信息存储材料

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1、1234前间隙前间隙后间隙后间隙铁氧体铁氧体线圈线圈电流电流磁记录介质磁记录介质磁头结构和电磁转换示意图磁头结构和电磁转换示意图磁头，软磁材料磁头，软磁材料导磁率高，饱和磁感应强度大导磁率高，饱和磁感应强度大矫顽力小，剩余磁感应强度小矫顽力小，剩余磁感应强度小 磁记录材料，硬磁材料磁记录材料，硬磁材料记录密度高，记录信息时间长记录密度高，记录信息时间长输出信号幅度大，噪声低输出信号幅度大，噪声低表面组织紧密、光滑、无麻点表面组织紧密、光滑、无麻点 薄厚均匀，温度、湿度影响小薄厚均匀，温度、湿度影响小56789103 3、磁记录介质材料要求和主要用途、磁记录介质材料要求和主要用途要求:材料具有高

2、的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。用途：磁带，磁盘等记录方式：纵向记录；垂直记录记录介质材料：磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质11-Fe-Fe2 2O O3 3粉末粉末制备方法：在制备方法：在400400的氢气流中将的氢气流中将-Fe2O3的针状的针状结晶脱水还原成结晶脱水还原成FeFe3 3O O4 4，然后在，然后在250250300300的空气中的空气中慢慢氧化得到保持初始慢慢氧化得到保持初始-Fe2O3针状结晶特征的颗针状结晶特征的颗粒；粒；形态特征：形态特征：0.60.60.80.8微米，

3、长短轴比为微米，长短轴比为6 6的针状颗的针状颗粒，颗粒小记录性能好粒，颗粒小记录性能好基本性能：矫顽力基本性能：矫顽力190001900028000 A/m28000 A/m，居里点，居里点675675。CoCo的加入提高了材料的矫顽力的加入提高了材料的矫顽力(78000A/m)(78000A/m)，但居里，但居里温度有所下降温度有所下降(520)(520)。主要采用的磁记录介质主要采用的磁记录介质12材 料剩磁（T）矫顽力（A/m）居里点（）用途和磁性层厚度-Fe2O30.0250.11800024000675磁带:512微米Co-Fe2O30.1348000520磁盘:12微米CrO20

4、.1340000120磁带:5微米Fe60Co40粉末0.2400001000Co-Ni-P连续膜1.240000磁鼓:0.1微米1314磁记录原理 15磁头的构造图4-116线性扫描螺旋扫描171819磁带存储器磁带存储器磁带存储器由磁带和磁带机磁带存储器由磁带和磁带机(磁头磁头+读写机构读写机构+拖动机构拖动机构)组成组成.磁带磁带是涂有磁性材料的塑料长带，两端有特殊标识，工作时磁头紧靠是涂有磁性材料的塑料长带，两端有特殊标识，工作时磁头紧靠带表面，读写磁带数据。磁带是顺序辅助存储器，若要读写第带表面，读写磁带数据。磁带是顺序辅助存储器，若要读写第i i块块数据数据,必须先读前必须先读前i

5、-1i-1块。因块间空隙大，故磁带数据块比磁盘扇块。因块间空隙大，故磁带数据块比磁盘扇区大。磁带存储器的缺点是读写速度慢，优点是容量大。用于储区大。磁带存储器的缺点是读写速度慢，优点是容量大。用于储存数据库副本，以备故障恢复。也用于存储特大型的数据库、不存数据库副本，以备故障恢复。也用于存储特大型的数据库、不常用的数据库文件或历史数据。常用的数据库文件或历史数据。下图表示磁带记录信息的方式，以下图表示磁带记录信息的方式，以9 9道磁带为例，道磁带为例，8 8道用于记录信道用于记录信息，息，1 1道用于校验。组装的道用于校验。组装的9 9个磁头分别读写个磁头分别读写9 9个磁道；对字节内各个磁道

6、；对字节内各位的读写以并行方式一次完成。一般写后即读，作验证。位的读写以并行方式一次完成。一般写后即读，作验证。磁道1:1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8磁道2:1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8磁道3:1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8磁道9:1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8信息间隔记录尾校验码记录区记录区磁带20SONY数据流磁带机数据流磁带机21写写局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“

7、0”写入写入“1”I22N读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出“0”读出读出“1”读读23 写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为据位为“1”1”时时,电流发生极性变换；数据位为电流发生极性变换；数据位为“0”0”时时,电电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。应的磁化区。读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。2425传统磁带（MP磁帶）26现今磁

