硬盘磁头介绍
磁头介绍
ZY HE
ZYHE@
Feb 12, 2000
Kaifa Internal Use
Copyright, 1996 Dale Carnegie & Associates, Inc.
内容简介
磁记录发展简史 硬盘磁头进展及Kaifa产品历程 磁记录基本条件 硬盘磁头工作原理 硬盘磁头及硬盘制造业展望
磁记录发展简史-1 磁记录发展简史
1898年,丹麦的V.Poulsen 发明了人类历史上第一 台磁性录音机,所用磁头是电磁铁.记录介质是碳 钢钢丝; 1907年,采用直流偏磁记录,提高灵敏度,降低了 失真度,但磁记录仍处于实验阶段; 1920年,电子管放大器出现,使磁记录进入实用化 阶段; 1930年,德国的F.Pfleumer发明了矫顽力较高的γ— Fe2O3磁性颗粒材料改善了记录介质的特性和稳定性 ;
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程 产品历程-1 硬盘磁头进展及 产品历程
整体式磁头 (大约 1960s). 铁氧体铁芯, sendust (Fe-Al, Mg-Zn) 涡流电流通过铁芯间隙产生磁通 目前仍广泛应用于录像头和软盘磁头 Kaifa尚没介入磁头行业
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程 产品历程-2 硬盘磁头进展及 产品历程
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巨磁阻(GMR)磁头原理 磁头原理 巨磁阻
自旋阀效应这一概念源于"电子磁矩" 通过反铁磁层间交换耦合作用,钉扎层(Pinned Layer)磁矩不随外磁场方向变化而改变,而自由层 (Ni-Fe Free Layer)磁矩则随外磁场方向变化而改变 电信号输出~偏置电流I X (1+ R/ R ) X Cosθ ( ~ I (1+△R/ (钉 扎层与自由层之间磁矩夹角) 通常钉扎层和自由层趋向于相同磁矩取向,磁能级 最低
电脑硬盘的内部结构原理
电脑硬盘的內部结构原理
电脑硬盘的内部结构原理是由多个组件组成的，包括盘片、磁头、磁臂、电机等。
1. 盘片（Platters）：硬盘通常具有多个盘片，它们是圆形的金属或玻璃碟片，涂有磁性物质。
每个盘片都可以存储数据，数据通过将磁性物质置于不同的磁极方向来编码。
2. 磁头（Read/Write Head）：磁头是一种小型设备，负责读取和写入数据。
每个盘片都有一对磁头（读头和写头），位于盘片上方和下方。
3. 磁臂（Actuator Arm）：磁臂是一个可移动的机械臂，支持磁头的轨迹定位。
它通过一个电机控制，可以在盘片的不同位置移动磁头。
4. 电机（Spindle Motor）：电机负责旋转硬盘的盘片。
盘片通常以高速旋转，以便快速读取和写入数据。
电机根据主板发送的信号来控制盘片的旋转速度。
5. 控制电路板（PCB）：控制电路板是连接硬盘中所有组件的主要电路板。
它包含处理器、内存和控制芯片，负责管理数据的读取、写入和处理。
硬盘的工作原理是，当计算机需要读取或写入数据时，控制电路板将通过电缆信号发送给磁头，磁头会在盘片上的特定位置找到需要的数据并执行操作。
数据的读取和写入是通过改变磁片上的磁场来实现的。
总结起来，硬盘的内部结构包括盘片、磁头、磁臂、电机和控制电路板。
这些组件共同工作，实现数据的存储和读取。
硬盘基本知识（磁头、磁道、扇区、柱面）
