JPH07307501A - Magnetic field sensor - Google Patents
Magnetic field sensorInfo
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- JPH07307501A JPH07307501A JP5259864A JP25986493A JPH07307501A JP H07307501 A JPH07307501 A JP H07307501A JP 5259864 A JP5259864 A JP 5259864A JP 25986493 A JP25986493 A JP 25986493A JP H07307501 A JPH07307501 A JP H07307501A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、単軸面内異方性を示
し、かつ、非磁性中間層によって分離された二つの強磁
性層が形成されている基板を有する磁気抵抗素子を具え
る磁界センサに関するものである。本発明はまた、この
ような磁界センサを具える磁気ヘッドに関するものであ
る。FIELD OF THE INVENTION The present invention comprises a magnetoresistive element having a substrate exhibiting uniaxial in-plane anisotropy and having two ferromagnetic layers separated by a nonmagnetic intermediate layer. The present invention relates to a magnetic field sensor. The present invention also relates to a magnetic head including such a magnetic field sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】磁界センサは特に、コンパスとともに位
置や回転速度を測定するのに用いられている。他の重要
な用途は磁気ヘッドに関連している。このような磁界セ
ンサは、磁気テープのような読み取り媒体に磁気的に記
憶された情報を読み取るのに使用されている。Magnetic field sensors are used in particular with compasses to measure position and rotational speed. Another important application relates to magnetic heads. Such magnetic field sensors are used to read information magnetically stored on a read medium such as a magnetic tape.
【0003】上述した構成の磁気抵抗素子は特に1991年
に発行された雑誌「日本応用物理学会誌」(Japan Appli
ed Physics) 69(8) の4774頁から既知である。この刊行
物には、さらに詳しくは、Taの核層を被覆したシリコン
基板を具え、この核層にNiFe(層厚6.2nm )の第1強磁
性層と、Cu(層厚2.2nm )の中間層と、NiFe(層厚4.0n
m )及びFeMn(層厚7.0nm )の第2強磁性層とを順次形
成した二重構造を設けた磁界センサについて記載されて
いる。この既知の磁界センサは、酸化を最小にするキャ
ップ層も具える。The magnetoresistive element having the above-described structure is especially used in the magazine "Japan Society of Applied Physics" published in 1991.
ed Physics) 69 (8), p. 4774. More specifically, this publication includes a silicon substrate coated with a Ta nuclear layer, which is intermediate between the first ferromagnetic layer of NiFe (layer thickness 6.2 nm) and Cu (layer thickness 2.2 nm). Layer and NiFe (layer thickness 4.0n
m) and a second ferromagnetic layer of FeMn (layer thickness 7.0 nm) are sequentially formed to describe a magnetic field sensor having a double structure. The known magnetic field sensor also includes a cap layer that minimizes oxidation.
【0004】NiFeの第1強磁性層は単軸面内異方性を有
するとともに比較的小さい保磁力を有し、したがってこ
の層は、ゼロの磁界強度を中心とする磁化曲線を有す
る。第2強磁性層の磁気特性は、強磁性NiFeと反強磁性
FeMnとの間の交換結合によってほぼ決定される。このた
めに第2いわゆるバイアス強磁性層の磁化曲線は、有限
値を有する磁界強度に向かって偏移している。その結
果、両方の強磁性層の磁化曲線は一致しない。第2強磁
性層も、反強磁性FeMnによって規制される単軸面内異方
性を示す。両方の強磁性層の異方性方向が平行となり、
したがって外部から加えられた磁界の存在及び方向に応
じてこれらの層の磁化は平行又は反平行となる。The first ferromagnetic layer of NiFe has a uniaxial in-plane anisotropy and a relatively small coercive force, so that this layer has a magnetization curve centered at zero field strength. The magnetic properties of the second ferromagnetic layer are ferromagnetic NiFe and antiferromagnetic.
It is largely determined by the exchange coupling with FeMn. For this reason, the magnetization curve of the second so-called bias ferromagnetic layer deviates toward a magnetic field strength having a finite value. As a result, the magnetization curves of both ferromagnetic layers do not match. The second ferromagnetic layer also exhibits uniaxial in-plane anisotropy controlled by antiferromagnetic FeMn. Anisotropy directions of both ferromagnetic layers become parallel,
The magnetizations of these layers are therefore parallel or antiparallel depending on the presence and direction of the externally applied magnetic field.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】既知の層構造では、加
えられた外部磁界(H)の関数としての抵抗(ΔR/
R)の変化を比較的簡単な方法で測定できる。上述した
刊行物の図1は、このようにして測定された磁気抵抗曲
線を示す。図1は、大幅に異なる形状を有する二つのヒ
ステリシス曲線を示す。「バイアスされた」強磁性層の
磁化の反転に対応する曲線は、100Oe(=8kA/m)のオー
ダーの比較的高いヒステリシスを示す。上述したFeMn層
との交換結合により、このヒステリシスは約400Oe(=32k
A/m)の磁界強度に偏移している。0Oe の外部磁界を中心
とする他の曲線は「無バイアス」NiFe層の磁化の変化に
支配される。「無バイアス」NiFe層の磁化の変化及びこ
れによって生じる抵抗の変化は、磁気ヘッド中のこの形
の磁界センサを使用するに当たり非常に重要である。既
知の磁界センサを使用するに当たり、4.1%に達する抵抗
の変化が室温で確認された。In the known layer structure, the resistance as a function of the applied external magnetic field (H) (ΔR /
The change in R) can be measured by a relatively simple method. FIG. 1 of the publication mentioned above shows the magnetoresistance curve thus measured. FIG. 1 shows two hysteresis curves with significantly different shapes. The curve corresponding to the reversal of the magnetization of the "biased" ferromagnetic layer shows a relatively high hysteresis on the order of 100 Oe (= 8 kA / m). Due to the exchange coupling with the FeMn layer mentioned above, this hysteresis is about 400 Oe (= 32 k
A / m) magnetic field strength is deviated. The other curves centered on an external magnetic field of 0 Oe are dominated by changes in the magnetization of the "unbiased" NiFe layer. The change in magnetization of the "biasless" NiFe layer and the resulting change in resistance are very important in using this type of magnetic field sensor in a magnetic head. Upon using the known magnetic field sensor, a change in resistance of up to 4.1% was confirmed at room temperature.
