CN1094835A - 粒状多层磁致电阻传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁致电阻读出传感器包括一个粒状多层传 感元件，该元件包含多层嵌入非磁性导电材料中的大 体上扁平的铁磁性材料颗粒。一个由隔离层隔开磁 致电阻传感元件的偏磁层提供一个磁场，以便把磁致 电阻传感元件偏置于想要的无信号点。铁磁性材料 和非磁性材料是互不混溶的，也可以是混溶的或部分 混溶的并以控制互扩散的方式处理的。

Description

本发明一般来说涉及用来读出记录在磁性介质中的信息信号的磁性传感器，更确切地说涉及基于固定在非磁性导电材料基体中的多层独特铁磁性颗粒所显示的巨磁致电阻的磁致电阻式读出传感器。

利用被称为磁致电阻（MR）式传感器或磁头的磁性读出传感器来从磁性介质中读出高密度记录数据，在先有技术中是已经公知的。这种MR传感器通过由磁性材料制成的读出元件的电阻变化来探测磁场信号，因为该电阻随读出元件所检测到的磁通强度和方向而变。这种先有技术的MR传感器根据各向异性磁致电阻（AMR）效应来工作，其中读出元件电阻的一个分量随磁化方向和流过读出元件的传感电流方向之间夹角的余弦平方（COS²）而变化。对AMR效应的更详细的描述可在D.A.Thompson等人的“存储器、存储及有关应用”，IEEE（美国电气及电子工程师学会）论文集，磁学，MAG-11，1039页（1975）中找到。

1990年1月23日授权给Takino等人的题为“利用磁致电阻效应的磁性传感器磁头”的美国专利第4，896，235号公开了一种多层磁性传感器，该传感器利用AMR，含有由非磁性层隔开的第一和第二磁性层，其中至少一个磁性层是由表现出AMR效应的材料制成的。每个磁性层中的易磁化轴被设置成与所加磁性信号垂直，使MR传感器元件的传感电流在磁性层中提供一个与易磁化轴平行的磁场，从而消除或最大限度地减少传感器中的巴克好森噪声。H.Suyama等人的“用于高密度硬盘驱动器的薄膜MR磁头”，IEEE（美国电气及电子工程师学会）论文集，磁学，Vol.24，No.6，1988（2612-2614页）公开了一种与Takino等人所公开者类似的多层MR传感器。

也描述过第二种不同的并且更明显的磁致电阻效应，其中层状磁性传感器的电阻变化归因于对铁磁层之间的导电电子借助于隔开铁磁层的非磁性层进行与自旋有关的传送，及在该层各界面处伴生与自旋有关的散射。这种磁致电阻效应被称为“巨磁致电阻”效应，或“自旋阀”效应。由适当材料制成的这样一种磁致电阻传感器，改善了灵敏度，并有比在利用AMR效应的传感器中观察到的更大的电阻变化。在这种类型的MR传感器中，由一个非磁性层隔开的一对铁磁层之间的面内（in-plane）电阻，随着该两层中磁化强度之间夹角的余弦（COS）而变化。

Grunberg的美国专利第4，949，039号描述了一种层状磁性结构，该结构产生由磁性层中磁化强度的逆平行匹配引起的强化MR效应。作为可以用于层状结构的材料，Grunberg列出了一些铁磁性过渡金属和合金，但是没有从清单中针对较大的MR信号幅度指明优选材料。Grunberg还描述了使用反铁磁型交换耦合来得到逆平行匹配，其中相邻的铁磁材料层用一个铬或钇的薄中间层隔开。

转让给本受让人的1990年12月11日提出的共同待决美国专利申请第07/625，343号公开了一种MR传感器，在其中观察到两个未耦合铁磁层之间的电阻，随两层的磁化强度之间夹角的余弦而变化，并且与流过传感器的电流方向无关。此机理产生的磁致电阻基于自旋阀效应，并且对于所选的材料组合来说在数值上大于AMR。

转让给本受让人的1992年10月27日授予Dieny等人的美国专利第5，159，513号公开了一种基于上述效应的MR传感器，该传感器包括由一个非磁性金属材料的薄膜层隔开的两个铁磁材料的薄膜层，其中至少一个铁磁层是由钴或钴合金制成的。在外加磁场为零时，一个铁磁层的磁化强度通过交换耦合于反铁磁层，而保持垂直于另一铁磁层的磁化强度。

