DE3650040T2

DE3650040T2 - Den Magnetwiderstandseffekt verwendender Magnetwandlerkopf.

Info

Publication number: DE3650040T2
Application number: DE3650040T
Authority: DE
Inventors: Shigeyoshi Imakoshi; Norio Saito; Hideo Suyama; Hiroshi Takino; Nobuhiro Terada; Kenichiro Tsunewaki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-11-05
Filing date: 1986-11-04
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2006-11-05
Also published as: DE3650040D1; EP0221540A2; JPS62234218A; CA1281132C; EP0221540A3; EP0221540B1; US4896235A; JPH07105006B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Wandlerkopf, der den Magnetowiderstandseffekt verwendet.

Hintergrund der Erfindung

Ein Kopf, der die Merkmale a, b, c und c1 des Oberbegriffs des beigefügten Anspruchs 1 beinhaltet, ist z. B. aus US-A-4,356,523 bekannt, wohingegen ein Kopf mit den Merkmalen a, a1, b, c und c2 des beigefügten Anspruchs 1 in EP-A-0 154 005 beschrieben ist.
Diese Köpfe verwenden eine erste und eine zweite weichmagnetische Schicht, die eine unmagnetische Schicht einbetten. Beim Kopf, wie er im genannten US-Patent beschrieben ist, besteht die unmagnetische Schicht aus SiO&sub2;, mit einer Dicke von 6 Mikrozoll (ungefähr 1500 Å = 150 nm). EP-A-0 154 005 sagt aus, daß die Dicke der unmagnetischen Schicht mindestens 200 Å (20 nm) sein sollte, um eine wechselseitige Entmagnetisierung der magnetischen Schichten zu verhindern. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in dieser Europäischen Anmeldung beschrieben ist, besteht die unmagnetische Schicht aus Ti mit einer Dicke von 300 Å (30 nm).

Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen den Magnetowiderstandseffekt verwendenden magnetischen Wandlerkopf zu schaffen, der wirkungsvoll die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen verhindert.
Der erfindungsgemäße magnetische Wandlerkopf ist durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert. Er kennzeichnet sich dadurch aus, daß die magnetische Schicht eine Dicke zwischen 0,5 und unter 19 nm aufweist. Das Material der unmagnetischen Schicht kann leitend sein, z. B. aus Ti bestehen, jedoch haben die Erfinder herausgefunden, daß es möglich ist, auch ein Material zu verwenden, das elektrisch nicht leitet, z. B. SiO&sub2;, vorausgesetzt, daß diese Schicht relativ kleine Dicke aufweist. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden SiO&sub2;-Schichten zwischen 20 und 50 Å (2-5 nm) als unmagnetische Schichten verwendet.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Einzelheiten durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert, die durch Figuren veranschaulicht sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische, vergrößerte Draufsicht auf ein Beispiel eines erfindungsgemäßen MR-Magnetkopfs;
Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3 zeigt den Magnetisierungszustand eines bei der Erfindung verwendeten Meßelements;
Fig. 4A bis 4C zeigen den Magnetisierungszustand des Meßelements beim Anlegen eines externen Magnetfelds an dasselbe;
Fig. 5 bis 7 zeigen den Betrieb des erfindungsgemäßen magnetischen Wandlerkopfs;
Fig. 8 ist ein Querschnitt durch einen anderen erfindungsgemäßen magnetischen Wandlerkopf;
Fig. 9 bis 11 zeigen Draufsichten auf andere Ausführungsbeispiele von Meßelementen bei der Erfindung;
Fig. 12 ist eine vergrößerte Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetischen Wandlerkopfs;
Fig. 13 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 12;
Fig. 14 ist eine schematische Veranschaulichung der Struktur magnetischer Domänen, wie sie sich in einer bekannten Einzelschicht eines magnetischen MR-Dünnfilms gebildet haben;
Fig. 15 zeigt den Magnetisierungszustand eines Meßelements für einen MR-Vergleichskopf;
Fig. 16 und 17 zeigen Draufsichten auf ein Meßelement, wie zum Erläutern der Erfindung verwendet; und
Fig. 18 ist ein Diagramm, das eine MR-Charakteristikkurve zeigt, um die Erfindung zu erläutern.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wie in der Draufsicht von Fig. 1 und dem Querschnitt von Fig. 2 dargestellt, ist ein erfindungsgemäßer MR-Magnetkopf auf einem Substrat 1 mit einem Dünnfilm-Meßelement 2 versehen, das den Magnetowiderstandseffekt aufweist.
Mit der Bezugszahl 6 ist eine Oberfläche bezeichnet, die in Kontakt mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium 7 stehen soll oder diesem zugewandt sein soll, das in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungspapierfläche in Fig. 1 transportiert wird.
Bei der Erfindung weist das Meßelement 2 Laminatstruktur auf, bei der magnetische Schichten 4 und 5 aus einem weichmagnetischen Material über eine unmagnetische Zwischenschicht 3 einander überlagert sind, wobei mindestens eine dieser magnetischen Schichten den Magnetowiderstandseffekt aufweist. Die Dicke der unmagnetischen Zwischenschicht wird wahlfrei so eingestellt, daß sie über 5 Å und unter 10000 Å, z. B. in einem Bereich von 5 bis 500 Å liegt, um dafür zu sorgen, daß sich die magnetostatische Wechselwirkung zwischen den zwei magnetischen Schichten 4 und 5 stärker auswirkt als die Austauschwechselwirkung. Indessen werden die Sättigungsflußdichte, die Dicke usw. der magnetischen Schichten 4 und 5 geeignet so eingestellt, daß sich ihre Magnetflüsse gegenseitig aufheben, so daß der Magnetfluß insgesamt innerhalb der zwei magnetischen Schichten 4 und 5 geschlossen ist.
Wenn beide magnetischen Schichten 4 und 5 des Meßelements 2 aus einem Material mit Magnetowiderstandseffekt bestehen, ist es erwünscht, daß diese beiden Schichten 4 und 5 aus demselben Material bestehen und einander gleiche Form und Größe aufweisen. Wenn jedoch nur eine aus einem Material ohne oder mit geringem MR-Effekt besteht, muß das Material und die Dicke dieser magnetischen Schicht so gewählt werden, daß ein ausreichend großer Widerstand im Vergleich zur anderen magnetischen Schicht mit MR-Effekt erzielt wird. In diesem Fall ist es erforderlich, der Bedingung zu genügen, daß die Magnetflüsse der beiden magnetischen Schichten einander gleich werden.
Bei der Erfindung werden ein Signal-Magnetfeld Hs, das von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium an das Meßelement 2 angelegt wird, und ein Meßstrom i, der durch das Meßelement 2 geleitet wird, so gewählt, daß sie in derselben Richtung wirken, und jede der das Meßelement 2 bildenden magnetischen Schichten ist so ausgebildet, daß sie eine leichte Magnetisierungsachse rechtwinklig zum Signal-Magnetfeld aufweist, oder sie isotrop ist, ohne Anisotropie in der Hauptebene der Magnetschicht.
Im Zustand, in dem kein Magnetfeld an das Meßelement 2 angelegt wird, wird von einer externen Quelle in solcher Weise ein erforderliches Vormagnetisierungsfeld an dasselbe angelegt, daß es zu einer Magnetisierung unter einem vorgegebenen Winkel von z. B. 45º zur Richtung des Meßstroms i kommt.
Gemäß der vorstehend angegebenen Struktur der Erfindung kann Barkhausen-Rauschen wirkungsvoll unterdrückt werden, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Es wird zunächst auf den Grund für die Entstehung des Barkhausen-Rauschens bei einem herkömmlichen MR-Magnetkopf Bezug genommen, bei dem das Meßelement eine einzige MR-Magnetschicht aufweist, die über eine Struktur der magnetischen Domänen verfügt, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, um einen Zustand aufrechtzuerhalten, bei dem die Summe aus der anisotropen magnetischen Energie, der magnetostatischen Energie, die von der Formanisotropie herrührt, usw. für die gesamte Schicht minimiert ist. Wenn die einzelne magnetische Schicht eine rechteckige, magnetische Dünnfilmschicht 51 mit magnetischer Anisotropie entlang ihrer kurzen oder Querseite ist, werden in der Filmebene magnetische Domänen 52 erzeugt, die abwechselnd in bezug auf die Richtung der Transversalmagnetisierung entgegengesetzt ausgerichtet sind, und sequentiell umgekehrt ausgerichtete magnetische Domänen 53 entstehen zwischen den Enden benachbarter magnetischer Domänen 52 entlang der langen Seite der magnetischen Schicht oder in Längsrichtung in solcher Weise, daß für benachbarte magnetische Domänen 52 ein geschlossener Kreis gebildet wird. Daher werden, wenn ein externes Magnetfeld an eine solche magnetische Schicht angelegt wird, die Domänenwände 54 und 55 verschoben, was Barkhausen-Rauschen hervorruft.