【0006】本願人によって行った他の実験によれば、
実際には0Oe の外部磁界を中心とする他の磁気抵抗曲線
のヒステリシスは約10Oe(=0.8kA/m)であることが示され
ている。さらにこの曲線はかなり不規則な形状を有する
ことが確かめられた。この既知の磁界センサを使用する
場合、このような不規則により比較的高いノイズレベル
が発生する。このためにS/N 比に悪影響が及ぼされる。According to another experiment conducted by the applicant,
Actually, it is shown that the hysteresis of other magnetoresistive curves centered on an external magnetic field of 0 Oe is about 10 Oe (= 0.8 kA / m). It was further confirmed that this curve had a fairly irregular shape. When using this known magnetic field sensor, such irregularities result in relatively high noise levels. This adversely affects the S / N ratio.
【0007】本発明の目的は上述した問題を軽減するこ
とである。本発明は特に、不規則がほとんどないヒステ
リシス曲線を有するとともにヒステリシスが既知の磁界
センサのヒステリシスより相当小さい磁界センサを提供
することを目的とするものである。The object of the present invention is to alleviate the problems mentioned above. The invention is particularly aimed at providing a magnetic field sensor which has a hysteresis curve with few irregularities and whose hysteresis is considerably smaller than that of known magnetic field sensors.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明のこれら及び他の
目的は上述した形の磁界センサによって達成され、本発
明によればこの磁界センサは、一方の強磁性層の異方性
方向が、他方の強磁性層の異方性方向に対して直交する
ことを特徴とするものである。These and other objects of the invention are achieved by a magnetic field sensor of the type described above, which according to the invention is such that the anisotropy direction of one ferromagnetic layer is It is characterized by being orthogonal to the anisotropic direction of the other ferromagnetic layer.
【0009】本発明は、両方の強磁性層の異方性方向が
平行であることにより既知の磁界センサの磁化反転が磁
壁の過程により発生するという認識に基づいている。こ
のような反転により、多かれ少なかれステップ状の磁化
の変化及びこれにより支配される抵抗のステップ状の変
化が発生する。この現象により磁界センサに顕著なノイ
ズレベルが発生する。このようなノイズを一般に「バル
クハウゼンノイズ」という。The invention is based on the recognition that the magnetization reversal of a known magnetic field sensor is caused by the process of the domain wall because the anisotropy directions of both ferromagnetic layers are parallel. Such inversion causes a more or less stepwise change in magnetization and a stepwise change in resistance dominated thereby. This phenomenon causes a noticeable noise level in the magnetic field sensor. Such noise is generally called "Barkhausen noise".
【0010】しかしながら、無バイアスNiFe層の異方性
方向がバイアスNiFe層の異方性方向に対して直交する場
合、無バイアスNiFe層の磁化方向の変化が外部磁界の支
配下で、磁壁工程ではなく干渉性の回転機構に従って発
生し、その結果相当低いノイズレベルとなる。したがっ
て磁気抵抗曲線はより一層規則的な形状となるとともに
より低いヒステリシスを示す。有用なセンサを得るため
には、加えられた外部磁界の磁界方向は無バイアスNiFe
層の異方性方向に対して直交しなければならない。「直
交」とは、両方の強磁性層の異方性方向が90°±20°の
角度で互いに交差することを意味すると理解されるべき
である。However, when the anisotropy direction of the non-biased NiFe layer is perpendicular to the anisotropy direction of the biased NiFe layer, the change in the magnetization direction of the non-biased NiFe layer is controlled by the external magnetic field, and the Instead, it occurs according to a coherent rotating mechanism, resulting in a fairly low noise level. Therefore, the magnetoresistive curve has a more regular shape and lower hysteresis. To obtain a useful sensor, the magnetic field direction of the applied external magnetic field is unbiased NiFe.
It must be orthogonal to the anisotropic direction of the layer. “Orthogonal” should be understood to mean that the anisotropic directions of both ferromagnetic layers intersect each other at an angle of 90 ° ± 20 °.
【0011】異方性を直交させるという本発明の概念
を、バイアス強磁性層及び無バイアス強磁性層を具える
磁界センサのみに適用するのではないことを強調する。
本発明の概念を、上述した刊行物に記載されたように、
種々の保磁力を有する数個の強磁性層を具える磁界セン
サにも用いることができる。さらに、本発明の磁界セン
サは2個以上の強磁性層を具えてもよいことを強調す
る。2個以上の強磁性層を基にした多層構造を具える磁
界センサは、比較的高い検出感度という利点がある。It is emphasized that the inventive concept of orthogonal anisotropy does not apply only to magnetic field sensors comprising biased and non-biased ferromagnetic layers.
The concept of the invention is as described in the publications mentioned above,
It can also be used in magnetic field sensors with several ferromagnetic layers with different coercive forces. Furthermore, it is emphasized that the magnetic field sensor of the present invention may comprise more than one ferromagnetic layer. A magnetic field sensor having a multilayer structure based on two or more ferromagnetic layers has the advantage of a relatively high detection sensitivity.
