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


30.01.2009
Характеристика элементов магнитной записи

Сергей Коженевский
Сергей Прокопенко

Свойства постоянного магнита

Постоянный магнит состоит из ферромагнитного или ферримагнитного материала, который обладает свойством оставаться намагниченным в заданном направлении после того, как создавшее эту намагниченность внешнее магнитное поле прекратило свое воздействие. Это свойство постоянного магнита описывается петлей гистерезиса. Петля гистерезиса (зависимость намагниченности материала М от приложенного к нему внешнего поля Н) характеризуется двумя важными параметрами: первый – это остаточная намагниченность Mr, (намагниченность, которая остается после устранения поля); второй – коэрцитивная сила Hc - это поле обратной направленности, необходимое для уменьшения остаточной намагниченности материала до нуля. Остаточная намагниченность определяет ту величину намагниченности материала, которая остается после снятия внешнего поля. Коэрцитивная сила описывает степень, с которой магнит сопротивляется размагничиванию. Произведение MrHc определяет силу магнита.

 



Рис. 1. Стержневой магнит с полюсами и полями, которые эти полюса создают снаружи (непрерывные линии) и внутри (пунктирные линии) магнита.

 

Внешнее и внутреннее поля стержневого магнита показаны на рис. 1. Если предположить, что намагниченность стержня приблизительно равномерна, магнитные полюса располагаются на поверхностях левой и правой кромок магнита. Магнитные силовые линии должны быть непрерывными, так как не существует магнитных зарядов, на которых линии могли бы начинаться или оканчиваться. Магнитные силовые линии направлены от положительного магнитного полюса к отрицательному. Часть поля, находящаяся внутри стержня, направлена противоположно намагниченности и составляет поле размагничивания Hd. Чем ближе величина этого поля приближается к значению коэрцитивной силы (оно не может ее превысить), тем быстрее увеличиваются потери остаточной намагниченности. Напряженность поля размагничивания в первую очередь зависит от геометрии магнита и может быть выражена в виде коэффициента размагничивания N по формуле:

 

(1)

где – Hd величина размагничивающего поля

М – остаточная намагниченность

 



Nx → 0 Nx → 1
Ny=Nz → 0.5 Ny=Nz → 0
а) б)

Рис.2. Коэффициенты размагничивания для стержневого магнита квадратного сечения с разным отношением длины к ширине,

а) длинный тонкий стержень;
б) широкая тонкая пластина.

 

Если рассматривать коэффициент размагничивания по разным осям x,y,z в объемном изделии, то для постоянного магнита всегда выполняется условие: Nx + Ny + Nz = 1.

Для практики интересны два экстремальных случая:

1) Если стержень имеет бесконечную длину (рис. 2а), коэффициент размагничивания Nx в этом направлении уменьшается и в конце концов стремится к нулю, тогда как величина коэффициентов Ny и Nz в направлениях у и z приближается к 0,5.

2) Если длина стержня уменьшается в направлении х, а размеры в направлениях у и z увеличиваются (рис. 2б), тогда величина Nx стремится к максимальному значению, равному 1 (Hd = — Mx) в центральной области, а Ny и Nz стремятся к нулю.

 

Структура магнитного носителя

В общем случае носитель магнитной записи состоит из покрытия, представляющего собой постоянный магнит, изготовленный в виде плоской поверхности, на которой участки остаточной намагниченности формируются по длине отдельной дорожки, или же ряда параллельных дорожек, размещенных на его поверхности. Магнитная запись происходит при движении носителя.

Носитель состоит из магнитного слоя, нанесенного на немагнитную основу. Головка записи, представляет собой электромагнит в форме кольца с зазором на поверхности, обращенной к носителю (рис. 3). Когда в головку записи подается ток в соответствии с записываемым сигналом, выходящее из зазора магнитное поле намагничивает носитель. При постоянной скорости движения носителя пространственные изменения остаточной намагниченности вдоль длины носителя отражают временные изменения тока в головке, и представляют собой запись сигнала.

