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巨磁阻磁頭和水平磁記錄技術介紹

  “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于硬盤當中,從那時起,短短的幾年時間里,硬盤的容量就從4G提升到了當今的400G。

  但是,即便是這項叱詫風云的技術,發展到現在也已經接近了極限,硬盤容量的提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兩極的連線垂直于盤片,而在此之前的技術都屬于“水平磁記錄”技術。當硬盤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。

  接下來,本文將按時間的先后順序分別介紹歷史上的三項重要的磁頭技術,每一項在當時都具有劃時代的意義,它們分別是:感應磁頭、磁阻磁頭和巨磁阻磁頭。

  一、電磁感應式磁頭

  感應磁頭是硬盤誕生時就開始使用的磁頭,并且它是一種讀寫合一的磁頭,而后面將要介紹的兩種磁頭在讀、寫數據時使用的是不同的磁頭,只不過讀、寫頭會被制作在一起,共用一個傳動臂罷了。

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

  寫入時,磁頭就像一個電磁鐵:鐵芯上繞有線圈,線圈通電,產生磁場,然后將磁場作用于盤片上的一個記錄位。盤片上涂有磁性物質,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,像一個小磁鐵。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回路,對外不顯示磁性。當外部的磁場作用于它們時,內部磁疇的方向會逐漸趨于統一,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信息時,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。

  讀取數據時,磁頭和盤片發生相對運動,金屬切割磁力線,金屬中會產生“感應電勢”,由于線圈處在一個閉合回路當中,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,磁記錄位和二進制信息中的“位”并不一定是對應的:絕大多數情況下并不是某種磁場方向代表“0”,而它的反向磁場代表“1”這么簡單,盡管這是一種最容易理解的信號調制的方式,但是它并不可靠,因此它只在理論分析的時候被使用。事實上硬盤的信號調制方式主要有5種,由于信號調制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,那么當外界磁場施加于它時,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,并且磁化后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”較大的就屬于硬磁材料,或稱“永磁材料”,比如著名的“稀土永磁”。

  盤片上的磁介質由于要長期存儲信息,所以采用的是硬磁材料;而磁頭由于要不斷的改變磁場方向,因而采用軟磁材料。

  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,由于鐵芯的導磁率較高,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”——前間隙和后間隙,其中前間隙較大,而后間隙是越小越好。由于空氣的導磁率較低,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數據的,前間隙的大小可以根據磁道的寬度調節。采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數據。

  不過讀取方面則不同,隨著存儲密度的提高,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信息。但是,靠切割磁力線所產生的電流是十分微弱的,磁頭越小,讀取到的信號也就越微弱,而且越容易受到干擾。在經歷了幾次改進之后,終于,在91年左右,數據的讀取工作開始由磁阻磁頭接替了。

  二、磁致電阻磁頭

  磁阻磁頭是基于“磁阻效應”的,磁阻效應是指,當磁性材料處于一個外部磁場中時,如果磁場的方向和磁性材料中電流的方向不同,那么該磁性材料的電阻會隨著施加于它的磁場的強度而變化,盡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,也就相當于增加了電阻(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,硬盤中的磁阻磁頭基于的是磁性(鐵磁)材料的磁阻效應。

  磁阻磁頭采用多層膜結構,從外向內有:上、下絕緣膜,上、下屏蔽膜,上、下隙縫膜。

  各膜的名稱

  各膜的作用

上、下絕緣膜

使它們內部的各膜與外界進行電隔離

上、下屏蔽膜

使它們內部的各膜與外界進行磁隔離

上、下隙縫膜

使它們內部的各膜與上、下絕緣膜和上、下屏蔽膜進行電、磁隔離

  再往內部就是核心的部分:磁阻效應膜、偏磁膜、噪聲抑制膜和兩層隔離膜。隔離膜的作用是對磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜進行磁隔離,但很難進行電隔離,因而磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜就組成了一個并聯回路,電流通過偏磁膜上的兩個電極流入該并聯回路中。

  偏磁膜采用的是軟磁材料,噪聲抑制膜采用硬磁材料。設法增加這兩個膜的電阻,會使更多的電流分流到磁阻效應膜當中,在這里完成主要的磁阻效應。

  偏磁膜的作用是向磁阻效應膜施加一個方向平行于盤片的“橫向偏置磁場”,使磁阻效應膜的響應呈線性,而噪聲抑制膜的作用是抑制“巴克豪森”噪聲。下面就介紹一下巴克豪森噪聲:

  我們已經知道了磁疇在外界磁場的作用下會發生偏轉,當磁場的強度恰好能夠使磁疇發生偏轉時,我們稱之為“臨界點”。如果外界磁場處在臨界點附近,那么內部的磁疇會很不穩定,時而偏轉,時而靜止,每次偏轉都回產生一系列脈沖電流,這些電流會影響正常的信號讀取。如果用探測線圈連接耳機檢測這些脈沖電流,會在耳機中聽到噪聲,巴克豪森在1919年發現了這一現象,故而被稱為巴克豪森噪聲。

