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CN1098516C - 具有磁阻元件的单通道磁头 - Google Patents

具有磁阻元件的单通道磁头 Download PDF

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Abstract

单通道磁头具有一个在磁记录载体(3)相对于磁头做相对运动的第一方向(I)和横截第一方向的第二方向(II)上延伸的一个磁头面(1)。该磁头具有这样一种结构层次，从第一方向看，它是一层压一层的，并且基本上在第二方向和横截第一和第二方向的第三方向(III)上延伸。上述结构中具有一个磁阻测量元件(5)，一个第一磁性元件(7)和一个第二磁性元件(9)。两个磁性元件都是导电的，而测量元件在电路上被串联在两个磁性元件之间，让测量电流(i)从第三方向上通过测量元件。每个磁性元件具有一个电接触面(7a，9a)。为了获得一个具有狭窄的精密限定的扫描宽度的稳定的单通道磁头，一直延伸到磁头面上的至少一个磁性元件在第二方向上的宽度大于第三方向上的宽度。第二方向上的这种宽度同样大于测量元件的有效宽度(w)。有关的磁性元件在第三方向上的相对磁导率(μrIII)比第二方向上要大。

Description

具有磁阻元件的单通道磁头
本发明涉及到一种用于扫描磁性记录介质的设备，更具体地，涉及一种单通道磁头，它具有一个在磁记录载体相对于磁头可做相对运动的第一方向和横跨第一方向的第二方向上延伸的一个磁头面，并且具有这样一种结构层次，从第一方向看，它是一层压一层的，并且基本上在第二方向和横跨第一和第二方向的第三方向(III)上延伸，上述结构中设有一个磁阻测量元件，其有效宽度在第二方向上延伸，一个第一磁性元件和一个第二磁性元件，从第一方向上看，上述磁性元件的位置彼此相对，至少是上述元件中的第一磁性元件一直延伸到磁头面上，并且两个磁性元件都是导电的，测量元件在电路上被串联在两个磁性元件之间，让测量电流从第三方向上通过测量元件，每个磁性元件具有一个电连接面。
在US-A-5493467中公开了一种此类的磁头。公知的磁头具有一个装在磁性轭铁中的自旋阀磁阻传感器。轭铁的两个轭铁部件在磁头的磁头面上通过一个导电的间隙层电连接到一起，在一个轭铁部件上设有通过传感器实现电路和磁路跨接的中断。每个轭铁部件被设在离开磁头面的区域内，让导电层横跨着轭铁部件排列，这些导电层终止于位于轭铁部件旁的连接面中。传感器有一个有效部位，在扫描期间用该部位检测磁场的变化。尽管用公知的磁头可以获得比较窄的读出通道，但是这种磁头的稳定性不够好，这是由于采用的轭铁结构造成的。特别是在轭铁的宽度较小的情况下，这是因为这种轭铁部件很可能分裂成磁畴，从而造成不稳定，并且产生Barkhausen噪声。
本发明的目的是提供一种稳定的单通道磁头，它具有比较窄的精确限定的扫描宽度。
本发明的单通道磁头的特征在于一直延伸到磁头面上的磁性元件在第二方向上的宽度大于第三方向上的宽度，在第二方向上的上述宽度大于测量元件的有效宽度，而有关磁性元件的相对磁导率在第三方向上大于第二方向。一直延伸到磁头面上的上述宽大元件可以作为第一磁性元件。由于采用了比较宽大的磁性元件，可以获得理想的各向异性形状，从而减少元件分裂成磁畴的风险。在磁性元件内从第二方向延伸到测量元件外部的闭合的磁畴超过或是基本上超过了测量元件的影响。因此，它们对输出信号中的噪声没有影响或是很少有负面的影响。在横跨磁头面的方向上使用一种具有较高磁导率的各向异性材料可以形成精确限定的读出通道。用这种测量方式可以获得高度稳定的读出信号，很小的Barkhausen噪声风险，以及精确限定的读出或是扫描宽度。
