第6章磁记录材料

第第6 6章磁记录材料章磁记录材料6.1 磁记录概述我们已经进入信息社会？“知识大爆炸”？记忆靠人脑？磁记录的起源标志性事件：人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(Valdemar Poulsen)发明钢丝录音机开始的。这是磁记录技术的开端！人们称他为“磁记录之父”杭州电子科技大学 磁记录的起源时间：1888年 早在普尔生发明磁性录音机十年前人物：美国人奥史密斯(0berlin Smith)事件：发表了关于磁性录音可能性的论文观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础杭州电子科技大学 时间：1898年 人物：普尔生 事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再生出来，并用听筒听所录的声音 意义：标志着磁记录技术的开端杭州电子科技大学 磁记录的起源 时间：1900年 人物：普尔生 事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这一发明，轰动了整个博览会。后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式杭州电子科技大学 磁记录1.模拟磁记录通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转换成电信号输出（或把信号擦除）2.数字磁记录将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁信号转换成电信号，再还原成数字形式输出杭州电子科技大学 6.1.1 磁记录的基本过程（b）（a）（c）抹音磁头录音磁头放音磁头驱动器记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复，但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场，就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准备记录新的信息。6.1.2 模拟式磁记录模拟式磁记录无调制记录无偏磁记录偏磁记录调频制FM调幅制AM脉冲时间调制PTM脉冲宽度调制PWM脉冲编码调制PCM 偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上。通过磁头（电磁转换器）实现模拟信号或脉冲信号反映在磁介质的记录信号上。通过电子管、晶体管等调制器来实现的；调制记录无偏磁记录 信号转换成电流后，直接送入磁头线圈而记录在磁介质上缺点：信号失真、能量转换效率差、信噪比低等；偏磁记录直流偏磁交流偏磁记录调幅高频载波：调制信号：调制后：调频载波信号：调制信号：调频波为：5.1.3数字式磁记录数字式记录数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主要采用“1”和“0”这两种数值的信号。数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两种方式，记录原理如下：101100a.利用磁化方向进行记录 b.利用磁化反转进行记录数字信号调制原理tb01001111+I-I磁头行走方向数字信号记录介质记录电流脉冲电压（再生）两种磁化模式NNSS排斥厚度d比特间距b（因排斥而发生退磁效应）a.水平磁化模式（bd）NSb db.垂直磁化模式（b0），矫顽力大（160kA/m320kA/m）。Mn-Bi在晶体结构上有两个相，即低温相和高温淬火相。低温相居里温度较高，TC=360。当加热至居里温度以上时，部分转变为顺磁相，从而导致磁矩下降。高温顺磁相急冷至室温（淬火）时，晶体将保持高温相的结构。高温相的居里温度低，TC=180，对磁光记录有利，但由于MS低，相应的F也低，读出信号变小。结晶相晶体结构居里温度（）室温磁化强度（kA/m）品质因子（633nm）相对激光记录功率相对读出信号（633nm）低温相NiAs3606003.0511高温相无序NiAs1804401.40.20.350.30.5缺点：TC太高缺点：不稳定因此，Mn-Bi尚无应用稀土-过渡族元素非晶态薄膜 非晶态的优点是可获得成分连续变化的合金体系，这样可大范围调节记录介质的磁光性能，因此对设计理想的磁光记录介质有利。非晶态R-TM合金中，当R为轻稀土类时，磁矩基本上是相互平行的（铁磁性）；R为重稀土类时，磁矩为反平行的（亚铁磁性）。因此，重稀土-过渡族金属合金，可以使整体磁化强度MS较小。同时，单原子各向异性大的Tb、Dy和Co感生的非晶薄膜的各向异性能也大。因此，Tb-Fe-Co非晶态薄膜成为磁光盘中使用最为普遍的合金成分。