36168

Магнитные головки для записи информации на жесткий диск

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вначале это были монолитные головки. Композитные головки выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики и имеют меньшие размеры в сравнении с монолитными. Дальнейшим развитием технологии композитных головок стали так называемые головки MIGтипа MIG Metal In Gap.

Русский

2013-09-21

112 KB

8 чел.

Магнитные головки для записи информации на жесткий диск

Запись и считывание данных с появившихся еще в 70-х годах ХХ века оксидных дисков осуществлялось с помощью миниатюрной ферритовой головки индукционного типа. Вначале это были монолитные головки. Однако сложность обработки хрупкого феррита не позволяла получать изделия достаточно миниатюрных размеров и вскоре от монолитных головок отказались в пользу так называемых композитных головок.

Композитные головки выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики и имеют меньшие размеры в сравнении с монолитными. Ширина сердечника и магнитного зазора стеклоферритовых головок также гораздо меньше, чем у монолитных, что обеспечивает возможность увеличения плотности записи и снижения  их чувствительности к внешним магнитным полям. Миниатюрные размеры таких головок и их малый вес позволили уменьшить зазор между головкой и поверхностью диска и, как следствие, повысить плотность записи на диск.

Дальнейшим развитием технологии композитных головок стали так называемые головки MIG-типа (MIG - Metal In Gap). При их производстве на поверхности ферритовых полусердечников, образующих рабочий зазор, наносится тонкий (1,5…2,0 мкм) слой сендаста или альфенола, обладающих высокими значениями индукции насыщения (сендаст - 12000 Гс, альфенол - 18000 Гс, феррит - 3000 Гс). По этой причине головки MIG-типа можно использовать для записи на носители с большой коэрцитивной силой и, таким образом, значительно увеличить плотность записи.

Благодаря своим преимуществам головки MIG-типа полностью заменили традиционные стеклоферритовые головки в высококачественных накопителях.

К началу 80-х годов была разработана технология изготовления тонкопленочных головок (TF - Thin Film), которые гораздо меньше ферритовых по размерам и обладают лучшими рабочими характеристиками.

Тонкопленочные головки изготавливаются методом фотолитографии, т.е. по той же самой технологии, что и интегральные схемы. В процессе производства на одной подложке формируют сразу несколько тысяч головок, после чего подложку разрезают на отдельные фрагменты, которые и используют в качестве головок. В результате головки получаются миниатюрными и очень легкими.

Магнитный сердечник головки формируется на поверхности керамической подложки методом электроосаждения сплава железа и никеля вокруг тонкой немагнитной пленки из алюминиевого сплава, что позволяет создавать головки с очень малым рабочим зазором. Алюминий в рабочем зазоре хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Тонкопленочные головки обеспечивают высокую плотность записи и позволяют уменьшить ширину и шаг дорожек.

Небольшой вес и малые размеры головок позволяют значительно уменьшить расстояние между ними и поверхностями дисков в сравнении с ферритовыми и MIG-головками (0,05 мкм). В результате, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и увеличивается как амплитуда считанного сигнала, так и отношение "сигнал-шум". Благодаря небольшой высоте тонкопленочных головок при тех же размерах корпуса накопителя удается установить в него большее количество дисков. Усовершенствования технологии производства привели к снижению стоимости тонкопленочных головок, которая стала сопоставимой с ценой ферритовых головок и головок с металлом в зазоре (и к их более широкому распространению).

В начале 90-х годов были разработаны головки, принцип действия которых основан на магниторезистивном эффекте. Эффект этот состоит в том, что при движении головки над участками регистрирующего слоя с разными значениями остаточной намагниченности сопротивление чувствительного слоя оказывается различным.

Таким образом, в отличие от индуктивных головок, магниторезистивные головки восприимчивы не к изменениям намагниченности регистрирующего слоя, а к ее абсолютным значениям. Конструкция магниторезистивной головки предполагает наличие дополнительного подмагничивающего слоя, который должен обеспечивать наличие определенного уровня собственной намагниченности чувствительного слоя в отсутствии внешнего магнитного поля. Амплитуда выходного сигнала у магниторезистивных головок, по крайней мере, в несколько раз больше, чем у тонкопленочных, что позволяет использовать их для считывания информации, записанной с гораздо более высокой плотностью.

