自旋转矩振荡磁致电阻传感器和磁致电阻多传感器阵列

摘要

本发明提供一种自旋转矩振荡磁致电阻传感器和磁致电阻多传感器阵列。自旋转矩磁致电阻传感器具有非常小的间隙厚度。该传感器通过测量传感器的磁层中的自旋转矩引发的磁振荡的频率改变来检测磁场的存在。该传感器包括通过其间薄的非磁耦合层反平行耦合的一对自由磁层。该传感器不包括被钉扎层结构或者相关的AFM钉扎层，这允许该传感器构造得远薄于现有技术传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及用于数据记录的磁头，更特别地，涉及使用自旋转矩引起的磁振荡变化来检测磁场的传感器。

背景技术

计算机长期存储的核心是称为磁硬盘驱动器的组件。磁硬盘驱动器包括旋转磁盘，被悬臂悬吊地邻近旋转磁盘的表面的写和读头，以及摆动悬臂以将读和写头置于旋转盘上的选定环形道上方的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。悬臂朝向盘的表面偏置滑块，当盘旋转时，邻近盘的空气与盘表面一起移动。滑块飞行于盘表面上方在该移动空气的垫上。当滑块骑在空气承垫上时，写和读头被用于写磁转变到旋转盘和从旋转盘读取磁转变。读和写头连接到根据计算机程序操作的处理电路从而实施写和读功能。

写头传统上包括穿过磁轭的线圈，磁轭包括写极和返回极。传导到线圈层的电流引发极片中的磁通，这导致写场从写极发射以用于在移动介质上的道例如旋转盘上的环形道中写磁转变。

传统上，传感器诸如GMR或TMR传感器已被用于检测来自旋转磁盘的磁场。这些传感器使用自旋阀磁设计，包括夹在称为被钉扎或参考层和自由层的第一和第二铁磁层之间的非磁导电间隔层或者非磁绝缘势垒层。第一和第二引线连接到传感器以用于通过其传导检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎得垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩定位得平行于ABS，但是响应于外磁场自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层交换耦合而被钉扎。

当被钉扎层和自由层的磁化彼此平行时，电子通过层的堆叠的传导或隧穿被最大化，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，总体电导率减小。传导或隧穿的变化基本与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层和自由层的磁化之间的角。当读取存储的信息时，传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的幅度大致成比例地改变。当检测电流流过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测且处理成回放信号。

为了增大数据密度，制造商一直努力降低磁致电阻传感器的尺寸。例如，降低传感器的道宽以适应盘上更多的数据道以及降低传感器的间隙厚度以增大数据线密度。然而，随着自旋阀传感器不断变小，它们达到这样的程度，即传感器不稳定性和噪声使传感器不能实用于在记录所需带宽上实现足够高的信噪比。例如，温度导致的铁磁层的波动引起的磁噪声能将非常小的传感器的信噪比降低到这样的传感器不能有效用于以足够的确定性读取信号的程度。在磁隧道结传感器中，散粒噪声(shot noise)导致的额外噪声进一步增大噪声，由此降低总体信噪比且使MTJ传感器不适于超高密度记录。因此，存在对能制造得非常小以用于以非常高的数据密度读取的传感器设计的持续需求。

发明内容

本发明提供一种自选转矩振荡磁致电阻传感器，包括第一和第二磁层以及夹在第一和第二磁层之间的非磁层，该非磁层具有足以反平行耦合第一和第二磁层的厚度。该传感器还包括用于使检测电流流过第一和第二磁层以及间隔层的电路。该检测电流激发该第一和第二磁层的磁化中的由自旋转矩引发的振荡，其中振荡频率响应于磁场的存在而改变。

磁层不被钉扎，而是具有由于来自穿过磁层的电子的自旋转矩而自由振荡的磁化。传感器通过消除对被钉扎层结构的需要和消除对相关的AFM钉扎层的需要而实现非常小的间隙厚度。

