JPH0590381U - 磁気センサ - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 二つの磁束導体６，７の間の空隙15を磁気的
に架橋する磁気抵抗素子３を具えている磁気センサ１を
改良する。 【構成】 そのセンサの騒音レベルと高調波ひずみとを
低減させるために、磁束導体６，７が各々実質的に同じ
組成を有する透磁性材料の少なくとも２層16, 18から構
成され、それらの透磁性材料の層の間に異なる組成を有
する層17が存在している。
に架橋する磁気抵抗素子３を具えている磁気センサ１を
改良する。 【構成】 そのセンサの騒音レベルと高調波ひずみとを
低減させるために、磁束導体６，７が各々実質的に同じ
組成を有する透磁性材料の少なくとも２層16, 18から構
成され、それらの透磁性材料の層の間に異なる組成を有
する層17が存在している。
Description
【０００１】
本考案は特に、磁気記録媒体、例えば、磁気テープ又はディスクの磁界を検出 するのに用いられる磁気センサに関するものである。
【０００２】 本考案は、２個の対向して位置する端部において測定電流の供給源に接続する ための接点を有する細長い磁気抵抗素子を具え、該磁気抵抗素子が磁化の容易な 軸がこの素子の平面内にある磁気異方性を示し、磁気抵抗素子によって磁気的に 架橋される間隙が間に存在する一方の平面に位置する２個の透磁性成分を具え、 さらに、前記の２個の成分に平行に置かれた透磁性材料本体を具え、該本体の一 端部が前記間隙から離れた２個の成分のうちの第１の成分の端部に磁気的に連結 され、前記間隙から離れた第２の透磁性成分の端部が外部磁界と磁束連結関係に 持込まれるのに適合した磁気センサに関するものである。
【０００３】 さらに詳しくは、本考案は、磁気抵抗(MR)素子の対向する縁部を重ねる（オー バーラップさせる）２個の磁束ガイドによって磁束が伝達される磁気抵抗(MR)素 子を有する型の磁気センサに関するものである。これは、磁気記録媒体から来る 磁束が、この磁気記録媒体に隣接する磁束ガイドを経由して、磁気抵抗(MR)素子 によって直接的には「吸い上げられ“sucked up"」なくして、間接的に「吸い上 げられる」ことを意味する。この型の既知の磁気センサの欠点は、磁束ガイドの 重なっている部分と、磁気抵抗(MR)素子との間の間隙が、高感度のために、狭い 場合には、出力信号には相当な雑音（ノイズ）とひずみとがあるということであ る。雑音及びひずみの起生は、磁束ガイドと、特に磁束ガイドの重なっている区 域のドメインウオールの数に関係する。本考案者は、非磁性であるか又は第１の 磁気層の飽和磁化値とは違う飽和磁化値を有する第２の磁気層によって第１の磁 気層が交互に一つおきに重ねて並べられる積層構造によって磁束ガイドが形成さ れる場合に、出力における雑音及びひずみを可成り大幅に減少させることができ ることを見出した。この驚くべき有利な効果は、磁束ガイドが積層構造を有する 場合に、この重なっている区域にドメインウオールがほんの２，３しか生じない か、又は全く生じないという現象に基づくものとされる。
【０００４】
従来技術について述べれば、２個の透磁性素子の間の間隙を架橋する磁気抵抗 素子の幾何学的図形の装置は、米国特許第3921217 号明細書から知られている。 本来、磁気抵抗素子は磁気的に偏倚、すなわちバイアスされた型のものであり、 その素子では、磁気抵抗素子の録音再生特性を直線化するためには、抵抗−磁界 曲線の直線領域に作動点を移動させるために静的磁界を印加することが必要であ り、又この磁気抵抗素子は、電流をバイアスされた磁気抵抗素子、すなわちカレ ント・バイアスマグネト・レジスタンス素子でもある。これは、１個又は２個以 上の傾斜した、容易に導電する導電細条が、素子の長手方向の軸と約45°の角度 において１個の表面上に設けられた磁気抵抗素子である。これらの細条は等電位 細条として役立つため、この等電位細条に対し直角である素子における電流方向 が、磁化の容易な軸と又約45°の角度を囲む。この方法で透過率特性すなわち伝 送（トランスミッション）特性が直線化される。
