【IT168 技術(shù)】磁盤技術(shù)演變的同時讀寫磁頭的設(shè)計也在不斷發(fā)展。最早的磁頭就是繞著線圈的鐵芯。按照目前的標(biāo)準(zhǔn)，最初的磁頭尺寸過大，而且錄制密度低。經(jīng)過多年的發(fā)展，磁頭設(shè)計已經(jīng)從最初簡單的鐵芯發(fā)展為各式各樣的磁頭類型和技術(shù)。在《存儲知識課堂（一）：磁盤工作原理揭秘》一文中，我們詳細(xì)介紹了磁盤的工作原理。在這本文中，我們將討論的是PC硬盤中的各種磁頭，包括各種磁頭的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)。

　　不同種類的磁頭在硬盤中已被應(yīng)用多年

　　鐵氧體磁頭
　　隙含金屬磁頭(MIG)
　　薄膜式磁頭 (TF)
　　磁阻式磁頭 (MR)
　　巨磁阻磁頭 (GMR)
　　垂直磁記錄 (PMR)

　　注意：截止2005年，基于PMR的硬盤技術(shù)被應(yīng)用到了便攜式音樂播放器和筆記本電腦中，而該技術(shù)在2006年才應(yīng)用到臺式機(jī)上。

鐵氧體磁頭

　　鐵氧體磁頭屬于傳統(tǒng)的磁頭設(shè)計，由最初的IBM 30-30 Winchester驅(qū)動演化而來。這些磁頭都有由電磁線圈包裹的鐵氧體。這種驅(qū)動會在線圈中通電，然后產(chǎn)生磁場。這就磁頭就具備了讀寫能力。鐵氧體磁頭比薄膜磁頭大且重，因此在磁盤轉(zhuǎn)動的時候需要更大的浮動高度來防止與磁盤接觸。

　　廠商對最初的鐵氧體磁頭進(jìn)行了很多改進(jìn)。有一種名為混合鐵氧體磁頭就是在陶瓷外殼中裝有較小的鐵氧芯，這枚鐵氧芯與玻璃相連。這種設(shè)計減小了磁頭間隙具有更高的磁道密度。與原來體積較大的磁頭相比，這些磁頭不易受其他磁場的影響 。

　　在20世紀(jì)80年代，綜合鐵氧體磁頭被廣泛應(yīng)用于低端磁盤，如希捷ST-225。隨著磁道密度需求的增高，MIG和薄膜磁頭開始取代鐵氧體磁頭，直至鐵氧體被完全淘汰。在高密度磁盤中，鐵氧體磁頭無法寫入具有高抗磁性的介質(zhì)中，而且對于頻率低噪聲大。鐵氧體磁頭的主要優(yōu)勢在于價格便宜。

隙含金屬磁頭(MIG)

　　隙含金屬磁頭是綜合鐵氧體磁頭的升級版本。在MIG磁頭中，金屬物質(zhì)被應(yīng)用到磁頭的間隙。有兩種MIG磁頭可用：單邊和雙邊。單邊MIG磁頭在后緣部分有一層磁性合金。雙邊MIG則在間隙兩側(cè)都有磁性合金層。金屬合金經(jīng)過噴濺涂覆法進(jìn)行了真空鍍膜處理。

　　這種磁合金的磁性是鐵氧體的兩倍，而且可以讓磁頭寫入抗磁性較高的薄膜介質(zhì)，較高的磁道密度通常需要這種介質(zhì)。MIG磁頭還能在磁場中產(chǎn)生更明顯的磁性梯度，所以磁脈沖更清晰。雙邊MIG磁頭比單邊磁頭的抗磁性更好。

　　這種性能上的改進(jìn)致使MIG磁頭一度成為使用最廣泛的磁頭，而且在20世紀(jì)80年代末到90年代初期廣泛應(yīng)用與硬盤中，LS-120 (SuperDisk)驅(qū)動就是最近使用的典范。

薄膜磁頭(TF)

　　薄膜磁頭與半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)過程類似，都是經(jīng)光刻法處理。這種處理可以在單個圓形晶片上創(chuàng)建數(shù)千個磁頭，而且成品小巧且質(zhì)量高。

　　TF磁頭的磁道非常窄，而且是通過噴濺了一種硬質(zhì)鋁型材做成。由于這種材料把間隙完全包裹起來，所以這個區(qū)域得到了較好的保護(hù)，從而極大減少了磁盤轉(zhuǎn)動時的接觸性損害。其中心部分是鐵和鎳合金的混合物，磁性比鐵氧體磁頭的鐵芯要強(qiáng)兩到四倍。