当适当信号和大小的电流通过传感器的层时，自旋转矩力使磁层的磁化以进动方式振荡。振荡的频率响应于磁场的存在而改变。振荡使各磁化相对于彼此移动，这导致传感器的电阻改变。通过测量电阻改变，连接到传感器的电路能确定振荡频率的改变，由此检测磁场的存在。

本发明的这些和其他特征和优点将通过结合附图阅读下面对优选实施方式的详细描述而变得显然，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。

附图说明

为了充分理解本发明的本质和优点以及优选使用模式，请结合附图参考下面的详细描述，附图不是按比例的。

图1是其中可体现本发明的盘驱动系统的示意图；

图2是沿图1的线2-2取得的滑块的ABS视图，示出其上磁头的位置；

图3是根据本发明一实施方式的传感器的示意性ABS视图；

图4是关于相邻磁介质示出的图3的传感器的侧横截面示意图；

图5是根据本发明另一实施方式的传感器的示意性ABS视图；

图6是关于相邻磁介质示出的图5的传感器的侧横截面示意图；

图7是对于施加有恒定磁场的一般自旋阀结构，自由层磁化对时间的模拟时域(time domain)曲线图；

图8是从图7变换的自由层磁化对时间的频域曲线图；

图9是曲线图，示出对于图7和8中示出的相同结构，自由层磁化振荡对外磁场幅度变化的模拟响应；

图10是根据本发明一备选实施方式的自旋转矩振荡多传感器结构的示意图；以及

图11是根据本发明另一备选实施方式的自旋转矩振荡多传感器结构的示意图。

具体实施方式

下面的描述是关于当前构思的用于实施本发明的较佳实施方式。进行该描述以示出本发明的一般原理且无意限制这里要求保护的本发明概念。

现在参照图1，示出体现本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112被支承在心轴114上且被盘驱动马达118旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上的同心数据道(未示出)的环形图案的形式。

至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支承一个或更多磁头组件121。当磁盘旋转时，滑块113在盘表面122上径向进出移动，从而磁头组件121可访问磁盘的写有所需数据的不同道。每个滑块113借助于悬臂115连接到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，其偏置滑块113倚着盘表面122。每个致动器臂119连接到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括可在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度受控制器129提供的马达电流信号控制。

在盘储存系统的操作期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生对滑块施加力的气垫。因此在正常操作期间气垫平衡悬臂115的轻微弹力且支持滑块113离开盘表面且以一小的基本恒定的间距稍微在盘表面上方。

盘存储系统的各种部件在操作上被控制单元129产生的控制信号诸如存取控制信号和内部时钟信号所控制。通常，控制单元129包括逻辑控制单元、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制各种系统操作的控制信号诸如线123上的驱动马达控制信号和线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供期望的电流曲线以最佳地移动和定位滑块113到盘112上的期望的数据道。写和读信号借助于记录通道125传到写和读头121且从写和读头121传出。

参照图2，可以更详细地观察滑块113中磁头121的取向。图2是滑块113的ABS视图，可以看出，包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的拖尾边缘。上面对普通磁盘存储系统的描述以及附图1的图示仅用于示范。应显然的是，盘存储系统可包含多个盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。

现在参照图3和4，磁致电阻传感器302示为能利用自旋转矩振荡来检测局域磁场。图3示出从气垫面(ABS)观察时的传感器302。图4示出传感器302的侧横截面图且还示出具有记录的“位”404的磁转变的磁介质402。

磁致电阻传感器包括夹在第一和第二磁屏蔽件306、308之间的传感器堆叠304，第一和第二磁屏蔽件306、308能由导电磁材料诸如NiFe制成从而它们能用作电引线和磁屏蔽件。传感器堆叠包括被钉扎层结构310、自由层312和夹在自由层312与被钉扎层结构310之间的非磁层314。非磁层314可以是非磁导电间隔层诸如Cu或者可以是薄的非磁电绝缘势垒层。盖层328诸如Ta可形成在传感器堆叠304的顶上。

