專利名稱：磁阻自旋閥傳感器中的反鐵磁交互耦合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以讀出記錄在磁性媒體上的信息信號的磁性換能器，具體涉及一種改進型磁阻讀出換能器，它利用反鐵磁交互耦合(exchangecoupling)來對換能器提供一個縱向偏置磁場。
先有技術(shù)公開了一種稱為“磁阻(MR)傳感器”或“磁阻(MR)磁頭”的磁讀出換能器，它表明能在大的線性密度下從磁性表面上讀出數(shù)據(jù)。MR傳感器利用由磁性材料制成的讀出元件上的電阻變化來檢測磁場信號，該磁場信號是讀出元件感測的磁通的強度和方向的函數(shù)。先有技術(shù)的MR傳感器工作在各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，此效應(yīng)中，讀出元件電阻的一個分量隨磁化方向與流經(jīng)讀出元件的檢知電流方向之間夾角的余弦平方而變。有關(guān)AMR效應(yīng)的更詳細的敘述可從1975年IEEETrans.Mag.MAG-11，P.1039上D.A.Thompson等人的文章“記憶器、存儲器以及有關(guān)的應(yīng)用(Memory，storage，andRelatedApplications)”中找到。
Grunberg的美國專利4949039描述了一種分層的磁性結(jié)構(gòu)，該分層磁性結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生出由于各磁性層中磁化的逆并聯(lián)對準而引起的增強的MR效應(yīng)。作為此種分層結(jié)構(gòu)中可能使用的材料，Grunberg列出了鐵磁過渡金屬和合金;但未從表中指明優(yōu)選的材料以用于獲得良好的MR信號幅度。Grunberg還敘述了采用反鐵磁型交互耦合來獲得逆并聯(lián)對準，其中，鐵磁材料各個相鄰層之間均由鉻(Gr)或釔(Y)的薄夾層來分隔開。
轉(zhuǎn)讓給直接受讓人的、1990年12月11日申請的共同未決的美國專利申請(系列號07/625343)中公開了一種MR傳感器，從其中觀察到，其內(nèi)兩個不耦合的鐵磁層之間的電阻是隨該兩層磁化方向間夾角的余弦值變化的而變化，而與流經(jīng)傳感器的電流方向無關(guān)。根據(jù)選定的材料組合，此種機理產(chǎn)生出的磁致電阻在量值上可大于AMR的值，并稱之為“自旋閥(spinvalve)”(SV)磁致電阻。轉(zhuǎn)讓給直接受讓人的、1991年2月8日申請的共同未決的美國專利申請(系列號07/652852)公開了一種基于上述效應(yīng)的MR傳感器，它包括有由一個非磁性金屬材料薄膜層分隔開的兩個鐵薄膜磁材料層，其中，至少一個鐵磁材料薄膜層是由鈷(Co)或鈷合金制成的。在外加磁場為零時，利用與一個反鐵磁層的交互耦合，使一個鐵磁層的磁化方向與另一個鐵磁層的磁化方向保持垂直。
按照本發(fā)明的原理，一種以自旋閥效應(yīng)為基礎(chǔ)的MR讀出傳感器包括在一個合適的襯底上形成一個分層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)含有由一個非磁性金屬材料薄膜層分隔開的第一和第二鐵磁材料薄膜層，其至少一個鐵磁材料薄膜層是由取自鐵和鐵合金組成的組群中的材料形成的。在外加磁場為零時，第一鐵磁材料層的磁化方向基本上垂直于第二鐵磁材料層的磁化方向。一個鐵或鐵合金鐵磁材料層中的磁化方向被限制或維持在由跨越一薄軟磁性材料夾層的相鄰反鐵磁層所提供出的反鐵磁交互耦合的方向上。該鐵材料的磁層和軟磁性材料夾層組成一個雙層，其中的磁化方向或取向本質(zhì)上是固定的。另一個鐵磁材料層中的磁化方向是能依隨一個外加磁場而自由旋轉(zhuǎn)的。由一個電流源對此MR傳感器提供一個感測電流，由于鐵磁材料的自由層中磁化方向的旋轉(zhuǎn)是被感測的外加磁場的函數(shù)，所以在讀出元件上會產(chǎn)生一個電壓降，它與MR傳感器的電阻變化成比例。在一個加磁場的作用下讀出元件電阻變化的大小是自由層中磁化方向與固定層中磁化方向之間夾角的余弦值的函數(shù)，這代表存儲在磁性媒體中的數(shù)據(jù)比特。
本發(fā)明的上述目的和其它目的可從下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細敘述并結(jié)合以下附圖將會更加明了。在附圖中相同的編號表示相同的部件。


圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的一個磁盤存儲系統(tǒng)的簡化方框圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明原理的磁(致電)阻傳感器的一個優(yōu)選實施例的一個透視分解圖;
圖3示出圖2所示的磁(致電)阻傳感器實施例的磁滯回線圖;
圖4是按照本發(fā)明原理的磁(致電)阻傳感器另一實施例的透視分解圖;
圖5a-5d示出實施圖4所示磁(致電)阻傳感器的各種結(jié)構(gòu)的磁滯回線圖;
圖6示出圖4所示的磁(致電)阻傳感器的交互磁場(exchangefield)與軟磁性夾層厚度的關(guān)系曲線圖;
圖7示出圖4所示的磁(致電)阻傳感器的矯頑(磁)力與軟磁性夾層厚度的關(guān)系曲線圖;
圖8示出圖4所示的磁(致電)阻傳感器的交互能量(exchangeenergy)與軟磁性夾層厚度的關(guān)系曲線圖;
圖9是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)成的磁(致電)阻傳感器又一個實施例的端視圖。
現(xiàn)在，參看圖1。雖然本發(fā)明被敘述為體現(xiàn)在圖1中所示的一個磁盤存儲系統(tǒng)中，但很明顯，本發(fā)明也可應(yīng)用于諸如磁帶記錄系統(tǒng)之類的其它磁記錄系統(tǒng)中。至少有一個可旋轉(zhuǎn)的磁盤12支承在心軸14上，并由一個磁盤驅(qū)動電機18驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。在每個磁盤上的磁記錄媒體以磁盤12上的多個同心數(shù)據(jù)磁跡(圖中未示出)的環(huán)形圖案形式出現(xiàn)。
至少有一個滑塊13位于磁盤12上，每一個滑塊13支持一個或多個通常稱為“讀/寫磁頭”的磁性讀/寫換能器21。當磁盤旋轉(zhuǎn)時，滑塊13在磁盤表面22上沿徑向前進或后退，以使磁頭21能訪問磁盤上記錄有所希望數(shù)據(jù)的各不同部分。每個滑塊13借助于一個懸浮件15依附于致動臂19。懸浮件15提供出一個輕微的彈性力，它使滑塊13在彈力作用下頂著磁盤表面22。每個致動臂19固定在致動裝置27上。圖1中所示的致動裝置例如可以是一個話音線圈電機(VCM)。該話音線圈電機包含有一個在固定磁場之內(nèi)可移動的線圈，線圈移動的方向和速度由一個控制器所供給電機的電流來控制。
在磁盤存儲系統(tǒng)工作期間，磁盤12的旋轉(zhuǎn)在滑塊13與磁盤表面22之間產(chǎn)生出一個空氣支承，它在滑塊13上施加了一個向上力或提升力。這樣，該空氣支承抵消掉懸浮件15的輕微彈性力，支撐住滑塊13離開，使之略為處在磁盤表面上方，從而在工作期間保持一個微小的、基本上恒定的間隔。
磁盤存儲系統(tǒng)的各個部分在的操作均由控制單元29產(chǎn)生的控制信號諸如訪問控制信號和內(nèi)部時鐘信號來控制。通常，控制單元29包括例如邏輯控制電路、存儲裝置和微處理器?？刂茊卧?9產(chǎn)生控制信號諸如線23上的驅(qū)動電機控制信號和線28上的磁頭位置搜索控制信號去控制各系統(tǒng)的操作。線28上的控制信號提供所希望的電流分布，以使選定的滑塊13最佳地移動和定位到相關(guān)的磁盤12上所希望的數(shù)據(jù)磁跡上。讀/寫信號通過記錄通道25來或去讀/寫磁頭21。
上面結(jié)合圖1描述的典型的磁盤存儲系統(tǒng)都只是為了說明的目的。很顯然，磁盤存儲系統(tǒng)可容納大量的磁盤和致動裝置，且每個致動裝置可支持許多滑塊。
參看圖2，根據(jù)本發(fā)明的原理，一個MR傳感器30包含有一個諸如玻璃、陶瓷或半導體之類的合適的襯底31;在它上面淀積上一層軟鐵磁材料的第一薄膜層33、一層非磁性金屬材料的薄膜層35和一層鐵磁材料的第二薄膜層37。兩個鐵磁材料層33、37的磁化方向在不存在外加磁場的情況下取向如圖中的箭頭32和38所示，相互間有著約90度的夾角。此外，第二鐵磁材料層37的磁化方向是固定或定準在一個優(yōu)選的取向方向上，如圖中箭頭38所示。雖然第二的磁材料層37的磁化方向保持固定的，但第一鐵磁材料層33中的磁化方向可在外加磁場(例如圖2上示出的磁場h)的作用下自由地轉(zhuǎn)動，如圖2中薄膜層33上虛線箭頭所示。
