CN1103195A - 电流偏置磁性旋转阀式传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于旋转阀效应的磁阻读取传感器，其中读 取元件电阻分量随在两层邻接磁性层中之磁化方向 间的角度余弦而变化，并包括两层以非磁性金属层隔 开的铁磁性层，其中一层的磁性易形成轴沿其纵轴取 向且垂直于邻接之磁性储存介质的磁道宽度。传感 电流产生偏置磁场，使两层中的磁化方向取向为相对 于磁性易形成轴成一相等且相反的角度θ，在无施加 磁场信号时提供2θ的角度分离，而在施加磁场时以 2δθ的量改变两层的角度分离。

Description

本发明一般涉及用于读取记录于磁性介质中的信息信号的磁性转换器，更特定言之，系涉及一种改进的磁阻读取传感器，它利用多层、旋转阀结构及传感器传感电流来设定该传感器的无信号操作点。

先有技术揭示过称为磁阻（magnetoresistive，下文简称MR）传感器或磁头的磁性读取转换器，其已经显示能够自高线性密度的磁性表面读取数据。MR传感器通过由磁性材料制作的读取元件的电阻变化而检测为该读取元件所感测到的磁通量强度及方向的函数的磁场信号。这些先有技术的MR传感器以异向性磁阻（anisotropic magnetoresistive，下文简称AMR）效应为基础而操作，其中该读取元件电阻的一个分量随磁化和传感电流流经该元件的方向之间的角度的余弦（cos）平方（cosine²）之平方而改变。这种AMR效应的更详细说明可在D.A.汤普森（D.A.Thompson）等人发表于国际电机及电子工程会报杂志，HAG-11，第1039页（1975）（IEEE Trans.Mag.MAG-11，p.1039（1975））的“存储器、存储装置、及相关应用”（Memory，Storage，and Related Applications）一文中找到。

美国专利第4，896，235号，标题为“使用磁阻效应的磁性转换器磁头”，于1990年1月23日授与泷野等人，揭示了一种多层磁性传感器，其使用了这种AMR并且包含以非磁性层分隔开的第一及第二磁性层，其中至少一层磁性层是由呈现出AMR效应的材料组成。将每一层磁性层中的磁化易形成轴设定为垂直于所施加的磁信号，使得该MR传感器元件传感器电流在平行于该易形成轴的磁性层中提供一磁场，因而消除或减小传感器中的巴克好森（Barkhausen）噪音。H.须山，（H.Suyama）等人发表于1988年国际电机及电子工程会报杂志第24卷第6期第2612-2614页（IEEE  Trans.Mag.，Vol.24，No.6，1988（Pages  2612-2614）之“用于高密度刚性磁盘驱动器的薄膜MR磁头”揭示了一种与泷野等人所披露的相类似的多层MR传感器。

最近，一种不同、更为显著的磁阻效应已获说明，其中认为层化磁性传感器的电阻变化是归因于在磁性层之间的通过一层非磁性层的导通电子的旋转依存传导和在层间界面处及在铁磁性层之内的伴随旋转依存散射。这种磁阻效应不同地称之为“大磁阻”（giant  magnetoresistire）或“旋转阀”（spin  valve）效应。由适当材料制造的这种磁阻传感器提供了改进的敏感度及比在利用AMR效应的传感器中所观察到之更大的电阻变化。在此类型MR传感器中，在一对由非磁性层隔开的铁磁性层之间的平面内电阻随在该两层的磁化之间的角度余弦（cos）而变化。

格朗柏格（Grunberg）的美国专利第4，949，039号说明一种层化磁性结构，其给出由磁性层中磁化的反平行排列所引起的增强的MR效应。对使用于该层化结构的可能材料，格朗柏格列出铁磁性过渡金属及合金，但未为较佳的MR信号振幅从表列中指出较佳的材料。格朗柏格进一步说明反铁磁性型交换耦合的使用以获得反平行排列，其中相邻的铁磁性材料层由薄Cr或Y中间层所隔开。

