Меню

Головка чтения внешнего жесткого диска



Головки чтения и записи жёстких дисков

На каждую поверхность каждого диска приходится своя головка. В тот момент, когда комп выключен, головки лежат на внешнем крае дисков, в той области, где нет никакой информации. С включением компа, головки поднимаются. Среднее рабочее расстояние от поверхности диска до головки в среднем примерно 0,1 мкм. Согласитесь, расстояние мизерное. Если учесть тот факт, что рабочее покрытие дисков очень хрупкое (сам пробовал царапать отверткой), а скорость вращения очень высокая (7200 об/мин и выше), то становятся понятны высокие требования фирм-производителей к аккуратности в пользовании жесткими дисками. Наиболее уязвим винт во время работы, хотя скажу Вам, что я видел комп с вмятиной на корпусе от удара ногой во время работы. И ничего, винт выдержал! Но это так, из жизни. А вообще-то, в жестких дисках применяется множество систем и приемов, для продления срока службы. Вот хотя бы такая фича: головки во время работы не касаются дисков, но между ними возникает воздушная подушка, если головка надолго зависает над одной дорожкой в ожидании следующей команды, то через определенное время, автоматически, головки будут передвинуты на произвольно выбранную, но уже другую дорожку. Это делается во избежание износа поверхности диска из-за трения о воздух.
Существует несколько типов головок:

3. С металлом в зазоре.

Обо всех типах я постараюсь более менее подробно рассказать.

Электромагнитные
Этот тип головок применялся в первых жестких дисках. Головки представляли собой сердечники с обмоткой. С повышением требований к плотности записи такие головки утратили актуальность, да и размеры их оставляли желать лучшего. Но, не смотря ни на что, электромагнитные головки продержались довольно долго. Больше я на них задерживаться не буду

Ферритовые
Этот тип головок изготавливался из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа. Затем появились стеклоферритовые головки, которые еще назывались композитными. Разница заключалось в том, что ферритовый сердечник заключался в керамический корпус. Сия конструкция позволяла увеличить плотность размещения дорожек (ширина то ферритового сердечника уменьшилась). Упрощенный принцип работы таков: при протекании тока через обмотку, в зазоре появлялось магнитное поле. При изменении напряженности поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Впервые ферритовые головки применила фирма IBM в 1966 году. В принципе и все.

Источник

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

технический журнал для специалистов сервисных служб

Головки чтения/записи накопителей HDD.Часть первая.

Плотность записи накопителей на жестких дисках (HDD) в первую очередь определяется размером и конструкцией головок чтения/записи. Именно в направлении развития и совершенствования головок очень долгое время работала вся отрасль «жестких дисков». Результатом долгой, кропотливой и «умной» работы инженеров стал целый ряд новейших разработок своего времени. Каждый новый тип головки чтения/записи становился поворотным моментом в развитии накопителей и проводил к увеличению плотности записи и емкости дисков на порядок, а иногда и на несколько порядков. Знание важнейших этапов развития жестких дисков является неотъемлемой чертой хорошего специалиста по ремонту дисков и восстановлению информации.

Практически в любой публикации по устройству накопителей HDD, которыми пестрит Internet, мы сможем найти поверхностный обзор головок чтения/записи. Однако тема головок чтения/записи на самом деле гораздо шире и занимательнее, чем это можно представить себе, читая отрывочные и бессистемные заметки на данную тему. Кроме того, бросается в глаза то, что во всех Internet-публикациях классификация головок практически одна и та же, причем эта классификация явно страдает неполнотой представленной информации. В реальности же, типов головок чтения/записи гораздо больше, чем это принято считать в рунете, и поэтому, как нам кажется, разговор на данную тему вполне буде актуальным.

