專利名稱：具有鎖定層逆平行磁化的旋轉閥傳感器的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及用于讀出存儲在磁介質上的信息信號的磁傳感器，尤其涉及一種采用雙旋轉閥(spin valve)結構的改進型磁阻讀傳感器。
現有技術公開稱為磁阻(MR)傳感器或磁頭的磁讀出傳感器表現出從磁表面上以大線密度讀出數據的能力。通過磁性材料制成的讀出元件的磁阻變化MR傳感器檢測磁場信號，該磁阻變化是讀出元件感測的磁通強度和方向的函數。新近，一種不同的、更顯著的磁阻效應已見諸描述，在這種效應中層狀磁傳感器的磁阻變化歸因于磁性層之間經過非磁性層的與旋轉有關的傳導電子的發射以及伴隨的與旋轉有關的散射。這種磁阻效應有時稱為“巨磁阻”效應，或者簡稱為“巨磁阻”。
共同轉讓的美國專利5,206,590號公開一種MR傳感器，其中由一層非磁性層隔開的二層不耦合鐵磁體層之間的磁阻觀察為按這兩層磁化的夾角的余弦變化并且在其中一層鐵磁體層的磁化方向是固定的。這種MR傳感器稱為“旋轉閥”并且基于巨磁阻效應。
共同轉讓的美國專利5,287,238號說明一種具有多層雙旋轉閥結構的MR傳感器。這種結構包括兩層其磁性具有固定方向的外鐵磁體材料層和一層其磁性響應外部施加的磁場自由轉動的中間鐵磁體材料層。
本發明的主要目的是提供一種雙元件磁阻(MR)傳感器，它在共模激勵下產生相反極性的信號，從而排除共模噪音。
按照本發明，一種雙MR傳感器包括第一和第二分層結構。每個分層結構由被一層非磁性材料薄膜層隔開的第一和第二鐵磁體材料薄膜層構成。第一層中的磁化方向響應外加磁場自由轉動。第二層中的磁化方向保持固定的位置并且在向該MR傳感器施加外磁場時其方向不轉動。各個分層結構進而包括在各分層結構中固定第二鐵磁體材料層(“鎖定層”)的磁化方向的裝置。第一分層結構中鐵磁體材料鎖定層的磁化方向固定為在方向上和第二分層結構中鐵磁體材料鎖定層的磁化方向逆平行。通過提供通過MR傳感器的感測電流，由于各分層結構中第一鐵磁體材料層(“自由層”)磁化的轉動可以感測出MR傳感器響應外磁場時阻率的變化。
第一和第二分層結構各包括旋轉閥結構，并且，在第一實施方式中，各旋轉閥中的鐵磁體材料的自由層是MR結構的外層。在備擇的實施方式中，鐵磁體材料的自由層是MR傳感器的中央部分。兩個旋轉閥結構由一層相對厚的非磁性隔離層隔開，該隔離層還用作為雙MR傳感器的讀出間隙。
圖1是包含本發明的磁盤存儲系統的簡化方塊圖；圖2是按照本發明的原理的雙磁阻傳感器的透視分解圖；圖3a、3b和3c是從圖2中所示的雙磁阻傳感器的最佳實施方式的傳感器空氣軸承表面看過去的端面圖；圖4是一個方塊圖，表示采用圖3a、3b和3c中所示的雙磁阻傳感器的差分檢測電路；圖5是按照本發明的原理的另一種雙磁阻傳感器的實施方式的透視分解圖；圖6是從圖5中所示的雙磁阻傳感器的實施方式的傳感器空氣軸承表面看過去的端面圖；圖7是一組三個相關的曲線圖，表示圖5和圖6中所示的雙磁阻傳感器中的計算出的傳感器電流密度與傳感器上位置之間的函數關系；圖8是圖7中所示的曲線圖的一部分的放大圖；圖9是按照本發明的原理的雙磁阻傳感器的另一種實施方式的透視分解圖；圖10是從圖9中所示的雙磁阻傳感器的實施方式的傳感器空氣軸承看過去的端面圖；以及圖11是一組三條相關的曲線圖，表示圖9和圖10所示的雙磁阻傳感器中計算出的傳感器電流密度和傳感器的位置之間的函數關系。
現參見圖1，盡管本發明被描述成實施于如圖1所示的磁盤存儲系統中，很清楚本發明還可應用于其它的例如象磁帶記錄系統的磁記錄系統，或者可用于其它采用傳感器檢測磁場的應用中。一個磁盤存儲系統包括至少一個可旋轉的磁盤12，磁盤12由主軸14支承并由盤驅動馬達18旋轉。各盤上磁記錄介質的形式為盤12上同心數據磁道(未示出)構成的環狀模式。
在盤12上至少設置一個浮動塊13，每個浮動塊13支持一個或多個通常稱為讀/寫磁頭的磁讀/寫傳感器21。當磁盤12旋轉時，浮動塊13徑向地沿磁表面22往返移動，從而磁頭21可以訪問盤上記錄著所需數據的不同部位。各個浮動塊13借助懸架15和致動器臂19連接。懸架15具有細微的彈簧力，該力使浮動塊13偏向盤面22。每個致動器臂19和一個致動器裝置27連接。圖1中所示的致動器裝置例如可以是一個音圈馬達(VCM)。該音圈馬達包括一個可在固定磁場中移動的線圈，線圈移動的方向和速度由控制器提供的馬達電流信號控制。
在磁盤存儲系統的運行期間，盤12的旋轉在浮動塊13和盤表面22之間產生在浮動塊上施加向上力或升力的空氣軸承。這樣該空氣軸承抵消懸架15的輕微彈簧力并且在運行期間支承浮動塊13離開盤表面并以一個小的基本恒定的間隔略處于盤表面的上方。
在運行中磁盤存儲系統的各部件由控制單元29產生的控制信號(例如存取控制信號和內部時鐘信號)控制。典型地，控制單元29包括，例如，邏輯控制電路、存儲裝置和一個微處理器。控制單元29產生控制信號，以便控制各種系統操作，諸如線23上的驅動馬達控制信號和線28上的磁頭定位及查找控制信號。線28上的控制信號提供所需的電流曲線，以便最佳地把選定的浮動塊13移動及定位到相關磁盤12上的所需數據磁道上。通過記錄通道25向和從讀/寫磁頭21通信讀和寫信號。