于1990年12月11日提出、转让给本受让人的同在审理中的美国专利申请案序号07/625.343揭示了一种MR传感器，其中可观察到在两个未耦合铁磁性层之间的电阻随该二层的磁化之间的角度的余弦而变化，并且其与流过传感器的电流方向无关。这个机构产生一咱磁阻，其以该旋转阀效应为基础，并且对选定的材料组合而言，在大小上大于AMR。

于1991年2月8日提出、转让给本受让人的同在审理中的美国专利申请案序号07/652，852揭示了一种以上述效应为基础的MR传感器，其包括两层以非磁性金属材料薄膜层隔开的铁磁性材料薄膜层，其中至少一层铁磁性层是由钴或钴合金组成。这一层铁磁性层的磁化在零外部施加磁场下借助于与反铁磁性层的交换耦合而保持在垂直于另一层铁磁性层的磁化的方向。

在上述引用的美国专利申请案中所说明的旋转阀结构需要将该两层铁磁性层中之一层内的磁化方向固定或“钉住”于一选定的方向，使得在无信号条件下，另一层铁磁性层内的磁化方向被取向到垂 直于该钉住层磁化方向。当施加外部磁信号于该传感器时，在非固定或“自由”层内的磁化方向相对于钉住层内的磁化方向旋转。因此该传感器的输出正比于该自由层之磁化方向旋转过的角度的余弦。为了要维持钉住层中的磁化取向，需要一种用于固定磁化方向的装置。例如，如同在上述引用之专利申请案中所说明的，可以形成一种附加的反铁磁性材料层与钉住的铁磁性层相接触以提供交换耦合的偏置磁场。另外，还可利用一层相邻接的硬磁性层以对钉住层提供硬偏磁。

本发明的主要目的在于提供以旋转阀效应为基础的MR传感器，其中不需要提供用以在一层或多层铁磁性层中固定磁化取向的附加结构装置。

本发明的另一个目的是提供一种MR传感器，其中在两层铁磁性层中的磁化易感应于所施加的磁信号，从而提供增强的测量信号输出。

这些和其它目的及优点根据本发明的原理而达到，其中以旋转阀效应为基础的MR读取传感器包括形成于合适的基片上的层化结构，它包括以一层非磁性金属材料薄膜层隔开的第一及第二铁磁性材料薄膜层，并且其通过传感器感应电流被偏置于所需的无信号点。将铁磁性层排列成与较佳取向或易形成的磁轴一致，该磁轴垂直于在相邻存储介质上的数据磁道宽度且平行于通过传感器的传感电流的方向。当传感电流被施加到传感器时，与该传感电流相关联的磁场为一层铁磁性层提供偏置磁场，以便使第一层中的磁化方向相对于该易形成轴以相等且相反的角度取向。该磁化在磁性层的任一层中都不固定，因而能自由地响应所施加磁场。施加的磁信号将导致两层铁磁性层中的磁化方向相对于该易形成轴旋转过大致相等但相反的角度，因此当与先有技术中将铁磁性层中之一层钉住的旋转阀MR传感器相比较时，它具有改变这些层的磁化之间角度达2倍之多的效应。电流源提供传感电流给MR传感器，其在读取元件两端产生正比于该MR传感器因铁磁性材料层中为感测到的外部加磁场之函数的磁化旋转而起的电阻变化的电压降。该读取元件电阻变化的大小是层中响应诸如代表存储在磁性介质中的数据位的外部施加磁场的磁化方向间之角度变化的余弦的函数。