在上面引用的美国专利和专利申请中的自旋阀结构，需要在两个铁磁层之一中的磁化强度方向被固定于或“订牢”于所选择的方向，因此在无信号条件下，另一铁磁层中的磁化强度取向垂直于订牢层的磁化强度。此外，在AMR和自旋阀结构中，为了把巴克好森噪声减至最小，必须提供纵向偏置磁场以便至少把读出元件的传感部分保持于单磁畴状态。因此，需要用来固定磁化强度方向和提供纵向偏置磁场的装置。例如，如在上面引用的专利申请和专利中所述，可以形成一个与铁磁层接触的反铁磁材料的附加层，以便提供交换耦合偏置磁场。如其不然，可以用一个相邻的磁性硬层为铁磁层提供硬偏置。

最近，已在嵌入非磁性金属基体中的铁磁性颗粒的单层和多层复相膜中观察到巨磁致电阻效应。已报道过诸如钴-铜（Co-Cu）、钴-银（Co-Ag）和镍-铁-银（NiFe-Ag）之类的非均相单层合金系统中的GMR。例如，见“非磁性磁系统中的巨磁致电阻”，JohnQ.Xiao等人，物理评论通信，Vol.68，No.25，3749-3752页（1992年6月22日）;“复相铜-钴合金中的巨磁致电阻”，A.E.Berkowitz等人，物理评论通信，Vol.68，No.25，3745-3748页（1992年6月22日）;“在单层钴-银合金膜中观察到的‘巨大’磁致电阻”，J.A.Barnard等人，致编辑的信，磁学和磁性材料杂志，114（1992），L230-L234页;以及J.Jaing等人，应用物理通信，Vol.61，2362页（1992）。钴合金是在低温下不混溶的材料。然而，以亚稳定合金退火，可使铜或银基体中形成精细的钴沉淀，即“晶粒（grain）”。MR效应看来随平均颗粒直径的大小成反比地变化。虽然同较复杂的多层自旋阀传感器相比，“粒状（granular）”合金是实现仅有一单层膜的GMR传感器的一种很有吸引力的方法，但是钴合金需要几千奥斯特（Oe）的饱和磁场，因而在低磁场MR传感器场合将无用。据新近的报道，银基体中的粒状镍铁已经在室温下在约400Oe的MR尖峰的半高宽时产生10%的MR（△R/R）值。据更新的报道，银基体中的退火镍铁已可产生一种粒状多层结构，该结构在室温下在约100Oe的饱和磁场时表现出约17%的MR。见“镍-铁/银多层材料的磁致电阻和热稳定性”，B.Rodmacq等人，致编辑的信，磁学和磁性材料杂志，118（1993），L11-16页。虽然单层和多层镍铁合金的饱和磁场低于钴合金的报道值，但仍高于MR器件的应用范围（约10Oe或更低）。

于是，本发明的主要目的在于提供一种基于粒状多层结构GMR效应的低磁场MR磁性传感器。

本发明的另一个目的在于提供一种MR传感器，其中不需要提供用来在一个或多个铁磁性层中固定磁化取向的附加结构装置，或用于磁场传感元件的纵向偏置磁场。

按照本发明原则可实现这些和其他目的和优点。在本发明中，MR读出传感器包括一个粒状多层传感元件，该元件包括一个在适当的基片上形成的层状结构，该结构包括一个由嵌入非磁性导电材料中的一组扁平状或盘状铁磁性材料颗粒或岛组成的磁致电阻传感元件和一个用来提供磁场以便把磁致电阻传感元件偏置于想要的无信号点的偏磁层，该偏磁层由位于其间的非磁性隔离层来隔开磁致电阻传感元件。铁磁性材料和非磁性材料选择成使两种材料互不混溶。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡条件下可以是混溶的或部分混溶的，并以限制互相扩散的受控方式处理的。磁致电阻传感元件是通过在基片上交替沉积铁磁性材料层和非磁性材料层，而在偏磁层和隔离层上面形成的。沉积完成时，多层磁致电阻传感元件被退火。在退火期间，铁磁性层分裂成平板形颗粒，因为铁磁性层上下的非磁性材料的不混溶层穿透晶界，并打破铁磁性层的连续性而形成嵌入非磁性基体中的铁磁性颗粒层或平面。该结构可以在外加磁场的情况下进一步退火，使磁致电阻传感器的优先磁化轴或易磁化轴取向成平行于相邻存储媒体上的数据磁道的宽度。每层铁磁性颗粒的作用是收集具有杂乱取向的磁矩的磁畴。在颗粒层的平面中施加磁场时，磁矩将调整到平行于减小磁致电阻传感元件电阻率的外加磁场。一个电流源向MR传感器提供传感电流，该电流在传感元件上产生电压降，该电压降与MR传感器的电阻变化成正比，该变化由铁磁性颗粒层中磁矩旋转引起，随所传感的外加磁场而变。