被钉扎层结构可以包括磁被钉扎层316、参考层318和夹在被钉扎层316和参考层318之间的非磁反平行耦合层320。被钉扎层316和参考层318能由材料诸如CoFe构成，反平行耦合层320能由材料诸如具有约10埃厚度的Ru构成。被钉扎磁层316能与反铁磁材料AFM层322交换耦合，反铁磁材料AFM层322可以是材料诸如IrMn、PtMn或某些其他合适的反铁磁材料。AFM层322与被钉扎层316之间的交换耦合沿与ABS垂直的第一方向(如箭头尾标324所示)强地钉扎被钉扎层的磁化。被钉扎层316和参考层318之间的强的反平行耦合沿垂直于ABS的第二(反平行)方向(如箭头头标326所示)钉扎参考层的磁化。

在一实施方式中，自由层312具有如箭头330所示基本平行于ABS偏置的磁化。偏置能通过第一和第二硬磁偏置层332、334提供，第一和第二硬磁偏置层332、334能布置在传感器堆叠304的两侧。偏置层332、334通过绝缘层336与传感器堆叠304分隔开且与引线306中的至少一条分隔开。备选实施方式可包括沿其他方向诸如基本垂直于ABS取向的自由层。

当一个磁层产生的高电流密度的自旋极化电子撞在第二磁化层上时，观察到自旋转矩效应，其通过称为自旋转移(spin transfer)的机制动态地激发第二层的磁化，如J.C.Slonczewski，JMMM 159，L1 1996描述的那样。这里，通过铁磁体的电子倾向于使其自旋平行于铁磁体的磁化排列，丧失自旋角动量的垂直于磁化的任何分量。为了角动量守恒，则极化电流必须施加转矩在磁化上。例如，在图3和4所示的电子从参考层318经非磁层314流到自由层312的情形中，流经参考层318的电子的自旋被参考层318的磁化326极化。这些极化的电子然后能施加转矩到自由层磁化312，产生自旋波，自旋波根据各种系统参数(诸如传感器形状、各向异性、层材料和厚度、以及施加的电流和磁场)导致无序磁化动态(噪声)或集体激发(振荡)。

自旋转矩引发的噪声在传感器中是不期望的，已经努力来减小或消除它。相反，自旋转矩振荡已被视为用于通讯应用的可能微波源，例如，如W.H.Rippard et al.，PRL 92 027201(2004)论述的那样。这些振荡包括沿铁磁体的平衡轴(equilibrium axis)的自旋转矩激发磁化进动。例如，参照图3和4，磁化330的进动或振荡由箭头338表示。注意，尽管被钉扎层磁化受到与反铁磁层的交换各向异性的约束，但是当所施加的电流密度高得足以在被钉扎层中产生自旋转矩激发时，被钉扎层的磁化也可能振荡且贡献给传感器信号。

已发现，该进动的频率(振荡频率)随所施加的磁场而移动(S.I.Kiselev et al.，Nature 425，380(2003)，W.H.Rippard et al.，PRL 92027201(2004))。对于合适选择的传感器材料和几何构型，该移动可以非常大。高达180GHz/T的频移已得到证实，更高的值是可能的(N.Stutzke，et al APL 82，91(2003))(O.Boulle et al.，Nature Phys.3，492(2007))。本发明利用这些频移来检测磁记录介质的磁位引发的自由层338处的磁场改变。

鉴于此，传感器302经引线340、342连接到处理电路344。引线340、342能与屏蔽件/引线层306、308连接，使得一条引线340与一条引线/屏蔽层308连接，而另一条引线342与另一条引线/屏蔽层306连接。处理电路344发送检测电流通过传感器堆叠304，且还测量越过传感器堆叠304的电阻。本领域技术人员将意识到，越过间隔层或势垒层314的电阻随着自由层312的磁化330相对于参考层316的磁化326的取向改变而改变。这些磁化330、326越接近平行，电阻越低。相反，这些磁化330、326越接近反平行，电阻将越高。

