KR20010086630A - Method for forming impedance-valve type material and magnetic sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 임피던스 밸브형 물질 형성 방법 및 이를 이용한 자기센서 응용에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming an impedance valve type material and a magnetic sensor application using the same.
자기디스크를 이용한 데이터 저장기술이 70년대 후반 자기저항(Magneto resistance : 이하 MR이라 칭함)을 이용한 판독헤드(read head)가 처음 개발된 이후로 90년대 후반에는 평방인치당 수 기가바이트(Giga bytes) 이상의 고밀도 자기기록 매체 및 기록 재생을 위한 판독헤드가 연구 개발되고 있는 중에 있다.Since data storage technology using magnetic disks was first developed in the late 70's with a read head using magnetic resistance (hereinafter referred to as MR), in the late 90's, more than a few gigabytes per square inch High-density magnetic recording media and readheads for recording and reproducing are under research and development.
메모리 관련 제품의 고도화는 기록매체 개발보다 소자개발이 더 중요한 역할을 하고 있으며, MR 현상을 이용하여 고밀도 자기기록 매체와 그 매체로부터 데이터를 기록/재생하기 위한 헤드가 개발되어 일부 고급 제품에 사용되고 있다. 이러한 자기헤드에는 도 1에 도시되어있는 바와 같이, 다층자성박막의 자성층간의 교환결합에 의해 동작자장에서 수% 정도의 스텝 모양의 자기저항을 가지며, 이와 같이 자장감응도가 우수한 스핀-밸브형(spin-valve type) 거대자기저항(Giant MR; 이하 GMR이라 칭함) 현상을 나타내는 물질이 자기헤드에 응용되고 있다. 이와 아울러 자장 분해능이 도 5에 나타난 것처럼 홀이펙트소자보다 우수하기 때문에 MR을 각종 자기센서에 이용하고자 연구개발중이다.In the advancement of memory-related products, device development plays a more important role than development of recording media, and high-density magnetic recording media using MR phenomenon and heads for recording / reproducing data from the media have been developed and used in some high-end products. . As shown in FIG. 1, the magnetic head has a step-shaped magnetoresistance of about several percent in the operating magnetic field by exchange coupling between the magnetic layers of the multilayer magnetic thin film, and thus the spin-valve type having excellent magnetic field sensitivity. -valve type) A material exhibiting a giant magnetoresistance (Giant MR) phenomenon is being applied to a magnetic head. In addition, since magnetic field resolution is superior to that of a Hall effect device as shown in FIG. 5, MR is being used for various magnetic sensors.
상기와 같은 종래 기술에 따른 스핀-밸브형 GMR 물질을 이용한 자기헤드는 강자성층, 준강자성층 및 반강자성층을 두층 이상 적층하여 형성하는데, 이러한 GMR 물질도 자기저항이 수% 정도로 작아, 고밀도-고주파 자기의 원활한 기록 및 재생이 어렵고, 더욱 미세한 자기를 측정하는데 사용되는 의료용 자기센서등으로의사용은 더욱 어려운 문제점이 있다.The magnetic head using the spin-valve type GMR material according to the prior art is formed by stacking two or more layers of a ferromagnetic layer, a quasi-ferromagnetic layer, and an anti-ferromagnetic layer. Smooth recording and reproducing of high frequency magnetism are difficult, and use as a medical magnetic sensor used to measure finer magnetism is more difficult.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 미세 자기헤드나 자기센서등에 사용할 수 있는 임피던스 밸브형 GMI (Giant magneto-impedance) 특성을 나타내는 물질 형성 방법 및 이를 이용한 자장 감응도가 우수한 자기센서를 제공하는데 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a material formation method exhibiting an impedance valve type GMI (Giant magneto-impedance) characteristic that can be used for a fine magnetic head or a magnetic sensor, and excellent magnetic field sensitivity. It is to provide a magnetic sensor.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 자기감응도 및 자기저항을 높여, 고감도의 정보기록매체의 자기헤드 및 미세 자장 탐지용 자기센서로서 활용할 수 있는 임피던스 밸브 현상을 나타내는 GMI 물질의 형성방법과 그를 이용한 자기센서를 제공하는데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to increase the magnetic sensitivity and the magnetic resistance, and to form a GMI material exhibiting an impedance valve phenomenon which can be used as a magnetic head and a magnetic field detection sensor of a highly sensitive information recording medium, and magnetic using the same. To provide a sensor.
