DE3882243T2

DE3882243T2 - Kopf mit einem magnetoresistiven Aufnehmer.

Info

Publication number: DE3882243T2
Application number: DE88300683T
Authority: DE
Inventors: Greg Stephen Mowry
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 1987-02-17
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2008-01-28
Also published as: US4841398A; DE3882243D1; JP2590178B2; EP0279535A3; JPS63204506A; AU1136288A; CA1322597C; EP0279535A2; EP0279535B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Magnetowiderstands-Kopf mit einem Magnetowiderstands-Sensor, beispielsweise für Magnetplattenspeichergeräte.
Magnetowiderstands-Sensoren, die auf eine durch das Vorhandensein von Magnetfeldern hervorgerufene Änderung des spezifischen Widerstandes ansprechen, werden zunehmend als Lesewandler in den Köpfen von Magnetplattenspeichergeräten verwendet, und zwar hauptsächlich deshalb, weil die Änderung des spezifischen Widerstandes von der Plattengeschwindigkeit unabhängig ist und lediglich von dem Magnetfluß abhängt, und weil weiterhin Meßfühlerausgangssignale maßstäblich durch den Meßstrom verändert werden können.
Magnetowiderstands-Sensoren umfassen typischerweise einen dünnen Streifen aus NiFe-Legierung (Permalloy), der entlang einer Vorzugsachse mit niedriger Koerzivität magnetisiert ist. Viele andere ferromagnetische Legierungen sind ebenfalls brauchbar. Der Magnetowiderstands-Meßfühler wird üblicherweise in einem Kopf derart befestigt, daß die Vorzugsachse quer zur Drehrichtung einer Magnetplatte und parallel zur Ebene der Magnetplatte verläuft. Der Magnetfluß von der Magnetplatte ruft eine Drehung des Magnetisierungsvektors des Magnetowiderstands- Sensors hervor, der seinerseits eine Änderung des spezifischen Widerstandes gegenüber einem Meßstrom hervorruft, der zwischen seitlichen Kontakten fließt. Der spezifische Widerstand ändert sich angenähert gemäß dem Kosinusquadrat des Winkels zwischen dem Magnetisierungsvektor und dem Stromvektor, das heißt:
Δδ = δ max x cos²θ
worin θ der Winkel zwischen den Magnetisierungs- und Stromvektoren und δ der spezifische Widerstand ist.
Aufgrund dieser Kosinusquadrat-Beziehung ist, wenn die Magnetisierungs- und Stromvektoren anfänglich miteinander ausgerichtet sind, die anfängliche Änderung des spezifischen Widerstandes aufgrund des Magnetplatten-Magnetflusses niedrig und einseitig gerichtet. Typischerweise wird daher entweder der Vektor der magnetischen Vorzugsrichtung oder der Stromvektor auf ungefähr 45º vorgespannt, um das Ansprechverhalten gegenüber einer Winkeländerung des Magnetisierungsvektors zu vergrößern und um das Ausgangssignal des Magnetowiderstands-Sensors zu linearisieren.
Ein erstes Problem, das bei Magnetowiderstands-Sensoren auftritt, ist das Barkhausen-Rauschen, das durch die irreversible Bewegung magnetischer Bereiche oder Domänen bei Vorhandensein eines angelegten Feldes hervorgerufen wird, das heißt die kohärente Drehung des Magnetisierungsvektors ist ungleichförmig und unterdrückt, und hängt von dem Verhalten der Domänenwände ab. Dieser Rauschmechanismus wird dadurch beseitigt, daß eine einzige magnetischer Domäne in dem Meßstrombereich des Magnetowiderstands-Sensors geschaffen wird.
Es wurden viele verschiedene Maßnahmen verwendet, sowohl um das Ausgangssignal des Magnetowiderstands-Sensors zu linearisieren als auch eine einzige Domäne im dem Meßstrombereich zu schaffen.
Eine bekannte Lösung zur Erzielung eines einzelnen Bereiches oder einer Domäne in dem Meßstrombereich besteht beispielsweise darin, die Länge eines Magnetowiderstands-Sensors gegenüber seiner Höhe zu vergrößern. Es ist bekannt, daß mehrfache Abschlußdomänen an den Enden langer Magnetowiderstands-Sensoren auftreten. Diese wandern unter dem Einfluß äußerer Felder in Richtung auf den Mittelpunkt. Lange Magnetowiderstands-Sensoren können jedoch in ihren seitlichen Teilen einem übersprechen ausgesetzt sein und sie können Magnetfluß von benachbarten Spuren an den Meßstrombereich des Magnetowiderstands-Sensors leiten. Kurze Magnetowiderstands-Sensoren 'brechen' fast unvermeidbar demgegenüber in mehrfache Domänen auf.
Eine weitere Lösung zur Schaffung einzelner Bereiche oder Domänen in dem Meßstrombereich besteht darin, den Magnetowiderstands-Sensor so zu formen, daß Rand-Entmagnetisierungsfelder verringert werden, während gleichzeitig eine relativ kurze mechanische Abmessung in dem Meßstrombereich hervorgerufen wird (siehe beispielsweise Fig. 4a der US-A-4 503 394, bei der obere und untere horizontale Abschnitte mit entgegengesetzten Vorzugsachsen an den Enden mit vertikalen Abschnitten verbunden sind, um eine endlose Schleife zu bilden). Siehe auch US-A-4 555 740, bei der ein Magnetowiderstands-Sensor zwei zwischenliegende, sich nach oben erstreckende Schenkel aufweist. Derartige geformte Magnetowiderstands-Sensoren leiden jedoch an einem zweiten Problem dahingehend, daß die Sensoren bei Vorhandensein von starken Quermagnetfeldern in mehrfache Domänen 'aufbrechen'. Starke Quermagnetfelder werden durch die induktiven Schreibpole hervorgerufen, zwischen denen die Magnetowiderstands-Sensoren üblicherweise befestigt werden (die Pole wirken als weichmagnetische Abschirmung zur Trennung des Magnetowiderstands-Sensors von Magnetfeldern, die diesen nicht direkt benachbart sind).
