RU2175455C2

RU2175455C2 - Магниторезистивный преобразователь для считывания информации с магнитных носителей

Info

Publication number: RU2175455C2
Application number: RU98122256A
Authority: RU
Inventors: О.А. Булычев
Original assignee: Институт физики металлов Уральского отделения РАН
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2001-10-27

Abstract

Изобретение может быть использовано в накопителях на жестких и гибких магнитных дисках, а также в технике цифровой видеозаписи. Преобразователь выполнен в виде распределенных вдоль одной линии магниторезистивных тонкопленочных ферромагнитных элементов. Магниторезисторы охвачены по горизонтали пленочной обмоткой. Выводы обмотки через усилитель подключены к выходу высокочастотного генератора. По вертикали магниторезисторы охвачены обмотками, электрически соединенными в последовательную цепь и подключенными к источнику постоянного тока подмагничивания. Магниторезисторы подключены через многоканальный резонансный усилитель к фазовому детектору. На другой вход фазового детектора поступает сигнал высокочастотного генератора. Применение фазовой модуляции сигнала магниторезисторов с помощью переменного магнитного поля смещения и наложенного на него перпендикулярно постоянного поля смещения позволяет повысить отношение сигнал/шум для преобразователей субмикронных размеров. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области техники считывания информации с магнитных носителей и может быть использовано в накопителях на жестких и гибких магнитных дисках в вычислительной технике, а также в технике цифровой видеозаписи.

Известно устройство считывания информации, содержащее ферромагнитный магниторезистивный элемент, выполненный в виде полосовой структуры [1]. В этом элементе для создания чувствительности к знаку поля наносят косорасположенные полосы из хорошо проводящего материала, как правило золота, чтобы ток в ферромагнитных участках протекал под углом к направлению вектора намагниченности. Недостатком данного устройства является сложность технологии изготовления элементов субмикронных размеров, так как при этом затруднительно ориентировать ось анизотропии ферромагнитных участков и точно нанести золотые полоски. Поскольку знакочувствительность обеспечивается только при небольших отклонениях вектора намагниченности от равновесного направления, то напряжение сигнала будет мало и его надежное выделение на фоне шумов будет крайне затруднительно.

Известно также устройство считывания информации с чувствительным элементом, содержащим две ферромагнитные пленки, в которых углы осей легкого намагничивания ориентированы под углом 45^o друг относительно друга [2]. Недостатком такого устройства является усложнение конструкции считывающего узла, что ведет к увеличению габаритов устройства. В результате чего понижается пространственная разрешающая способность, ограничивающая плотность записи-считывания информации. Это устройство также обладает недостатком, связанным с точным заданием направлений осей анизотропии в пленках, плоскостные размеры которых менее микрона. Применение двух пленок увеличивает крутизну преобразования по сравнению с первым устройством лишь в два раза, что недостаточно.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство, описанное в [3]. Магниторезистивный считывающий узел данного преобразователя представляет собой равномерно расположенные в линию ферромагнитные пленочные магниторезисторы с осью легкого намагничивания, перпендикулярной направлению протекания тока в них. Направление протекания тока совпадает с осью вектора напряженности магнитного поля носителя информации, которое требуется считывать. Магниторезисторы напылены на диэлектрический слой, под которым находится пленочный токопроводящий слой для создания постоянного поля смещения, направление которого совпадает с осью вектора поля носителя. Устройство прототипа работает следующим образом: постоянный ток, пропускаемый по токопроводящему слою, создает на каждом магниторезистивном элементе магнитное поле, которое в результате взаимодействия с полем анизотропии пленки устанавливает направление намагниченности пленки магниторезистора под углом Q=45^o относительно направления протекания тока через него. Если на магниторезистор действует поле носителя в направлении, совпадающем с полем смещения, то угол уменьшается, сопротивление пленки увеличивается и увеличивается падение напряжения на магниторезисторе, которое означает, что считан бит информации - логическая 1. Если поле носителя направлено противоположно относительно поля смещения, то это приведет к увеличению угла, и следовательно, к уменьшению электрического сопротивления и уменьшению падения напряжения на магниторезисторе, которое означает, что считан бит информации - логический 0. Недостатком этого указанного преобразователя является: необходимость задания в пленочных магниторезистивных элементах направления оси легкого намагничивания, что технологически осуществить затруднительно для элементов размерами менее микрона, и это препятствует созданию микроминиатюрных считывающих устройств для повышенной плотности записи информации магнитным методом. Для создания знакочувствительности используется поле смещения постоянного тока, разворачивающее вектор намагниченности пленки под углом 45^o относительно направления протекания тока в магниторезистивном элементе. Для этого необходимо подавать поле смещения H_o порядка поля анизотропии пленки H_k, которое должно быть сравнимо с величиной поля рассеяния носителя H_n, в противном случае, если H_n >> H_k, то это приведет к потере определения знака поля и потере возможности отличать направление участков намагниченности носителя, а следовательно, и возможности считывания информации. Если же H_n << H_k, то угол отклонения вектора намагниченности пленки от равновесного будет очень небольшим и соответственно мал уровень выходного сигнала. Таким образом, чтобы подобрать H_n ≈ H_k, нужно получать пленки с требуемой H_k, что усложнит технологию изготовления преобразователя, и в результате выход годных изделий при производстве будет составлять небольшую часть. Тем более, что при H_n ≈ H_k в пленках возможно возникновение доменных структур, которые увеличивают уровень шумов и снижают скорость перемагнгчивания пленки. Поскольку при уменьшении размеров чувствительного элемента величина сигнала падает, то на уровне существующих шумов он становится плохо различим, а это накладывает ограничение на дальнейшую миниатюризацию чувствительного элемента.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение отношения сигнал/шум выходного сигнала и получение возможности микроминиатюризации магниточувствительного считывающего узла преобразователя для считывания информации с повышенной плотностью записи.