按照本发明的磁头具有理想的信噪比，这在一定程度上是由于宽大的磁性元件所提供的很大的磁稳定性的结果。在一个具体的实施例中，这种元件在第二方向上的宽度至少比第三方向上的宽度大两倍。
在本发明中发现可以获得这样一种具有突出性能的读出通道，它在第三方向上的相对磁导率比第二方向上的相对磁导率大25倍。
按照本发明的单通道磁头优选是一种薄膜磁头，其中采用了设在基片上的薄膜结构。磁性元件是用NiFe，CoNbZr，或是FeNbSi-N的薄膜构成的。另一方案可以用基片形成一个磁性元件。
测量元件可以采用一种各向异性的磁阻(AMR)元件或是一种大磁阻(GMR)元件。AMR元件例如可以用NiFe的合金层构成，这种合金具有或是没有导电条的那种公知的标线结构。AMR元件的理想形式是US-A-4686472(可供本文参考)中所述的那种层叠的磁阻元件。理想的GMR元件例如WO-A96/07926(PHN 14.992；可供本文参考)中所述。可以用优选设置在磁性元件之间的DC电流输送导体对AMR元件进行偏置。GMR元件，例如自旋阀式的GMR元件所具有的优点是并不一定需要偏置。
按照本发明的单通道磁头适合扫描具有窄轨迹的磁性介质，这种轨迹的间隔不一定是密集的，并且主要用于数据流磁带机，数字视频系统，硬盘驱动器和多媒体系统。
按照本发明的单通道磁头的一个实施例的特征在于设有一个一直延伸到磁头面上的导电的第三磁性元件，它和没有一直延伸到磁头面上的第二磁性元件一起限定了一个非磁性的空隙，磁阻测量元件搭接在空隙上，它除上述空隙外与第二和第三磁性元件形成电接触，一个用来电连接第一磁性元件和第三磁性元件的导电间隙层延伸到磁头面附近。在这种轭铁式的磁头中，用磁性元件向测量元件提供以及回收磁通。因此，磁性元件在操作期间起到了电流输送磁通导管的作用。
和第一和/或第二磁性元件在一起或是不在一起的一直延伸到磁头面上的第三磁性元件的宽度在第二方向上大于第三方向，而第二方向上的上述宽度大于磁阻测量元件的有效宽度。这种方式也可以产生改善稳定性和降低Barkhausen噪声的效果。此外，第三磁性元件在第三方向上的相对磁导率优选大于第二方向上的相对磁导率。对于精确限定的读出宽度来说这是一种理想的情况。由金属层构成的间隙层最好是采用金或是铜。
按照本发明一个实施例的单通道磁头的具体特征在于磁阻测量元件和第二磁性元件一直延伸到磁头面上，并且位于磁头面附近的所述测量元件的一部分与第一磁性元件或是第二磁性元件形成电接触，而远离磁头面的测量元件部分与另一个上述的磁性元件形成电接触。在这种屏蔽式的磁头中，磁性元件被用来传导测量电流，并且用于测量元件的磁路屏蔽。因此，第一和第二磁性元件在操作期间是电流输送屏蔽的。
和第一磁性元件一起或是没有和它一起一直延伸到磁头面上的第二磁性元件在第二方向上的宽度大于第三方向上的宽度，并且在第二方向上的宽度大于磁阻测量元件的有效宽度。这种方式的优点也是可以产生改善稳定性和降低Barkhausen噪声的效果。此外，第二磁性元件在第三方向上的相对磁导率优选大于第二方向上的相对磁导率。对于精确限定的读出宽度来说这是一种理想的情况。测量元件可以直接接触到磁性元件，或是通过一个例如金属层的导电的中间层接触到磁性元件。
在EP-A0457278中公开了一种屏蔽式的磁头。这种公知的磁头是一个具有屏蔽的MR元件的薄膜磁头。磁头上具有上、下的屏蔽磁性层，MR元件层在屏蔽层之间延伸。与磁头的磁头面相邻的那部分MR元件和远离磁头面的那部分上面装有电极。磁头面上的电极通过一个导电层电连接到上屏蔽层，通过一条电线将这一屏蔽层接地，而远离磁头面的电极通过一条电线电连接到一个放大器单元的输入端。