Eine dritte bekannte Lösung der Ausbildung von Einzeldomänen besteht in der Schaffung eines Längsmagnetfeldes in 'langen' oder geformten Magnetowiderstands-Sensoren vor dem Lesen. Ein derartiges Magnetfeld muß stark genug sein, um die Ausbildung einer relativ stabilen Einzeldomäne in dem zentralen Meßstrombereich hervorzurufen. Dieses Initialisierungsfeld wird allgemein durch einen Spiralstab erzeugt, was weiterhin den Vorteil hat, daß er dazu verwendet werden kann, die Richtung des Meßstromes bezüglich des Vorzugsachsen-Magnetvektors zu verkanten.
Eine vierte bekannte Lösung, insbesondere für kurze Magnetowiderstands-Sensoren besteht darin, Einzeldoinänen durch eine permanente Längsvormagnetisierung von benachbarten Permanentmagneten oder von atomgekoppeltem antiferromagnetischem Material aufrechtzuerhalten, was zu einer Austausch-Vormagnetisierung führt. Eine derartige Vormagnetisierung wird bei manchen Anwendungen auch dazu vorgesehen, um den Magnetvektor in Querichtung von der Vorzugsachse weg vorzumagnetisieren, um das Ausgangssignal des Magnetowiderstands-Sensors zu linearisieren, wie dies weiter oben erwähnt wurde.
Beide diese Vormagnetisierungsarten (Initialisierung und permanent) haben jedoch den Nachteil, daß das Vormagnetisierungsfeld in nachteiliger Weise die auf der Magnetplatte voraufgezeichnete Information nachteilig beeinflussen könnte, und daß weiterhin ein permanentes Vormagnetisierungsfeld (sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung) die effektive Anisotropie des Magnetowiderstands-Sensors vergrößert, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber einem Magnetplatten-Magnetfluß verringert wird. Die Konstruktion mit einem Spiralstab (verkanteter Strom) weist den zusätzlichen Nachteil auf, daß die wirksame Länge der Magnetowiderstands-Sensorfläche kleiner als der Längsabstand zwischen den verkanteten Kontakten des Magnetowiderstands- Sensors ist. Die Spiralstab-Konstruktion erfordert weiterhin präzise Lithographieverfahren zum Aufbringen der verkanteten Kontakte und der Verkürzungsstreifen.
Eine Austausch-Vormagnetisierung wird in der Praxis nicht allgemein verwendet, und zwar aufgrund des Vorhandenseins von zwei voneinander verschiedenen Materialien (des Magnetowiderstandsaterials und des antiferromagnetischen Materials) an einer freiliegenden Grenzfläche. Dies kann zu einer Korrosion führen, die einen Kopf zerstören kann. Weil weiterhin die Austausch- Vormagnetisierung ein quantenmechanischer Wechselwirkungseffekt ist, ist ein zuverlässige Atomwechselwirkung zwingend erforderlich; eine derartige Bearbeitung ist jedoch schwierig und die Ausbeute ist gering. Weiterhin hat der Effekt eine starke Temperaturabhängigkeit, die in den typischen Betriebsumgebungen üblicher Magnetplattenspeichergeräte verringert ist.
Damit können von allen den bekannten Lösungen bisher keine das Rauschen zu einem Minimum machen und dennoch einen Einzelbereich oder eine Einzeldomäne schaffen, ohne daß sich Probleme hinsichtlich der Vormagnetisierung ergeben, und zwar unabhängig davon, ob diese zur Initialisierung verwendet wird oder permanent ist.
Ein Magnetowiderstands-Sensor ist in der GB-A-2 054 940 beschrieben, doch erfüllt er nicht in befriedigender Weise alle die vorstehend genannten Forderungen.
Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Magnetowiderstands-Kopf zu schaffen, dessen Sensor nicht unter Barkhausen-Rauschen leidet und der dennoch zwischen den Polen eines Magnetowiderstands-Kopfes befestigt werden kann, wobei die Nachteile vermieden werden, die bei derartigen Sensoren festgestell wurden, wie dies weiter oben erläutert wurde.
Ein Magnetowiderstands-Kopf, der gemäß einem Grundgedanken der Erfindung geschaffen wird, umfaßt:
einen Magnetowiderstands-Sensor zum Lesen eines magnetischen Aufzeichnungsmediums mit einer Vielzahl von darauf aufgezeichneten Magnetisierungsübergängen, wobei der Sensor einen in der Mitte liegenden Sensorbereich mit einem Magnetisierungsvektor einschließt und dieser Sensor benachbart zu dem Aufzeichnungsmedium angeordnet ist, um Magnetflußimpulse in dem Sensorbereich beim Vorbeilaufen an einem Magnetisierungsübergang zu erzeugen, der auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist,
Einrichtungen zur Lieferung eines Meßstromes in den Sensorbereich, wobei dieser Meßstrom einen Vektor aufweist,
und ist dadurch gekennzeichnet
ist, daß
der Magnetisierungsvektor bei Fehlen irgendwelcher äußerer Magnetfelder von dem Aufzeichnungsmedium parallel zur Vorzugsachse ausgerichtet ist,
der Vektor im wesentlichen parallel zu dem Magnetisierungsvektor ausgerichtet ist, und
der Magnetisiervektor sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Magnetfluß des Aufzeichnungsmediums von dem Meßstromvektor fort dreht, so daß der Winkel zwischen diesen Vektoren im Bereich von 40 bis 50 Grad liegt,
wodurch der Sensor aufgrund der anfänglichen Ausrichtung der Meßstrom- und Magnetisierungsvektoren bei Fehlen eines Magnetflusses von dem magnetischen Aufzeichnungsmedium in einer nichtlinearen Betriebsart arbeiten kann, während ermöglicht wird, daß das Ansprechverhalten des Sensors im Bereich der Magnetflußspitze angenähert eine lineare Funktion des magnetischen Flusses des Überganges ist.
Der Sensor kann zwei seitliche Verlängerungen und zwei elektrische Kontakte aufweisen, von denen jeweils einer elektrisch mit einer der Verlängerungen in Kontakt steht, und er kann unverkantete Oberflächen benachbart zu dem in der Mitte liegenden Sensorbereich aufweisen, wobei die Oberflächen parallel zueinander sind.