由具有比較高電阻率的一種交互偏磁(exchangebiasing)材料做成的一個薄膜層39，它淀積得與第二鐵磁材料薄膜層37直接接觸，以便由交互耦合提供出一個偏置磁場。在該優(yōu)選實施例中，薄膜層39可用一種合適的反鐵磁材料例如最好是鐵-錳(FeMn)或鎳-錳(NiMn)構(gòu)成。在另一種方案中，圖2中示明的結(jié)構(gòu)也可以按相反的次序來淀積，即是首先淀積反鐵磁層39，隨后的次序是層37、35和33。在這種淀積次序逆反的結(jié)構(gòu)中，可以利用一個轉(zhuǎn)晶層來確保反鐵磁層39具有所希望得到的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的這個優(yōu)選實施例，鐵磁層33、37之中的一層或兩層可以含鐵(Fe)或含一種鐵合金。含非磁性金屬隔墊層35含例如銅(Cu)，或含其它的諸如銀(Ag)、金(Au)或其合金的合適的貴金屬。一種基于自旋閥效應(yīng)的MR傳感器(其內(nèi)的傳感讀出元件包含有鐵磁材料/非磁性材料/鐵磁材料或分層結(jié)構(gòu))已在上面引用的美國專利申請(系列號No.07/625343)中詳細地敘述了，該處在這里作為參考文件。磁化方向固定的鐵或鐵合金層37可由例如含有FeMn的反鐵磁層39交互偏磁(exchangedbiased);其中，使用一種低溫退火方法，可使交互偏磁的量值大幅度地增加，有關(guān)這方面的內(nèi)容將在下文詳細描述。
在利用自旋閥結(jié)構(gòu)的MR傳感器中，希望交互各向異性(exchange anisotropy)最大。對于基于自旋閥效應(yīng)的一種最佳的MR傳感器來說，固定層(或稱“定準”層)37必須在被檢測的磁場強度范圍內(nèi)保持近乎飽和狀態(tài)。圖3示出在鐵薄膜上覆蓋有在拋光的硅薄片上淀積一個FcMn的交互耦合偏置磁場的情況。特別是，具有Si/V(30A)/Fe(x)/FeMn(150A)/V(100A)結(jié)構(gòu)(其中x＝40 和60 )的薄膜呈現(xiàn)出約30Oe的交互量，該量值對應(yīng)于在淀積的薄膜中約0.02erg-cm-2的交互能量。當薄膜在180℃的空氣中低溫退火約10分鐘并在大約250Oe或高些的外加磁場中冷卻時，交互磁場Hexch分別大致增加到135和150 Oe，這對應(yīng)于約0.1erg-cm-2的產(chǎn)互作用自由能量(exchange interaction free energy)。低溫退火的Fe/FeMn薄膜的交互各向異性大致與NiFe/FeMn的一樣大，足以供MR傳感器應(yīng)用。
現(xiàn)在，再參看圖4，圖中示出根據(jù)本發(fā)明原理的一個MR傳感器40，它包含有一個諸如玻璃、陶瓷或半導體之類的合適的襯底41，在襯底41上淀積一層軟鐵磁材料的第一薄膜層43、一層非磁性金屬材料的薄膜層45及一層鐵磁材料的第二薄膜層47。兩個鐵磁材料層43和47的磁化方向在無外加磁場下相互間約有90度的取向夾角，如圖中箭頭42和48所示。此外，第二鐵磁材料層47的磁化方向是固定(或定準)的在一個優(yōu)選的取向方向上，如圖中箭頭48所示。雖然，在第二鐵磁材料層47的磁化方向是固定的，但第一鐵磁材料層43中的磁化方向可在外加磁場(例如圖4上示出的磁場h)的作用下自由地轉(zhuǎn)動，如圖4中薄膜層43上虛線箭頭所示。
由具有相當高電阻率的反鐵磁材料制作的一個薄膜層51被淀積得與第二鐵磁材料薄膜層47相鄰，以便在第二鐵磁層47中提供出一個交互偏置磁場。一個軟磁性材料層49淀積在第二鐵磁層47與交互偏磁層51之間并將交互偏磁層51與第二鐵磁層47分隔開。在該優(yōu)選實施例中，薄膜層51包含一種合適的反鐵磁材料，例如最好是FeMn或NiMn。另一個方案是，圖4所示的結(jié)構(gòu)可按相反的次序來淀積，即先淀積反鐵磁層51，隨后的次序是層49、47、45和43。在這種淀積次序逆反的結(jié)構(gòu)中，在淀積反鐵磁層51之前可先淀積上一層轉(zhuǎn)晶層，以保證反鐵磁層具有所希望得到的結(jié)構(gòu)。
