ГлавнаяКонтактыКарта сайта
ЕПОС
О компанииКомпьютерная криминалистикаВосстановление информацииЗащита информацииПроизводство и ITСервисНаши разработки

Расследование инцидентов, компьютерная криминалистика, информационная безопасность

Книжная серия Взгляд на жесткий диск изнутри




Архив статей


22.01.2009
Магниторезистивные головки. Особенности применения

Сергей Коженевский
Сергей Прокопенко

 

1. Система магнитной записи на жесткий диск

Современные магнитные головки относятся к классу головок воспроизведения, которые непосредственно считывают величину магнитного потока, воздействующего на них. Одной их таких чувствительных к магнитному потоку головок воспроизведения является магнитная головка, основанная на эффекте Холла.

Этот эффект, открытый в 1879 г. американским физиком Эдвином Холлом, заключается в возникновении поперечной разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока. Другими словами, если через полупроводник в одном направлении пропускать постоянный ток I,  а в другом направлении воздействовать магнитным полем B, то в третьем направлении можно измерить напряжение U, меняющееся пропорционально силе магнитного поля.

 



Рис. 1.  Техническая реализация эффекта Холла в датчике Холла

 

На рис.1 приведена техническая реализация эффекта Холла. В магнитном поле с магнитной индукцией   находится полупроводниковая пластина, например, из арсенида иридия или антимонида индия, через которую протекает электрический ток   . Действие эффекта Холла заключается в том, что на боковых сторонах пластины перпендикулярно направлению тока возникает разность потенциалов – напряжение Холла или ЭДС     Холла UH. Максимальное значение UH  принимает при совпадении вектора   с нормалью (перпендикуляром) к пластине.

Магнитоэлектрические преобразователи, использующие для измерения магнитного поля эффект Холла, называются датчиками Холла. Датчик Холла представляет собой полупроводниковый прибор, на выводах которого в присутствии внешнего магнитного поля возникает напряжение, пропорциональное величине этого поля.

Но наиболее развитыми и высокочувствительными являются клоны магниторезистивной головки. Магниторезистивная головка (MR датчик) детектирует магнитное поле путем измерения величины сопротивления магниторезистивного материала. В 1971г. впервые было предложено применять MR датчики в качестве считывающего элемента в магнитной записи. Интерес к ним был вызван преимуществами MR головок, так как амплитуда считываемого ими сигнала была в несколько раз больше, чем при считывании другими типами магнитных головок.

В отличие от традиционных индуктивных головок чтения, MR датчик является параметрическим устройством. Его выходной сигнал пропорционален протекающему через датчик току считывания, величина которого ограничивается только схемотехническими решениями. Поэтому хорошо сконструированная MR головка может обеспечить выходной сигнал в несколько раз выше по сравнению с индуктивной головкой чтения. Такой высокий уровень сигнала чтения необходим в системах с высокой плотностью записи и высокой скоростью передачи данных, чтобы иметь возможность уверенно выделять полезный сигнал на фоне внешних и внутренних шумов головки. Более того, так как MR датчик – это потокочувствительное устройство, его применение предпочтительно в системах с низкой скоростью движения носителя, так как выходной сигнал индуктивной головки в такой ситуации уменьшается в соответствии с низкой частотой магнитной индукции.

При использовании MR датчиков в системах магнитной записи необходимо дополнительно решать две задачи. Первая состоит в сложности конструирования MR датчиков с требуемыми магнитными характеристиками для использования в системах магнитной записи. Вторая связана с практическими вопросами производства этих датчиков, для обеспечения приемлемого выхода готовых изделий и контроль их характеристик.

Самыми важными характеристиками MR датчиков являются: линейность их характеристик и внутренний электронный шум. Магниторезистивный эффект в ферромагнитных проводниках имеет квадратичную зависимость, поэтому необходимо предусмотреть дополнительное подмагничивание, позволяющее сделать линейным отклик MR датчика для повышения его чувствительности в системах с низким уровнем выходного сигнала. Кроме того, миниатюрные MR датчики, которые применяются в приложениях с высокой плотностью записи, часто обладают высоким уровнем шумов (шумов Баркгаузена). Источником этих шумов является внутренняя структура магнитных доменов, зависящая от конструкции и размеров датчика и применяемых магнитных материалов.