Beim erfindungsgemäßen Aufbau, der sich vom vorstehenden Aufbau unterscheidet, sind die magnetischen Schichten 4 und 5 über eine unmagnetische Zwischenschicht 3 so übereinandergelegt, daß dann, wenn kein externes Magnetfeld angelegt wird, die magnetischen Schichten 4 und 5 in einander entgegengerichteten, parallelen Richtungen entlang der jeweiligen leichten Magnetisierungsachsen magnetisiert sind, wie durch Pfeile M1 und M2 in Fig. 3 angezeigt, wodurch keine magnetische Domänenwand vorliegt. Das Fehlen jeder Domänenwand wurde durch die Beobachtung magnetischer Domänen durch einen Bitter-Prozeß unter Verwendung eines Magnetfelds bestätigt. Wenn die Stärke eines externen Magnetfelds H allmählich entlang der schweren Magnetisierungsachse eines solchen Meßelements 3 erhöht wird, wie für einen typischen Fall in den Fig. 4A bis C dargestellt, in denen die durchgezogenen Pfeile den Magnetisierungszustand der magnetischen Schicht 5 repräsentieren und die gestrichelten Pfeile denjenigen der magnetischen Schicht 4 repräsentieren, wird die Magnetisierung durch das externe Magnetfeld H vom in Fig. 4A dargestellten und in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Zustand mit jeweils entgegengesetztem, parallelem Zustand in den Zustand von Fig. 4B verdreht. Wenn ein externes Magnetfeld noch höherer Stärke angelegt wird, werden die magnetischen Schichten 4 und 5 in derselben Richtung magnetisiert, wie in Fig. 4C dargestellt. In diesem Fall verdreht sich die Magnetisierung in den Ebenen der magnetischen Schichten 4 und 5, so daß keine Domänenwand erzeugt wird, was letztendlich die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen verhindert. D.h., daß es dadurch, daß dafür gesorgt wird, daß der Flußverlauf richtungsmäßig mit den schweren Magnetisierungsachsen in beiden Schichten 4 und 5 übereinstimmt, möglich ist, Barkhausen- Rauschen zu verhindern, das von der Verschiebung von Domänenwänden herrührt.
Nun wird der Betrieb des erfindungsgemäßen Magnetkopfs nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 beschrieben, die als typisch lediglich die zwei magnetischen Schichten 4 und 5 des Meßelements 2 zeigen. Im Anfangszustand weisen die magnetischen Schichten 4 und 5 leichte Magnetisierungsachsen in den Richtungen auf, die in Fig. 5 mit e.a bezeichnet sind, und ein Meßstrom i wird durch die magnetischen Schichten 4 und 5 geschickt. Eine solche Aktivierung erzeugt einander entgegengesetzte Magnetfelder rechtwinklig zum Stromfluß in den Magnetschichten 4 und 5, die einander über eine (nicht dargestellte) unmagnetische Zwischenschicht gegenüberstehen, wodurch die magnetischen Schichten 4 und 5 magnetisiert werden, wie dies durch einen durchgezogenen Pfeil M1 und einen gestrichelten Pfeil M2 angezeigt wird. Indessen verdrehen sich, wenn ein externes Vormagnetisierungsfeld HB entlang der Richtung des Stroms i an das Meßelement 2 angelegt wird, die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 4 und 5 um einen erforderlichen Winkel, wie in Fig. 6 durch Pfeil MB1 und MB2 gekennzeichnet. Die Stärke des Vormagnetisierungsfelds HB wird so gewählt, daß die durch dieses Magnetfeld HB bestimmte Magnetisierungsrichtung einen Winkel von ungefähr 45º zur Flußrichtung des Stroms i einnimmt. Der Vorgang zum Erzielen hoher Empfindlichkeit und Linearität durch Anlegen des Vormagnetisierungsfelds HB zum Hervorrufen einer Magnetisierung von ungefähr 45º zum Meßstrom i ist ähnlich demjenigen Vorgang, wie er bei einem gewöhnlichen MR-Magnetkopf ausgeführt wird. Im obigen Zustand verdreht sich, wenn ein Signal-Magnetfeld Hs entlang der Richtung des Meßstroms i oder entlang der schweren Magnetisierungsachse angelegt wird, wie in Fig. 7 dargestellt, die Magnetisierungsrichtung in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung um Winkel R1 bzw. -R1, wie durch Pfeile Ms1 und Ms2 gekennzeichnet. Demgemäß tritt, wenn beide Magnetschichten 4 und 5 aus einem Material mit MR-Effekt bestehen, eine Widerstandsänderung in ihnen auf. Da die Widerstandsänderung in jeder magnetischen MR-Schicht proportional zu cos² R ist (wobei R eine Winkeländerung ist), fallen, wenn die Magnetisierungsrichtungen MB1 und MB2 in den Schichten 4 und 5 einen gegenseitigen Unterschied von 90º aufweisen, wie in Fig. 6 dargestellt, die Anstiege und Verringerungen, wie sie bezüglich der Widerstandsänderungen in den zwei magnetischen Schichten 4 und 5 durch die Winkeländerung R1 und -R1 hervorgerufen werden, zusammen. D.h., daß dann, wenn der Widerstand der einen magnetischen Schicht 4 ansteigt, der Widerstand der anderen magnetischen Schicht 5 sich ebenfalls in Anstiegsrichtung ändert. Eine Widerstandsänderung wird zwischen den Anschlüssen t1 und t2 des Meßelements 2 aufgrund der Widerstandsänderungen in den magnetischen Schichten 4 und 5 hervorgerufen, so daß diese Widerstandsänderung in Form einer Spannungsänderung zwischen den Anschlüssen t1 und t2 gemessen werden kann.
