【IT168 技術】磁盤技術演變的同時讀寫磁頭的設計也在不斷發展。最早的磁頭就是繞着線圈的鐵芯。按照目前的標准,最初的磁頭尺寸過大,而且錄制密度低。經過多年的發展,磁頭設計已經從最初簡單的鐵芯發展為各式各樣的磁頭類型和技術。在《存儲知識課堂(一):磁盤工作原理揭秘》一文中,我們詳細介紹了磁盤的工作原理。在這本文中,我們將討論的是PC硬盤中的各種磁頭,包括各種磁頭的應用和優缺點。
不同種類的磁頭在硬盤中已被應用多年
- 鐵氧體磁頭
- 隙含金屬磁頭(MIG)
- 薄膜式磁頭 (TF)
- 磁阻式磁頭 (MR)
- 巨磁阻磁頭 (GMR)
- 垂直磁記錄 (PMR)
注意:截止2005年,基於PMR的硬盤技術被應用到了便攜式音樂播放器和筆記本電腦中,而該技術在2006年才應用到台式機上。
鐵氧體磁頭
鐵氧體磁頭屬於傳統的磁頭設計,由最初的IBM 30-30 Winchester驅動演化而來。這些磁頭都有由電磁線圈包裹的鐵氧體。這種驅動會在線圈中通電,然后產生磁場。這就磁頭就具備了讀寫能力。鐵氧體磁頭比薄膜磁頭大且重,因此在磁盤轉動的時候需要更大的浮動高度來防止與磁盤接觸。
廠商對最初的鐵氧體磁頭進行了很多改進。有一種名為混合鐵氧體磁頭就是在陶瓷外殼中裝有較小的鐵氧芯,這枚鐵氧芯與玻璃相連。這種設計減小了磁頭間隙具有更高的磁道密度。與原來體積較大的磁頭相比,這些磁頭不易受其他磁場的影響 。
在20世紀80年代,綜合鐵氧體磁頭被廣泛應用於低端磁盤,如希捷ST-225。隨着磁道密度需求的增高,MIG和薄膜磁頭開始取代鐵氧體磁頭,直至鐵氧體被完全淘汰。在高密度磁盤中,鐵氧體磁頭無法寫入具有高抗磁性的介質中,而且對於頻率低噪聲大。鐵氧體磁頭的主要優勢在於價格便宜。
隙含金屬磁頭(MIG)
隙含金屬磁頭是綜合鐵氧體磁頭的升級版本。在MIG磁頭中,金屬物質被應用到磁頭的間隙。有兩種MIG磁頭可用:單邊和雙邊。單邊MIG磁頭在后緣部分有一層磁性合金。雙邊MIG則在間隙兩側都有磁性合金層。金屬合金經過噴濺塗覆法進行了真空鍍膜處理。
這種磁合金的磁性是鐵氧體的兩倍,而且可以讓磁頭寫入抗磁性較高的薄膜介質,較高的磁道密度通常需要這種介質。MIG磁頭還能在磁場中產生更明顯的磁性梯度,所以磁脈沖更清晰。雙邊MIG磁頭比單邊磁頭的抗磁性更好。
這種性能上的改進致使MIG磁頭一度成為使用最廣泛的磁頭,而且在20世紀80年代末到90年代初期廣泛應用與硬盤中,LS-120 (SuperDisk)驅動就是最近使用的典范。
薄膜磁頭(TF)
薄膜磁頭與半導體芯片的生產過程類似,都是經光刻法處理。這種處理可以在單個圓形晶片上創建數千個磁頭,而且成品小巧且質量高。
TF磁頭的磁道非常窄,而且是通過噴濺了一種硬質鋁型材做成。由於這種材料把間隙完全包裹起來,所以這個區域得到了較好的保護,從而極大減少了磁盤轉動時的接觸性損害。其中心部分是鐵和鎳合金的混合物,磁性比鐵氧體磁頭的鐵芯要強兩到四倍。
TF磁頭產生了非常清晰的磁脈沖,所以可以在非常高的磁道密度下進行寫入操作。由於他們不存在傳統意義上的線圈,所以TF磁頭抵御線圈抗阻的能力更強。這種小巧的磁頭比鐵氧體磁頭和MIG磁頭的浮動高度更低;在有些產品中,其浮動高度只有2微寸甚至更少。高度的降低可以讓磁頭捕捉和發送更強的信號,信噪比增強,而且准確率提高。在某些驅動的高磁道與線性密度上,標准的鐵氧體磁頭可能無法從背景噪音中捕獲數據信號。TF磁頭的另一個優勢是體積小,所以磁盤安裝更緊湊,同樣空間里可以放置更多磁盤。
很多100Mb-2Gb的驅動都是使用TF磁頭,特別是體積小的驅動中。TF磁頭取代了MIG磁頭成為最流行的磁頭設計,但是它現在又被更新的磁阻式磁頭取代。
磁阻式磁頭
磁阻式磁頭有時候也指各向異性磁阻(AMR)磁頭,與此前的感應式磁頭相比,它的密度可以增加四倍。IBM於1991年推出第一款商業型MR磁頭,其制式為1GB 3 1/2英寸,其他供應商也紛紛效仿。
所有磁頭都是探測器;也就是說它們都可以檢測介質中磁通變換區然后將其轉換為可以譯成數據的電子信號。磁記錄存在的一個問題是不斷增長的密度需求,也就是要把更多信息放到更小的存儲中。磁盤上的磁域越來越小,讀取過程中磁頭的信號也會變弱;從噪音或漏磁場中分辨真實信號的難度也加大。因此需要更為有效的讀取磁頭,即在磁盤上檢測這些磁通變換區。