 



g - ширина зазора
w-длина зазора,
l - глубина зазора
N- количество витков электрообмотки

Рис.3. Упрощенное изображение индуктивной магнитной головки

 

За исключением некоторых первых проволочных устройств записи, все магнитные записывающие устройства используют носитель в виде магнитного слоя (иногда двух слоев), нанесенного на немагнитную подложку. Магнитным материалом носителя может быть покрытие, образованное магнитными частицами, распределенными в пластичном наполнителе. Рабочий слой также может представлять собой напыленную пленку из металла или оксида металла. Традиционный зернистый материал представляет собой ферримагнитный оксид железа, гамма оксид железа в форме маленьких игловидных частиц. В последствии в состав магнитного слоя вводились другие магнитные частицы, включая металлические, для улучшения характеристик зернистого носителя. Большинство напыляемых магнитных пленок состоят из металлических сплавов, преимущественно на основе кобальта (Co). Преимуществами металлических пленок по сравнению с зернистыми носителями являются: а) более высокая намагниченность; б) возможность сделать носитель очень тонким. Коэрцитивная сила магнитного носителя – важная его характеристика и в последнее время она имеет стойкую тенденцию к росту. Рост величины коэрцитивной силы носителя вызывается необходимостью разработки все более сложных устройств магнитной записи, использующих более короткую длину волны записи и, следовательно более сильные поля размагничивания.

Варианты конструкций головок для магнитной записи

Существует большое разнообразие вариантов конструкций и компоновок головок, а также способов их взаимодействия с носителем. Носитель может двигаться, касаясь неподвижных головок, или же может передвигаться под головкой, которая парит на воздушной подушке, поддерживающей контролируемое расстояние между поверхностью носителя и головкой.

Головка может состоять из одного элемента и записывать или воспроизводить одну дорожку, либо содержать несколько элементов и записывать несколько дорожек одновременно.

Воспроизведение может осуществляться индуктивной головкой, подобной приведенной на рис. 3.

Возможны также такие конструкции, в которых отклик головки зависит непосредственно от величины магнитного потока, а не от скорости его изменения. Такие головки (датчики потока) используют гальваномагнитные эффекты, в которых магнитное поле вызывает изменение электрического поля (эффект Холла) или сопротивления (магниторезистивный эффект), либо используют принципы потокового вентиля (туннельные головки). Магниторезистивные головки считывания и их усовершенствованные конструкции нашли широкое применение в жестких дисках.

Общие принципы продольной и перпендикулярной магнитной записи

Магнитная запись используется для хранения различных сигналов. Аналоговая запись звука была первым и остается наиболее частым приложением магнитной записи. Аудио запись сохраняет относительно низкочастотные сигналы и использует низкую скорость движения носителя, но достаточно требовательна к линейности магнитных характеристик и отношению сигнал/шум.

Вторым применением магнитной записи является цифровая запись компьютерных данных на дисковые и ленточные накопители. Запись информации на жесткие диски характеризуется высокой частотой сигналов и высокой скоростью движения носителя, обеспечивая малое время доступа и высокую надежность хранения данных.

Третьей большой областью применения магнитной записи является запись видео сигналов для профессионального и домашнего использования. Видео сигналы высокой частоты обычно записываются с помощью частотной модуляции (ЧМ), а высокая скорость головки относительно носителя достигается применением вращающихся барабанов с переключаемыми головками.

В настоящее время в основном используется цифровое кодирование для записи всех типов сигналов, так как оно позволяет достаточно точно восстанавливать исходный сигнал, благодаря использованию специальных методов обнаружения и коррекции ошибок. Цифровое аудио и видео широко применяется в профессиональной технике.

Методы обработки сигнала до и после записи сильно отличаются в зависимости от приложений. Общим и основополагающим принципом для всех видов магнитной записи является метод, в соответствии с которым изменения сигнала или его кодированной версии во времени представляются как пространственные изменения намагниченности вдоль дорожки записи.