Читайте также:  Как удалить файлы с жесткого диска через биос

Итак, не откладывая в долгий ящик, приступим к обзору головок чтения/записи накопителей HDD, в котором в той или иной степени буду затронуты следующие их типы:

1. Ферритовые головки чтения-записи (FH)

2. Головки чтения-записи с металлом в зазоре (MIG)

3. Тонкопленочные головки чтения-записи (TF)

4. Магниторезистивные головки чтения (MR)

5. Гигантские магниторезистивные головки чтения (GMR), они же SPIN-VALVE головки (SV GMR)

6. GMR-головки чтения для продольной записи (GMR CIP)

7. GMR-головки чтения для перпендикулярной записи (GMR CPP)

8. Зеркальные GMR головки чтения

9. Двойные зеркальные GMR-головки чтения

10. Туннельные ферромагнитные головки чтения (MTJ)

11. Колоссальные магниторезистивные головки чтения (CMR)

12. Туннельные магниторезистивные головки чтения (TMR)

13. Головки для магнитной записи с помощью нагрева (HAMR-головки)

Так как в рамках одной статьи рассмотреть все эти технологии даже поверхностно является достаточно трудной задачей, то данный обзор мы разбили на несколько частей, которые будут публиковаться в нескольких номерах нашего журнала.

Ферритовые головки

Ферритовые головки были самыми первыми головками чтения/записи, использовавшимися фирмой IBM в накопителях типа «винчестер». Эти головки имеют самую простую конструкцию и самый простой принцип работы. Сердечник головки выполнен из прессованного феррита, изготовленного на основе окиси железа, и имеет U-образную форму. Вокруг этого сердечника наматывается обмотка, в которой и создается ток записи или чтения. Фактически, ферритовая головка представляет собой классический электромагнит очень малых размеров. Таким образом, на концах U-образного магнита формируются магнитные полюса (южный и северный), создающие магнитное поле. При этом направление силовых линий данного магнитного поля определяется направлением тока в обмотке головки. Сердечник головки состоит из двух половинок, между которыми имеется зазор (рис.1).

При выполнении операции записи на диск, электрический ток, протекающий через обмотку головки, создает магнитное поле в зазоре между полюсами сердечника (рис.2), в результате чего и происходит намагничивание поверхности дискового накопителя. Смена направления тока в обмотке головки приводит к изменению полярности магнитного поля, а, соответственно, и к изменению направления намагничивающей силы (рис.2-a и рис.2-б).

При чтении же, наоборот, намагниченная область диска, «пролетая» под головкой, создает в U-образном сердечнике изменяющееся магнитное поле, что, в свою очередь, приводит к появлению в обмотке электрического тока. Направление тока в обмотке зависит от полярности намагниченной области диска (рис.3).

Таким образом, ферритовая головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для чтения информации с диска.

Ферритовые головки имели значительные габариты и были довольно громоздкими, в результате чего их размещали на достаточно большом расстоянии от дисковой поверхности. Это обстоятельство, в свою очередь, приводило к необходимости увеличивать массу и габариты магнитных доменов диска для того, чтобы они могли обеспечить значительную напряженность магнитного поля. Таким образом, с помощью ферритовых головок невозможно добиться высокой плотности записи, и их применение ограничивалось дисками, емкостью до 50 Мбайт.

Устройство ферритовой головки чтения-записи и ее внешний вид показаны на рис.4. На этой фотографии очень хорошо виден ползунок (слайдер), который к головке чтения-записи прямого отношения не имеет, а предназначен для того, чтобы задавать необходимое расстояние между головкой и поверхностью диска. Слайдер позволяет головке «порхать» над поверхностью диска на заданной высоте. Конструкция, габариты и другие параметры слайдера имеют очень большое значение, но об этом чуть позже.

Вскоре ферритовые головки были усовершенствованы путем помещения сердечника в керамический корпус, что позволило увеличить плотность записи. Такие головки широко использовались в накопителях до середины 80-х годов. Ферритовые головки непригодны для записи на носители с большой коэрцитивной силой.