因此，本发明提供一种旋转阀MR传感器，其中两层铁磁性层中的磁化是自由地响应于施加信号且其中传感器传感电流对两层的磁化施加相对于易形成轴相同但相反角度的偏置。由于两层铁磁性层中的磁化是自由旋转，因此消除了对钉住装置，诸如交换偏置层或硬偏置层的需要。由于两层铁磁性层均对所施加的磁信号易感应，所以该传感器的敏感度大大地增加。此外，由于所使用的典型的用以提供交换偏转磁场的材料是相当易腐蚀的，所以一层或多层暴露于传感器空气轴承表面的交换偏磁层的支除大大地减轻了与传感器的制造和操作相关联的整体腐蚀问题。

本发明的前述及其它目的，特征和优点经由下述本发明之较佳具体实施例，参考附图的详细说明将是显而易见的，附图中类似之参考号码表示类似的部分，其中：

图1是具体化本发明的磁盘存储系统的简化方框图;

图2是根据本发明原理的磁阻传感器较佳实施例的透视视图;

图3是图示显示于图2中的磁阻传感器的磁性层磁化取向的分解透视图;

图4是显示于图2中的磁阻传感器较佳实施例的剖视图;

图5是显示于图2中的施加有纵向偏置磁场的磁阻传感器的磁阻对所施加磁信号的曲线;及

图6是显示于图2中的未施加有纵向偏置磁场的磁阻传感器的磁阻对所施加磁信号的曲线图。

现在参考图1，尽管将本发明说明为如图1中所示的具体化成磁盘存储系统，但是本发明也可应用于其它诸如，例如，磁带记录系统的磁性记录系统是显而易见的。至少一片回转式磁盘12支撑于轴14之上且借助于磁盘驱动电机18而转动。在每一磁盘上的磁性记录介质是以位于磁盘12上之同心数据磁道（未显示）之环状图案的形式存在。

至少一个滑块13位于磁盘12之上，每一个滑块13支撑一个或多个磁性读/写转换器21，典型地称之为读/写磁头。当磁盘转动时，滑块13径向地在磁盘表面22上移进及移出，使得磁头21可存取记录有所需数据的磁盘的不同部分。每一个滑块13借助于悬架15连接于致动器臂19。悬架15提供轻微的弹簧力，其使滑块13施加一小力于磁盘表面22。每一个致动器臂19连接于一个致动器装置27。如图1中所显示的致动器装置可以是例如音圈马达（voice  coil  motor，下文简称VCM）。VCM包括有可在固定磁场之内运动的线圈，该线圈运动的方向和速度由控制器提供的电机电流信号加以控制。

在磁盘存储系统的操作期间，磁盘12的转动在滑块13和磁盘表面22之间产生空气轴承，其作用一个向上的力或提升力于滑块上。该空气轴承因此抵消悬架15的轻微弹簧力并支撑滑块13与磁盘表面分开，而且在操作期间以微小、基本上恒定的间隙稍微地高出磁盘表面之上。

磁盘存储系统的各种元件在操作中通过由控制单位29所产生的控制信号，诸如存取控制信号和内部时钟信号，加以控制。典型而言，控制单位29包含例如逻辑控制电路、存储装置及一个微处理器。控制单位29产生诸如在线23上的驱动电机控制信号及在线28上的磁头位置及搜寻控制信号以控制各种系统操作。在线28上的控制信号提供所需的电流波形以最佳化地将选定之滑块13移动并定位到在相关磁盘12上的所需数据磁道。读和写信号借助于记录信道25而传给读/写磁头21并自读/写磁头21传回。

以上有关典型磁盘存储系统的说明，及随附之图1的图示仅是为了代表性表达的目的。显而易见地，磁盘存储系统可包含很多的磁盘和致动器，而且每一个致动器可支撑很多滑块。

现在参考图2、3及4，根据本发明之原理的MR旋转阀传感器包括软磁铁磁性材料的第一薄膜层33、非磁性金属材料的薄膜层35及软磁铁磁性材料的第二薄膜层37，以形成淀积于诸如，例如，玻璃、陶瓷或半导体的合适的基片上的MR元件30。偏置导体43形成于MR元件30之上以提供纵向偏置磁场，其保证在磁性层33、37的活性区域中的单一磁畴状态，以将巴克好森（Barkhausen）噪音减至最小。偏置导体43通过合适材料的绝缘层而与MR元件30电绝缘。偏置导体相对于MR元件30而取向，使得通过该偏置导体的电流流动在MR元件中产生平行于该磁性易形成轴的磁场。淀积于MR元件30之末端区域上的合适导体材料的电气导线39及41是提供用来在MR传感器和电流源57及信号传感装置55之间形成电路路径。