　　TF磁頭產(chǎn)生了非常清晰的磁脈沖，所以可以在非常高的磁道密度下進(jìn)行寫入操作。由于他們不存在傳統(tǒng)意義上的線圈，所以TF磁頭抵御線圈抗阻的能力更強(qiáng)。這種小巧的磁頭比鐵氧體磁頭和MIG磁頭的浮動高度更低;在有些產(chǎn)品中，其浮動高度只有2微寸甚至更少。高度的降低可以讓磁頭捕捉和發(fā)送更強(qiáng)的信號，信噪比增強(qiáng)，而且準(zhǔn)確率提高。在某些驅(qū)動的高磁道與線性密度上，標(biāo)準(zhǔn)的鐵氧體磁頭可能無法從背景噪音中捕獲數(shù)據(jù)信號。TF磁頭的另一個優(yōu)勢是體積小，所以磁盤安裝更緊湊，同樣空間里可以放置更多磁盤。

　　很多100Mb-2Gb的驅(qū)動都是使用TF磁頭，特別是體積小的驅(qū)動中。TF磁頭取代了MIG磁頭成為最流行的磁頭設(shè)計，但是它現(xiàn)在又被更新的磁阻式磁頭取代。

磁阻式磁頭

　　磁阻式磁頭有時候也指各向異性磁阻(AMR)磁頭，與此前的感應(yīng)式磁頭相比，它的密度可以增加四倍。IBM于1991年推出第一款商業(yè)型MR磁頭，其制式為1GB 3 1/2英寸，其他供應(yīng)商也紛紛效仿。

　　所有磁頭都是探測器;也就是說它們都可以檢測介質(zhì)中磁通變換區(qū)然后將其轉(zhuǎn)換為可以譯成數(shù)據(jù)的電子信號。磁記錄存在的一個問題是不斷增長的密度需求，也就是要把更多信息放到更小的存儲中。磁盤上的磁域越來越小，讀取過程中磁頭的信號也會變?nèi)?從噪音或漏磁場中分辨真實(shí)信號的難度也加大。因此需要更為有效的讀取磁頭，即在磁盤上檢測這些磁通變換區(qū)。

　　現(xiàn)在廣為人知的另一種磁效應(yīng)也被用到驅(qū)動中國。當(dāng)線圈經(jīng)過 磁場時，不僅線圈會產(chǎn)生小股電流，線圈的電阻同樣也會改變。標(biāo)準(zhǔn)讀取磁頭用磁頭發(fā)電，這是因?yàn)榇蓬^在通過磁通變換區(qū)的時候會產(chǎn)生脈沖電流。

　　MR磁頭將磁頭作為電阻使用而不是用磁頭生成微弱電流。電路在磁頭輸送電壓等待電壓發(fā)生改變。這樣一來就可以產(chǎn)生更強(qiáng)更清晰的信號，因此，磁道密度也可以增加。

　　當(dāng)外部磁場出現(xiàn)時，導(dǎo)體的阻力會稍微發(fā)生改變。MR磁頭可以感知通量逆轉(zhuǎn)并改變電阻而不用通過磁場的通量逆轉(zhuǎn)釋放電壓。小股電流通過磁頭，而這股電流可以檢測電阻的改變。使用這種設(shè)計，讀取時的輸出功率比TF磁頭要強(qiáng)勁三倍甚至多倍。事實(shí)上，與其說是發(fā)電器，不如說MR磁頭更像是傳感器。

MR磁頭的生產(chǎn)制作比TF磁頭更貴跟復(fù)雜，因?yàn)樗枰慕M件和生產(chǎn)步驟都要多一些：

　　1. 磁頭需要使用更多電線來進(jìn)行電流檢測。
　　2. 四到六道屏蔽工序。
　　3. MR磁頭對漏磁場非常敏感，所以需要額外進(jìn)行屏蔽。

　　因?yàn)镸R原則上只能讀取數(shù)據(jù)不能進(jìn)行寫入操作，所以MR磁頭其實(shí)是二合一磁頭。這種組裝模式包含了一個標(biāo)準(zhǔn)的用于寫數(shù)據(jù)的感應(yīng)式TF磁頭和一個用來讀取數(shù)據(jù)的MR磁頭。兩個磁頭組裝在一起，各司其職。鐵氧體，MIG和TF磁頭是單邊磁頭，因?yàn)橄嗤拈g隙被用做讀寫操作，而MR磁頭則是分開操作。

