35. Магніторезистивні (мr) головки

М

Рис. 1.29. Магніторезистивна головка

агніторезистивні (МR) головки (англ.: Magneto – Resistive) вперше були застосовані фірмою ІВМ в 1991 році в накопичувачах ємністю 1ГБ (див. рис. 1.29). Принцип роботи МR – головки базується на магніторезистивному ефекті зміни опору провідників в магнітному полі. При проходженні головки над ділянками робочого шару диску з різною залишковою намаг­ніченістю електричний опір головки буде змінюватись. Цей ефект зміни опору матеріалів в магнітному полі був відкритий Кельвіном в 1857 році.

37. Явище зміни магнітоопору

Якщо позначити - питомий опір матеріалу без магнітного поля, а - питомий опір у магнітному полі з магнітною індукцією В, то магнітоопір (у відносних одиницях) зручно характеризувати величиною ефекту магнітоопору (або гальваномагнітний ефект)

(1.13)

Магнітоопір для самих різноманітних досліджуваних речовин ніколи не перевищував декількох відсотків.

Звичайний електричний опір провідника виникає внаслідок того, що електрони при своєму русі наштовхуються на перешкоди в провіднику (дефекти кристалів, домішкові атоми, теплові коливання кристалічної решітки).

В

Рис. 1.30. Залежність енергії електронів від орієнтації спіну

результаті, при накладанні напруги, на швидкий безладний рух електронного газу всередині металу накладається повільне зміщення електронів. Цей повільний дрейф і є електричним струмом. У цьому русі приймають участь ті електрони, які володіють енергією, близькою до енергії Фермі. Якщо таких електронів багато, то струм великий – опір малий і навпаки.

У явищі магніторезистивного ефекту визначальну роль відіграє орієнтація спіну електронів в зовнішньому магнітному полі. Магнітне поле всередині феромагнетика діє на електрони, збільшуючи або зменшуючи їх енергію в залежності від орієнтації їх спінів. Це приводить до зсуву енергії електронів і до зміни їх кількості біля енергії Фермі в залежності від орієнтації спіну (див. рис. 1.30).

Електричний струм у феромагнетику складається з двох різних потоків електронів, із спінами, орієнтованими за напрямом намагніченості і проти. Електричний опір для цих потоків різний. Для електронів зі спінами, орієнтованими проти поля, він менший, ніж для електронів зі спінами, орієнтованими за полем. Особливо слід наголосити, що така картина специфічна лише для феромагнетиків.

Т

Рис. 1.31. Надрешітка

акими властивостями електричного опору феромагнетиків вдалося скористатися в матеріалах, які характеризуються своїми надрешітками. Надрешітка – це кристал, який складається з декількох шарів магнітних і немагнітних речовин зі схожою кристалічною структурою, що чергуються. Товщина шарів становить 1-2нм, що відповідає 2-5 періодам кристалічної решітки (див. рис. 1.31).

В

Рис. 1.32. Напрямок вектора намагнічення магнітних шарів надрешітки в магнітному полі і без нього

иготовлення шарів надрешітки – технологічно дуже складне завдання. Їх вирощують в глибокому вакуумі, напилюючи на основу шар за шаром потрібні речовини. Обидві речовини, а також сама основа повинні мати схожі кристалічні решітки, інакше шарування буде різноплановим, а це негативно вплине на протікання електричного струму. Напилення повинно бути рівномірним, щоб шари різних речовин накладались один на одного не перемішуючись. Також суттєве значення має і контроль магнітних властивостей зростаючих шарів.

Якщо правильно підібрати матеріал для немагнітних шарів і його товщину, то магнітні шари будуть мати неспецифічну для феромагнетиків тенденцію чергування орієнтації намагніченості шарів. Це особливо яскраво проявляється в шарах залізо – хром.

Якщо шари феромагнетику (заліза, Fe) чергуються з тонкими шарами немагнітного металу (хрому, Cr) певної товщини, то в шарах феромагнетику напрям вектора намагнічення буде чергуватись за відсутності зовнішнього магнітного поля (Н=0) (див. рис. 1.32, зліва).

Однак, якщо таку структуру помістити в сильне зовнішнє магнітне поле, то вектор намагнічення шарів феромагнетика повернеться в одну сторону (див. рис. 1.32, справа). Якщо магнітне поле прибрати, то чергування намагнічення шарів відновиться.

Р

Рис. 1.34.

Еквівалентна схема шарів

надрешітки

Рис. 1.33. Рух електронів в надрешітці

ухаючись упоперек шарування електрони з одним напрямком спіну відчувають великий опір всередині одних шарів (наприклад, парних), але малий – всередині інших шарів (непарних), а електрони з протилежним напрямком спіну відчувають малий опір всередині парних шарів і великий – всередині непарних. Оскільки і тих, і інших шарів однакова кількість, то обидва сорти електронів перебувають в однакових умовах. При накладанні зовнішнього магнітного поля і вирівнюванні напрямку намагнічення феромагнітних шарів електрони обох сортів опиняться в різних умовах. Електрони з одним напрямком спіну „відчують” великий опір у всіх шарах феромагнетика і їх внесок в струм зменшиться, а електрони з протилежним напрямком спіну „відчують” малий опір і будуть фактично рухатись в режимі короткого замикання. В результаті, струм суттєво збільшиться, а сумарний опір – зменшиться (див. рис. 1.33).

Еквівалентна схема процесу представлена на рис. 1.34. Тут R – великий опір одних феромагнітних шарів, а r – малий опір інших феромагнітних шарів.

Початкові експерименти Ферта показали зменшення опору зразка майже в два рази. Цей результат вдалося досягти з використанням сильних магнітних полів при температурі 4,2К. Дослідження Грюнберга дозволили досягти зменшення опору у два рази при кімнатній температурі і набагато слабших магнітних полях.

Використання МR - головок дозволило довести щільність інформації на диску до 3,09Гбіт/дюйм².

Переваги:

1. Головка є резистивним датчиком магнітного поля.

2. Амплітуда вихідного сигналу в декілька разів більша ніж у TF-головки.

Недоліки:

1. Головка має додаткову обмотку для подачі високостабілізованого вимірного струму.

2. Головка дуже чутлива до зовнішніх магнітних полів, тобто вимагає екранування.

3. Використання в процесі виробництва додаткових 4-6 фотомасштабів (масок).

Оскільки на основі магніторезистивного ефекту можна створити тільки пристрій читання, то в сучасних магнітних головках здійснюється розділення запису і зчитування інформації різними головками. Так запис здійснюється за допомогою TF-головки, а зчитування за допомогою МR-головки. В розглянутих головках застосовувався один робочий зазор як для запису, так і для читання. У магнітної головки їх два – кожний для своєї операції. У вузла читання зазор повинен бути вузьким (для збільшення роздільної здатності), а у записуючого вузла – більш широким (для глибокого проникнення магнітного потоку в робочий шар носія). Крім того, записуюча TF-головка створює більш широкі доріжки, ніж це необхідно для читаючої МR-головки. Тому, при читанні головкою не захоплюються шуми сусідніх доріжок.

Хоча вартість таких головок вища порівняно вартістю MIG і TF-головок, цей недолік нівелюється надзвичайно високою щільністю запису і надійністю.