硬盘基本知识（磁头、磁道、扇区、柱⾯）硬盘基本知识（磁头、磁道、扇区、柱⾯）概述1. 盘⽚（platter）2. 磁头（head）3. 磁道（track）4. 扇区（sector）5. 柱⾯（cylinder）硬盘划分为磁头(Heads) 柱⾯(Cylinder) 扇区(Sector)硬盘容量 = 磁头数 * 柱⾯(磁道)数 * 每道扇区数 * 每扇区字节数磁头(head): 每张磁⽚的正反两⾯各有⼀个磁头, ⼀个磁头对应⼀张磁⽚的⼀个⾯. 因此⽤第⼏磁头就可以表⽰数据在哪个磁⾯.柱⾯(cylinder): 所有磁⽚中半径相同的同⼼磁道(track)构成"柱⾯", 意思是这⼀系列的磁道(track)垂直叠在⼀起, 就形成⼀个柱⾯的形状. 简单地理解, 柱⾯就是磁道(track).扇区(sector): 将磁道划分为若⼲个⼩的区段, 就是扇区. 虽然很⼩, 但实际是⼀个扇⼦的形状, 故称为扇区. 每个扇区的⼀般⼤⼩为512字节.盘⽚⽚⾯和磁头硬盘中⼀般会有多个盘⽚组成，每个盘⽚包含两个⾯，每个盘⾯都对应地有⼀个读/写磁头。
受到硬盘整体体积和⽣产成本的限制，盘⽚数量都受到限制，⼀般都在5⽚以内。
盘⽚的编号⾃下向上从0开始，如最下边的盘⽚有0⾯和1⾯，再上⼀个盘⽚就编号为2⾯和3⾯。
如下图：扇区和磁道下图显⽰的是⼀个盘⾯，盘⾯中⼀圈圈灰⾊同⼼圆为⼀条条磁道，从圆⼼向外画直线，可以将磁道划分为若⼲个弧段，每个磁道上⼀个弧段被称之为⼀个扇区（图践绿⾊部分）。
扇区是磁盘的最⼩组成单元，通常是512字节。
（由于不断提⾼磁盘的⼤⼩，部分⼚商设定每个扇区的⼤⼩是4096字节）磁头和柱⾯硬盘通常由重叠的⼀组盘⽚构成，每个盘⾯都被划分为数⽬相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成⼀个圆柱，称之为磁盘的柱⾯。
磁盘的柱⾯数与⼀个盘⾯上的磁道数是相等的。
由于每个盘⾯都有⾃⼰的磁头，因此，盘⾯数等于总的磁头数。
4211磁头参数
4211磁头参数
磁头是一种用于读取和写入数据的设备，它是计算机硬盘驱动器的核心组成部分。
在硬盘驱动器中，磁头扮演着重要的角色，它能够感应和记录磁盘上的磁场变化，从而实现数据的读取和写入操作。
而4211磁头参数则是指这种磁头的具体参数和性能。
4211磁头采用了先进的磁阻式探测技术，具有高灵敏度和稳定性。
它能够快速准确地感应到磁盘上微小的磁场变化，从而实现高效的数据读取和写入。
同时，它还具有较低的误码率和较高的信噪比，能够有效提高数据的可靠性和稳定性。
4211磁头的读取速度也是其突出的特点之一。
它采用了先进的信号处理算法和优化设计，能够实现更快的数据读取速度。
与传统磁头相比，它能够在同样的时间内读取更多的数据，从而提高了硬盘驱动器的整体性能。
除此之外，4211磁头还具有较大的磁道密度和较小的磁道宽度。
这意味着它能够在更小的空间内记录更多的数据，大大提高了硬盘驱动器的存储容量。
而且，它还具有较低的磁头飞行高度和较小的磁场偏移，能够有效降低数据读取和写入时的误差率。
总的来说，4211磁头作为一种高性能的磁头设备，具有高灵敏度、稳定性和读取速度快的特点。
它能够在较小的空间内记录更多的数据，提高硬盘驱动器的存储容量。
同时，它还能够有效降低数据读
取和写入时的误差率，提高数据的可靠性和稳定性。
这些优秀的性能使得4211磁头成为了硬盘驱动器领域的重要技术创新之一，为计算机存储技术的发展做出了重要贡献。
硬盘逻辑磁头
硬盘逻辑磁头
硬盘逻辑磁头的工作原理是,当硬盘旋转时,读写头悬浮在磁盘表面的一层很薄的空气流上。
当需要读取数据时,读写头就会感应磁盘表面的磁性状态变化,将其转换为电信号。
而写入数据时,读写头则会根据要写入的数据,改变磁盘表面的磁性状态。
现代硬盘驱动器通常采用磁盘阵列(RAID)技术,使用多个物理磁盘组成一个逻辑磁盘。
在这种情况下,每个物理磁盘都有自己的一组读写头,所有读写头共同构成了逻辑磁头。
逻辑磁头的工作方式与单个物理磁头类似,但能够提高数据的读写速度和可靠性。
硬盘逻辑磁头的性能和寿命对硬盘驱动器的整体性能至关重要。
高质量的磁头能够提供更快的数据传输速率和更高的数据密度。
同时,磁头也容易受到磁盘表面微小缺陷的影响而损坏,因此保持磁盘表面的清洁和平整也是非常重要的。
机械硬盘磁头的结构及制造过程