　　讀取功能需要稀疏的密度才能獲得高分辨率;而讀取功能需要大密度來獲取更深的通量穿透來改變介質(zhì)。在雙邊MR磁頭中，讀寫間隙都可以得到優(yōu)化。TF磁頭的寫入間隙比MR磁頭的寫入間隙更寬。因此它不容易受到附近磁道的信息干擾。

　　下圖中顯示的是IBM設(shè)計的MR磁頭。這個圖先展示了位于磁頭驅(qū)動臂末端完整的MR磁頭和滑動器。如果你打開一個驅(qū)動就會看到圖上所示的部分。滑動器是三角形驅(qū)動臂末端的攔截裝置，驅(qū)動臂控制著磁頭。真正的磁頭和MR磁頭中的讀取傳感器都很小。

　　讀取元件是一個磁阻式傳感器，由鐵鎳(NiFe)薄膜組成。這層鐵鎳薄膜在磁場出現(xiàn)時改變電阻。屏蔽層保護(hù)MR傳感器的讀取元件不被臨近的磁場干擾。在很多磁頭設(shè)計中，第二層屏蔽同樣是寫入元件的一端，從而形成了合并的MR磁頭。寫入元件并非MR磁頭中出現(xiàn)的設(shè)計而是傳統(tǒng)TF感應(yīng)磁頭。

　　IBM的MR磁頭設(shè)計使用Soft Adjacent Layer(SAL)結(jié)構(gòu)，它由MR NiFe薄膜以及一個磁性軟合金層構(gòu)成，兩層之間由高電阻薄膜間隔。在這種設(shè)計中，NiFe層的阻力會隨著MR傳感器通過磁場而發(fā)生改變。

　　由于平面密度增加了，MR磁頭的元件被設(shè)計得更細(xì)小。最近很多設(shè)計都減少了薄膜的寬度。

▲MR磁頭橫截面圖

巨磁阻磁頭

　　對不斷增大的密度需求下，IBM在1997年推出了新的MR磁頭，也就是所謂的巨磁阻磁頭(GMR)，它們比標(biāo)準(zhǔn)的MR磁頭更小，但是設(shè)計原理基于MR。不過傳統(tǒng)MR磁頭單層NiFe薄膜被多層薄膜取代。在MR磁頭中，單層NiFe薄膜會隨著磁盤上通量逆轉(zhuǎn)來改變電阻。而在GMR磁頭中，有兩層薄膜來實(shí)現(xiàn)這一功能。

　　GMR效應(yīng)在1988年的水晶樣本中被發(fā)現(xiàn)，隨即被應(yīng)用到高能磁場中。德國科學(xué)家Peter Gruenberg和法國科學(xué)家Albert Fert發(fā)現(xiàn)，在各種金屬元素薄層組成的材料中會出現(xiàn)較大的電阻改變。GMR材料的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是在兩個磁性金屬層之間有一個非金屬隔離層。其中一個磁性層被固定住，也就是說它具備固定的磁性取向。另一個磁性層的磁性取向則隨意。磁性物質(zhì)傾向于指向同一方向 。因此如果隔離層足夠薄，那么任意磁性層就會與固定磁性層方向一致。任意磁性層的取向也會周期性的來回變動。當(dāng)兩個磁性層取向一致時，總電阻較低，而取向相反時，總電阻較高。

　　下圖展示了GMR磁頭的讀取元件：

▲GMR磁頭橫截面圖

　　如果是較弱的磁場，如硬盤上的某個部分，通過GMR磁頭，那么任意磁性層的磁性取向會相應(yīng)改變并出現(xiàn)顯著的電阻改變。由于電阻改變的物理屬性是由其他層電子元件的相對旋轉(zhuǎn)造成的，所以GMR磁頭通常也稱作自旋閥磁頭。

　　1997年12月，IBM推出了自己的第一款GMR磁頭商用驅(qū)動。此后GMR磁頭的標(biāo)準(zhǔn)基本定位在3.5英寸和2.5英寸驅(qū)動。

　　2007年，日立公司開發(fā)出了直流電GMR磁頭，它的平面密度可達(dá)1Tb/平方英寸甚至更大。這種可稱為直流平面GMR或是CPP-GMR，預(yù)計這種磁頭可于2011年起應(yīng)用到驅(qū)動中。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的存储知识课堂（二）：磁盘读写磁头揭秘的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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