8、带方式（ME）2728293031323334写保护打开写保护关闭3536无论软无论软盘还是硬盘，盘还是硬盘，在使用前都要在使用前都要进行格式化处进行格式化处理。格式化就理。格式化就是对磁盘进行是对磁盘进行磁道和扇区划磁道和扇区划分并登记上各分并登记上各上去地址标记上去地址标记的工作，这由的工作，这由专门的格式化专门的格式化程序完成。程序完成。37扇区01扇区02扇区0300道01道盘地址盘地址：园柱号（磁道号）磁头号（面号）扇区号3839 间 隙 扇区 1 扇区 2 扇区 26 索引孔 （机械索引）标志 间 隙 间 隙 字节数 46 1 26 188 188 188 247 同步 地址标志

9、间 隙 扇区地址 数据标志 数据 CRC校验 间 隙 字节数 6 1 6 17 1 123 2 27 地址区 数据区 (a)每磁道数据记录格式(b)一个扇区数据记录格式 40索引磁道首部磁道尾部ID GAP DATA GAPSYNCAM1IDCRCSYNCAM2DATACRCGAP1GAP3GAP2区段1IDDATA确定磁道起始和终止的点确定磁道起始和终止的点非格式化容量非格式化容量=f*t*磁道数磁道数*面数面数格式化容量格式化容量=扇区字节数扇区字节数*扇区数扇区数 *磁道数磁道数*面数面数41 3.53.5英寸软盘分为高密盘和低密盘。例如在英寸软盘分为高密盘和低密盘。例如在DOSDOS环

10、环境下，境下，3.53.5英寸低密盘的每个盘面划分为英寸低密盘的每个盘面划分为0 079(80)79(80)个个磁道，每个磁道分割为磁道，每个磁道分割为9 9个扇区，每个扇区存放个扇区，每个扇区存放512512个个字节，存储容量为字节，存储容量为720KB720KB；3.53.5英寸高密度磁盘的盘面英寸高密度磁盘的盘面划分为划分为8080个磁道，每个磁道又分割为个磁道，每个磁道又分割为1818个扇区，存储个扇区，存储容量为容量为1.44MB1.44MB。42 磁头及磁头支持机构 磁盘驱动定位机构 磁头定位机构 磁头加载机构 磁盘保护机构 软盘驱动器的结构软盘驱动器的结构43 磁头磁头 软盘磁头

11、具有适应软盘驱动器和介质互换性软盘磁头具有适应软盘驱动器和介质互换性的能力，为此：的能力，为此：R/W R/W 头两侧备有抹头。头两侧备有抹头。抹头的缝隙宽度小于道间隙宽，这样，在抹头的缝隙宽度小于道间隙宽，这样，在不抹除有效信息的情况下，可以保证道间数据与数不抹除有效信息的情况下，可以保证道间数据与数据之间的间隔，防止道间串扰，弥补磁头中心不能据之间的间隔，防止道间串扰，弥补磁头中心不能完全对准磁道中心的不足，降低了磁头定位精度的完全对准磁道中心的不足，降低了磁头定位精度的要求。要求。44将软盘准确地定位于主轴中心位置，并使其匀速转动。由磁盘插入引导机构、主轴驱动机构、磁盘夹紧机构和磁盘弹射

12、机构等组成。磁盘插入引导机构使软盘初步定位于主轴中心位置，以使磁盘夹紧机构能将盘片压紧在主轴上。主轴驱动机构用来带动盘片匀速转动，现在，使用的是薄型直流直接驱动电机。磁盘夹紧机构用来把盘片固位在主轴上，并使之旋转。磁盘弹射机构使盘片自动弹出。磁盘驱动定位机构磁盘驱动定位机构45磁盘夹紧机构分以下两种：46夹紧孔定位孔电机托盘驱动销主轴磁盘安装时定位动作开始定位结束47 磁头定位机构磁头定位机构 组成组成:大部分采用步进电机开环控制，由步进电机、传动件、磁头小车、小车导轨等组成。常用的传动件 有：钢带、丝杆和螺旋凸轮等。作用作用:准确地将磁头驱动道指定的 磁道位 置,以保证互换性。48 盘选择电

13、路 主轴恒速驱动电路 状态检测电路 磁头定位电路 写入和读出电路 接口 软盘机的控制电路软盘机的控制电路49主轴恒速驱动电路主轴恒速驱动电路给定电压比较器校正网络功放整形f/v转换器测速计直流电机50状态检测电路状态检测电路（1）“00”道检测电路道检测电路 微动开关微动开关检测传感器A相DS51（2）索引信号检测电路索引信号检测电路 光电检测器光电检测器光电检测器DS接收器霍尔元件霍尔元件52（3）写保护检测电路写保护检测电路 光电检测器光电检测器 微动开关微动开关（4）“准备好准备好”信号检测电路信号检测电路 微动开关微动开关 准备好状态：准备好状态：（1）被选中；）被选中；（2）盘片插好