参照图4，磁介质402的磁转变404引起磁化330的振荡338的频率的上述改变。随着磁化330振荡，该振荡的频率能通过电路344测量越过传感器堆叠304的电阻的改变而被测量。因此，先前对于标准GMR或TMR传感器是信号噪声的主要贡献和传感器尺寸减小的限制因素的自旋转矩振荡现在被有利地用来测量磁场以极小的位尺寸的存在。

对于具有20GHz固有频率(nature frequency)的以200GHz/T改变的自旋转矩振荡338，来自磁介质402中的转变404的50mT的磁场摆动将导致10GHz的振荡338频移，从15GHz到25GHz。在每秒1Gbit的数据速率，传感器经过一种极性的记录位时自旋转矩振荡将进动约15次，传感器经过相反极性的记录位时自旋转矩振荡将进动约25次。

自旋转矩振荡器302的信号和信噪比能与以常规GMR模式操作的类似传感器相比。可以假设，加性高斯白噪声(AWGN)的量和峰峰信号幅度能保持相同。于是与常规GMR传感器相比，可以预期纯来自自旋转矩振荡器302的更大效率的6dB信噪比优势。

在自旋转矩振荡器(STO)传感器的优选实施方式中，随着所施加的磁通从最负扫到最正，自旋转矩振荡器在比磁通信号本身的带宽更大的频率范围上被扫描。磁通对STO的该宽带调制使系统更耐受约翰逊(Johnson)噪声和磁噪声引起的扰动。假定STO在至少2Fb/π的带宽上被扫描，其中Fb是系统的数据速率，则解调信号中的净头噪声和电子噪声将小于类似设计的常规GMR传感器中的相同来源引起的噪声。

随着STO的调制进一步增大，解调信号中的净头和电子噪声减小。由于频率调制的系统一般使用相检测系统，所以对STO频率能被调制多少有重要的实际限制。一个重要考虑是随着调制深度(定义为频率范围对最大频率的比)增大，相检测器的输入处的信号的带宽必须相应地增大，且因此相检测器的输入处的SNR减小。SNR非常低时，相检测器的输入处的噪声可足以改变总体信号的符号。该符号改变被相检测器理解为180度相变且在相检测器的输出处产生非常大的噪声脉冲。在实践中，在相检测器的输入处的噪声功率必须维持在是信号功率的至多五分之一从而保持符号改变的可能性小于1e-6。在良好设计的系统中，STO的调制将足以确保Johnson噪声和磁噪声的影响与STO中的相噪声相比小到可忽略，同时不大到允许噪声使相检测器的输入处的信号极性翻转。

此外，通过使共振自由层312的各向异性增大，由于更稳定的自由层312，可以预期甚至更大的信噪比改善，这还将减小磁化330的热波动，大大减小磁噪声。为了进一步示出自旋转矩振荡器302的性能优点，假定一般的记录位的道，其中T50＝T，T50指的是磁通从其全范围的25％上升到75％所需的时间，T指的是读或写位所需的时间。将读长磁体的常规GMR传感器和读嵌入数据位的相同传感器与读相同两数据组的自旋转矩振荡器相比，使用自旋转矩振荡器的两读取信号之间的均方差是使用常规GMR传感器的读取信号之间的均方差的约4倍大。

可以评估从自旋转矩振荡器302预期的信噪比并将其与常规GMR传感器比较。现有技术GMR传感器的信噪比在约27至33dB的范围。随着记录进入TB/in²时代，对传感器SNR的要求可能保持这么高或者甚至增大到35dB。磁阻传感器中的信噪比定义为SNR＝10Log₁₀(Signal_(0-ρ)²/噪声功率)，其中Signal_(0-ρ)是基到峰信号(base-to-peak signal)。对于自旋转矩振荡器传感器302，基到峰信号功率由能从最大介质场预期的频率调制的量确定。噪声功率由频率的均方波动确定。