Demgemäß wird bei der Erfindung die Richtung des Meßstroms i durch einen magnetischen Film, der eine vorgegebene magnetische Anisotropie aufweist, wahlweise so gewählt, daß sie mit der Anlegungsrichtung eines Signal-Magnetfelds Hs zusammenfällt. Was einen Aufbau betrifft, bei dem das Meßelement 2 magnetische Schichten 4, 5 und eine unmagnetische Zwischenschicht 3 aufweist, die zwischen diesen liegt, wie bei der vorstehend beschriebenen Erfindung, wird das funktionelle Merkmal durch Vergleich mit einem Beispiel deutlicher, bei dem die Richtung des Meßstroms i rechtwinklig zur Richtung des Signal-Magnetfelds Hs liegt. D.h., daß dann, wenn im Zustand von Fig. 15, bei dem den zwei magnetischen Schichten 4 und 5 ein großer Strom i zugeführt wird, wobei das zugehörige anisotrope Magnetfeld Hk wie oben in Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben, berücksichtigt wird, ein im Ergebnis erzeugtes Magnetfeld so wirkt, daß es die magnetischen Schichten 4 und 5 rechtwinklig zum Strom i magnetisiert, wie durch eine durchgezogene Linie bzw. eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Wenn ein Signal-Magnetfeld Hs in diesem Zustand rechtwinklig zum Strom i angelegt wird, fällt es mit der Richtung der durch den Strom i in den magnetischen Schichten 4 und 5 hervorgerufenen Magnetisierung zusammen, und das Magnetfeld Hs verhält sich in derselben Weise wie im Fall des Anlegens entlang der leichten Magnetisierungsachse. Demgemäß werden magnetische Domänenwände erzeugt und deren Verschiebung führt schließlich zu Barkhausen-Rauschen. Bei einem Aufbau, bei dem ein Meßstrom i entlang der leichten Magnetisierungsachse durch die magnetische Schicht geführt wird und ein Signal-Magnetfeld Hs in derselben Richtung wie der Meßstrom angelegt wird, wird die magnetische Schicht nicht rechtwinklig zum Meßstrom i magnetisiert, wenn dieser Strom relativ klein ist, so daß das Signal-Magnetfeld Hs im wesentlichen entlang der leichten Magnetisierungsachse angelegt wird, wie in Fig. 15, wodurch es mit der Erzeugung von Barkhausen-Rauschen zu einem unerwünschten Ergebnis kommt. Obwohl beim Beispiel der Fig. 5 bis 7 eine Beschreibung für eine magnetische Schicht erfolgte, die eine leichte Magnetisierungsachse rechtwinklig zum Signal-Magnetfeld Hs aufweist, ist ein ähnlicher Effekt auch unter Verwendung einer isotropen magnetischen Schicht ohne magnetische Anisotropie in ihrer Hauptebene erzielbar. In diesem Fall stellt das Hindurchleiten eines relativ kleinen Meßstroms die Magnetisierungsrichtung rechtwinklig zum Meßstrom und demgemäß auch zum Signal-Magnetfeld, wodurch schließlich die Entstehung von Barkhausen-Rauschen verhindert wird.
Beim erfindungsgemäßen Aufbau, wie er vorstehend beschrieben wurde, sind die magnetischen Schichten 4 und 5 des MR-Meßelements 2 aufgrund des Vorhandenseins einer zwischen sie eingebetteten unmagnetischen Zwischenschicht 2 magnetostatisch miteinander gekoppelt, so daß die Austauschwechselwirkung vernachlässigt werden kann, während eine ausreichend feste magnetostatische Kopplung durch eine auf dem Coulomb'schen Gesetz beruhende Wechselwirkung gewährleistet ist, und Barkhausen-Rauschen kann mit Sicherheit verhindert werden, da das Signal-Magnetfeld Hs und der Meßstrom i richtungsmäßig zusammenfallen.
Die Erfindung ist auf eine Vielzahl von MR-Magnetköpfen verschiedener Strukturen anwendbar, zu denen ein nichtabgeschirmter Kopf, ein abgeschirmter Kopf und ein Jochkopf gehören, bei dem der Signalmagnetfluß, wie er von einer Oberfläche aufgenommen wurde, die in Kontakt mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium steht oder diesem zugewandt ist, durch ein magnetisches Joch eingeleitet wird, und bei dem ein MR-Meßelement in einem im magnetischen Joch ausgeschnittenen Abschnitt angeordnet ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel repräsentiert einen beispielhaften Aufbau für einen MR-Jochkopf.
Bei diesem Beispiel besteht ein Substrat 1 aus einem magnetischen Material wie Ni-Zn-Ferrit, Mn-Zn-Ferrit oder dergleichen. Wenn das Substrat 1 leitend ist, wird zunächst eine isolierende Schicht 11 aus SiO&sub2; oder dergleichen auf ihm ausgebildet, anschließend wird ein Vorbelastungsleiter 10 auf der Schicht 11 ausgebildet, um bei Aktivierung ein Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen, und eine andere Isolierschicht 11 wird auf dem Vorbelastungsleiter 10 ausgebildet, um ein MR-Meßelement 2 zu bilden. Dieses Element 2 erstreckt sich rechtwinklig zu einer Oberfläche 6, die in Kontakt mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium steht oder diesem zugewandt ist, und der Vorbelastungsleiter 10 ist so angeordnet, daß er unter dem MR-Meßelement 2 durchläuft.
Ein vorderes Magnetjoch 8F und ein hinteres Magnetjoch 8B sind vor und hinter dem MR-Meßelement 2 angeordnet, d. h. an den zwei Enden, die nahe der Fläche 6 bzw. an der entgegengesetzten Seite liegen. Die zwei magnetischen Schichten 8F und 8B bestehen aus einem metallischen Material, das elektrisch leitend ist, ohne im wesentlichen den MR-Effekt zu zeigen, und das magnetische Anisotropie rechtwinklig zu einem Meßstrom aufweist. Leitende Anschlußschichten 9F und 9B sind elektrisch mit den magnetischen Schichten 8F bzw. 8B verbunden, und von ihnen führen Anschlüsse t1 und t2 heraus. Um die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen zu verhindern, wie es durch die magnetischen Schichten 8F und 8B hervorgerufen werden könnte, können diese Schichten so übereinandergelegt sein, daß eine Zwischenschicht zwischen ihnen eingebettet ist. Ein Teil der hinteren magnetischen Schicht 8B ist magnetisch mit dem magnetischen Substrat 1 über ein Fenster 11a verbunden, das in einer unmagnetischen Schicht 11 ausgenommen ist, wodurch ein geschlossener magnetischer Pfad wie folgt gebildet ist: Substrat 1 - vordere magnetische Schicht 8F - MR-Meßelement 2 - hintere Magnetschicht 8B - Substrat 1. Zwischen dem Vorderende der vorderen magnetischen Schicht 8F und dem Substrat 1 ist ein magnetischer Spalt g ausgebildet, der der Fläche 6 gegenübersteht, die in Kontakt mit dem magnetischen Aufzeichnungsmedium stehen soll oder diesem zugewandt sein soll, wobei die Länge dieses Spalts g durch die Dicke einer unmagnetischen Schicht wie der isolierenden Schicht 11 vorgegeben ist.
Das MR-Meßelement 2 kann mit einem einzigen integrierten Schritt auf kontinuierliche Weise durch eine Sputter- oder Vakuumverdampfungstechnik hergestellt werden. D.h., daß die vorstehend genannte magnetische Schicht 4, die unmagnetische Zwischenschicht 3 und die magnetische Schicht 5 der Reihe nach unter Verwendung einer Sputtervorrichtung oder einer Vakuumverdampfungsvorrichtung hergestellt werden, die jeweils mit Sputterquellen oder Verdampfungsquellen einzelner Materialien versehen sind. Beim dargestellten Beispiel verfügt jede der magnetischen Schichten 4 und 5 über eine leichte Magnetisierungsachse in der durch e.a angegebenen Richtung sowie über eine schwere Magnetisierungsachse in der mit h.a angegebenen Richtung. Wie zuvor ausgeführt, kann jede der magnetischen Schichten 4 und 5 aus einem isotropen magnetischen Film bestehen, der in seiner Hauptebene anisotrop ist.