按照本发明的单通道磁头的一个实施例的特征在于第一和第二磁性元件的连接面位于一个区域之内，该区域在第二方向上的宽度是由一直延伸到磁头面上的磁性元件在第二方向上的宽度来确定的。在本实施例中，晶片的表面面积足以满足制造的要求。
按照本发明的单通道磁头的一个实施例的特征在于第一和第二磁性元件的连接面处在相关的元件上。在本实施例中，仅仅需要少量的工艺步骤就能获得在第三方向上彼此偏离的连接面。
本发明还涉及到用于比如磁带或是磁盘一类的记录载体的一种扫描装置，该装置中具有本发明的磁头。
根据以下参照具体实施例的说明可以有助于理解本发明的上述和其他各个方面。
在附图中：
图1是按照本发明第一实施例的磁头的一个示意性截面图；
图2是第一实施例的示意性平面图；
图3是第二实施例的示意性截面图；
图4是第二实施例的示意性平面图；
图5是第三实施例的示意性截面图；
图6是第三实施例的示意性平面图；
图7是第四实施例的示意性截面图；
图8是第五实施例的示意性截面图；
图9是第六实施例的示意性截面图；
图10是第七实施例的示意性截面图；
图11示意性地表示了按照本发明的装置的一个实施例；以及
图12示意性地表示了适用于图中所示装置的一种磁带盒的实施例。
在图1和2中所示的本发明的单通道磁头是屏蔽式的。图1中所示的截面是从图2中的线I-I方向上提取的。磁头上具有与磁记录载体3配合的一个磁头面1，本实施例中的载体是磁带。磁头面1在记录载体3移动的第一方向I和与第一方向垂直的第二方向II上延伸。磁头包括一种薄膜结构，从第一方向I上看是一层压一层的。这些层基本上在第二方向II和一个与第一及第二方向垂直的第三方向III上延伸。这种薄膜结构中具有一个磁阻测量元件5，它的有效宽度w在第二方向上延伸。测量元件5可以是GMR元件或AMR元件。该结构中还具有两个导电并且导磁的层，例如NiFe，在此称为第一磁性元件7和第二磁性元件9。磁性元件7和9以及位于这些元件之间的测量元件5一直延伸到磁头面1。在本实施例中同时起到磁屏蔽作用的磁性元件7和9各自具有一个电连接面7a，9a，分别用于电连接到一个电流源。连接面7a和9a分别被设在一个导电层11，13上，例如是一个金层。这些层11和13是利用公知的淀积和平面化方法形成的，并且用电连接的方式分别连接到第一磁性元件7和第二磁性元件9。可以采用公知的技术获得这种薄膜结构，例如，从Al2O3/TiC的非磁性基片19开始。比如是SiO2或是Al2O3的隔离层被设在各个磁性和/或导电层之间。在图1中统一用标号21表示这些层。
例如，在EP-A0617409和EP-A0617410(分别是PHN14.428和14.429，二者均可供本文参考)提出了公知的淀积，构形，和平面方法。利用两个比如是金或是铜的金属层构成的导电的中间层15和17将测量元件5在电路中串联在两个磁性元件7和9之间，导电层15位于磁头面1上，并且将测量元件5电连接到第一磁性元件7，而导电层17远离磁头面1，并且将测量元件5电连接到第二磁性元件9。利用这种结构，测量电流i可以在操作期间从第三方向III上通过测量元件5。当然，图2中所示的电流方向也可以反转180°。
为了偏置磁阻测量元件5，远离磁头面1的导电中间层17可以用导电的反铁磁性材料的导电层构成，例如FeMn合金，或是采用导电的硬磁性材料，例如CoPt合金。