Читайте также:  Жесткие диски для ноутбуков iru

MIG-головки

MIG — Metal-In-Gap (метал в зазоре) – это композитные головки, в которых нерабочий (обратный поверхности диска) зазор заполнен металлом (рис.5).

Такая конструкция позволяет значительно уменьшать магнитное насыщение сердечника головки. Благодаря заполнению заднего технологического зазора, склонность материала сердечника к магнитному насыщению уменьшается, что позволяет увеличить магнитную индукцию (индукция насыщения магнитного сплава вдвое выше, чем самого ферритового сердечника головки) и записывать данные с большей плотностью за счет увеличения коэрцитивной силы. Технология MIG позволяет увеличить магнитную индукцию в зазоре между головкой и диском. MIG-головки формируют на поверхности диска намагниченные участки с более выраженными границами намагниченных зон, что позволяет использовать более тонкий магнитный слой. Сердечник MIG-головок имеет значительно меньшие размеры, по сравнению с сердечниками ферритовых головок, что приводит к уменьшению их массы, а, следовательно, и к уменьшению зазора между головкой и поверхностью диска. Один из вариантов конструкции MIG-головки показан на рис.6.

Существовала также разновидность MIG-головок с напылением магнитного сплава и в рабочий зазор – так называемые, двухслойные MIG-головки. Такой подход позволял улучшить характеристики головок.

Так как MIG-головки, являются разновидностью ферритовых головок, то они являются универсальными головками чтения-записи.

Конструкция MIG-головок позволяла производить дисковые накопители с емкостью от 50 до 100 Мбайт.

Тонкопленочные головки

Первые тонкопленочные (Think Film – TF) головки получили практическое применение в 1979 году, хотя их конструкция разрабатывалась с 1960 года. В литературе можно встретить еще и такое название этих головок, как тонкопленочные индуктивные головки –Thin Film Inductive (TFI). Производились тонкопленочные головки путем фотолитографии, т.е. так же как и интегральные микросхемы. Данная технология производства позволяет резко уменьшить размер и массу головок.

Сердечник тонкопленочной головки получается следующим образом. На подложку головки по специальному шаблону наносится очень тонкий слой проводящего материала – железоникелевого сплава, величина индукции насыщения которого в 2-4 раза больше, чем у пермаллоя (ферромагнитного сплава). В результате, сердечник, на который наматывается обмотка, получается очень компактным. Малый вес и малые габариты TF-головок позволяют до 0,03 мкм уменьшить просвет между поверхностью диска и головкой. Небольшая высота TF-головок способствует тому, что в накопителе удается разместить большее количество магнитных дисков, без увеличения его высоты. Эти головки также имели хорошую остаточную намагниченность участков поверхности носителя.

Конструкция TF-головок позволяет изменять зазор между головкой и диском путем наращивания слоев алюминиевого сплава на рабочую поверхность головки. Уменьшение зазора дает увеличение остаточной намагниченности и повышается отношение «сигнал—шум», так как увеличивается амплитуда сигнала. Кроме этого, алюминиевый сплав предотвращает повреждения головки о поверхность диска. Большим преимуществом TF-головок является уменьшение магнитных доменов на дисковой поверхности, что позволяет увеличить плотность записи.

Временем «расцвета» технологии TF-головок можно считать конец восьмидесятых – середина девяностых годов 20 века. С использованием тонкопленочных головок производились накопители емкостью от 100 МБ до нескольких Гбайт.

Пример тонкопленочной головки чтения-записи представлен на рис.7.

Магниторезистивные головки

Во-первых, сразу стоит оговориться, что магниторезистивный эффект используется только для построения головки чтения. Таким образом, магниторезистивные головки, в отличие от рассмотренных выше типов головок, состоят уже из двух частей:

Модель такой разделенной по функциям головки чтения/записи демонстрируется на рис.8, где очень хорошо видно, что запись и чтение осуществляется разными элементами головками. (Головки записи на рис.8 показана для простоты понимания в виде индуктивной ферритовой головки, хотя на самом деле она является тонкопленочной).