【０００５】 別の透磁性素子又はリターンリムすなわち戻り腕（突出部）と共に、一部開い た磁気回路を形成する間隙によって隔離された２個の透磁性成分（いわゆる磁束 導体）を有する上記の型のセンサにおいては、自由の（第２の）透磁性成分が、 提出された磁界の磁束を、いわば「吸い込み」、それを磁気抵抗素子に連結し、 その後この磁束が第１の透磁性成分及びこの透磁性素子を経て戻される。
【０００６】 高感度のためには、すなわち１個の磁束導体から磁気抵抗素子への、それ故そ の他の磁束導体への、この提出された磁束のできるだけ最適の連結のためには、 磁気抵抗素子と磁束導体との間の距離をできるだけ小さく保つべきであるという ことが重要である。
【０００７】 しかしながら、前記の距離が短くなるにつれて、磁気抵抗素子の出力信号にお ける雑音が増加し、高調波ひずみも増加する。この距離が増加する場合には、雑 音及び高調波ひずみが減少するが、その感度も又減少する。
【０００８】
本考案の目的は、高い感度を、低い雑音及び高調波ひずみレベルと結合した冒 頭の段落に記載した型の磁気センサを提供することである。
【０００９】
この目的のため本考案による磁気センサは、磁化容易軸が素子の平面にある磁 気異方性を有する細長い磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子により磁気的に架橋 された空隙が間に存在する一つの平面内に置かれた２個の透磁性の磁束導体と、 この２個の磁束導体に平行に設置された透磁性の材料でできた本体であって、そ の本体は空隙から離れた２個のうちの第１の磁束導体の一端へ磁気的に結合され た一端を有し、空隙から離れた第２磁束導体の一端は外部磁界と磁束連結関係に 持ち込まれるのに適合している本体と、を具えている磁気センサにおいて、 これらの磁束導体が磁気抵抗素子の対向している縁部分と重なり合っており、 且つ各磁束導体は少なくとも１個の非磁性層又は透磁性材料の第１層の磁気飽和 値と異なる磁気飽和値を有する透磁性の少なくとも１個の第２層と交番する透磁 性材料の少なくとも２個の第１層の積層構造から成ることを特徴とする。
【００１０】 また、本考案においては、透磁性の材料の第１層と交番している層の厚さが50 nmの値を超えず、且つ好適には10nmの値を超えないことを特徴とする。
【００１１】 さらに又、本考案においては、非磁性層がMoから成ることを特徴とする。
【００１２】 さらに又、本考案においては、透磁性材料の第１層が第１のNi／Fe比を有する Ni−Fe合金から成り、且つ透磁性材料の第２層が第２のNi／Fe比を有するNi−Fe 合金から成ることを特徴とする。
【００１３】 磁気抵抗素子３と、磁束導体６，７との間の距離（図１で言えばＳ）が非常に 短い場合にも、この磁束導体の構造を用いて雑音及び高調波ひずみが可成り減少 されることが見出された。
【００１４】 この好都合な効果は、磁束導体の積層構造により、従来の単層の磁気抵抗セン サの磁束導体におけるよりもここでは磁壁（すなわちドメインウオール）が少し しか生じなくて、その結果磁気抵抗素子との磁束導体の重複区域における磁壁が 少ししか、又は全く磁気抵抗素子と相互に作用をしないという事実に基づくもの とされる。
【００１５】 磁束導体の最適の作動のためには、すべての２個の透磁性層（この磁束導体は 例えば、中間層によって隔離された２個の透磁性層（図１Ａ参照）、又は２個の 連続する層がどれも中間層によって隔離される４個の透磁性層を具える（図１Ｂ 参照））の間の中間層をできるだけ薄くし、それ故に透磁性層間の静磁気的連結 （すなわち、マグネトースタチックカップリング）をできるだけ大きくすべきで あるということが重要である。