Сигнал записи

Существуют два типа магнитных головок: а) кольцевая головка, в котором полем записи является магнитное поле рассеяния зазора головки, и б) однополюсная (зондовая) головка, в которой поле записи распространяется с наконечника тонкого полюса.

Основные характеристики этих полей записи рассматривают на идеализированных моделях, в которых длина зазора или толщина полюса бесконечно малы, а все другие окружающие их предметы и размеры, включая ширину дорожки, бесконечны.

 



Рис. 4. Поле записи кольцевой головки с бесконечно малым зазором

 

Поле идеальной кольцевой головки схематически показано на рис. 4. Силовые линии магнитного поля, выходящие из зазора симметричны относительно центра зазора.

 



Рис.5. Поле записи однополюсной головки бесконечно малой толщины

 

Соответствующее поле идеальной однополюсной головки показано на рис. 5. Силовые линии поля направлены радиально от полюса.

Важным следствием рассмотрения идеализированных моделей является то, что головка любого типа создает вращающееся поле записи, содержащее и продольную и перпендикулярную составляющие. Поэтому остаточная намагниченность носителя будет содержать как продольную, так и перпендикулярную составляющие. В общем случае кольцевая головка имеет преобладающую продольную, а однополюсная – преобладающую поперечную составляющую магнитного поля записи.

На практике в кольцевых головках зазор имеет ограниченную ширину, а её полюса – ограниченную длину. В однополюсных зондовых головках – толщина полюса конечна, что приводит к распределению магнитного поля на конце головки подобного полю от зазора кольцевой головки. Кроме того, в эффективной однополюсной головке должен быть предусмотрен путь замыкания потока, имеющего малое магнитным сопротивление. В идеальном случае такой путь располагается на другой стороне носителя, напротив основного полюса. Он может состоять из более массивного по размерам дополнительного полюса или же из дополнительного подслоя с высокой магнитной проницаемостью или из комбинации этих двух подходов.

 

Анизотропия магнитного слоя носителя

На направление намагниченности, создаваемой при записи, сильное влияние оказывает также анизотропия магнитного слоя носителя. Традиционные носители состоят из игольчатых частиц, длинная ось которых ориентируется при производстве носителя параллельно продольному направлению. Такой носитель имеет одноосную анизотропию, состояние, т.е. при котором его остаточная намагниченность в продольном направлении значительно выше, чем в любом другом направлении. Следовательно, такой носитель лучше всего подходит для продольной записи, в которой вектор намагниченности направлен вдоль длины дорожки. Пленки из сплавов металлов при производстве могут изготавливаться так, чтобы их предпочтительное направление намагниченности лежало в плоскости пленки, хотя анизотропия в плоскости обычно многоосная, а не одноосная.

В случае перпендикулярной записи, носитель может изготавливаться так, что предпочтительное направление его намагниченности будет перпендикулярно к плоскости. Некоторые пленки из сплавов металлов имеют собственную ориентацию кристаллов и структуру зерен, создающую одноосную анизотропию, перпендикулярную плоскости пленки. При производстве носителя магнитные частицы можно ориентировать так, чтобы их ось легкой намагниченности распологалась перпендикулярно плоскости носителя. Такие носители идеально подходят для перпендикулярной записи.

Еще один тип носителя может быть изготовлен, например, из частиц, которые по отдельности имеют много (шесть или восемь) разных осей легкой намагниченности. Если не рассматривать анизотропию их формы, связанной с конечной толщиной, такой носитель будет внутренне изотропен. Направление намагниченности при записи будет в этом случае определяться геометрией распределения поля записи головки, а не магнитными свойствами носителя.

 

Продольная запись

Сочетание кольцевой головки и носителя с продольной анизотропией создает при записи преимущественно продольную намагниченность. В идеальном случае, структура намагниченности, созданной прямоугольным сигналом записи, будет иметь вид, показанный на рис. 6.

 



а) б)

Рис. 6. Намагниченность носителя при продольной записи с (a) низкой и (б) высокой плотностью

 

Если такой сигнал имеет основную частоту f, а носитель движется со скоростью V, структура сигнала записи будет характеризоваться:

 

Длиной волны (λ):

(2)

 

Длиной бита (b):

(3)

 

Линейной плотностью (D):

(4)

В этой формуле D измеряется в переходах намагниченности на миллиметр.