于是，本发明提供一种MR传感器，其中磁致电阻传感元件构成多个磁畴，磁畴中各个磁矩响应于所加磁信号而旋转。由于该响应是具有有限畴壁运动的磁矩旋转的结果，免除了对减小巴克好森噪声的纵向偏置磁场的需求。

本发明的上述及其他目的、特点和优点，对照附图，从下面对本发明的最佳实施例的详细描述将变得显而易见，在附图中同样的参考号指示同样的零件，而且附图中：

图1是实施本发明的磁盘存储系统的简化方块图;

图2是按照本发明的原则的粒状多层磁致电阻传感元件的最佳实施例的透视图;

图3是说明图2所示多层传感元件在退火处理前状态的剖面图;

图4是说明各个磁畴取向的图2所示的退火后多层传感元件的透视图;

图5是说明图2所示的退火后多层传感元件的特定实施例的剖面图;

图6是针对图2所示多层传感元件的特定实施例，表示随退火温度而变的磁致电阻与外加磁场的关系的曲线图;

图7是针对图2所示磁致电阻传感元件的最佳实施例，表示磁致电阻与外加磁场的关系的曲线图;

图8是针对图2所示磁致电阻传感元件的最佳实施例，表示磁致电阻与外加磁场的关系的曲线图;

图9是针对图2所示磁致电阻传感元件的最佳实施例，表示随银层厚度而变的磁致电阻与退火温度的关系的曲线图;

图10是针对图2所示磁致电阻传感元件的最佳实施例，表示随镍铁层厚度而变的磁致电阻与退火温度的关系的曲线图;

图11是针对图2所示磁致电阻传感器元件的最佳实施例，表示磁致电阻与双层数的关系的曲线图;

图12是针对图2所示磁致电阻传感器元件的最佳实施例，表示随退火温度而变的磁致电阻与外加磁场的关系的曲线图;以及

图13是按照本发明的原则的磁致电阻磁性传感器的最佳实施例的剖面图;

下面参见图1，虽然本发明被描述成在图1所示的磁盘存储系统中实施，但是应该指出，本发明也可用于例如磁带记录系统之类的其他磁性记录系统，或利用传感器探测磁场的其他用途。一个磁盘存储系统至少包括一个支撑在心轴14上并由磁盘驱动电动机18来转动的可旋转磁盘12，磁盘12至少带有一个位于它上方的滑块13，每一滑块13支撑一个或多个一般称为读/写磁头的磁性读/写传感器21。每个磁盘上的磁性记录媒体都以同心数据磁道（未画出）的环形图案方式置于磁盘12上。当磁盘旋转时，滑块13在磁盘表面22上径向进出运动，使磁头21可以访问记录想要数据的磁盘不同部分。每个滑块13借助悬架15连接于执行器臂19。悬架15提供把滑块13推向磁盘表面22的微小弹簧力。每个执行器臂19连接于执行器装置27。图1所示的执行器装置可以是比如说一个音圈马达（VCM）。VCM包括一个可以在固定磁场中运动的线图，线圈运动的方向和速度由一个控制器所供给的马达电流信号来控制。

在磁盘存储系统工作期间，磁盘12的旋转在滑块13和磁盘表面22之间产生一个空气轴承，该空气轴承向滑块施加一个向上的力或举升力。于是在工作期间空气轴承平衡悬架15的微小弹簧力，并支撑滑块13以小的大体上恒定的间隔离开并稍高于磁盘表面。

