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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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”，比如着名的“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。