DE69326308T2

DE69326308T2 - Magneto-resistiver Fühler

Info

Publication number: DE69326308T2
Application number: DE69326308T
Authority: DE
Inventors: William Charles Cain; Bernard Dieny; Robert Edward Fontana; Virgil Simon Speriosu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2013-11-16
Also published as: CN1103195A; DE69326308D1; MY110737A; CN1058801C; KR940012687A; KR970008168B1; TW225027B; SG42330A1; JPH06203340A; US5301079A; EP0598581A2; EP0598581B1; JP2725987B2; EP0598581A3

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich im allgemeinen mit magnetischen Wandlern zum Lesen von Informationssignalen, die auf einem magnetischen Datenträger erfaßt wurden, und im speziellen mit einem verbesserten magnetoresistiven Fühler mit einer mehrschichtigen "Spin Valve"-Struktur und Stromfluß durch den Fühler zur Bestimmung des Nicht-Signal- Arbeitspunktes des Fühlers.
Der Stand der Technik bezeichnet magnetische Lesewandler als magnetoresistive (MR) Fühler oder Magnetköpfe, die Daten von einer magnetischen Oberfläche mit großer linearer Dichte lesen können. Ein MR-Fühler erkennt magnetische Feldsignale, da sich der Widerstand bei einem Leseelement, das aus magnetischem Material besteht, als eine Funktion der Menge und der Richtung des magnetischen Flusses, der vom Leseelement erfaßt wird, ändert. Diese MR-Fühler aus dem Stand der Technik arbeiten auf der Basis eines anisotropischen magnetoresistiven (AMR) Effekts, bei dem sich eine Komponente des Leseelementwiderstands im Verhältnis zum Quadrat des Kosinus (cos²) im Winkel zwischen der Magnetisierung und der Richtung des Abtaststroms durch das Element ändert. Eine ausführlichere Beschreibung des AMR-Effekts wird in der Veröffentlichung "Memory, Storage and Related Applications", D. A. Thompson et al., IEEE Trans. Mag. MAG-11, S. 1039 (1975) gegeben.
Das US-Patent Nr. 4,896,235 mit dem Titel "Magnetic Transcducer Head Utilizing Magnetoresistance Effect" von Takino et al vom 23. Januar 1990 legt einen mehrschichtigen magnetischen Fühler offen, der den AMR-Effekt nutzt und eine erste und eine zweite Magnetschicht umfaßt, die durch eine nichtmagnetische Schicht voneinander getrennt sind, und wobei mindestens eine der magnetischen Schichten aus einem Material besteht, das den AMR-Effekt aufweist. Die Vorzugsachse der Magnetisierung in jeder magnetischen Schicht ist senkrecht zum angelegten magnetischen Signal ausgerichtet, so daß der Abtaststrom des MR-Sensorelements ein magnetisches Feld in den magnetischen Schichten bietet, das parallel zur Vorzugssachse liegt und somit das Barkhausen-Rauschen im Sensor verringert oder abstellt. "Thin Film MR Head for High Density Rigid Disk Drive" von H. Suyama et al., IEEE Trans. Mag., Bd. 24, Nr. 6, 1988 (S. 2612-2614) legt einen mehrschichtigen MR-Fühler offen, der dem von Takino et al offengelegten gleicht.
Vor kurzem wurde ein anderer magnetoresistiver Effekt beschrieben, bei dem die Änderung des Widerstands eines mehrschichtigen magnetischen Fühlers auf die spinabhängige Übertragung der Leitungselektronen zwischen den magnetischen Schichten über eine nichtmagnetische Schicht und auf die begleitende spinabhängige Streuung an den Schichtschnittstellen und innerhalb der ferromagnetischen Schichten zurückgeführt wird. Dieser magnetoresistive Effekt wird entweder "Riesenmagnetwiderstands-" oder "Spin Valve"- Effekt genannt. Ein solcher, aus dem geeigneten Material gefertigter magnetoresistiver Fühler bietet verbesserte Sensibilität und eine größere Änderung im Widerstand, als dies bei den anderen Fühlern mit AMR-Effekt zu beobachten ist. Bei diesem Typ des MR-Fühlers ändert sich der Widerstand zwischen zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind, im Verhältnis zum Kosinus (cos) des Winkels zwischen der Magnetisierung in den beiden Schichten.
Im US-Patent Nr. 4,949,039 von Grünberg wird eine geschichtete magnetische Struktur beschrieben, die zu verbesserten MR- Effekten, verursacht durch eine antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung in den magnetischen Schichten, führt. Als mögliches Material zur Verwendung in der Schichtstruktur listet Grünberg ferromagnetische Übergangsmetalle und Legierungen auf, läßt aber nicht erkennen, welche Materialien aus der Liste aufgrund einer überlegeneren MR-Amplitude vorgezogen werden. Grünberg beschreibt weiterhin die Verwendung von antiferromagnetischen Austauschkopplungen, um die antiparallele Anordnung zu erreichen, in der benachbarte Schichten aus ferromagnetischem Material durch eine dünne Zwischenschicht aus CR oder Y getrennt sind.