도 1은 GMR 물질의 자기장변화에 따른 GMR 그래프이다.1 is a GMR graph according to the magnetic field change of the GMR material.
도 2는 일반적인 GMI 물질의 자기장변화에 따른 GMI 그래프이다.2 is a GMI graph according to the magnetic field change of a typical GMI material.
도 3은 본 발명에 따른 GMI 물질의 자기장변화에 따른 GMI 그래프이다.3 is a GMI graph according to the magnetic field change of the GMI material according to the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 임피던스 밸브형 GMI특성을 이용한 자기헤드의 기본 모형도이다.4A to 4C are basic models of a magnetic head using impedance valve type GMI characteristics.
도 5는 각종 자기센서의 자장 감응도를 나타낸 그래프도이다.5 is a graph illustrating magnetic field sensitivity of various magnetic sensors.
도 6은 임피던스 밸브현상을 나타내는 물질을 이용한 멀티바이브레이터형 자기임피던스 센서(multivibrator type MI sensor)를 도시한 회로도이다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a multivibrator type MI impedance sensor using a material representing an impedance valve phenomenon.
도 7은 임피던스 밸브현상을 나타내는 물질을 이용한 차동형 자기임피던스 센서(differential type MI sensor)를 도시한 회로도이다.FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a differential magnetic impedance sensor (differential type MI sensor) using a material representing an impedance valve phenomenon.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 20, 30...GMI 밸브, a, d...전류인가용 단자10, 20, 30 ... GMI valve, a, d ... terminal for current application
b, c...임피던스측정용 단자, Hext...인가된 자기장b, c ... Impedance measuring terminal, H ext ... Applied magnetic field
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 GMI 물질 형성방법은, 공기중에서 자성물질에 자기장을 인가한 상태에서 열처리하여 그 표면에 강자성층을 형성함으로써 자성물질층과 강자성층간의 결합력에 의해 임피던스 밸브형 GMI 효과를 가지도록 하는데 있다.In the GMI material forming method according to the present invention for achieving the above technical problem, by forming a ferromagnetic layer on the surface by heat treatment in the air applied to the magnetic material in the magnetic material by the bonding force between the magnetic material layer and the ferromagnetic layer Impedance valve type GMI effect.
본 발명에 사용된 시료는 고투자율의 Co계 비정질 리본(Co66Fe4NiB14Si15)과 인바르(Invar) 와이어 (Fe64Ni36, 1μm)를 사용하였지만 임피던스 밸브 현상을 나타내는 물질이 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 약 380oC에서 대략 1시간에서 8시간정도 열처리를 하면서 외부에서 자성체의 축방향(길이 방향) 혹은 축에 수직방향으로 자기장을 인가하였다. 본 실시예에서는 인가자기장이 약 2 Oe일 때 특성이 가장 좋았다. 이러한 열처리 과정에서 자성체 표면에서 결정화 또는 결정결함에 의해서 외부자기장 방향으로 영구자성층 (permanent magnetic layer)이 생긴다. 본 발명에서는 이 자성층이 자기장에 의해 자장 감응도가 획기적으로 향상된 임피던스 밸브현상을 나타내는 물질의 형성방법 및 그를 이용한 자기센서를 제공한다.The sample used in the present invention used a high permeability Co-based amorphous ribbon (Co 66 Fe 4 NiB 14 Si 15 ) and Invar wire (Fe 64 Ni 36 , 1μm), but the material exhibiting impedance valve phenomenon It is not limited only. In a preferred embodiment of the present invention, a magnetic field was applied from the outside in the axial direction (length direction) of the magnetic material or in a direction perpendicular to the axis while performing heat treatment at about 380 ° C. for about 1 hour to 8 hours. In this embodiment, the best properties were when the applied magnetic field was about 2 Oe. In this heat treatment, a permanent magnetic layer is formed in the direction of the external magnetic field by crystallization or crystallization on the surface of the magnetic body. The present invention provides a method of forming a material in which the magnetic layer exhibits an impedance valve phenomenon by which the magnetic field sensitivity is greatly improved by the magnetic field, and a magnetic sensor using the same.