Поставленная задача достигается за счет технического результата, который может быть получен при использовании предлагаемого технического решения за счет применения фазовой модуляции напряжения сигнала на магниторезисторе с помощью переменного магнитного поля и наложенного на него перпендикулярного по направлению постоянного магнитного поля, величина которого обеспечивает однодоменное перемагничивание пленки.

Поставленная задача достигается тем, что в магниторезистивном преобразователе для считывания информации с магнитных носителей, включающем считывающий узел, состоящий из расположенных вдоль одной линии ферромагнитных магниторезисторов, подключенных к многоканальному источнику тока, согласно изобретению он дополнительно снабжен высокочастотным генератором с усилителем, источником постоянного тока, многоканальным резонансным усилителем и многоканальным фазовым детектором, при этом ферромагнитные магниторезисторы по горизонтали охвачены общей обмоткой, подключенной к выходу усилителя, который соединен с выходом высокочастотного генератора, а по вертикали охвачены обмотками, которые электрически соединены в последовательную цепь, подключенную к источнику постоянного тока, при этом ферромагнитные магниторезисторы одними своими концами подсоединены к многоканальному источнику тока и одновременно к входам многоканального резонансного усилителя, а другими своими концами подключены к общему проводу, выводы многоканального резонансного усилителя подключены к первым входам многоканального фазового детектора, а вторые его входы объединены между собой и подключены к выходу высокочастотного генератора.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что отличие заключается в том, что магниточувствительный узел выполнен в виде линейки магниторезисторов, охваченных по горизонтали общей одновитковой обмоткой, а каждый в отдельности - вертикальной одновитковой обмоткой, а также содержит высокочастотный генератор с усилителем, многоканальный резонансный усилитель и многоканальный фазовый детектор.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "новизна ".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование обшей горизонтальной обмотки и вертикальных обмоток позволяет тем самым обеспечить чувствительность к знаку поля в магниторезистивном элементе с помощью сравнения фаз электрических колебаний опорного генератора и напряжения на магниторезисторе независимо от параметров полученных пленок, так как поля, создаваемые обмотками и носителем информации, более, чем на порядок превышают поле анизотропии пленки. Поэтому в преобразователе данного типа не нужно точно задавать направление оси анизотропии и ее величину, что позволяет изготовлять магниторезисторы меньших размеров. Поскольку пленка находится в полях, превышающих поле анизотропии, то она всегда находится в однодоменном состоянии, а это исключает появление шумов доменных стенок. Использование фазовой модуляции и резонансного усиления позволяет повысить уровень сигнала, что в результате повышает отношение сигнал/шум при малых размерах пленок и получении высокой пространственной разрешающей способности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема магниторезистивного преобразователя и конструкция магниточувствительного узла; на фиг. 2 изображены действующие магнитные поля на отдельный магниторезистор при помещении его над носителем информации; на фиг. 3 изображены временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя.

Устройство по фиг. 1а содержит магниточувствительный узел (фиг. 1б) из ферромагнитных проводящих пленочных магниторезисторов 1 прямоугольной формы, расположенных равномерно в одну линию, причем по горизонтали они охвачены одновитковой пленочной обмоткой 2 и каждый в отдельности вертикальными одновитковыми пленочными обмотками 3, электрически соединенными в последовательную цепь (фиг. 1 а); концы обмотки 2 соединены с выходом усилителя 4, который подключен к выходу генератора высокочастотных колебаний 5, а концы обмотки 3 - к источнику постоянного тока 6; магниторезисторы 1 одними концами соединены с общим проводом, а другими - с входами многоканального резонансного усилителя 8 и выходами многоканального источника стабильного тока 7; выходы каналов резонансного усилителя 8 соединены с первыми входами многоканального фазового детектора 9, а вторые входы объединены и подключены к выходу генератора 5; выходные сигналы снимаются с выходов многоканального фазового детектора 9.