假定谱线是高斯型，则FWHM为约2.35西格玛(sigma)且30dB的信噪比将大致对应于约13∶1的线宽调制深度比，而40dB将对应于42∶1的比。这将意味着为了实现40dB且加或减5GHz深度的调制，将需要小于234MHz的线宽。对于加或减250MHz的调制，线宽将必须小于12MHz。对谱线宽度有作用的相噪声有两个来源，两者都源自热波动：它们是沿着和垂直于自旋运动的波动(速度噪声和角噪声)。速度噪声由Δf_L＝(4πλγαk_BTn²)/(M_sVD²)给出，其中γ是回磁比(gyromagnetic ratio)，α是吉尔伯特阻尼参数，K_B是玻尔兹曼常数，M_s是磁化，V是体积，D是单位球面上的进动的度(degree)，n是模指数(mode index)。对于室温下的一般材料，这为约24MHz，与如果STO调制深度是5-10GHz时实现高SNR所需的线宽相比小很多。

角噪声由Δf_t＝n(df/dθ)Δθ给出，其中对于一般材料和器件，df/dθ的估计值为约35MHz/度(J.Sankey et.al.，Phys.Rev B 72，224427(2005))。可以估计热浴(thermal bath)中静态自旋系统的来自热激励的角波动。这里给出对进动角热影响的预期改变的这样的非常粗略的估计。系统的能量可以估计为E(θ)＝KM_SV(sinθ)²，其中θ是磁化从其平衡位置旋转的角，其并不准确地是从进动轨道的波动，但对于本估计而言足够接近，M_s是磁化，K是各向异性。将这代入阿列纽斯(Arrhenius)定律表达式并对于小角利用(sinθ)²等于θ²，在离其平衡的角θ处发现磁化的可能性是具有均数0和标准偏差[sqrt(k_Bt/2E₀)]的高斯型，其中E₀是与平均波动角θ₀对应的能量。注意，能量势垒E₀为约E(π/2)＝KM_SV/2。

对于若干不同尺寸的传感器，可以评估与若干能量势垒(以eV或各向异性场表示)对应的波动角：

可以发现，对于具有可能用在TB/in²或更高数据密度的尺寸的传感器，可能的频率波动将在约200MHz。通过上述考虑，该角噪声对频率噪声的贡献将占优势。基于上述估计，对于具有10GHz频率调制的传感器，总体系统信噪比将为约40dB。频率角df/dθ的频率相关性依赖于传感器的材料和形状，因此有改善该项以进一步增大SNR或者减小传感器操作点处的频率(且因此电流)的空间。

通过选择具有更高各向异性的自由层，可以大地减小磁噪声(mag-noise)，从而进动磁化的速度噪声和角噪声将主导噪声。特别地，来自磁噪声的噪声功率为P_magnoise≈k_BTPR_P(ΔR/R)²α/H_stiff2γM_SD²T_free，其中k_B是玻尔兹曼常数，T是温度，P是传感器消耗的功率，R_P是传感器电阻，ΔR/R是磁致电阻，α是吉尔伯特阻尼常数，H_stiff是传感器的劲度场(stiffness field)(包括单轴和形状各向异性)，γ是回磁比，M_s是饱和磁化，D是传感器的一侧，t_free是自由层厚度。因此，各向异性增大到三倍将导致磁噪声减小到约十分之一。

为了示出本发明的方面，可以考虑若干简单磁系统。图7和8示出自旋转矩如何激发稳态磁化进动。图7和8的曲线图模拟在5E7A/cm²电流密度的自旋极化电流施加的自旋转矩以及沿椭圆的长轴取向的不随时间变化的100Oe磁场的影响下的40nm×120nm×5nm厚的椭圆纳米磁体。在磁化振荡幅度(图7的曲线图绘示磁化的x分量)升高的初始短暂时间段之后，达到稳态进动，其在快速傅立叶变换后展现在良好定义的频率处的清晰的谱峰，如图8所示。