机械硬盘磁头的结构及制造过程①认识硬盘磁头机械硬盘里面通常由磁头臂组件和数个磁头弹片组件组成读写系统，其中Slider集成了读写单元，悬浮在磁碟的表面，完成磁碟信号的读取和写入。
HDD HGA磁碟回转方向Slider硬盘工作时，主轴马达带动磁碟高速旋转，在磁碟表面产生气流，使磁头组件悬浮在磁碟表面，维持在一个固定的高度气流磁碟主轴马达Slider 飞行高度(F/H) =~10nm支撑弹片ABS 面（Air Bearing Surface)前导面气流回转方向磁碟飞行高度~10nm 相当于一架喷气式飞机在离地1米的高度飞行如下示意图，磁头组件维持在磁头表面10nm 高度飞行，相当与一架喷气式客机在离地1米的高度飞行Slider如下示意图，磁头表面刻蚀出来的的凹凸面形成了ABS 面，使磁头能利用气流的作用飞行起来ABS 面气流②硬盘磁头的读写元件磁头读写元件分为读头和写头，读头由磁阻元件组成，写头由线圈和磁极组成，读头和写头相互分离读写元件磁头读写元件构造示意图磁头写入信号的方式主要有两种，一种是磁碟表面磁极呈水平方向分布，另一种是磁碟表面磁极呈垂直方向分布磁极呈垂直方向分布，磁盘表面的信号密度可以更大，磁盘的记录容量更高当磁碟表面的磁极信号经过磁头读取元件时，元件内部会产生感应电流，从而可以识别和读取到磁碟上所记录的数据信号③硬盘磁头的制造过程磁头制造过程分为前工程和后工程，前工程是晶圆的制备过程，后工程是对晶圆切粒及后续的组装测试过程前工程后工程晶圆的制备结合了光刻等多种图像成型技术的应用，如下所示线圈的制备过程晶圆制备完成后，会进入切割的过程，一步一步的进行分割，最终切割为单粒的磁头（在切割成单条后，会进行ABS面的成型，之后再切割为单粒磁头）Slider完成磁头的切割和检测后，把磁头和弹片组装在一起，形成磁头弹片组件将Slider固定在弹片上，并使slider上的导电端子和弹片上的导电端子导通（通常使用金球焊接或者锡球焊接）最后把数个磁头弹片组件和磁头臂组装在一起，共同形成磁头组件最终磁头组件经过测试后会安装到机械硬盘内部。
移动硬盘 工作原理
移动硬盘工作原理
移动硬盘是一种便携式的数据存储设备，其工作原理主要由硬盘盘片、磁头、电机、控制芯片和接口等组成。
1. 硬盘盘片：移动硬盘内部通常有多个盘片，每个盘片上都存储着大量的数据，盘片通常是由玻璃或铝制成，表面涂有磁性材料。
2. 磁头：位于硬盘盘片上方和下方，主要用于读写数据。
磁头能通过改变磁场的方向，将数据信息记录在盘片上，或者从盘片上读取数据。
3. 电机：移动硬盘内部还有一个电机，用于控制盘片的旋转速度。
电机通过驱动盘片的高速旋转，使得磁头能够从盘片上精确读写数据。
4. 控制芯片：控制芯片是移动硬盘内部的微处理器，负责盘片的控制和数据传输。
控制芯片还可以实现一些功能，如错误修复和数据缓存等。
5. 接口：移动硬盘通常通过USB、Thunderbolt或者eSATA等
接口与计算机连接，实现数据的传输和交换。
移动硬盘的工作原理为：当计算机发送读写指令到移动硬盘时，控制芯片会将指令发送给磁头和电机。
电机开始驱动盘片旋转，磁头根据指令的位置信息移动到对应盘片上的相应位置。
然后磁头根据指令进行数据的读取或写入操作。
读取数据时，磁头
会通过探测盘片上的磁场变化来获取存储的数据信息。
写入数据时，磁头会通过改变磁场的方向，在盘片上创建或修改磁场来存储数据。
最后，磁头将读取或写入的数据传输给控制芯片，再通过接口与计算机进行数据交互。
硬盘逻辑磁头
硬盘逻辑磁头
硬盘逻辑磁头的作用主要有以下几个方面:
1. 提高硬盘的数据传输效率
通过将物理磁头划分为多个逻辑磁头,可以同时进行多个读写操作,从而提高硬盘的数据传输速率。
2. 增强硬盘的容错能力
逻辑磁头可以将数据分散存储在不同的物理磁头上,当某个物理磁头出现故障时,仍可以通过其他逻辑磁头访问数据,提高了硬盘的容错能力。
3. 简化硬盘管理
逻辑磁头将物理磁头的复杂结构隐藏起来,为上层应用程序提供了统一的逻辑视图,简化了硬盘的管理和使用。