На рис. 6а показан образец записи с низкой плотностью. Магнитный поток переходов намагниченности замыкается вне носителя, а поле размагничивания небольшое. При увеличении плотности (рис. 6б) поле размагничивания и связанные с ним потери намагниченности растут. В конце концов, переходы перестают быть резкими, а структура сигнала записи приближается к синусоидальной волне, соответствующей основной частоте прямоугольного сигнала.

Известно, что при увеличении плотности записи, полезный поток, попадающий в головку воспроизведения, регистрируется от все более поверхностных слоев магнитного покрытия, лежащих сразу же под поверхностью носителя.

В центре магнитного слоя носителя коэффициент размагничивания при высокой плотности записи приближается к предельному значению N = 1, а поле размагничивания стремится к величине Hd = -Mo, где Mo – пиковое значение намагниченности, если намагниченность изменяется синусоидально. На поверхности носителя, однако, коэффициент размагничивания стремится к предельному значению N = 0,5, а поле размагничивания стремится к величине Hd = -0,5 Mo, половине значения в центре магнитного слоя.

 

Перпендикулярная запись

Соответствующая ситуация для носителя с перпендикулярной анизотропией приведена на рис. 7.

 



а) б)

Рис. 7. Намагниченность при перпендикулярной записи с (a) низкой и (б) высокой плотностью

 

В центре плоскости носителя условия размагничивания противоположны условиям для продольной записи. При небольшой плотности записи (рис. 7а) коэффициент размагничивания в перпендикулярном направлении приближается к максимуму N = 1, соответствующему Hd = -Mo. При высокой плотности записи коэффициент размагничивания и поле размагничивания приближаются к нулю. Исходя из такого анализа может показаться, что перпендикулярная запись будет идеально подходит для записи с высокой плотностью. Однако если коэффициент размагничивания оценивать на поверхности, а не в центре носителя, то предельное значение коэффициента размагничивания N = 0.5, соответствующее полю размагничивания Hd = -0.5M0, т.е. то же самое, что и для продольной записи. Поэтому, при высоких плотностях записи, в которых условия возле поверхности, а не в центре рабочего слоя носителя, имеют первостепенную важность, эффект размагничивания при перпендикулярной записи не будет сильно отличаться от ситуации с продольной записью.

 

Воспроизведение

Процесс воспроизведения не зависит от направления созданной намагниченности при записи. Головка реагирует на магнитный поток, рассеивающийся с поверхности носителя, но установить направление вектора намагниченности, которая создает этот поток, по отклику головки невозможно. Таким образом, кольцевая головка одинаково хорошо подходит для воспроизведения как перпендикулярной, так и продольной записи.

Тенденции магнитной записи и ее практические ограничения

Все устройства магнитной записи создают нежелательные сигналы в форме шумов и помех, что налагает ограничения на её характеристики. Принципиально существуют два основных источника шумов: шумы носителя и шумы головки воспроизведения.

Шумы носителя объясняются тем фактом, что не существует магнитно однородных носителей. Зернистые носители дискретны; их шумы зависят от количества, плотности, размеров и пространственного распределения частиц. Тонкопленочные носители неоднородны, поскольку они имеют зернистую структуру, или из-за того, что в них формируются нерегулярные домены (для уменьшения энергии доменных границ).

Шумы головки воспроизведения в основном объясняются тем, что любая головка имеет внутреннее сопротивление, и соответственно создает температурные шумы. Некоторые шумы головки связаны с изменениями магнитных доменов (шумы Баркгаузена) или эффектами магнитострикции (шумы трения).

Помехи в основном определяются интерференцией сигналов и возникают по многим причинам, таким как: появление перекрестных помех, неполное стирание ранее записанных сигналов, смещение головки от центра дорожки при последовательных проходах и т.д.