上述對典型磁盤存儲系統的描述以及圖1的相應圖示僅用于說明目的。應該清楚磁盤存儲系統可以包括大I的浮動塊。
現參見圖2，按照本發明的雙磁阻(MR)讀傳感器30包括第一和第二分層結構，每個分層結構包含一個旋轉閥結構32、34，在旋轉閥結構中第一或“自由的”鐵磁體層31、39通過一個薄的非磁性間隔層33、41和磁化方向固定的第二或“鎖定的”鐵磁體層35、43隔開。相鄰于鎖定鐵磁體層35、43淀積一層反鐵磁材料層37、45，并且該反鐵磁層和鎖定鐵磁體層接觸，從而通過交換耦合來固定(即鎖定)鎖定層中的磁化方向。這兩個旋轉閥結構是構造在一個基片上的并且通過薄絕緣材料層47相互分開。兩個鎖定層35、43中的磁化方向(如箭頭38、44所示)置成逆平行，從而磁阻傳感器30響應外磁場的阻率變化可以因各分層結構的自由層31、39中的磁化的轉動而不同地感測。基于旋轉閥效應的其中傳感器讀元件包括鐵磁體/非磁性/鐵磁體分層結構的MR傳感器在上面提及的專利5,206,590中得到詳細說明，該專利這里作為參考文獻。
鐵磁體材料自由層31、39的磁化方向相互平行，即在同一方向上，并且在不存在外加磁場的情況下相對于鐵磁體鎖定層35、43的磁化方向大約成90°夾角，如箭頭36和42所示。鐵磁體材料鎖定層35、43的磁化方向固定為逆平行，如箭頭38和44所示。這樣，在鐵磁材料鎖定層35、43的磁化方向保持固定的同時，鐵磁材料自由層31、39的磁化響應外加磁場(例如圖2中所示的磁場h)自由轉動它們的方向，如圖2中自由層31和39上的虛箭頭所示。
在不存在外加磁場的情況下，最好使鐵磁材料自由層31和39的磁化如圖2中所示在方向上和鐵磁材料鎖定層35和43的磁化基本上成90°。鑒于圖2中虛箭頭所示的兩個磁化轉動方向的偏移相同，這種定向使MR傳感器產生最大的靈敏度。為了產生這種定向就必須平衡影響自由層31和39中磁化方向的三個對抗磁場。這三個磁場中的一個是從鎖定層到達自由層的磁場，另一個是鎖定層和自由層之間的層間耦合磁場，而第三個磁場是因感測電流量Is流經傳感器(如圖4中所示)而造成的磁場。需要以這樣的方式選擇各層的材料和厚度即為達到自由層和鎖定層之間基本上90°取向的所需感測電流的值另一方面也適應傳感器的應用環境。
現參照圖3a、3b和3c，圖中表示圖2的 MR傳感器的一種最佳實施方式。雙MR傳感器30包括構造在適當基片50上的第一分層結構32和第二分層結構34，每個分層結構32、34包括一個旋轉閥結構。旋轉閥結構32、34由電氣上隔離兩個旋轉閥結構的一層相對厚的絕緣材料隔離層47離開。兩個旋轉閥結構32、34構造在兩個絕緣材料間隙層G1、G2之間，反過來，兩個間隙層又構造在兩個磁材料的磁屏蔽層S1、S2之間。雙MR傳感器30利用眾所周知的真空淀積和電鍍方法制成例如，第一屏蔽層49可能鍍在基片50的表面上。然后，例如通過濺鍍淀積第一間隙層51、包括第一旋轉閥32的各層、絕緣層47、包括第二旋轉閥34的各層以及第二間隙層53。最后，在第二間隙層53上鍍上第二磁屏蔽層55。
第一旋轉閥結構32包括第一鐵磁材料薄膜層(自由層)31、第一非導磁材料薄膜層33和第二鐵磁材料薄膜層35。在圖3a中所示的特定實施方式中，固定第二鐵磁材料薄膜層(鎖定層)35的磁化方向的裝置包括第一反鐵磁材料薄膜層37。第二鐵磁層35中磁化通過反鐵磁/鐵磁交換耦合得到固定。在淀積第一鐵磁層31之前淀積種層61以促進旋轉閥32的隨后各層的適當生長。在旋轉閥結構的相對兩端處構造的電引線導體57提供與外部電路的連接并且定義旋轉閥32的中央激活區。
第二旋轉閥結構34包括第三鐵磁材料薄膜層(自由層)39、第二非導磁材料薄膜層41和第四鐵磁材料薄膜層(鎖定層)43。在圖3a、3b和3c所示的特定實施方式中，固定第四鐵磁材料薄膜層43的磁化方向的裝置包括第二反鐵磁材料薄膜層45。通過反鐵磁/鐵磁交換耦合固定第四鐵磁層中的磁化。如上面對第一旋轉閥結構32所作出的說明一樣，在淀積第三鐵磁層39之前淀積第二種層63。相類似，在旋轉閥34的相對兩端上構造電引線導體59。
為提供一個旋轉閥對另一個旋轉閥的電絕緣，兩個旋轉閥結構32、34被一個非磁絕緣材料隔離層47所隔開。如氧化鋁(Al2O3)或氧化硅(SiO2)的材料適用于該用途。非磁隔離層43還用于對兩個旋轉閥結構32、34的自由層31、39磁去耦。
如上面參照圖2所討論的那樣，自由層31、39的磁化垂直于鎖定層35、43的磁化，而且，鎖定層35、43的磁化必須是互相逆平行的。因為鎖定層35、43中的交換耦合場的方向或定向是通過把該結構加熱到超過反鐵磁材料的奈耳溫度然后在具有所需方向的磁場下冷卻該結構來設定的，從而必須使兩個反鐵磁層37、45的不同反鐵磁材料分別具有明顯不同的奈耳溫度。對于圖3a中所示的最佳實施方式，第一反鐵磁層37的材料可以是例如具有相對低的奈耳溫度的鐵錳(FeMn)或氧化鎳(NiO)而第二反鐵磁層45的材料可以是例如具有相對高的奈耳溫度的鎳錳(NiMn)。
