存储知识课堂（二）：磁盘读写磁头揭秘

【IT168 技术】磁盘技术演变的同时读写磁头的设计也在不断发展。最早的磁头就是绕着线圈的铁芯。按照目前的标准，最初的磁头尺寸过大，而且录制密度低。经过多年的发展，磁头设计已经从最初简单的铁芯发展为各式各样的磁头类型和技术。在《存储知识课堂（一）：磁盘工作原理揭秘》一文中，我们详细介绍了磁盘的工作原理。在这本文中，我们将讨论的是PC硬盘中的各种磁头，包括各种磁头的应用和优缺点。

　　不同种类的磁头在硬盘中已被应用多年

　　铁氧体磁头
　　隙含金属磁头(MIG)
　　薄膜式磁头 (TF)
　　磁阻式磁头 (MR)
　　巨磁阻磁头 (GMR)
　　垂直磁记录 (PMR)

　　注意：截止2005年，基于PMR的硬盘技术被应用到了便携式音乐播放器和笔记本电脑中，而该技术在2006年才应用到台式机上。

铁氧体磁头

　　铁氧体磁头属于传统的磁头设计，由最初的IBM 30-30 Winchester驱动演化而来。这些磁头都有由电磁线圈包裹的铁氧体。这种驱动会在线圈中通电，然后产生磁场。这就磁头就具备了读写能力。铁氧体磁头比薄膜磁头大且重，因此在磁盘转动的时候需要更大的浮动高度来防止与磁盘接触。

　　厂商对最初的铁氧体磁头进行了很多改进。有一种名为混合铁氧体磁头就是在陶瓷外壳中装有较小的铁氧芯，这枚铁氧芯与玻璃相连。这种设计减小了磁头间隙具有更高的磁道密度。与原来体积较大的磁头相比，这些磁头不易受其他磁场的影响。

　　在20世纪80年代，综合铁氧体磁头被广泛应用于低端磁盘，如希捷ST-225。随着磁道密度需求的增高，MIG和薄膜磁头开始取代铁氧体磁头，直至铁氧体被完全淘汰。在高密度磁盘中，铁氧体磁头无法写入具有高抗磁性的介质中，而且对于频率低噪声大。铁氧体磁头的主要优势在于价格便宜。

隙含金属磁头(MIG)

　　隙含金属磁头是综合铁氧体磁头的升级版本。在MIG磁头中，金属物质被应用到磁头的间隙。有两种MIG磁头可用：单边和双边。单边MIG磁头在后缘部分有一层磁性合金。双边MIG则在间隙两侧都有磁性合金层。金属合金经过喷溅涂覆法进行了真空镀膜处理。

　　这种磁合金的磁性是铁氧体的两倍，而且可以让磁头写入抗磁性较高的薄膜介质，较高的磁道密度通常需要这种介质。MIG磁头还能在磁场中产生更明显的磁性梯度，所以磁脉冲更清晰。双边MIG磁头比单边磁头的抗磁性更好。

　　这种性能上的改进致使MIG磁头一度成为使用最广泛的磁头，而且在20世纪80年代末到90年代初期广泛应用与硬盘中，LS-120 (SuperDisk)驱动就是最近使用的典范。

薄膜磁头(TF)

　　薄膜磁头与半导体芯片的生产过程类似，都是经光刻法处理。这种处理可以在单个圆形晶片上创建数千个磁头，而且成品小巧且质量高。

　　TF磁头的磁道非常窄，而且是通过喷溅了一种硬质铝型材做成。由于这种材料把间隙完全包裹起来，所以这个区域得到了较好的保护，从而极大减少了磁盘转动时的接触性损害。其中心部分是铁和镍合金的混合物，磁性比铁氧体磁头的铁芯要强两到四倍。

　　TF磁头产生了非常清晰的磁脉冲，所以可以在非常高的磁道密度下进行写入操作。由于他们不存在传统意义上的线圈，所以TF磁头抵御线圈抗阻的能力更强。这种小巧的磁头比铁氧体磁头和MIG磁头的浮动高度更低;在有些产品中，其浮动高度只有2微寸甚至更少。高度的降低可以让磁头捕捉和发送更强的信号，信噪比增强，而且准确率提高。在某些驱动的高磁道与线性密度上，标准的铁氧体磁头可能无法从背景噪音中捕获数据信号。TF磁头的另一个优势是体积小，所以磁盘安装更紧凑，同样空间里可以放置更多磁盘。

　　很多100Mb-2Gb的驱动都是使用TF磁头，特别是体积小的驱动中。TF磁头取代了MIG磁头成为最流行的磁头设计，但是它现在又被更新的磁阻式磁头取代。

磁阻式磁头

　　磁阻式磁头有时候也指各向异性磁阻(AMR)磁头，与此前的感应式磁头相比，它的密度可以增加四倍。IBM于1991年推出第一款商业型MR磁头，其制式为1GB 3 1/2英寸，其他供应商也纷纷效仿。

