概念
目前的MR技術已有幾代產品。MAXTOR的鑽石三代/四代等均採用了最新的MR技術。磁阻磁頭的工作原理是基於磁阻效應來工作的,其核心是一小片金屬材料,其電阻隨磁場變化而變化,雖然其變化率不足2%,但因為磁阻元件連著一個非常靈敏的放大器,所以可測出該微小的電阻變化。MR技術可使硬碟容量提高40%以上。GMR(GiantMagnetoresistive)巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一樣,是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取碟片上的數據,但是GMR磁頭使用了磁阻效應更好的材料和多層薄膜結構,比MR磁頭更為敏感,相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化,從而可以實現更高的存儲密度,現有的MR磁頭能夠達到的碟片密度為3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁頭可以達到10Gbit-40Gbit/in2以上。目前GMR磁頭已經處於成熟推廣期,在今後的數年中,它將會逐步取代MR磁頭,成為最流行的磁頭技術。
磁阻效應
科學界常會發生這樣一種情形,就是當我們專心研究一種現象時,結果卻意外發現了更棒更重要的新現象。
1857 年秋,格拉斯哥大學一間略顯混亂的實驗室里,英國物理學家威廉·湯姆遜正為他的一個實驗結果犯嘀咕呢,當他把一根帶電的導線在磁場中擺動時,導線中的電流居然發生了變化。
後來,湯姆遜試圖對此進行深入研究,但卻遇到了麻煩:不管使用何種材料,或者磁場有多強,電阻值的變化也沒有超過 5 %。這樣的結果讓他略感失望,於是就放棄了。
[原理]
我們知道,每個電子都帶著一個微小而有南北極的條狀磁鐵,這是電子原有的磁性。通常這些磁鐵的指向不規則,因此對電流沒有影響。但是,當一個帶電的粒子(例如電子)通過磁場時,磁場會對粒子橫向施力,使其軌跡彎曲,磁場夠強的話,甚至能將電子軌跡變為螺旋線。由於電子走的路徑變得長而彎曲,它從材料一端到另一端的運動會變慢,使電流減小、電阻變大。
磁場會彎曲電子的軌跡,巨觀上造成材料的電阻值增加,這就是磁阻效應( Magnetoresistance effect ) 。可見,磁阻( MR )是指在一定磁場下某些材料(不一定是磁性材料)的電阻率會發生變化的一種物理特性。
磁阻是一個相對數值,用電阻變化的百分比來表示:
[套用]
儘管 100 多年前就發現了磁阻效應,但由於材料的磁阻變化率太小,並未獲得實際套用。直到 1960 年代,真空技術改進了材料磁阻材料純度,獲得了更高的磁阻變化率,磁阻效應才被用於磁芯存儲器中。 1991 年, IBM 公司首次利用磁阻材料製成了 MR 硬碟磁頭。 1998 年, IBM 又推出磁阻變化率更大的 GMR ( Giant MegnetoResistance ,巨磁阻)磁頭,超強的靈敏度,為硬碟存儲密度的提高排除了讀取障礙。
磁阻磁頭讀取磁碟信息的原理是:磁頭掠過碟片時,碟片上小磁極產生的磁場引起磁阻變化,然後通過檢測電路檢測出磁碟數據。圖中 UO 為一恆壓源, MR 變化引起電流 i 變化,取樣電阻 R 兩端的電壓 u 反應了電流 i 的變化,作為檢出信號輸出。由於 MR 磁頭在讀數據時檢測的是磁通量大小而不是其變化率,所以其工作的穩定性與碟片的轉速無關,這對提高硬碟轉速十分有利。
頭不僅要檢測磁場的存在,還要測量出它的方向,以區別信息是 “0” 還是 “1” ,僅靠 MR 電阻變化無法檢測出磁場方向,所以使用一個獨立的 MR 磁頭是無法測出磁場的極性的。
實用的 MR 讀出磁頭採用三層結構,一層是讀取磁碟信息的 MR 層,一層是為 MR 層產生偏置場的 SAL (軟相鄰)層,中間一層為間隔層。軟相鄰層負責極化電流,借著改變該層磁場相對於 MR 層磁場的方向,可以調整 MR 層電流流動的難易,提高 MR 磁頭的靈敏度。
當 MR 磁頭掠過不同極性的小磁極時,磁阻的變化能呈現 “ 增 ” 和 “ 減 ” 兩種不同狀態,利用檢測電路便可獲得方向相反的電信號。
PS :硬碟磁頭先後經歷了亞鐵鹽類磁頭、 MIG 磁頭、薄膜磁頭和 MR 磁頭 4 個階段。前三種磁頭都是讀寫合一的電磁感應式磁頭, MR 磁頭採用分離式結構,寫入磁頭仍沿用傳統的磁感應磁頭,而讀取磁頭則套用了新型的 MR 磁頭,即所謂的感應寫、磁阻讀的讀寫方式。