第二旋轉閥34的鎖定層43里的交換耦合磁場的定向是通過在施加具有所需方向的磁場下從高于第二反鐵磁層45的材料如NiMn的奈耳溫度上冷卻傳感器30設定的。接著在高于第一反鐵磁層37的材料的奈耳溫度但又低于第二反鐵磁層45的奈耳溫度的溫度上，同時施加與第一次退火過程所施加的磁場逆平行(180°)的磁場，對傳感器30進行第二次退火。最好使鎖定層35、43的磁化垂直于傳感器的空氣軸承平面以及介質表面，并且在靜狀態(即不施加外磁場)下使自由層31、39的磁化平行于傳感器的空氣軸承表面和介質表面。
在最佳實施方式中，鐵磁層32、35、39和43可以用任何適當的磁性材料制造，例如如鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)以及它們的合金如鎳鐵(NiFe，通常稱為玻莫合金)、鎳鈷(NiCo)和鐵鈷(FeCo)。傳導隔離層33和41可以是任何適當的非磁性導電材料，例如如銅(Cu)、金(Au)和銀(Ag)。傳導引線57和59應該是低電阻率材料(即良導體)，并且具有硬度和好的抗蝕性，因為引線材料會暴露在傳感器空氣軸承表面上。例如，鉭(Ta)是一種適用于引線導體57、59的材料。第一和第二間隙層51、53是非磁性絕緣材料，例如Al2O3或SiO2。磁屏蔽層49、55是高永磁性材料如NiFe或鐵硅鋁磁合金(AlSiFe)。在最佳實施方式中，第一屏蔽G1是NiFe或AlSiFe中的一種，而第二屏蔽G2是NiFe。圖3a中所示雙MR傳感器30的特定實施例具有以下結構Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)/Al2O3(500埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/NiMn(300埃)。
繼續參見圖3b，其中表示了雙MR傳感器30的另一種實施方式。該實施方式和上面參照圖3a說明的實施方式類似。圖3b中所示的傳感器30包括用非磁性絕緣隔離層47與第二旋轉閥結構電隔離的第一旋轉閥結構36。雖然第二旋轉閥結構38和圖3a中所示的第二旋轉閥結構34相同，第一旋轉閥結構3b和圖3a中所示的第一旋轉閥結構32的不同之處在于所采用的實現鎖定層65中磁化的裝置。
第一旋轉閥36包括種層61、第一鐵磁層(自由層)31、第一導電隔離層33和第二鐵磁層(鎖定層)65。鎖定層65是一個分層結構，它具有第一鐵磁材料層67、非磁性材料的反鐵磁耦合層69和第二鐵磁材料層71。隔離層47直接淀積在第二鐵磁體層71上并和第二鐵磁體層71接觸，隔離層47是一層反鐵磁材料。通過層71的鐵磁材料和隔離層47的反鐵磁材料之間的交換耦合，在鎖定層即第二鐵磁體層71中感應一個有效磁場。因為第一鐵磁鎖定層67是和第二鐵磁鎖定層71是反鐵磁地耦合的，這兩層都和反鐵磁間隙層47交換耦合，從而在鐵磁層67中產生一個在中小外加磁場下固定的有效磁場。
在該最佳實施方式中，如所述，鐵磁體層可以是任何適當的磁性材料而導電間隙層33及41可以是任何適當的非磁性導電材料。在第一旋轉閥鎖定層65中，反鐵磁耦合層69可以是任何適當的非磁性材料，如釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)或其它材料或者周知的可促進鐵磁體層之間逆平行耦合的它們的合金。因為隔離層47還用于在電氣上把第一旋轉閥36和第二旋轉閥38絕緣開，它除了是反鐵磁材料外還必須是電絕緣材料，諸如NiO。
將分層的鎖定層65與反鐵磁隔離層47一起使用。允許在比傳感器中所使用的兩個反鐵磁材料的較高奈耳溫度更高的溫度下只用單個加熱/冷卻過程在第一和第二旋轉閥36和38的鎖定層65及43中分別感應逆平行磁場。這樣，當經交換耦合在第二鐵磁鎖定層71中感應的磁場平行于鎖定層43中感應的磁場的同時，經靜磁耦合在相鄰導電隔離層33的第一鐵磁鎖定層67中感應的磁場將相對于鎖定層43中的磁場是逆平行的。
圖3b中所示的 MR傳感器30的特定實施例具有如下結構Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/Ru(4埃)/Co(40埃)/NiO(400埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)。為了獲得鎖定層65和43的磁化的所需逆平行定向，Ru反鐵磁耦合層69的厚度應該在4-6埃的范圍之內，而第一和第二Co層67和71在厚度上應該相差約10埃。在該最佳實施方式中，選擇Ru耦合層69的4-6埃的厚度以提供Co層67和71之間的大反鐵磁交換耦合。關于該過程的更詳細說明，請參見作為本文參考文獻的Parkin等的Phys.Rev.Lett，Vol.64，P.2034(1990)。兩個Co層67和71之間的厚度差異決定鎖定層65的磁化和磁性異向，關于這一方面在本文的另一參考文獻即共同轉讓的美國專利5,408,377中有更詳細的說明。鎖定層65和43的凈磁化量決定作用在傳感器自由層31、39上的去磁場量。該去磁場與自由層和鎖定層31及35、39及43之間的鐵磁耦合分別穿過非磁性隔離層33、41，并且由傳感器偏置電流(感測電流)所產生的磁場決定靜態偏置點(即，不存在外部磁場下的自由層磁化定向)。所以選擇兩個Co層的厚度差異以獲得最佳偏置點。