이하, 본 발명에 따른 임피던스 밸브형 GMI현상을 나타내는 물질의 형성방법 및 그를 이용한 자기센서에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of forming a material exhibiting an impedance valve type GMI phenomenon according to the present invention and a magnetic sensor using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 GMR 물질의 자기장 변화에 따른 GMR그래프이다. 도 1에는, 고밀도 자기기록 매체 및 기록 재생을 위한 헤드에 사용되는 스핀 밸브형 MR현상이 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, "0" 자기장 근처에서 스텝과 같은 급격한 저항변화가 일어나고 이를 기존의 자기센서에서 사용하고 있다.1 is a GMR graph according to the change in the magnetic field of the GMR material. 1 shows a spin valve type MR phenomenon used for a high density magnetic recording medium and a head for recording and reproducing. As shown in the figure, a sudden resistance change such as a step occurs near a "0" magnetic field and is used in a conventional magnetic sensor.
도 2는 일반적인 GMI 물질의 자기장변화에 따른 GMI 효과를 설명하기 위한 그래프로서, 고투자율 자성체인 강유전막에서 나타나는 GMI는 종래의 GMR에 비해 자기장에 따른 변화가 약 100%에 이르러, GMR에 비해 그 효과가 50배 이상 크고, 자기 감응도(%/Oe)가 약 100배에 이르는 것으로 알려져 있으나, 도 2에서와 같은 피라미드형의 GMI 효과를 나타내고 있어, 미세 자장의 세기를 측정하는 자기센서로서는 부적합한 부분이 있다.2 is a graph for explaining the GMI effect according to the change of the magnetic field of the general GMI material, the GMI appearing in the ferroelectric film, which is a high permeability magnetic material is about 100% of the change due to the magnetic field, compared to the conventional GMR Although it is known that the effect is 50 times or more and the magnetic sensitivity (% / Oe) is about 100 times, it shows the pyramidal GMI effect as shown in FIG. 2 and is not suitable as a magnetic sensor for measuring the strength of the fine magnetic field. There is this.
도 3은 본 발명에 따른 임피던스 밸브형 GMI 물질의 자기장 대 임피던스 변화율 그래프로서, 동작자장에서 자기감응도가 GMR에 비해 약 1000배에 이른다. 상기의 임피던스 밸브형 GMI현상은 자성박막, 비정질 리본, 미세 자성 와이어 (wire) 및 자성결정체 등과 같은 자성체를 공기중이나 불활성 가스 분위기에서 열처리 시켜 자성체의 표면에 강자성층을 형성시키면, 상기 강자성층과 연자성간의 결합력에 의해 자성체가 도 3과 같은 임피던스 밸브형 GMI 특성을 가지게 된다. 이러한 GMI 효과를 주는 물질은 정보기록매체의 자기헤드 및 각종 자기센서에 이용될 수 있다.3 is a magnetic field vs. impedance change rate graph of an impedance valve type GMI material according to the present invention, in which the magnetic sensitivity in the operating magnetic field is about 1000 times that of GMR. In the impedance valve type GMI phenomenon, when a ferromagnetic layer is formed on a surface of a magnetic body by heat-treating a magnetic material such as a magnetic thin film, an amorphous ribbon, a fine magnetic wire, and a magnetic crystal in an air or inert gas atmosphere, the ferromagnetic layer and soft magnetic The magnetic body has the impedance valve type GMI characteristics as shown in FIG. Such a material having a GMI effect can be used for the magnetic head and various magnetic sensors of the information recording medium.