磁盘存储系统的各种部件，在工作中由控制单元29所产生的诸如访问控制信号和内部时钟信号之类的控制信号来控制。一般来说，控制单元29包括比如说一些逻辑控制电路、一些存储装置和一个微处理器。控制单元29产生一些控制不同系统操作的控制信号，例如在线23上的驱动电动机控制信号和线28上的磁头定位和查找控制信号。线28上的控制信号提供想要的电流分布，使所选择的滑块13最优地运动到和定位于配套磁盘12上的所要数据磁道。读写信号借助于记录信道25向读/写磁头21传进传出。

典型磁盘存储系统的以上描述及图1的附图仅用于说明的目的。应该指出，磁盘存储系统可能包括很多磁盘和执行器，并且每个执行器可能支撑多个滑块。

下面参见图2，图3和图4，图2是说明粒状多层磁性结构30的透视图，该结构中含有多层悬浮于或嵌入非磁性导电材料基体33中的大体上扁平或扁圆的“薄烤饼”状或盘状磁性颗粒或岛状物31。如图3所示，与非磁性导电材料层37交替沉积的铁磁性材料层35的多层结构34，用例如溅射沉积法来制备，各层厚度由例如石英监测器来控制。磁性材料和非磁性材料选择成使两种材料是不混溶的。或者，磁性和非磁性材料在平衡条件下也以是混溶的或部分混溶的，和为限制互相扩散而以受控制方式处理的。沉积之后，结构34被退火。在退火处理期间，由于磁性层35上下的不混溶层37穿透晶界并打破磁性层35的连续性而使磁性层35破裂成平板形颗粒31，而形成嵌入非磁性材料33基体中的磁性颗粒31的层或平面。

也可以采用其他沉积或成膜方法，如电镀、离子沉积、蒸发、或涂浆或其他机械方法。此外，在完成沉积处理后不需要退火处理。沉积可在高温下或在加热的基片上进行，以实现想要的粒状磁性结构。

如果磁性颗粒31之间的间距与基体材料中导电电子的平均自由程是相差不大的，最好是小于电子平均自由程，则在粒状结构30中实现主要MR效应。象在上述公知的磁性/非磁性多层自旋阀系统中一样，在粒状多层结构30中所观察到的MR的起因，据信主要是越过磁性区之间或颗粒31之间基体的导电电子的与自旋有关的散射。虽然一致公认较大的颗粒可能包含一个以上或多个磁矩，但为了分析，可以假设每个扁平颗粒31的行为就好像它构成单个磁矩或磁畴一样，如图4所示。如果颗粒31的磁矩是杂乱取向的，则从颗粒到颗粒的与自旋有关的散射增加，使结构30有较高的电阻率。当颗粒31的磁矩从层到层逆平行取向时，观察到最高的电阻率。另一方面，如果颗粒31的磁矩被调整成平行取向，则电阻减小到较小的值。虽然一致公认在基体中颗粒之间存在静磁和交换耦合，但是忽略了颗粒之间相互作用的单颗粒模型分析，足以证明所观察的MR密切地取决于颗粒31的尺寸、形状和各向异性。

可以证明，扁平形颗粒的定向会聚的极化，即调整，要比球形颗粒的类似会聚极化容易得多。此外，宽厚比高可减小形状各向异性对颗粒磁矩调整所需磁场的影响。例如，对于30埃（A）的平板厚度，需要约500A的主轴尺寸。与具有较大MR值（及随之而来的较大的饱和磁场值）的上面引用的文献中所报道的40A的颗粒尺寸相比，这种颗粒尺寸是相当大的。

继续参见图4，画出一个布置成与在磁性记录媒体表面（未画出）上限定的数据磁道44成传感关系的MR传感器40的示意图。MR传感器40包括一个MR传感元件41，和一个由非磁性隔离层43隔开传感元件41的偏磁层45，它还由导线49连接于电流源（未画出）以便向MR传感器40提供传感电流。MR传感元件41是一个如上面对照图2和图3所描述的粒状多层磁性结构，它包含多个处在金属导电基体33中的平板形颗粒31的层或平面。颗粒31的磁矩可能沿一个感生的各向异性轴部分地定向，如箭头47所示。如在先有技术中所公知，当想要的各向异性轴方向有磁场存在时，通过第二次退火过程可以在MR传感元件41中感生出各向异性轴。由偏磁层45所提供的偏置磁场将使颗粒31的磁矩进一步沿想要的方向对准，以便调整MR传感器在其响应特性曲线的线性部分的工作点。MR传感器40由悬架装置（未画出）悬置在数据磁道44的上方，使数据变换46处的磁场H施加于传感元件41的平面。当截取磁场H时，磁矩旋转以便与所加磁场H对准，造成传感元件41中电阻率降低。由于磁性颗粒的磁化旋转伴有有限的畴壁运动，故不需要为传感元件安置纵向偏置磁场。