按照圖4中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例，鐵磁層43、47之中的一層或兩層包含鐵(Fe)或者一種鐵合金。與交互偏置層51相鄰的蒸發(fā)器連接散熱器。散熱器為管筒形、內(nèi)有大小螺形管。
鼓風泵連接鼓風管，鼓風管連接散熱器的進風端管。
水泵和鼓風泵的活塞桿中部垂直連接傳動臂的一端，傳動臂由導軌孔穿出并垂直固定于驅(qū)動臂上。
工作時，驅(qū)動臂推動傳動臂使水泵和鼓風泵的活塞桿、活塞作往復運動，水便由散熱器經(jīng)吸水管進入水泵活塞缸內(nèi)再從噴水管噴入氣缸蓋的水套內(nèi)，再經(jīng)氣缸上水套中的出水管流入蒸發(fā)器，散熱器，不斷進行水循環(huán)。
鼓風泵使風由吸風管吸入其活塞缸內(nèi)，再從鼓風管噴入散熱器，把散熱器內(nèi)的熱量帶走。
Ⅵ、機座位于水套無導軌孔的兩側(cè)，呈“
”字形并互相對稱平衡。
Ⅶ、起動機構(gòu)由一個拉力彈簧、兩根拉繩、滑繩環(huán)組成。拉力彈簧一端固定在驅(qū)動臂上，另一端連接拉繩。其作用是使拉力彈簧推動氣缸內(nèi)的活塞沖壓汽油或柴油而起起動作用。
Ⅷ、點火系統(tǒng)有火花塞和電線、電池等，與現(xiàn)有內(nèi)燃機和發(fā)動機上的點火系統(tǒng)，如8V100型發(fā)動機的點火系統(tǒng)相同。(見吉林工業(yè)大學汽車教研室編《汽車構(gòu)造》人民交通出版社出版197 年1版)。
在供油和供氣系統(tǒng)的實例方案中，噴油器可以與氣門合為一體，組成復合式油氣門。
軟鐵磁材料的第一薄膜層43、非磁性金屬材料的薄膜層45和鐵磁性材料的第二薄膜層47先后淀積在底層53上。在無外加磁場的情況下，兩個鐵磁層43和47的磁化方向相互間約有90度的夾角取向。如上所述，第二鐵磁材料層47的磁化方向由一個交互耦合所產(chǎn)生的偏置磁場定準好就位。例如將諸如NiFe之類的軟磁性材料的薄膜層49直接淀積在第二鐵磁層47之上;然后在該軟磁性層49的上面直接淀積一層反鐵磁層51。第二鐵磁層47與軟磁性夾層49形成一個雙層，該雙層與反鐵磁層51的交互耦合，雙層中的磁化方向是固定的。
鐵原層43和47可以用諸如鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及其各自的合金，例如合金NiFe、NiCo和FeCo之類任一種合適的磁性材料制成。最好，與軟磁性層49接觸的第二的磁層47由鐵或一種鐵合金制成。鐵磁層43和47的厚度可以在大約10
至大約150
的范圍內(nèi)選定。
如上討論的，交互的雙層49、51最好是反鐵磁FeMn層51的厚度在大約50
至大約150
的范圍內(nèi)，與之接觸的軟鐵磁層NiFe49的厚度范圍為大約10
至大約40
。
非磁性隔墊層45最好是具有高電導率的金屬。例如銅和貴金屬金與能給出大的MR效應(yīng)，鉑(Pt)和鈀(Pd)給出小的MR效應(yīng)，而鉻(Cr)和鉭(Ta)顯現(xiàn)很小的MR效應(yīng)。鑒于上述的理由，隔墊層45的厚度最好在大約10
至大約40
的范圍內(nèi)。
然后，在該MR傳感器上淀積一層諸如鉭(Ta)或鋯(Zr)之類高電阻率材料的頂層55。在MR傳感器與電流源59和感測裝置61之間設(shè)置導電引線57來形成導電通路。
雖然參照本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例已經(jīng)具體地描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解在不偏離本發(fā)明的精神、范疇和講述的內(nèi)容的情況下，可以做出各種形式上的細節(jié)上的變化。據(jù)此，這里所揭示的本發(fā)明應(yīng)當僅僅認為是示例性的，其范疇的界限由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種磁阻傳感器，其特征在于第一和第二鐵磁材料層，由一層非磁性金屬材料層分隔開，在無外加磁場時，所述的第一鐵磁材料層的磁化方向基本上垂直于所述的第二鐵磁材料層的磁化方向；一層軟磁性材料層，與上述的第二鐵磁材料層相鄰并相接觸；一層反鐵磁材料層，與上述的軟磁性材料層相鄰并相接觸，所述的反鐵磁材料層與上述的第二鐵磁材料層間被上述的軟磁性材料層分隔開，上述的軟磁性材料層與所述的第二鐵磁材料層形成一個與所述的反鐵磁材料層直接接觸的雙層，所述的反鐵磁層用于在所述的雙層中提供出一個偏置磁場，因而使所述的第二鐵磁材料層中的磁化方向固定住。