Однако есть у магниторезистивных головок и существенный недостаток - с их помощью нельзя производить запись. Они могут использоваться только для считывания данных. Поэтому для того, чтобы обеспечить возможность записи, в паре с магниторезистивными головками пришлось использовать все те же тонкопленочные индуктивные головки. Конструктивно обе головки (записывающая и считывающая) объединены в один узел (рис. 5.3).

Первыми появились простые однослойные магниторезистивные или MR-головки (MR - Magneto-Resistive), сопротивление которых изменяется в зависимости от напряженности поля, формируемого магнитограммой дорожки. Однако сопротивление таких головок способно изменяться не более чем на 10%.

Работы над магниторезистивными  головками продолжались и к 1997 году фирмой IBM был разработан и доведен до производства многослойный чувствительный элемент (сенсор) магниторезистивной головки, сопротивление которого может изменяться на 100%. Головка на его основе была названа GMR-головкой (GMR - Giant Magneto-Resistive -сверхмагниторезистивная). Амплитуда сигнала, формируемого магниторезистивными MR и GMR-головками, в отличие от обычных ферритовых и тонкопленочных головок, не зависит от скорости изменения магнитного поля, т.е. скорости считывания данных, что упрощает процесс обработки воспроизведенного сигнала и позволяет на порядок снизить количество ошибок при считывании информации c диска, а также обеспечивает возможность значительного повышения плотности записи.

GMR-сенсор состоит из четырех слоев (рис. 5.4):

  •  чувствительного (sensing layer) или свободного (free layer) слоя, который выполняется из ферромагнетика (различные сплавы железа, никеля и кобальта) - в нем носители заряда могут свободно менять свою ориентацию;
  •  проводящего слоя (conducting spacer), изготовленного из немагнитного материала; как правило, это тончайшая медная пленка толщиной в несколько атомов; этот слой необходим для уменьшения взаимного магнитного влияния соседних слоев;
  •  фиксирующего (pinned layer) кобальтового слоя; магнитная ориентация этого слоя постоянная;
  •  обменного (exchange layer) слоя, изготовленного из антиферромагнетика, т.е. вещества (например IrMn), носители магнетизма которого (ионы кристаллической решетки) имеют одинаковые, но противоположно направленные по отношению к ближайшим соседним носителям, магнитные моменты.

Направление магнитного поля внутри фиксирующего слоя всегда остается одним и тем же — это обеспечивается за счет наличия обменного слоя, намагниченность которого равна нулю, образуя так называемую доменную стенку. А вот в чувствительном слое направление магнитного поля изменяется в зависимости от направления внешнего магнитного поля. Это в свою очередь приводит к изменению общего сопротивления чувствительного и фиксирующего слоев.

Причиной такого изменения является физическое проявление одной из квантовых характеристик электрона, а именно - спина. Спин (от англ. spin — вертеть[-ся]) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Существование спина в системе тождественных взаимодействующих частиц является причиной новых квантовомеханических явлений, не имеющих аналогии в классической механике: обменного взаимодействия и обменной энергии. Любая частица может обладать двумя видами углового момента: орбитальным угловым моментом и спином. В отличие от орбитального углового момента, который порождается движением частицы в пространстве, спин не связан с движением в пространстве. Спин - это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которая в рамках классической релятивистской механики объяснению не поддается. А поскольку на современном уровне развития науки объяснить механизм возникновения спина невозможно, приходится ограничиваться только изучением физического проявления его свойств. 

Несмотря на то, что спин не связан с реальным вращением частицы, он, тем не менее, порождает определённый магнитный момент, а значит, приводит к дополнительному (по сравнению с классической электродинамикой) взаимодействию с магнитным полем.

 Спиновый магнитный момент электронов (в дальнейшем - просто спин) может иметь только два взаимно противоположных направления. Электроны проводимости со спином, направление которого совпадает с направлением магнитного поля внутри GMR-среды, испытывают меньшее сопротивление при движении и свободно перемещаются внутри чувствительного и фиксирующего слоев. Если направления магнитных полей в чувствительном и фиксирующем слоях противоположны друг другу, то движение электронов со спином вверх будет сдерживаться одним из этих двух слоев, а со спином вниз - другим, вследствие чего общее сопротивление чувствительного и фиксирующего слоев возрастает. В первом случае электрическое сопротивление среды будет меньше, чем во втором (рис. 5.5). Этот эффект и используется в работе GMR-сенсора, который по своей физической сущности является спиновым вентилем (спиновым диодом).