【0012】原理的に、あらゆる強磁性組成物を強磁性
層の材料として用いることができる。特に好適なのはC
o,Ni,Fe又はこれらの合金である。好適な磁化特性のた
めに、少なくとも1層の無バイアスNiFeを具える磁界セ
ンサが好ましい。ここでNiFeとは20±2%のFeと80±2%の
Niとの合金を意味する。この材料は軟磁性であり、非常
に小さい保磁力及び非常に小さい磁気抵抗を有する。さ
らにこの材料では、単軸面内異方性を、比較的弱い強度
を有する磁界の下でNiFe層を形成することにより任意の
方向に簡単な方法で実現できる。このようにして生じた
異方性は加えられた磁界方向に平行となる。In principle, any ferromagnetic composition can be used as the material for the ferromagnetic layer. Especially preferred is C
o, Ni, Fe or alloys thereof. A magnetic field sensor comprising at least one layer of biased NiFe is preferred for preferred magnetization properties. Here NiFe is 20 ± 2% Fe and 80 ± 2%
It means an alloy with Ni. This material is soft magnetic and has a very low coercive force and a very low reluctance. Furthermore, with this material, uniaxial in-plane anisotropy can be realized in a simple manner in any direction by forming the NiFe layer under a magnetic field having a relatively weak strength. The anisotropy thus generated is parallel to the applied magnetic field direction.
【0013】第1強磁性層を無バイアスNiFeで構成する
場合、第2強磁性層についてはドープされた又はドープ
されていないCo,Fe 及び/又はNiを用いることができ
る。第1の種類の磁界センサにおいて、第2層の組成
を、第2層が第1層の保磁力とは異なる保磁力を有する
ように選択する。この場合、第2強磁性層が影響力のあ
るCo及びPtを含む合金で構成される場合には満足な結果
が得られる。If the first ferromagnetic layer is composed of unbiased NiFe, doped or undoped Co, Fe and / or Ni can be used for the second ferromagnetic layer. In the first type of magnetic field sensor, the composition of the second layer is selected so that the second layer has a coercive force different from the coercive force of the first layer. In this case, a satisfactory result is obtained when the second ferromagnetic layer is composed of an alloy containing Co and Pt, which has an influence.
【0014】しかしながら、第2層がバイアス強磁性層
好ましくはバイアスNiFeで構成された第2の種類の磁界
センサによりさらに良い結果が得られる。このようなバ
イアスされたNiFe層を、(それぞれ50% の)FeMnの層に
NiFeの層を形成することにより得ることができる。好ま
しくは強磁性層の厚さを10nmより厚くなく、かつ、1.5n
m より薄くないようにする。層の厚さが10nmを超える場
合、磁界センサの磁気抵抗効果は非常に小さくなる。層
の厚さが1.5nm 未満の場合、無バイアス層の透磁率は非
常に小さくなる。However, even better results are obtained with a second type of magnetic field sensor in which the second layer is composed of a biased ferromagnetic layer, preferably biased NiFe. Such a biased NiFe layer is transformed into a layer of FeMn (50% each)
It can be obtained by forming a layer of NiFe. Preferably the thickness of the ferromagnetic layer is not more than 10 nm and 1.5n
Be no thinner than m. When the layer thickness exceeds 10 nm, the magnetoresistive effect of the magnetic field sensor becomes very small. When the layer thickness is less than 1.5 nm, the magnetic permeability of the non-biased layer is very small.
【0015】中間層を非磁性材料で構成する必要があ
る。この中間層は両方の強磁性層を磁気的に減結合する
ように作用する。中間層に特に好適に用いることができ
る材料は、金属及び金属合金である。このために、Au,A
g,Pt及びCuのような貴金属を特に好適に用いることがで
きることが見い出された。Cu又はCu合金の中間層で最良
の結果が得られた。好ましくは中間層の厚さを5nm より
厚くなく、かつ、1.5nmより薄くないようにする。1.5nm
より薄い中間層では、両方の強磁性層の間で不十分な
減結合となる。中間層の厚さが5nm を超えると「減結合
効果」はほとんど増大しない。The intermediate layer needs to be made of a non-magnetic material. This intermediate layer acts to magnetically decouple both ferromagnetic layers. Materials that can be particularly preferably used for the intermediate layer are metals and metal alloys. For this, Au, A
It has been found that noble metals such as g, Pt and Cu can be used particularly suitably. Best results have been obtained with Cu or Cu alloy interlayers. The thickness of the intermediate layer is preferably not more than 5 nm and not less than 1.5 nm. 1.5 nm
The thinner intermediate layer results in poor decoupling between both ferromagnetic layers. When the thickness of the intermediate layer exceeds 5 nm, the “decoupling effect” hardly increases.
【0016】第2の種類の磁界センサの場合、強磁性層
と中間層との間に例えば0.2 〜0.4nm の非常に薄いCo層
を設けることによっても好適に改善された。上述した刊
行物に記載されたように、このように構成することによ
り磁気抵抗効果が相当増加する。In the case of the second type of magnetic field sensor, the improvement was also achieved by providing a very thin Co layer of, for example, 0.2 to 0.4 nm between the ferromagnetic layer and the intermediate layer. As described in the publications mentioned above, such an arrangement considerably increases the magnetoresistive effect.
【0017】磁界センサの形に応じて、強磁性層を種々
の方法で交差異方性に形成することができる。種々の保
磁力の強磁性層を有する磁界センサの場合、交差異方性
を以下のように形成することができる。例えば無バイア
スNiFeの第1強磁性層を、基板の平面に平行な磁界の影
響下で平坦な表面上に形成する。中間層を形成した後、
より強い保磁力を有する第2強磁性層を形成する。続い
て、この第2強磁性層を短時間に比較的強い磁界で磁化
するが、この磁界を、第1強磁性層の異方性方向に対し
て直交するようにするとともに基板平面に対して平行に
する。Depending on the shape of the magnetic field sensor, the ferromagnetic layers can be cross-anisotropically formed in various ways. In the case of a magnetic field sensor having ferromagnetic layers with various coercive forces, cross anisotropy can be formed as follows. For example, a first ferromagnetic layer of unbiased NiFe is formed on a flat surface under the influence of a magnetic field parallel to the plane of the substrate. After forming the intermediate layer,
A second ferromagnetic layer having a stronger coercive force is formed. Then, the second ferromagnetic layer is magnetized in a relatively strong magnetic field for a short time, and this magnetic field is made to be orthogonal to the anisotropic direction of the first ferromagnetic layer and to the plane of the substrate. Make them parallel.