Der Sensor kann eine pseudo-elliptische Form haben. Die Form schließt vorzugsweise einen abgeflachten in der Mitte liegenden Sensorbereich und seitliche zugespitzte Enden ein.
Der Sensor kann Austausch-Vormagnetisierungsmaterial einschließen, das mit den Verlängerungen, nicht jedoch mit dem in der Mitte liegenden Sensorbereich atomgekoppelt ist.
Der Sensor kann einen Kante aufweisen, wobei das Austausch- Vormagnetisierungsmaterial mit einem geringen Abstand von der Kante angeordnet ist.
Die elektrischen Kontakte können mit einem jeweiligen der seitlichen angespitzten Enden in Kontakt stehen.
Vorzugsweise ist der Sensor in einem Magnetkopfmit zwei induktiven Schreibpolen und einer weichmagnetischen Abschirmung befestigt, die zwei Spalte bildet, wobei ein erster Spalt zwischen den Polen und ein zweiter Spalt zwischen dem in Bewegungrichtung hinteren Pol und der Abschirmung liegt, wobei der Sensor in dem zweiten Spalt angeordnet ist und der vordere Pol eine Länge aufweist, die eine Spurbreite definiert, wobei der in der Mitte liegende Meßstrombereich angenähert die gleiche Länge wie der vordere Pol aufweist, während der hintere Pol eine Länge aufweist, die zumindestens so groß wie der Sensor ist. Die weichmagnetische Abschirmung kann zumindestens so lang sein wie der Sensor.
Der Sensor kann einen Spannungsmeßschaltung einschließen, die zwischen jedem der Kontakte angeschaltet ist.
Es sei bemerkt, daß die EP-0 270 536 sich auf einen Kopf bezieht, der einen Magnetowiderstands-Sensor umfaßt, der in Dünnfilmtechnik hergestellt ist, und daß sich die EP-A-0 279 537 auf einen Magnetowiderstands-Sensor bezieht. Beide Veröffentlichungen gehen auf den gleichen Anmelder zurück.
Die Erfindung wird lediglich in Form eines Beispiels in den beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
Fig. 1 eine Ansicht eines pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 2 ein langgestreckter Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung mit nach oben vorspringenden Enden mit Austausch-Vormagnetisierungsmaterial ist,
Fig. 3 die wesentlichen Schritte zur Abscheidung von Austausch-Vormagnetisierungsmaterial lediglich an den Enden eines Magnetowiderstands-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4 ein Magnetowiderstands-Sensor nach Fig. 1 mit Austausch-Vormagnetisierungsmaterial an den Enden ist,
Fig. 5 ein Querschnitt eines Magnetowiderstands-Kopfes mit einem Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem mit einer Ausnehmung versehenen Austausch- Vormagnetisierungsmaterial ist,
Fig. 6 eine Schichtstruktur eines Doppelspalt-Magnetowiderstands-Kopfes mit einem Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 7 eine Draufsicht der wesentlichen Elemente für einen Doppelspalt-Magnetowiderstands-Kopf mit einem Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 8 einen bekannten Magnetowiderstands-Sensor mit verkanteten stromkontakten und hiermit verbundenen elektrischen Schaltungen zeigt,
Fig. 9 einen mit Vorzugsachsenmuster vormagnetisierten Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung und entspannte verkippte Stromkontakte zeigt,
Fig. 10 einen mit Vorzugsachsenmuster vormagnetisierten pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 11 das relative Ansprechverhalten eine Magnetowiderstands-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung in linearen und nichtlinearen Betriebsarten zeigt, und
Fig. 12 einen pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung mit unverkanteten Kontakten für ein nichtlineares Ansprechverhalten zeigt.
In den Zeichnungen wurden gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-Sensor 10 zeigt, der entlang einer Vorzugsachse M magnetisiert ist. Ein in der Mitte liegender Sensorbereich L weist relativ ebene Seiten auf, die nicht gekrümmt sind, wie bei einer echten Ellipse. Das Seitenverhältnis AR der Gesamtlänge zur Gesamthöhe ist kleiner als 3, doch kann es ohne Verlust an Wirkung größer sein. Von dem Mittelbereich L aus konvergieren die Seiten zu Scheitelpunkten, in denen sich kleine magnetische Bereich oder Domänen 12, 14 spontan bilden. Vorzugsweise ist W ≤ L und E (die Länge eines Scheitels) zumindestens in der Größenordnung von L, wobei es kein bekanntes Maximum gibt. Diese Struktur bildet eine sehr stabile Mittelbereichs-Einzeldomäne, die durch den großen nach rechts gerichteten Pfeil angezeigt ist.
Versuche mit dieser Struktur zeigen, daß eine dünne Schicht von 200-500 Angström Ni:82 Fe:18-Legierung mit einer Gesamtlänge von 25 um, einem Mittelbereich L von 9 um und einer Breite W von 8 um 35 Oe benötigt, um den Magnetisierungsvektor des mittleren Bereiches auf die hartmagnetische Achse zu schalten, während ledilich 0,75 Oe in einem massiven Film ohne Muster erforderlich sind. Dies ergibt eine Verbesserung um einen Faktor von 46.
Wenn starke Quermagnetfelder zu erwarten sind, beispielsweise wenn ein nichtabgeschirmter Magnetowiderstands-Sensor zwischen den oder in die Nähe der Pole eines induktiven Schreibkopfes angeordnet ist, ist eine längsverlaufende Vormagnetisierung noch erforderlich, um einen Einzeldomänen-Zustand zu Anfang zu erzielen oder aufrechtzuerhalten. Wie dies bereits erläutert wurde, gibt es verschiedene Möglichkeiten, dies zu erzielen. Beispielsweise erzeugt eine Spiralstab-Vormagnetisierung ein längsverlaufendes Feld. Zusätzlich kann eine Permanent-Vormagnetisierung oder eine Austausch-Vormagnetisierung ebenfalls ein längsverlaufendes Feld liefern. Eine neuartige Stabilisierungsmaßnahme ist in Fig. 4 gezeigt.
