Автоматика и телемеханика, Л- 4, 2007
Технические средства в управлении
PACS 07.50.-o, 07.55.-w
© 2007 г. B.C. СЕМЕНОВ, канд. техн. наук (Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Москва)
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ПАРЫ МАГНИТНЫЙ ДИСК -МАГНИТНАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
Рассмотрен расчет параметров перехода между двумя областями противоположной намагниченности в топкоплепочпом рабочем слое жесткого магнитного диска с учетом пилообразной формы перехода. Установлена связь параметров перехода со свойствами рабочего слоя магнитного диска и характеристиками магнитной головки. Определены уровни сигнала воспроизведения и коэффициента разрешающей способности при различных плотностях записи.
1. Введение
Одной из основных тооротнчоскнх проблем цифровой записи на жестких магнитных дисках остается определение ширины перехода намагниченности (бит информации) между противоположными намагниченными участками (доменами) на дорожке записи. Решение этой задачи можно разбить на три независимых этапа, связанных с процессом записи информационного перехода, его хранением и процессом считывания. Эти процессы происходят независимо во времени и каждый вносит свои ограничения на размеры минимально возможной величины перехода. Поэтому решение задачи о теоретическом пределе информационной плотности жестких магнитных дисков с тонкопленочным магнитным металлическим слоем невозможно без анализа каждого из этих процессов. В качестве тонкопленочного рабочего слоя используются материалы на основе кобальта Со. например. СоСгР1Та [1] или СоСгР1Та/СгМо [2].
Одним из наиболее актуальных вопросов, возникающих при расчетах параметров сигнала воспроизведения в цифровой магнитной записи, является выбор модели распределения намагниченности в области перехода между противоположно намагниченными участками носителей.
Использование модели перехода, основанной на реальной физической картине распределения намагниченности в переходной области, позволяет избежать ряда допущений и повысить точность расчетов.
В [1] с помощью магнитного силового микроскопа была исследована область перехода намагниченности в тонкопленочном носителе для различных плотностей продольной записи и показано, что область перехода (бит информации) имеет зубчатую форму.
Цель настоящей работы определение связи между параметрами перехода намагниченности зубчатой формы, свойствами тонкопленочного рабочего слоя и параметрами сигнала воспроизведения пары магнитный диск (МД) магнитная головка (МГ).
2. Процесс записи, хранения и характеристики перехода
При пропускании тока амплитудой 1тах через обмотку кольцевой ферритовой МГ создается магнитное поле, продольная составляющая которого определяется выражением Карлквиста
(1) Нх(х) = Н (аг<^ 9/2+Х + аг^ 9/2-
п \ а а
(2) Н
а
9
- магнитное поле в глубине зазора МГ, 9 - ширина зазора, а = Н + 5/2 расстояние между полюсами МГ и серединой рабочего слоя 5, N - число витков МГ, ц = 0,75 -эффективность МГ (см. рис. 1, а).
Для данного значения поля На (2) переход в виде пилообразной доменной границы (ПДГ) (рис. 1, б) будет записан в окрестности линии х = хс, где Нх(х = хс) = Не Не - коэрцитивная сила). Каждая сторона зубца перехода, характеризуемая шириной р и высотой Ь (равной ширине перехода), разделяет области носителя с противо-
Рис. 1. Взаимное расположение полюсов магнитной головки (заштрихованы) и рабочего слоя диска (а) и пилообразный переход, образованный полем головки (б).
положной намагниченностью и представляет собой заряженную доменную границу, вдоль которой распределен магнитный заряд одного знака.
Ширина перехода, образующегося в процессе записи, определяется магнитными параметрами (намагниченностью насыщения М^, коэрцитивной силой Но), толщиной рабочего слоя 6 и значением градиента продольной составляющей магнитного поля дгааШхс в окрестности точки хс. Градиент поля МГ определяется током записи 1тах, шириной зазор а МГ д и величиной неконтакта Н.
Совместное решение системы уравнений (3) определяет местоположение пилообразного перехода с относительно середины поля зазора МГ, высоту пилообразного перехода Ь и ширину зубца перехода р:
_ дЕ = дЕь , _ = Е, _ д_Е =0 дс дс ' дЬ дЬ ' др
(4) Е = Еш(Р,Ь)+Ез(р,Ь) + Ен(Ь, с),
- полная энергия, состоящая из энергии незаряженных доменных границ Еш, маг-нитостатической энергии Ез и энергии во внешнем поле МГ Ен • Изменение местоположения и размеров пилообразного перехода происходит в том случае, если изменение полной энергии превосходит изменение энергии перемагничивания Еь- Уравне-
р Ь с
цессе записи. В системе уравнений (3) присутствует обобщенный параметр Но
имеющий размерность длины и связывающий различные характеристики рабочего слоя. Чем меньше значение параметра I, тем меньше ширина перехода. При одинаковых значениях I, получаемых согласно (5) для различных значений параметров М3, Но, 6, но при одинаковых условиях записи, ширина перехода не изменяется. При отсутствии поля МГ (Ен = 0) происходит уменьшение магнитостатической
энергии Ез за счет двустороннего роста высоты зубцов перехода Ь при неизмен-
р
процессе размагничивания находится из уравнения
(дЕш , дЕз \ дЕк (6) ^ ^ +
дЬ дЬ дЬ
рЬ
процессе записи, хранения и ее местоположение относительно центра МГ (коорди-с
3. Сигнал воспроизведения
Величина сигнала воспроизведения определяется как
. аФ ¿Ф х аФ
(7) е(х) = —— = —— — = -V ——,
аЬ ах аЬ ах'
где х = VI - расстояние от центра перехода намагниченности до середины зазора МГ, V - линейная скорость движения перехода. Магнитный поток через МГ
Н+5 <х
(8) Ф = мс vW ( йу [ (Мх Нх) ах,
где h - неконтакт, § - толщина рабочего слоя, ^о = 4 п • 10 7 Гн/м - магнитная постоянная, а поле Hx для феррптовой кольцевой МГ определяется согласно (1)
и (2).
