什么是磁头磁头演变三部曲

二、什么是磁头？磁头演变三部曲

从不同角度可将磁头分成不同的类别，例如：按功能可分为记录（写）磁头、重放（读）磁头和抹磁头；按结构可分为单缝磁头和双缝磁头；也可按磁迹数目分为单迹（或叫单道或单路）磁头和多迹磁头等。

记录磁头、重放磁头和抹磁头的基本结构形式相差不多。如果以单迹磁头为例，磁头基本上是由一个多层环状铁磁物质的铁芯和一个线圈构成（如图7-2所示）。

制作磁头的材料多种多样，有铁氧体、叠片铁磁合金等。

根据磁头出现时间的先后顺序，可见磁记录历史上的三项重要的磁头技术，它们分别是：感应磁头、磁阻（MR）磁头和巨磁阻（GMR）磁头。每一项在当时都具有划时代的意义，图7-3表示磁头在硬盘上的位置。

图7-2　磁头结构示意图

图7-3　磁头与硬盘结构

1．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（如图7-4所示）。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“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，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一致，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，受磁畴壁阻力的影响，磁畴的方向不会回到从前的磁状态，因而该记录位具有“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。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

图7-4　感应磁头的工作原理示意图

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（如图7-5所示）。

图7-5　磁头写、读示意图

如前所述，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；而磁头由于要不断地改变磁场方向，因而采用软磁材料。但读取过程则不同，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，才于1991年前后使数据的读取工作由磁阻磁头接替了。

2．什么是“磁致电阻磁头”

磁阻磁头基于“磁阻效应”。磁阻效应是指当磁性材料处于一个外部磁场时，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，尽管这种变化十分微弱。硬盘中的磁阻磁头的作用原理就是基于磁性（铁磁）材料的磁阻效应。

磁阻磁头采用多层膜结构（如图7-6所示），从外向内有：上、下绝缘膜，上、下屏蔽膜，上、下隙缝膜。再往内部就是其核心部分：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。

偏磁膜采用软磁材料，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。

在读取数据时，电流会持续不断地流经磁阻效应膜，由于磁阻效应所产生的电阻变化十分微弱，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。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，这个缺点仍然没有彻底解决。1992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事了。

图7-6　磁阻磁头结构示意

3．巨磁阻GMR磁头

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（如图7-7所示）。

图7-7　巨磁阻磁头结构示意图

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，它们之间是一层金属非磁性膜，作用在与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，这时相当于电阻值高。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，这时相当于电阻值低。

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。