【0018】無バイアスNiFeの第1強磁性層及びバイア
スNiFeの第2強磁性層を具える磁界センサの種類に関し
て、交差異方性を以下のように形成することができる。
第1の方法によれば、両方の強磁性層形成中に磁界を加
えることができ、この磁界は強磁性層が形成される基板
の表面に平行でなければならない。第2強磁性層形成中
に、この磁界の方向を基板表面の法線の回りで約90°回
転させる。第2の方法によれば、代わりに両方の強磁性
層を形成する際に同一方向に作用する磁界平面内に存在
する強磁性層を形成することもできる。この場合、両方
の強磁性層の異方性方向は互いに平行である。その後、
磁界センサを短時間加熱するとともに、第1強磁性層の
異方性方向に対して直交し、同時に基板表面に平行な磁
界中で冷却する必要がある。この結果、加えられた磁界
の方向に90°回転された第1強磁性層の異方性方向とな
る。この技術は「磁気中冷却」という名で既知である。
第2の方法は、基板上のバイアス強磁性層及び無バイア
ス強磁性層の順序が逆の場合でも用いることができる。For a type of magnetic field sensor having a first ferromagnetic layer of unbiased NiFe and a second ferromagnetic layer of biased NiFe, cross anisotropy can be formed as follows.
According to the first method, a magnetic field can be applied during the formation of both ferromagnetic layers, which magnetic field must be parallel to the surface of the substrate on which the ferromagnetic layers are formed. During the formation of the second ferromagnetic layer, the direction of this magnetic field is rotated about 90 ° around the normal to the surface of the substrate. According to the second method, it is also possible to instead form the ferromagnetic layers that lie in the plane of the magnetic field acting in the same direction when forming both ferromagnetic layers. In this case, the anisotropic directions of both ferromagnetic layers are parallel to each other. afterwards,
It is necessary to heat the magnetic field sensor for a short time and cool it in a magnetic field that is orthogonal to the anisotropic direction of the first ferromagnetic layer and is parallel to the substrate surface. As a result, the anisotropic direction of the first ferromagnetic layer is 90 ° rotated in the direction of the applied magnetic field. This technique is known under the name "magnetic cooling".
The second method can be used even when the order of the biased and non-biased ferromagnetic layers on the substrate is reversed.
【0019】[0019]
【実施例】本発明の磁界センサの実施例を図面を参照し
て詳細に説明する。明瞭にするため図示したすべての素
子を寸法通りには示していない。図1に、既知の磁界セ
ンサの構造を線図的に示す。明瞭にするため磁気抵抗材
料のみを示し、電気的な接続を省略する。図示した材料
は例えばSiの非磁性基板1を具え、その上には例えば無
バイアスNiFeの第1強磁性層2を形成する。例えばCuの
中間層3を強磁性層2に形成する。中間層3に第2強磁
性層4を堆積する。第2強磁性層4は、CoPt合金のよう
に保磁力がNiFeの保磁力と異なる強磁性材料で形成する
ことができる。本例では、CoPt層と中間層との間にCo又
はNiFeの副層を形成するという利点がある。しかしなが
ら、第2強磁性層4も無バイアスNiFeで構成することが
できる。第2強磁性層4を無バイアスNiFeで構成する場
合、第2強磁性層4をNiFeの副層及び例えばFeMnの副層
で構成し、NiFeの副層を中間層とFeMn層との間に配置す
る。Embodiments of the magnetic field sensor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. For clarity, not all illustrated elements are shown to scale. FIG. 1 diagrammatically shows the structure of a known magnetic field sensor. Only the magnetoresistive material is shown for clarity and electrical connections are omitted. The illustrated material comprises a non-magnetic substrate 1 of eg Si, on which a first ferromagnetic layer 2 of eg bias-free NiFe is formed. For example, the Cu intermediate layer 3 is formed on the ferromagnetic layer 2. The second ferromagnetic layer 4 is deposited on the intermediate layer 3. The second ferromagnetic layer 4 can be formed of a ferromagnetic material such as a CoPt alloy having a coercive force different from that of NiFe. This example has the advantage of forming a Co or NiFe sublayer between the CoPt layer and the intermediate layer. However, the second ferromagnetic layer 4 can also be composed of non-biased NiFe. When the second ferromagnetic layer 4 is composed of non-biased NiFe, the second ferromagnetic layer 4 is composed of a NiFe sublayer and, for example, a FeMn sublayer, and the NiFe sublayer is formed between the intermediate layer and the FeMn layer. Deploy.
【0020】既知の磁界センサの強磁性層を、これらの
層が平行配向で単軸面内異方性を示すように形成する。
製造方法に依存して、両方の強磁性層の磁化方向は、外
部磁界が存在しない場合には平行又は反平行となる。磁
界センサの磁化の方向に対して平行に外部磁界Hを加え
た場合、第1強磁性層2の磁化がこれに対応して配向さ
れる(図1a)。外部磁界の方向が反転されると、第1
強磁性層2の磁化方向も反転される(図1b)。第2強
磁性層4のより強い保磁力すなわち第2強磁性層4への
バイアス効果のために、第2強磁性層4の磁化方向は相
当強い外部磁界が加えられた場合にのみ反転する。The ferromagnetic layers of the known magnetic field sensor are formed such that they exhibit a uniaxial in-plane anisotropy in a parallel orientation.