도 4a 내지 도 4c는 임피던스 밸브형 GMI특성을 나타내는 자성체를 이용한 기록재생용 자기헤드를 개략적으로 도시한 기본 모형도들이다. 도 4a 내지 도 4c에서, Hext는 자기장을 나타내고, a, d는 전류인가용 단자이고 b, c는 임피던스 측정을 위한 전압측정단자이다. 임피던스는 인가전류(I)에 따른 전압(V)의 변화를 읽어 오옴의 법칙 Z(Ω)=V/I 를 이용해서 측정하게된다. 도 4a 내지 도 4c에서 임피던스 밸브형 GMI특성을 가지는 물질에 자기테이프나 자기적으로 기록되어있는 기록매체를 지나치게 하면 미세한 자장변화가 생기게되고 이 미세자장변화에 큰 자기감응도를 가지는 물질의 임피던스는 큰 변화를 일으키고 이 변화를 측정하므로써 기록매체의 기록을 판독할 수 있게된다. 이때의 임피던스변화는 기존의 스핀-밸브형 GMR 물질을 이용한 자기헤드보다 약 1000배정도 큰 자기감응도를 나타내므로 기록재생의 질을 향상시킬 수 있고 기록의 고밀도화가 가능하게 되는 이점이 있으며 위에서 언급한 스핀-밸브형 GMR물질을 이용한 자기헤드에서 나타나는 문제점을 해결할 수 있게 된다.4A to 4C are basic model diagrams schematically showing a magnetic head for recording and reproduction using a magnetic material exhibiting impedance valve type GMI characteristics. 4a to 4c, H ext represents a magnetic field, a and d are terminals for applying current, and b and c are voltage measurement terminals for impedance measurement. Impedance is measured using the Ohm's law Z (Ω) = V / I by reading the change of voltage V according to the applied current I. 4A to 4C, when the magnetic tape or the magnetic recording medium is excessively used on the material having the impedance valve type GMI characteristic, a small magnetic field change is generated, and the impedance of the material having a large magnetic sensitivity to the small magnetic field change is large. By making a change and measuring the change, it is possible to read the record of the recording medium. In this case, the impedance change shows a magnetic sensitivity about 1000 times larger than the magnetic head using the conventional spin-valve type GMR material, so that the quality of recording and reproduction can be improved and the recording density can be increased. -It can solve the problem of magnetic head using valve type GMR material.
도 6은 임피던스 밸브현상을 나타내는 물질을 이용한 멀티바이브레이터형 자기임피던스 센서(multivibrator type MI sensor)를 도시한 회로도이다. 도 7은 임피던스 밸브현상을 나타내는 물질을 이용한 차동형 자기임피던스 센서(differential type MI sensor)를 도시한 회로도이다.FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a multivibrator type MI impedance sensor using a material representing an impedance valve phenomenon. FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a differential magnetic impedance sensor (differential type MI sensor) using a material representing an impedance valve phenomenon.