Принцип функционирования магниторезистивного MR датчика

Принцип работы магниторезистивного датчика (MR) показан на рис. 2.

 



Рис. 2. Упрощенное изображение  MR датчика и принцип его функционирования

 

Участок датчика, который непосредственно считывает величину магнитного поля, производится из магниторезистивного ферромагнитного материала, например из пермаллоя (Ni80Fe20), сопротивление которого зависит от угла θ магнитного момента и направления протекания тока через датчик по формуле:

(1)

где R – сопротивление датчика, когда магнитный момент параллелен направлению тока; Δ ρ/ ρ - магниторезистивный коэффициент материала датчика.

В присутствии магнитного поля вращение магнитного момента датчика создает изменение сопротивления, которое, в свою очередь, вызывает изменение напряжения на его выводах.

(2)

где I – ток через датчик.

Таким образом, амплитуда сигнала напряжения на выводах датчика пропорциональна приложенному току считывания, который ограничивается обычно только температурными и электрическими соображениями. При обычном для многих сплавов Ni, Fe и Co магниторезистивном коэффициенте (Δ ρ/ ρ) величиной порядка 2 - 4%, MR датчик обеспечивает выходной сигнал в несколько раз выше, чем сопоставимая с ним многовитковая (20-30 витков) индуктивная головка считывания. Наиболее часто в качестве магниторезистивного элемента применяется ферромагнитный материал - пермаллой (Ni80Fe20), благодаря удачному сочетанию его свойств – сравнительно высокому MR коэффициенту (2-4%) и удельному сопротивлению (25мкОм/см), а также низкой одноосной анизотропии (H ~ 0,4 кА/м) и магнитострикции (|λ|<1 x 10-6).

На рис. 3. приведены схемы простейших MR датчиков, регистрирующих сигнал от одного магнитного перехода намагниченности. В реальных системах магнитной записи датчик функционирует в значительно более сложном магнитном окружении, поэтому для обеспечения необходимой разрешающей способности датчика при заданной плотности записи информации вокруг MR датчика размещают магнитомягкие экраны. Кроме того, рядом со считывающим MR элементом размещается индуктивная головка записи, работа которой также влияет на датчик. Эти факторы приводят к необходимости применения схем линеаризации характеристик и подавления шумов.

Существует несколько основных конфигураций MR головок, которые показаны на рис. 3 .

 



Рис. 3. Конструкция магниторезистивной головки чтения.
а) неэкранированный MR датчик;
б) экранированный MR датчик;
в) экранированный MR датчик с проводниками магнитного потока;
г) MR датчик с  одним экраном и проводниками магнитного потока

 

Наиболее простой является конструкция с неэкранированным MR датчиком (рис. 3а), изготавливаемым путем нанесения проводящих выводов на прямоугольный элемент магниторезистивного материала. Основным преимуществом такого MR элемента является его простота, как в производстве самого датчика, так и в конструкции схем линеаризации характеристик и подавления шумов. В этом случае для линеаризации отклика достаточно разместить рядом с неэкранированным датчиком дополнительный постоянный магнит. Недостатком такого подхода является очень низкое линейное разрешение, поскольку магнитные потоки от записанных рядом магнитных переходов намагниченности могут влиять на датчик с боковых граней по всей его высоте.

Популярным решением, позволяющим повысить линейное разрешение, является применение экранированных MR датчиков (рис. 3б), предложенных в 1975г. и широко используемых в современных дисковых накопителях. В такой конструкции MR датчик размещается между двумя магнитомягкими экранами, которые экранируют датчик от влияния близко расположенных магнитных переходов. Экраны позволяют обеспечить хорошее линейное разрешение, но создают сложное магнитное окружение для MR датчика. В частности, в такой схеме магнитный поток попадает в MR датчик в основном через нижнюю грань и непрерывно рассеивается в экраны по высоте датчика. Это приводит к значительной неоднородности распределения магнитного потока по высоте датчика. Поэтому основной полезный поток концентрируется в нижней части датчика, и для линеаризации отклика головки считывания требуются сложные схемы дополнительного подмагничивания.

К важнейшим характеристикам MR головок относится также их надежность. Нижняя кромка MR датчика обычно размещается на поверхности слайдера и подвергается механическим и химическим воздействиям. Такие воздействия могут вызывать механический износ и химическую коррозию датчика. Между датчиком и экраном на поверхности слайдера также могут возникать короткие замыкания, вызываемые «размазыванием» металлических компонентов в процессе его производства на этапе механической полировки слайдера.