14、；）盘片插好；（3）主轴电机已旋转；）主轴电机已旋转；（4）磁头定位在）磁头定位在00道。道。53写数据接收器写数据触发器写电流开 关恒流源写驱动(1)写驱动(2)抹 电 流延迟电路抹电流源写数据QQ写选通写保护Vcci1i2 写入电路写入电路 根据写入数据产生相应的写电流根据写入数据产生相应的写电流 原理框图原理框图54（1 1）写电流应足够大；）写电流应足够大；（2 2）写电流应保持恒定；）写电流应保持恒定；（3 3）写电流过渡过程时间应短；）写电流过渡过程时间应短；（4 4）提供合适的抹电流。）提供合适的抹电流。（5 5）在高密度软盘机中，在）在高密度软盘机中，在4343道以内的磁道，应

15、减道以内的磁道，应减小写电流。小写电流。对写入电路的要求对写入电路的要求55读出电路读出电路读出电路原理框图脉冲整型低通滤波微分放大鉴零输出前置放大56波形图波形图磁化状态前放微分鉴零整形57585960磁记录介质：涂布型磁记录介质：涂布型薄膜型薄膜型垂直记录型垂直记录型顺序发展。顺序发展。制备方法：采用电镀、蒸镀、溅射等方法。制备方法：采用电镀、蒸镀、溅射等方法。磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，需要磁性材料需要有大的磁各向异性微结构，需要CoCo合金膜沿特定方位生长，为此需要合金膜沿特定方位生长，为此需要CrCr打底层。打底层。61主要磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高主要磁头材料：高镍含

16、量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。磁头材料用途：从磁记录介质中读出信号用途：高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性和低应力敏感性。A62636465666768硬盘的发展历程硬盘的发展历程1956年9月，第一块硬盘诞生。1968年，“温彻斯特”技术诞生。1979年，IBM发明薄膜磁头。1991年，IBM生产3.5英寸的硬盘，硬盘的容量首次达到了1GB。1999年，单碟容量高达10GB的ATA硬盘面世。2000年，高速硬盘问世，新材质硬盘诞生。2000年3月16日，第一款“玻璃硬盘”问世。2001年，新的磁头技术GMR20

17、02年，真正意义上的伟大技术革命IBM AFC技术诞生。69硬盘的结构 硬盘是一种精密电子、机械结构的高技术产品，要求严格的加工和安装技术工艺，并要求在超净化环境下组装。硬盘有一套复杂的控制系统，控制磁盘的读写等操作。各类硬盘的结构虽然有差别，但仍使用由IBM公司推出的温彻斯特(Winchester)结构。该结构由主轴系统、磁头定位系统、读/写系统和控制电路五大部分组成。7071727374磁盘的盘片、磁道和扇区磁盘的盘片、磁道和扇区 盘片盘片盘片的数量：盘片的数量：1 11212片片转速：转速：360036001500015000转转盘径：盘径：1.01.0英寸英寸(25.4(25.4厘米厘

18、米)3.53.5英寸英寸(8.9(8.9厘米厘米)磁道和柱面：磁道和柱面：每面每面500050003000030000道道 扇区：扇区：每道每道100100500500个个75盘片盘片磁道磁道扇间空隙扇间空隙扇区扇区7677软磁材料软磁材料磁记录材料磁记录材料7879802.2.磁道、扇区和柱面磁道、扇区和柱面81位密度：磁道单位长度上所存储二进的个数（位密度：磁道单位长度上所存储二进的个数（bPIbPI）。）。道密度：半径方向单位长度上的磁道个数（道密度：半径方向单位长度上的磁道个数（TPITPI）。）。面密度：面密度：=位密度位密度*道密度道密度3.3.记录格式记录格式 数据扇区标志扇区间

19、隙 每一扇区除存放每一扇区除存放512512字节的用户数据外，还存放着用字节的用户数据外，还存放着用于同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数于同步、数据定位、数据校验等作用的辅助数据，这些数据一般只作用于硬盘内部。据一般只作用于硬盘内部。82 盘片是储存数据的载体。盘片采用铝合金或玻璃片为盘基，表面用电镀或溅射工艺镀一层0.15m厚的连续性、高磁性能的金属磁性材料，使用金属磁性材料可以提高记录密度和剩磁。盘片的两面均可记录数据，每面对应一个磁头(实际磁头)。每个盘面上的磁道划分是完全一样的，各盘面上所有磁道号相同的磁道所对应的圆柱面称为柱面，其柱面号与磁道号一致。每一个磁道又可以分为

