巨磁阻磁頭和水平磁記錄技術介紹

2021-08-27 21:44:14 字數 2284 閱讀 3854

「巨磁阻」,全稱為「巨大磁致電阻」。在98年左右,巨磁阻磁頭開始被大量應用於硬碟當中,從那時起,短短的幾年時間裡,硬碟的容量就從4g提公升到了當今的400g。

但是,即便是這項叱詫風雲的技術,發展到現在也已經接近了極限,硬碟容量的提公升必須尋求新的技術。目前行業公認的下一代技術是「垂直磁記錄」技術,即「記錄位」的s/n兩極的連線垂直於碟片,而在此之前的技術都屬於「水平磁記錄」技術。當硬碟向垂直磁記錄技術轉變時,巨磁阻磁頭也將會同時更換為「隧道磁阻磁頭」。

在這個技術換代的時刻,為了銘記陪伴我們多年的巨磁阻磁頭和水平磁記錄技術,故而撰寫此文。

一、電磁感應式磁頭

感應磁頭是硬碟誕生時就開始使用的磁頭,並且它是一種讀寫合一的磁頭,而後面將要介紹的兩種磁頭在讀、寫資料時使用的是不同的磁頭,只不過讀、寫頭會被製作在一起,共用乙個傳動臂罷了。

感應磁頭的工作原理很簡單,顧名思義,它的讀、寫操作都是基於「電磁感應」原理的。

寫入時,磁頭就像乙個電磁鐵:鐵芯上繞有線圈,線圈通電,產生磁場,然後將磁場作用於碟片上的乙個記錄位。碟片上塗有磁性物質,這些磁性物質是由無數的「磁疇」組成的,每個磁疇都有s/n兩極,像乙個小磁鐵。在磁介質沒有被磁化時,內部磁疇的方向是雜亂的,不同取向的磁疇首尾相連組成閉合迴路,對外不顯示磁性。當外部的磁場作用於它們時,內部磁疇的方向會逐漸趨於統一,對外顯示磁性。當外部的磁場消失時,受磁疇壁的阻力的影響,磁疇的方向不會回到從前的狀態,因而該記錄位具有了「剩磁」,這就是磁記錄的方式。當要改變磁記錄位的資訊時,只要對它施加反向磁場,如果該磁場足夠強,就可以重新改變內部的磁疇排列方向,同時該記錄位對外的磁性也會改變。

讀取資料時,磁頭和碟片發生相對運動,金屬切割磁力線,金屬中會產生「感應電勢」,由於線圈處在乙個閉合迴路當中,因此線圈中的感應電勢會進一步轉變為「感應電流」,感應電流的方向就代表了磁記錄位的磁場的方向。

不過需要說明的一點是,磁記錄位和二進位制資訊中的「位」並不一定是對應的:絕大多數情況下並不是某種磁場方向代表「0」,而它的反向磁場代表「1」這麼簡單,儘管這是一種最容易理解的訊號調製的方式,但是它並不可靠,因此它只在理論分析的時候被使用。事實上硬碟的訊號調製方式主要有5種,由於訊號調製方式對本文的意義不大,因此不作介紹。

固體的磁性根據磁化強度的不同可分為:抗磁性、順磁性、亞鐵磁性、鐵磁性和反鐵磁性,在磁記錄技術中應用的是鐵磁性,常溫下具備鐵磁性的材料就被稱為「鐵磁材料」,鐵磁材料又可分為「硬磁材料」和「軟磁材料」:

前面曾經提到磁疇壁的阻力,鐵磁材料都有磁疇,當然也就都有磁疇壁。如果有這樣一種材料,它的磁疇壁的阻力非常小,那麼當外界磁場施加於它時,它內部的磁疇排列方向會很容易被改變;而當外界磁場消失時,磁疇的排列方向也很容易恢復到從前的狀態,只留下很少的剩磁。我們管這種容易被磁化,並且磁化後磁性容易消退的材料叫軟磁材料。相反,剩磁較多、改變磁疇方向時所需克服的「矯頑力」較大的就屬於硬磁材料,或稱「永磁材料」,比如著名的「稀土永磁」。

碟片上的磁介質由於要長期儲存資訊,所以採用的是硬磁材料;而磁頭由於要不斷的改變磁場方向,因而採用軟磁材料。

磁頭使用的軟磁體是近似環形的。在環形鐵芯上纏繞線圈就構成了典型的「閉合螺線管」,閉合螺線管的磁場是完全封閉在鐵芯內部的,由於鐵芯的導磁率較高,即使線圈不完全包裹,磁力線也可以充滿整個鐵芯。但磁頭和閉合螺線管有所不同,在磁頭使用的環形軟磁體上有兩處斷開的「空氣隙」——前間隙和後間隙,其中前間隙較大,而後間隙是越小越好。由於空氣的導磁率較低,因此這種「帶有空氣隙的閉合螺線管」的磁力線會在空氣隙處向四周擴散,產生漏磁,磁頭就是利用從前間隙處擴散出來的磁場寫資料的,前間隙的大小可以根據磁軌的寬度調節。採用這種設計的好處是不必把整個磁頭做得很小,只需控制空氣隙的大小就可以了,而且可以提供更強的磁場。事實也的確證明了這種設計的先進性,感應磁頭直到現在也一直負責寫入資料。

不過讀取方面則不同,隨著儲存密度的提高,磁記錄位越來越小,感應磁頭的體積也必須同時縮小,這樣才能確保不會讀取到相鄰的磁記錄位的資訊。但是,靠切割磁力線所產生的電流是十分微弱的,磁頭越小,讀取到的訊號也就越微弱,而且越容易受到干擾。在經歷了幾次改進之後,終於,在91年左右,資料的讀取工作開始由磁阻磁頭接替了。

二、磁致電阻磁頭

磁阻磁頭是基於「磁阻效應」的,磁阻效應是指,當磁性材料處於乙個外部磁場中時,如果磁場的方向和磁性材料中電流的方向不同,那麼該磁性材料的電阻會隨著施加於它的磁場的強度而變化,儘管這種變化是十分微弱的。除了磁性材料,半導體材料也具有磁阻效應,半導體材料中的載流子(電子和空穴)運動時會產生磁場,當這個磁場與外界磁場相互作用時會產生「洛倫茲」力,洛倫茲力會使載流子的運動方向發生偏轉,使運動路徑增長,也就相當於增加了電阻(磁性材料同理)。

磁性材料的磁阻效應和半導體材料的磁阻效應在現實中都有應用,硬碟中的磁阻磁頭基於的是磁性(鐵磁)材料的磁阻效應。

磁阻磁頭採用多層膜結構,從外向內有:上、下絕緣膜,上、下遮蔽膜,上、下隙縫膜。

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