【００１６】 この目的のため、中間層が50nmの厚さを越えず、好ましくは10nmの厚さを越え ない場合にそれは好都合である。この中間層は非磁性材料から成ってもよい。Ni -Fe 又はNi-Co の透磁性層との組み合わせのためには、例えばMoが非常に好適で ある。それらの中間層も又、もしこれが異なった（飽和）磁化と、それ故異なっ た組成とを有するならば、磁性材料から構成することができる。例えば、Ni-Fe 合金におけるNi-Fe の比が変化されれば、磁化も変化する。
【００１７】 異なった組成を有する中間層を実現する非常に実際的な方法は、透磁性層の電 気メッキによる堆積でありかつ浴を通る電流を中途で短時間遮断すること、又は 電流強度を中途で短時間増加又は減少することであることが判る。
【００１８】 この方法は又、僅かに違った組成を有する中間層によって隔離された第１の組 成を有する少なくとも２個の透磁性層を有する透磁性成分に導く。
【００１９】
以下本考案を図面につき例によってさらに詳細に説明する。
【００２０】 図１は本考案による磁気センサを切断して示す断面図である。
【００２１】 図２はスペクトル分析計によって記録された本考案による磁気センサのものと 比較した既知の磁気センサの高調波ひずみと雑音レベルとを示す。
【００２２】 図１は磁気センサ１を示し、この磁気センサ１は、矢印14の方向にこの磁気セ ンサ１のそばを通って移動する磁気記録媒体２から生ずる磁界を検出するのに役 立つ。一方のへりに対向して置かれる透磁性成分６（いわゆるフラックスコンダ クタ、すなわち磁束導体）を経て磁束が印加される磁気抵抗素子３の相対的な抵 抗変化を測定することによって前記の磁界の検出が起こる一方、磁束が、他方の へりに対向して置かれる透磁性成分７及びこれと連結する透磁性素子４を経て記 録媒体に戻される。
【００２３】 所望ならば、本考案によるセンサ１は導電線10を具え、それによって電流通過 の場合には磁気抵抗素子３の変換する特性を線状化するため磁（直流電圧）界を 発生させることができる。透磁性成分６及び７は、高透磁率を有する材料、例え ば約80原子％のNiと20原子％のFeとを有するニッケル−鉄合金から作られ、かつ 成分６が記録媒体２に向かい成分７が戻り突出部（リターンリム）４に連結され るように置かれる。
【００２４】 磁束導体６及び７の使用から生ずる附加的な利点は、移動する磁気記録媒体と 直接接触して置かれていないため、磁気抵抗素子がいかなる機械的摩耗も経験し ない一方、電気抵抗に影響を及ぼしそれ故雑音を生ずる温度変動がめったに起こ らないということである。
【００２５】 さらに、トラックの幅に相等しい幅を有する磁束導体６の使用の結果、読み出 されるトラックの幅が一層よく画成される。
【００２６】 本考案によるセンサ１は、好適のマスクによって薄層構造のために容易に用い ることができ、この薄層構造が基板８を具えその基板８上に連続して設けられる 次の多層構造に導く。すなわち、 − 透磁性材料の第１層； − 石英の第１絶縁層； − 磁気抵抗層； − 石英の第２絶縁層； − 磁気抵抗層の中央部に対向して位置する中間空間によって隔離された２つの 部分における透磁性材料の第２層； の多層構造である。ここで前記の２つの部分のうちの一方は、石英層における接 続孔を経て第１層に接続され、第２層それ自体は、中間層によって隔離された少 なくとも２個の副層から成る。
【００２７】 それによって本考案の範囲から離れることなく多数の変形例が可能であること は当業者には明らかであろう。