20、若干个扇区，每个扇区的大小为512字节。838485868788899000RRRGMRa9192r939495 Ta Py Cu PyIrMnCoRu CoFe NiFe CuAlOx Ta CuFePyIrMn CoFeCoFe/NiFe CuAlOx96巨磁阻磁头979899100101102103104105106107108109110磁盘存储器逻辑结构演示磁盘存储器逻辑结构演示 图图8.111磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标

21、磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制磁盘驱动器磁盘驱动器112 5 Mbytes,24 disks,2kbits/in250 Years Later10 Gbytes on two 1-inch disks300Gbits/inch2 Area Density increased by 150,000,0001131141151161171989 巨磁阻效应发现巨磁阻效应发现超顺磁（超顺磁（Superparamagnetic Effect）118研究研究发现，发现，纵向记录纵向记录 (longitudinal recording)技术的磁

22、盘技术的磁盘在存储密度高于在存储密度高于120Gb/in120Gb/in2 2时，已无法保存完整的数据时，已无法保存完整的数据 。119 磁记录设备的要求是体积越来越小磁记录设备的要求是体积越来越小，也也就是区域密度越来越高，磁颗粒也就越小，当区就是区域密度越来越高，磁颗粒也就越小，当区域密度为域密度为20 Gb/in20 Gb/in2 2时，磁颗粒直径约为时，磁颗粒直径约为1313纳米，纳米，而当达到而当达到100 Gb/in100 Gb/in2 2时，直径缩小到了时，直径缩小到了9.59.5纳米。纳米。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就

23、不仅仅是外部磁场了，素就不仅仅是外部磁场了，少量少量热量就会影响磁热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，颗粒的磁滞，从而导致磁记录设备上的数据丢失，这种现象就是这种现象就是“超顺磁效应超顺磁效应”。120121在未来在未来57年，年，基于这种技术的磁盘基于这种技术的磁盘存储密度将比纵向记录存储密度将比纵向记录高出高出10倍以上倍以上。100nm左右左右垂直记录写入过程垂直记录写入过程122Large Scale High-resolution MEM Image,Seagate research laboratoryPlan-view high-resolution TEM

24、 images of the CoCrPt-oxide magneticLayer,d=27nmHard DiskRecorded data track1 bitAbout 100 grainsBit boundary垂直记录磁盘垂直记录磁盘HR-TEM和和HR-MEM1231 bitAbout 100 grains晶格介质技术或者图案介质技术晶格介质技术或者图案介质技术单个磁岛或者充填磁性颗粒单个磁岛或者充填磁性颗粒（Single magnetic domain island)研究表明，研究表明，D160nmD160nm时，磁斑为多畴结构时，磁斑为多畴结构，D80nmD80nm的磁斑阵列的磁

25、斑阵列 ，每一磁斑均每一磁斑均呈现稳定的单畴状态呈现稳定的单畴状态 晶格介质技术（晶格介质技术（Patterned Media）磁道磁道124 探针存储探针存储纳米尺度的纳米尺度的“海量海量”探针存储是一种原子尺度的概念存储技术，它的原理类似于穿孔卡探针存储是一种原子尺度的概念存储技术，它的原理类似于穿孔卡片系统。这种孔位是在原子尺度，且它是以原子的晶态特性不同来表片系统。这种孔位是在原子尺度，且它是以原子的晶态特性不同来表示二进制数据。原子是物质构成的基本单位，即便在极小的面积上原示二进制数据。原子是物质构成的基本单位，即便在极小的面积上原子的数量子的数量及其多。及其多。探针存储由此具有超越

26、探针存储由此具有超越TBTB级别的高密度，成为概念级别的高密度，成为概念存储技术的又一个新方向存储技术的又一个新方向 。125 探针存储的操作层面在原子级别，技术探针存储的操作层面在原子级别，技术操作操作有难度有难度。困难主要集中在以下几个方面：。困难主要集中在以下几个方面：第一，如何实现精确寻址？探针存储要求第一，如何实现精确寻址？探针存储要求不同的原子群可表示不同的数据，在读写操作不同的原子群可表示不同的数据，在读写操作之前要对其进行精确定位，之前要对其进行精确定位，而原子群之间而原子群之间的距的距离仅有几个纳米离仅有几个纳米。第二，寻址完毕之后，第二，寻址完毕之后，如何如何实现二进制数实