Bekannte Austausch-Stabilisierungs-/Vormagnetisierungs-Techniken wurden typischerweise dadurch ausgebildet, daß zunächst eine feromagnetische Schicht auf einem Substrat abgeschieden und dann eine antiferromagnetische Schicht auf der ferromagnetischen Schicht abgeschieden wird, derart, daß nach der Formgebung die beiden Schichten zusammenfallen.
Eine Austausch-Vormagnetisierung kann zu einem Signalverlust aufgrund von Nebenschlußeffekten führen. Längsverlaufende Austauschfelder haben einen negtive Temperaturabhängigkeit. Schließlich besteht die Möglichkeit einer Korrosion aufgrund der bimetallischen Filmstruktur.
Der Domänen-Stabilisierungsvorgang kann dadurch verstanden werden, daß festgestellt wird, daß wenn die Magnetisierung auf die Grenzflächen eines Dünnfilmstreifens begrenzt wird, die Gleichgewichts-Magnetisierungsrichtung dann in dem Mittelbereich zwischen den Grenzflächen gesteuert werden kann. Durch Abscheiden von FeMn in den kreuzweise straffierten Bereichen 16, 18 nach Fig. 4 können die vorher angegebenen Nachteile üblicher Austausch-Vormagnetisierungstechniken vermieden werden. Zunächst kann, weil kein Austausch-Vormagnetisierungsmaterial in dem Mittelbereich L liegt, kein Signalverlust aufgrund von Stromnebenschlüssen auftreten. Zweitens ist diese Stabilisierungstechnik äußerst temperaturunempfindlich, weil die Forderung aufgestellt wird, daß lediglich die Magnetisierungsrichtung festgelegt wird, nicht jedoch die Größe des längsverlaufenden Austauschfeldes. Schließlich kann durch geeignete Formgebung die bimetallische Grenzfläche an jeder frei liegenden Kante vermieden werden. Vorzugsweise ist das verwendete Austausch- Vormagnetisierungsmaterial FeMn, und zwar aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit.
Eine Ausführungsform des Magnetowiderstands-Sensors mit einem stabilen Eindomänen-Mittelbereich unter Verwendung von austausch-vormagnetisierten Enden ist in Fig. 2 gezeigt. Hier weist der magnetisierte Legierungsstreifen eine C-Form mit einem relativ schmalen Mittelbereich auf, wobei die seitlichen Enden sich nach oben erstreckende Schenkel 26, 28 aufweisen, um das Entmagnetisierungsfeld weiter von dem Mittelbereich fortzuleiten. Hierdurch wird die Stabilität der Einzeldomäne in dem Mittelbereich verbessert. Austauch-Vormagnetisierungsmaterial 32, 34 und (nicht gezeigte) Kontaktmetallisierungen werden auf diese Enden aufgebracht, die allgemein in ihrer Form dem Muster der (nicht gezeigten) verkanteten stromendkontakte entsprechen. Dieses Muster des Austausch-Vormagnetisierungsmaterials beseitigt die Rand- und End-Domänen und ergibt einen stabilen in der Mitte liegenden Einzeldomänen-Meßstrombereich. Um das oben erwähnte Korrosionsproblem an freiliegenden Grenzflächen zu vermeiden, ist eine Ausnehmung 36 mit einer Breite S zwischen dem Austausch-Vormagnetisierungsmaterial und einer Unterkante des Magnetowiderstands-Sensors 10 vorgesehen, wobei die Unterkante diejenige ist, die bei den meisten Konstruktionen gegenüber der Magnetplatte frei liegt.
Das Verfahren zur Herstellung der in Fig. 2 gezeigten struktur ist in Fig. 3 gezeigt. Schritt 1: ein streifen aus Magnetowiderstandsmaterial MR wird auf ein (aus Gründen der Klarheit nicht gezeigtes) Substrat in einem gleichförmigen Magnetfeld, das entlang einer Vorzugsachse ausgerichtet ist, durch Aufdampfen, Zerstäuben oder dergleichen aufgebracht und mit einem Muster versehen. Schritt 2: eine Fotoabdeckmaterialschicht 20 wird unter Verwendung üblicher Verfahren aufgebracht und mit einem Muster versehen, um eine Insel mit nach innen geneigten Seiten zu bilden. Schritt 3: Austausch-Vormagnetisierungsmaterial 22 wird durch Verdampfen, Zerstäuben oder dergleichen auf das Magnetowiderstandsmaterial MR und die Fotoabdeckmaterialschicht 20 aufgebracht. Schritt 4: Eine Kontaktmetallisierung 23 wird abgeschieden. Schritt 5: unter Verwendung eines Abhebeverfahrens wird die Fotoabdeckschicht 20 mit dem darauf befindlichen Austausch-Vormagnetisierungsmaterial 22 und der Metallisierung 23 entfernt.
Der pseudo-elliptische Magnetowiderstands-Sensor mit Austausch- Vormagnetisierungsmaterial auf seinen Enden, die sich zu einem abgeflachten Mittelbereich L gemäß Fig. 4 erstrecken, wird ebenfalls durch das verfahren nach Fig. 3 hergestellt.
Fig. 5 zeigt einen vertikalen Querschnitt des austauschvormgnetisierten Magnetowiderstands-Sensors 10 gemäß entweder Fig. 2 oder Fig. 4 bei Befestigung zwischen Abschirmungen 42, 44 oberhalb einer Magnetplatte 50. Das Austausch-Vormagnetisierungssmaterial 32 ist über eine kurze Strecke oberhalb einer unteren Oberfläche des Magnetowiderstands-Elementes benachbart zur Magnetplatte 50 mit einer Ausnehmung versehen, um die Ausnehmung 36 zu bilden, und Kontaktmetall 38 weist einen Schenkel 40 auf, der sich zur Unterkante des Magnetowiderstands-Sensors 10 erstreckt, um das Austausch-Vormagnetisierungsmaterial 32 gegen ein Freiliegen abzuschirmen. Zumindestens eine der Abschirmungen 42, 44 umfaßt außerdem einen der Pole einer (nicht gezeigten) induktiven Schreibeinrichtung. Die Abschirmungen werden über Abstandsstücke 52 auf Abstand gehalten, die typischerweise aus einem nichtmagnetischen Material, wie zum Beispiel AL&sub2;O&sub3; bestehen. Dadurch, daß die Ausnehmung 36 vorgesehen wird, steht das Kontaktmaterial 38 über den Schenkel 40 direkt mit der unteren Oberfläche des Magnetowiderstands-Sensors 10 in Berührung. Hierdurch wird das Austausch- Vormagnetisierungsmaterial 32 gegen ein Freiliegen und äußere Einflüsse geschützt. Die meisten Köpfe landen auf der Oberfläche der Magnetplatte 50, wenn die Drehung der Magnetplatte stoppt, wodurch kleine Mengen des Kopfmaterials abpoliert werden. Die Größe der Ausnehmung 36 bezogen auf das Ausmaß des Abpolierens bestimmt die Lebensdauer des Kopfes, bis das Austausch-Vormagnetisierungsmaterial freiliegt, was zu einer möglichen Korrosion führt.