4. 支持硬盘阵列技术
在硬盘阵列中,多个硬盘被组合在一起工作,逻辑磁头可以将多个物理磁头视为一个逻辑单元,实现对硬盘阵列的统一管理。
硬盘逻辑磁头是硬盘控制器的一种重要功能,它通过对物理磁头进行逻辑划分和映射,提高了硬盘的性能、可靠性和管理便捷性。
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硬盘磁头进展及Kaifa产品历程-2
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MIG合成磁头（1970s后期） 铁芯间隙材料----高磁导率金 属， 如铁铊氮合金 铁芯主体材料----锰锌，铁锌 铁氧体 手工绕制线圈 玻璃绕结铁氧体铁芯 Kaifa典型Seagate产品 1993年，Bobcat 1994年，Cabo，CaboII 1995年，Stingray，Rayboat
磁记录发展简史-2
1935年，德国的E.Shuler研制出环形磁 头，这种磁 头具有很窄工作缝隙，克服 了过去磁头磁场发散的 缺点。 1940年，日本的永井健三等发明了交流偏磁 技术，提高了录音灵敏度和输出信号幅度； 1956年，美国IBM公司发明了电子计算机，用磁鼓 实现了数字磁记录； 1957年，IBM公司推出350硬磁盘机，24英寸可移动 磁头的硬盘机商品化；
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程-3
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感应式薄膜磁头 1979年，始现于IBM 3370硬盘驱动器 采用半导体工艺技术（如:光刻腐蚀） 采用感应式线圈读写 Kaifa典型产品 1996年，Seagate Lapaz 1997年，Seagate Maui， Micropolis Mustang 5
1991年，发现巨磁阻(GMR)效应；
1997年，IBM FJ 产品 “Titan‖开始采用巨磁阻磁头 。
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程-1
整体式磁头 (大约 1960s). 铁氧体铁芯, sendust (Fe-Al, Mg-Zn) 涡流电流通过铁芯间隙产生磁通 目前仍广泛应用于录像头和软盘磁头 Kaifa尚没介入磁头行业
磁记录发展简史-1
1898年，丹麦的V.Poulsen 发明了人类历史上第一 台磁性录音机，所用磁头是电磁铁。记录介质是碳 钢钢丝； 1907年，采用直流偏磁记录，提高灵敏度，降低了 失真度，但磁记录仍处于实验阶段； 1920年，电子管放大器出现，使磁记录进入实用化 阶段； 1930年，德国的F.Pfleumer发明了矫顽力较高的γ— Fe2O3磁性颗粒材料改善了记录介质的特性和稳定性 ；
巨磁阻(GMR)磁头原理
巨磁阻(GMR)磁头结构
放大10,000倍的巨磁阻磁头
•P2W •S2
•Mrw
•S1
典型GMR磁头制造计划
Wafer - 6 weeks 浮动块加工- 2 weeks HGA-0.5 week HSA- 0.5 weeks 总共: 9 weeks
磁记录基本条件
硬盘制造业展望
硬盘需求量将比99年增长15%. /HSA. 由于PC 降价, 减少零件和降低成本的压力更大 . 预期更多的公司将合并.面密度每年增长 100% . 技术需求超前于商业需求. 在电子娱乐和DVD领域的新应用。 平均 2.5 heads ESD & 脏污仍然是挑战。
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巨磁阻(GMR)磁头原理