在制造期间，磁性易形成轴，如以虚线箭头49所指出，是设定为平行于MR元件30纵向轴，而将MR元件30物理性地加以安排，使得它的纵向轴及因而层铁磁性层33、37的易形成轴49以垂直于在磁性存储介质中形成之数据磁道45的宽度W取向。在没有电流流过MR元件30时，两层铁磁性材料33、37的磁化沿易形成轴49取向且是平行的。当传感电流施加于MR元件30时，如以箭头44所指示的，由于铁磁性层33、37的每一层中流动的传感电流，结合流经非磁性金属间隔层35的电流所产生的磁场分别对另一层铁磁性层提供偏置磁场，如在该技术领域（例如，参见美国专利第4，833，560号）中是众所熟知的，其使33、37两层中的磁化相对于易形成轴49以（如以箭头51所指示）相等但相反的角度θ转动。此外，在第一及第二铁磁性材料层33、37两层中的磁化是自由地响应外部施加磁场（诸如图2中所显示之磁场h）而转动它的方向。在响应外部施加磁信号时，在每一层铁磁性层33、37中的磁化将转动相等但相反的角度δθ，因而在MR元件的电阻中提供正比于cos（2δθ）的变化。要注意到，虽然电流流经MR元件30的方向相对于无信号操作点的设定是重要的，但是MR元件30的电阻变化与其中电流流动方向无关并且只视两层铁磁性层33、37响应所施加的磁场信号的磁化间的角度变化而定。

铁磁性层33、37可由诸如，例如，钴（Co）、铁（Fe）、镍（Ni）及它们之合金诸如镍-铁（NiFe）、镍-钴（NiCo）或铁-钴（FeCo）合金的任何合适的磁性材料所制造。非磁性金属间隔层35包含例如铜（Cu）或其它诸如银（Ag）或金（Au）或它们的合金的合适的贵金属。金属间隔层35的厚度是足够地大以保证两层铁磁性层33、37之几乎完全的磁性耦合，但仍是足够薄以小于导通电子的平均自由路径长度。以旋转阀效应为基础、于其中传感器读取元件包含铁磁性/非磁性/铁磁性层化结构的MR传感器更详细说明于上述之参考专利申请案序号07/625，343中，因此本文将其引为参考文件，就如同在本文中充分地说明一般。

继续参考图4，示出了沿MR元件30的纵同所取的如图2中所显示的较佳实施例的剖视图。例如，Ta、Ru或CrV之类的合适底层59在第一铁磁性层33淀积之前可淀积于基片31之上。底层59的目的在于使后续各层的晶体结构、晶粒大小和表面形态最佳化。在获得旋转阀结构的大MR效应特性上，表面形态是至关重要的，因为它容许在两层铁磁性层33、37之间使用非常薄的非磁性金属间隔层35。底层59必须是也具有高电阻系数以使电流分路效应最小化。假使基片31由具有足够高电阻系数的材料组成、具有极平坦的表面且具有合适的结晶学结构的话，底层59可加以省略。