Die anhängige Anmeldung des US-Patents mit der Seriennummer 07/625,343 vom 11. Dezember 1990, dem derzeitigen Inhaber zugewiesen, legt einen MR-Fühler offen, bei dem sich der Widerstand zwischen zwei unverkoppelten ferromagnetischen Schichten im Verhältnis zum Kosinus des Winkels zwischen den Magnetisierungen der zwei Schichten ändert, und der unabhängig von der Richtung des Abtaststroms im Sensor ist. Dieser Mechanismus erzeugt einen Magnetwiderstand, der auf dem "Spin Valve"-Effekt basiert und der bei ausgewählten Materialien im Umfang größer ist als der AMR-Effekt.
Die anhängige Anmeldung des US-Patents mit der Seriennummer 07/652,852 vom 8. Februar 1991, dem derzeitigen Inhaber zugewiesen, legt einen MR-Fühler auf Basis des oben beschriebenen Effekts offen, der zwei dünne Filmschichten aus ferromagnetischem Material umfaßt, die von einer dünnen nichtmagnetischen Schicht aus metallischem Material getrennt werden, wobei mindestens eine ferromagnetische Schicht aus Kobalt oder einer Kobaltlegierung besteht. Die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht ist bei einem mit Null angelegten Magnetfeld senkrecht zur Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht durch Austauschkopplung auf eine antiferromagnetische Schicht ausgerichtet.
Die in den oben genannten Anmeldungen zum US-Patent beschriebene "Spin Valve"-Struktur macht es erforderlich, daß die Magnetisierungsrichtung in einer der beiden ferromagnetischen Schichten in einer unveränderbaren Richtung fixiert wird, so daß unter Nicht-Signal-Bedingungen die Magnetisierungsrichtung in der anderen ferromagnetischen Schicht senkrecht zur fixierten Magnetisierung der Schicht ausgerichtet ist. Wenn ein externes magnetisches Signal auf den Fühler angelegt wird, dreht sich die Magnetisierungsrichtung in der nicht fixierten oder "freien" Schicht im Verhältnis zur Richtung der Magnetisierung in der fixierten Schicht. Die Ausgabe des Fühlers verhält sich dann proportional zum Kosinus des Winkels, um den sich die Magnetisierung der freien Schicht dreht. Damit die Magnetisierungsrichtung in der fixierten Schicht beibehalten wird, ist ein Mittel zum Feststellen der Magnetisierungsrichtung erforderlich. Wie beispielsweise in den oben aufgeführten Patentanmeldungen beschrieben, kann eine zusätzliche Schicht aus antiferromagnetischem Material in Kontakt mit der festgestellten ferromagnetischen Schicht aufgebracht werden, um ein austauschgekoppeltes Vormagnetisierungsfeld zu erzeugen. Alternativ dazu kann eine angrenzende magnetisch harte Schicht verwendet werden, um eine harte Vormagnetisierung für die fixierte Schicht zu erreichen.
Im "Journal of the Magnetic Society of Japan", Bd. 16, Nr. 4, S. 635-642 beschreibt Yamada einen magnetoresistiven Fühler mit zwei Schichten aus ferromagnetischem Material, durch einen Leiter getrennt sind.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein MR-Fühler auf der Basis des "Spin Valve"-Effekts zur Verfügung gestellt werden, bei dem keine zusätzlichen strukturellen Mittel zum Fixieren der Magnetisierungsrichtung in einer oder mehreren ferromagnetischen Schichten erforderlich ist.
Dementsprechend bietet die Erfindung einen magnetoresistiven Fühler, folgendes umfassend: eine erste und zweite Schicht aus ferromagnetischem Material, getrennt durch eine Schicht aus nichtmagnetischem metallischem Material, wobei der Fühler dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannte nichtmagnetische metallische Trennschicht eine geringere Dicke aufweist als die mittlere freie Weglänge der Leiterelektronen in dieser nichtmagnetischen metallischen Trennschicht; die magnetische Vorzugsachse in der ersten und zweiten ferromagnetischen Schicht im wesentlichen parallel ist, die Magnetisierungsrichtungen in der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material auf ein magnetisches Feld reagieren, das durch einen Abtaststrom im genannten magnetoresistiven Fühler erzeugt wird, die in umgekehrt proportionalen Winkeln im Verhältnis zur genannten magnetischen Vorzugsachse ausgerichtet sind, und daß die Magnetisierung in jeder der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material auf ein angelegtes magnetisches Feld reagiert, wobei die Widerstandsänderung im genannten magnetoresistiven Fühler als Reaktion auf das angelegte magnetische Feld eine Funktion der Änderung des Winkels zwischen den genannten Magnetisierungsrichtungen in der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material ist. In diesem Fühler ist keine zusätzliche Struktur erforderlich, um die Magnetisierung in einer der Schichten zu fixieren; die Magnetisierungen in beiden ferromagnetischen Schichten reagieren auf ein angelegtes magnetisches Signal, so daß eine erhöhte Meßsignalausgabe erreicht wird.