Для решения этих проблем датчик отводят от поверхности слайдера на небольшую глубину.  Но для того, чтобы сохранить приемлемую чувствительность в такой схеме, необходимо применять магнитомягкие проводники магнитного потока, которые обеспечивают перенос магнитного потока от поверхности диска к датчику. На рис. 2в показан пример реализации этого подхода, при котором MR датчик включен последовательно с проводниками магнитного потока и располагается между экранами. Недостатком такого датчика является снижение его линейного разрешения из-за потерь в объеме проводника магнитного потока.

На рис. 3г показан еще один пример конструкции головки, в которой MR датчик экранируется только с одной стороны. В этом случае асимметричное магнитное окружение MR датчика приводит к асимметрии формы (переднего и заднего фронтов) сигнала считывания. Можно модифицировать такую схему, расположив датчик симметрично между проводником потока и экраном так, что они будут действовать как полюсные наконечники в модели индуктивной головки. При этом сигнал считывания будет более симметричным, но такая конструкция более сложна в производстве. Независимо от вида схемы с применением проводников потока, последние создают дополнительные шумы из-за доменных эффектов. Преимуществом такой схемы является то, что поскольку датчик оказывается включенным в магнитную цепь, существенно облегчается построение схем подмагничивания и обратной связи, улучшается линейность и стабильность сигнала.

Присутствие расположенной рядом головки записи влияет на работу MR датчика. Для эффективной работы всей магнитной головки, индуктивная головка записи должна быть расположена как можно ближе к MR датчику чтения, что достигается одним из двух методов. При первом методе, MR датчик располагается в центре зазора записи между полюсными наконечниками Р1 и Р2 таким образом, что они выступают в качестве экранов MR датчика (рис. 4а).

 



Рис. 4. Конструкция интегрированной головки записи/считывания с использованием магниторезистивной головки чтения.
а) Интегрированная конструкция;
б) ярусная конструкция

 

Такая интегрированная конструкция обеспечивает простоту изготовления магнитной головки, благодаря использованию общих компонентов в элементах чтения и записи. При таком решении отсутствуют относительные смещения дорожек записи и чтения, вызываемые наклоном головки в системах с поворотным позиционером. С другой стороны, использование общего зазора записи и чтения имеет свои недостатки, основным из которых является невозможность отдельно проводить оптимизацию размера зазора головки записи и положения в нем датчика чтения. Кроме того, сильное магнитное поле записи в каждом цикле записи может увеличивать магнитную нестабильность MR датчика.

Второй подход заключается в изготовлении отдельной головки записи над головкой чтения (рис. 4б). Такая «ярусная» конструкция обеспечивает полную гибкость при отдельной оптимизации геометрии головки записи и датчика чтения. Однако большое расстояние между зазорами чтения и записи приводит к сложности в совмещении дорожек чтения и записи, а также создает дополнительное смещение между ними в системах с поворотным позиционером. Ярусную конструкцию можно усовершенствовать путем объединения полюса Р1 головки записи с экраном 2 головки чтения (рис. 4). Такой подход не только упрощает изготовление головки, но и уменьшает расстояние между зазорами чтения и записи, что позволяет снизить влияние эффекта смещения положения головок в системах с поворотным позиционером.

Ограничения в работе MR датчиков

Магниторезистивный эффект имеет квадратичную зависимость, приведенную  на рис. 5.

 



Рис. 5. Передаточная характеристика MR датчика

 

Поэтому передаточная характеристика MR датчика имеет максимально плоскую форму при поле, близком к нулю, что не очень удобно с точки зрения обработки сигналов маленького уровня. Поэтому использование MR датчиков в системах магнитной записи требует применения подмагничивания, позволяющего линеаризовать отклик датчика. В зависимости от схемы подмагничивания обеспечивается либо сдвиг рабочей точки датчика вниз по его передаточной характеристике: либо «исправление» формы отклика для придания ему линейности. Было разработано несколько схем подмагничивания, которые обеспечивают приемлемое качество сигнала, однако с повышением плотности записи они становятся сложнее в производстве. Кроме того, в системах магнитной записи с высокой плотностью они не обеспечивают достаточной чувствительности.