27、现二进制数据的表达，并且要顺利实现数据的写入与读取据的表达，并且要顺利实现数据的写入与读取操作。操作。126 为此，研究人员为此，研究人员运用运用扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM-STM-scanning scanning tunnellingtunnelling microscope microscope）、）、场场发射探发射探针针显微镜显微镜（FEB-field emission probeFEB-field emission probe）和原子）和原子力显微镜（力显微镜（AFM-atomic force microscopeAFM-atomic force microscope），

28、），在实验室中成功证明了探针存储的原理可行性。在实验室中成功证明了探针存储的原理可行性。以以场场发射探针作为数据的读写头，借助扫描隧道发射探针作为数据的读写头，借助扫描隧道显微镜和原子力显微镜实现了原子尺度的寻址操显微镜和原子力显微镜实现了原子尺度的寻址操作作如果要实现数据写入，只要给区域发射探针如果要实现数据写入，只要给区域发射探针施加电压，探针尖就会发射出一束电子到指定的施加电压，探针尖就会发射出一束电子到指定的区域上，这束电子将对目标位置的原子群产生加区域上，这束电子将对目标位置的原子群产生加热效应，使之从一种状态变成另外一种状态（如热效应，使之从一种状态变成另外一种状态（如从无晶态到结

29、晶态），这样就实现了二进制数据从无晶态到结晶态），这样就实现了二进制数据的写入操作。而如果要将数据读取出来，探针可的写入操作。而如果要将数据读取出来，探针可通过检测目标原子群的一些电相关特征值（如电通过检测目标原子群的一些电相关特征值（如电阻），由此产生对应的反激电流，数据就这样被阻），由此产生对应的反激电流，数据就这样被成功读取成功读取 。127图中所示介质以图中所示介质以100nm间隔、有规则地配置的微小磁性体。换算成面记录密度，相当于间隔、有规则地配置的微小磁性体。换算成面记录密度，相当于600Gbit/in2。晶格介质的制作采用了纳米压印光刻（晶格介质的制作采用了纳米压印光刻（nano

30、-imprint lithography）方法。首先在铝盘片上涂布光阻）方法。首先在铝盘片上涂布光阻剂，然后在光阻剂上压印形成微小孔的图案。接着用蚀刻方法在盘片上形成几剂，然后在光阻剂上压印形成微小孔的图案。接着用蚀刻方法在盘片上形成几nm深的微孔。然后，深的微孔。然后，对铝进行阳极氧化，微孔的深度达到了几百对铝进行阳极氧化，微孔的深度达到了几百nm。最后在孔中填入钴。此次并不是在整个盘片上，而。最后在孔中填入钴。此次并不是在整个盘片上，而是只在是只在18mm左右的圆形区域内形成了微小磁性体的图案。左右的圆形区域内形成了微小磁性体的图案。（山形富士通、富士通研究所、神奈川科学技术研究院（山形富

31、士通、富士通研究所、神奈川科学技术研究院（KAST）光科学重点研究所室益田研究小组共的研究成果）光科学重点研究所室益田研究小组共的研究成果）（a）表面）表面 （b）横截面及（）横截面及（c）填充磁性材料（钴）后的电子显微镜照片）填充磁性材料（钴）后的电子显微镜照片 晶格介质记录研究结果晶格介质记录研究结果128热辅助记录技术（热辅助记录技术（HeatAssisted Magnetic Recording）如果采用激光照射等手段将记录介质上一个非常小的区域瞬时加热，使其温度达到居里如果采用激光照射等手段将记录介质上一个非常小的区域瞬时加热，使其温度达到居里点附近，由于介质的矫顽力降低，容易用记录

32、磁场相对较低的磁头在该位置记录一位信息。点附近，由于介质的矫顽力降低，容易用记录磁场相对较低的磁头在该位置记录一位信息。当热源除去以后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很快恢复到原来的高矫顽力状态，当热源除去以后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很快恢复到原来的高矫顽力状态，所以该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服高矫顽力介质记录的困难，又能所以该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服高矫顽力介质记录的困难，又能改善信息位的热稳定性，从而获得非常高的面记录密度。用这种技术将显著提高硬磁盘的改善信息位的热稳定性，从而获得非常高的面记录密度。用这种技术将显著提高硬磁盘的面记录密度，预计可以比现行面密度提高约两个数量级，达到面记录密度，预计可以比现行面密度提高约两个数量级，达到 50Tb/in50Tb/in2 2129130