8 bis 3 µm be
trägt.
Die ferromagnetische dünne Metallschicht kann aus irgendeinem
Metallmaterial einschließlich beispielsweise einer Ni-Fe-
Legierung, wie einer Ni-19 Gew.% Fe-Legierung, dem sogenannten
Permalloy, einer Fe-Si-Legierung, einer Co-Ni-Legierung, einer
Fe-Si-Al-Legierung, dem sogenannten Sendust, oder einer amor
phen Legierung mit hoher Permeabilität wie beispielsweise
einer amorphen Co-Mo-Zr-Legierung bestehen, die dadurch gebil
det ist, daß glasbildende Elemente wie beispielsweise Si, Ge,
B, Ti, Zr, Mo, Nb, W und Ta den Hauptbestandteilen Co, Fe und/oder
Ni zugegeben werden, wobei die Voraussetzung besteht, daß das
Material eine Permeabilität und/oder eine Sättigungsflußdichte
hat, die größer als oder annähernd gleich ist der des magneti
schen Ferrit mit hoher Permeabilität.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer Schnittansicht einen herkömmlichen Mag
net-Widerstandssensor,
Fig. 2 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Magnet-Widerstandssensors,
Fig. 3A die von einem herkömmlichen Magnet-Widerstands
sensor wiedergegebene Signalwellenform,
Fig. 3B die von einem Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Magnet-Widerstandssensors wiedergegebene
Signalwellenform und
Fig. 4 in einer graphischen Darstellung den Einfluß der
Stärke einer dünnen ferromagnetischen Metall
schicht, die am Ferrit haftet, auf das Ausgangs
signal eines Ausführungsbeispiels des erfindungs
gemäßen Magnetwiderstandssensors und auf die Halb
breite der wiedergegebenen Signalwellenform.
In Fig. 1 ist in einer Schnittansicht der Aufbau eines her
kömmlichen Magnet-Widerstandskopfes mit Ferrit-Abschirmung dar
gestellt. In Fig. 1 sind ein magnetischer Ferrit 1 und 2 mit ho
her Permeabilität, beispielsweise ein Nickel-Zink (Ni-Zn) Ferrit,
eine Isolierschicht 3 aus Al₂O₃, SiO₂ oder ähnlichem, eine Iso
lierschicht 4 aus Glas oder einem organischen Stoff, eine dünne
Magnet-Widerstandsschicht 5 und eine dünne leitende Schicht 6
für die magnetische Vorspannung, die auch als dünne Leiterschicht
für einen Stromanschluß dient.
Der erfindungsgemäße Magnet-Widerstandssensor wird dadurch ge
bildet, daß beispielsweise eine dünne ferromagnetische Metall
schicht zwischen dem Ferrit 1 und der Isolierschicht 3 und/oder
zwischen dem Ferrit 2 und der Isolierschicht 4 bei dem in Fig. 1
dargestellten Magnet-Widerstandskopf so ausgebildet wird, daß
sie an dem jeweiligen Ferrit haftet.
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Magnet-Widerstandssensors in Form eines Magnet-Wider
standskopfes mit Ferrit/Metallabschirmung dargestellt. In Fig. 2
sind ein magnetischer Ferrit 7 und 8 mit hoher Permeabilität
beispielsweise ein Ni-Zn-Ferrit, eine dünne ferromagnetische
kristalline oder amorphe Metallschicht 9, eine Isolierschicht
10 aus Al₂O₃ oder einem ähnlichen Material, eine dünne Magnet-
Widerstandsschicht 11, eine dünne leitende magnetisch vorspan
nende Schicht 12 aus einem Leiter aus Mo, Ti, Au oder ähnlichem,
die auch als Stromanschluß dient, eine dünne Isolierschicht 13
aus Glas oder einem organischen Stoff und eine dünne ferromag
netische Metallschicht 14 dargestellt, die gleich der ferromag
netischen Schicht 9 ist. Der Ferrit 7 und 8 mit hoher Permea
bilität hat eine Abschirmungswirkung, wobei gemäß der Erfin
dung ein Ni-Zn-Ferrit mit einer Stärke von 2 mm vorgesehen ist.
