1. феритові головки
6. MIG-головки
9. тонкоплівкові головки

Щільність запису накопичувачів на жорстких дисках (HDD) в першу чергу визначається розміром і конструкцією головок читання / запису. Саме в напрямку розвитку і вдосконалення головок дуже довгий час працювала вся галузь "жорстких дисків". Результатом довгої, копіткої і "розумної" роботи інженерів став цілий ряд новітніх розробок свого часу. Кожен новий тип головки читання / запису ставав поворотним моментом у розвитку накопичувачів і проводив до збільшення щільності запису і ємності дисків на порядок, а іноді і на кілька порядків. Знання найважливіших етапів розвитку жорстких дисків є невід'ємною рисою хорошого фахівця з ремонту дисків і відновлення інформації.

Практично в будь-якій публікації по влаштуванню накопичувачів HDD, якими рясніє Internet, ми зможемо знайти поверхневий огляд головок читання / запису. Однак тема головок читання / запису насправді набагато ширше і цікавіше, ніж це можна уявити собі, читаючи уривчасті і безсистемні замітки на дану тему. Крім того, впадає в око те, що у всіх Internet-публікаціях класифікація головок практично одна і та ж, причому ця класифікація явно страждає неповнотою поданої інформації. В реальності ж, типів головок читання / запису набагато більше, ніж це прийнято вважати в рунеті, і тому, як нам здається, розмова на цю тему цілком буде актуальним.

Отже, не відкладаючи в довгий ящик, приступимо до огляду головок читання / запису накопичувачів HDD, в якому в тій чи іншій мірі буду порушені наступні їх типи:

1. Феритові головки читання-запису (FH)

2. Головки читання-запису з металом в зазорі (MIG)

3. Тонкоплівкові головки читання-запису (TF)

4. Магніторезистивні головки читання (MR)

5. Гігантські магніторезистивні головки читання (GMR), вони ж SPIN-VALVE головки (SV GMR)

6. GMR-головки читання для поздовжньої записи (GMR CIP)

7. GMR-головки читання для перпендикулярного запису (GMR CPP)

8. Дзеркальні GMR головки читання

9. Подвійні дзеркальні GMR-головки читання

10. Тунельні феромагнітні головки читання (MTJ)

11. Колосальні магніторезистивні головки читання (CMR)

12. Тунельні магніторезистивні головки читання (TMR)

13. Головки для магнітного запису за допомогою нагрівання (HAMR-головки)

Так як в рамках однієї статті розглянути всі ці технології навіть поверхнево є досить важким завданням, то даний огляд ми розбили на кілька частин, які будуть публікуватися в кількох номерах нашого журналу.

феритові головки

Феритові головки були найпершими головками читання / запису, які використовувались фірмою IBM в накопичувачах типу "вінчестер". Ці головки мають найпростішу конструкцію і найпростіший принцип роботи. Сердечник головки виконаний з пресованого фериту, виготовленого на основі окису заліза, і має U-подібну форму. Навколо цього сердечника намотується обмотка, в якій і створюється струм запису або читання. Фактично, ферритовая головка являє собою класичний електромагніт дуже малих розмірів. Таким чином, на кінцях U-образного магніту формуються магнітні полюси (південний і північний), що створюють магнітне поле. При цьому напрямок силових ліній даного магнітного поля визначається напрямом струму в обмотці головки. Сердечник головки складається з двох половинок, між якими є зазор (рис.1).

рис.1

При виконанні операції запису на диск, висока напруга, яка через обмотку головки, створює магнітне поле в зазорі між полюсами сердечника (рис.2), в результаті чого і відбувається намагнічування поверхні дискового накопичувача. Зміна напряму струму в обмотці головки приводить до зміни полярності магнітного поля, а, відповідно, і до зміни напрямку сили, що намагнічує (рис.2-a і рис.2-б).

рис.2

При читанні ж, навпаки, намагнічена область диска, "пролітаючи" під головкою, створює в U-подібному сердечнику змінюється магнітне поле, що, в свою чергу, призводить до появи в обмотці електричного струму. Напрямок струму в обмотці залежить від полярності намагніченою області диска (рис.3).

рис.3

Таким чином, ферритовая головка є універсальною, тобто може використовуватися як для запису, так і для читання інформації з диска.

Феритові головки мали значні габарити і були досить громіздкими, в результаті чого їх розміщували на досить великій відстані від дискової поверхні. Ця обставина, в свою чергу, призводило до необхідності збільшувати масу і габарити магнітних доменів диска для того, щоб вони могли забезпечити значну напруженість магнітного поля. Таким чином, за допомогою феритових головок неможливо домогтися високої щільності запису, і їх застосування обмежувалося дисками, ємністю до 50 Мбайт.