Die unmagnetische Zwischenschicht 3 besteht aus einem isolierenden oder leitenden unmagnetischen Material wie SiO&sub2;, Ti oder dergleichen, und ihre Dicke ist wahlfrei auf einen angemessenen Wert von z. B. 20 Å so eingestellt, daß im wesentlichen keine Austauschwechselwirkung zwischen den zwei Magnetschichten 4 und 5 ausgeübt wird, und auch so, daß aufgrund der Wechselwirkung gemäß dem Coulomb'schen Gesetz eine magnetostatische Kopplung zwischen ihnen hervorgerufen wird.
Obwohl die unmagnetische Zwischenschicht 3 so ausgebildet ist, daß sie passende Dicke dafür aufweist, daß magnetische Kopplung zwischen den zwei magnetischen Schichten 4 und 5 hervorgerufen wird, beträgt die Dicke, wie sie in der Praxis zum Gewährleisten elektrischer Isolierung erforderlich ist, ungefähr das zehnfache der Dicke, wie sie zu wählen ist, um magnetische Austauschwechselwirkung auszuschließen. Daher kommt es, wenn die Dicke der Zwischenschicht 3 verringert wird, im wesentlichen zu einer elektrischen Verbindung zwischen den zwei magnetischen Schichten 4 und 5. Wenn jedoch eine solche elektrische Verbindung nicht hervorgerufen wird, ist es erforderlich, die leitenden Anschlußschichten 9F und 9B jeweils mit den magnetischen Schichten 4 und 5 elektrisch zu verbinden. D.h., daß beim obigen Beispiel die magnetischen Schichten 8F und 8B elektrisch jeweils mit den magnetischen Schichten 4 und 5 verbunden werden müssen, die das Meßelement bilden.
Es ist möglich, die magnetischen Schichten 4 und 5 durch eine unmagnetische Zwischenschicht 3 ausreichender Dicke elektrisch zu isolieren und einen Meßstrom in nur einer der magnetischen Schichten hervorzurufen. In diesem Fall sind beide magnetischen Schichten selbstverständlich magnetostatisch miteinander gekoppelt, obwohl nur die Widerstandsänderung einer magnetischen Schicht beim Anlegen an die Signal-Magnetschicht gemessen wird. Durch diesen Aufbau ist es möglich, die Empfindlichkeit des Meßelements zu erhöhen.
Die Schichten 4 und 5 des MR-Meßelements 2 können aus MR- Magnetschichten desselben Aufbaus und derselben Größe und Form mit uniaxialer Anisotropie oder ohne Anisotropie in ihrer jeweiligen Hauptebene bestehen. Derartige MR-Magnetschichten können aus einem einzelnen Metall wie Fe, Ni oder Co oder aus einer Legierung zweier oder mehrerer derselben bestehen.
Beim vorstehend angegebenen Aufbau können die einzelnen Schichten einschließlich der isolierenden Schicht 11, des Vorbelastungsleiters 10, der magnetischen Schichten 4 und 5 des Meßelements 2, der unmagnetischen Zwischenschicht 3, der Magnetjoche 8F und 8B, der leitenden Anschlußschichten 9F und 9B usw. durch Sputtern oder Verdampfen gebildet werden, und jede kann durch eine Photolithographietechnik mit einem gewünschten Muster versehen werden.
Bei diesem Aufbau wird das Meßelement 2 zwischen seinen leitenden Anschlußschichten 9F und 9B und damit zwischen den magnetischen Schichten 8F und 8B mit einem Meß-Gleichstrom i versorgt, und ein vorgegebener Strom fließt im Vorbelastungsleiter 10, um das erforderliche Vormagnetisierungsfeld anzulegen. In diesem Zustand wird ein magnetisches Aufzeichnungsmedium 7 rechtwinklig zur Papierzeichnungsebene in Fig. 1 transportiert, während es in Kontakt mit der Fläche 6 oder dieser gegenüberstehend gehalten wird, wodurch ein der auf dem Medium 7 aufgezeichneten Magnetisierung entsprechender Signal-Magnetfluß über den magnetischen Spalt g aufgenommen und dann dem geschlossenen magnetischen Pfad zugeführt wird, der wie vorstehend genannt wie folgt gebildet ist: magnetische Schicht 8F - MR-Meßelement 2 - magnetische Schicht 8B - Substrat 1. Demgemäß wird ein vom magnetischen Aufzeichnungsmedium 7 verursachtes Signal-Magnetfeld Hs an das MR- Meßelement 2 in derselben Richtung angelegt, wie sie der Meßstrom i aufweist. Daraus folgt, daß das aufgezeichnete Signal aus dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 7 ausgelesen wird, während die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen vermieden ist, wie oben beschrieben.
Zusätzlich zum vorstehenden Beispiel, bei dem beide magnetischen Schichten 4 und 5 des MR-Meßelements aus MR-Schichten bestehen, ist es möglich, eine Modifizierung herzustellen, bei der nur eine der Schichten 4 und 5 aus einer magnetischen Schicht besteht, die beinahe keinen MR-Effekt aufweist (nachfolgend als MR-freie Magnetschicht bezeichnet). Auch in diesem Fall werden die Dicke und andere Bedingungen so gewählt, daß die Flußstärken der zwei magnetischen Schichten 4 und 5 einander gleich werden, wie zuvor angegeben. Indessen kann die magnetische Schicht, die beinahe keinen MR- Effekt aufweist, aus einem magnetischen Material mit hohem Widerstand und hoher Permeabilität bestehen, wie aus einer amorphen Legierung aus FeCoSiB, CoZrNb oder der Legierung Sendust aus Fe-Al-Si mit großem spezifischem Widerstand, so daß der Widerstand zwischen den leitenden, magnetischen Schichten 8F und 8B an den zwei Enden ausreichend hoch dafür wird, daß der Meßstrom im wesentlichen in der magnetischen Schicht mit MR-Effekt fließen kann. Ein anderes empfehlenswertes Material für die magnetische Schicht hoher Permeabilität mit kleinem MR-Effekt ist z. B. Mo-Permalloy. Ein solches Material ist selbstverständlich auch für die leitenden magnetischen Schichten 8F und 8B verwendbar.