Следует отметить, что сопротивление чувствительно слоя GMR-сенсора изменяется также и вследствие MR-эффекта, однако доминирует в этом случае GMR-эффект.

GMR-сенсор - изделие весьма миниатюрное, толщина каждого из слоев (кроме немагнитного проводящего) - порядка 10 нм, а общая толщина четырехслойного датчика - порядка 30 нм. Ширина считывающего элемента - 0,3-0,5 мкм [103].

Индуктивная головка записи

Магниторезистивная головка чтения

кран

Домены

Рис. 5.3. Комбинированная магнитная головка

Обменный слой

Проводящий слой

Фиксирующий слой слой

Чувствительный слой

Участки регистрирующего слоя с различной намагниченностью

Рис. 5.4. Структура GMR-сенсора

Фиксирующий слой

Чувствительный слой

Проводящий слой

Фиксирующий слой

Чувствительный слой

Проводящий слой

+V

–V

–V

+V

Сопротивление GMR-сенсора мало

Сопротивление GMR-сенсора велико

Рис. 5.5. Принцип работы GMR-сенсора


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82671. Понятие, виды, признаки преступлений против интеллектуальной собственности 67 KB
  Интеллектуальные права на результаты исполнительской деятельности (исполнения), на фонограммы, на сообщение в эфир или по кабелю радио- и телепередач (вещание организаций эфирного и кабельного вещания), на содержание баз данных, а также на произведения науки, литературы и искусства...
82672. Роль и значение биофабрик 17.71 KB
  Биофабрики располагают значительной территорией специальными производствами лабораторными корпусами и вспомогательными сооружениями. Государственный контроль выпускаемой продукции на её безвредность чистоту специфичность и активность осуществляет контрольная лаборатория Биофабрики возглавляемая...
82673. Особливості майнових прав авторів творів 51.78 KB
  Предмет дослідження загальна характеристика майнових прав автора твору. Мета роботи зумовлює виконання таких завдань: 1 дати визначення основним майновим правам автора твору; 2 охарактеризувати основні майнові прав автора.
82674. Велик Вітчизняна війна 85.63 KB
  Міжнародна обстановка і зовнішня політика СРСР напередодні другої світової війни. У цій війні вирішувалася не тільки доля СРСР але і майбутнє світової цивілізації прогресу і демократії. У тих умовах спроби СРСР Великобританії та Франції створити систему повної безпеки в Європі з метою нейтралізації...
82675. Рекомендацій щодо поліпшення умов праці на виробництві 92.09 KB
  На сучасному етапі розвитку України спостерігається загострення проблем в області організації нормальних умов праці. Це зумовлено тим, що значна частина працівників працює у шкідливих або важких умовах. Тому проблема покращення умов праці для будь-якого підприємства є актуальною.
82676. Система правових засобів захисту права власності 48.59 KB
  Суспільство не може існувати без тих чи інших відносин власності: ці відносини визначають його економічну структуру, ідеологічне, моральне і політичне обличчя, тому даний аспект правового регулювання посідає важливе місце у загальній структурі суспільних правовідносин та є актуальним у процесі...
82677. Заболевания верхних дыхательных путей и их осложнения 31.46 KB
  Провоцируются эти заболевания как правило местным или общим переохлаждением на фоне ослабленного иммунитета или перенапряжения организма. Причиной заражения при этих заболеваниях может быть инфицирование от больного человека вирусной и бактериальной инфекцией.
82678. Our Homeland – Kazakstan 22.31 KB
  The Constitution defines the state system as a form of presidential republic considering it the most flexible version in conditions of today. The President ensures coordinated performance of all the branches of state power and accountability of power bodies to the people.
82679. Торговые и неторговые автоматы. Промышленные роботы и манипуляторы 25.61 KB
  Промышленный робот - автономное устройство состоящее из механического манипулятора и перепрограммируемой системы управления которое применяется для перемещения объектов в пространстве и для выполнения различных производственных процессов.