将软铁磁性材料的第一薄膜层33、非磁性金属材料的薄膜层35及软铁磁性材料的第二薄膜层37淀积于底层59之上。提供有电气导线39、41用以在MR传感器和电流源57及信号传感装置55之间形成电路路径。如上述所说明，将MR元件30物理性地排列，使得它的纵轴且因而其磁性易形成轴垂直于在相邻的磁性存储器装置12（如图1中所示）中形成的存储磁道的磁道宽度W。接着，只有一端，例如相对于介质12的较低端，暴露在传感器空气轴承表面ABS，使读取磁道宽度由暴露在ABS的MR元件的末端宽度而加以界定。为了要降低巴克好森噪音，淀积纵向偏置层42于MR元件30远离传感器ABS之侧的一端上。偏置层可由诸如，例如，锰-铁或镍-锰的反铁磁性材料组成，将其加以淀积与铁磁性材料层的末端区域直接接触以通过交换耦合而提供偏置磁场，或者偏置层可以 是硬磁性层以如在该技术领域中所已知地提供硬偏置。由于偏置层42是在自ABS算起的远端，潜在性腐蚀性材料未暴露于ABS，因此将典型地当这类材料存在于ABS时所遭遇的腐蚀问题减至最小。另外，如参考图2所说明的，偏置导体42可形成于MR元件30之上，自其处以诸如二氧化硅（SiO₂）之类的合适材料的绝缘层（未显示）加以隔开。也可以将一层诸如，例如，Ta或Zr的高电阻系数材料的覆盖层（未显示）淀积于MR传感器之上。

如上述所说明，两层铁磁性层33、37让它们磁化两者皆平行于易形成轴且在无施加传感器传感电流下相对于彼此而取向，此外，由偏置层42或偏置导体43所产生的纵向偏置磁场将是平行于易形成的轴的。当传感电流被施加于MR元件30时，所产生的磁场将垂直于易形成轴。因此，最终形成的磁化方向将相对于易形成轴有一个角度θ，它是不同偏置磁场的相对强度的函数。由于在每一层磁性层33、37中的磁化将相等且相反地受到影响，所以在该二层33、37中的磁化在没有施加外部磁场的情况下将分开一个角度2θ。

如上述所说，铁磁性层33、37可由任何合适的磁性材料制成并具有较好地选自10埃到约150埃之范围中的厚度。非磁性间隔层45较好是具有高传导系数的金属性的。诸如Au、Ag及Cu的贵金属材料提供大MR响应，Pt和Pd提供小MR响应，而Cr和Ta则显现出很小的MR响应。间隔层45的厚度较好是在10埃到约40埃的范围之内。现在也参考图5及6，将本发明的旋转阀传感器的MR特性就两种偏置条件加以图示。所示曲线代表MR特性，它们是当15毫安培的传感电流施加于由两层以20埃厚的Cu非磁性层隔开的50埃厚NiFe层所组成的传感元件，其具有4微米（μm）之磁道宽度时，对于未遮盖装置将相对电阻变化画成均匀施加磁场的函数。图5示出10奥斯特纵向偏置磁场的结果而图6示出0奥斯特纵向偏置磁场的结果。

虽然本发明已参考其中之较佳实施例而特别地加以显示及说明，但是本领域中的熟练技术人员将理解到，在形式及细节中之各种变化可在其中达成而不偏离本发明之精神、范畴及教导。例如，虽然将所显示的较佳实施例说明为无遮盖装置，但是本发明的MR传感器同样可应用于遮蔽的或磁通量诱导的结构。因此，此中揭示之本发明仅能加以认为只在如附加之权利要求书所限定的范围中做例证且受到限制。

Claims (12)

1、一种磁阻传感器，其特征在于，

以一非磁性金属材料层隔开的一第一及一第二铁磁性料层，在所述第一及第二铁磁性材料层中的磁性易形成轴基本平行，响应于所述磁阻传感器中传感电流所产生磁场的所述第一及第二铁磁性材料层的磁化方向分别相对于所述磁性易形成轴以相等且相反的角度取向，响应于施加磁场的所述磁阻传感器电阻变化为在所述第一及第二铁磁性材料层中的所述磁化方向之间角度变化的函数，所述第一及第二铁磁性材料层每一层的磁化响应于所述施加磁场。