Depending on the manufacturing method, the magnetization directions of both ferromagnetic layers are parallel or antiparallel in the absence of an external magnetic field. When an external magnetic field H is applied parallel to the direction of magnetization of the magnetic field sensor, the magnetization of the first ferromagnetic layer 2 is correspondingly oriented (FIG. 1a). When the direction of the external magnetic field is reversed, the first
The magnetization direction of the ferromagnetic layer 2 is also reversed (Fig. 1b). Due to the stronger coercive force of the second ferromagnetic layer 4, ie the biasing effect on the second ferromagnetic layer 4, the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 4 is reversed only when a fairly strong external magnetic field is applied.
【0021】図2は、本発明の磁界センサの一部を示
す。層の組み合わせは図1に示す磁界センサの組み合わ
せと同一である。両方の強磁性層は単軸面内異方性を示
す。第1強磁性層2の異方性方向は第2強磁性層4の異
方性方向に対して横切るように延在する。FIG. 2 shows a part of the magnetic field sensor of the present invention. The combination of layers is the same as the combination of magnetic field sensors shown in FIG. Both ferromagnetic layers exhibit uniaxial in-plane anisotropy. The anisotropic direction of the first ferromagnetic layer 2 extends so as to cross the anisotropic direction of the second ferromagnetic layer 4.
【0022】外部磁界が存在しない場合(H=0) 、第1強
磁性層2の磁化は第2強磁性層4の磁化に対して横切る
ように延在する。この磁化方向は、互いにほぼ90°の角
度をなすように向くこれらの強磁性層の異方性によって
決められる。この状態を図2aに示す。磁界Hが第2強
磁性層4の磁化方向に対して平行に加えられると、第1
強磁性層2の磁化方向は加えられた磁界の方向に回転す
る。加えられた磁界の方向に応じて、第1強磁性層2の
磁化方向は第2強磁性層4の磁化方向に平行(図2c)
又は非平行(図2d)に向く。When there is no external magnetic field (H = 0), the magnetization of the first ferromagnetic layer 2 extends transversely to the magnetization of the second ferromagnetic layer 4. This magnetization direction is determined by the anisotropy of these ferromagnetic layers which are oriented at an angle of approximately 90 ° to each other. This state is shown in FIG. 2a. When the magnetic field H is applied parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 4, the first
The magnetization direction of the ferromagnetic layer 2 rotates in the direction of the applied magnetic field. The magnetization direction of the first ferromagnetic layer 2 is parallel to the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 4 depending on the direction of the applied magnetic field (FIG. 2c).
Or facing non-parallel (Fig. 2d).
【0023】本発明の磁界センサの第1強磁性層2の磁
化の回転機構は、既知の磁界センサの第1強磁性層2の
磁化の回転機構とは異なる。図1の磁界センサにおい
て、反転は、磁壁の偏移により発生する。これは磁化方
向の断続的な変化により生じる。図2の本発明の磁界セ
ンサでは、磁化回転は(干渉性の)回転作用によって発
生する。この過程は磁化方向のより一層均一な変化によ
り発生する。The rotation mechanism of the magnetization of the first ferromagnetic layer 2 of the magnetic field sensor of the present invention is different from the rotation mechanism of the magnetization of the first ferromagnetic layer 2 of the known magnetic field sensor. In the magnetic field sensor of FIG. 1, inversion occurs due to the deviation of the domain wall. This is caused by the intermittent change of the magnetization direction. In the magnetic field sensor of the invention of FIG. 2, the magnetization rotation is generated by a (coherent) rotation action. This process occurs due to a more uniform change in magnetization direction.
【0024】図3aは、従来の磁界センサで測定した磁
気抵抗曲線を、図3bは、本発明の磁界センサで測定し
た磁気抵抗曲線をそれぞれ示す。両方の磁界センサを以
下のようにして製造した。シリコン基板に、直流マグネ
トロンスパッタリングによりTa(3nm) 、NiFe(8nm) 、Cu
(2.5nm) 、NiFe(6nm) 、FeMn(8nm) 及びTa(2nm) の層を
順次形成した。これらの層を5.10〜7Torr の基本圧及び
7.10〜3Torr のArスパッタリング圧で形成した。第1の
NiFe層及びFeMn層を有する第2のNiFe層のスパッタリン
グ中、約150Oe(=12kA/m)の強度の磁界をこれらの層の平
面に加えた。既知の磁界センサの製造では、磁界の向き
はこれらの層のスパッタリング中同一とした。このよう
にして、両方の強磁性層の面異方性方向が互いに平行に
向く磁界センサが得られた。本発明の磁界センサの製造
において、既知の磁界センサを短時間に磁界中で140 ℃
まで加熱し、この磁界の方向は、2層の強磁性層のスパ
ッタリング中に加えた磁界に対して基板表面の法線の回
りで90°回転した方向とする。この結果、2層の強磁性
層の異方性方向は互いに対してほぼ90°の角度をなし
た。FIG. 3a shows the magnetoresistance curve measured by the conventional magnetic field sensor, and FIG. 3b shows the magnetoresistance curve measured by the magnetic field sensor of the present invention. Both magnetic field sensors were manufactured as follows. Ta (3nm), NiFe (8nm), Cu on a silicon substrate by DC magnetron sputtering
Layers of (2.5 nm), NiFe (6 nm), FeMn (8 nm) and Ta (2 nm) were sequentially formed. Apply these layers to a basic pressure of 5.10 to 7 Torr and
It was formed by Ar sputtering pressure of 7.10 to 3 Torr. First
During the sputtering of the second NiFe layer with the NiFe and FeMn layers, a magnetic field with an intensity of about 150 Oe (= 12 kA / m) was applied in the plane of these layers. In the known manufacture of magnetic field sensors, the direction of the magnetic field was the same during sputtering of these layers. In this way, a magnetic field sensor was obtained in which the plane anisotropy directions of both ferromagnetic layers were parallel to each other. In the manufacture of the magnetic field sensor of the present invention, a known magnetic field sensor is used in a magnetic field for a short time at 140 ° C.