In einem Ausführungsbeispiel umfaßt ein MR-Fühler auf der Basis des "Spin Valve"-Effekts eine Schichtstruktur auf einem geeigneten Schichtträger mit einer ersten und einer zweiten dünnen Filmschicht aus ferromagnetischem Material, die getrennt sind durch eine dünne Filmschicht aus nichtmagnetischem metallischem Material und die an einem gewünschten Nicht-Signal-Punkt durch den Abtaststrom im Fühler vormagnetisiert wird. Die ferromagnetischen Schichten werden mit der Vorzugsachse senkrecht zur Breite einer Datenspur auf einem benachbarten Speichermedium und parallel zur Richtung des Abtaststroms des Sensors ausgerichtet. Wenn der Abtaststrom an den Sensor angelegt wird, bietet das dem Abtaststrom zugeordnete magnetische Feld ein Vormagnetisierungsfeld für jede ferromagnetische Schicht, so daß die Magnetisierungsrichtung in jeder Schicht in umgekehrt proportionalen Winkeln im Verhältnis zur Vorzugsachse ausgerichtet ist. Die Magnetisierung ist in keiner der ferromagnetischen Schichten fixiert und kann somit frei auf ein angelegtes magnetisches Feld reagieren. Ein angelegtes magnetisches Signal führt dazu, daß sich in beiden ferromagnetischen Schichten die Magnetisierungsrichtung um einen im wesentlichen umgekehrt proportionalen Winkel im Verhältnis zur Vorzugsachse dreht, so daß der Winkel zwischen den Magnetisierungen der Schichten, verglichen mit einem MR- Sensor mit "Spin Valve"-Effekt nach dem neuesten Stand der Technik mit einer fixierten ferromagnetischen Schicht, zweimal so oft geändert wird. Eine Stromquelle liefert einen Abtaststrom durch den MR-Fühler, der einen Spannungsabfall im Leseelement erzeugt, der proportional ist zu den Änderungen im Widerstand des MR-Fühlers aufgrund der Drehung der Magnetisierung in den Schichten aus ferromagnetischem Material als Funktion des angelegten externen magnetischen Felds. Der Umfang, in dem sich der Widerstand im Leseelement ändert, ist eine Funktion des Kosinus der Winkeländerung zwischen den Magnetisierungsrichtungen in den Schichten als Reaktion auf ein extern angelegtes magnetisches Feld, wie etwa zur Darstellung eines Datenbereichs auf einem magnetischen Datenträger.
Somit bietet die vorliegende Erfindung einen MR-Fühler auf der Basis des "Spin Valve"-Effekts, in dem die Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten frei ist, um auf ein angelegtes Signal zu reagieren und in dem durch den Abtaststrom im Fühler die Magnetisierung beider Schichten im umgekehrt proportionalen Winkel im Verhältnis zur Vorzugsachse vormagnetisiert wird. Da sich die Magnetisierung in beiden ferromagnetischen Schichten frei drehen kann, ist das Mittel zum Fixieren, wie etwa eine Vormagnetisierungsschicht durch Austausch oder eine harte Vormagnetisierungsschicht, nicht mehr erforderlich. Da beide ferromagnetischen Schichten auf ein angelegtes magnetisches Feld reagieren, wurde die Sensibilität des Fühlers erheblich gesteigert. Da die Materialien, die normalerweise für die Vormagnetisierungsfelder durch Austausch verwendet werden, relativ korrosionsanfällig sind, konnte durch das Weglassen von einer oder mehreren Vormagnetisierungsschichten, die der luftgelagerten Oberfläche des Fühlers ausgesetzt sind, zusätzlich das allgemeine Korrosionsproblem bei der Herstellung und Verwendung des Fühlers verringert werden.
Die Erfindung bietet außerdem ein Magnetplattenspeichersystem mit einem solchen Fühler.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Magnetplattenspeichersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des magnetoresistiven Fühlers gemäß den Vorgaben der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der magnetischen Ausrichtung der magnetischen Schichten im magnetoresistiven Fühler aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 einen Querschnitt des bevorzugten Ausführungsbeispiels des magnetoresistiven Fühlers aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 5 einen Graphen zeigt, der den Magnetwiderstand gegenüber dem angelegten magnetischen Signal für den magnetoresistiven Fühler aus Fig. 2 mit einem längsgerichteten Vormagnetisierungsfeld darstellt; und
Fig. 6 einen Graphen zeigt, der den Magnetwiderstand gegenüber dem angelegten magnetischen Signal für den magnetoresistiven Fühler aus Fig. 2 ohne ein längsgerichtetes Vormagnetisierungsfeld darstellt.
