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

65430. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ТРАНСПЛАНТАЦІЇ І КРІОКОНСЕРВАЦІЇ ЕМБРІОНІВ ВЕЛИКОЇ РОГАТОЇ ХУДОБИ 318.5 KB
  За останні 30 років трансплантація ембріонів великої рогатої худоби перетворилася на міжнародну індустрію в якій щорічно одержують пересаджують і кріоконсервують понад 500 тисяч ембріонів Thibier M. Незважаючи на велике прикладне значення трансплантації ембріонів потенційні можливості...
65431. Історія наукової думки з механізації подрібнення кормів у тваринництві 190.5 KB
  Актуальність полягає у систематизації поповненні та висвітленні історичного досвіду з механізації подрібнення кормів який був би корисним для розвитку тваринницької галузі аграрного виробництва в майбутньому.
65432. Місцеві бюджети і міжбюджетні стосунки як основа ресурсного забезпечення планування розвитку міста 362 KB
  Проблема місцевих бюджетів до цього дня залишається відкритою – відсутня чітка стратегія підвищення якості регіонального фінансового менеджменту не створений механізм підвищення взаємної відповідальності окремих ланок бюджетної системи і звичайно ж не враховуються регіональні особливості.
65433. ФОРМУВАННЯ МЕДІАКУЛЬТУРИ МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ МУЗИКИ ЗАСОБАМИ АУДІОВІЗУАЛЬНИХ МИСТЕЦТВЬОГО ВЧИТЕЛЯ МУЗИКИ ЗАСОБАМИ АУДІОВІЗУАЛЬНИХ МИСТЕЦТВ 167 KB
  Аналіз сучасної професійної підготовки вчителя музики дав змогу виявити ряд суперечностей: між традиційним змістом мистецької освіти та потребами часу учні значну кількість інформації у т. музичної одержують з медіапростору...
65434. МЕТОДИ Й ЗАСОБИ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ТА АНАЛІЗУ СИГНАЛІВ В ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ КОМПОНЕНТАХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ 348 KB
  Ситуація при транспортуванні ОМ ускладнюється можливістю зміни маси або коефіцієнту поверхневого тертя ОМ під впливом внутрішніх або зовнішніх факторів що потребує своєчасної корекції величини стискального зусилля з забезпеченням мінімального проковзування ОМ в захватному пристрої ЗП комплексу.
65435. ВЛАСТИВОСТІ І ТЕХНОЛОГІЯ ПІНОБЕТОНУ, МОДИФІКОВАНОГО ОКСИДАМИ ЗАЛІЗА 234.5 KB
  Метою досліджень є одержання пінобетону з високою міцністю при стиску і зниженими усадкою та проникністю шляхом удосконалювання його структури складу властивостей і параметрів виробництва за рахунок застосування комплексної добавки що складається із поліспирту та речовини що містить залізо.
65436. БАНКІВСЬКІ ВАЛЮТНІ ОПЕРАЦІЇ ПРИ ОБСЛУГОВУВАННІ СУБ’ЄКТІВ АГРАРНОЇ СФЕРИ 828 KB
  Ринкова економіка розширила горизонти здійснення валютних та експортноімпортних операцій які в якісно нових економічних реаліях набувають особливої вагомості та виняткового значення не лише на макро а й на мікрорівні.
65437. УДОСКОНАЛЕННЯ МЕХАНІЗМІВ ДЕРЖАВНОГО УПРАВЛІННЯ МІГРАЦІЙНИМИ ПРОЦЕСАМИ 548.5 KB
  Участь України в світових міграційних процесах є надзвичайно активною. Загальновідомо, що вона є одним з найбільших донорів трудової міграції в сучасному світі та країною транзиту, через яку проходять більше 10 маршрутів міграції.
65438. УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНІКО-ТАКТИЧНИХ ДІЙ ВИСОКОКВАЛІФІКОВАНИХ ФЕХТУВАЛЬНИКІВ НА ШПАГАХ З ВИКОРИСТАННЯМ КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ 361 KB
  Проблема удосконалення технікотактичної підготовки фехтувальників на сучасному етапі вивчалася багатьма авторами й по даному питанню накопичений достатньо великий обсяг інформації. Турецький 1983 запропоновані програми техніко тактичного удосконалення...