在图示的实施例中，磁性元件7和9在第二方向上的尺寸都比第三方向上的尺寸大，第二磁性元件9的两个尺寸之比大于一个系数2。在第二方向上的上述尺寸同样大于测量元件5的有效宽度w，从而让元件7和9在测量元件5的两侧延伸。在本实施例中，磁性元件7和9在第三方向上的相对磁导率都比第二方向上要大。第三方向上的相对磁导率μrIII是第二方向上相对磁导率μrII的25倍以上。
如图2所示，连接面7a和9a位于一个区域之内，该区域在第二方向上的宽度是由磁性元件7和9各自在第二方向上的宽度来确定的。
为了避免不必要的重复，在以下的其他实施例中主要限于说明那些与上述的实施例不同的特征。在说明中采用的方向I，II，和III适用于所有的实施例。
在图3和4中所示的本发明的单通道磁头具有一个非磁性的基片119，它是一种薄膜的结构。图3中所示的截面是从图4的III-III线方向上提取的。这种薄膜结构具有两个导电和导磁的层，例如CoNbZr，其中的一层构成了第一磁性元件107，另一层分别构成了第二和第三磁性元件109和110。在第二和第三磁性元件之间有一个不导磁的间隙112。该结构中还具有搭接在间隙112上的一个例如GMR型的磁阻测量元件105。图示的磁头具有一个与磁性元件107和110毗邻的磁头面101。一个例如金或是铜的导电材料的间隙层116位于磁头面101的附近，并且构成了薄膜结构的一部分，将第一磁极元件107电连接到测量元件105，由测量元件105本身构成与第二磁极元件109的共同电接触，将测量元件105在电路中串联在磁性元件107和109之间。用于连接测量源的电连接面107a，109a分别位于上述的两个元件107和109上。在操作期间，第一磁性元件107和第三磁性元件109就可以输送电流，通过测量元件105的电流的方向i与磁头面101垂直。在本实施例中，第三磁性元件110在第二方向上的宽度大于测量元件105的有效宽度w，并且至少比第三磁性元件110在第三方向上的宽度大两倍。第一磁性元件107在第二方向II上的宽度应该足够大，让元件107中可能出现的磁畴壁距离测量元件105比较远，从而让可能的磁畴壁位移不会影响或是仅仅轻微影响到输出信号。
图5和6所示的按照本发明的单通道磁头包括一种装在非磁性基片219上的薄膜结构，在基片上装有磁阻测量元件205，第一磁性元件207，第二磁性元件209，以及第三磁性元件210。图5所示的截面是从图6的V-V线方向上提取的。轭铁型的磁头具有一个磁头面201，磁性元件207和210中止于该磁头面上。测量元件205在第二磁性元件209和第三磁性元件210之间搭接一个非磁性的间隙212。所有三个上述磁性元件207，209和210都是用导电导磁的材料例如FeNbSi-N构成的，并且在第三方向上具有最大的磁导率。位于磁头面201附近的一个导电的非磁性间隙层216在第一磁性元件207和第三磁性元件210之间起到一个电接触层的作用。由于测量元件205同时与第二磁性元件209和第三磁性元件210形成电接触，测量元件205在电路中处在第一磁性元件207和第二磁性元件209之间。上述的元件207和209分别具有电连接面207a和209a。从第三方向III上看，连接面207a和209a被设在薄膜结构中和元件207和209对准延伸的导电层211和213上。在第二方向II上，第一磁性元件207的尺寸至少比第三方向III上大两倍，该尺寸同样大于测量元件205在第二方向上的尺寸。
图7到10表示上述实施例的各种变形，其中所示的各种磁性元件的特性和尺寸都相当于上述的那些磁性元件。由于和上述实施例具有紧密的关系，没有表示出这些变形的平面图。
