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1、一 磁记录技术的发展,磁记录技术是指利用磁特性和磁效应记录、存储和读出各种声音、图像以及数据等信息的技术，其原理是：先将需要记录和存储的信息转变为相应的电信号输送到磁头电路中，使写入磁头中产生与输入电信号相对应的磁场，用该磁场作用于磁记录介质，使其从原来的退磁状态转变为磁化状态，需要输出信息时，使用读出磁头作用于磁记录介质，使磁记录介质产生的磁场作用于读出磁头，获取之前写入的信息。,磁记录技术的起源可以追溯到1857年使用钢带的录音机雏形。1898年，丹麦人ValdemarPoulson使用直径为1mm的碳钢丝制作了世界上第一台可供实用的磁录音机。1928年，德国人FritzPfleumer与
2、AEG（伊莱克斯）合作制作了第一台磁带录音机，被称为是磁带录音机的鼻祖，从此磁带录音机进入实用化。1947年，-Fe2O3的发明标志着磁带记录技术与当代的接轨，目前以这种材料为基础的磁粉仍然被广泛用于各种磁带的制作。,早期的计算机用磁存储介质仍然是磁盘，其标志是1953年IBM726磁带机的出现。随着计算机技术的发展，基于模拟信号的录音、录像技术由于其较低的保真度、还原度和信息存储量，已经越来越不能满足人们的需要。这样，基于二进制的数字存储技术受到了越来越多的关注。在这种存储技术中，磁化状态代表1的信号，退磁状态（未磁化）则代表0的信号，这样，就实现了在更小的空间实现大量信息存储的可能。由于这
3、种存储技术主要用于计算机技术中，因此基于计算机存储的磁盘存储技术也就取代磁带机成为人们关注的热点。这种技术的实用化始于1956年IBM公司制作的世界。,上第一个固定式磁盘装置IBM350RAMAC，当时引起轰动的这台重达一吨的庞然大物由50个24平方英寸的盘片构成(图1)，拥有“惊人”的5MB的存储量。五十多年过去，如今普通人花费不到千元就可以轻易购买到容量超过1TB的商用硬盘，其容量已经超过IBM350RAMAC的20万倍之多，但是其体积却大大减小，这离不开几种关键磁存储技术，包括薄膜磁头、MR（磁电阻）磁头、GMR（巨磁电阻）、TMR（隧道磁电阻）和AFC（反铁磁耦合）磁存储介质给磁存储技
4、术带来的几次飞跃式发展。,要了解磁盘存储技术，首先我们需要了解计算机硬盘的内部结构。通常的硬盘其内部结构由四部分组成：盘片（介质）、磁头（包括写入磁头和读出磁头）、主轴电机和磁头驱动单元。对于磁存储技术，我们重点关心的是磁记录介质和磁头部分。,可以很容易想象，为了缩小硬盘的尺寸，我们必须提高磁存储介质（盘片）的存储密度，也就是说需要在相同的盘片面积上存储更多的信息量。但在这种技术改进的过程中，人们发现提高盘片的存储密度在技术上已经可以实现，但如何将存储在盘片上的数据读取出来，这反而成了最大的问题。这是因为，早期人们使用的是基于Farady感应的电磁感性原理来写入和读出信号，其读出精度受到了很大
5、的限制。1970年，日本出现了利用MR效应检测磁场的技术，1990年，在上述技术的基础上，美国将薄膜磁阻磁头的实用化给磁头技术带来了一个重大的变革，即写入磁头和读出磁头的分离：,人们仍然利用Farady感应，使用写入磁头在磁盘介质上写入信息，但使用的读出磁头产生了变化，即改为利用磁场带来的薄膜磁头磁阻的变化来进行数据的读取，其灵敏度远远大于电磁感应带来的磁场变化再转变为电信号强度变化可以探测的灵敏度，这样人们就轻易地获取了比之前高得多的读出精度。在薄膜磁阻技术的基础上，GMR（巨磁电阻）磁头和TMR（隧道结磁电阻）磁头以及伴生的自旋阀GMR磁头将普通磁头技术乃至磁存储技术推上了一个新的台阶。而
6、德国人PeterGrnberg和法国人AlbertFert也因为分别于1986年和1988年发现了GMR效应而获得了2007年的诺贝尔物理学奖。目前市场上所生产的硬盘已经全部装配了TMR技术。,除了磁头技术的发展，磁记录介质以及记录方式的发展则是磁存储技术改进的另一个重要方面。人们一方面寻求具有更高磁各向异性的材料，以提高材料的矫顽力和信息存储能力，而纵向磁记录(Longitudinalrecording)向垂直磁记录(Perpendicularrecording)这种记录方式的变化则是改革的另一个重要层面。在纵向磁记录方式下，当记录密度提高到一定程度时，磁记录单元（称为磁畴）之间可能产生一定