下面参见图5和图6，与非磁性导电材料层53交替沉积的铁磁性材料层51的多层结构50，具有Ag（y/2）/NiFe（x/2）〔NiFe（x）/Ag（y）〕_n-1/NiFe（x/2）/Ag（y/2）型结构，它沉积在氧化硅（Si）基片54上的钽（Ta）底层55上方。100埃（A）的钽保护层57使退火处理期间的氧化减至最小。退火处理促使非磁性材料银层53上在磁性层51的晶界56处穿透，在磁性层中产生不连续性，从而提供一些扁半的岛形颗粒表面59。于是，每层磁性材料分裂成多磁畴状态或颗粒状态。在磁性层内，只要磁性材料层是不连续的，对颗粒间间距小于非磁性材料中导电电子的平均自由程的结构来说，这种间距看来对所观察的磁致电阻影响不大。磁性层51中的不连续性，尤其当不连续处在结构中被从层到层地排列成行时，会引起很有利于反铁磁性有序的层间静磁相互作用。

在任何一种退火前检查的结构中都观察不到明显的MR。如图6所示，对于Ag（20A）/〔NiFe（20A）/Ag（40A）〕₄/NiFe（20A）/Ag（20A）型的有5层NiFe的结构，退火之后得到的MR一般达到5-6%的数值。外加磁场在结构平面内并垂直于传感电流。箭头58指示磁场的倾斜方向。一般来说，沉积态结构的电阻，经历300-400℃范围内的任何温度下的退火之后，减少15%左右;而任何一种退了火的结构，在电阻上没有明显的差别。对在平行于和垂直于传感电流方向施加磁场的两种情况，MR数值有差别，这表示在未退火及退火后的结构中有约0.3-0.5%数量的残存AMR效应。对于图6所示的结构，在3335℃下退火之后观察到5.34%的MR最大值，它具有22Oe的半峰宽度，虽然在315℃下退火后表现出较低的MR最大值，但观察到单位磁场的最大电阻变化，即0.8%每Oe，它具有约5Oe的半峰宽度。

下面再参见图7和图8，图7是说明观察到的MR随粒状多层结构30（如图2所示）的外加磁场而变的曲线图，该结构包含溅射沉积在氧化硅基片上的三个双层NiFe（20A）/Ag（40A），曾在310℃下退火。结构的MR定义为在所加磁场下的结构电阻率R（H）减去在200Oe的外加磁场下的结构电阻率R（MIN）后对R（MIN）之比率。当磁场沿难磁化轴施加时，该结构适用具有约10Oe的半峰宽度的曲线52，表现出约3.0%的MR最大值。同理，当磁场沿易磁化轴施加时，该结构适用具有约7Oe的半峰宽度的曲线54，表现出约2.7%的MR最大值。图8是说明粒状多层结构30的MR观测值的曲线图，该结构包含5个在氧化硅基片上的双层NiFe（20A）/Ag（35A），曾在315℃温度下退火。该结构用具有约4.75Oe的半峰宽度和0.75%每Oe的斜率的MR曲线，表现出约3.4%的MR最大值。