Впоследствии тонкопленочная головка записи во многих накопителях была несколько модернизирована и приобрела такой вид, как это показано на рис.9.

Читайте также:  Как зайти в биос без жесткого диска

Высокая чувствительность MR-головки чтения требует обязательного наличия экранирующих элементов, предотвращающих воздействие на головку внешних магнитных полей.

Свою историю магниторезистивные головки (Magnitoresitive – MR) начинают с начала 90-х. Первые поколения этих головок являлись анизотропными магниторезистивными головками (Anisotropic Magnitoresistive – AMR), и именно термином AMR обозначали их в различной документации. Позже данный тип головок стали обозначать просто MR, но сейчас в некоторых случаях возникает путаница, связанная с тем, что термином MR называют иногда и следующее поколение головок GMR. Именно поэтому в современных публикациях зачастую опять возвращаются к термину AMR для обозначения магниторезистивных головок. Фотография магниторезистивной головки демонстрируется на рис.10.

Рис.10

Применение магниторезистивных головок позволяет добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и высокого быстродействия накопителя. Принцип работы головки основан на том, что при считывании данных реактивное сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Таким образом, магниторезистивная головка регистрирует не на изменения намагниченности (как это было в головках рассмотренных выше), а на величину намагниченности рабочего слоя диска.

В составе магниторезистивной головки чтения имеется добавочная обмотка, в которой создается постоянный измерительный ток. В момент, когда головка проходит над зоной намагниченности, сопротивление этой обмотки изменяется, а соответственно изменяется величина измерительного тока. Контролируя величину этого тока, управляющая схема регистрирует наличие полезного сигнала на выходе головки чтения. Амплитуда выходного сигнала MR-головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Фактически, главным отличием MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как описанные ранее головки.

В ферритовых, MIG и TF головках рабочий зазор между головкой и поверхностью накопителя один – и для операций записи и для операций чтения – и это логично, ведь данные головки одновременно являются и головками чтения, и головками записи. А вот в MR-головке рабочих зазоров два – каждый для своей операции (рис.11). В MR-головках у считывающего узла зазор должен быть меньшим (для увеличения разрешающей способности), а у записывающего – более широким (для более глубокого проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя). Поэтому записывающая головка создает более широкие дорожки, чем это необходимо для считывающей MR-головки. Таким образом, при считывании не захватываются шумы с соседних дорожек, что, несомненно, повышает привлекательность использования MR-головок в накопителях.

Рис.11

Кроме того, стоит отметить, что между головками чтения и записи и поверхностью диска также получаются разные зазоры. Головка чтения оказывается на большем расстоянии от поверхности диска, чем головка записи, поэтому чувствительность MR-сенсора имеет весьма большое значение для уверенного приемам сигнала от магнитного домена. Разность зазоров чтения и записи обусловлена наклонным положением слайдера головки (рис.12).

Рис.12

Представление о реальном устройстве магниторезистивной головки и ее положении относительно магнитного носителя информации (дорожек на диске) дает рис.13.

Рис.13

Магниторезистивная головка имеет сложную, многослойную структуру (рис.14), а основой головки является железо-никелевый сплав (NiFe), который и является датчиком магнитного поля, на выходе которого формируется электрический сигнал при прохождении под головкой намагниченного участка (рис.15).

Рис.14

В железо-никелевом сенсоре течет постоянный ток, но в момент прохождения под головкой магнитного домена, магнитное поле искажает траекторию электронов сенсора, что приводит к изменению сопротивления железо-никелевой пластины. В результате, величина тока в магнитном сенсоре возрастает, или, наоборот, уменьшается, в зависимости от направления магнитного поля.

Рис.15

MR-головки используются в большинстве накопителей емкость от 1 Гбайт до 30 Гбайт.

Дополнительные материалы по теме:

Источник