В MR датчиках, предназначенных для работы в системах с небольшой шириной дорожки, проявляются сильные магнитные шумы. Они вызываются движением доменов в датчике (шумы Баркгаузена). Чтобы подавить магнитные шумы в MR датчике, необходимо перевести его в однодоменное состояние. Это достигается геометрическими (приданием датчику определенной формы) или магнитными (схемы замыкания потока) методами. При этом возникает ряд трудностей, связанных со спонтанным переходом однодоменного состояния датчика в многодоменное. Необходимо также учитывать влияние расположенных вблизи от магниторезистивного слоя других магнитных структур, которые также вносят свой вклад в шумы.

GMR головки

Магниторезистивный коэффициент MR датчика составляет порядка 2 - 4%. В системах с высокой плотностью записи MR головки не обеспечивают достаточного уровня выходного сигнала. В начале 1990-х годов. ограничения MR датчиков были преодолены изобретением магнитных головок на основе гигантского магниторезистивного (GMR) эффекта. В отличие от традиционного магниторезистивного эффекта, который наблюдается в однородных ферромагнитных металлах и сплавах, GMR эффект наблюдается только в неоднородных магнитных средах с двумя или более ферромагнитными компонентами. Примером является трехслойная структура пермаллой - медь - пермаллой, в которой магниторезистивное сопротивление достигает минимума при параллельном направлении намагниченности в пермаллое, а максимума – при встречно-параллельной ориентации векторов намагниченности в пермаллое.

Основным преимуществом GMR датчиков по сравнению с MR датчиками является значительное увеличение магниторезистивного уровня выходного сигнала, достигаемое благодаря повышению GMR коэффициента. Он может составлять порядка 10% в трехслойных структурах и более 20% в многослойных структурах, по сравнению с 2-4% для традиционного магниторезистивного элемента. Кроме того, применение GMR системы предпочтительно при небольшой (менее 100 Α) толщине магнитных слоев. В третьих, в отличие от квадратичной природы MR эффекта, GMR эффект имеет линейную зависимость. Это упрощает конструкцию датчика, так как нет необходимости в схемах дополнительного подмагничивания. И наконец, работы GMR датчиков не зависит от направление тока считывания.

Тем не менее, существуют и трудности применения этих датчиков в системах магнитной записи. Большинство систем с высоким GMR коэффициентом обладают низкой магнитной проницаемостью из-за сильной связи между магнитными слоями. Величина GMR эффекта сильно зависит от точности напыления магнитных пленок. Это выдвигает очень строгие требования к процессу напыления тонких пленок. Кроме того, очень маленькая толщина пленок делает систему подверженной температурным воздействиям.  В силу того, что GMR датчик состоит из двух или более магнитных слоев, вопросы подавления магнитных шумов должны эффективно решаться для каждого слоя, чтобы система в целом была работоспособной.

На рис. 6 приведена конструкция GMR головки.

 



Рис. 6. Схематическое изображение конструкции GMR датчика

 

Она состоит из ферромагнитного свободного слоя и ферромагнитного закрепленного слоя, между которыми расположен тонкий разделяющий слой. Магнитный момент закрепленного магнитного слоя обычно зафиксирован вдоль поперечного направления обменной связью с антиферромагнитным слоем (распределяющий слой), в то время как магнитный момент свободного слоя может вращаться в соответствии с изменениями поля сигнала. Отклик датчика пропорционален углу между векторами магнитных моментов свободного и закрепленного слоев.

Передаточная функция датчика перестает быть линейной, когда свободный слой достигает насыщения в верхнем или нижнем поперечном направлении. Для увеличения динамического диапазона сигнала, очень важно, чтобы в такой конструкции, магнитный момент свободного слоя в «неподмагниченном» продольном направлении был в неподвижном состоянии. Это требование достаточно сложно удовлетворить, так как при этом необходимо применять дополнительное подмагничивание как и для обычных MR датчиков.

Список литературы:

  1. Alexander Taratorin «Characterization of Magnetic Recording System» 1996 Guzik Technical Enterprises
  2. C. Denis Mee, Eric D. Daniel «Magnetic recording technology»  1995 McGraw-Hill
  3. С. Коженевский «Взгляд на жесткий диск «изнутри». Перезапись информации. Киев 2006. ООО «ЕПОС»

Поделиться информацией