主题: 巨磁阻磁头和水平磁记录技术介绍

“巨磁阻”，全称为“巨大磁致电阻”。在98年左右，巨磁阻磁头开始被大量应用于硬盘当中，从那时起，短短的几年时间里，硬盘的容量就从4G提升到了当今的400G。

　　但是，即便是这项叱诧风云的技术，发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是“垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。当硬盘向垂直磁记录技术转变时，巨磁阻磁头也将会同时更换为“隧道磁阻磁头”。

　　在这个技术换代的时刻，为了铭记陪伴我们多年的巨磁阻磁头和水平磁记录技术，故而撰写此文。

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　　接下来，本文将按时间的先后顺序分别介绍历史上的三项重要的磁头技术，每一项在当时都具有划时代的意义，它们分别是：感应磁头、磁阻磁头和巨磁阻磁头。

　　一、电磁感应式磁头

　　感应磁头是硬盘诞生时就开始使用的磁头，并且它是一种读写合一的磁头，而后面将要介绍的两种磁头在读、写数据时使用的是不同的磁头，只不过读、写头会被制作在一起，共用一个传动臂罢了。

　　感应磁头的工作原理很简单，顾名思义，它的读、写操作都是基于“电磁感应”原理的。

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　　写入时，磁头就像一个电磁铁：铁芯上绕有线圈，线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数的“磁畴”组成的，每个磁畴都有S/N两极，像一个小磁铁。在磁介质没有被磁化时，内部磁畴的方向是杂乱的，不同取向的磁畴首尾相连组成闭合回路，对外不显示磁性。当外部的磁场作用于它们时，内部磁畴的方向会逐渐趋于统一，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，受磁畴壁的阻力的影响，磁畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位具有了“剩磁”，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。

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　　读取数据时，磁头和盘片发生相对运动，金属切割磁力线，金属中会产生“感应电势”，由于线圈处在一个闭合回路当中，因此线圈中的感应电势会进一步转变为“感应电流”，感应电流的方向就代表了磁记录位的磁场的方向。

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　　不过需要说明的一点是，磁记录位和二进制信息中的“位”并不一定是对应的：绝大多数情况下并不是某种磁场方向代表“0”，而它的反向磁场代表“1”这么简单，尽管这是一种最容易理解的信号调制的方式，但是它并不可靠，因此它只在理论分析的时候被使用。事实上硬盘的信号调制方式主要有5种，由于信号调制方式对本文的意义不大，因此不作介绍。

　　固体的磁性根据磁化强度的不同可分为：抗磁性、顺磁性、亚铁磁性、铁磁性和反铁磁性，在磁记录技术中应用的是铁磁性，常温下具备铁磁性的材料就被称为“铁磁材料”，铁磁材料又可分为“硬磁材料”和“软磁材料”：

　　前面曾经提到磁畴壁的阻力，铁磁材料都有磁畴，当然也就都有磁畴壁。如果有这样一种材料，它的磁畴壁的阻力非常小，那么当外界磁场施加于它时，它内部的磁畴排列方向会很容易被改变；而当外界磁场消失时，磁畴的排列方向也很容易恢复到从前的状态，只留下很少的剩磁。我们管这种容易被磁化，并且磁化后磁性容易消退的材料叫软磁材料。相反，剩磁较多、改变磁畴方向时所需克服的“矫顽力”较大的就属于硬磁材料，或称“永磁材料”，比如著名的“稀土永磁”。