Tb-Fe-Co非晶膜有以下优点：（1）在近红外区（例如光波长为800m）能长期使用；（2）可容易地获得垂直磁化膜；（3）为非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪声；（4）居里温度TC为200，与现在半导体激光功率可良好对应石榴石氧化物薄膜石榴石氧化物在短波长时有很大的磁光效应，波长为510nm时的法拉第效应达7.5/m，非常利于用作磁光存储介质。RE-TM非晶态薄膜虽成功用于第一代磁光盘，但由于以下原因难以在记录密度上有更大的突破：首先，稀土抗氧化能力差，对需永久保护的文档是一个安全隐患；其次，RE-TM靶材的制作和回收困难，不利于降低盘片制作成本 1958年发现YIG单晶能传递红光和近红外光，且法拉第旋转角较大；1963年用它的单晶作成磁光调节器；70年代初，液相外延石榴石单晶薄膜成功地用于磁泡器件；80年代初期石榴石薄膜的磁光盘研究成了热门话题；利用石榴石氧化物记录介质的高度抗氧化性和抗辐照性，其可用于特殊用途，如军事、航空、航天等 。薄膜各向异性和磁光效应主要考虑石榴石薄膜各向异性常数KU和磁光效应特性 其各向异性主要源于感生应力：其中：薄膜与衬底不同的热膨胀而引起的应力 杨氏模量泊松比 薄膜的膨胀系数 衬底的膨胀系数 磁光效应主要来自电子自旋-轨道相互作用，其能量大小为：自旋-轨道耦合系数 轨道角动量 自旋角动量 Pt/Co超晶格和Pt-Co合金薄膜 Pt/Co超晶格在波长400nm下，K0.3，其磁和磁光性能已达到实际使用的要求；另外，Pt/Co超晶格的反射率高，其磁光品质因子在短波长范围内优于RE-TM薄膜，是下一代超高密度的磁光存储介质。一般认为，其有效单轴各向异性来源于：Pt/Co超晶格一般采用溅射成膜的方法制备CoPt合金薄膜也具有强的垂直各向异性、高的矫顽力和大的极向克尔旋转，是下一代短波长磁光记录的后备材料 磁性层厚度界面各向异性体积各向异性6.5磁泡及磁泡材料 6.5.1 磁泡材料应具备的条件磁泡材料应具备如下条件：（1）材料应能垂直磁化，要求：（2）磁泡的直径要小，磁学特性与温度相关性要小。磁泡的最小直径取决于材料自身的磁学特性：（3）磁泡的迁移率要比较大。为提高磁泡的迁移率，材料的K不宜过大。同时，若材料的K值过大，还会导致磁泡直径大，不利于高密度记录，因此必须探求最佳磁学特性的范围 6.5.2 磁泡材料磁泡材料主要有单晶石榴石外延薄膜和非晶态合金薄膜两种类型 单晶石榴石外延膜 是目前使用的磁泡材料，研究内容主要包括：寻找小泡径材料，提高畴壁迁移率，改善温度系数等。目前常用的材料有：(EuEr)3(FeGa)5O12，(EuY)3(FeGa)5O12，(SmY)3(FeGa)5O12，(YSmLuCa)3(FeGe)5O12等。非晶态磁泡材料，泡径约在0.085m之间，畴壁迁移率为61.5376.9cm/sA/m。因此非常适合制造高密度，高操作速度的磁泡存贮器。因为是非晶态，所以制作薄膜时无需单晶基片，并省去了单晶生长、切割、研磨、抛光等大量繁琐的工艺，同时降低了成本。然而非晶态磁泡材料有温度性能差的明显缺点，所以很难用来制作磁泡器件 6.5.3 磁泡器件的制作GGG单晶生长基片定向、切割、研磨、抛光液相外延稀土石榴石磁泡薄膜材料性能测试芯片制备中测及划片装架及焊接器件封装器件测量制备磁泡器件的工艺流程磁性外延膜制备方法磁性外延膜的制备方法主要有化学气相沉积和液相外延法高频加热线圈原料气体基板反应管排气溶液包熔融原料滑板单晶基板化学气相沉积（CVD）外延法液相外延法1.发展历程n 1956年，美国IBM公司研制成的IBM350型硬磁盘存储器n 1968年，美国IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是n 将磁盘、磁头及其寻道机构等组装成一个组合体；将磁盘、磁头及其寻道机构等组装成一个组合体；n 增加封闭防尘结构，与外界环境隔绝；增加封闭防尘结构，与外界环境隔绝；n 采用体积小、质量轻、负荷小的新型磁头；采用体积小、质量轻、负荷小的新型磁头；n 盘片表面涂润滑剂，实行接触起停盘片表面涂润滑剂，实行接触起停n “温盘”是现代绝大多数硬盘的原型硬盘杭州电子科技大学 n 存储容量大存储容量大n 随机存取速度快随机存取速度快n 性价比高，价格较便宜性价比高，价格较便宜n 可靠性高可靠性高n 硬盘特点杭州电子科技大学 硬盘的结构硬盘的结构杭州电子科技大学 n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n磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的n每个盘面都有自己的磁头，因此盘面数等于总的磁头数硬盘结构杭州电子科技大学 n n读读/写过程从查找操作开始写过程从查找操作开始n n驱动机构根据柱面地址把磁头向驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并目标磁道移动，并定位在目标磁定位在目标磁道上道上n n等待有关等待有关信息区段信息区段旋转到磁头下，旋转到磁头下，进行读进行读/写操作写操作硬盘工作原理杭州电子科技大学 硬盘的性能指标硬盘的性能指标1、转 速 n 