下面还参见图9-图12，对于粒状多层结构30，所得MR值除了与为铁磁性层和非磁性层所选材料有关外，还与许多因素有关。例如，铁磁性/非磁性双层层数、铁磁性层厚度、非磁性层厚度及结构30的退火温度全都影响特定结构所得的MR特性。图9是针对含有5个沉积在氧化硅基片上的双层Ag（t_xA）/NiFe（20A）的粒状结构，表示随非磁性层厚度而异的MR值与退火温度的关系曲线图。一般来说，对于给定的非磁性层厚度，都在约335℃的退火温度下得到最大的MR，而对于35A的非磁化层（Ag）厚度，则得到约5.3%的最大MR。图10是针对含有5个沉积在氧化硅基片上的双层Ag（40A）/NiFe（t_xA）的粒状结构30，表示随铁磁性层厚度而异的MR值与退火温度的关系的曲线图。一般来说，对于给定的厚度，都在315至335℃范围内的退火温度下达到最大MR值，对于20A的铁磁性层（NiFe）厚度，在335℃下观察到约5.3%的最大MR值。图11是针对含有多个沉积在氧化硅基片上的双层NiFe（20A）/Ag（40A）的粒状结构，表示MR值与铁磁性/非磁性双层数的关系曲线图。函数曲线在起点是一个沉积在Ag层上的双层的约0.2%的较小MR值，到5个双层时已迅速地增加到约5.3%，然后趋于平缓，到10个双层时有约6.1%的值。与针对多个双层结构观察到的较大的MR值相比，从单个双层结构观察到的MR值要小一些，这似乎表明，在导电电子起源层上下层里的颗粒31处的导电电子的散射，要比在同层中颗粒31处的散射重要得多。图12是针对含有5个沉积在氧化硅基片上的双层NiFe（20A）/Ag（40A）的粒状结构30，表示随退火温度而异的MR值与所加磁场的关系的曲线图。如从图9和图10所示曲线所预期的那样，在335℃的退火温度下，观察到曲线61有约5.3%的MR最大值61。然而，虽然在305℃的退火温度下，所观察到的最大MR值较小，约3，2%，但却产生一条具有小于5Oe的半峰宽度的尖得多的特性曲线63。

下面还参见图13，画出一个按照本发明原则的含有粒状多层传感元件的MR磁性传感器。MR传感器包括沉积在适当基片71上的一个适当磁性材料的偏磁层75、一个非磁性材料分隔层或隔离层77、以及一个粒状MR传感层79。基片提供主表面72，其对构成MR传感器的后续各层起支撑和托板作用。基片71可以是玻璃、蓝宝石、石英、氧化镁、硅、氧化硅或其他适当材料。首先在基片表面72上沉积一层底层73。底层73的目的在于优化后续层75、77和79的组织、晶粒尺寸及形态。底层73必须有很高的电阻率以便把电流漏电效应减小至最小。一般来说，非磁性高电阻率材料，例如钽（Ta）、钌（Ru）或氧化铝之类是适当的材料。

粒状MR传感层79包括多层如上面对照图2、图3和图4所述嵌入或悬浮于非磁性导电基体33中的扁平的、平板形颗粒31层。粒状结构由多个铁磁性/非磁性双层组成：把薄层非磁性材料与薄层铁磁性材料交替沉积，然后在约100至500℃范围里的温度下对该结构退火。虽然粒状MR传感层79最好包括5或6个双层，但用少至3个或更多个双层可以得到适合用于MR传感器的MR值。在退火处理之前，铁磁性层的沉积厚度约为10至30A不等，而非磁性层的沉积厚度约为20至50A不等。铁磁性层最好由NiFe制成，但可用任何适当的铁磁性材料，例如Ni、Co、Fe及基于Ni、Fe或Co的铁磁性合金。基体33是一种非磁性导电材料，并应使该材料中的导电电子有长的平均自由程。此外，铁磁性材料和基体材料是互不混溶的。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡条件下可以是混溶的或部分混溶的，和为限制互相扩散而以受控方式处理的。基体材料最好是Ag，但是也可以从Cu、Ru和Au及其他导电金属与合金组成的组类中选择。适当的半导体、导电氧化物和金属互化物也可能成为潜在的候补材料。

用一种适当材料使铁磁性材料合金化，能促进铁磁层在退火期间分裂为颗粒。例如，用1%至20%的Ag或0.1至20%的铅（Pb）使NiFe合金化能促进NiFe层在Ag基体中分裂。其原因是，举例来说，Ni-Pb和Fe-Pb具有十分有限的互溶性，看来Pb在处理期间集中于NiFe晶界，从而促进NiFe层分裂，并允许使用较低的热处理温度。在较低的处理温度下使用NiFePb，可能允许使用例如Cu等其他材料作基体材料，NiFe在其中的溶解率在低温时比在高温时小。