Zusätzlich zum oben angegebenen Beispiel, bei dem der Vorbelastungsleiter 10 unter dem Meßelement 2 angeordnet ist und ein externes Magnetfeld HB an das Meßelement 2 angelegt wird, können die Position und das Muster des Vorbelastungsleiters 10 auf verschiedene Weisen verändert werden, und er kann mit mehrschichtiger oder spiralförmiger Struktur ausgebildet sein. Ferner besteht für das anzulegende Magnetfeld keine Beschränkung auf ein solches, das elektrisch erzeugt wird, sondern es ist auch ein permanentmagnetischer Dünnfilm verwendbar. Fig. 18 zeigt graphisch die MR-Charakterisitik eines erfindungsgemäßen MR-Meßelements. Die Kurve repräsentiert die Charakteristik, wie sie erhalten wird, wenn ein Meßstrom von 10 mA so zugeführt wird, daß er in einem Meßelement von 4 um · 4 um fließt, bei dem die magnetischen Schichten aus einer Ni-Fe-Legierung eine Dicke von 300 Å aufweisen und über eine Zwischenschicht aus SiO&sub2; mit einer Dicke von 40 Å übereinandergelegt sind, wobei ein Magnetfeld in derselben Richtung angelegt wird, wie sie der Meßstrom aufweist. In diesem Fall besteht jede der magnetischen Schichten aus einem isotropen Film ohne magnetische Anisotropie in ihrer Ebene. Wie es aus dem Diagramm erkennbar ist, wird kein Barkhausen-Rauschen erzeugt.
Außer dem vorstehend angegebenen Beispiel mit Jochstruktur, bei dem ein geschlossener magnetischer Pfad, der das Meßelement 2 beinhaltet, durch das magnetische Substrat 1 und die magnetischen Schichten 4 und 5 gebildet wird, ist eine Abänderung auf eine andere Struktur verwendbar, bei der das Meßelement 2 im wesentlichen dem magnetischen Aufzeichnungsmedium gegenübersteht, oder eine Struktur mit einem einzelnen Pol, bei der durch den Magnetkopf selbst kein geschlossener magnetischer Pfad gebildet wird.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für das Anwenden der Erfindung auf einen abgeschirmten MR-Magnetkopf, bei dem ein Meßelement 2 um einen vorgegebenen Abstand beabstandet ist, da eine isolierende Schicht 11 zwischen zwei magnetische Substrate 1 und 12 eingefügt ist. Jedoch kann das Substrat 12 auch aus einem Dünnfilm bestehen. In der Figur sind mit 9F und 9B leitende Anschlußschichten bezeichnet, die elektrisch mit zwei magnetischen Schichten 4 und 5 verbunden sind, die über eine unmagnetische Zwischenschicht 3 übereinandergeschichtet sind. Der nicht zusammenhängende Abschnitt zwischen den leitenden Schichten 9F und 9B wirkt als Meßelement 2, und wie dargestellt, wird ein Meßstrom i dort hindurchgeschickt. Die leitende Anschlußschicht 9F kann auch als Pfad zum Einleiten eines Magnetflusses in das Meßelement 2 dienen, und sie kann aus einem leitenden, magnetischen Material mit einer Dicke von ungefähr 2000 Å bestehen.
Bezogen auf dieses Beispiel wird ein Typ ohne derartige magnetische Substrate 1 und 12 als nichtabgeschirmter MR-Kopf bezeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Magnetkopf wird ein Meßstrom so zugeführt, daß er in seinem MR-Meßelement 2 rechtwinklig zur Spurbreite WT fließt, wie in Fig. 1 dargestellt, und das Streumagnetfeld Hs vom magnetischen Aufzeichnungsmedium 7 wird dadurch erfaßt, daß die Widerstandsänderung zwischen dem Vorderende und dem Hinterende des Meßelements 2 gemessen wird, wodurch das aufgezeichnete Signal wiedergegeben wird. Wenn in diesem Zustand die der Breite des MR-Meßelements 2 entsprechende Spurbreite WT groß ist, tritt eine Schwierigkeit hinsichtlich des Signal/Rausch-Verhältnisses auf. D.h., daß das Signal-Magnetfeld Hs vom Aufzeichnungsmedium 7 mit einem Vergrößern des Abstandes vom Medium 7 plötzlich schwächer wird. Eine solche Abschwächung ändert sich abhängig von der Wellenlänge, und sie ist darauf gerichtet, mit kürzerer Wellenlänge größer zu werden. Es ist erwünscht, daß das MR- Meßelement 2 innerhalb der Wirkungsreichweite des vom Aufzeichnungsmedium 7 ausgehenden Magnetfelds angeordnet ist. Wenn es außerhalb dieser Reichweite angeordnet ist, arbeitet das Meßelement 2 nicht richtig, was zu einer Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt. Es sei nun angenommen, daß die der Reichweite des vom Aufzeichnungsmedium herkommenden Magnetfelds entsprechende Tiefe DE kleiner als die Spurbreite WT ist, und daß, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, die Länge in Richtung des Meßstromflusses durch im wesentlichen die stromführenden Anschlüsse 19F und 19B an den zwei Enden des Meßelements 2 so eingestellt ist, daß sie der Tiefe DE entspricht. Dann tritt der Nachteil auf, daß der als Widerstandsänderung im MR-Meßelement 2 zu messende Widerstand für einfache Signalverarbeitung nicht ausreichend groß ist. Wenn dagegen die oben angegebene Länge des MR-Meßelements 2 so eingestellt ist, daß sie größer als die Reichweite des vom Aufzeichnungsmedium ausgehenden Magnetfeldes ist, wie in Fig. 17 dargestellt, wird der unwirksame Abschnitt so groß, daß dies schließlich zu einer Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt. So vertragen sich das Problem des Widerstands und dasjenige des Signal/Rausch-Verhältnisses nicht miteinander. Indessen wird der Unterdrükkungseffekt in bezug auf das Barkhausen-Rauschen höher, wenn die Stromdichte zunimmt. Daher ist es erwünscht, daß die Richtung des Meßstroms mit der Längsrichtung des MR-Meßelements zusammenfällt.
Um die Schwierigkeiten mit dem vorstehend genannten Widerstandswert, dem Signal/Rauschverhältnis und der Stromdichte in einem Fall zu überwinden, bei dem die Spurbreite WT grösser als die Tiefe DE der Reichweite des Magnetfelds vom Aufzeichnungsmedium ist, wird das MR-Meßelement 2 zumindest an einer Rückseite in bezug auf die Richtung der Spurbreite und mindestens in seinem inneren Abschnitt innerhalb der Tiefe DE der Reichweite des Magnetfelds vom Aufzeichnungsmedium in mehrere Bereiche unterteilt. Z.B. ist, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, das gesamte MR-Meßelement 2 so ausgebildet, daß es eine vorgegebene Spurbreite TW aufweist, und ein Schlitz 21 ist in seiner Mitte rechtwinklig zur Fläche 6, die in Kontakt mit dem magnetischen Aufzeichnungsmedium stehen soll oder diesem zugewandt sein soll, so ausgebildet, daß er sich über die gesamte Fläche vom Hinterende bis zum Vorderende erstreckt, oder das Vorderende wird teilweise ohne Schlitz belassen, wie in Fig. 10 dargestellt, wodurch das MR-Meßelement 2 in mindestens zwei MR-Meßbereiche 2A1 und 2A2 unterteilt wird. Eine Kopplungsschicht 29, die zumindest leitend ist und hohe Permeabilität und Weichmagneteigenschaften ohne MR-Effekt