【００２８】 そのような磁気センサ１を次の如く作ることができる。すなわち、酸化された 珪素基板８上に3.5 μm の厚さまでニッケル−鉄層をスパッターする（スパッタ リング容量：1.25W/cm2 、10％バイアス、アルゴン圧力：８ミリバール）。例え ば、２mmの厚さを有するNi-Zn フェライトのウエハーを基板として用いる場合に は、この工程を省略することができる。所望のパターンを写真製版法によって層 ４にエッチング（食刻又は腐食）する。これは基板８上に一度に多数のセンサが 設けられるという事実に関している。ニッケル−鉄パターンのへりは、あとに続 く層の堆積中に圧迫ができないようにするため約30°の傾斜角を示す。公衆審査 に公開されたオランダ国特許出願第7317143 号には、薄い上表層の使用がいかに して傾斜角の前記エッチングを可能にするかが記載される。
【００２９】 先ず340 nm厚の石英層９が層４一面にわたってスパッターされ（スパッタリン グ容量：1W/cm2、10％バイアス、アルゴン圧力：10ミリバール）、これに続いて 数個の副層（図示せず）から構成される導体層10が来る。この導体層10に対して は、例えば、最初にMoの20nm、次いでAuの300nm 、最後にMoの100nm がスパッタ ーされる（スパッタリング容量：0.5W/cm2、アルゴン圧力：10ミリバール) 。
【００３０】 層９に対するものと同じ方法で、500nm の厚さを有する石英層11が、層10一面 にわたってスパッターされる。次いで磁気抵抗材料が磁界内で50nmと100nm との 間の厚さまでスパッターされる。この磁気抵抗材料が所望の形状（細条状層３） にエッチングされ、アルミニウムの層（図示せず）が200nm の厚さまでスパッタ ーされる。所望形状にエッチングされたこの層によって、電気回路に対する必要 な接続がもたらされる。石英の500nm 厚さの層12が次いでスパッターされ、その 後、接続孔13が、設けられたこの石英層を通して、エッチングされる。磁束導体 ６及び７が堆積され、磁束導体７が前記接続孔13の区域において層４に接触する ため、層６，７及び４が磁気回路を形成する。これらの磁束導体６及び７は写真 製版法によって所望の形状を与えられている。これは、磁気抵抗層３のセンサに 対向した間隙15によって特徴づけられる。細条３からの、及び細条３への最大の 磁束移転、すなわちやりとりを生ずるために、この間隙15のへりは、ある一定の 傾斜を有する。付勢に際し磁気バイアスフィールドを発生するのに役立つ磁気抵 抗細条３の接続及び導体10の接続の両者共、もし必要ならば、それらのオーミッ ク抵抗を減少させかつ外部電気回路への接続をさらに容易に形成するため、スパ ッタリング又は電気メッキ法によって厚く作ることができる。
【００３１】 本考案の特徴は、蒸着、スパッター、又は電気メッキすることができる磁束導 体６及び７の積層構造である。スパッタリングの場合には、磁気抵抗層を堆積す るのと同じ処理手続が用いられる（スパッタリング容量：1.2W/cm2、10ミリバー ルアルゴン圧力) 。スパッタリングによって得られた構造は、例えば、Ni-Fe の 150nm の厚さの層16、Moの５nmの厚さの層17、及びNi-Fe の150nm の厚さの層18 （図１挿入物Ａ）、又は５nmの厚さを有するMoの３層(20, 22, 24)によって隔離 された、80nmの厚さを有するNi-Fe の４つの重畳層(19, 21, 23, 25)（図１挿入 物Ｂ）を有する。電気メッキの場合には、堆積工程中に層の組成を変化させる種 々の方法がある。例えば、電流密度の増加は、Ni-Fe 層におけるNi含有量の増加 に導き、堆積時間の短縮は、Fe含有量の増加に導く。
【００３２】 磁気抵抗細条３を、単に図１に示す磁束導体６，７の範囲内に置くことができ るばかりでなく又この磁束導体６，７の外側にも置くことができることに注意す べきである。これは、間隙の長さ、すなわち記録媒体の付近の層４と６との間の 距離を小さく、特に１μm よりも小さくすることを可能にする。