In Fig. 1 ist die Erfindung als Bestandteil eines Magnetplattenspeichersystems dargestellt; es ist aber klar, daß die Erfindung auch in anderen magnetischen Aufzeichnungssystemen wie z. B. einem Magnetbandsystem Anwendung finden kann. In Fig. 1 ist mindestens eine drehbare Magnetplatte 12 auf einer Spindel 14 gelagert und wird von einem Antriebsmotor 18 in Drehung versetzt. Das magnetische Aufzeichnungsmedium auf jeder Platte hat die Form eines Ringmusters aus konzentrischen Datenspuren (nicht dargestellt) auf Platte 12.
Auf der Platte 12 befindet sich mindestens ein Schieber 13, wobei jeder Schieber einen oder mehrere magnetische Lese- /Schreibwandler 21, die typischerweise als Schreib-/Leseköpfe bezeichnet werden, trägt. Wenn die Platten sich drehen, bewegen sich die Schieber 13 kreisförmig über die Plattenoberfläche 22, so daß die Köpfe 21 verschiedene Teile der Platte anfahren können, auf denen die gewünschten Daten aufgezeichnet sind. Jeder Schieber ist mittels eines Aufhängungselementes 15 an einem Tragarm 19 befestigt. Das Aufhängungselement 15 übt eine leichte Federkraft aus, die den Schieber 13 gegen die Plattenoberfläche 22 biegt. Jeder Tragarm 19 ist mit einem Stellmittel 27 verbunden. Das Stellmittel in Fig. 1 kann beispielsweise ein Schwingspulenmotor (VCM) sein. Der VCM enthält eine Spule, die sich in einem festen Magnetfeld bewegen kann, wobei Richtung und Geschwindigkeit der Spule durch die von einem Controller kommenden Motorstromsignale gesteuert werden.
Beim Betrieb des Plattenspeichersystems erzeugt die Drehung der Platte 12 ein Luftlager zwischen dem Schieber 13 und der Plattenoberfläche 22, das eine nach oben gerichtete Kraft oder Auftriebskraft auf den Schieber ausübt. Das Luftlager gleicht somit die leichte Federkraft des Aufhängungselementes 15 aus und hebt den Schieber 13 leicht über die Plattenoberfläche, wobei der Abstand gering und während des Betriebs im wesentlichen konstant ist.
Die verschiedenen Komponenten des Plattenspeichersystems werden beim Betrieb durch Steuersignale gesteuert, die von der Steuereinheit 29 erzeugt werden, z. B. durch Zugriffssignale und interne Taktsignale. Typischerweise enthält die Steuereinheit 29 beispielsweise logische Steuerschaltungen, Speichermittel und einen Mikroprozessor. Die Steuereinheit 29 erzeugt Steuersignale zur Steuerung verschiedener Systemoperationen wie z. B. Signale zur Steuerung des Antriebsmotors auf Leitung 23 und Signale zur Steuerung der Kopfposition und Spursuche auf Leitung 28. Die Steuersignale auf Leitung 28 liefern die gewünschten Stromprofile, um einen ausgewählten Schieber 13 auf die gewünschte Datenspur auf der zugehörigen Platte 12 zu bewegen. Lese- und Schreibsignale werden über den Aufzeichnungskanal 25 zu und von den Schreib- /Leseköpfen 21 übertragen.
Die obige Beschreibung eines typischen Magnetplattenspeichersystems und die zugehörige Zeichnung in Fig. 1 dienen nur der Darstellung. Es sollte bekannt sein, daß Plattenspeichersysteme eine große Anzahl von Platten und Betätigungselementen besitzen können, und daß jedes Betätigungselement mehrere Schieber tragen kann.
In den Fig. 2, 3 und 4 umfaßt ein MR-Fühler mit "Spin Valve"-Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung eine erste dünne Filmschicht 33 aus magnetisch weichem ferromagnetischem Material, eine dünne Filmschicht 35 aus nichtmagnetischem metallischem Material und eine zweite dünne Filmschicht 37 aus magnetisch weichem ferromagnetischem Material, so daß ein MR- Element 30 auf einem geeigneten Schichtträger 31, wie beispielsweise Glas, Keramik oder einem Halbleiter, gebildet wird. Ein Vormagnetisierungsleiter 43 wird über dem MR-Element 30 angebracht, um ein längsgerichtetes Vormagnetisierungsfeld entstehen zu lassen, wodurch zur Verringerung des Barkhausen- Rauschens eine einzelne magnetische Domäne im aktiven Bereich der magnetischen Schichten 33, 37 gegeben ist. Der Vormagnetisierungsleiter 43 ist vom MR-Element 30 durch eine Isolierschicht aus geeignetem Material elektrisch isoliert. Der Vormagnetisierungsleiter 43 ist im Verhältnis zum MR- Element 30 so ausgerichtet, daß ein Stromfluß durch den Vormagnetisierungsleiter ein magnetisches Feld im MR-Element parallel zur magnetischen Vorzugsachse erzeugt. Elektrische Leitungen 39 und 41 aus geeignetem leitenden Material, die über den Endbereichen des MR-Elements 30 angeordnet sind, dienen dazu, einen Kreislaufpfad zwischen dem MR-Fühler, einer Stromquelle 57 und einem Mittel zum Signalabtasten 55 herzustellen.