  噪聲抑制膜會向磁阻效應膜施加一個方向垂直于盤片的“縱向偏置磁場”。縱向偏置磁場的強度足以使磁阻效應膜處于“單磁疇”狀態,從而抑制了巴克豪森噪聲。

  在讀取數據時,電流會持續不斷的流經磁阻效應膜,由于磁阻效應所產生的電阻的變化十分微弱,因此流出磁阻效應膜的電流要經過一個信號放大器,以增大電壓的浮動范圍。

  到此時,讀出的電信號還是線性的,即模擬的,必須將這些信號數字化,數字化的同時通常還會使用“硬盤最大相似性”技術。因為磁阻磁頭讀出的電信號的強度同時反映了磁場方向和磁通強度兩維信息,而真正與數據有關的信息只是磁場方向,硬盤最大相似性技術就是將數字化后的信號和預先存儲的信號模型作匹配,判斷出這些信號所對應的數據,并推斷可能存在的讀取錯誤。

  磁阻磁頭的最大缺點就在于磁阻變化率低,通常不會超過5%,雖然經歷了很多次改進,但這個缺點仍然沒有徹底解決。之后在92年,科學家們發現了應用“自旋閥”結構的“巨磁阻效應”,它的磁阻變化率在常溫下可達40%,因此磁阻磁頭被巨磁阻磁頭取代也就是順理成章的了。  

  三、巨大磁致電阻磁頭

  巨磁阻效應可分為基于半導體氧化物的巨磁阻效應以及基于多層金屬膜的巨磁阻效應。硬盤中的巨磁阻磁頭屬于后者,并且它應用了電子的自旋特性。

  物質的磁性是由它內部電子的運動決定的。電子一方面會圍繞原子核旋轉,產生“軌道磁矩”,另一方面,電子自身也會旋轉,產生“自旋磁矩”。一個原子的磁矩就等于核外所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的總合,其中,自旋磁矩遠大于軌道磁矩。微觀上,不同元素的核外電子分布的不同就決定了宏觀上不同物質的磁性的不同。

  除此之外,相鄰原子的未被填滿電子的層上的電子會發生相互作用,原子間互相交換電子,稱為“交換作用”。交換作用的不同決定了物質呈鐵磁性還是反鐵磁性。

  在交換作用的推動下,一小塊區域內的原子的磁矩方向會完全保持平行,這一小塊區域也就是所謂的磁疇。不同物質的磁疇結構是千差萬別的,不過只有鐵磁材料才具有磁疇結構,而且是在不超過一定的溫度的情況下。

  電子的自旋方向有順時針和逆時針兩種,當電流經過磁體時,如果電子的自旋方向和磁體的磁化方向平行,則電子很容易穿過,反之,電子就很容易發生碰撞。前一種情況相當于電阻值低,后一種情況相當于電阻值高,如果兩者的方向既不平行也不垂直,則電阻介于兩者之間。巨磁阻磁頭就是應用了這種特性,相比傳統磁頭,它對電子的利用要更充分一些。

  巨磁阻磁頭的核心部分是四層膜:自由膜、非磁性膜、引線膜和反鐵磁膜。

  其中,自由膜和引線膜采用的是磁性材料,自由膜屬于軟磁材料,引線膜使用硬磁材料,它們之間是一層非磁性膜,其采用非磁性金屬材料,對自由膜和引線膜進行磁隔離,但不進行電隔離。引線膜的背面是反鐵磁膜,鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個偏轉場,此偏轉場會將引線膜的磁化方向固定。

  自由膜的作用是對盤片上的磁記錄信息作響應,在沒有外加磁場的情況下,它的磁化方向與引線膜垂直,此時無論何種自旋方向的電子都很難穿過自由膜和引線膜,相當于電阻值高。當盤片上的磁記錄位的磁場方向和自由膜的磁化方向相反時,自由膜的磁化方向發生偏轉,與引線膜平行,此時自旋方向平行于它們的電子就很容易穿過這兩層,相當于電阻值低。

  讀取數據時,電流持續流經各膜,通過檢測電阻的變化就可以得到反映磁記錄位的磁場方向和磁通強度的函數。這種利用電子的自旋特性、像閥門一樣限制電子移動的結構就被稱為自旋閥結構,也是當今主流的磁頭結構。

  結尾

  磁頭作為整個硬盤中技術含量最高的部件,其靈敏度基本上就決定了硬盤的存儲密度。縱觀磁頭技術的發展史,每一次磁頭技術的飛躍都來自于新的物理效應的發現和應用,值得一提的是,本文涉及的3種物理效應最初都是由IBM公司將其引入商業硬盤領域的。時至今日,我們已經無法看到IBM公司引領新的硬盤技術的潮流了,不久的將來,我們將會用上使用“隧道磁致電阻”效應的硬盤,而早在93年,比巨磁阻效應更強的“龐大磁致電阻”效應就已經被發現了,其磁阻變化率大于99%。所以說,在可以預見的未來,硬盤的存儲密度仍然會保持飛速的增長,其應用的物理效應也會越來越微觀,越來越復雜。

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