繼續參見圖3c，它表示雙MR傳感器30的另一種最佳實施方式。該實施方式類似于上面參照圖3b描述的實施方式，圖3c中所示的傳感器30包括借助非磁性絕緣隔離層47和第二旋轉閥44在電氣上隔離的第一旋轉閥結構42，其中第一旋轉閥42和圖3b中的第一旋轉閥結構36的不同之處在于所采用的在鎖定層73中提供交換耦合磁場的材料。
第一旋轉閥42包括種層61、第一鐵磁體層(自由層)31、第一導電隔離層33、第二分層鐵磁體層(鎖定層)73和第一反鐵磁體層37。鎖定層73包括第一鐵磁體層75、第二鐵磁體層79和把第一及第二鐵磁體層75、79隔開的去耦合層77。反鐵磁體層37淀積在第二鐵磁鎖定層79上并與其直接接觸。通過和反鐵磁體層37的交換耦合在第二鐵磁體層79中感應有效的磁場。接著經過和第二鐵磁鎖定層79的反鐵磁耦合在第一鐵磁鎖定層75感應有效的磁場，從而在中小外加磁場下固定鐵磁體層75的磁化。
如參照圖3b所描述的那樣，分層的鎖定層73與第一反鐵磁體材料37一起使用允許只用一個加熱/冷卻處理過程而在第一鐵磁鎖定層75中和第二旋轉閥44的鎖定層43中感應固定的逆平行磁場。
圖3c中所示的雙MR傳感器30的一個特定的實施方式具有如下結構Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/Ru(4埃)/Co(40埃)/FeMn(150埃)/Al2O3(500埃)/Ta(50埃)/NiFe(90埃)/Cu(25埃)/Co(30埃)/FeMn(150埃)。采用單個退火處理設定鎖定層73、43中的磁化可消除對第一和第二反鐵磁體層37、45采用具有不同的奈耳溫度的不同材料的要求。因為在本實施方式中隔離層47只用來在電氣上隔離二個旋轉閥結構42、44，該隔離層可以是任何適當的絕緣材料，例如Al2O3或SiO2。
現在再參照圖4，圖4是一個方塊圖，它表示一個采用參照圖3a、3b和3c所說明的雙MR傳感30的差分檢測電路。電源81向1號旋轉閥提供恒定偏置或感測電流Is。類似地，電源83向2號旋轉閥提供恒定感測電流Is。電流以相同方向通過兩個旋轉閥。各個旋轉閥的輸出信號分別施加到差分放大器85的相反極性輸入上。兩個旋轉閥中的鎖定層的逆平行磁化響應外加磁場(比如記錄在磁盤上的磁數據信號)在兩個旋轉閥中提供相反的磁阻變化。磁阻變化及輸出信號在差分檢測器85上是增加，從而提供更大的靈敏度。采用差分檢測還提供對諸如來自熱不均的共模噪聲的抑制。
現再參看圖5，圖中表示按照本發明的雙MR傳感器的另一種實施方式。該雙MR傳感器90包括被一個可以是電傳導或電絕緣材料構成的非磁性間隔層99分隔的第一旋轉閥結構92、第二旋轉閥結構94。每個旋轉閥92、94包括第一(自由)鐵磁體層97、101，并通過非磁性電傳導薄層95、103與第二(鎖定)鐵磁體層93、105隔開。相鄰鎖定鐵磁體層93、105分別構造加鎖層91、107，以便提供固定各鎖定層93、105中磁化方向的裝置。如上面參照圖2中所說明的那樣，每個鎖定層93、105中的磁化方向是固定地彼此逆平行(分別地，箭頭109、117)。每個自由鐵磁體層97、101中的磁化方向置為和鎖定層93、105中的磁化方向相垂直，并且響應外部施加的磁場自由轉動(分別地，箭頭111、113)。
現再參照圖6，圖中表示圖5的雙MR傳感器90的一個特定實施方式。第一和第二旋轉閥結構92和94通過絕緣隔離層99被隔開并且用真空淀積技術構造絕緣層89上，而絕緣層89又構造在適當的基片87上。絕緣層89與圖3a中所示的第一間隙層G1類似。
出于說明的目的，基片87包括技術上已知的任何附加層，例如圖3a中所示的第一磁屏蔽層S1。第一旋轉閥結構92包括由非磁性導電隔離層95分開的第一鐵磁體恩自由層)97和第二鐵磁體層93(鎖定層)。如上面參照圖3b和3c所說明的那樣，鎖定層93包括由薄非磁性去耦合層123隔開的第一和第二鐵磁體層121和125。
絕緣層89是例如NiO的反鐵磁體材料。第一鐵磁體鎖定層121淀積在反鐵磁絕緣層89的表面上并與其直接接觸。通過和反鐵磁絕緣層89的交換耦合在鐵磁體層121中感應一個磁場，從而通過靜磁耦合在第二鐵磁體層125中提供一個磁場。第二旋轉閥結構包括由非磁性導電隔離層103隔開的第一鐵磁體層(自由層)101和第二鐵磁體層(鎖定層)105。反鐵磁體層107構造在第二鐵磁體層105上并且與其接觸以通過交換耦合在鎖定層105中提供一個磁場。本實施方式的一個特點是各旋轉閥的自由層97、101淀積在和絕緣隔離層99的相對兩個側面相鄰的傳感器結構的中部上。隔離層99是一層非磁性(而且電絕緣)材料以分別在兩個旋轉閥92、94的自由層97、101之間提供磁去耦。
導電引線119構造在旋轉閥92、94的相對兩端上，在各端上把旋轉閥92、94短路在一起并定義傳感器90的中央激活區(即，傳感器90響應所施加磁信號的部分)。傳感器激活區還定義傳感器的道寬。導電引線119把傳感器90和外部電路如電流裝置129和感測裝置127連接起來。電流裝置129向傳感器90提供感測電流Is。感測裝置127檢測傳感器響應外加磁場的輸出信號。
