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硬盤磁頭

硬盤內部結構磁頭是硬盤中最昂貴的部件,也是硬盤技術中最重要和最關鍵的一環。傳統的磁頭是讀寫合一的電磁感應式磁頭,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計時必須

要同時兼顧到讀/寫兩種特性,從而造成了硬盤設計上的局限。而MR磁頭(Magnetoresistive heads),即磁阻磁頭,采用的是分離式的磁頭結構:寫入磁頭仍采用傳統的磁感應磁頭(MR磁頭不能進行寫操作),讀取磁頭則采用新型的MR磁頭,即所謂的感應寫、磁阻讀。這樣,在設計時就可以針對兩者的不同特性分別進行優化,以得到最好的讀/寫性能。另外,MR磁頭是通過阻值變化而不是電流變化去感應信號幅度,因而對信號變化相當敏感,讀取數據的準確性也相應提高。而且由于讀取的信號幅度與磁道寬度無關,故磁道可以做得很窄,從而提高了盤片密度,達到200MB/英寸2,而使用傳統的磁頭只能達到20MB/英寸2,這也是MR磁頭被廣泛應用的最主要原因。MR磁頭已得到廣泛應用,而采用多層結構和磁阻效應更好的材料制作的GMR磁頭(Giant Magnetoresistive heads)也逐漸普及。

磁頭是硬盤中對盤片進行讀寫工作的工具,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,磁頭通過感應旋轉的盤片上磁場的變化來讀取數據;通過改變盤片上的磁場來寫入數據。為避免磁頭和盤片的磨損,在工作狀態時,磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方,而不與盤片直接接觸,只有在電源關閉之后,磁頭會自動回到在盤片上的固定位置(稱為著陸區,此處盤片并不存儲數據,是盤片的起始位置)。

工作性質

由于磁頭工作的性質,對其磁感應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,在磁感應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,磁頭感應程度不夠,就無法準確讀出數據。這就造成早期的硬盤容量都很有限。隨著技術的發展,磁頭在磁感應敏感度和精密度方面都有了長足的進步。

最初磁頭是讀、寫功能一起的,這對磁頭的制造工藝、技術都要求很高,而對于個人電腦來說,在與硬盤交換數據的過程中,讀取數據遠遠快于寫入數據,讀、寫操作二者的特性也完全不同,這也就導致了讀、寫分離的磁頭,二者分別工作、各不干擾。

磁頭磁化嚴重,消磁即可。

在1990年至1995年間,硬盤采用TFI讀/寫技術。TFI磁頭實際上是繞線的磁芯。盤片在繞線的磁芯下通過時會在磁頭上產生感應電壓。TFI讀磁頭之所以會達到它的能力極限,是因為在提高磁靈敏度的同時,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)技術的讀磁頭技術――各項異性磁,磁頭在和旋轉的碟片相接觸過程中,通過感應碟片上磁場的變化來讀取數據。在硬盤中,碟片的單碟容量和磁頭技術是相互制約、相互促進的。

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磁頭來完成寫操作,但用薄條的磁性材料來作為讀元件。在有磁場存在的情況下,薄條的電阻會隨磁場而變化,進而產生很強的信號。硬盤譯解由于磁場極性變化而引起的薄條電阻變化,提高了讀靈敏度。AMR磁頭進一步提高了面密度,而且減少了元器件數量。由于AMR薄膜的電阻變化量有一定的限度,AMR技術最大可以支持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。這導致了GMR磁頭的研發。

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。但它的讀磁頭對于磁盤上的磁性變化表現出更高的靈敏度。GMR磁頭是由4層導電材料和磁性材料薄膜構成的:一個傳感層、一個非導電中介層、一個磁性的栓層和一個交換層。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。

硬盤的磁頭數取決于硬盤中的碟片數,盤片正反兩面都存儲著數據,所以一個盤片對應兩個磁頭才能正常工作。比如總容量80GB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據,則對應兩個磁頭;而同樣總容量120GB的硬盤,采用二張盤片,則只有三個磁頭,其中一張盤片的一面沒有磁頭。

磁帶錄音機的磁頭

錄音機是靠電磁感應原理工作的。這種磁頭實際上是一塊蹄型電磁鐵,錄音機在工作時,是把話筒紙盤的聲音經過震動變成感應電流,在經過放大電路傳輸到磁頭,磁頭緊貼著磁帶,感應電流會使磁頭磁化,使其成為一塊電磁鐵。感應電流原來是由聲音變來的,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過抹音(俗稱洗帶、消磁),以免磁帶在播放時有上一次的聲音信號,造成雜音。錄音機上的錄音磁頭和放音磁頭實際是同一個磁頭(高檔的錄音機和錄音卡座里,錄、放音磁頭是分開的),只是連接位置不同而已。錄音時,磁頭和話筒(或麥克風)連接,播放時和喇叭連接。抹音頭實際是一塊天然磁鐵(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,作為潤滑劑。下面是一層濺射碳。這兩層保護磁層(數據存儲區),防止讀寫頭的意外接觸。

磁盤讀寫頭使用薄膜技術,材料足夠堅硬,較難通過保護層劃傷。磁頭劃碰比較可能是由于外力通過讀寫頭,對盤片產生足夠的壓力,導致磁性存儲層劃傷。其他的污垢或碎屑,過度沖擊或振動,意外掉落,能使讀寫頭對盤片造成沖擊,在這個過程中通常損壞讀寫頭。