Bei der Herstellung wird die magnetische Vorzugsachse, wie durch den gestrichelten Pfeil 49 dargestellt, parallel zur Längsachse des MR-Elements 30 gesetzt, während das MR-Element physisch so angeordnet wird, daß seine Längsachse und somit die Vorzugsachse 49 für beide ferromagnetischen Schichten 33, 37 senkrecht zur Breite B einer Datenspur 45 in einem magnetischen Speichermedium angeordnet sind. Bei nicht vorhandenem Stromfluß durch das MR-Element 30 sind die Magnetisierungen der beiden Schichten 33, 37 aus ferromagnetischem Material entlang der Vorzugsachse 49 sowie parallel ausgerichtet. Wenn ein Abtaststrom durch das MR- Element 30 angelegt wird, wie durch die Pfeile 44 dargestellt, entsteht durch den Abtaststrom, der durch jede ferromagnetische Schicht 33, 37 fließt, in Kombination mit dem Stromfluß durch die nichtmagnetische metallische Trennschicht 35 ein magnetisches Feld, das wiederum ein Vormagnetisierungsfeld für die andere ferromagnetische Schicht erzeugt, wie bereits bei Fachleuten bekannt (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,833,560), welches die Magnetisierung in beiden Schichten 33, 37, dargestellt durch die Pfeile 51 in umgekehrt proportionalen Winkeln (θ) im Verhältnis zur Vorzugsachse 49 dreht. Weiterhin ist die Magnetisierung sowohl in der ersten als auch in der zweiten Schicht 33, 37 aus ferromagnetischem Material frei, um ihre Richtung in Reaktion auf ein extern angelegtes magnetisches Feld zu drehen (wie beispielsweise das magnetische Feld h in Fig. 2). In Reaktion auf ein extern angelegtes magnetisches Signal dreht sich die Magnetisierung in beiden ferromagnetischen Schichten 33, 37 um einen umgekehrt proportionalen Winkel (θ), so daß eine Änderung des Widerstands des MR-Elements proportional zu cos (2δθ) stattfindet. Es ist zu beachten, daß die Richtung des Stromflusses durch das MR-Element 30 im Hinblick auf die Bestimmung des Nicht-Signal-Arbeitspunkts zwar wichtig ist, die Änderung des Widerstands des MR-Elements 30 jedoch unabhängig ist von der Richtung des Stromflusses, und nur abhängig ist von der Änderung des Winkels zwischen der Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten 33, 37 als Reaktion auf ein angelegtes magnetisches Signal.
Die ferromagnetischen Sichten 33, 37 können aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, wie beispielsweise Kobalt (Co), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und deren Legierungen, wie etwa Nickeleisen (NiFe), Nickelkobalt. (NiCo) oder Eisenkobalt (FeCo). Die nichtmagnetische metallische Trennschicht 35 enthält beispielsweise Kupfer (Cu) oder andere geeignete Edelmetalle, wie etwa Silber (Ag) oder Gold (Au) oder deren Legierungen. Die Dicke der metallischen Trennschicht 35 ist genügend groß, um eine völlige magnetische Entkopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 33, 37 zu gewährleisten; sie ist jedoch auch dünn genug, um kleiner zu sein als die durchschnittliche freie Weglänge der Leiterelektronen. Ein MR-Fühler auf der Basis des "Spin Valve"-Effekts, bei dem die Leseelemente des Fühlers über die Schichtstruktur ferromagnetisch/nichtmagnetisch/ferromagnetisch verfügen, wird detaillierter in der oben genannten Patentanmeldung Nr. 07/625,343, hier als Referenz angegeben, beschrieben.
In Fig. 4 wird ein Querschnitt des bevorzugten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 entlang der Längsachse des MR-Elements 30 dargestellt. Eine geeignete Unterschicht 59, etwa aus Ta, Ru oder CrV kann auf den Schichtträger 31 aufgebracht werden, bevor die erste ferromagnetische Schicht 33 aufgebracht wird. Zweck der Unterschicht 59 ist es, die Textur, Korngröße und Morphologie der nachfolgenden Schichten zu optimieren. Die Morphologie kann entscheidend beim Erreichen der MR-Fühler-Eigenschaften der "Spin Valve"- Struktur sein, da sie die Verwendung einer sehr dünnen nichtmagnetischen metallischen Trennschicht 35 zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 33, 37 ermöglicht. Die Unterschicht 59 muß ebenfalls einen hohen Widerstand aufweisen, um Ableitungseffekte beim elektrischen Strom zu minimieren. Sollte der Schichtträger 31 aus einem Material mit genügend großem Widerstand und ausreichend planarer Oberfläche hergestellt sein und über eine geeignete kristallografische Struktur verfügen, kann auf die Unterschicht 59 verzichtet werden.