偏磁层75为MR传感层79提供一个偏置磁场以便为传感器提供线性响应。如在先有技术中所公知的，偏磁层可以由例如CoPt或CoPtCr之类的硬磁材料制成（硬偏磁），也可以由例如NiFe或NiFeRh之类软磁材料制成（软偏磁）。隔离层77用来使偏磁层75与MR传感层79磁性解耦，并且优化MR传感层的组织、晶粒尺寸及形态。隔离层77应该由诸如Ta、Zr、Ti、Y、Hf之类的非磁性高电阻率材料或具有想要的结晶结构的其他适当材料制成。

MR传感器70的一种最佳实施例涉及一个在315℃下退火的由5个双层NiFe（20A）/Ag（35A）组成的粒状MR传感层79，和一个沉积在Al₂O₃底层73上、并由厚度约50A的Ta隔离层77与MR传感层79隔开的NiFe软偏磁层75。传感器70通过溅射沉积法或先有技术中所公知的其他适当的沉积处理法沉积在陶瓷基片71上。底层73的厚度最好在50至100A范围内，而NiFe软偏磁层75厚度为100A。在传感器70的对置端形成的由Cu或诸如Ag或Au等其他适当材料制成的导线端子81，使该传感器经由引线87连接于电流源85和信号传感电路系统83。电流源85向MR传感器70提供传感电流，该传感器在施加外磁场时传感MR传感元件79的电阻变化（例如，如上面对照图4所述）。在MR传感器70上方可能还沉积一个由例如Ta或Zr之类的高电阻率材料形成的保护层（未画出）。

虽然对照其最佳实施例具体地说明并描述了本发明，但本专业的技术人员将会理解，其中可以进行类型上和细节上的各种改动而不脱离本发明的精神、范围和指导。例如，虽然所示的最佳实施例被描述成一个非屏蔽器件，但是本发明的MR传感器同样可以用于屏蔽结构或磁导结构。因此，本文所公开的发明应该仅看成是说明性的并且在范围上仅受所附权利要求书中规定的限制。

Claims (45)

1、一种粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于包括一个磁致电阻传感元件，该元件至少包含一个嵌入一层非磁性导电材料中的铁磁性材料的不连续层。

2、如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性材料和所述非磁性材料是互不混溶的。

3、如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于铁磁性材料的所述不连续层，形成一层所述铁磁性材料的扁颗粒。

4、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于它包含：

一个用来为所述磁致电阻传感元件提供偏置磁场的磁性材料偏磁层;以及

一个布置在所述偏磁层和所述磁致电阻传感元件之间的、使所述偏磁层与所述磁致电阻传感元件在磁性上解耦的非磁性材料分隔层。

5、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述磁致电阻传感元件包括N个嵌于N层所述非磁性导电材料中的所述铁磁性颗粒的所述层。

6、如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述层数N从3至10的范围内选择。

7、如权利要求6所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述层数N为5。

8、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由一种铁磁性材料组成，该材料选自由铁、钴、镍、镍铁及基于铁、钴、镍或镍铁的铁磁性合金组成的组类。

9、如权利要求8所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁组成。

10、如权利要求8所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-钴组成。

11、如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-铅组成。

12、如权利要求11所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述镍-铁-铅合金中含铅的数量从0.1%至20%重量的范围内选择。

13、如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-银组成。

14、如权利要求13所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述镍-铁-银合金中含银的数量从1%至20%重量的范围内选择。

15、如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层由选自银、金、铜和钌所组成组类的材料组成。

16、如权利要求15所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层是银制的。

17、如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述偏磁层包括一层用来提供所述偏置磁场的软磁材料。

18、如权利要求17所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述软磁材料包含一种选自镍-铁和镍-铁-铑所组成组类的材料。

19、如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述偏磁层包含一层用来提供所述偏置磁场的硬磁材料。

20、如权利要求19所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述硬磁材料包含一种选自钴-铂和钴-铂-铬所组成组类的材料。

21、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒厚度在约10埃至约30埃的范围内。

22、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒厚度约为20埃。

23、如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度小于所述非磁性导电材料中导电电子的平均自由程长度。

24、如权利要求23所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度在约10埃至约50埃的范围内。

25、如权利要求24所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度约为35埃。

26、如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述隔离层包含一种选自钽、锆、钛、钇和铪所组成组类的材料。

27、如权利要求26所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述隔离层含有钽。

28、一种磁性存储系统，其特征在于它包括：

一个磁性存储媒体，它有多个在其表面上限定的用来记录数据的磁道;