自旋阀效应这一概念源于“电子磁矩” 通过反铁磁层间交换耦合作用，钉扎层(Pinned Layer)磁矩不随外磁场方向变化而改变，而自由层 (Ni-Fe Free Layer)磁矩则随外磁场方向变化而改变 电信号输出~偏置电流I X (1+△R/ R ) X Cos (钉 扎层与自由层之间磁矩夹角） 通常钉扎层和自由层趋向于相同磁矩取向，磁能级 最低
各向异性磁阻(AMR)磁头结构
•media
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程-5
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巨磁阻(GMR)磁头 1991年发现巨磁阻效应或称自旋阀效应 1997年开始被用在IBM Fujisawa 的产品 “Titan‖ 上 1999年10月，据称3.5英寸单碟存贮容量已能达到50GB Kaifa典型产品 1999年，WD Revolution & Triumph; Maxtor Nova
电磁转换器件，即磁头。 记录媒介，存储信号的载体，如磁盘， 磁带。 磁头与磁盘间的相对匀速运动，且读与 写一致。 外加信号必须是交变信号
硬盘磁头工作原理-1
MIG，薄膜感应式磁头工作原理
•写入(Write)过程
•读出(Read)过程
硬盘磁头工作原理-1
硬盘磁头工作原理-2
AMR，GMR磁阻式磁头工作原理
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感应式薄膜磁头结构
•Mag layer
•Gap
•Throat height
•Pole tips
•P1 •p2
硬盘磁头进展及Kaifa产品历程-4
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各向异性磁阻(AMR)磁头 1970年，Ampex公司（磁带公司）Hunt & Wolf研制开 发了各向异性磁阻磁头(AMR) 直到1991年，AMR磁头才被IBM用在Corsair 硬驱上 AMR磁头工作原理: 磁阻(MR)元件由恒定电流驱动, 其 电阻随磁化方向改变而变化, 因此其输出信号(电压信 号) 也相应变化, 从而能检测出磁盘上记录信号. 通常 AMR磁头用SAL薄膜电流磁偏置, Kaifa典型产品 1997年，Maxtor North Star， NEC Capricorn 1998年，Maxtor Pulsar & Quasar, WD Chandler
KAIFA磁头产品基本知识介绍
ZY HE
ZYHE@
Feb 12, 2000
Kaifa Internal Use
Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.
内容简介
磁记录发展简史 硬盘磁头进展及Kaifa产品历程 磁记录基本条件 硬盘磁头工作原理 硬盘磁头及硬盘制造业展望
磁记录发展简史-3
1962年，IBM1301使用浮动感应式磁头； 1970年，IBM提出各向异性磁阻(AMR)磁头概念； 1973年，IBM3340采用Winchester磁盘技 术；
1979年，薄膜感应式磁头商品化；
1990年，IBM开发出磁阻感应式复合型薄膜磁 头, 即 各向异性磁阻(AMR)磁头；
•V
•M •X
•I saturation
•H
•X
硬盘磁头工作原理-2
writer
•1
1
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0
0
•Disc rotation
•Voltage output
•Bias current
•Reader detects vertical field from disc
硬盘磁头展望
各向异性磁阻(AMR)磁头逐渐被淘汰 2000年，GMR磁头约占90%产量 低飞高 (<0.5 U―) GMR 磁头将会介入 遂道结磁阻 (TMR)磁头有望实现 超磁阻(CMR)磁头(>40gb/sq‖)处于研制中