Cabezal de lectura y escritura de disco

Una cabeza de disco duro y un brazo en una bandeja

Microfotografía de una cabeza de disco duro. El tamaño de la cara delantera es alrededor 0,3 mm. Una parte funcional clave de la cabeza es la estructura redonda y naranja en el centro - la bobina de cobre definida litográficamente del transductor de escritura. También note las conexiones eléctricas por alambres unidos a almohadillas doradas.

Lea–escribir la cabeza de un 3 TB disco duro fabricado en 2013. El componente rectangular oscuro es el slider y es 1.25 mm Mucho. Las bobinas de lectura/escritura son a la izquierda del deslizador. La superficie del plato pasa por la cabeza de derecha a izquierda.

Un cabezal de lectura y escritura de disco es la parte pequeña de una unidad de disco que se mueve sobre el plato del disco y transforma el campo magnético del plato en corriente eléctrica (lee el disco) o, viceversa, transforma la corriente eléctrica en campo magnético (escribe el disco). Las cabezas han sufrido una serie de cambios a lo largo de los años.

En un disco duro, las cabezas vuelan por encima de la superficie del disco con una holgura de tan solo 3 nanómetros. La altura de vuelo ha ido disminuyendo con cada nueva generación de tecnología para permitir una mayor densidad de área. La altura de vuelo de la cabeza está controlada por el diseño de un cojinete de aire grabado en la superficie del deslizador que mira al disco. El papel del cojinete de aire es mantener constante la altura de vuelo a medida que la cabeza se mueve sobre la superficie del disco. Los cojinetes de aire están cuidadosamente diseñados para mantener la misma altura en todo el plato, a pesar de las diferentes velocidades según la distancia de la cabeza desde el centro del plato. Si el cabezal golpea la superficie del disco, puede producirse un choque catastrófico del cabezal.

Cabezas inductivas

Los cabezales inductivos utilizan el mismo elemento tanto para leer como para escribir.

Cabeza tradicional

Los cabezales comenzaron siendo similares a los cabezales de las grabadoras: dispositivos simples hechos de una pequeña pieza en forma de C de un material altamente magnetizable, como permalloy o ferrita, envuelto en una bobina de alambre fino. Al escribir, la bobina se activa, se forma un fuerte campo magnético en el espacio de la C y se magnetiza la superficie de grabación adyacente al espacio. Al leer, el material magnetizado gira más allá de las cabezas, el núcleo de ferrita concentra el campo y se genera una corriente en la bobina. En la brecha el campo es muy fuerte y bastante estrecho. Ese espacio es aproximadamente igual al grosor del medio magnético en la superficie de grabación. El espacio determina el tamaño mínimo de un área grabada en el disco. Las cabezas de ferrita son grandes y escriben características bastante grandes. También deben volar bastante lejos de la superficie, lo que requiere campos más fuertes y cabezas más grandes.

Cabezas de metal en hueco (MIG)

Los cabezales de metal en hueco (MIG) son cabezales de ferrita con una pequeña pieza de metal en el hueco del cabezal que concentra el campo. Esto permite leer y escribir características más pequeñas. Los cabezales MIG fueron reemplazados por cabezales de película delgada.

Cabezas de película fina

Introducida por primera vez en 1979 en la unidad de disco IBM 3370, la tecnología de película delgada utiliza técnicas fotolitográficas similares a las que se utilizan en los dispositivos semiconductores para fabricar cabezales HDD con un tamaño más pequeño y una mayor precisión que los diseños basados en ferrita que se usaban en ese momento. Los cabezales de película delgada son electrónicamente similares a los cabezales de ferrita y utilizan la misma física. Las capas delgadas de materiales magnéticos (Ni-Fe), aislantes y de cableado de bobina de cobre se construyen sobre sustratos cerámicos que luego se separan físicamente en cabezales de lectura/escritura individuales integrados con su cojinete de aire, lo que reduce significativamente el costo de fabricación por unidad. Los cabezales de película delgada eran mucho más pequeños que los cabezales MIG y, por lo tanto, permitían el uso de características grabadas más pequeñas. Los cabezales de película delgada permitieron que las unidades de 3,5 pulgadas alcanzaran capacidades de almacenamiento de 4 GB en 1995. La geometría del espacio del cabezal era un compromiso entre lo que funcionaba mejor para leer y lo que funcionaba mejor para escribir.

Cabezas magnetorresistivas (cabezas MR)

La siguiente mejora del cabezal en el diseño del cabezal fue separar el elemento de escritura del elemento de lectura, lo que permitió optimizar un elemento de película delgada para escribir y un elemento de cabezal separado para leer. El elemento de lectura separado utiliza el efecto magnetorresistivo (MR) que cambia la resistencia de un material en presencia de un campo magnético. Estos cabezales MR pueden leer características magnéticas muy pequeñas de manera confiable, pero no se pueden usar para crear el campo fuerte que se usa para escribir. El término AMR (MR anisotrópico) se usa para distinguirlo de la mejora introducida más tarde en la tecnología MR llamada GMR (magnetorresistencia gigante) y "TMR" (magnetorresistencia de túnel).

La transición a medios de grabación magnética perpendicular (PMR) tiene implicaciones importantes para el proceso de escritura y el elemento de escritura de la estructura del cabezal, pero menos para el sensor de lectura MR de la estructura del cabezal.

Cabezas AMR

La introducción del cabezal AMR en 1990 por parte de IBM condujo a un período de rápidos aumentos de densidad de área de alrededor del 100 % por año.

Cabezas GMR

En 1997 GMR, las cabezas magnetorresistivas gigantes comenzaron a reemplazar las cabezas AMR.

Desde la década de 1990, se han realizado varios estudios sobre los efectos de la magnetorresistencia colosal (CMR), que pueden permitir aumentos aún mayores en la densidad. Pero hasta el momento no ha dado lugar a aplicaciones prácticas porque requiere bajas temperaturas y equipos de gran tamaño.

Cabezales TMR

En 2004, Seagate presentó las primeras unidades que utilizaban cabezales MR de túnel (TMR), que permitían unidades de 400 GB con 3 platos de disco. Seagate presentó cabezales TMR con bobinas de calentamiento microscópicas integradas para controlar la forma de la región del transductor del cabezal durante el funcionamiento. El calentador se puede activar antes del inicio de una operación de escritura para garantizar la proximidad del polo de escritura al disco/medio. Esto mejora las transiciones magnéticas escritas al garantizar que el campo de escritura del cabezal sature completamente el medio del disco magnético. El mismo enfoque de actuación térmica se puede utilizar para disminuir temporalmente la separación entre el medio del disco y el sensor de lectura durante el proceso de lectura, mejorando así la intensidad y la resolución de la señal. A mediados de 2006, otros fabricantes comenzaron a utilizar enfoques similares en sus productos.