图7所示的按照本发明的单通道磁头具有一个磁头面301和一个非磁性基片319，基片上带有磁性轭铁的层次结构中包括第一磁性元件307，第二磁性元件309，第三磁性元件310和一个磁阻测量元件305。磁性元件307，309和310是用一种导电材料的软磁性层构成的。测量元件305是一个AMR元件。测量元件305与磁性元件309和310啮合，从而形成一种电接触，并且在元件309和310之间搭接成一个非磁性的不导电的空隙或是间隙312。在电路中连接磁性元件307和310的一个非磁性的导电间隙层316位于磁头面301上。磁性元件307和309分别具有一个连接面307a，309a，它们处在电连接到磁性元件307和309的导电的非磁性层311和313上，从而在连接面307a和309a之间形成由测量元件305和磁性元件307，309以及310构成的电路。为了使测量元件305偏置，在测量元件305上面有一个例如NiOx等反铁磁材料的层312。
图8所示的按照本发明的单通道磁头是轭铁型的，并且包括一个类似于图7中所示的磁阻测量元件405，它和第一磁性元件407，第二磁性元件409和第三磁性元件410接在一个电路中。导电的间隙层416处在磁头面401上。磁性元件407和409各自具有连接面407a，409a。用一个导电的偏置线圈414来偏置测量元件405。
图9所示的按照本发明的单通道磁头具有一个磁头面501和一个非磁性基片519，设在基片上的薄膜结构包括用NiFe，CoNBZr或是FeTa-N构成的一个导磁层514，一个磁阻测量元件505，两个隔开的导磁层，这是本文中采用的称呼，第二磁性元件509和第三磁性元件510，并且包括另一个被称为第一磁性元件507的导磁层。磁性元件507和509各自具有一个连接面507a，509a，它们分别处在导电层511和513上。一个导电的非磁性间隙层516用来电连接磁性元件507和510，并且用测量元件505连接磁性元件510和磁性元件509，从而在操作期间有一个电流在与磁头面501垂直的方向i上流经测量元件505。在本实施例中，所有磁性元件507，509和510在操作期间都是输送电流的磁通导管，而导磁层514构成了防止长磁性波的屏蔽。
图10所示的变形具有一个磁头面601和一个多层结构的非磁性基片619，一个磁阻测量元件605，由两个导电的导磁层607A和607B构成的一个第一磁性元件，由导电的导磁层609构成的一个第二磁性元件，以及由导电的导磁层610构成的一个第三磁性元件。测量元件605在第二磁性元件609和第三磁性元件610之间用电路和机械方式搭接成一个不导电，不导磁的间隙612。利用两个导电层616a和616b分别将第三磁性元件610在靠近磁头面601处电连接到层607A和607B上。第二磁性元件609以及层607A和607B各自具有电连接面609a，607Aa和607Bb。
等于流经第一磁性元件的各层607A和607B的电流总和的一个电流流过图10所示的磁头中使用的电路中的测量元件605，测量元件605中的电流方向与磁头面601是交叉的。各层607A和607B具有防止长磁性波的屏蔽效果；因此，与图3，5，7和8所示的实施例相比，这种磁头象图1和9中的磁头一样具有明显的空间微分(spatiallydifferentiating)效果。
在本发明的范围内还可以实现不同于上述各实施例的其他实施例。例如，按照本发明的磁头可以是一种组合的读/写磁头装置中的一部分。另外，在上述的实施例中，测量元件的有效宽度，也就是测量元件在第二方向上实际起到传感器作用的宽度等于测量元件的几何宽度，与此相反，测量元件的实际宽度也可以大于其有效宽度。例如是在这样的情况下，从第二方向上看，在测量元件的端部有一种硬磁性或是反铁磁性材料的偏置层。此外，在具体实施例中的磁头通常都具有一个用来保护多层结构的对立块。