Das Vorhandensein starker Quermagnetfelder bewirkt, daß relativ stabile Einzeldomänenbereiche in Mehrfachdomänen 'aufbrechen', was die Quelle von Barkhausen-Rauschen darstellt. Starke Magnetfelder sind zwischen den Polspitzen der induktiven Schreibeinrichtung vorhanden, der üblichen Position der meisten Magnetowiderstands-Sensoren. Um die Auswirkung der induktiven Schreibpolspitzen auf den Magnetowiderstands-Sensor zu verringern, ist es bekannt, ihn längs der Polspitzen anzuordnen (siehe US-A-4 321 641). Diese Konstruktionsart erfordert eine weichmagnetische Abschirmung, eine in Bewegungsrichtung hintere Abschirmungs-Polspitze und eine vordere Polspitze. Die Konstruktion nach der US-A-4 321 641 ist nicht vollständig befriedigend, und zwar hauptsächlich wegen der Erstreckung des Magnetowiderstandsmaterials (siehe Fig. 4 oder Fig. 7) über eine Abschirmung einer hinteren Polspitze hinaus.
Der Magnetowiderstands-Kopf nach den Fig. 6 und 7 ergibt einen magnetisch sehr ruhigen Bereich für den Magnetowiderstands- Sensor. Der Restmagnetfluß von den Magnetpolen der induktiven schreibvorrichtung ist so niedrig, daß der zuverlässige Betrieb sehr stabiler geformter Einzeldomänen-Sensoren (beispielsweise des pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-Sensors 10 nach Fig. 1) ohne eine längsverlaufende Vormagnetisierung ermöglicht wird.
Fig. 6 ist ein Querschnitt der wesentlichen Elemente eines Magnetowiderstands-Sensors. Eine Schicht 62 aus Oxyd, vorzugsweise Aluminiumoxyd, ist auf einem weichmagnetischen Substrat 60, vorzugsweise NiZn abgeschieden. Als nächstes wird Magnetowiderstands-sensormaterial 64 in einem Magnetfeld abgeschieden und mit einem Muster versehen. Austausch-Vormagnetisierungsmaterial kann dann abgeschieden und mit einem Muster versehen werden, wenn erwünscht. Metallkontakte 66 werden dann auf das Magnetowiderstands-Sensormaterial 64 abgeschieden. Eine zweite Oxydschicht 68 wird dann abgeschieden. Die zwei Oxydschichten 62, 68 bilden einen Lesespalt. Eine Schicht aus Polyimid oder ein Fotoabdecklack 70 wird dann abgeschieden und in der gezeigten Weise mit einem Muster versehen, um die Schicht benachbart zu einem Spaltende des Magnetowiderstands-Kopfes zu entfernen. Als nächstes wird eine Schicht 72 aus ferromagnetischem Material aufgebracht, vorzugsweise aus NiFe (Permalloy). Diese Schicht 72 bildet einen in Bewegungsrichtung hinteren Pol bzw. eine Abschirmung. Als nächstes wird eine Schreibspalt-Oxydschicht 75 aus beispielsweise Aluminiumoxyd oder Siliziumdioxyd abgeschieden, gefoglt von einer zweiten Schicht 74 aus Polyimid oder Fotoabdeckmatrial. Metallspulen 78 werden abgeschieden und mit einem Muster versehen. Zwei Schichten 76 aus Polyimid oder Fotoabdeckmaterial werden abgeschieden und mit einem Muster versehen, um den den Spulen 78 nicht benachbarten Teil zu entfernen. Schließlich bildet eine abschließende Schicht 79 aus einem ferromagnetischen Material den in Bewegungsrichtung vorderen Pol bzw. Abschirmung, und diese Schicht wird so abgeschieden, daß sie die spulen umgibt und mit der Schicht 72 in Berührung steht, um einen kontinuierlichen Magnetflußpfad zu bilden. Nachdem der Magnetowiderstands-Sensor gebildet wurde, wird er typischerweise abgedichtet in einem geeigneten nichtmagnetischen Material angeordnet, und das Spaltende wird bearbeitet, beispielsweise durch Läppen, um den Endspalt oder die Endspalte freizulegen und um eine zuverlässige Spalthöhe zu erzielen.
Fig. 7 ist eine Endansicht der wesentlichen Elemente eines Magnetowiderstands-Sensors. Abstandsschichten sind aus Gründen der Klarheit fortgelassen. In der Figur sind das Substrat 60, das Magnetowiderstands-Sensormaterial 64, dessen seitlicher Metallkontakt 66, der den in der Mitte liegenden Meßstrombereich 65 mit der Länge L bildet, und der ferromagnetische, in Bewegungsrichtung hintere Pol bzw. die Abschirmung 72 sowie der vordere Pol bzw. die Abschirmung 79 gezeigt. Die Länge des vorderen Pols bzw. der Abschirmung 79 legt die Breite der geschriebenen Spur über die magnetische Spiegelung mit dem hinteren Pol bzw. der Abschirmung 72 fest. Diese Länge entspricht der Länge L (plus einem Bearbeitungs-Schutzbereich, wobei die Länge L absichtlich kleiner als die Breite der geschriebenen Spur gemacht wird, um ein mögliches Übersprechen zu vermeiden) des in der Mitte liegenden Meßstrombereiches 65 des Magnetowiderstands-Sensormaterials 64. Typischerweise ist das Magnetowiderstands-Sensormaterial länger als eine Spurbreite, um die Schaffung einer stabilen Einzeldomäne in dem in der Mitte liegenden Meßstrombereich 65 zu unterstützen. Es ist wesentlich, daß der hintere Pol bzw. die Abschirmung 72 so lang wie das Magnetowiderstands-Sensormaterial 64 ist, um es vollständig gegenüber seitlichen Randfeldern abzuschirmen, die während des Schreibvorganges entstehen. Dies führt dazu, daß die vorderen und hinteren Pole bzw. Abschirmungen 79, 72 unterschiedliche Längen aufweisen. Es wurde jedoch festgestellt, daß dies die Breite der geschriebenen Spur nicht beeinflußt, weil diese durch die Länge des vorderen Pols bzw. der Abschirmung 79 und die oben erwähnten spiegelungseffekte festgelegt ist.