Пристрій ферритовой головки читання-запису і її зовнішній вигляд показані на рис.4. На цій фотографії дуже добре видно повзунок (слайдер), який до голівки читання-запису прямого відношення не має, а призначений для того, щоб ставити необхідну відстань між головкою і поверхнею диска. Слайдер дозволяє голівці "пурхати" над поверхнею диска на заданій висоті. Конструкція, габарити і інші параметри слайдера мають дуже велике значення, але про це трохи пізніше.

рис.4

Незабаром ферритові головки були вдосконалені шляхом приміщення сердечника в керамічний корпус, що дозволило збільшити щільність запису. Такі головки широко використовувалися в накопичувачах до середини 80-х років. Феритові головки непридатні для запису на носії з великою коерцитивної силою.

MIG-головки

MIG - Metal-In-Gap (метал в зазорі) - це композитні головки, в яких неробочий (зворотний поверхні диска) зазор заповнений металом (рис.5).

рис.5

Така конструкція дозволяє значно зменшувати магнітне насичення сердечника головки. Завдяки заповнення заднього технологічного зазору, схильність матеріалу сердечника до магнітного насичення зменшується, що дозволяє збільшити магнітну індукцію (індукція насичення магнітного сплаву вдвічі вище, ніж самого ферритового сердечника головки) і записувати дані з більшою щільністю за рахунок збільшення коерцитивної сили. Технологія MIG дозволяє збільшити магнітну індукцію в зазорі між голівкою і диском. MIG-головки формують на поверхні диска намагнічені ділянки з більш вираженими межами намагнічених зон, що дозволяє використовувати більш тонкий магнітний шар. Сердечник MIG-головок має значно менші розміри, у порівнянні з сердечниками феритових головок, що призводить до зменшення їх маси, а, отже, і до зменшення зазору між головкою і поверхнею диска. Один з варіантів конструкції MIG-головки показаний на рис.6.

рис.6

Існувала також різновид MIG-головок з напиленням магнітного сплаву і в робочий зазор - так звані, двошарові MIG-головки. Такий підхід дозволяв поліпшити характеристики головок.

Так як MIG-головки, є різновидом феритових головок, то вони є універсальними головками читання-запису.

Конструкція MIG-головок дозволяла виробляти дискові накопичувачі з ємністю від 50 до 100 Мбайт.

тонкоплівкові головки

Перші тонкоплівкові (Think Film - TF) головки отримали практичне застосування в 1979 році, хоча їх конструкція розроблялася з 1960 року. У літературі можна зустріти ще й таку назву цих головок, як тонкоплівкові індуктивні головки -Thin Film Inductive (TFI). Проводилися тонкоплівкові головки шляхом фотолітографії, тобто так само як і інтегральні мікросхеми. Дана технологія виробництва дозволяє різко зменшити розмір і масу головок.

Сердечник тонкопленочной головки отримують у такий спосіб. На підкладку головки за спеціальним шаблоном наноситься дуже тонкий шар провідного матеріалу - залізонікелевого сплаву, величина індукції насичення якого в 2-4 рази більше, ніж у пермаллоя (феромагнітного сплаву). В результаті, сердечник, на який намотується обмотка, виходить дуже компактним. Мала вага і малі габарити TF-головок дозволяють до 0,03 мкм зменшити просвіт між поверхнею диска і головкою. Невелика висота TF-головок сприяє тому, що в накопичувачі вдається розмістити більшу кількість магнітних дисків, без збільшення його висоти. Ці головки також мали хорошу залишкову намагніченість ділянок поверхні носія.

Конструкція TF-головок дозволяє змінювати зазор між головкою і диском шляхом нарощування шарів алюмінієвого сплаву на робочу поверхню головки. Зменшення зазору дає збільшення залишкової намагніченості і підвищується відношення «сигнал-шум», так як збільшується амплітуда сигналу. Крім цього, алюмінієвий сплав запобігає пошкодження головки об поверхню диска. Великою перевагою TF-головок є зменшення магнітних доменів на дискової поверхні, що дозволяє збільшити щільність запису.

Часом "розквіту" технології TF-головок можна вважати кінець вісімдесятих - середина дев'яностих років 20 століття. З використанням тонкоплівкових головок проводилися накопичувачі місткістю від 100 МБ до кількох Гбайт.

Приклад тонкопленочной головки читання-запису представлений на рис.7.