aufweist, ist so abgeschieden, daß sie sich über die Vorderenden zweier derartiger Meßbereiche erstreckt, und Anschlüsse t1 und t2 sind jeweils von leitenden Anschlußschichten 9B1 und 9B2 herausgeführt, die an den Hinterenden derartiger MR-Meßbereiche 2A1 und 2A2 abgeschieden sind. Obwohl die gesamte Breite des MR-Meßelements 2 ausreichend groß dafür ist, daß die erforderliche Spurbreite TW beim obigen Aufbau gebildet wird, kann der Pfad des Meßstroms i, der zwischen den Anschlüssen t1 und t2 zugeführt wird, in Längsrichtung der eingeengten Bereiche 2A1 und 2A2 entlang des Signal-Magnetfelds Hs vom magnetischen Aufzeichnungsmedium festgelegt werden. Obwohl die Kopplungsschicht 29 aus einem unmagnetischen, leitenden Material bestehen kann, wie vorstehend angegeben, ist auch ein leitendes magnetisches Material hoher Permeabilität verwendbar. Wenn die Kopplungsschicht aus einem leitenden magnetischen Material hoher Permeabilität besteht, ist es möglich, alle Teile auszuschließen, die zwischen den zwei MR-Bereichen 2A1 und 2A2 nicht auf den Magnetfluß empfindlich sind, wodurch eine Verringerung des durch die MR-Meßbereiche fließenden Signal-Magnetflusses verhindert wird. Wenn die Kopplungsschicht 29 unter Verwendung eines leitenden magnetischen Materials hoher Permeabilität gebildet wird, kann die mit einer unmagnetischen Zwischenschicht als Mehrschichtstruktur ausgebildet sein, um die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen zu verhüten.
Wenn das MR-Meßelement 2 mit einer Struktur ausgebildet ist, die in bezug auf die Richtung der Spurbreite unterteilt ist, kann der tatsächliche Pfad des Meßstroms i eingeengt werden, wenn die Spurbreite WT groß ist, wodurch die Vorteile erzielbar sind, daß ein ausreichend großer Widerstand erzielt werden kann, und daß die Stromdichte selbst dann zunehmen kann, wenn die Tiefe des MR-Meßelements 2 in Übereinstimmung mit der Tiefe DE der Reichweite des Signal-Magnetfelds verringert wird.
Für das MR-Meßelement 2 besteht keine Beschränkung auf die obigen Beispiele der Fig. 9 und 10, bei denen eine Unterteilung in zwei Meßbereiche 2A1 und 2A2 in bezug auf die gemeinsame Spurbreite WT vorliegt. Es kann in die Struktur von Fig. 11 modifiziert werden, bei denen drei oder mehr MR-Meßbereiche 2A1, 2A2, 2A3, . . . , 2An für eine Spur ausgebildet sind, und die jeweiligen Vorder- und Hinterenden der benachbarten Bereiche 2A1 - 2A2, 2A2 - 2A3 usw. sind abwechselnd miteinander über Kopplungsschichten 29 so gekoppelt, daß für den Meßstrom i ein Pfad mit Zickzack-Muster gebildet wird.
So ist es sogar bei einer modifizierten Magnetkopfstruktur, bei der eine gemeinsame Spur in zwei oder mehr MR-Meßbereiche 2A1, 2A2 usw. unterteilt ist, möglich, einen abgeschirmten, einen nichtabgeschirmten oder einen Jochmagnetkopf beim vorstehenden Ausführungsbeispiel mit einem einzelnen Meßelement 2 aufzubauen. Fig. 12 ist eine Draufsicht auf einen beispielhaften Jochkopf, und Fig. 13 ist der zugehörige Querschnitt entlang der Linie A-A. In den Fig. 12 und 13 sind Aufbauteile, die solchen entsprechen, wie sie bei den Fig. 1, 2 und 11 verwendet wurden, mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine wiederholte Erläuterung wird hier weggelassen. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich eine vordere magnetische Schicht 8F und eine hintere magnetische Schicht 8B über die Vorderenden bzw. Hinterenden von MR-Meßbereichen 2A1, 2A2, . . . , 2An. Bei diesem Aufbau weisen die MR-Meßelemente 2 (2A1, 2A2, . . . , 2An) magnetische Schichten 4 und 5 aus einer NiFe-Legierung mit jeweils einer Dicke von 300 Å sowie eine unmagnetische Zwischenschicht 3 aus SiO&sub2; mit einer Dicke von 50 Å auf. Ferner weist die vordere magnetische Schicht 8F eine Dicke von 2000 Å und eine Breite (Tiefe) WF von 3 um auf, während die hintere magnetische Schicht 8B ebenfalls eine Dicke von 2000 Å und eine Breite (Tiefe) WB von 12 um aufweist, und diese zwei magnetischen Schichten 8F und 8B sind voneinander um einen Abstand von 8 um beabstandet. Darüber hinaus ist eine Schutzplatte 12 dem Substrat 1 gegenüberstehend angeordnet. Selbstverständlich kann die Schutzplatte 12 aus einem Dünnfilm bestehen. Die Kopplungsschichten 29 sind jeweils durch eine Isolierschicht 11 von der vorderen magnetischen Schicht 8F bzw. der hinteren magnetischen Schicht 8B elektrisch isoliert. Wenn das MR-Meßelement 2 in mehrere Bereiche unterteilt ist, wie oben ausgeführt, und wenn die zugehörigen Vorderenden jeweils so voneinander getrennt sind, daß ein nicht zusammenhängender Abschnitt innerhalb der gemeinsamen Spurbreite WT vorliegt, ist es möglich, denselben Effekt wie beim vorstehenden Beispiel einer einzelnen zusammenhängenden Spur dadurch zu erzielen, daß die Vorderendbreite des Schlitzes 21 auf einen kleinen Wert eingestellt wird.
Zusätzlich zu den veranschaulichten Ausführungsbeispielen, bei denen der Magnetkopf eine einzige Spur aufweist, können verschiedene Modifizierungen erdacht werden, wie eine mehrspurige oder mehrkanalige Magnetkopfstruktur, bei der mehrere MR-Meßelemente 2 auf einem gemeinsamen Substrat 1 ausgebildet sind, wobei mehrere Spuren der Fläche 6 zugewandt sind, die in Kontakt mit einem gemeinsamen magnetischen Aufzeichnungsmedium stehen soll oder diesem zugewandt sein soll.
Beim erfindungsgemäßen Magnetkopf, dessen MR-Meßelement 2 zwei magnetische Schichten 4 und 5 aufweist, die über eine unmagnetische Zwischenschicht 3 übereinandergeschichtet sind, wird das Anlegen eines Signal-Magnetfelds Hs an das MR-Meßelement 2 in derselben Richtung vorgenommen, in der ein Meßstrom i durch dasselbe geschickt wird, wobei die magnetischen Schichten 4 und 5 so ausgebildet sind, daß sie Anisotropie in einer vorgegebenen Richtung aufweisen, oder sie isotrop sind, wodurch die Erzeugung von Barkhausen-Rauschen wirksam vermieden wird, um einen verbesserten Wiedergabe- Magnetkopf mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis zu schaffen. Dank der Dünnfilm-Magnetkopfstruktur ist bei Massenherstellung ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, und mehrspurige MR- Magnetköpfe können einfach hergestellt werden.