Eine erste dünne Filmschicht 33 aus weichem ferromagnetischem Material, eine dünne Filmschicht 35 aus nichtmagnetischem metallischem Material und eine zweite dünne Filmschicht 37 aus weichem ferromagnetischem Material werden auf die Unterschicht 59 aufgebracht. Elektrische Leitungen 39, 41 werden angebracht, um einen Kreislaufpfad zwischen dem MR-Fühler und einer Stromquelle 57 sowie einem Signalabtastmittel 55 herzustellen. Wie oben beschrieben, ist das MR-Element 30 physisch so ausgerichtet, daß seine Längsachse, und somit auch die magnetische Vorzugsachse, senkrecht zur Spurenbreite B einer Speicherspur im anliegenden Magnetspeicher 12 angeordnet ist (wie in Fig. 1 dargestellt). Folglich ist nur ein Ende, beispielsweise das untere Ende im Verhältnis zum Datenträger 12 der luftgelagerten Oberfläche des Fühlers (ABS) ausgesetzt, wobei die Lesespurbreite durch die Endbreite des MR-Elements definiert wird, das der ABS ausgesetzt ist. Zur Verringerung des Barkhausen-Rauschens wird eine längs angeordnete Vormagnetisierungsschicht 42 über einem Ende des MR-Elements 30 in Entfernung der luftgelagerten Oberfläche des Fühlers aufgetragen. Die Vormagnetisierungsschicht kann aus antiferromagnetischem Material, wie etwa Manageneisen oder Nickel-Mangan bestehen und in direktem Kontakt mit dem Endbereich der ferromagnetischen Schichten aufgebracht werden, um ein Vormagnetisierungsfeld durch Austauschkopplung zu bieten, oder es kann sich um eine hartmagnetische Schicht handeln, um eine hartmagnetische Vormagnetisierung zu bieten, wie Fachleuten bekannt ist. Da die Vormagnetisierungsschicht 42 von der luftgelagerten Oberfläche entfernt angeordnet ist, wird kein potentiell korrosives Material der luftgelagerten Oberfläche ausgesetzt, so daß damit die Korrosionsgefahr, die normalerweise bei solchen Materialien an luftgelagerten Oberflächen auftritt, verringert werden kann. Es kann alternativ dazu, wie bei Fig. 2 beschrieben wurde, ein Vormagnetisierungsleiter 42 auf dem MR-Element 30 angebracht werden, der von diesem durch eine Isolierschicht (nicht dargestellt) aus geeignetem Material, wie etwa Siliciumdioxid (SiO&sub2;) oder ähnliches, getrennt wird. Eine Deckschicht (nicht dargestellt) aus einem hochwiderstandsfähigem Material, wie etwa Ta oder Zr, kann ebenfalls auf dem MR-Sensor angebracht werden.
Wie oben beschrieben, sind die Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten 33, 37 zur Vorzugsachse und zueinander parallel ausgerichtet, wenn kein Abtaststrom durch den Fühler angelegt wird. Zusätzlich befindet sich das durch die Vormagnetisierungssschicht 42 oder den Vormagnetisierungsleiter 43 erzeugte und längsgerichtete Vormagnetisierungsfeld parallel zur Vorzugsachse. Wenn der Abtaststrom am MR-Element 30 angelegt wird, liegt das erzeugte magnetische Feld normal zur Vorzugsachse. Folglich ist die Magnetisierungsrrichtung in einem Winkel von θ zur Vorzugsachse als eine Funktion der relativen Stärken der verschiedenen Vormagnetisierungsfelder. Da die Magnetisierung in jeder magnetischen Schicht 33, 37 umgekehrt proportional vorgenommen wird, werden die Magnetisierungen in den beiden Schichten 33, 37 durch einen Winkel 2θ bei nicht vorhandenem äußerem magnetischem Feld getrennt.
Wie oben beschrieben, können die ferromagnetischen Felder 33, 37 aus jedem geeignetem Material hergestellt werden und verfügen vorzugsweise über eine Dicke im Bereich 10 Å bis ungefähr 150 Å. Die nichtmagnetische Trennschicht 45 besteht vorzugsweise aus metallischem Material mit hoher Leitfähigkeit. Edelmetalle, wie etwa Au, Ag und Cu bieten eine hohe MR-Reaktionsfähigkeit, Pt und Pd eine niedrige MR- Reaktionsfähigkeit und Cr und Ta eine sehr geringe MR- Reaktionsfähigkeit. Die Dicke der Trennschicht 45 sollte sich in einem Bereich zwischen 10 Å bis ca. 40 Å bewegen. In den Fig. 5 und 6 wird die MR-Eigenschaft des "Spin Valve"- Fühlers unter zwei verschiedenen Vormagnetisierungsbedingungen dargestellt. Die gezeigten Kurven stellen die MR-Eigenschaften bei einer relativen Widerstandsänderung als eine Funktion eines einheitlichen äußeren magnetischen Felds für ein ungeschütztes Gerät dar, wenn ein Stromfluß von 15 mA an ein Abtastelement angelegt wird, das aus zwei 50 Å dicken Schichten aus NiFe, getrennt durch eine 20 Å dicke nichtmagnetische Schicht aus Cu mit einer Bandbreite von 4 Mikrometern (um) besteht. Fig. 5 zeigt die Ergebnisse für ein 10 Oe längs angeordnetes Vormagnetisierungsfeld, und Fig. 6 die Ergebnisse für ein Null Oe längs angeordnetes Vormagnetisierungsfeld.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Verwendung bevorzugter Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne daß das Ziel und der Zweck der Erfindung gemäß den nachfolgenden Ansprüchen sich ändern. Beispielsweise wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel als unabgedecktes Gerät beschrieben, während der MR-Fühler der vorliegenden Erfindung ebensogut auf eine abgedeckte oder magnetflußgeführte Struktur angewendet werden kann. Entsprechend soll die hier offengelegte Erfindung als Ausführungsbeispiel betrachtet werden, deren Ziel nur durch die nachfolgend aufgeführten Ansprüche eingegrenzt wird.