Für viele Anwendungen, wie zum Beispiel Tonfrequenzanwendungen ist ein Linearbetrieb eines Magnetowiderstands-Sensors wünschenswert. Wie dies weiter oben erwähnt ist, erfordert eine Linearisation entweder eine Querneigung oder ein Verkanten des Vorzugsachsen-Magnetisierungsvektors oder das Verkanten des Stromvektors. Ein Verkanten des Magnetisierungsvektors vergrößert typischerweise die Anisotropie und verringert den Bereich der Änderung des spezifischen Widerstandes und damit die Empfindlichkeit des Magnetowiderstands-Sensors. Ein Verkanten des Stromvektors ruft in gleicher Weise einen vergleichbaren Verlust an Empfindlichkeit hervor, wie dies besser in Fig. 8 gezeigt ist.
Fig. 8 zeigt eine typische mit verkantetem Strom arbeitende Vormagnetisierungstechnik, bei der Leiter 80, 82 in innigem Kontakt mit einem Magnetowiderstandsstreifen 92 mit der Länge L stehen und einen verkanteten Strom von einer Quelle 88 allgemein in der Richtung Leff zwischen den Kontakten liefern. Die Stromrichtung steht allgemein senkrecht zu den Oberflächen 84, 86 der Leiter. Diese Oberflächen sind allgemein unter einem Winkel von θB von zwischen 40º und 45º verkantet, um die größtmögliche Linearität und Empfindlichkeit zu erzielen. Die Änderung des spezifischen Widerstandes wird mit Hilfe einer Einrichtung 90 gemessen (die ein Spannungssensor sein kann, wenn die Quelle 88 eine Konstantstromquelle ist, oder ein Transimpedanz-Stromsensor, wenn die Quelle 88 eine Konstantspannungsquelle ist, oder die ein Leistungssensor sein kann, wenn die Quelle 88 eine 'weiche' Quelle ist). Die Änderung des spezifischen Widerstandes ist allgemein proportional zur Länge Leff, die kleiner als die Länge L zwischen den Leitern in der Längsrichtung ist. Die Länge L ist andererseits angenähert die Spurbreite einer Spur und legt die Länge des Meßstrombereiches fest. Daher wird die Empfindlichkeit des Magnetowiderstands-Sensors durch das Verhältnis Leff/L verringert. Es wäre nicht wünschenswert, Leff mit der Spurbreite vergleichbar zu machen, weil die Länge L dann lang genug sein würde, um ein beträchtliches Übersprechen von benachbarten Spuren aufzunehmen.
Fig. 9 zeigt einen verbesserten verkanteten Magnetowiderstands- Sensor 94 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Verkantung der Oberflächen 84, 86 der Kontakte 80, 82 auf einen Winkel θB, von ungefähr 50º verringert wird. Hierdurch wird Leff und damit die Empfindlichkeit beträchtlich vergrößert, während der Winkel mit der Vorzugsachse von ungefähr 40º bis 45º beibehalten wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Magnetowiderstands-Sensor eine derartige Form aufweist, daß seine Vorzugsachse selbst um einen Winkel θEA von ungefähr 10º verkantet ist.
Die Oberflächen 84, 96 sind jeweils unter einem Winkel θB, verkantet, der vorzugsweise 50º beträgt. Eine Unterkante 96 des Magnetowiderstands-Sensors verläuft parallel zur Magnetplattenoberfläche, wie beim Stand der Technik, während eine Oberkante 98 jedoch mit einer derartigen Form versehen ist, daß sie unter einem Winkel θP hierzu verläuft, wodurch sich ein resultierender Vorzugsachsen-Magnetisierungssektor M unter einem Winkel θEA von ungefähr 10º zur Unterkante 96 ergibt.
Der Magnetowiderstands-Sensor 94 ist aus einem Vollfilm gebildet, der auf einem geeigneten Substrat in einem gleichförmigen Magnetfeld abgeschieden wurde, das parallel zur Unterkante 96 gerichtet ist. Der Vollfilm wird danach unter Verwendung üblicher Lithographietechniken mit einem Muster versehen, um das dargestellte Muster zu bilden, bei dem die Oberkante 98 einen sich nach oben erstreckenden Winkel mit der Unterkante 96 bildet. Diese Form verkantet von sich aus den Vorzugsachsen- Magnetisierungsvektor M nach oben, wenn auch in geringerem Ausmaß als der Winkel der Oberkante 98. Zur Erzielung der resultierenden vorzugsachsendrehung von 10º ist zu erkennen, daß die Größe des nicht ausgelenkten Vorzugsachsenvektors mit der Größe, Länge, Dicke und Zusammensetzung des Magnetowiderstandsmaterials mit dem Winkel der Oberkante zur Unterkante ausgeglichen werden muß.
Bei dieser Ausführungsform besteht der Magnetowiderstands- Sensor 94 aus 80:20 NiFe-Legierung mit einer Dicke von ungefähr 500 Angström, wobei L ungefähr gleich 9 um ist, h (die Höhe des Magnetowiderstands-Sensors an einem Punkt 104) ungefähr gleich 8 um ist, und θP 10º, θB, gleich 50º und θEA gleich 10º ist. Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines eine verkantete Vorzugsachse aufweisenden pseudo-elliptischen Magnetowiderstands-sensors 100 und dessen relative Ausrichtung zu den Oberflächen 84, 86 (die Leiter 80, 82 sind in Fig. 10 nicht gezeigt).