一个磁性传感器，在所述磁性传感器和所述磁性存储媒体之间有相对运动的期间相对于所述磁性存储媒体保持小间距分离，所述磁性传感器包括一个粒状多层磁致电阻传感器，该粒状多层磁致电阻传感器包括一个至少含有一层嵌入一层非磁性导电材料中的大体上扁平的铁磁性材料颗粒层的磁致电阻传感元件、一个用来为所述磁致电阻传感元件提供一个偏置磁场的磁性材料偏磁层、一个布置在所述偏磁层和所述磁致电阻传感元件之间的使所述偏磁层与所述磁致电阻传感元件在磁性上解耦的非磁性材料隔离层、以及分别连接于所述磁致电阻传感元件相对端的用来把所述粒状多层磁致电阻传感器连接于外电路并用来把传感电流耦合于所述磁致电阻传感元件的导电引线;

耦合于所述磁性传感器的用来把所述磁性传感器移动到所述磁性存储媒体上的所选择数据磁道的执行器装置;以及

耦合于所述粒状多层磁致电阻传感器的用来探测所述磁致电阻传感元件在响应所加磁场时引起的电阻变化的探测装置，该磁场代表记录在被所述粒状多层磁致电阻传感器所截取的所述磁性存储媒体中的数据位。

29、如权利要求28所述的磁性存储系统，其特征在于所述磁致电阻传感元件的易磁化轴被取向成大体上平行于所述数据磁道磁迹宽度，所述易磁化轴平行于所述磁致电阻传感元件纵轴。

30、如权利要求28中所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述磁致电阻传感元件包括N层嵌于所述非磁性导电材料层中的所述颗粒层，所述层数N从2至10的范围内选择。

31、一种制造粒状多层磁致电阻器件的方法，其特征在于，它包括下列步骤：

在适当的基片上沉积多个双层材料，每个所述双层材料包括第一层非磁性导电材料和第二层铁磁性材料;以及

在预定的温度下给所得多层器件退火，在所述退火期间每个所述第二层铁磁性材料分裂成多个铁磁性颗粒，所述第一层中的所述非磁性导电材料流进所述铁磁性颗粒之间和周围。

32、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述非磁性导电材料和所述铁磁性材料是互不混溶的。

33、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述铁磁性颗粒是大体上扁平的盘形颗粒，这些颗粒在每个所述层中被隔开的距离小于所述非磁性材料中导电电子的平均自由程长度。

34、如权利要求31所述的方法，其特征在于双层层数从2至10个双层的范围内选择。

35、如权利要求34所述的方法，其特征在于双层层数为5。

36、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述预定温度从100至500℃的范围内选择。

37、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述第二层铁磁性材料是由选自铁、钴、镍、镍-铁及基于铁、钴、镍或镍铁的铁磁性合金所组成组类的材料制成的。

38、如权利要求37所述的方法，其特征在于所述第二层铁磁性材料是由镍-铁制成的。

39、如权利要求37所述的方法，其特征在于所述第二层铁磁性材料是由镍-铁-铅制成的

40、如权利要求37所述的方法，其特征在于所述第二层铁磁性材料是由镍-铁-银制成的。

41、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述第二层铁磁性材料的厚度从约10至30埃的范围内选择。

42、如权利要求31所述的方法，其特征在于所述第一层非磁性导电材料的厚度从约20至50埃的范围内选择。

43、如权利要求31所述的方法，其特征在于退火步骤包括，在沿所述多层器件的纵轴方向施加磁场时给所述多层器件退火的步骤。

44、一种粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于它包含：

一个基片;

一个沉积在所述基片的主表面上的绝缘层;

一个沉积在所述绝缘层上的用来为所述磁致电阻传感元件提供偏置磁场的磁性材料偏磁层;

一个沉积在所述偏磁层上方并包含多层嵌入非磁性导电材料中的铁磁性材料扁平颗粒的磁致电阻传感元件;以及

一个沉积在所述偏磁层上并安置在所述偏磁层和所述磁致电阻传感器元件之间的用来使所述偏磁层与所述磁致电阻传感元件在磁性上解耦的非磁性材料隔离层。

45、如权利要求44所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于颗粒层层数从2至10的范围内选择。

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