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的第一和第二鐵磁材料層中的至少一個含有鐵或一種鐵合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的第二鐵磁材料層含有鐵或一種鐵合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的軟磁性材料層含有一種鎳-鐵(NiFe)合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的反鐵磁材料層含有一種鐵-錳(FeMn)合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的反鐵磁材料層含有一種從鐵-錳和鎳-錳的構(gòu)成組群構(gòu)成中選擇的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的軟磁性材料層的厚度至少為10
。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的軟磁性材料層的厚度是在大約10
至大約40
的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的反鐵磁材料層的厚度是在大約50
至大約150
的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的第一和第二鐵磁材料層的厚度是大約10
至150
的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的非磁性金屬隔墊層的厚度小于所述的非磁性金屬隔墊層內(nèi)傳導電子的平均自由路徑長度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的非磁性金屬隔墊層的厚度是在大約10
至大約40
的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致電阻傳感器，其特征在于，所述的非磁性金屬隔墊層含有從銀、金、銅及其各自的合金構(gòu)成的組群選擇的一種材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的磁臻電阻傳感器，其特征在于，所述的非磁性金屬隔墊層包括一個銅薄膜層。
15.一種制造磁致電阻傳感器的方法，其特征在于有以下步驟在一個襯底上形成一個分層的磁性結(jié)構(gòu)物，該結(jié)構(gòu)物含有第一和第二鐵磁材料層，并由一個非磁性金屬材料層分隔開;在所述的第二鐵磁材料層上直接接觸地淀積一層反鐵磁材料層;所述的分層磁性結(jié)構(gòu)物在溫度大約180℃空氣中低溫退火一段預定長度的時間;使所述的分層磁性結(jié)構(gòu)物在一個外加磁場中冷卻。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于，淀積一個反鐵磁材料層的步驟中包括以下步驟，先在上述的第二鐵磁材料層上直接淀積一層軟磁性材料層，上述的軟磁性材料層將上述的反鐵磁材料層與上述的第二鐵磁材料層分隔開。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述的軟磁化材料層含有鎳-鐵(NiFe)材料。
全文摘要
基于自旋閥效應(yīng)的MR讀出傳感器內(nèi)的讀出元件電阻的一個分量隨兩個相鄰磁性層的磁化方向夾角的余弦值變化而變化.該讀出元件含有由一非磁性金屬層隔開的兩個鐵磁層。在兩鐵磁層之一上形成一個反鐵磁材料層以對該鐵磁層提供一個交互偏置磁場，使其磁化方向固定。在該鐵磁層與該反鐵磁層之間淀積一個軟磁性夾層，將鐵磁層與反鐵磁層隔開，以增強交互耦合。鐵磁材料是鐵或鐵合金。
文檔編號G11B5/39GK1083250SQ9310849
公開日1994年3月2日 申請日期1993年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月28日
發(fā)明者佩特·M·鮑姆加特, 伯納德·迪恩, 布魯斯·A·格尼, 弗吉爾·S·斯珀尤薩, 丹尼斯·R·威爾霍伊特 申請人:國際商業(yè)機器公司