And the direction of this magnetic field is rotated by 90 ° around the normal to the substrate surface with respect to the magnetic field applied during the sputtering of the two ferromagnetic layers. As a result, the anisotropic directions of the two ferromagnetic layers formed an angle of approximately 90 ° with each other.
【0025】図3aは、上述した従来の磁界センサで測
定された磁気抵抗曲線を示す。加えられた磁界(H) の関
数である抵抗(R) を、-1.5kA/mから1.5kA/m の範囲で決
定する。図3bは、上述した本発明の磁界センサで測定
された磁気抵抗曲線を示す。図面から、磁気抵抗がkA/m
ごとに約9.4%であることを計算できる。またこれらのグ
ラフから本発明の磁界センサのヒステリシスは既知の磁
界センサのヒステリシスより著しく小さいことを示す。
さらに、本発明の磁界センサのヒステリシス曲線は既知
の磁界センサのヒステリシス曲線よりさらに規則的な傾
向を有する。FIG. 3a shows the magnetoresistance curve measured with the conventional magnetic field sensor described above. The resistance (R), which is a function of the applied magnetic field (H), is determined in the range -1.5kA / m to 1.5kA / m. FIG. 3b shows the magnetoresistance curve measured with the magnetic field sensor of the invention described above. From the drawing, the magnetic resistance is kA / m
It can be calculated that each is about 9.4%. Further, these graphs show that the hysteresis of the magnetic field sensor of the present invention is significantly smaller than that of the known magnetic field sensor.
Moreover, the hysteresis curve of the magnetic field sensor of the invention has a more regular tendency than the hysteresis curve of known magnetic field sensors.
【0026】図4aは、磁界センサの性能を調べること
ができる実験アセンブリの微細構造の平面図を示す。フ
ェライト基板21に単一のAu導電細条22を形成する。
導電細条22をSiO2の絶縁層23により被覆し、絶縁層
23上に二つの水平のAu電気接点細条24,25を形成
する。多層磁界センサ26を細条24,25間の間隙を
横切るように配置する。この多層センサ26は以下の公
称成分を有する。3nm Ta/8nm Ni80Fe20/2.5nm Cu/6nm N
i80Fe20/8nm FeMn/3nm Taここで挙げた層の順序はこれ
らの層を堆積した順序でもある。FIG. 4a shows a top view of the microstructure of an experimental assembly that allows the performance of magnetic field sensors to be investigated. A single Au conductive strip 22 is formed on the ferrite substrate 21.
The conductive strip 22 is covered with an insulating layer 23 of SiO 2 , on which two horizontal Au electrical contact strips 24, 25 are formed. The multilayer magnetic field sensor 26 is arranged so as to cross the gap between the strips 24 and 25. The multilayer sensor 26 has the following nominal components. 3nm Ta / 8nm Ni 80 Fe 20 /2.5nm Cu / 6nm N
The order of i 80 Fe 20 / 8nm FeMn / 3nm Ta layer mentioned here is also a sequence was deposited these layers.
【0027】図4bは、図4aに示した実験アセンブリ
の拡大断面図を示す。この図において断面は線27に沿
った断面である。図4a及び図4bの同一部材に同一番
号を付している。多層磁界センサ26の性能を決定する
実験に当たり、試験電流IT を導電細条22に沿って流
す。試験電流IT は、振幅が2mA RMS で周波数が520Hz
の重畳正弦成分及び一定バイアス成分IB から構成され
ている。振動電流IT が存在することにより多層磁界セ
ンサ26の交互の磁束が誘導され、それに伴う磁界セン
サ26の抵抗変化が実験出力となり、この抵抗変化は接
点細条24,25を介して測定可能である。一般にこの
実験出力は、バックグランドノイズレベルに重畳した多
数のスペクトル高調波を含む。FIG. 4b shows an enlarged sectional view of the experimental assembly shown in FIG. 4a. In this figure, the cross section is taken along line 27. The same members in FIGS. 4a and 4b are designated by the same reference numerals. In the experiment for determining the performance of the multilayer magnetic field sensor 26, a test current I T is passed along the conductive strip 22. The test current I T has an amplitude of 2 mA RMS and a frequency of 520 Hz.
Of the superposed sine component and the constant bias component I B. The presence of the oscillating current I T induces an alternating magnetic flux of the multilayer magnetic field sensor 26, and the accompanying resistance change of the magnetic field sensor 26 becomes an experimental output, and this resistance change can be measured via the contact strips 24, 25. is there. This experimental output typically contains a number of spectral harmonics superimposed on the background noise level.
【0028】比較例 本例では、従来の磁界センサ26(図1参照)は、磁界
センサ26の無バイアスNiFe層の結晶磁気異方性方向が
磁界センサ26のバイアスNiFe層の交換異方性の方向に
平行(又は非平行)であることを例示した。本例におい
て測定された実験出力のスペクトル分解を〔表1〕に示
すが、この表においてhn は第1スペクトル高調波の強
度に対するn次スペクトル高調波の強度を示し、Nは第
1スペクトル高調波の強度に対するバックグランドノイ
ズの強度を示し、これらの強度をすべてデジベル(dB)で
示す。表に示した強度を、三つの異なる直流バイアス電
流IB の値について載せている。 Comparative Example In this example, in the conventional magnetic field sensor 26 (see FIG. 1), the crystal magnetic anisotropy direction of the bias-free NiFe layer of the magnetic field sensor 26 is the exchange anisotropy of the bias NiFe layer of the magnetic field sensor 26. It is illustrated that the direction is parallel (or non-parallel). The spectral decomposition of the experimental output measured in this example is shown in [Table 1]. In this table, h n represents the intensity of the n-th spectral harmonic relative to the intensity of the first spectral harmonic, and N is the first spectral harmonic. The strength of the background noise against the strength of the wave is shown, and all these strengths are shown in decibels (dB). The intensities shown in the table are listed for three different values of DC bias current I B.
