DE3622241A1 - Magnet-widerstandssensor - Google Patents

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.