转速是硬盘所有指标中除了容量以外最引人注目的性能参数n 单位：以r/min为单位 杭州电子科技大学 2、存储容量n道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数称为道密度Dt n位密度：沿圆周单位长度上的信息比特数称为位密度Dbn面密度：位密度和道密度的乘积，即Dn=Dt*Db Dn越大表明一个盘片上能存储的信息量就越大杭州电子科技大学 3、平均寻道时间n 指的是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间，它直接影响硬盘的随机数据传输速度4、缓存 n 硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度5、传输速度n 指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s），包括内部数据传输率和外部数据传输率n内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度内部传输率主要依赖于硬盘的旋转速度n外部传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关外部传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关杭州电子科技大学 硬盘技术发展趋势1、更高的主轴电动机转速 2、“超级数字信号处理器”的应用 3、高速缓存技术 4、提高单碟容量 5、硬盘内多盘片封装技术 6、OAW 技术（光学辅助温式技术）杭州电子科技大学 硬盘的保养n 硬盘是微机系统中最常用、最重要的存储设备之一，也是故障机率较高的设备之一n 来自硬盘本身的故障一般都很小，主要是人为因素或使用不当造成的，甚至是不恰当的维护措施所致n 硬盘在使用中必须加以正确的维护，否则会出现故障、使用寿命缩短，甚至造成数据丢失，给工作和生活带来不便和不可挽回的损失杭州电子科技大学 1、防 震n 防震原因n 硬盘工作时磁头在盘片表面的浮动高度只有几微米；不工作时，磁头与盘片是接触的n 硬盘在进行读写操作时，一旦发生较大的震动，就可能造成磁头与数据区相撞击，导致盘片数据区损坏或划盘，甚至丢失硬盘内的文件信息n 防震措施n 在硬盘工作时或关机后，主轴电机尚未停机之前，严禁搬运电脑或移动硬盘，以免磁头与盘片产生撞击而擦伤盘片表面的磁层n 在硬盘的安装、拆御过程中要加倍小心，严防震动 杭州电子科技大学 2、防 尘 防 潮n n 原 因n 操作环境中灰尘过多，会被吸附到电路板的表面及主轴电机的内部n 硬盘在较潮湿的环境中工作，会使绝缘电阻下降，轻则引起工作不稳定，重则使某些电子器件损坏n 防护措施n 用户不能自行拆开硬盘盖，否则空气中的灰尘便进入盘内，磁头读/写操作时将划伤盘片或磁头。因此在硬盘出现故障时决不允许在普通条件下拆开盘体外壳螺钉 杭州电子科技大学 3、防 突 然 断 电n n 原因n 硬盘进行读写时，硬盘处于高速旋转状态中n如Quantum(昆腾)的Fireball(火球)系列3.5英寸硬盘，转速达到每分钟4500周n如GRANDPRIX系列大容量硬盘，转速则高达每分钟7200周n在硬盘如此高速旋转时，忽然关掉电源，将导致磁头与盘片猛烈磨擦，从而损坏硬盘n 防护措施n 在关机时，一定要注意面板上的硬盘指示灯，确保硬盘完成读写之后再关机！杭州电子科技大学 4、防 病 毒n 计算机病毒对硬盘中存贮的信息是一个很大的威胁，所以应利用版本较新的抗病毒软件对硬盘进行定期的病毒检测n 若发现病毒，应立即采取办法去清除，并尽量避免对硬盘进行格式化，因为硬盘格式化会丢失全部数据并减少使用寿命n 当从外界拷贝信息到硬盘时，先要对其进行病毒检查，防止硬盘由此染上病毒杭州电子科技大学 5、防 高 温n 过高的温度，将影响磁头的数据读取灵敏度，磁介质也会因热胀效应而造成记录错误 n 过低的温度，会产生水蒸气，也将影响硬盘的使用，甚至损毁硬盘n 因此在使用中要严格控制环境温度，微机操作室内最好配备空调！一般将温度调节在20-25杭州电子科技大学 6、防 磁 场n n 磁场是损毁硬盘数据的隐形杀手n 要尽可能地使硬盘不靠近强磁场，如：音箱、喇叭、电机、电台等，以免硬盘里所记录的数据因磁化而受到破坏杭州电子科技大学 7、定 期 整 理 硬 盘n一是根目录的整理n根目录一般存放系统文件和子目录文件，不要存放其它文件！n清晰整洁的目录结构会为工作带来方便，也避免了软件的重复放置及“垃圾文件”过多而浪费硬盘空间，影响运行速度n二是硬盘碎片的整理n 在硬盘使用过程中，由于文件的反复存取、删除，往往会使许多文件，尤其是大文件在硬盘上占用的扇区不连续，就象一个个碎片，硬盘上碎块过多会极大地影响硬盘速度，甚至造成死机或程序不能正常运行n Windows系统提供磁盘碎片整理程序，在日常使用中定期整理，将使电脑系统性能保持最佳状态杭州电子科技大学 结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！90