按照本發明的該實施方式，鐵磁體層93、97和101和105可以用任何適當的磁性材料例如如Co、Fe、Ni和它們的合金NiFe、NiCo及FeCo制造，并且分層鐵磁體層93的結構如上所述。在圖6中的特定實施方式中，鐵磁體層93、97、101和105可以可選地包括一層例如NiFe的第一鐵磁材料層和一層例如Co的稱為“毫微層”的第二鐵磁材料薄層。毫微層結構在作為本文的參考文獻的共同轉讓的美國專利5,341,261中有說明。第二鐵磁材料的毫微層淀積在第一鐵磁材料層和非磁性間隔層之間的界面上。最佳鐵磁體層是NiFe薄膜層93和厚約為7-20埃的Co毫微層93a。鐵磁材料層97、97a、101、101a、105和105a也具有這種雙層結構。這種雙層結構在磁阻上提供更大的變化并且提供低的矯頑磁性和低的磁性異向。此外，這種磁參數的結合是不能由兩個鐵磁材料層中的單層單獨提供的。
非磁性間隔層33、38包括例如Cu，或者其它適當的導電金屬如Ag、Au或它們的合金。導電引線119可以是任何適當的導電材料，如Ta。反鐵磁材料層107例如可以是FeMn或MiMn。絕緣層89可以是任何反鐵磁體并且電絕緣的材料，如NiO。在第一旋轉閥92中采用分層的鎖定層93允許只利用單個加熱/冷卻過程沒定層93和105里的磁方向置成彼此逆平行。備選地，可以通過采用鄰接的硬磁層或者通過對鎖定層93、105使用具有足夠高矯頑磁性的材料固定鎖定鐵磁體層93、105的磁化方向。
圖7中表示一組三個有關的曲線，這些曲線表示圖5和6中所示的雙MR傳感器的計算出的傳感器電流密度和經過傳感器的各個位置之間的函數關系。雙MR傳感器90的該特定實施方式具有如下的結構NiO(400埃)/Co(30埃)/Ru(6埃)/Co(40埃)/Cu(25埃)/Co(20埃)/NiFe(70埃)/Ta(500埃)/NiFe(70埃)/Co(20埃)/Cu(25埃)/Co(20埃)/NiFe(30埃)/FeMn(200埃)。在最上面的曲線圖中，假定自由層和鎖定層之間是逆平行校準的。上旋曲線用虛線表示，下旋曲線用實線表示而總電流密度用點劃線表示。中間的曲線圖表示逆平行校準和平行校準二者的總電流密度，而最下面的曲線圖表示中間曲線圖所示的兩條曲線之間的差。
圖8是一個放大的曲線圖，它表示圖7實施方式的一個旋轉閥結構的電流密度。該圖從NiO層之后開始并且表示各層對旋轉閥結構的總電流密度的貢獻。圖7和圖8中所示的曲線是代表性的旋轉閥，用于說明旋轉閥傳感器的運行。各特定實施方式的閥將作為旋轉閥結構中不同層的厚度和材料的函數變化。
現參照圖9和圖10，其中表示了按照本發明的MR傳感器的另一種最佳實施方式。雙MR傳感器130包括被絕緣隔離層137隔開的第一旋轉閥結構142和第二旋轉閥結構144。
在該雙傳感器實施方式中，旋轉閥142、144的第一或自由鐵磁材料層131、143淀積在該結構的端部(或頂端和底端)上，而第二或鎖定鐵磁材料層135、139淀積在該分層結構的中央附近并和絕緣間隔層137的相對的兩側面相鄰。絕緣間隔層135是反鐵磁材料的，用于通過交換耦合固定鎖定層135、139中的磁化。如將在下面所討論的那樣，這種構局在傳感器內造成更有效的電流分布。
旋轉閥結構142和144淀積在適當的基片129和隔離層128上。在淀積第一鐵磁體層131之前可以在隔離層128上淀積諸如Ta、Ru或CrV的適當的底基層。底基層145的用途是優化相繼各層的結構、顆粒尺寸和形態。如果隔離層是由具有適當特性的材料構成的，可以省掉底基層145。第一非磁性導電間隔層133和第二鐵磁體層135的淀積完成了第一旋轉閥結構142。然后在第二鐵磁體層135上淀積反鐵磁體隔離層137，并且這兩層相接觸。在該實施方式中，借助交換耦合第二鐵磁材料層135的磁化方向由反鐵磁材料的隔離膜層137固定在適當位置上，如圖9中的箭頭134所示。
第二旋轉結構144包括構造在反鐵磁體隔離層137上并和該層137接觸的第三鐵磁材料層(鎖定層)139、第二非磁性導電材料薄膜間隔層141和第四鐵磁材料層(自由層)143。在該實施方式中，通過借助和反鐵磁體間隔層137的交換耦合將第三鐵磁體材料層139的磁化方向固定，如圖9中的箭頭136所示。
如上面參照圖6所說明的那樣，第一旋轉閥142的鎖定層135包括由薄非磁性去耦合層157隔開的第一和第二鐵磁體層155、159。鎖定層135的這種結構允許利用單個反鐵磁體層137以及利用單個加熱/冷卻過程在鎖定層135、139中獲得所需的逆平行磁化方向。
鐵磁體層131、135、139、143可以是任何適當的磁性材料，諸Co、Fe、Ni以及它們的合金NiFe、NiCo和FeCo，其中分層鎖定層135的結構如上面所述。備選地，鐵磁體層131、135、139、143可以包括一層上面參照圖6說明的由不同的鐵磁材料構成的毫微層。非磁性導電層133、141例如由Cu或者其它合適的導電金屬比如Ag、Au或它們的合金構成。絕緣隔離層137由任何具有高電阻的適當反鐵磁材料構成。
電導體引線149在雙MR傳感器130、電源153和感測裝置151之間構成電路通路。如上面參照圖6所說明的那樣，導體引線149在各端上把兩個旋轉閥結構142、144短路起來并且定義傳感器130的中央激活區和道寬。熟練的技術人員可以理解雙MR傳感器130還可以包括別的不同的層，例如如Ta蓋層和如縱向偏置層的各種偏置層(未示出)。
