Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи - чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов.

В данном разделе описаны типы головок, применяемые в накопителях на жестких дисках.

Существуют следующие типы головок: ферритовые;

с металлом в зазоре (MIG);

тонкопленочные (TF); магниторезистивные (MR); гигантские магниторезистивные (GMR).

Дополнительные сведения

Информация о ныне устаревших ферритовых и тонкопленочных головках, а также головках с металлом в зазоре представлена на прилагаемом к книге компакт-диске.

Магниторезистивные головки

Магниторезистивные (Magneto-Resistive - MR) головки появились сравнительно недавно. Они разработаны IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5") компании IBM в 1991 году.

Все головки являются детекторами, т. е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнитных доменов носителя снижается уровень сигнала головки и существует вероятность принять шум за "настоящий" сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффективную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала.

Довольно давно был открыт еще один эффект магнетизма: при воздействии на проводник внешнего магнитного поля его сопротивление изменяется. При прохождении обычной головки над зоной смены знака на выходах обмотки формируется импульс напряжения. Иначе обстоит дело при считывании данных с помощью магниторезистивной головки. Ее сопротивление оказывается различным при прохождении над участками с разным значением остаточной (постоянной) намагниченности. Это явление и послужило основой для создания компанией IBM нового типа считывающих головок. Через головку протекает небольшой постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления изменяется и падение напряжения на ней.

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, магниторезистивная головка на самом деле - это две головки, объединенные в одну конструкцию. При этом записывающая часть представляет собой обычную индуктивную головку, а считывающая - магниторезистивную. Поскольку функции считывания и записи разделены между двумя отдельными узлами, каждый из них может быть спроектирован так, чтобы наилучшим образом выполнять предусмотренную операцию. Амплитуда выходного сигнала у такой головки примерно в четыре раза больше, чем у индуктивной.

Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;

в процессе производства используется 4-6 дополнительных масок (фотошаблонов);

благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания "работал" один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два - каждый для своей операции. При разработке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину ("намагничивая" его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассматриваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка "собирает" с соседних дорожек меньше магнитных помех.

Схема типичной магниторезистивной головки IBM показана на рис. 9.5. Здесь представлен весь узел головки вместе с ползунком. Считывающий элемент головки (маг-ниторезистивный сенсор) состоит из железоникелевой пленки, отделенной небольшим промежутком от магнитного слоя. Эта пленка изменяет свое сопротивление в зависимости от магнитного поля. Защитные слои предохраняют сенсор считывающего элемента от "случайных" магнитных полей. В большинстве конструкций вторая защита выполняет функции записывающего элемента. Такой тип головок называют объединенными магниторезистивными головками. Записывающий элемент представляет собой обычную тонкопленочную индуктивную головку.

Гигантские магниторезистивные головки

В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторе-зистивными головками (Giant Magnetoresistive - GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта (хотя по размеру были меньше стандартных магниторе-зистивных головок). Эффект GMR был открыт в 1988 году в кристаллах, помещенных

Мягкий граничный слой

Разделитель

Рис. 9.5. Поперечное сечение магниторезистивной головки Железомарганцевая

пленка

Spin valve GMR sensor

Медный слойЖелезоникелевая пленка

Рис. 9.6. Поперечное сечение гигантской магниторезистивной головки

в очень сильное магнитное поле (приблизительно в 1 000 раз превышающее магнитное поле, используемое в накопителях на жестких дисках). Считывающий элемент гигантской магниторезистивной головки показан на рис. 9.6.

В декабре 1997 года все та же IBM анонсировала накопитель емкостью 16,8 Гбайт (3,5"), в котором используются головки GMR. В настоящее время в большинстве накопителей на жестких дисках используется этот тип головок. Скорее всего, технология GMR будет доминирующей и в начале третьего тысячелетия.

Ползунок

Ползунком называется деталь конструкции, благодаря которой головка поддерживается в подвешенном положении на нужном расстоянии от поверхности диска. Сам ползунок при этом тоже не соприкасается с поверхностью носителя. В большинстве случаев эта