　　所有磁头都是探测器;也就是说它们都可以检测介质中磁通变换区然后将其转换为可以译成数据的电子信号。磁记录存在的一个问题是不断增长的密度需求，也就是要把更多信息放到更小的存储中。磁盘上的磁域越来越小，读取过程中磁头的信号也会变弱;从噪音或漏磁场中分辨真实信号的难度也加大。因此需要更为有效的读取磁头，即在磁盘上检测这些磁通变换区。

　　现在广为人知的另一种磁效应也被用到驱动中国。当线圈经过磁场时，不仅线圈会产生小股电流，线圈的电阻同样也会改变。标准读取磁头用磁头发电，这是因为磁头在通过磁通变换区的时候会产生脉冲电流。

　　MR磁头将磁头作为电阻使用而不是用磁头生成微弱电流。电路在磁头输送电压等待电压发生改变。这样一来就可以产生更强更清晰的信号，因此，磁道密度也可以增加。

　　当外部磁场出现时，导体的阻力会稍微发生改变。MR磁头可以感知通量逆转并改变电阻而不用通过磁场的通量逆转释放电压。小股电流通过磁头，而这股电流可以检测电阻的改变。使用这种设计，读取时的输出功率比TF磁头要强劲三倍甚至多倍。事实上，与其说是发电器，不如说MR磁头更像是传感器。

MR磁头的生产制作比TF磁头更贵跟复杂，因为它需要的组件和生产步骤都要多一些：

　　1. 磁头需要使用更多电线来进行电流检测。
　　2. 四到六道屏蔽工序。
　　3. MR磁头对漏磁场非常敏感，所以需要额外进行屏蔽。

　　因为MR原则上只能读取数据不能进行写入操作，所以MR磁头其实是二合一磁头。这种组装模式包含了一个标准的用于写数据的感应式TF磁头和一个用来读取数据的MR磁头。两个磁头组装在一起，各司其职。铁氧体，MIG和TF磁头是单边磁头，因为相同的间隙被用做读写操作，而MR磁头则是分开操作。

　　读取功能需要稀疏的密度才能获得高分辨率;而读取功能需要大密度来获取更深的通量穿透来改变介质。在双边MR磁头中，读写间隙都可以得到优化。TF磁头的写入间隙比MR磁头的写入间隙更宽。因此它不容易受到附近磁道的信息干扰。

　　下图中显示的是IBM设计的MR磁头。这个图先展示了位于磁头驱动臂末端完整的MR磁头和滑动器。如果你打开一个驱动就会看到图上所示的部分。滑动器是三角形驱动臂末端的拦截装置，驱动臂控制着磁头。真正的磁头和MR磁头中的读取传感器都很小。

　　读取元件是一个磁阻式传感器，由铁镍(NiFe)薄膜组成。这层铁镍薄膜在磁场出现时改变电阻。屏蔽层保护MR传感器的读取元件不被临近的磁场干扰。在很多磁头设计中，第二层屏蔽同样是写入元件的一端，从而形成了合并的MR磁头。写入元件并非MR磁头中出现的设计而是传统TF感应磁头。

　　IBM的MR磁头设计使用Soft Adjacent Layer(SAL)结构，它由MR NiFe薄膜以及一个磁性软合金层构成，两层之间由高电阻薄膜间隔。在这种设计中，NiFe层的阻力会随着MR传感器通过磁场而发生改变。

　　由于平面密度增加了，MR磁头的元件被设计得更细小。最近很多设计都减少了薄膜的宽度。

▲MR磁头横截面图

巨磁阻磁头

　　对不断增大的密度需求下，IBM在1997年推出了新的MR磁头，也就是所谓的巨磁阻磁头(GMR)，它们比标准的MR磁头更小，但是设计原理基于MR。不过传统MR磁头单层NiFe薄膜被多层薄膜取代。在MR磁头中，单层NiFe薄膜会随着磁盘上通量逆转来改变电阻。而在GMR磁头中，有两层薄膜来实现这一功能。

　　GMR效应在1988年的水晶样本中被发现，随即被应用到高能磁场中。德国科学家Peter Gruenberg和法国科学家Albert Fert发现，在各种金属元素薄层组成的材料中会出现较大的电阻改变。GMR材料的关键结构是在两个磁性金属层之间有一个非金属隔离层。其中一个磁性层被固定住，也就是说它具备固定的磁性取向。另一个磁性层的磁性取向则随意。磁性物质倾向于指向同一方向。因此如果隔离层足够薄，那么任意磁性层就会与固定磁性层方向一致。任意磁性层的取向也会周期性的来回变动。当两个磁性层取向一致时，总电阻较低，而取向相反时，总电阻较高。

　　下图展示了GMR磁头的读取元件：