　　盘片上的磁介质由于要长期存储信息，所以采用的是硬磁材料；而磁头由于要不断的改变磁场方向，因而采用软磁材料。

　　磁头使用的软磁体是近似环形的。在环形铁芯上缠绕线圈就构成了典型的“闭合螺线管”，闭合螺线管的磁场是完全封闭在铁芯内部的，由于铁芯的导磁率较高，即使线圈不完全包裹，磁力线也可以充满整个铁芯。但磁头和闭合螺线管有所不同，在磁头使用的环形软磁体上有两处断开的“空气隙”——前间隙和后间隙，其中前间隙较大，而后间隙是越小越好。由于空气的导磁率较低，因此这种“带有空气隙的闭合螺线管”的磁力线会在空气隙处向四周扩散，产生漏磁，磁头就是利用从前间隙处扩散出来的磁场写数据的，前间隙的大小可以根据磁道的宽度调节。采用这种设计的好处是不必把整个磁头做得很小，只需控制空气隙的大小就可以了，而且可以提供更强的磁场。事实也的确证明了这种设计的先进性，感应磁头直到现在也一直负责写入数据。

　　不过读取方面则不同，随着存储密度的提高，磁记录位越来越小，感应磁头的体积也必须同时缩小，这样才能确保不会读取到相邻的磁记录位的信息。但是，靠切割磁力线所产生的电流是十分微弱的，磁头越小，读取到的信号也就越微弱，而且越容易受到干扰。在经历了几次改进之后，终于，在91年左右，数据的读取工作开始由磁阻磁头接替了。

　　二、磁致电阻磁头

　　磁阻磁头是基于“磁阻效应”的，磁阻效应是指，当磁性材料处于一个外部磁场中时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化，尽管这种变化是十分微弱的。除了磁性材料，半导体材料也具有磁阻效应，半导体材料中的载流子（电子和空穴）运动时会产生磁场，当这个磁场与外界磁场相互作用时会产生“洛伦兹”力，洛伦兹力会使载流子的运动方向发生偏转，使运动路径增长，也就相当于增加了电阻（磁性材料同理）。

　　磁性材料的磁阻效应和半导体材料的磁阻效应在现实中都有应用，硬盘中的磁阻磁头基于的是磁性（铁磁）材料的磁阻效应。

　　磁阻磁头采用多层膜结构，从外向内有：上、下绝缘膜，上、下屏蔽膜，上、下隙缝膜。

各膜的名称	各膜的作用
上、下绝缘膜	使它们内部的各膜与外界进行电隔离
上、下屏蔽膜	使它们内部的各膜与外界进行磁隔离
上、下隙缝膜	使它们内部的各膜与上、下绝缘膜和上、下屏蔽膜进行电、磁隔离

　　再往内部就是核心的部分：磁阻效应膜、偏磁膜、噪声抑制膜和两层隔离膜。隔离膜的作用是对磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜进行磁隔离，但很难进行电隔离，因而磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜就组成了一个并联回路，电流通过偏磁膜上的两个电极流入该并联回路中。

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　　偏磁膜采用的是软磁材料，噪声抑制膜采用硬磁材料。设法增加这两个膜的电阻，会使更多的电流分流到磁阻效应膜当中，在这里完成主要的磁阻效应。

　　偏磁膜的作用是向磁阻效应膜施加一个方向平行于盘片的“横向偏置磁场”，使磁阻效应膜的响应呈线性，而噪声抑制膜的作用是抑制“巴克豪森”噪声。下面就介绍一下巴克豪森噪声：

　　我们已经知道了磁畴在外界磁场的作用下会发生偏转，当磁场的强度恰好能够使磁畴发生偏转时，我们称之为“临界点”。如果外界磁场处在临界点附近，那么内部的磁畴会很不稳定，时而偏转，时而静止，每次偏转都回产生一系列脉冲电流，这些电流会影响正常的信号读取。如果用探测线圈连接耳机检测这些脉冲电流，会在耳机中听到噪声，巴克豪森在1919年发现了这一现象，故而被称为巴克豪森噪声。