Устройство работает следующим образом. Поскольку все каналы преобразователя работают параллельно и идентично друг другу, то рассмотрим работу одного из них. Магнитное поле рассеяния от носителя с перпендикулярной записью сигнала (при поперечной записи плоскость магниточувствительного узла параллельна поверхности носителя) ориентирует вектор намагниченности пленки магниторезистора 1 в одном из направлений вверх или вниз (фиг. 2) в зависимости от значения записанного бита информации. Положим первоначально, что вектор участка носителя с битом информации ориентирован вверх (фиг. 2а) и на магниторезистор действует поле

(фиг. 2а) в положительном направлении (фиг. 3а). Высокочастотные колебания (фиг. 3в) с генератора 5 через усилитель 4 формируют в обмотке 2 переменный ток прямоугольной формы, который создает на магниторезисторе знакопеременное магнитное поле

(фиг. 2а), проекция которого на вертикальную ось изменяется как показано на фиг. 3г, а в обмотку 3 от источника тока 6 поступает постоянный ток, который создает постоянное поле

(фиг. 2а), ориентированное перпендикулярно переменному, причем амплитуда переменного поля и величина постоянного поля должны удовлетворять следующим соотношениям:

Когда переменное поле имеет положительное значение, которое совпадает с направлением поля рассеяния от носителя, вектор намагниченности пленки магниторезистора

будет ориентирован под наибольшим углом относительно направления протекания электрического тока (фиг. 2а), а электрическое сопротивление будет минимальным (магниторезистивный эффект в ферромагнетиках). Когда переменное поле имеет отрицательное значение, оно компенсирует поле носителя

и вектор намагниченности

ориентируется вдоль направления постоянного поля

Направление вектора намагниченности магниторезистора

совпадает с направлением протекания тока и его сопротивление максимально. Поскольку магниторезистор подключен к источнику стабильного тока, то падение напряжения U_пл на нем будет изменяться с частотой, соответствующей частоте переменного поля, а фаза будет отличаться на 180^o (фиг. 3д). После усиления этого напряжения соответствующим каналом резонансного усилителя 8 оно поступает на первый вход соответствующего канала фазового детектора 9, где сравнивается по фазе с опорным (фиг. 3в), поступающим на второй вход фазового детектора 9 с выхода генератора 5. На выходе выбранного канала фазового детектора появится отрицательный видеоимпульс (фиг. 3е), соответствующий считанному биту информации с направлением намагниченности вверх - логический 0.

Теперь, если вектор намагниченности носителя ориентирован вниз, то на магниторезистор действует поле

(фиг. 2б), в отрицательном направлении (фиг. 3б). В этом случае, наоборот, положительное значение переменного поля

компенсирует поле носителя

а отрицательное складывается с ним и, следовательно, фаза изменения напряжения на магниторезисторе будет совпадать с опорным (фиг. 3д). На выходе фазового детектора будет положительный видеоимпульс (фиг. 3ж), соответствующий биту информации с направлением намагниченности носителя вниз - логическая 1. Аналогично, независимо друг от друга работают все остальные каналы магниторезистивного преобразователя, что позволяет получить сигнал сразу с нескольких дорожек записи одновременно без механического перемещения преобразователя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в следующем:
Применение метода с фазовой модуляцией позволяет получить сигнал с магниторезистивного элемента, который, будучи нечувствительным к знаку поля вследствие четности эффекта магнитосопротивления, становится чувствительным к направлению поля от намагниченного носителя при простейшей топологии магниторезистора и независимо от магнитных параметров пленки, что дает возможность сделать преобразователи менее микрона и повысить разрешающую способность считывания информации, а также повысить отношение сигнал/шум, так как фазомодулированный сигнал более помехоустойчив. Объединенные вдоль одной линии магниторезисторы позволяют считывать сигналы сразу с нескольких дорожек записи, а это увеличивает быстродействие преобразователя при высокой разрешающей способности, которое обеспечит применение носителей с более высокой плотностью записи информации.

ЛИТЕРАТУРА
1. Feng. Magnetic self-bias in the barber pole mr structure, IEEE Trans. , 1977, v. MAG-13, N5, p. 1466-1468.

2. L. N. He, Z. W. Wang, and other. Estimation of Track Misregistration by Using Dual-Stripe Magnitoresistive Heads, IEEE Trans., 1998, Vol 34, N4, p 2348- 2355.

3. R.Minakata, T.Komoda, T.Nakamura, K.Nakai and T.Kira, Thin Film Heads for Digital Multi-Channel Recorder, IEEE Trans., 1994, Vol 30, N2, p243-249.

Claims

Магниторезистивный преобразователь для считывания информации с магнитных носителей, включающий считывающий узел, состоящий из расположенных вдоль одной линии ферромагнитных магниторезисторов, подключенных к многоканальному источнику тока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит высокочастотный генератор с усилителем, источником постоянного тока, многоканальным резонансным усилителем и многоканальным фазовым детектором, при этом ферромагнитные магниторезисторы по горизонтали охвачены общей обмоткой, подключенной к выходу усилителя, который соединен с выходом высокочастотного генератора, а по вертикали охвачены обмотками, которые электрически соединены в последовательную цепь, подключенную к источнику постоянного тока, при этом ферромагнитные магниторезисторы одними своими концами подсоединены к многоканальному источнику тока и одновременно к входам многоканального резонансного усилителя, а другими своими концами подключены к общему проводу, выводы многоканального резонансного усилителя подключены к первым входам многоканального фазового детектора, а вторые его входы объединены между собой и подключены к выходу высокочастотного генератора.