Für die meisten digitalen Anwendungen werden Daten auf die Magnetplatte in einem Code geschrieben (beispielsweise mit einem 2,7-Code veränderlicher Länge), wobei lediglich die Lage eines Überganges (impulsspitze) und nicht die Richtung und Größe von Bedeutung ist. Die Impulsamplitude dient zum Triggern von Qualifikationsschaltungen zur Unterscheidung zwischen Signalen und Störungen oder Rauschen. Damit ist mit der Ausnahme einer verbesserten anfänglichen Empfindlichkeit gegenüber einer Magnetisierungsvektordrehung kein vernünftiger Grund gegeben, den Magnetowiderstands-Sensor im Linearbetrieb zu betreiben. Damit bestehen die abschließenden Verbesserungen des Magnetowiderstands-Sensors darin, überhaupt keine Quervormagnetisierung vorzusehen, mit Ausnahme vielleicht der gerade beschriebenen Vormagnetisierung durch das Muster, den Magnetowiderstands-Sensor in einer nichtlinearen Betriebsart zu betreiben und den Magnetowiderstands-Sensor und den Magnetplattenfluß so aus zulegen, daß die Drehung des Magnetisierungsvektors in Abhängigkeit von dem Magnetplattenfluß in der Größenordnung von 40a bis 50º liegt.
Weil die Lage eines Überganges (Impulsspitze) von Bedeutung ist, wird das Signal von der Magnetplatte üblicherweise differenziert, wobei der Nulldurchgang festgestellt wird. Rauschen macht die Lage des Nulldurchganges unsicher, und aus diesem Grund beschränkt das Rauschen schließlich die Datendichte. Dadurch, daß der Magnetowiderstands-Sensor nicht vormagnetisiert wird, arbeitet er jedoch in der nichtlinearen Betriebsart, und das Differential hat eine steilere Nulldurchgangssteigung als das des linear vormagnetisierten Vormagnetowiderstands-Sensors. Diese vergrößerte Nulldurchgangssteigung führt zu einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und zu einer genaueren Erkennung der Nulldurchgangslagen, während alle anderen Dinge gleich sind.
Um ein geeignetes nichtlineares Signal von dem Magnetowiderstands-Sensor zu erzielen, sollte sich der Magnetisierungsvektor in einem größeren Ausmaß drehen, als im vormagnetisierten Fall (siehe Fig. 11 für eine Erläuterung des Prinzips). Der obere Teil der Fig. 11 zeigt graphisch die Hälfte des normalisierten Magnetowiderstands-Ansprechverhaltens. Der untere Teil der Fig. 11 zeigt graphisch zwei Magnetplatten-Flußeingangssignale 104, 106, wobei das Signal 104 das Eingangssignal für einen nichtlinearen Magnetowiderstands-Sensor darstellt, während das Signal 106 das Eingangssignal an einen linearen Magnetowiderstands-Sensor darstellt. Obwohl die beiden Signale 104, 106 mit stark unterschiedlichen Amplituden gezeigt sind, können sie tatsächlich die gleiche Amplitude aufweisen, wenn das relative Ansprechverhalten des Magnetowiderstands-Sensors proportional zu der gezeigten Relativdifferenz ist. Tatsächlich kann es vorzuziehen sein, das relative Ansprechverhalten sowohl der Magnetplatte als auch des Magnetowiderstands-Sensors anzupassen.
In einer linearen Betriebsart durchläuft das Signal 106 die Zustände 1, 2, 3 und 4, und der Magnetowiderstands-Sensor spricht hierauf mit einer Bewegung durch die Widerstandszustände 1', 2', 3' und 4' an (für einen entgegengesetzt polarisierten Impuls würden die Zustände auf der gegenüberliegenden Seite des Zustandes 1' liegen). Für alle Zustände sind die Eingänge und Ausgänge lineare Nachbildungen.
In einer nichtlinearen Betriebsart durchläuft das Signal 104 die Zustände A - F, und der Sensor spricht mit den Zuständen A' - F' an (ein entgegengesetzt polarisierter Signalimpuls würde zum gleichen Ausgangssignal, jedoch von der anderen Hälfte der Widerstandskurve führen). Das Ausgangssignal ist nichtlinear bis zum Bereich D' - F', wo es wiederum zu einer linearen Nachbildung wird. Es ist aus Fig. 11 zu erkennen, daß das Gesamtansprechverhalten des nichtlinearen Magnetowiderstands-Sensors (von A' - F') größer als das Gesamtansprechverhalten von dem linearen Magnetowiderstands-Sensor (von 1' - 4'). Daher ist die Gesamtempfindlichkeit größer, und die Mittelpunkte der Übergänge (Impulsspitzen) können hinsichtlich ihrer Lage genauer festgelegt werden. Das tatsächliche Ausgangssignal des Magnetowiderstands-Sensors wird um 25 - 30 vergrößert.
Obwohl eine Auswahl der Materialien zur Erzielung des Ansprechverhaltens gemäß Fig. 11 in vielfältiger Weise möglich ist, besteht die bevorzugte Wahl in einem Magnetowiderstands-Sensor, der aus Permalloy besteht, sowie in einem Magnetplattenmaterial mit einem ausreichenden Magnetfluß zur Erzielung der angegebenen Magnetisierungsvektordrehung mit einem Magnetowiderstands-Sensor, der auf einem üblichen Kopf befestigt ist.
Fig. 12 zeigt einen Magnetowiderstands-Sensor 10 mit pseudoelliptischer Form, mit Kontakten 84, 86, einer Konstantstromquelle 88 und einem Spannungssensor oder Meßfühler 90. Dieser Magnetowiderstands-Sensor ist vorzugsweise in dem Doppelspaltkopf nach den Fig. 6 und 7 befestigt. Dadurch, daß keinerlei Vormagnetisierung vorgesehen ist, arbeitet der Sensor in einer nichtlinearen Betriebsart. Seine Form und Lage in dem abgeschirmten zweiten Spalt des Doppelspaltkopfes hält den Magnetowiderstands-Sensor in einem Einzeldomänen-Zustand. Wenn diese gerätemäßige Ausführung für eine vorgegebene Anwendung nicht robust genug ist, so kann die Stabilität weiter dadurch verbessert werden, daß Austauschmaterial in Bereichen 110, 112 vorgesehen wird, wie dies weiter oben beschrieben ist.
Es ist zu erkennen, daß wie in Fig. 9, die anderen dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vorzugsmagnetisierungsachse aufweisen, die gegenüber einer Linie parallel zu einer Unterkante des Magnetowiderstands-Sensors nach oben verkantet ist.