Claims

1. Magnetischer Wandlerkopf, der den Magnetowiderstandseffekt verwendet, mit:

a) einer Meßelementeinrichtung (2), die aus einer ersten und einer zweiten weichmagnetischen Schicht (4, 5) besteht, die übereinandergelegt sind, wobei eine unmagnetische Schicht (3) zwischen der ersten und der zweiten weichmagnetischen Schicht liegt, wobei mindestens eine der weichmagnetischen Schichten den Magnetowiderstandseffekt aufweist, und wobei die erste und die zweite weichmagnetische Schicht über die unmagnetische Schicht magnetostatisch gekoppelt sind;

a1) wobei die unmagnetische Schicht (3) für die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten weichmagnetischen Schicht (4, 5) sorgt;

b) einer Elektrodeneinrichtung (8B + 9B, 8F + 9F), die mit der Meßelementeinrichtung (2) in einem ersten und einem zweiten Endabschnitt der Meßelementeinrichtung verbunden ist, um einen Meßstrom (i) entlang einer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Endabschnitt durch das Meßelement zu schicken;

c) wobei die Meßelementeinrichtung ein Signal-Magnetfeld rechtwinklig zur genannten einen Richtung erfährt und die weichmagnetischen Schichten (4, 5) folgendes aufweisen:

c1) entweder eine leichte Magnetisierungsachse im wesentlichen rechtwinklig zur genannten einen Richtung;

c2) oder isotrope, magnetische Eigenschaft in der Hauptfläche der weichmagnetischen Schichten;

dadurch gekennzeichnet, daß die unmagnetische Schicht (3) eine Dicke zwischen 5 und unter 190 Å (0,5 - unter 19 nm) aufweist.

2. Kopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unmagnetische Schicht (3) aus Ti besteht.

3. Kopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unmagnetische Schicht (3) aus SiO&sub2; besteht und eine Dicke aufweist, die ausreichend klein dafür ist, daß es zu einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten und zweiten weichmagnetischen Schicht (4, 5) kommt.

4. Kopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelementeinrichtung aus mindestens zwei parallel miteinander verbundenen Meßelementen (2A&sub1;, 2A&sub2;; 2A&sub1;, . . . , 2An) besteht.

5. Kopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste weichmagnetische Schicht (4) den Magnetowiderstandseffekt aufweist, und daß die zweite weichmagnetische Schicht (5) geringen Magnetowiderstandseffekt aufweist.

6. Kopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfelds entlang der genannten einen Richtung an die Meßelementeinrichtung (4, 5).