圖9表示鐵磁材料的自由層131、143的磁化在定向時是平行的，即是同一方向的，并且在不存在外加磁場的情況下它們的方向和箭頭134及136所示的鐵磁材料的鎖定層135、139的磁化方向大約成90°的角度。這樣，在鐵磁材料的鎖定層135、139的磁化方向保持固定的同時，響應外加磁場(例如圖9中所示的磁場h)鐵磁材料的自由層131、143的磁化自由地轉動它們的方向，如分別由自由層131和143上的虛箭頭132、138所示那樣。
圖11中表示一組三個有關的曲線圖，它們表示圖9和圖10所示的MR傳感器的計算的傳感器電流密度和經過傳感器的各個位置之間的函數關系。MR傳感器的一個特定實施方式具有如下結構Ta(50埃)/NiFe(50埃)/Cu(25埃)/Co(40埃)/Ru(6埃)/Co(30埃)/NiO(400埃)/Co(50埃)/Cu(25埃)/NiFe(50埃)/Ta(50埃)。在最上面的曲線圖中，假定自由層和鎖定層之間是逆平行校準的。上旋曲線用虛線表示，下旋曲線用實線表示，而總的電流密度在點劃線中表示。中間的曲線圈表示逆平行校準(虛線)和平行校準(實線)兩種情況的總電流密度，而最下面的曲線表示中間的曲線圖中所示的兩條曲線之間的差。
當自由層位于雙MR傳感器的中央附近(如圖5和6所示)時和當自由層位于雙MR傳感器的邊緣附近時(如圖9和圖10所示)傳感器的操作上存在明顯的不同。在這兩種情況中運行期間由流過傳感器的感測電流產生的磁場對自由層的作用是不同的。在確定用來適當地偏置傳感器以獲得最對稱的運行以及最高信號輸出的正確電流時，該磁場是要計算在內的(與鎖定層的靜磁場和層間耦合以及其它任何作用在自由層上的有效的或實際的磁場一起)。
當自由層位于傳感器的中央附近時，較多的感測電流流過各自由層的兩側。因為流經一給定自由層的一側的電流所產生的磁場抵消了流過另一側的電流所產生的磁場，當自由層位于MR結構的中央附近時電流產生較小的凈磁場。當自由層位于傳感器結構的外邊緣附近時，由電流產生的作用在自由層上的磁場較大。這種或另一種實施方式是否為最佳取決于作用在自由層上其他磁場的總和。對于磁矩大于25埃厚的Ni80Fe20層的等效磁矩的鎖定層，或者對于自由層和鎖定層之間的鐵磁耦合大于約10Oe的結構，圖5和圖6中所示的MR結構是最佳的。否則，圖9和圖10中所示的MR結構是最佳的。部分地，所使用的最佳結構是通過感測電流產生的總磁場確定的。傳感器結構中電流密度可以如圖7、8和11所示計算。對自由層右側和左側電流產生的磁場的平衡的一個簡便的量度是“Q”，即如果所有電流在自由層的一側的所出現的小部分磁場。“Q”的值是層厚度、材料選擇和制備條件的函數。例如對于圖9和圖10中所示的典型結構可得到Q＝0.85的值，而對于圖5和圖6中所示的典型結構可得到Q＝0.36的值。如技術上周知那樣，屏蔽對磁場平衡的影響也是重要的，并且必須包括在任何微磁模型中。
盡管本發明是參照它的最佳實施方式具體地表示和說明的，熟練的技術人員可以理解，在不違背本發明的實質、范圍和原理的前提下在形式和細節上可以進行各種改變。從而，這里所公開的本發明被認為僅是示意性的并且在范圍上僅受到附屬權利要求書的規定的限制。
權利要求
1.一種磁盤記錄系統，包括具有多條記錄數據的磁道的磁存儲介質；一個磁傳感器，在所述磁傳感器和所述磁存儲介質之間的相對運動期間，所述磁傳感器相對于所述磁存儲介質保持很小間距位置，所述磁傳感器包含一個磁阻讀傳感器，該磁阻讀傳感器包括第一和第二分層結構，所述第一和第二分層結構由一個隔離層隔開，各個所述分層結構包括由一層非磁性材料隔開的第一和第二鐵磁體材料層，在各個所述分層結構中固定所述第二鐵磁材料層的磁化方向的裝置，所述第一分層結構中的所述第二鐵磁材料層的所述磁化方向固定為和所述第二分層結構中的第二鐵磁材料層的磁化方向逆平行，產生流過所述磁阻傳感器的電流的裝置，由于各所述分層結構中所述第一鐵磁材料層里磁化轉動，所述磁阻傳感器對外部磁場作出響應產生阻率的變化；同所述磁傳感器連接的致動器裝置，用于把所述磁傳感器移動到所述磁存儲介質的選定磁道上；以及同所述磁阻讀傳感器連接的檢測裝置，用于感測所述磁阻材料中對磁場起反應而產生的阻率變化，這些磁場代表著由所述磁阻傳感器偵聽的記錄在所述磁存儲介質中的數據位。
2.權利要求1的磁盤記錄系統，其特征在于，用于固定各所述第一和第二分層結構中所述第二鐵磁材料層的磁化方向的所述裝置包括一層和所述第二鐵磁材料層接觸的反鐵磁材料層。
3.權利要求2的磁盤記錄系統，其特征在于，用于固定所述第一分層結構中所述第二鐵磁材料層的磁化方向的所述裝置包括所述隔離層，所述隔離層為具有高電阻率的反鐵磁材料，所述隔離層和所述第一分層結構的所述第二鐵磁材料層相接觸。
4.權利要求3的磁盤記錄系統，其特征在于，所述隔離層包括氧化鎳。
5.權利要求2的磁盤記錄系統，其特征在于，和所述第一分層結構中的所述第二鐵磁材料層接觸的所述反鐵磁材料層包括第一反鐵磁材料，并且和所述第二分層結構中的所述第二鐵磁材料層接觸的所述反鐵磁材料層包括第二反鐵磁材料，所述第一和第二反鐵磁材料具有不同的奈耳溫度。
6.權利要求5的磁盤記錄系統，其特征在于，所述第一反鐵磁材料層由鐵錳組成，而所述第二反鐵磁材料層由氧化鎳組成。