【表1】 [Table 1]
【0029】実施例 本例では、本発明の磁界センサ26(図2参照)は、磁
界センサ26の無バイアスNiFe層の結晶磁気異方性方向
が磁界センサ26のバイアスNiFe層の交換異方性方向に
対して直交(垂直)であることを例示した。本例におい
て測定された実験出力のスペクトル分解を〔表2〕に示
すが、この表においてhn 及びNは〔表1〕と同じ意味
を示す。 EXAMPLE In this example, in the magnetic field sensor 26 of the present invention (see FIG. 2), the crystal magnetic anisotropy direction of the bias-free NiFe layer of the magnetic field sensor 26 is the exchange anisotropy of the bias NiFe layer of the magnetic field sensor 26. It is illustrated that it is orthogonal (perpendicular) to the direction. The spectral decomposition of the experimental output measured in this example is shown in [Table 2], in which h n and N have the same meanings as in [Table 1].
【表2】 本発明に基づく見地から、〔表2〕のノイズレベル(N)
並びに第2及びこれに続くスペクトル高調波(hn ) の平
均の強度は、〔表1〕のものより著しく低い。[Table 2] From the viewpoint of the present invention, the noise level (N) in [Table 2]
And intensity of the average of the second and subsequent spectral harmonics (h n) is significantly lower than that of Table 1.
【0030】図5aに、本発明の磁界センサを具える磁
気ヘッドの斜視図を示す。この磁気ヘッドは、電気的な
接続部12を有する磁界センサ11を具える。この磁気
ヘッドは例えばフェライトの磁性基板13も具える。代
わりに磁性基板13を、例えばNiFeの磁性材料を堆積し
た非磁性材料で形成してもよい。この磁気ヘッドはさら
に磁束ガイド14、15を具える。磁性基板13と、磁
束ガイド14及び15と、磁界センサ11とを、これら
が磁気回路を形成するように互いに関連させて配置す
る。端面16、17は磁気ヘッドの磁極面の一部を形成
している。磁気ギャップを端面16と17の間に形成す
る。FIG. 5a shows a perspective view of a magnetic head equipped with the magnetic field sensor of the present invention. The magnetic head comprises a magnetic field sensor 11 having an electrical connection 12. The magnetic head also comprises a magnetic substrate 13 of, for example, ferrite. Alternatively, the magnetic substrate 13 may be formed of a non-magnetic material in which a magnetic material such as NiFe is deposited. The magnetic head further comprises magnetic flux guides 14, 15. The magnetic substrate 13, the magnetic flux guides 14 and 15, and the magnetic field sensor 11 are arranged in relation to each other so that they form a magnetic circuit. The end surfaces 16 and 17 form a part of the magnetic pole surface of the magnetic head. A magnetic gap is formed between the end faces 16 and 17.
【0031】図5bは、図5aの磁気ヘッドの断面図を
示す。この断面図は端面16、17を直交する面で切っ
た断面図である。図5a及び図5bの同一部材には同一
符号を付している。図5bには、磁界センサ11を調整
するように作用する電流コイル18も示す。FIG. 5b shows a cross-sectional view of the magnetic head of FIG. 5a. This sectional view is a sectional view in which the end faces 16 and 17 are cut along a plane orthogonal to each other. The same members in FIGS. 5a and 5b are designated by the same reference numerals. Also shown in FIG. 5b is a current coil 18 which acts to adjust the magnetic field sensor 11.
【0032】本発明による磁気ヘッドの動作を図5bに
より説明する。磁気テープのような情報キャリア19に
磁気ヘッドの磁極面が通過すると、磁気テープに磁気的
に記憶された情報により、磁気テープによって上述した
磁気回路に磁束が発生する。この磁束は磁界センサにも
供給される。磁束変化を磁界センサによって磁界センサ
の抵抗の変化に変換する。このような抵抗変化を、電気
的な接続部12によって測定することができる電気信号
に変換する。The operation of the magnetic head according to the present invention will be described with reference to FIG. 5b. When the magnetic pole surface of the magnetic head passes through an information carrier 19 such as a magnetic tape, magnetic flux is generated in the above-mentioned magnetic circuit by the magnetic tape due to the information magnetically stored in the magnetic tape. This magnetic flux is also supplied to the magnetic field sensor. The magnetic flux changes are converted by the magnetic field sensor into changes in the resistance of the magnetic field sensor. Such a resistance change is converted into an electrical signal that can be measured by the electrical connection 12.
【0033】図5a及び図5bに示す構造を有する本発
明の磁気ヘッドを、磁気キャリア上の磁気情報を読み取
るためにのみ使用する。図5cは他の磁気ヘッドの断面
図であり、この磁気ヘッドは読取りの他に磁気的な情報
を磁気テープ上に記録するのにも使用することができる
磁界センサを有する。図5a、b及びcの同一部材には
同一符号を付している。図5cの磁気ヘッドでは、磁界
センサ11を基板13及び磁束ガイド14により形成し
た磁気回路に組み込まない。このために、電流コイル1
8の電気信号を情報キャリア19上に記録するのにも用
いることができる。図5cに示す磁気ヘッドの読取り機
能に関して、磁気回路13、14は磁界センサ11を保
護するように作用する。The magnetic head of the invention having the structure shown in FIGS. 5a and 5b is used only for reading the magnetic information on the magnetic carrier. FIG. 5c is a cross-sectional view of another magnetic head having a magnetic field sensor that can be used for reading as well as recording magnetic information on magnetic tape. The same members in FIGS. 5a, 5b and 5c are designated by the same reference numerals. In the magnetic head of FIG. 5c, the magnetic field sensor 11 is not incorporated in the magnetic circuit formed by the substrate 13 and the magnetic flux guide 14. For this purpose, the current coil 1
It can also be used to record eight electrical signals on the information carrier 19. With respect to the read function of the magnetic head shown in FIG. 5c, the magnetic circuits 13, 14 serve to protect the magnetic field sensor 11.