　　噪声抑制膜会向磁阻效应膜施加一个方向垂直于盘片的“纵向偏置磁场”。纵向偏置磁场的强度足以使磁阻效应膜处于“单磁畴”状态，从而抑制了巴克豪森噪声。

　　在读取数据时，电流会持续不断的流经磁阻效应膜，由于磁阻效应所产生的电阻的变化十分微弱，因此流出磁阻效应膜的电流要经过一个信号放大器，以增大电压的浮动范围。

　　到此时，读出的电信号还是线性的，即模拟的，必须将这些信号数字化，数字化的同时通常还会使用“硬盘最大相似性”技术。因为磁阻磁头读出的电信号的强度同时反映了磁场方向和磁通强度两维信息，而真正与数据有关的信息只是磁场方向，硬盘最大相似性技术就是将数字化后的信号和预先存储的信号模型作匹配，判断出这些信号所对应的数据，并推断可能存在的读取错误。

　　磁阻磁头的最大缺点就在于磁阻变化率低，通常不会超过5%，虽然经历了很多次改进，但这个缺点仍然没有彻底解决。之后在92年，科学家们发现了应用“自旋阀”结构的“巨磁阻效应”，它的磁阻变化率在常温下可达40%，因此磁阻磁头被巨磁阻磁头取代也就是顺理成章的了。

　　三、巨大磁致电阻磁头

　　巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效应。硬盘中的巨磁阻磁头属于后者，并且它应用了电子的自旋特性。

　　物质的磁性是由它内部电子的运动决定的。电子一方面会围绕原子核旋转，产生“轨道磁矩”，另一方面，电子自身也会旋转，产生“自旋磁矩”。一个原子的磁矩就等于核外所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的总合，其中，自旋磁矩远大于轨道磁矩。微观上，不同元素的核外电子分布的不同就决定了宏观上不同物质的磁性的不同。

　　除此之外，相邻原子的未被填满电子的层上的电子会发生相互作用，原子间互相交换电子，称为“交换作用”。交换作用的不同决定了物质呈铁磁性还是反铁磁性。

　　在交换作用的推动下，一小块区域内的原子的磁矩方向会完全保持平行，这一小块区域也就是所谓的磁畴。不同物质的磁畴结构是千差万别的，不过只有铁磁材料才具有磁畴结构，而且是在不超过一定的温度的情况下。

　　电子的自旋方向有顺时针和逆时针两种，当电流经过磁体时，如果电子的自旋方向和磁体的磁化方向平行，则电子很容易穿过，反之，电子就很容易发生碰撞。前一种情况相当于电阻值低，后一种情况相当于电阻值高，如果两者的方向既不平行也不垂直，则电阻介于两者之间。巨磁阻磁头就是应用了这种特性，相比传统磁头，它对电子的利用要更充分一些。

　　巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。

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　　其中，自由膜和引线膜采用的是磁性材料，自由膜属于软磁材料，引线膜使用硬磁材料，它们之间是一层非磁性膜，其采用非磁性金属材料，对自由膜和引线膜进行磁隔离，但不进行电隔离。引线膜的背面是反铁磁膜，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场会将引线膜的磁化方向固定。

　　自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与引线膜垂直，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，相当于电阻值高。当盘片上的磁记录位的磁场方向和自由膜的磁化方向相反时，自由膜的磁化方向发生偏转，与引线膜平行，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，相当于电阻值低。

　　读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录位的磁场方向和磁通强度的函数。这种利用电子的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为自旋阀结构，也是当今主流的磁头结构。

　　结尾

　　磁头作为整个硬盘中技术含量最高的部件，其灵敏度基本上就决定了硬盘的存储密度。纵观磁头技术的发展史，每一次磁头技术的飞跃都来自于新的物理效应的发现和应用，值得一提的是，本文涉及的3种物理效应最初都是由IBM公司将其引入商业硬盘领域的。时至今日，我们已经无法看到IBM公司引领新的硬盘技术的潮流了，不久的将来，我们将会用上使用“隧道磁致电阻”效应的硬盘，而早在93年，比巨磁阻效应更强的“庞大磁致电阻”效应就已经被发现了，其磁阻变化率大于99%。所以说，在可以预见的未来，硬盘的存储密度仍然会保持飞速的增长，其应用的物理效应也会越来越微观，越来越复杂。