图11所示的本发明的装置适用于写入和/或读出一种磁带803，在本实施例中，磁带被装在图12所示的磁带盒801里。该装置具有一个带有框架703的外壳701。外壳701的内部可以容纳用来驱动一个驱动轮707的驱动电机705和按照本发明的一个单通道磁头711，在本实施例中，磁头被固定在一个副框架709上，通过一个驱动电机713可以使副框架沿着一个导向轴715移动。该装置还有一个竖直的导向件717，用于使磁带盒801滑入或是滑出外壳701。磁带盒801可以用来存储数字形式的信息。磁带盒具有两个卷轴805和807，有一部分磁带803绕在卷轴上。出现在两个卷轴之间的那部分磁带803被沿着两个静止的磁带导向件809和811引导，并且沿着一个主导轮813移动。磁带盒801包括一个沿着主导轮813转动的循环驱动皮带815，卷轴805和807，以及两个皮带导向件817和819。在操作状态下，磁带盒801与本发明的装置701相互配合，磁头711伸入磁带盒中的一个槽821，从中接触到磁带803。同时，驱动轮707接触到主导轮813，使磁带803在长度方向上从一个卷轴移动到另一个卷轴。
图示的装置是一种数据存储装置，例如可以是一个音频和/或视频设备。该装置还适用于用磁盘或者磁卡代替磁带的记录载体。

Claims (8)

1.一种单通道磁头，它具有在磁记录载体可相对于磁头做相对运动的第一方向和横截第一方向的第二方向上延伸的一个磁头面，并且具有这样的结构层次，从第一方向看，它是一层压一层的，并且基本上在第二方向和横截第一和第二方向的第三方向上延伸，上述结构中设有一个磁阻测量元件，其有效宽度在第二方向上延伸，一个第一磁性元件和一个第二磁性元件，同样，从第一方向上看，上述磁性元件的位置彼此相对，至少是上述元件中的第一磁性元件一直延伸到磁头面上，并且两个磁性元件都是导电的，测量元件在电路上被串联在两个磁性元件之间，让测量电流基本上沿第三方向通过测量元件，每个磁性元件具有一个电连接面，其特征在于一直延伸到磁头面上的磁性元件在第二方向上的宽度大于第三方向上的宽度，在第二方向上的上述宽度大于测量元件的有效宽度，而有关磁性元件的相对磁导率在第三方向上大于第二方向。
2.按照权利要求1的磁头，其特征是一直延伸到磁头面上的磁性元件在第二方向上的宽度至少比第三方向上的宽度大两倍。
3.按照权利要求1或2的磁头，其特征是在第三方向上的相对磁导率至少比第二方向上的相对磁导率大25倍。
4.按照权利要求1或2的磁头，其特征在于一直延伸到磁头面上的导电的第三磁性元件和没有一直延伸到磁头面上的第二磁性元件一起限定了一个非磁性的空隙，磁阻测量元件搭接在空隙上，除上述空隙外与第二和第三磁性元件形成电接触，一个用来电连接第一磁性元件和第三磁性元件的导电间隙层延伸到磁头面附近。
5.按照权利要求1或2的磁头，其特征在于磁阻测量元件和第二磁性元件一直延伸到磁头面上，并且位于磁头面附近的一部分测量元件与第一磁性元件或是第二磁性元件形成电接触，而远离磁头面的一部分测量元件与另一个上述的磁性元件形成电接触。
6.按照权利要求1或2的磁头，其特征在于第一和第二磁性元件的连接面位于一个区域之内，该区域在第二方向上的宽度是由一直延伸到磁头面上的磁性元件在第二方向上的宽度来确定的。
7.按照权利要求1或2的磁头，其特征在于第一和第二磁性元件的连接面处在各自的磁性元件上。
8.用于扫描磁性记录载体的一种装置，其特征是包括前述任何一项权利要求的单通道磁头。
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