Die dünnen ferromagnetischen Metallschichten 9 und 14 bestehen
aus einer Ni-19 Gew.% Fe-Legierung (Permaloy) mit einer Stärke
von 0,1 bis 3 µm. Als Magnet-Widerstandsschicht 11 dient eine
Ni-19 Gew.% Fe-Legierung. Der oben beschriebene Magnet-Wider
standskopf gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird
so hergestellt, daß die o. g. Schichten auf dem magnetischen
Ferrit 7 mit hoher Permeabilität über bekannte Dünnschicht
ausbildungsverfahren, beispielsweise durch Aufsprühen oder
Aufdampfen im Vakuum ausgebildet werden und weiterhin der mag
netische Ferrit 8 mit hoher Permeabilität unter Verwendung ei
nes Klebemittels mit dem Schichtaufbau verbunden wird.
Am Magnet-Widerstandselement liegt im allgemeinen ein Strom
von 5×105 bis 5×106 A/cm2, wobei die dabei erzeugte Wärme
über die Wärmeleitung auf die umgebenden Festkörperbauteile
verteilt wird. Wenn die Metallmaterialien 9 und 14 in Fig. 2
nicht vorgesehen wären, würde die Wärme nur über die Oxidbau
teile verteilt, deren Wärmeleitfähigkeit gering ist. Ein
Anstieg der Temperatur der dünnen Magnet-Widerstandsschicht
und der magnetisch vorspannenden Metallschicht wäre daher
sehr groß, was zu einer thermischen Beeinträchtigung des Mag
net-Widerstandselementes führen würde. Beispielsweise nimmt
die Temperatur des Elementes auf etwa 75°C durch einen elek
trischen Strom von 5×105 A/cm2 und auf etwa 150°C bei einem
elektrischen Strom von 5×106 A/cm2 zu. Obwohl dieser Tempe
raturanstieg örtlich je nach Form und Lage des Elementes na
türlich variiert, unterscheidet er sich im Mittel nur wenig
von dem o.g. Wert. Wenn auf der Innenfläche des Ferrit-Teils
die dünne ferromagnetische Metallschicht ausgebildet ist, wie
es gemäß der Erfindung der Fall ist, wird im Gegensatz dazu
die Wärmeverteilung in diesem Teil außerordentlich gut, so
daß ein Anstieg der Temperatur des Elementes wirksam unter
drückt werden kann. Wenn als dünne ferromagnetische Metall
schicht beispielsweise eine Ni-19-Gew.%-Fe-Schicht mit einer
Stärke von 0,5 µm verwandt wird, liegt die Temperatur des Ele
mentes bei etwa 25°C im Fall eines Stromes von 5×105A/cm2
und bei etwa 80°C, selbst wenn der Strom 5×106A/cm2 beträgt.
Da das Ausgangssignal der Magnet-Widerstandsschicht linear
mit steigender Temperatur abnimmt, ist es bei einer Unter
drückung oder Mäßigung des Temperaturanstieges im Fall eines
Betriebes mit hoher Stromdichte zwei bis dreimal so groß.
Das Zusammenbrechen des Elementes, d.h. die Verringerung der
Lebensdauer des Elementes aufgrund einer Ionenwanderung durch
Anlegen eines elektrischen Stromes an das Element, wird expo
nentiell in Bezug auf die Temperatur durch die thermische Akti
vierung beschleunigt. Die Lebensdauer des Elementes wird daher
um das Fünf- bis Zehnfache verlängert, so lange der Temperatur
anstieg gering gehalten wird.
Die dünnen ferromagnetischen Metallschichten 9 und 14 können
statt aus einer kristallinen Legierung wie beispielsweise
einer Ni-Fe-Legierung auch aus einer amorphen ferromagneti
schen Legierung gebildet sein. Ein amorphes Metall hat im
allgemeinen eine höhere Härte als ein kristallines Metall. Die
Verwendung eines amorphen Metalls für den Magnetkopf hat daher
den Vorteil, daß der Verschleiß des Kopfes in der einem mag
netischen Aufzeichnungsträger zugewandten Ebene gering ist.
Wenn die Arbeitsstromdichte relativ gering ist, reicht zur
Wärmeverteilung die Ausbildung nur einer der dünnen ferromag
netischen Metallschichten 9 und 14 aus, die in Fig. 2 darge
stellt sind. Die dünnen ferromagnetischen Metallschichten 9
und 14 haben eine bemerkenswerte Wärmeverteilungswirkung, wenn
ihre Stärke über 0,1 µm liegt. Die Wärmeverteilungswirkung der
dünnen ferromagnetischen Metallschichten wird mit zunehmender
Stärke verstärkt. Die Stärke liegt jedoch höchstens bei 2 bis
3 µm unter Berücksichtigung der reibenden Bewegung des Kopfes
auf dem Magnetaufzeichnungsträger, dessen Abrieb oder Verschleiß,
des Abblätterns der dünnen Schicht aufgrund interner Spannungen
und weiterhin des Abfalls eines Ausgangssignals, was später be
schrieben wird.
Die erfindungsgemäße Ausbildung hat den zusätzlichen Vorteil,
daß irgendeine Art des Anlegens einer magnetischen Vorspannung
an den dünnen Magnet-Widerstandsfilm benutzt werden kann.
Die obige Beschreibung bezog sich auf einen Fall, bei dem be
absichtigt war, den Temperaturanstieg des Elementes niedrig zu
halten. Wenn beabsichtigt ist, die Ausgangswellenform scharf
auszubilden, um das Ausgangssignal zu verbessern sowie den Tem
peraturanstieg des Elementes niedrig zu halten, ist es notwen
dig, zur Bildung der dünnen ferromagnetischen Metallschichten
9 und 14 ein Material zu verwenden, das eine höhere Sättigungs
flußdichte Bs und/oder eine höhere Permeabilität µ als ein
magnetischer Ferrit mit hoher Permeabilität hat. Beispiels
weise beträgt die Sättigungsflußdichte Bs von Permalloy 1 T,
die eines amorphes magnetischen Stoffes 0,7 bis 0,9 T und die
von Sendust 1 bis 1,3 T. Die Sättigungsflußdichte Bs aller
dieser Materialien ist 1,5 bis 2,5× größer als der Wert von
0,5 T für Ferrit. Permalloy hat bei einer Frequenz von 10 MHz
eine Permeabilität von beispielsweise 2000 verglichen mit
einem Wert von 200 bis 300 für Ferrit.
Fig. 3A zeigt die wiedergegebene Signalwellenform 15, die
von einem herkömmlichen Magnet-Widerstandskopf erhalten wird
und Fig. 3B zeigt eine wiedergegebene Signalwellenform 16,
die von einem Magnet-Widerstandskopf gemäß eines Ausführungs
beispiels der Erfindung erhalten wird, das unter Verwendung
dünner ferromagnetischer Metallschichten 9 und 14 aus einer
Ni-19-Gew.%-Fe-Legierung, d.h. aus Permalloy, mit einer Stärke
von 0,5 µm gebildet ist. Aus den Fig. 3A und 3B ergibt
sich, daß der Aufbau gemäß der Erfindung einen sehr deutlichen
Einfluß auf die wiedergegebene Signalwellenform des Magnet-
Widerstandskopfes hat.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis V 1/V 0
(Kurve 17) des Ausgangssignals V 1 des Magnet-Widerstandskopfes
gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zum Ausgangs
signal V 0 eines herkömmlichen Magnet-Widerstandskopfes und zwi
schen dem Verhältnis W 1/W 0 (Kurve 18) der Halbbreite W 1 der
wiedergegebenen Signalwellenform des Kopfes gemäß eines Aus
führungsbeispiels der Erfindung, wie sie in Fig. 3B dargestellt
ist, zur Halbbreite W 0 der wiedergegebenen Signalwellenform
eines herkömmlichen Kopfes, wie sie in Fig. 3A dargestellt ist,
und der Stärke der dünnen ferromagnetischen Metallschichten 9
und 14, und zwar in Form der Kurven 17 und 18, um quantitativ
den Einfluß auf das Ausgangssignal darzustellen, der dadurch
hervorgerufen wird, daß die Ausgangssignalwellenform gemäß der