рис.7

магніторезистивні головки

По-перше, відразу варто обмовитися, що магніторезистивний ефект використовується тільки для побудови головки читання. Таким чином, магніторезистивні головки, на відміну від розглянутих вище типів головок, складаються вже з двох частин:

- головки запису;

- головки читання.

Модель такої розділеної за функціями головки читання / запису демонструється на рис.8, де дуже добре видно, що запис і читання здійснюється різними елементами головками. (Головки запису на рис.8 показана для простоти розуміння у вигляді індуктивного ферритовой головки, хоча насправді вона є тонкопленочной).

рис.8

Згодом тонкоплівкова головка запису в багатьох накопичувачах була кілька модернізована і набула такого вигляду, як це показано на рис.9.

рис.9

Висока чутливість MR-головки читання вимагає обов'язкової наявності екрануючих елементів, що запобігають вплив на головку зовнішніх магнітних полів.

Свою історію магніторезистивні головки (Magnitoresitive - MR) починають з початку 90-х. Перші покоління цих головок були анізотропними магніторезистивну головками (Anisotropic Magnitoresistive - AMR), і саме терміном AMR позначали їх в різній документації. Пізніше даний тип головок стали позначати просто MR, але зараз в деяких випадках виникає плутанина, пов'язана з тим, що терміном MR називають іноді і наступне покоління головок GMR. Саме тому в сучасних публікаціях часто знову повертаються до терміну AMR для позначення магніторезистивних головок. Фотографія магніторезистивної головки демонструється на рис.10.

рис.10

Застосування магніторезистивних головок дозволяє домогтися надзвичайно високої щільності запису даних і високого швидкодії накопичувача. Принцип роботи головки заснований на тому, що при зчитуванні даних реактивний опір обмотки MR-головки виявляється різним при проходженні над ділянками з різними значеннями залишкової намагніченості. Таким чином, магніторезистивну головка реєструє нема на зміни намагніченості (як це було в голівках розглянутих вище), а на величину намагніченості робочого шару диска.

У складі магніторезистивної головки читання є додаткова обмотка, в якій створюється постійний вимірювальний струм. У момент, коли голівка проходить над зоною намагніченості, опір цієї обмотки змінюється, а відповідно змінюється величина вимірювального струму. Контролюючи величину цього струму, що управляє схема реєструє наявність корисного сигналу на виході головки читання. Амплітуда вихідного сигналу MR-головки в кілька разів більше, ніж тонкопленочной. Фактично, головною відмінністю MR-головки є те, що вона являє собою резистивний датчик магнітного поля, а не генератор електрорушійної сили, як описані раніше головки.

У феритових, MIG і TF голівках робочий зазор між головкою і поверхнею накопичувача один - і для операцій запису і для операцій читання - і це логічно, адже дані головки одночасно є і головками читання, і головками записи. А ось в MR-голівці робочих зазорів два - кожен для своєї операції (рис.11). В MR-голівках у зчитувального вузла зазор повинен бути меншим (для збільшення роздільної здатності), а у записуючого - більш широким (для більш глибокого проникнення магнітного потоку в робочий шар носія). Тому що записує головка створює більш широкі доріжки, ніж це необхідно для зчитує MR-головки. Таким чином, при зчитуванні не захоплював шуми з сусідніх доріжок, що, безсумнівно, підвищує привабливість використання MR-головок в накопичувачах.

рис.11

Крім того, варто відзначити, що між головками читання і запису і поверхнею диска також виходять різні зазори. Головка читання виявляється на більшій відстані від поверхні диска, ніж головка запису, тому чутливість MR-сенсора має вельми велике значення для впевненого прийомам сигналу від магнітного домена. Різниця зазорів читання і запису обумовлена ​​похилим положенням слайдера головки (рис.12).

рис.12

Уявлення про реальний устрій магніторезистивної головки і її положенні щодо магнітного носія інформації (доріжок на диску) дає рис.13.

рис.13

Магніторезистивну головка має складну, багатошарову структуру (рис.14), а основою головки є залізо-нікелевий сплав (NiFe), який і є датчиком магнітного поля, на виході якого формується електричний сигнал при проходженні під головкою намагніченого ділянки (рис.15).

рис.14

У залізо-нікелевому сенсорі тече постійний струм, але в момент проходження під головкою магнітного домена, магнітне поле спотворює траєкторію електронів сенсора, що призводить до зміни опору залізо-нікелевої пластини. В результаті, величина струму в магнітному сенсорі зростає, або, навпаки, зменшується, в залежності від напрямку магнітного поля.

рис.15

MR-головки використовуються в більшості накопичувачів ємність від 1 Гбайт до 30 Гбайт.

Перейти до другої частини статті.

Додаткові матеріали по темі: