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硬盤磁頭

硬盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)磁頭是硬盤中最昂貴的部件,也是硬盤技術(shù)中最重要和最關(guān)鍵的一環(huán)。傳統(tǒng)的磁頭是讀寫合一的電磁感應(yīng)式磁頭,但是,硬盤的讀、寫卻是兩種截然不同的操作,為此,這種二合一磁頭在設(shè)計(jì)時(shí)必須

要同時(shí)兼顧到讀/寫兩種特性,從而造成了硬盤設(shè)計(jì)上的局限。而MR磁頭(Magnetoresistive heads),即磁阻磁頭,采用的是分離式的磁頭結(jié)構(gòu):寫入磁頭仍采用傳統(tǒng)的磁感應(yīng)磁頭(MR磁頭不能進(jìn)行寫操作),讀取磁頭則采用新型的MR磁頭,即所謂的感應(yīng)寫、磁阻讀。這樣,在設(shè)計(jì)時(shí)就可以針對(duì)兩者的不同特性分別進(jìn)行優(yōu)化,以得到最好的讀/寫性能。另外,MR磁頭是通過(guò)阻值變化而不是電流變化去感應(yīng)信號(hào)幅度,因而對(duì)信號(hào)變化相當(dāng)敏感,讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也相應(yīng)提高。而且由于讀取的信號(hào)幅度與磁道寬度無(wú)關(guān),故磁道可以做得很窄,從而提高了盤片密度,達(dá)到200MB/英寸2,而使用傳統(tǒng)的磁頭只能達(dá)到20MB/英寸2,這也是MR磁頭被廣泛應(yīng)用的最主要原因。MR磁頭已得到廣泛應(yīng)用,而采用多層結(jié)構(gòu)和磁阻效應(yīng)更好的材料制作的GMR磁頭(Giant Magnetoresistive heads)也逐漸普及。

磁頭是硬盤中對(duì)盤片進(jìn)行讀寫工作的工具,是硬盤中最精密的部位之一。磁頭是用線圈纏繞在磁芯上制成的。硬盤在工作時(shí),磁頭通過(guò)感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場(chǎng)的變化來(lái)讀取數(shù)據(jù);通過(guò)改變盤片上的磁場(chǎng)來(lái)寫入數(shù)據(jù)。為避免磁頭和盤片的磨損,在工作狀態(tài)時(shí),磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片上方,而不與盤片直接接觸,只有在電源關(guān)閉之后,磁頭會(huì)自動(dòng)回到在盤片上的固定位置(稱為著陸區(qū),此處盤片并不存儲(chǔ)數(shù)據(jù),是盤片的起始位置)。

工作性質(zhì)

由于磁頭工作的性質(zhì),對(duì)其磁感應(yīng)敏感度和精密度的要求都非常高。早先的磁頭采用鐵磁性物質(zhì),在磁感應(yīng)敏感度上不是很理想,因此早期的硬盤單碟容量都比較低,單碟容量大則碟片上磁道密度大,磁頭感應(yīng)程度不夠,就無(wú)法準(zhǔn)確讀出數(shù)據(jù)。這就造成早期的硬盤容量都很有限。隨著技術(shù)的發(fā)展,磁頭在磁感應(yīng)敏感度和精密度方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

最初磁頭是讀、寫功能一起的,這對(duì)磁頭的制造工藝、技術(shù)都要求很高,而對(duì)于個(gè)人電腦來(lái)說(shuō),在與硬盤交換數(shù)據(jù)的過(guò)程中,讀取數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于寫入數(shù)據(jù),讀、寫操作二者的特性也完全不同,這也就導(dǎo)致了讀、寫分離的磁頭,二者分別工作、各不干擾。

磁頭磁化嚴(yán)重,消磁即可。

在1990年至1995年間,硬盤采用TFI讀/寫技術(shù)。TFI磁頭實(shí)際上是繞線的磁芯。盤片在繞線的磁芯下通過(guò)時(shí)會(huì)在磁頭上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。TFI讀磁頭之所以會(huì)達(dá)到它的能力極限,是因?yàn)樵谔岣叽澎`敏度的同時(shí),它的寫能力卻減弱了。

各向異性磁阻(AMR)磁頭

在1991年,IBM提出了它基于磁阻(MR)技術(shù)的讀磁頭技術(shù)――各項(xiàng)異性磁,磁頭在和旋轉(zhuǎn)的碟片相接觸過(guò)程中,通過(guò)感應(yīng)碟片上磁場(chǎng)的變化來(lái)讀取數(shù)據(jù)。在硬盤中,碟片的單碟容量和磁頭技術(shù)是相互制約、相互促進(jìn)的。

AMR(Anisotropic Magneto Resistive)90年代中期,希捷公司推出了使用AMR磁頭的硬盤。AMR磁頭使用TFI磁頭來(lái)完成寫操作,但用薄條的磁性材料來(lái)作為讀元件。在有磁場(chǎng)存在的情況下,薄條的電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化,進(jìn)而產(chǎn)生很強(qiáng)的信號(hào)。硬盤譯解由于磁場(chǎng)極性變化而引起的薄條電阻變化,提高了讀靈敏度。AMR磁頭進(jìn)一步提高了面密度,而且減少了元器件數(shù)量。由于AMR薄膜的電阻變化量有一定的限度,AMR技術(shù)最大可以支持3.3GB/平方英寸的記錄密度,所以AMR磁頭的靈敏度也存在極限。這導(dǎo)致了GMR磁頭的研發(fā)。

GMR(GiantMagnetoResistive,巨磁阻)

GMR磁頭繼承了TFI磁頭和AMR磁頭中采用的讀/寫技術(shù)。但它的讀磁頭對(duì)于磁盤上的磁性變化表現(xiàn)出更高的靈敏度。GMR磁頭是由4層導(dǎo)電材料和磁性材料薄膜構(gòu)成的:一個(gè)傳感層、一個(gè)非導(dǎo)電中介層、一個(gè)磁性的栓層和一個(gè)交換層。GMR傳感器的靈敏度比AMR磁頭大3倍,所以能夠提高盤片的密度和性能。

硬盤的磁頭數(shù)取決于硬盤中的碟片數(shù),盤片正反兩面都存儲(chǔ)著數(shù)據(jù),所以一個(gè)盤片對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁頭才能正常工作。比如總?cè)萘?0GB的硬盤,采用單碟容量80GB的盤片,那只有一張盤片,該盤片正反面都有數(shù)據(jù),則對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁頭;而同樣總?cè)萘?20GB的硬盤,采用二張盤片,則只有三個(gè)磁頭,其中一張盤片的一面沒(méi)有磁頭。

磁帶錄音機(jī)的磁頭

錄音機(jī)是靠電磁感應(yīng)原理工作的。這種磁頭實(shí)際上是一塊蹄型電磁鐵,錄音機(jī)在工作時(shí),是把話筒紙盤的聲音經(jīng)過(guò)震動(dòng)變成感應(yīng)電流,在經(jīng)過(guò)放大電路傳輸?shù)酱蓬^,磁頭緊貼著磁帶,感應(yīng)電流會(huì)使磁頭磁化,使其成為一塊電磁鐵。感應(yīng)電流原來(lái)是由聲音變來(lái)的,在磁頭的電磁作用下,磁帶上的磁粉就被不同程度地磁化了,并且是有順序排列的。磁帶在錄音前必須先經(jīng)過(guò)抹音(俗稱洗帶、消磁),以免磁帶在播放時(shí)有上一次的聲音信號(hào),造成雜音。錄音機(jī)上的錄音磁頭和放音磁頭實(shí)際是同一個(gè)磁頭(高檔的錄音機(jī)和錄音卡座里,錄、放音磁頭是分開(kāi)的),只是連接位置不同而已。錄音時(shí),磁頭和話筒(或麥克風(fēng))連接,播放時(shí)和喇叭連接。抹音頭實(shí)際是一塊天然磁鐵(也有用超音頻電流抹音的),原理是:在錄音前首先使磁帶上的磁粉排列順序一致,就這樣,磁帶上原有的信息就被洗去了。

磁頭通常包裹在盤片表面的很薄的空氣層中(1990年代中期采用薄液體層)。盤片的最上層是聚四氟乙烯類似的物質(zhì),作為潤(rùn)滑劑。下面是一層濺射碳。這兩層保護(hù)磁層(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)),防止讀寫頭的意外接觸。

磁盤讀寫頭使用薄膜技術(shù),材料足夠堅(jiān)硬,較難通過(guò)保護(hù)層劃傷。磁頭劃碰比較可能是由于外力通過(guò)讀寫頭,對(duì)盤片產(chǎn)生足夠的壓力,導(dǎo)致磁性存儲(chǔ)層劃傷。其他的污垢或碎屑,過(guò)度沖擊或振動(dòng),意外掉落,能使讀寫頭對(duì)盤片造成沖擊,在這個(gè)過(guò)程中通常損壞讀寫頭。