上述自旋转矩振荡器的一个缺点在于被钉扎层结构310和钉扎AFM层322消耗大量间隙预算(即屏蔽件306、308之间的距离)。在更小位尺寸的推动下，需要大幅减小该间隙以降低数据的位长度且由此增大数据密度。上述自旋转矩振荡传感器受限于厚度，类似于常规GMR或TMR传感器的厚度。传感器堆叠不能合理地制造得薄于约20nm。面密度在1Tb/in²以上时，间隙必须小于20nm，期望构造能缩小到约10nm或更小间隙厚度的传感器。

图5和6示出根据本发明一实施方式的自旋转矩振荡传感器，其能实现这样的小间隙厚度，因为上述AP耦合被钉扎层结构和厚AFM钉扎层(图4中的310、322)被去除。图5示出具有传感器堆叠504的自旋转矩振荡传感器502，传感器堆叠504包括通过薄的反平行耦合层510彼此分隔开的第一和第二自由层506、508。传感器堆叠504还可包括在传感器堆叠的底部的籽层结构512和在传感器堆叠的顶部的盖层诸如Ta 514，籽层结构512能设置来确保上面形成的层中的期望的晶体结构，盖层514用于在制造期间保护传感器堆叠的其他层。

传感器堆叠504夹在第一和第二磁屏蔽件516、518之间，第一和第二磁屏蔽件516、518由导电材料构成从而它们能用作导电引线和磁屏蔽件。磁屏蔽件516、518之间的距离定义读间隙G，读间隙G又定义能被传感器读取的数据位的长度。传感器堆叠504之外的在屏蔽件516、518之间的区域可以填充有非磁填充层507诸如氧化铝。

继续参照图5，反平行耦合层510非常薄，具有强地反平行耦合两个自由层506、508的厚度。反平行耦合层510能由材料诸如Ru、Cu、Ir或能提供反平行耦合的某些其他合适的非磁导电材料构成。反平行耦合层510的厚度可以在2至8埃之间。然而，期望厚度取决于用于层510的材料。此外，该层应是导电的且具有充分低的自旋散射(如可以源自自旋轨道散射)，从而从一层到另一层的电流的极化基本不减小。磁自由层506、508能由磁材料诸如CoFe、Co、NiFe或这些材料的组合构成，或者由本领域已知的适于GMR和TMR磁致电阻器的任何其他自由层构成。为了在该反铁磁耦合系统中实现磁振荡，期望磁层之一506具有比另一磁层508更大的磁矩。磁矩能定义为磁层的物理厚度乘以构成该层的材料的饱和磁化的乘积。作为示例，磁层506、508能由相同或类似磁材料构成，一层506具有约4nm的物理厚度，另一层508具有约2nm的物理厚度(即一层能是另一层的两倍厚，产生约2倍的磁矩)。

如上所述，磁层506、508反平行耦合从而具有沿相反方向取向(即彼此反平行)的磁化522、524。磁层506、508能构造得使得在静止态时它们具有垂直于气垫面ABS取向的磁各向异性，尽管其他取向也能工作。这能在图5中且更特别地在图6中看出。

磁传感器502能通过引线340、342与处理电路344连接，引线340、342连接处理电路344和屏蔽件/引线516、518。电路传送检测电流沿垂直于层平面的方向通过传感器堆叠504。由于作用在层506、508的磁化上的自旋转矩力，该电流使磁化522、524振荡。这些自旋转矩引发的振荡由图5和6中的曲线箭头526、528表示。这些振荡如上所述地发生，如更前面描述的那样以进动或圆锥方式移动。亦如前所述，该进动振荡以响应于磁场而变化的频率发生。

