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

34546. Судьба художника в романе «Доктор Фаустус» Т. Манна 17.19 KB
  Манна выяснение природы художественного дара великого поэта выяснение связи этого дара со всеми особенностями человеческого характера Гете. Писатель видит в Гете и неповторимо . В романе речь идет не только о Гете о его творчестве но и о природе художникареалиста о самых фундаментальных свойствах реалистического искусства. Каждый из последовательно появляющихся героев романа Ример Лотта Адель фон Шопенгауэр Август наконец сам Гете это новая манера мышления новый вариант восприятия и оценки личности и творчества поэта.
34547. Противоречие духа и жизни в произведениях Т. Манна и Г. Гессе 19.73 KB
  Гессе Уже в раннем творчестве писателя наметилось устойчивое стремление варьировать и развивать углублять от произведения к произведению родственные темы конфликты и антитезы. Герман Гессе во многом был близок Т. Но интеллектуальный роман Гессе неповторимый художественный мир построенный по своим особым законам. Гессе свойственно живое восприятие романтизма Гельдерлина Нвалиса Эйхендрофа.
34548. Отрицание реалистической концепции характера в эстетике и творчестве В. Вулф 14.48 KB
  Все романы Вулф это своеобразное путешествие вглубь личности которую читатель может принять или не принять но которой не имеет право диктовать. Все ее романы об этой внутренней жизни в которой она находит больше смысла нежели в социальных процессах. Наибольшей известностью пользуются ее романы Комната Джекоба 1922 Миссис Дэллоуэй 1925 К маяку 1927 Волны 1931.
34549. Мифологизация повествования в произведениях Джойса 15.31 KB
  Сначала Джойс видел главную задачу искусства в познании истины и выражении истины через красоту а постепенно он приходит к мысли о том что красота –выше истины он замечает что художник привносит красоту в мир все важнее для него – формы. Джойс еще пишет что миф – развернутый символ. Джойс движется от символа к мифу.
34550. Проблема художественной традиции в эстетике Т.С.Элиота 17.42 KB
  В собственном художественном творчестве Элиот стремился устранить расхождение между чувственным и интеллектуальным началом достигая синтеза с целью вернуть весомость поэтическому слову обесценившемуся изза романтической декламации. Элиот как поэт и в меньшей степени как драматург добившийся наиболее значительных высот в жанре стихотворной драмы со сложными этическими коллизиями Убийство в соборе 1935 предстает художником воплотившим типичные особенности мирочувствования и умонастроений своей катастрофической эпохи. В сознании...
34551. Проблематика и построение книги Рида Десять... 17.37 KB
  Революции. Ему важно понять суть революции. Он пишет о чужой революции но предельно заинтересованно и страстно. Десять дней которые потрясли мир книга американского журналистаДжона Рида об Октябрьской революции 1917 года в России свидетелем которой он был сам.
34552. Развитие жанра соц. романа в творчестве Д. Стейнбека 18.54 KB
  Размыкает рамки семьи. Семьи несут в себе боль страдания и надежды обездоленных и незащищенных простых арендаторов. Главой семьи Джоудов ее душой была мать одна из самых больших творческих удач писателя. Ма единственный человек из всей семьи кто сохраняет ясность мысли и мужество перед лицом тяжких испытаний.
34553. Тема американского мечтателя в тв-ве Фицджеральда 17.15 KB
  Великий Гэтсби. Для Гэтсби деньги не цель а средство. Низкий уровень развития самосознания Гэтсби. Он расследует подноготную Гэтсби и в момент когда увлечение Дейзи достигает апогея Том разоблачает соперника и Дейзи в смятении сбивает любовницу мужа.
34554. Эволюция героя в творчестве Хэмингуэя 22.08 KB
  Сантьяго рассуждает о смысле человеческой жизни. Сантьяго любит все живое любит природу. Исследователи любят говорить о том что Сантьяго не признает себя побежденным. Сантьяго глубже связан со всем этим.