Claims

1. Ein magnetoresistiver Fühler, folgendes umfassend:

Eine erste und zweite Schicht aus ferromagnetischem Material (33, 37), getrennt durch eine Schicht aus nichtmagnetischem, metallischem Material (35), wobei der Fühler dadurch gekennzeichnet ist, daß die genannte nichtmagnetische metallische Schicht über eine Dicke verfügt, die die durchschnittliche freie Weglänge der Leiterelektronen in der genannten nichtmagnetischen metallischen Trennschicht nicht überschreitet; die magnetische Vorzugsachse (49) in der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material im wesentlichen parallel verläuft; die Magnetisierungsrichtung der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material auf ein äußeres magnetisches Feld, erzeugt durch einen Abtaststrom im genannten magnetoresistiven Fühler (51, 53), reagiert und im umgekehrt proportionalen Winkel (θ) im Verhältnis zur magnetischen Vorzugsachse (49) ausgerichtet ist, die Magnetisierung der beiden genannten ersten und zweiten Schichten aus ferromagnetischem Material auf ein äußeres magnetisches Feld reagieren, wobei die Änderung des Widerstands des magnetoresistiven Fühlers als Reaktion auf ein äußeres magnetisches Feld eine Funktion der Änderung im Winkel zwischen den genannten Magnetisierungsrichtungen in der genannten ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material ist.

2. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 1, wobei die genannte erste und zweite Schicht aus ferromagnetischem Material (33, 37) aus einem ferromagnetischen Material besteht, das aus der Gruppe aus Eisen, Kobalt, Nickel und Legierungen aus Eisen, Kobalt und Nickel gewählt wurde.

3. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 2, wobei die genannte erste und zweite Schicht aus einer Legierung aus Nickeleisen besteht.

4. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die magnetische Vorzugsachse sowohl für die erste als auch für die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material parallel zur längsgerichteten Achse der ersten und zweiten Schicht aus ferromagnetischem Material angeordnet wird.

5. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche mit einer luftgelagerten Oberfläche, wobei die erste und die zweite Schicht aus ferromagnetischem Material und die genannte nichtmagnetische metallische Schicht ein mehrschichtiges magnetoresistives Fühlelement mit einer Länge und Breite bilden, das so ausgerichtet ist, daß dessen Längsachse senkrecht zur luftgelagerten Oberfläche ausgerichtet ist.

6. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 5, bei dem das untere Ende des genannten magnetoresistiven Elements coplanar ist mit der luftgelagerten Oberfläche, und das genannte untere Ende des magnetoresistiven Fühlelements dieser luftgelagerten Oberfläche ausgesetzt ist.

7. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin folgendes umfassend: eine Schicht aus elektrisch leitendem Material, die über den Endbereichen dem genannten magnetoresistiven Fühlelement aufgebracht ist, um den magnetoresistiven Fühler mit einem äußeren Kreislauf zu koppeln, wobei die genannten Endbereiche das obere und untere Ende des genannten magnetoresistiven Fühlelements definieren.

8. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, der weiterhin eine Vormagnetisierungsschicht umfaßt, die über dem genannten magnetoresistiven Fühlelement aufgebracht ist, um ein längs angeordnetes Vormagnetisierungsfeld im magnetoresistiven Fühlelement zu bieten.

9. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 8, bei dem die genannte Vormagnetisierungsschicht eine Schicht aus anitferromagnetischem Material umfaßt, die in direktem Kontakt mit einer der genannten ferromagnetischen Schichten angebracht ist, um ein längs angeordnetes Vormagnetisierungsfeld durch antiferromagnetischesferromagnetisches Austauschkoppeln zu bieten.

10. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 9, bei dem die Vormagnetisierungsschicht aus antiferromagnetischem Material aus der Gruppe mit Eisenmangan und Nickelmangan besteht.

11. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 10, bei dem die Vormagnetisierungsschicht eine Schicht aus magnetisch hartem Material umfaßt, um das längsgerichtete Vormagnetisierungsfeld zu bieten.

12. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die genannte erste und zweite ferromagnetische Schicht eine Dicke im Bereich von 10 Ångströmeinheiten bis etwa 150 Ångströmeinheiten aufweisen.

13. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die genannte nichtmagnetische metallische Trennschicht eine Dicke im Bereich zwischen 10 Ångströmeinheiten und ungefähr 40 Ångströmeinheiten aufweist.

14. Ein magnetoresistiver Fühler nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die genannte nichtmagnetische metallische Trennschicht aus einem Material aus der Gruppe Silber, Gold, Kupfer und den Legierungen aus Silber, Gold und Kupfer besteht.

15. Ein magnetoresistiver Fühler nach Anspruch 14, bei dem die genannte nichtmagnetische metallische Trennschicht eine dünne Filmschicht aus Kupfer aufweist.

16. Ein Magnetspeichersystem, folgendes umfassend:

Ein Magnetspeichermedium mit einer Vielzahl an Spuren zum Erfassen von Daten;

Ein magnetischer Wandler, der während der Relativbewegung zwischen dem magnetoresistiven Lesewandler und dem magnetischen Speichermedium in einem geringen Abstand zum magnetischen Speichermedium gehalten wird, wobei der magnetische Wandler einen magnetoresistiven Fühler nach jedem der vorangegangen Ansprüche umfaßt, der magnetoresistive Fühler so ausgerichtet ist, daß seine Längsachse senkrecht auf die Spurbreite einer Datenspur auf dem genannten Speichermedium ausgerichtet ist und ein unteres Ende des magnetoresistiven Fühlers in einem geringen Abstand zum magnetischen Speichermedium gehalten wird;

Elektrische Leiter, die mit dem genannten unteren Ende und mit einem oberen Ende des magnetoresistiven Fühlers verbunden sind, um den magnetoresistiven Fühler mit einem äußeren Kreislauf zu verbinden und den Abtaststrom mit dem magnetoresistiven Element zu koppeln; und

Ein Vormagnetisierungsmittel anliegend an den magnetoresistiven Fühler angeordnet, um ein längsgerichtetes Vormagnetisierungsfeld im magnetoresistiven Fühlelement zu bieten;

Ein Stellmittel, das mit dem magnetischen Wandler gekoppelt ist, um den magnetischen Wandler auf bestimmte Datenspuren auf dem magnetischen Speichermedium zu setzen; und

Ein Mittel zur Erkennung, das mit dem magnetoresistiven Fühler gekoppelt ist, um Widerstandsänderungen im magnetoresistiven Material in Reaktion auf magnetische Felder zu erkennen, die erfaßte Datenbereiche auf dem magnetischen Speichermedium darstellen, die von dem magnetoresistiven Fühler gelesen werden.

17. Ein magnetisches Speichersystem nach Anspruch 16, bei dem die magnetische Vorzugsachse sowohl der ersten als auch der zweiten ferromagnetischen Schicht im wesentlichen senkrecht auf die Datenspurbreite ausgerichtet ist, und die Vorzugsachse parallel zur Längsachse des magnetoresistiven Fühlelements ausgerichtet ist.

18. Ein magnetisches Speichersystem nach Anspruch 17, bei dem der magnetische Wandler eine luftgelagerte Oberfläche umfaßt, gegenüber dem magnetischen Speichersystem angeordnet, wobei das untere Ende des magnetoresistiven Fühlers coplanar mit der luftgelagerten Oberfläche ist und das untere Ende des magnetoresistiven Fühlelements der luftgelagerten Oberfläche ausgesetzt ist.

19. Ein magnetisches Speichersystem nach Anspruch 18, bei dem die Datenspurbreite durch die Breite des magnetoresistiven Fühlelements definiert ist, und das magnetoresistive Fühlelement so ausgerichtet ist, daß dessen Breite sich über die Datenspur parallel zur Bandbreite erstreckt.