【００３３】 本考案による磁気センサの性質を決定するため、このセンサが、磁気記録媒体 の（模擬すなわちシミュレーションされた）フィールドに入れられた（周波数１ KHz ）。このセンサの出力信号における高調波がスペクトル分析計によって分析 され、単一層磁束導体を具えた従来のセンサのものと比較された。両者の場合共 に、磁気抵抗細条３と磁束導体６，７との間の距離Ｓが約400nm であった。その 結果が図２に示され、測定周波数の函数としての出力信号V0を示す。この頂部の スペクトルが従来のセンサに属し、この底部のスペクトルが本考案によるセンサ に属する。後者、すなわち本考案における場合には、高調波のレベル及び雑音の レベルの両方共可成り低いことが明らかであろう。
【図１】本考案による磁気センサを切断して示す断面図
である。
である。
【図２】スペクトル分析計によって記録された本考案に
よる磁気センサのものと比較した既知の磁気センサの高
調波ひずみと雑音レベルとを示す。
よる磁気センサのものと比較した既知の磁気センサの高
調波ひずみと雑音レベルとを示す。
１ 磁気センサ ２ 磁気記録媒体 ３ 磁気抵抗素子（細条） ４ 透磁性素子（戻り突出部） ６，７ 透磁性成分 ８ 基板 ９ 340nm 厚さの石英層 10 導電線 11 石英の層 12 500nm 厚さの石英層 13 接続孔 14 矢 15 間隙 16 150nm の厚さのNi-Fe 層 17 5nm の厚さのMo層（非磁性材料層） 18 150nm の厚さのNi-Fe 層 19, 21, 23, 25 80nmの厚さを有するNi-Fe の４つの重
畳層 20, 22, 24 5nm の厚さを有するMoの３つの層 Ｓ 磁気抵抗細条３と磁束導体6,7 との間の距離 Vo 出力信号
畳層 20, 22, 24 5nm の厚さを有するMoの３つの層 Ｓ 磁気抵抗細条３と磁束導体6,7 との間の距離 Vo 出力信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ロベルタス ドミニクス ヨセフ ベラー ル オランダ国 アインドーフェン ピーター ゼーマンストラート ６
Claims (4)
- 【請求項１】 磁化容易軸が素子の平面にある磁気異方
性を有する細長い磁気抵抗素子と、 この磁気抵抗素子により磁気的に架橋された空隙が間に
存在する一つの平面内に置かれた２個の透磁性の磁束導
体と、 この２個の磁束導体に平行に設置された透磁性の材料で
できた本体であって、その本体は空隙から離れた２個の
うちの第１の磁束導体の一端へ磁気的に結合された一端
を有し、空隙から離れた第２磁束導体の一端は外部磁界
と磁束連結関係に持ち込まれるのに適合している本体
と、 を具えている磁気センサにおいて、 これらの磁束導体が磁気抵抗素子の対向している縁部分
と重なり合っており、且つ各磁束導体は少なくとも１個
の非磁性層又は透磁性材料の第１層の磁気飽和値と異な
る磁気飽和値を有する透磁性の少なくとも１個の第２層
と交番する透磁性材料の少なくとも２個の第１層の積層
構造から成ることを特徴とする磁気センサ。 - 【請求項２】 透磁性の材料の第１層と交番している層
の厚さが50nmの値を超えず、且つ好適には10nmの値を超
えないことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。 - 【請求項３】 非磁性層がMoから成ることを特徴とする
請求項１記載の磁気センサ。 - 【請求項４】 透磁性材料の第１層が第１のNi／Fe比を
有するNi−Fe合金から成り、且つ透磁性材料の第２層が
第２のNi／Fe比を有するNi−Fe合金から成ることを特徴
とする請求項１又は２記載の磁気センサ。
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