현재 실험실수준으로 도 6 및 도 7에 나타낸 회로와 같이 GMI형 자성물질을 이용한 두 가지 형태?? 자기센서, 즉 멀티바이브레이터형과 차동형의 자기센서가 개발되어 사용중에 있다. 도 6에서 밸브(60)에 멀티바이브레이터형 전압(E)과 자기장(Hext)을 인가하고, 자기센서인 밸브(60)에서 센싱된 결과를 증폭기(65)에서 증폭하여 출력(Vout)을 내보내며, 도 7에는 밸브(70)에 차동형 전압(E)과 자기장(Hext)을 인가하고 그 밸브센서(70)의 후부에 바이어스코일(72)을 위치시켜 자기센서인 밸브(70)에서 센싱된 결과를 증폭기(75)에서 증폭하여 출력(Vout)을 내보낸다. 이들의 경우 GMI 물질은 본 발명에서와 같은 임피던스 밸브형 물질이 아니다. 즉, GMI 현상은 실험 결과에 따르면 직경 1㎛ 이하의 미소 와이어 재료에서도 그 특성이 나타나며, 1㎛ 직경의 비정질 와이어를 열처리하여 형성된 임피던스 밸브형 GMI 물질을 이용하면, 종래 보고된 GMI 물질 (임피던스 밸브형 GMI가 아닌)을 이용한 실험실 수준에서 개발된 국부 자기장 측정용 센서의 10-5Oe 분해능에 비해 약 50 내지 100배 이상 향상된 10-6Oe 이상의 분해능을 가지게 된다.Two types using GMI type magnetic materials as shown in the circuits of FIGS. 6 and 7 at the current laboratory level. Magnetic sensors, ie multivibrator type and differential type magnetic sensors, have been developed and are in use. In FIG. 6, the multivibrator-type voltage E and the magnetic field H ext are applied to the valve 60, and the output V out is amplified by the amplifier 65 by amplifying the result detected by the valve 60, which is a magnetic sensor. In FIG. 7, the differential voltage E and the magnetic field H ext are applied to the valve 70, and the bias coil 72 is positioned at the rear of the valve sensor 70, thereby providing a magnetic sensor at the valve 70. The sensed result is amplified by the amplifier 75 and outputs the output V out . In these cases the GMI material is not an impedance valve type material as in the present invention. That is, according to the experimental results, the GMI phenomenon is also exhibited in microwire materials having a diameter of 1 μm or less, and using an impedance valve type GMI material formed by heat-treating an amorphous wire having a diameter of 1 μm, GMI material (impedance valve) It has a resolution of 10 -6 Oe or more, which is about 50 to 100 times better than the 10 -5 Oe resolution of a local magnetic field sensor developed at the laboratory level using a non-type GMI).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 GMI 물질 형성방법은 연자성체로된 자성박막, 비정질 리본, 미세 자성 와이어 (wire) 및 자성결정물질 등을 열처리시켜 자성물질의 표면에 강자성층을 형성시킴으로써 임피던스 밸브형 GMI 특성을 가지게 하는 것으로, 이를 자기헤드에 적용하면 현재 개발된 초소형의 MR헤드와 같은 크기로써 그 감응도는 1,000 배 향상시킬 수 있다. 그리고 일반적인 GMI효과를(임피던스 밸브형 GMI가 아닌) 이용하여 1μm 직경의 비정질에서 10-5Oe 분해능으로 국부 자기장 측정용 센서가 실험실 수준에서 개발되었는데, 본 발명의 현상을 활용한다면 그 분해능을 약 50 내지 100 배 이상 향상시킬 수 있다. 또한 GMR에 비하여 낮은 자기장에서 자기 이력을 보이지 않고, 자기 감응도가 높아 직경이 1㎛ 이하의 와이어 또는 박막에 용이하게 사용할 수 있는 이점이 있다.As described above, the GMI material forming method according to the present invention is an impedance by forming a ferromagnetic layer on the surface of the magnetic material by heat-treating a magnetic thin film, an amorphous ribbon, a fine magnetic wire (wire) and a magnetic crystal material made of a soft magnetic material It has a valve-type GMI characteristic, and when applied to a magnetic head, the sensitivity is 1,000 times as large as that of the currently developed ultra-small MR head. In addition, a local magnetic field measuring sensor was developed at the laboratory level with a resolution of 10 -5 Oe at 1 μm diameter amorphous (not an impedance valve type GMI) using a general GMI effect. To 100 times or more. In addition, the magnetic hysteresis is not exhibited in a low magnetic field compared to GMR, and the magnetic sensitivity is high, so that it can be easily used for wires or thin films having a diameter of 1 μm or less.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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