Claims

1. Magnetowiderstands-Kopf mit:

einem Magnetowiderstands-Sensor (10;64;94;100) zum Lesen eines magnetischen Aufzeichnungsmediums (50), auf dem eine Vielzahl von Magnetisierungsübergängen aufgezeichnet ist, wobei der Sensor einen in der Mitte liegenden sensorbereich (L) mit einem Magnetisierungsvektor (M) einschließt und der Sensor benachbart zu dem Aufzeichungsmedium angeordnet ist, um Magnetflußimpulse in dem Sensorbereich beim Vorbei laufen eines auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichneten Magnetisierungsüberganges zu erzeugen,

Einrichtungen (88) zur Lieferung eines Meßstromes in dem Sensorbereich (L) mit einem Vektor (J),

dadurch gekennzeichnet, daß

der Magnetisierungsvektor (M) bei Fehlen äußerer Magnetfelder von dem Aufzeichnungsmedium parallel zur Vorzugsmagnetisierungsachse ausgerichtet ist,

der Vektor (J) im wesentlichen parallel zu dem Magnetisierungsvektor (M) ausgerichtet ist, und

der Magnetisierungsvektor sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Fluß des Aufzeichnungsmediums von dem Meßstromvektor fort dreht, so daß der Winkel zwischen diesen Vektoren im Bereich von 40º - 50º liegt,

sodaß der Sensor aufgrund der anfänglichen Ausrichtung der Meßstrom- und Magnetisierungsvektoren bei Fehlen eines magnetischen Flusses von dem magnetischen Aufzeichnungsmedium in einer nichtlinearen Betriebsweise arbeiten kann, während ermöglicht wird, daß das Ansprechverhalten des Sensors im Bereich der Magnetflußimpulsspitze angenähert eine lineare Funktion des magnetischen Flusses des Überganges ist.

2. Kopf nach Anspruch 1, bei dem der Sensor weiterhin zwei seitliche Verlängerungen (12,14;26,28) und zwei elektrische Kontakte (38;66;80,82) aufweist, die jeweils die Verlängerungen mit den Meßstromeinrichtungen elektrisch in Kontakt bringen und unverkantete Oberflächen benachbart zu dem in der Mitte liegenden sensorbereich aufweisen, wobei die Oberflächen parallel zueinander verlaufen.

3. Magnetowiderstands-Kopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensor eine pseudo-elliptische Form aufweist.

4. Magnetowiderstands-Kopf nach Anspruch 2 oder 3, der weiterhin Austausch-Vormagnetisierungsmaterial (16,18) aufweist, das mit den Verlängerungen (12,14) atomgekoppelt ist, nicht jedoch mit dem in der Mitte liegenden Sensorbereich (L).

5. Magnetowiderstands-Kopf nach Anspruch 4, bei dem der Sensor eine Kante (36) aufweist, wobei das Austausch-Vormagnetisierungsmaterial gegenüber der Kante um eine kurze Strecke zurückversetzt ist.

6. Magnetowwiderstands-Kopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin zwei induktive Schreibpole (72,79) und eine weichmagnetische Abschirmung (60) zur Bildung zweier Spalte umfaßt, wobei ein erster Spalt zwischen den Polen und ein zweiter Spalt zwischen dem in Bewegungsrichtung hinteren (72) der Pole und der Abschirmung (60) liegt, wobei der Sensor in dem zweiten Spalt befestigt ist und ein in Bewegungsrichtung vorderer (79) der Pole eine Länge aufweist, die eine Spurweite festlegt, wobei der in der Mitte liegende sensorbereich (L) angenähert die gleiche Länge wie der vordere Pol aufweist und der hintere Pol eine Länge aufweist, die zumindestens so groß ist, wie die des Sensors.

7. Magnetowiderstands-Kopf nach Anspruch 6, bei dem die weichmagnetische Abschirmung (60) zumindestens so lang wie der Sensor ist.

8. Magnetowiderstands-Kopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7, der weiterhin eine Spannungsmeßschaltung (90) umfaßt, die zwischen jedem der Kontakte angeschaltet ist.