【図1】a及びbは従来の磁界センサの一部を示す。1A and 1B show a part of a conventional magnetic field sensor.
【図2】a、b及びcは本発明の磁界センサの一部を示
す。2 a, b and c show part of a magnetic field sensor according to the invention, FIG.
【図3】aは従来の磁界センサの磁気抵抗曲線を、bは
本発明の磁界センサの磁気抵抗曲線をそれぞれ示す。3A shows a magnetic resistance curve of a conventional magnetic field sensor, and FIG. 3B shows a magnetic resistance curve of a magnetic field sensor of the present invention.
【図4】aは磁界センサの性能を調べることができる実
験アセンブリの微細構造の平面図を示し、bはaに示し
た実験アセンブリの拡大断面図を示す。FIG. 4a shows a plan view of the microstructure of an experimental assembly with which the performance of a magnetic field sensor can be investigated, and b shows an enlarged sectional view of the experimental assembly shown in a.
【図5】本発明の磁界センサを具える磁気ヘッドを示
す。FIG. 5 shows a magnetic head including the magnetic field sensor of the present invention.
【符号の説明】 1 非磁性基板 2 第1強磁性層 3 中間層 4 第2強磁性層 11 磁界センサ 12 接続部 13 磁性基板 14,15 磁束ガイド 16,17 端面 18 電流コイル 19 情報キャリア 21 フェライト基板 22 導電細条 23 絶縁層 24,25 接触細条 26 多層磁界センサ 27 線 IT 試験電流[Explanation of symbols] 1 non-magnetic substrate 2 first ferromagnetic layer 3 intermediate layer 4 second ferromagnetic layer 11 magnetic field sensor 12 connection part 13 magnetic substrate 14, 15 magnetic flux guide 16, 17 end face 18 current coil 19 information carrier 21 ferrite substrate 22 conductive strips 23 insulating layers 24 and 25 contact strips 26 multilayer magnetic field sensor 27 along line I T test current
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラインダー クーホールン オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ1 (72)発明者 アドリアナス ミハエル ヨハネス マル チヌス ホンケン オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ1 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Rheiner Kuh Hoorn The Netherlands 5621 Beer Aindow Fenflunewachwech 1 (72) Inventor Adrianas Michael Johannes Martinus Honken The Netherlands 5621 Beer Aindow Fenflune Wachwech 1
Claims (6)
層によって分離された二つの強磁性層が形成された基板
を有する磁気抵抗素子を具える磁界センサにおいて、一
方の強磁性層の異方性方向が、他方の強磁性層の異方性
方向に対して直交することを特徴とする磁界センサ。1. A magnetic field sensor comprising a magnetoresistive element having uniaxial in-plane anisotropy and having a substrate on which two ferromagnetic layers separated by a nonmagnetic intermediate layer are formed. A magnetic field sensor, wherein the anisotropic direction of the magnetic layer is orthogonal to the anisotropic direction of the other ferromagnetic layer.
磁性層を反強磁性層に磁気的に結合したNiFeで構成した
ことを特徴とする請求項1記載の磁界センサ。2. A magnetic field sensor according to claim 1, wherein one ferromagnetic layer is made of NiFe and the other ferromagnetic layer is made of NiFe magnetically coupled to the antiferromagnetic layer.
徴とする請求項2記載の磁界センサ。3. The magnetic field sensor according to claim 2, wherein the antiferromagnetic layer is made of FeMn.
を特徴とする請求項1,2又は3記載の磁界センサ。4. The magnetic field sensor according to claim 1, wherein the intermediate layer is made of Cu or a Cu alloy.
は4 〜9nm とし、前記中間層の厚さを1.5 〜5nm 好まし
くは2 〜3nm とすることを特徴とする請求項1,2,3
又は4記載の磁界センサ。5. The ferromagnetic layer has a thickness of 2.5 to 10 nm, preferably 4 to 9 nm, and the intermediate layer has a thickness of 1.5 to 5 nm, preferably 2 to 3 nm. , 3
Alternatively, the magnetic field sensor according to item 4.
界センサを具える磁気ヘッド。6. A magnetic head comprising the magnetic field sensor according to claim 1. Description:
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL92203203:2 | 1992-10-19 | ||
| EP92203203 | 1992-10-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07307501A true JPH07307501A (en) | 1995-11-21 |
Family
ID=8210980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5259864A Pending JPH07307501A (en) | 1992-10-19 | 1993-10-18 | Magnetic field sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07307501A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0888424A (en) * | 1994-09-20 | 1996-04-02 | Hiroyasu Fujimori | Multilayer film magnetoresistive effect element and method of manufacturing the same |
| JP2003509858A (en) * | 1999-09-10 | 2003-03-11 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Magnetoresistive detector or storage element with reduced electromagnetic switching field |
-
1993
- 1993-10-18 JP JP5259864A patent/JPH07307501A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0888424A (en) * | 1994-09-20 | 1996-04-02 | Hiroyasu Fujimori | Multilayer film magnetoresistive effect element and method of manufacturing the same |
| JP2003509858A (en) * | 1999-09-10 | 2003-03-11 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Magnetoresistive detector or storage element with reduced electromagnetic switching field |
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