2、根据权利要求1的磁阻传感器，其特征在于所述第一和第二铁磁性材料层是由选自含有铁、钴、镍、及铁的、钴的或镍的合金的一组铁磁性材料所组成。

3、根据权利要求1的磁阻传感器，其特征在于所述第一和第二铁磁性层每一层的磁性易形成轴与所述第一及第二铁磁性层的纵轴平行排列。

4、根据权利要求1的磁阻传感器，其特征在于所述第一和第二铁磁性层及所述非磁性金属层形成具有长度及宽度的多层磁阻传感元件，所述磁阻传感元件如此取向，使得其纵轴基本垂直于所述磁阻传感器的空气轴承面。

5、根据权利要求4的磁阻传感器，其特征在于所述磁阻传感元件的下端与所述空气轴承面共平面，所述磁阻传感元件的所述下端暴露在所述空气轴承面。

6、根据权利要求4的磁阻传感器，其特征在于进一步包括淀积于所述磁阻传感元件之端部区域之上、使所述磁阻传感器与外部电路相耦合的一导电材料层，所述端部区域界定所述磁阻传感元件的上及下端。

7、根据权利要求6的磁阻传感器，其特征在于进一步包括淀积于自所述空气轴承面之远侧的所述磁阻传感元件上端处的端部区域之上的一偏置层，用以在所述磁阻传感元件中提供纵向偏置磁场。

8、根据权利要求7的磁阻传感器，其特征在于所述偏置层包括淀积与所述铁磁性层之一层直接接触、借助于反铁磁性-铁磁性交换耦合而提供所述纵向偏置磁场的反铁磁性材料层。

9、根据权利要求1的磁阻传感器，其特征在于所述第一及第二铁磁性层具有在约10埃到约150埃之范围内的厚度。

10、根据权利要求1的磁阻传感器，其特征在于所述非磁性金属间隔层具有小于在所述非磁性金属间隔层中的导通电子的平均自由路径长度的厚度。

11、一种磁性存储系统，包括：

具有多个数据记录磁道的磁性存储介质;

在所述磁性转换器和所述磁性存储介质之间相对运动期间维持在相对于所述磁性存储介质的一近间隔位置的磁性转换器;

与所述磁性转换器相耦合的致动器装置，用于将所述磁性转换器移动到所述磁性存储介质上的选定数据磁道;以及

与所述磁阻传感器相耦合的检测装置，用于检测响应所施加磁场在所述磁阻材料中电阻的变化，其代表由所述磁阻传感器所截取的所述磁性存储介质上所记录的数据位;

所述包括磁阻传感器的磁性转换器的特征在于;

形成磁阻传感元件的以一非磁性金属材料层隔开的第一及第二铁磁性材料层，在所述第一及第二铁磁性层中的磁性易形成轴是基本平行的，响应于以所述磁阻传感器中传感电流所产生的磁场的所述第一及第二铁磁性层的磁化方向分别以相对于所述磁性易形成轴的相等且相反的角度加以取向，响应于施加磁场的所述磁阻传感器的电阻变化为在所述第及第二铁磁性层中所述磁化方向之间角度变化的函数，所述第一及第二铁磁性层的每一层的磁化响应于所述施加磁场，将所述磁阻传感元件如此取向，使得其纵轴垂直于在所述磁性存储介质中限定的数据磁轨道的磁道宽度，所述磁阻传感元件的下端以间隔关系面对所述磁性存储介质;

分别连接于所述磁阻传感元件的所述下端及上端的传导导线，用以将所述磁阻传感器连接到外部电路并使所述传感电流耦合于所述磁阻传感元件;以及

邻接于所述磁阻传感元件的并用以在所述磁阻传感元件中提供纵向偏置磁场的偏置装置。

12、根据权利要求11的磁性存储系统，其特征在于，所述第一种第二铁磁性层每一层的磁性易形成轴被取向为基本垂直于所述数据磁道的磁道宽度，所述磁性易形成轴平行于所述磁阻传感元件的纵轴。

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