現在廣為人知的另一種磁效應也被用到驅動中國。當線圈經過 磁場時,不僅線圈會產生小股電流,線圈的電阻同樣也會改變。標准讀取磁頭用磁頭發電,這是因為磁頭在通過磁通變換區的時候會產生脈沖電流。
MR磁頭將磁頭作為電阻使用而不是用磁頭生成微弱電流。電路在磁頭輸送電壓等待電壓發生改變。這樣一來就可以產生更強更清晰的信號,因此,磁道密度也可以增加。
當外部磁場出現時,導體的阻力會稍微發生改變。MR磁頭可以感知通量逆轉並改變電阻而不用通過磁場的通量逆轉釋放電壓。小股電流通過磁頭,而這股電流可以檢測電阻的改變。使用這種設計,讀取時的輸出功率比TF磁頭要強勁三倍甚至多倍。事實上,與其說是發電器,不如說MR磁頭更像是傳感器。
MR磁頭的生產制作比TF磁頭更貴跟復雜,因為它需要的組件和生產步驟都要多一些:
- 1. 磁頭需要使用更多電線來進行電流檢測。
- 2. 四到六道屏蔽工序。
- 3. MR磁頭對漏磁場非常敏感,所以需要額外進行屏蔽。
因為MR原則上只能讀取數據不能進行寫入操作,所以MR磁頭其實是二合一磁頭。這種組裝模式包含了一個標准的用於寫數據的感應式TF磁頭和一個用來讀取數據的MR磁頭。兩個磁頭組裝在一起,各司其職。鐵氧體,MIG和TF磁頭是單邊磁頭,因為相同的間隙被用做讀寫操作,而MR磁頭則是分開操作。
讀取功能需要稀疏的密度才能獲得高分辨率;而讀取功能需要大密度來獲取更深的通量穿透來改變介質。在雙邊MR磁頭中,讀寫間隙都可以得到優化。TF磁頭的寫入間隙比MR磁頭的寫入間隙更寬。因此它不容易受到附近磁道的信息干擾。
下圖中顯示的是IBM設計的MR磁頭。這個圖先展示了位於磁頭驅動臂末端完整的MR磁頭和滑動器。如果你打開一個驅動就會看到圖上所示的部分。滑動器是三角形驅動臂末端的攔截裝置,驅動臂控制着磁頭。真正的磁頭和MR磁頭中的讀取傳感器都很小。
讀取元件是一個磁阻式傳感器,由鐵鎳(NiFe)薄膜組成。這層鐵鎳薄膜在磁場出現時改變電阻。屏蔽層保護MR傳感器的讀取元件不被臨近的磁場干擾。在很多磁頭設計中,第二層屏蔽同樣是寫入元件的一端,從而形成了合並的MR磁頭。寫入元件並非MR磁頭中出現的設計而是傳統TF感應磁頭。
IBM的MR磁頭設計使用Soft Adjacent Layer(SAL)結構,它由MR NiFe薄膜以及一個磁性軟合金層構成,兩層之間由高電阻薄膜間隔。在這種設計中,NiFe層的阻力會隨着MR傳感器通過磁場而發生改變。
由於平面密度增加了,MR磁頭的元件被設計得更細小。最近很多設計都減少了薄膜的寬度。
▲MR磁頭橫截面圖
巨磁阻磁頭
對不斷增大的密度需求下,IBM在1997年推出了新的MR磁頭,也就是所謂的巨磁阻磁頭(GMR),它們比標准的MR磁頭更小,但是設計原理基於MR。不過傳統MR磁頭單層NiFe薄膜被多層薄膜取代。在MR磁頭中,單層NiFe薄膜會隨着磁盤上通量逆轉來改變電阻。而在GMR磁頭中,有兩層薄膜來實現這一功能。
GMR效應在1988年的水晶樣本中被發現,隨即被應用到高能磁場中。德國科學家Peter Gruenberg和法國科學家Albert Fert發現,在各種金屬元素薄層組成的材料中會出現較大的電阻改變。GMR材料的關鍵結構是在兩個磁性金屬層之間有一個非金屬隔離層。其中一個磁性層被固定住,也就是說它具備固定的磁性取向。另一個磁性層的磁性取向則隨意。磁性物質傾向於指向同一方向 。因此如果隔離層足夠薄,那么任意磁性層就會與固定磁性層方向一致。任意磁性層的取向也會周期性的來回變動。當兩個磁性層取向一致時,總電阻較低,而取向相反時,總電阻較高。
下圖展示了GMR磁頭的讀取元件:
▲GMR磁頭橫截面圖
如果是較弱的磁場,如硬盤上的某個部分,通過GMR磁頭,那么任意磁性層的磁性取向會相應改變並出現顯著的電阻改變。由於電阻改變的物理屬性是由其他層電子元件的相對旋轉造成的,所以GMR磁頭通常也稱作自旋閥磁頭。
1997年12月,IBM推出了自己的第一款GMR磁頭商用驅動。此后GMR磁頭的標准基本定位在3.5英寸和2.5英寸驅動。
2007年,日立公司開發出了直流電GMR磁頭,它的平面密度可達1Tb/平方英寸甚至更大。這種可稱為直流平面GMR或是CPP-GMR,預計這種磁頭可於2011年起應用到驅動中。