7、的干扰，降低了读取信号的精确性，甚至可能导致数据的丢失；另一方面，随着记录密度的提高，磁畴尺寸不断减小，这时会带来一种被称为超顺磁效应的现象。在这种情况下，由于记录单元尺寸过小，其热扰动效应已经足以覆盖其磁信号，这时磁记录介质将会在宏观上失去磁性，带来数据的不能正常读取。,1980年，日本的岩崎俊一等人研制出了基于单极头磁头和CoCr垂直磁记录介质的世界上第一套垂直磁记录系统。但之后这种技术的发展遇到了一定的困难。直到2004年，东芝垂直记录微硬盘(MK4007GAL133G/in2)的面世才标志着这种技术实现了真正的实用化。相比于纵向磁记录技术，这种技术有着诸多的优点：(1)柱形结构/软衬底
8、的这种配置可以提供相当于传统环形磁头2倍的磁场（双倍写入能力），高的磁头磁场可以使用比传统更高矫顽力Hc和各向异性能Ku的介质，这使得更小的颗粒尺寸（交换单位）支持更高磁记录的密度成为可能；(2)尖锐的过渡区需要更高的介质层厚度，对单位体积来说，容纳了更多的颗粒（交换单位），提高了磁记录的密度，柱状结构降低了垂直于膜面方向的退磁能，提高了磁滞回线的矩形比；,(3)有效的限制了写入过程中的边界效应，提高了磁记录的密度和信号的分辨率；(4)由于交换单位体积的减小，可以在读写过程中使用更短的波长，提高了硬盘读写的速度；(5)垂直磁记录介质拥有强的单轴各向异性，这导致了窄的交换场分布和尖锐的写入过渡区
9、，从而提高了读写过程中的信噪比；(6)水平磁记录密度的提高依赖于颗粒尺寸的减小，而这又受超顺磁驰豫的制约，垂直磁记录尖锐的过渡区可以允许使用比水平磁记录更大的颗粒尺寸来达到相同的记录密度，从而提高了记录密度的上限。目前，这种技术已经被广泛应用于商业PC硬盘中。,二 磁存储过程和原理 1.磁存储过程 磁存储的模式主要可以分为三种：水平存储模式，垂直存储模式和杂化存储模式。 磁存储系统包括以下几个基本单元：存储介质，换能器，传送介质装置以及匹配的电子线路。 磁存储介质是含有高矫顽力磁性材料的薄膜，磁性材料既可以是连续的薄膜，也可以是埋在胶粘剂中的磁性粒子。这种磁化的磁介质（如磁带）以恒定的速度沿着
10、一个环形电磁铁相切的方向运动。工作缝隙对着介质，存储信号时，在磁头线圈中通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出，如果磁带与磁头的相对速度保持不变，则剩磁沿,着介质长度方向上的变化规律完全反映信号的变化规律，这就是存储信号的基本过程。记录磁头能够在介质中感生与馈入电流成比例的磁化强度。电流随着时间的变化转化成磁化强度随距离的变化而被存储在磁带上。磁化的这种变化在磁带附近产生磁场。如磁带（已存储信息的介质）重新接近一重放磁头，通过拾波线圈感生出磁通磁通大小与磁带中磁化强度成比例。可见，磁头实际是一种换能器。,利用磁存储方法有很多不同类型的信号。应用最早最广泛的是记录音频信号。由于其频率低，所以介质运
11、动速度慢。音频记录的主要要求是线性度好和信躁比高。数字磁存储也普遍采用了磁带和磁盘。硬盘驱动器的信号频率高，转速也快，因此要求高的随机存取速度和高的可靠性。视频记录主要是记录图像，其记录通常使用调频信号，采用旋转磁头，这样可以提高磁头与介质之间的相对速度。从原理上讲，所有的记录都是可以用数字式磁存储方式实现。,2.磁存储原理 磁介质的数据存储设备，数据存储在密封于洁净的硬盘驱动器内腔的若干个磁盘片上。这些盘片一般是在以铝为主要成分的片基表面涂上磁性介质所形成，在磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心、以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆就被划分成磁道（track），每个磁道又被划分为若干个扇区（sec