 

Интерфейс головка-носитель

Магнитная запись требует механического взаимодействия между носителем и головками, и зазор между ними должен быть как можно меньше. Это налагает строгие ограничения на характеристики поверхности носителя и головок: плоскость, шершавость, отсутствие выступов и провалов, свойства трения и свойства взаимной износостойкости.

В подавляющем большинстве устройств магнитной записи, головки и носитель движутся в постоянном контакте, для уменьшения потерь поля в зазоре и обеспечения высокой плотности записи. Материал головки, ее профиль и однородность поверхности – имеют большое значение для надежности и достижения достаточного большего ресурса головки, и избежания ее излишнего износа. Соответствующие свойства магнитного носителя также важны и их надо поддерживать в норме на значительно большей площади поверхности.

В жестких дисках головка находится на торце слайдера, летящем на воздушной подушке над вращающимся диском. Воздушная подушка теоретически должна устранять износ головки. Первые воздушные подушки создавались специальной конструкцией слайдера, (с утяжелением) для достижения высоты полета порядка 20 мкм. Современные воздушные подушки самонастраиваются по высоте и слайдер летит на высоте всего 0,05 мкм или менее. На практике износ головки полностью не устраняется, поэтому требуется повышенная стойкость головки к случайным соприкосновениям с носителем на высокой скорости вращения (рабочей) в дополнение к соприкосновениям с поверхностью на низкой скорости, когда головка касается поверхности в зоне парковки. Из-за этих требований, магнитные слои диска защищаются специальной смазкой или другими защитными покрытиями. Такие покрытия обычно требуются при использовании металлизированных носителей, но их толщина должна быть небольшой по сравнению с высотой полета, чтобы предотвратить дополнительные потери поля в зазоре.

 

Головки и носители для высокой плотности записи

Исследования и разработки в области магнитной записи направлены на достижение более высокой плотности записи, путем повышения одновременно и линейной плотности, и плотности дорожек. Повышение линейной плотности требует улучшения материалов и технологий записи, а также контролируемой миниатюризации основных элементов системы магнитной записи. Повышение плотности дорожек требует улучшения свойств носителей, создания конструкций головок для узких дорожек и совершенствования технологий позиционирования головок. Эти требования привели к появлению чувствительных к магнитному потоку головок чтения. Такие головки обеспечивают более высокие уровни сигнала воспроизведения по сравнению с индуктивными головками, особенно это относится к головкам, использующих для чтения тонкий магниторезистивный элемент. Более высокая чувствительность такого элемента позволяет регистрировать сигнал от меньшего потока, создаваемого при высокой плотности записи.

В магнитной записи находят все более широкое применение методы изготовления головок и покрытий носителя, схожих с применяемыми в полупроводниковой промышленности.

Развитие носителей затрагивает широкий диапазон различных материалов и процессов. Напыляемые металлизированные пленочные носители обладают большим потенциалом по намагниченности, обеспечивая высокий уровень выходного сигнала даже от очень тонких слоев, что способствует достижению высоких линейной плотности и плотности дорожек.

Размеры магнитных элементов головки и переходы намагниченности на носителе уменьшились до такого предела, при котором более нельзя пренебрегать микромагнитной структурой и механизмами спонтанного переключения намагниченности. Размеры зерен в полюсах ферритовых головок, доменные эффекты в тонкопленочных головках и микромагнитные неоднородности границ переходов намагниченности приобретают критические значения. Последующие достижения в конструкциях и материалах головок и носителей будут связаны с лучшим пониманием эффектов магнетизма, с возможностью контролировать их параметры на доменном уровне.

 

Список литературы:

  1. C. Denis Mee, Eric D. Daniel "Magnetic recording technology" 1995 McGraw-Hill
  2. С. Коженевский "Взгляд на жесткий диск "изнутри". Основы хранения информации. Киев 2005. ООО "ЕПОС"

Статья опубликована в книге "Магнитные головки" из серии "Взгляд на жесткий диск «изнутри»". - К.: ООО "ЕПОС", 2009 г.


Поделиться информацией