"Наноэлектронный" этап развития накопителей информации на магнитных дисках

Магниторезистивные считывающие головки

Открытие и исследование гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивного эффекта позволило создать значительно более чувствительные головки для считывания информации с магнитных дисков.

Принцип их действия показан на рис. 10.12. На рис. 10.12.а пунктиром показаны линии магнитной индукции, возникающие вокруг намагниченного участка каждого бита, на рис. 10.12.б – ход линий магнитной индукции на стыке "битов", намагниченных навстречу северными полюсами друг к другу, а на рис. 10.12.в – ход линий магнитной индукции на стыке "битов", намагниченных навстречу южными полюсами.

Над местом стыка северных полюсов вектор суммарной магнитной индукции ВРЕЗ направлен вверх, а над местом стыка южных полюсов – вниз. Поэтому, когда магнитная дорожка (см. рис. 10.12.г) пробегает под считывающей головкой, то при изменении направления намагниченности битов электрический ток, текущий сквозь считывающую головку, возрастает. Это служит сигналом изменения записи на магнитной дорожке с "0" на "1" или наоборот.

Рис. 10.12. Принцип работы магниторезистивной головки: 1 – подложка; 2 – участки "битов", намагниченных навстречу северными полюсами; 3 – участки "битов", намагниченных навстречу южными полюсами; 4 – направление вектора магнитной индукции на стыке участков 2; 5 – направление вектора магнитной индукции на стыке участков 3

Так выполняют считывающие головки и с гигантским, и с туннельным магнетосопротивлением. Их соответственно называют ГМР- и ТМР-головками (или с англоязычными сокращениями GMR- и TMR-).

Структура считывающей головки с использованием колоссального магниторезистивного эффекта (КМР-головки) несколько иная ( рис. 10.13.

Рис. 10.13. Структура КМР-головки

Кроме тонкого слоя манганита (КМР-элемент), здесь присутствуют еще 2 слоя: верхний – из магнитожесткого ферромагнетика (МЖ ФМ), например, из кобальта и нижний – из магнитомягкого (ММ ФМ), например, из .

Намагниченность слоя МЖ ФМ стабильно направлена вверх (на рисунке она показана белыми стрелками), а намагниченность слоя ММ ФМ отслеживает направление поля над магнитной дорожкой. На КМР-элемент действует усредненное магнитное поле. И в зависимости от того, какого типа стык между битами проходит под головкой, ток сквозь нее возрастает или уменьшается.

На рис. 10.14 показаны изображения современной миниатюрной считывающей головки, созданной японской фирмой NEC на основе так называемого "экстраординарного магниторезистивного эффекта" (англ. EMR) в полупроводниковом материале .

Рис. 10.14.

Изображения эти получены с помощью растрового электронного микроскопа: слева – вид головки сверху, справа – вид под углом и в 5 раз увеличенном масштабе. Размер чувствительного элемента головки, изготовленной с помощью нанолитографии, составляет около 200 нм.

Удельное электрическое сопротивление пленки в магнитном поле измеряется в этой головке 4-зондовым методом. На 2 зонда, контактирующих с пленкой, подается напряжение, а с двух других снимается электрический ток. На снимках хорошо видны золотые электроды 1, 2, 3, 4, ведущие к зондам. Чувствительность головки составляет порядка 150 Ом/Тл. Она обеспечивает возможность считывания информации, записанной с плотностью свыше 30 Гб/см².

Применение магниторезистивных головок, имеющих нанометровые размеры, значительно ускорило процесс повышения плотности записи информации на магнитные диски. Это можно увидеть на рис. 10.4, где время появления магниторезистивных головок отмечено стрелкой.

Недостатком магниторезистивных головок является то, что они не могут записывать информацию. Для записи продолжают применять индукционные головки. Схема одновременного применения магниторезистивных головок для считывания и индукционных головок для записи информации на магнитные диски показана на рис. 10.15. Магнитные экраны, индуктивная записывающая головка и магниторезистивная головка размещаются в одном корпусе, который "плавает" над диском.

Рис. 10.15. Схема записи и считывания информации с магнитных дисков

В этом же корпусе размещают датчик расстояния от головок до поверхности диска и узел точного регулирования этого расстояния. Ведь чем уже магнитные дорожки, чем меньше размер участка каждого "бита", тем меньшим должно быть и указанное расстояние. Уже в начале применения магниторезистивных головок оно перешло в нанометровый диапазон. А в современных накопителях расстояние это составляет порядка 10 нм.

В таблице 10.1 показаны изменения линейных размеров на протяжении периода с 1994 г. по 2002 г.

Внимательно вдумайтесь в приведенные здесь данные. Они о многом говорят. Например, размеры для 2002 г. означают, что торец магниторезистивной головки, прилегающий к магнитной дорожке диска, как и промежуток между магнитными полюсами индуктивной записывающей головки, имеют размеры, не более 250 х 30 нм. Значит, уже к тому времени считывающе-записывающие головки накопителей на магнитных дисках были вершинным продуктом нанотехнологии. Ведь даже больший из этих размеров – 250 нм – приблизительно в 300 раз меньше толщины человеческого волоса!