12、tor），数据就按扇区存放在硬盘上。在每一面上都相应地有一个读写磁头（head），所以不同磁头的所有相同位置的磁道就构成了所谓的柱面（cylinder）。传统的硬盘读写都是以柱面、磁头、扇区为寻址方式的（CHS寻址）。硬盘在上电后保持高速旋转，位于磁头臂上的磁头悬浮在磁盘表面，可以通过步进电机在不同柱面之间移动，对不同的柱面进行读写。,现代硬盘的工作原理 现在的硬盘,无论是IDE还是SCSI,采用的都是“温彻思特“技术,都有以下特点：1.磁头，盘片及运动机构密封。2.固定并高速旋转的镀磁盘片表面平整光滑。3.磁头沿盘片径向移动。4.磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触。,盘
13、片：硬盘盘片是将磁粉附着在铝合金（新材料也有用玻璃）圆盘片的表面上.这些磁粉被划分成称为磁道的若干个同心圆，在每个同心圆的磁道上就好像有无数的任 意排列的小磁铁，它们分别代表着0和1的状态。当这些小磁铁受到来自磁头的磁力影响时，其排列的方向会随之改变。利用磁头的磁力控制指定的一些小磁铁方 向，使每个小磁铁都可以用来储存信息。,盘体：硬盘的盘体由多个盘片组成，这些盘片重叠在一起放在一个密封的盒中，它们在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，其每分钟转速达3600，4500，5400，7200甚至以上。 磁头：硬盘的磁头用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态，一般说来，每一个磁面都会有一个磁头，从最上面
14、开始，从0开始编号。磁头在停止工作时，与磁盘是接 触的，但是在工作时呈飞行状态。磁头采取在盘片的着陆区接触式启停的方式，着陆区不存放任何数据，磁头在此区域启停，不存在损伤任何数据的问题。读取数据 时，盘片高速旋转，由于对磁头运动采取了精巧的空气动力学设计，此时磁头处于离盘面数据区0.2-0.5微米高度的”飞行状态“。既不与盘面接触造成 磨损，又能可靠的读取数据。,电机：硬盘内的电机都为无刷电机，在高速轴承支撑下机械磨损很小，可以长时间连续工作。高速旋转的盘体产生了明显的陀螺效应，所以工作中的硬盘不宜运动，否则将加重轴承的工作负荷。,三 磁存储材料,磁记录材料是磁记录技术所用的磁性材料，包括磁记
15、录介质材料和磁记录头材料(简称磁头材料)。在磁记录(称为写入)过程中，首先将声音、图像、数字等信息转变为电信号，再通过记录磁头转变为磁信号，磁记录介质便将磁信号保存(记录)在磁记录介质材料中。在需要取出记录在磁记录介质材料中的信息时，只要经过同磁记录(写入)过程相反的过程(称为读出过程)，即将磁记录介质材料中的磁信号通过读出磁头，将磁信号转变为电信号，再将电信号转变为声音(类似电话)、图像(类似电视)或数字(类似计算机)。,对磁记录介质材料的磁特性要求主要是：(1)适当高的矫顽力Hc，(2)高的饱和磁化强度Ms，(3)高的剩磁比，(4)高的稳定性。目前应用的磁记录介质材料主要有：(1)铁氧体磁
16、记录材料，如型三氧化二铁(-Fe2O3)等。(2)金属磁膜磁记录材料，如铁-钴(Fe-Co)合金膜等。(3)钡铁氧体(BaFe12O19)系垂直磁记录材料等。对磁记录头材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁导率，(2)高的饱和磁化强度Ms，(3)低的矫顽力Hc，(4)高的磁稳定性。目前应用的磁记录头材料主要有：(1)铁氧体磁头材料，如锰-锌-铁氧体(Mn，Zn)Fe2O4系统等，(2)高硬度磁性金属磁头材料，如铁-镍-铌(Fe-Ni-Nb)系磁性合金等。(3)非晶磁头材料，如铁-镍-硼(Fe-Ni-B)系非晶合金等。,磁存储材料是电子计算机存储器所用的磁性材料。较早应用的是磁滞回线接近矩形的矩磁材料，利用其两个剩磁态+Br和-Br表示计算机中的“1”和“0”状态，再利用两个电流重合便可以“写入”(Wx，Wy)和“读出”(Rx，Ry)二进位制的“1”和“0”(如上图所示)。对矩磁材料的磁特性要求主要是：(1)高的剩磁比Br/Bm，低的矫顽力Hc，(3)短的开关时间，(4)高的信号/噪声比。可以应用的矩磁材料有：(1)铁氧体磁芯材料，如锰-镁铁氧体(Mn，Mg)Fe2O4系统等，(2)金属磁