7.權利要求2的磁盤記錄系統，其特征在于，所述隔離層包括一層電絕緣材料層，各所述第一和第二分層結構進而包括構造在所述分層結構的相對兩端上的用于把各所述第一和第二分層結構和所述產生電流的裝置連接起來的電導體引線。
8.權利要求7的磁盤記錄系統，其特征在于，所述產生電流的裝置包括分別和所述第一和第二分層結構連接的第一和第二恒電流源，各所述第一和第二分層結構和一個差分放大器電路的不同輸入端子連接。
9.權利要求2的磁盤記錄系統，其特征在于，所述第一分層結構的所述第二鐵磁材料層包括一個反鐵磁耦合層隔開的第一和第二鐵磁材料層，所述第一和第二鐵磁材料層中的一層和所述反鐵磁材料層接觸，所述第一和第二鐵磁材料層中的另一層和所述非磁性材料層接觸。
10.權利要示9的磁盤記錄系統，其特征在于，所述第二鐵磁材料層的第一和第二鐵磁材料層由鈷組成并且所述反鐵磁耦合層由釕組成。
11.一種雙磁阻傳感器，包括第一和第二分層結構，所述第一和第二分層結構被一個隔離層隔開；各所述分層結構包括由一個非磁性材料層隔開的第一和第二鐵磁材料層；用于固定各所述分層結構中所述第二鐵磁材料層的磁化方向的裝置；所述第一分層結構中所述第二鐵磁材料層的所述磁化方向在方向上固定為和所述第二分層結構中所述第二鐵磁材料層的所述磁化方向逆平行；用于產生通過所述磁阻傳感器的電流的裝置；以及用于感測該磁阻傳感器的阻率變化的裝置，該阻率變化是由于各所述分層結構中所述第一鐵磁材料層的磁化轉動響應外部磁場而造成的。
12.權利要求11的雙磁阻傳感器，其特征在于，用于固定各所述分層結構中所述第二鐵磁材料層的磁化方向的所述裝置包括一個和所述第二鐵磁材料層接觸的反鐵磁材料層。
13.權利要求12的雙磁阻傳感器，其特征在于，用于固定所述第一分層結構的所述第二鐵磁材料層中的磁化方向的所述裝置包括所述隔離層，所述隔離層為具有高電阻率的反鐵磁材料，所述隔離層為具有高電阻率的反鐵磁材料，所述隔離層和所述第一分層結構的所述第二鐵磁材料層接觸。
14.權利要求13的雙磁阻傳感器，其特征在于所述隔離層包括氧化鎳。
15.權利要求12的雙磁阻傳感器，其特征在于，和所述第一分層結構中的所述第二鐵磁材料層接觸的所述反鐵磁材料層由第一反鐵磁材料組成，并且和所述第二分層結構中的所述第二鐵磁材料層接觸的所述反鐵磁材料層由第二反鐵磁材料組成，所述第一和第二反鐵磁材料具有不同的奈耳溫度。
16.權利要求15的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一反鐵磁材料層由鐵錳組成，所述第二反鐵磁材料層由氧化鎳組成。
17.權利要求11的雙磁阻傳感器，其特征在于，各所述鐵磁材料層包括具有第一鐵磁材料層和薄的與所述第一鐵磁材料層接觸的第二鐵磁材料層的雙層結構，所述薄的第二鐵磁材料層淀積在所述鐵磁材料層和所述非鐵磁材料層之間的界面上。
18.權利要求17的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一鐵磁材料是鎳鐵，并且所述第二鐵磁材料是鈷。
19.權利要求12的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一分層結構的所述第二鐵磁材料層包括由一層反鐵磁耦合層隔開的第一和第二鐵磁材料層，所述第一和第二鐵磁材料層中的一層和所述反鐵磁材料層接觸，所述第一和第二鐵磁材料層中的另一層和所述非磁性材料層接觸。
20.權利要求19的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反鐵磁耦合層是一種從一組包括著釕、鉻、銠、銥以及它們的合金的材料中選擇的材料。
21.權利要求19的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一和第二鐵磁材料層由鈷組成并且所述反鐵磁耦合層由釕組成。
22.權利要求19的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反鐵磁耦合層具有范圍約在3埃至6埃的厚度。
23.一種雙磁阻傳感器，包括一塊基片；在所述基片上構造的第一旋轉閥；所述第一旋轉閥包括由一個非磁性材料層隔開的第一和第二鐵磁材料層；用于固定所述第二鐵磁材料層的磁化方向的裝置；所述固定磁化方向的裝置位于所述基片和所述第二鐵磁材料層之間；一個非磁性去耦合層，它構造在所述第一旋轉閥結構上并和所述第一鐵磁材料層接觸。構造在所述去耦合層上的第二旋轉閥結構；所述第二旋轉閥結構包括由一個非磁性材料層隔開的第三和第四鐵磁材料層，所述第三鐵磁材料層和所述去耦合層接觸；用于固定所述第四鐵磁材料層的磁化方向的裝置，所述固定磁化方向的裝置和所述第四鐵磁材料層接觸；所述第一旋轉閥結構中的所述第二鐵磁材料層的所述磁化方向在方向上固定為和所述第二旋轉閥結構中的所述第四鐵磁材料層的所述磁化方向逆平行；產生經過所述磁阻傳感器的電流裝置；以及感測所述磁阻傳感器的阻率變化的裝置，該阻率變化是由于所述第一和第三鐵磁材料層的磁化的轉動對外磁場起反應造成的。
24.權利要求23的雙磁阻傳感器，其特征在于，用于固定所述旋轉閥結構中的所述第二和第四鐵磁材料層的磁化方向的所述裝置包括一層各和第二及第四鐵磁材料層接觸的反鐵磁材料層。