Erfindung scharf ausgebildet wird. Sowohl bezüglich des Aus
gangssignals als auch der Wellenform ergibt sich eine deut
liche Auswirkung dann, wenn die Stärke der dünnen ferromag
netischen Metallschichten 9 und 14 0,2 bis 0,3 µm erreicht,
wobei der Einfluß im wesentlichen konstant bleibt, wenn die
Stärke 0,8 µm überschreitet. Wenn die Stärke über 2 bis 3 µm
liegt, ergibt sich jedoch im Gegensatz dazu eine Neigung zur
Abschwächung dieses Einflusses. Die Stärke der dünnen ferro
magnetischen Metallschicht sollte daher 2 bis 3 µm nur
dann betragen, wenn sowohl der Temperaturanstieg des Elemen
tes niedrig gehalten werden soll, als auch die wiedergegebene
Signalwellenform scharf gemacht werden soll.
Da gemäß der Erfindung eine schnelle Verteilung der Wärme der
Magnet-Widerstandsschicht des Magnet-Widerstandssensors mög
lich ist, wie es oben beschrieben wurde, ergibt sich ein deut
licher Einfluß auf die Vermeidung einer Beeinträchtigung der
Eigenschaften des Elementes und gleichfalls eine Verbesserung
der Eigenschaften des Elementes. Da weiterhin die wiedergegebe
ne Signalwellenform scharf gemacht werden kann und somit das
Ausgangssignal verbessert werden kann, ist es gemäß der Erfin
dung möglich, daß ein hochdichter Magnetaufzeichnungskopf Sig
nalwellenformen mit einer höheren Frequenz als üblich wieder
gibt, was weiterhin die elektrische Verarbeitung der Signale
erleichtert.
Claims (9)
1. Magnet-Widerstandssensor, bei dem ein Magnet-Wider
standselement mit einer dünnen Magnet-Widerstandsschicht zwi
schen zwei magnetischen Abschirmungen aus magnetischem Ferrit
mit hoher Permeabilität gehalten ist, wobei Isolierschichten
zwischen dem Element und den Abschirmungen vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens
einer der magnetischen Abschirmungen (7, 8) aus einem magneti
schen Ferrit mit hoher Permeabilität und einer Isolierschicht
(10, 13) eine dünne ferromagnetische Metallschicht ( 9, 14) am
Ferrit (7, 8) haftend ausgebildet ist.
2. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Permeabilität und die
Sättigungsflußdichte der dünnen ferromagnetischen Metall
schicht (9, 14) im wesentlichen gleich denen oder höher als
die des magnetischen Ferrits (7, 8) mit hoher Permeabilität
sind.
3. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Permeabilität und/oder
die Sättigungsflußdichte der dünnen ferromagnetischen Metall
schicht (9, 14) höher als die des magnetischen Ferrits (7, 8)
mit hoher Permeabilität sind.
4. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stärke der dünnen ferro
magnetischen Metallschicht (9, 14) 0,1 bis 3 µm beträgt.
5. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stärke der dünnen ferro
magnetischen Metallschicht (9, 14) 0,1 bis 3 µm beträgt.
6. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stärke der dünnen ferro
magnetischen Metallschicht (9, 14) 0,2 bis 3 µm beträgt.
7. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stärke der dünnen ferro
magnetischen Metallschicht (9, 14) 0,8 bis 3 µm beträgt.
8. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne ferromagnetische
Metallschicht (9, 14) aus einem magnetischen kristallinen Ma
terial besteht.
9. Magnet-Widerstandssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die dünne ferromagnetische
Metallschicht (9, 14) aus einem magnetischen amorphen Material
besteht.
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