二、什么是磁頭？磁頭演變?nèi)壳?/p>

從不同角度可將磁頭分成不同的類別，例如：按功能可分為記錄（寫）磁頭、重放（讀）磁頭和抹磁頭；按結(jié)構可分為單縫磁頭和雙縫磁頭；也可按磁跡數(shù)目分為單跡（或叫單道或單路）磁頭和多跡磁頭等。

記錄磁頭、重放磁頭和抹磁頭的基本結(jié)構形式相差不多。如果以單跡磁頭為例，磁頭基本上是由一個多層環(huán)狀鐵磁物質(zhì)的鐵芯和一個線圈構成（如圖7-2所示）。

制作磁頭的材料多種多樣，有鐵氧體、疊片鐵磁合金等。

根據(jù)磁頭出現(xiàn)時間的先后順序，可見磁記錄歷史上的三項重要的磁頭技術，它們分別是：感應磁頭、磁阻（MR）磁頭和巨磁阻（GMR）磁頭。每一項在當時都具有劃時代的意義，圖7-3表示磁頭在硬盤上的位置。

圖7-2　磁頭結(jié)構示意圖

圖7-3　磁頭與硬盤結(jié)構

1．電磁感應式磁頭

感應磁頭是硬盤誕生時就開始使用的磁頭，并且它是一種讀、寫合一的磁頭，而后面將要介紹的兩種磁頭在讀、寫數(shù)據(jù)時使用的是不同的磁頭，只不過讀、寫頭會被制作在一起，共用一個傳動臂罷了。

感應磁頭的工作原理很簡單，顧名思義，它的讀、寫操作都是基于“電磁感應”原理的（如圖7-4所示）。寫入時，磁頭就像一個電磁鐵：鐵芯上繞有線圈，線圈通電，產(chǎn)生磁場，然后將磁場作用于盤片上的一個記錄位。盤片上涂有磁性物質(zhì)，這些磁性物質(zhì)是由無數(shù)“磁疇”組成的，每個磁疇都有S/N兩極，像一個小磁鐵。在磁介質(zhì)沒有被磁化時，內(nèi)部磁疇的方向是雜亂的，對外不顯示磁性。當外部的磁場作用于它們時，內(nèi)部磁疇的方向會逐漸趨于一致，對外顯示磁性。當外部的磁場消失時，受磁疇壁阻力的影響，磁疇的方向不會回到從前的磁狀態(tài)，因而該記錄位具有“剩磁”，這就是磁記錄的方式。當要改變磁記錄位的信息時，只要對它施加反向磁場，如果該磁場足夠強，就可以重新改變內(nèi)部的磁疇排列方向，同時該記錄位對外的磁性也會改變。讀取數(shù)據(jù)時，磁頭和盤片發(fā)生相對運動，金屬切割磁力線，金屬中會產(chǎn)生“感應電勢”，由于線圈處在一個閉合回路當中，因此線圈

圖7-4　感應磁頭的工作原理示意圖

中的感應電勢會進一步轉(zhuǎn)變?yōu)椤案袘娏鳌?，感應電流的方向就代表了磁記錄位的磁場的方向（如圖7-5所示）。

圖7-5　磁頭寫、讀示意圖

如前所述，盤片上的磁介質(zhì)由于要長期存儲信息，所以采用的是硬磁材料；而磁頭由于要不斷地改變磁場方向，因而采用軟磁材料。但讀取過程則不同，隨著存儲密度的提高，磁記錄位越來越小，感應磁頭的體積也必須同時縮小，這樣才能確保不會讀取到相鄰的磁記錄位的信息。但是，靠切割磁力線所產(chǎn)生的電流是十分微弱的，磁頭越小，讀取到的信號也就越微弱，而且越容易受到干擾。在經(jīng)歷了幾次改進之后，才于1991年前后使數(shù)據(jù)的讀取工作由磁阻磁頭接替了。

2．什么是“磁致電阻磁頭”

磁阻磁頭基于“磁阻效應”。磁阻效應是指當磁性材料處于一個外部磁場時，如果磁場的方向和磁性材料中電流的方向不同，那么該磁性材料的電阻會隨著施加于它的磁場的強度而變化，盡管這種變化十分微弱。硬盤中的磁阻磁頭的作用原理就是基于磁性（鐵磁）材料的磁阻效應。

磁阻磁頭采用多層膜結(jié)構（如圖7-6所示），從外向內(nèi)有：上、下絕緣膜，上、下屏蔽膜，上、下隙縫膜。再往內(nèi)部就是其核心部分：磁阻效應膜、偏磁膜、噪聲抑制膜和兩層隔離膜。隔離膜的作用是對磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜進行磁隔離，但很難進行電隔離，因而磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜就組成了一個并聯(lián)回路，電流通過偏磁膜上的兩個電極流入該并聯(lián)回路中。

偏磁膜采用軟磁材料，噪聲抑制膜采用硬磁材料。設法增加這兩個膜的電阻，會使更多的電流分流到磁阻效應膜當中，在這里完成主要的磁阻效應。偏磁膜的作用是向磁阻效應膜施加一個方向平行于盤片的“橫向偏置磁場”，使磁阻效應膜的響應呈線性，而噪聲抑制膜的作用是抑制“巴克豪森”噪聲。

在讀取數(shù)據(jù)時，電流會持續(xù)不斷地流經(jīng)磁阻效應膜，由于磁阻效應所產(chǎn)生的電阻變化十分微弱，因此流出磁阻效應膜的電流要經(jīng)過一個信號放大器，以增大電壓的浮動范圍。磁阻磁頭的最大缺點就在于磁阻變化率低，通常不會超過5%，雖然經(jīng)歷了很多次改進，這個缺點仍然沒有徹底解決。1992年科學家們發(fā)現(xiàn)了應用“自旋閥”結(jié)構的“巨磁阻效應”，它的磁阻變化率在常溫下可達40%，因此磁阻磁頭被巨磁阻磁頭取代也就是順理成章的事了。

圖7-6　磁阻磁頭結(jié)構示意

3．巨磁阻GMR磁頭

巨磁阻磁頭的核心部分是四層膜：自由膜、非磁性膜、引線膜和反鐵磁膜（如圖7-7所示）。

圖7-7　巨磁阻磁頭結(jié)構示意圖

其中，自由膜和引線膜采用的是磁性材料，自由膜屬于軟磁材料，引線膜使用硬磁材料，它們之間是一層金屬非磁性膜，作用在與對自由膜和引線膜進行磁隔離，但不進行電隔離。引線膜的背面是反鐵磁膜，鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個偏轉(zhuǎn)場，此偏轉(zhuǎn)場會將引線膜的磁化方向固定。

自由膜的作用是對盤片上的磁記錄信息作響應，在沒有外加磁場的情況下，它的磁化方向與引線膜垂直，此時無論何種自旋方向的電子都很難穿過自由膜和引線膜，這時相當于電阻值高。當盤片上的磁記錄位的磁場方向和自由膜的磁化方向相反時，自由膜的磁化方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與引線膜平行，此時自旋方向平行于它們的電子就很容易穿過這兩層，這時相當于電阻值低。

讀取數(shù)據(jù)時，電流持續(xù)流經(jīng)各膜，通過檢測電阻的變化就可以得到反映磁記錄位的磁場方向和磁通強度的函數(shù)。這種利用電子的自旋特性、像閥門一樣限制電子移動的結(jié)構就被稱為“自旋閥結(jié)構”，也是當今主流的磁頭結(jié)構。