然而，与前面描述的实施方式相反，两个反平行耦合的磁层的磁化同时振荡。层506、508反平行耦合时，它们的磁化相对于与耦合层510平行的平面以剪刀方式(scissor fashion)振荡。因此，在该振荡期间，磁化522、524进入或离开彼此反平行的状态。这导致跨过传感器堆叠504的电阻改变，其具有响应于磁场和相邻磁场的频率。其中两层的磁化显著移动的剪刀状运动非常不同于前面描述的STO传感器的运动，在STO传感器的运动中，自由层运动大且被钉扎层磁化基本不动。

作为示例，如果传感器用在诸如上面参照图1描述的数据记录系统中，则将有与传感器502的ABS表面相邻的磁介质402。该磁介质能写有磁转变404，磁转变404能基本垂直于磁介质取向，如图所示。当每个磁位404经过传感器堆叠504时，振荡526、528的频率响应于来自介质的磁场而改变，该振荡频率的改变能作为越过传感器堆叠504的电阻改变频率的改变而被电路344检测到。

本发明的当前描述的实施方式的主要优点在于间隙厚度G与被钉扎层结构和AFM钉扎层相比大大减小。本领域技术人员将意识到，为了使AFM层用作钉扎层，它必须相对于其它层而言非常厚。因此，与常规GMR或TMR传感器的20nm或更大的间隙厚度相比或者与上面参照图3和4描述的自旋转矩传感器相比，通过如上面参照图5和6所述地构建自旋转矩传感器，传感器能制造得具有仅约7-9nm的间隙G。

在图9的曲线图中，以上示例的DC场被AC磁场(峰到峰400Oe)代替以模拟被硬盘驱动介质激励的自旋转矩振荡传感器的响应。这里，进动层假定具有1000Oe的各向异性场。可以看出，对于磁介质的普通激励场能产生持久的磁化振荡。此外，由于这些振荡的固有频率(大约10GHz左右或更大)远高于500MHz AC场频率，所以在一个数据周期中实现多个测量循环不是问题。

对场扫过最正或最负的次数加以关注，在进动频率和幅度两者上可以观察到对激励场的不同且可测量的响应。通过测量这两类区域中的周期，可以获得正和负峰之间约3.5GHz的自旋转矩振荡器中的频移。注意，如果检测仅通过GMR或TMR型传感器结构(其电阻随进动层和磁化固定的参考层的磁化之间的角度的余弦改变)进行，则信号频率和频移相对于进动频率翻倍。

图10示出本发明的另一实施方式。相邻道干扰是对非常高数据密度(例如非常小的道宽)的数据道的读取的严重挑战。解决该挑战的一途径在于构造多传感器，其中中央传感器读取期望的道，在中央传感器两侧的第一和第二传感器用于读取相邻道信号从而这些信号可以被消去。然而，为了使这样的结构有效，侧传感器必须非常接近中央主传感器。如果使用常规传感器诸如GMR或TMR传感器，则必须为每个传感器提供单独的引线结构。这使得这样的多传感器结构的使用在功能读头中不实用。光刻构图极限限制了这些引线的尺寸和间隔能减小的量。此外，头上可用空间(有效面积(real estate))的量是有限的，使得用于这些传感器中的每个的各种引线不能安装到头上。

如图10所示，本发明克服了该挑战，使得多传感器的使用非常实用。如图10所示，多层传感器结构1002包括多个传感器堆叠1004、1006、1008。传感器结构1002在图10中示出为在与气垫面(ABS)平行的平面中观察。因此，传感器结构1002能包括用于读取期望数据道的中央主传感器堆叠1006。结构1002还包括第一和第二侧传感器1004、1008，其能用于检测相邻的数据道。传感器堆叠1004、1006、1008能通过窄间隙1010、1012分隔开，窄间隙1010、1012能填充以非磁绝缘材料诸如氧化铝。传感器结构还包括第一和第二引线1014、1016，其能由导电磁材料构成从而它们能用作磁屏蔽件以及电引线。