25.權利要求24的雙磁阻傳感器，其特征在于，和所述第二鐵磁材料層接的所述反鐵磁材料層由第一鐵磁材料組成，并且和所述第四鐵磁材料層接觸的所述反鐵磁材料層由第二鐵磁材料組成，所述第一和第二反鐵磁材料具有不同的奈耳溫度。
26.權利要求25的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一反鐵磁材料層由鐵錳組成，并且所述第二反鐵磁材料層由氧化鎳組成。
27.權利要求23的雙磁阻傳感器，其特征在于，各所述鐵磁材料層包括具有第一鐵磁材料層和薄的與所述第一鐵磁材料層接觸的第二鐵磁材料層的雙層結構，所述薄的第二鐵磁材料層淀積在所述鐵磁材料層和所述非鐵磁材料層之間的界面上。
28.權利要求27的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一鐵磁材料是鎳鐵，并且所述第二鐵磁材料是鈷。
29.權利要求24的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一旋轉閥結構的所述第二鐵磁材料層包括由一層反鐵磁耦合層隔開的第一和第二鐵磁材料層，所述第一和第一鐵磁材料層中的一層和所述反鐵磁材料層接觸，所述第一和第二鐵磁材料層中的另一層和所述非磁性材料層接觸。
30.權利要求29的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反鐵磁耦合層是一種從一組包括釕、鉻、銠、銥以及它們的合金的材料中選擇的材料。
31.權利要求30的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第二鐵磁材料層的第一和第二鐵磁材料層由鈷組成并且所述反鐵磁耦合層由釕組成。
32.一種雙磁阻傳感器，包括一塊基片；在所述基片上構造的第一旋轉閥結構；所述第一旋轉閥結構包括由一個非磁性材料層隔開的第一和第二鐵磁材料層，所述第一鐵磁材料層和所述基片接觸；相鄰所述第一旋轉閥結構構造的第二旋轉閥結構；所述第二旋轉閥結構包括由一個非磁性材料層隔開的第三和第四鐵磁材料層，所述第四鐵磁材料層和所述第二鐵磁材料層相鄰；用于固定所述第二和所述第四鐵磁材料層的磁化方向的裝置，所述用于固定所述第二和所述第四鐵磁材料層的磁化方向的裝置淀積在所述第二鐵磁材料層和所述第四鐵磁材料層之間；所述第二鐵磁材料層的所述磁化方向在方向上固定為和所述第四鐵磁材料層的所述磁化方向逆平行；產生流過所述磁阻傳感器的電流的裝置；以及感測所述磁阻傳感器的阻率變化的裝置，該阻率變化是由于所述第一和第三鐵磁材料層的磁化的轉動對外部磁場起反應造成的。
33.權利要求32的雙磁阻傳感器，其特征在于，用于固定所述第二和所述第四鐵磁材料層的磁化方向的所述裝置包括和所述第二及所述第四鐵磁材料層接觸的一層反磁性材料層，所述反鐵磁材料具有高電阻率。
34.權利要求33的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反磁性材料層由氧化鎳組成。
35.權利要求32的雙磁阻傳感器，其特征在于，各所述鐵磁材料層包括具有第一鐵磁材料層和薄的與所述第一鐵磁材料層接觸的第二鐵磁材料層的雙層結構，所述薄的第二鐵磁材料層淀積在所述鐵磁材料層和所述非鐵磁材料層之間的界面上。
36.權利要求35的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一鐵磁材料是鎳鐵，并且所述第二鐵磁材料是鈷。
37.權利要求33的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第二鐵磁層包括由一層反鐵磁耦合層隔開的第一和第二鐵磁材料層，所述第一和第二鐵磁材料層中的一層和所述反鐵磁材料層接觸，所述第一和第二鐵磁材料層中的另一層和所述非磁性材料層接觸。
38.權利要求37的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述第一和第二鐵磁材料層由鈷組成并且所述反鐵磁耦合層由釕組成。
39.權利要求37的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反鐵磁耦合層是一種從一組包括釕、鉻、銠、銥以及它們的合金的材料中選擇的材料。
40.權利要求37的雙磁阻傳感器，其特征在于，所述反鐵磁耦合層具有范圍約在3埃至6埃的厚度。
全文摘要
一種在磁阻(MR)傳感器包括兩個不同的旋轉閥結構。每個旋轉閥包括由一個非磁性材料薄膜層隔開的第一(自由)和第二(鎖定)鐵磁材料層。各個旋轉閥中鐵磁材料鎖定層的磁化方向是固定的，它們的磁化置為相互是逆平行的。產生電流流過該MR傳感器，并感測由于自由鐵磁材料層中磁化的轉動而導致的作為所感測磁場函數的MR傳感器磁阻的變化而造成的MR傳感器兩端的電壓變化。
文檔編號G11B5/02GK1148710SQ9611115
公開日1997年4月30日 申請日期1996年8月20日 優先權日1995年9月11日
發明者哈德亞爾·S·基爾, 布魯斯·A·格內 申請人:國際商業機器公司