传感器堆叠1004、1006、1008中的每个能以各种方式构造从而每个形成磁致电阻传感器单元。作为示例，每个传感器堆叠1004、1006、1008能包括通过薄的反平行耦合层510分隔开的磁层506、508，类似于图5和6所示的结构。此外，类似于图5和6所示的结构，传感器元件1004、1006、1008每个可包括籽层512和盖层514。

如上所述，现有技术传感器结构需要用于每个传感器堆叠的单独的引线结构，使得多传感器结构实际上不可行。然而，本发明利用自旋转矩振荡(如上所述)来检测磁场的存在，由此完全消除了对于单独的引线结构的需要。

可以看出，每个传感器堆叠1004、1006、1008共用公共底引线1014和公共上引线1016。因此，传感器1004、1006、1008彼此并联连接。每个传感器能构造得使它被调节到不同的固有谐振频率(没有磁场存在时)。这能通过调节每个传感器堆叠1004、1006、1008的各种层的尺寸、形状和/或成分来实现。

因为每个传感器堆叠1004、1006、1008具有不同的固有振荡频率，所以来自每个传感器堆叠的信号能被电路1018处理，电路1018能处理来自公共引线1014、1016的每个传感器堆叠1004、1006、1008的信号。电路能基于传感器堆叠1004、1006、1008的不同固有振荡频率而将来自传感器堆叠1004、1006、1008的每个的信号区别开。

图11示出本发明一实施方式，其中多个传感器元件串联地电连接以减轻相邻道干扰。多传感器结构1100包括多个传感器堆叠1004、1006、1008，其能并排布置于传感器阵列中。传感器堆叠1004、1006、1008能布置得使中央传感器1006读取感兴趣的期望数据位且能被视为主传感器。其他传感器堆叠1004、1008能布置来读取相邻道。

这些传感器元件之一的一个表面(例如传感器元件1008的顶表面)能与第一引线/屏蔽层1102连接，第一引线/屏蔽层1102能经引线1106连接到处理电路1104。传感器元件1008的另一端(例如底端)可与引线/屏蔽层1108连接，引线/屏蔽层1108还与中传感器元件1006的端部连接。中传感器元件1006的另一端能与第三引线/屏蔽层1110连接，第三引线/屏蔽层1110连接还与传感器元件1004的末端连接。传感器元件1004的另一端又能与引线/屏蔽件1112连接，引线/屏蔽件1112能经引线层1114与处理电路1104连接。虽然具有其他连接方案的其他实施方式也是可行的，但是上述实施方式示出了本发明如何能用来串联连接并排传感器元件以读取相邻道。

传感器堆叠1004、1006、1008经引线层1102、1108、1110、1112串联连接到处理电路1104，处理电路1104能区分并处理来自每个传感器堆叠的信号。对于以上示例，传感器堆叠1004、1006、1008能构造得使每个传感器堆叠具有独特的固有自旋转矩振荡频率。以此方式，电路能区别开来自每个传感器堆叠的信号。来自传感器堆叠1004、1008的信号能用于检测来自相邻道的信号。电路于是能取消来自这些相邻道的信号以消除相邻道干扰并隔离中央传感器元件1006读取的来自期望道的信号。

此外，具有被钉扎层的STO传感器堆叠(其一般具有更低的振荡频率)能与体现本发明的堆叠(一般具有更高的振荡频率)组合在具有宽的操作频率范围的多传感器中。

还应理解，该传感器能作为检测器包括在用于成像磁场的空间分布的扫描探针系统中，且也用作用于与生物材料组合的磁结构的检测的传感器，如在用于标有生物分子的磁珠的计数的装置中。

虽然上面已经描述了各种实施方式，但是将理解，它们仅以示例的方式给出，而不是限制。落入本发明的范围内的其他实施方式也可对本领域技术人员变得显然。因此，本发明的广度和范围不应被任何上述示范性实施方式限制，而应仅根据所附权利要求及其等价物定义。

本发明涉及普通受让的2009年6月25日提交的题为“自旋转矩振荡传感器”的美国专利申请12/492050，通过引用而将其并入于此。