Распределение намагниченности MS в пилообразном переходе найдем при следующих допущениях:
1. Пилообразный переход намагниченности вдоль всей ширины дорожки записи W после процесса размагничивания в соответствии с (6) имеет неизменные параметры p, b,W = np, где n - число сторон зубцов.
2. Ширина заряженной доменной границы
wn = l sin ф,
где sin ф = p/ ■s/p2 + b2 = 0,2, поэтому стороны зубцов заменяются заряженными линиями.
3. Намагниченность насыщения однородна по толщине рабочего слоя и изменяется от +MS до —MS вдоль сторон зубцов перехода.
Учитывая изменение намагниченности в области перехода, выражение для сигнала воспроизведения (8) примет вид:
h+б сю
(9) e(x) = °MbSvW j dy j Hx(x)dx.
h — ю
Раскрывая Hx(x) в соответствии с (1) и (2) с учетом того, что § < b, d, g, а также
переходя к безразмерной переменной t (x(t) = bt — x — b/2, 0 ^ t < 1), получим
§
(10) e(x) = 2 • 10—3n^0MSWvN—ex(x, b, d, g),
ng
1
g/2 + x(t) g/2 — x(t)
ex(x, b, d,g) = J ^arctg g/2 + x(t) + arctg g/2 d^^J
, , , аг,
а
е(х) измеряется в мВ, V - в м/с, эффективность МГ п = 0.75, а остальные переменные Ш, д, Ъ, а х в мкм. Выражение (10) для сигнала воспроизведения, несмотря на сделанные допущения, получено с учетом реальной физической структуры перехода намагниченности и условий ее формирования в процессе записи и размагничивания.
4. Вычисление основных характеристик перехода
В дальнейших расчетах полагаем, что магнитный слой носителя имеет однородные свойства как по толщине, так и по всей площади дорожки записи и но имеет дефектов. Расчеты проводились при неизменных следующих параметрах: число витков обмотки N = 2 х 19; линейная скорость перехода V = 11.8 м/с (что соответствует линейной скорости перехода МД диаметром 130 мм на внутренней дорожке с радиусом К = 31.4 мм).
В таблице показано влияние градиента поля записи дгоаШхс на ширину перехода Ъ для 6 = 0,04 мкм; Н = 0,4 мкм; д = 1,4 мкм; Шс = 40 кА/м. Следует обратить внимание на то, что рост амплитуды тока записи в рассматриваемом случае приводит к росту ширины перехода, что объясняется уменьшением градиента поля записи МГ в окрестности точки хс, где Шх(х = хс) = Шс.
Ip-p, мА 20 40 60
gradHxc ■ 10^ кА/м2 88 74 63
xc, мкм 0,56 0,90 1,13
b, мкм 1,40 1,48 1,60
n 100 90 80
С ростом тока записи точка xc, а следовательно и переход удаляется от середины зазора МГ. С целыо уменьшения ширины перехода в процессе записи необходимо, чтобы точка xc совпадала с точкой x0, которой соответствует максимальное значение градиента поля МГ. Точка x = xo находится как решение уравнения
d2 Hx -- = 0,
dx2
что для ферритовой кольцевой магнитной головки соответствует значению максимального поля записи
H = H (x = 0) = 3Hc
Hx max Hx\x — 2 *
Тогда с учетом (1) и (2) получим выражение для амплитуды тока записи 3п He g
(Н)
4 nN arctg(g
2d/
при которой записанный переход будет иметь минимальную ширину. Основным фактором. вызывающим уменьшение ширины перехода, является рост коэрцитивной силы магнитного слоя носителя. Важным параметром в системах цифровой магнитной записи является коэффициент разрешающей способности кР, который определяется как отношение амплитуд сигналов, записанных с частотой переключения тока записи 2Е и соответственно, т.е.
(12) кр =
Pp-p e2F
Р „Р-Р '
е1Р
Индекс "р — р" означает удвоенную амплитуду сигнала считывания. Учитывая, что уменьшение сигналов считывания в основном определяется влиянием соседних переходов, определяем
(13) ер-Р = 2[е0 — 2е(х = В) + 2е(х = 2В)],
(14) еРр-Р = 2[е0 — 2е(х = 2 В) + 2е(х = 4В)],
где согласно (10) е0 = е(х = 0).
Расстояние между соседними переходами
(«) в = ^
где ш - угловая скорость вращения МД (в наших расчетах ш = 3600 об/мин), Е - частота переключения тока записи (в наших расчетах = 2,5 МГц, 2Е = 5,0 МГц). Для внутренней дорожки записи МД (К = 31,4 мм) значение В = 2,43 мкм, что соответствует продольной плотности записи числа переходов на единицу длины
Рис. 2. Изменение коэффициента разрешения от плотности записи для трех значений зазора головки g и неконтакта h\ 1 — g = 1,4 мкм, h = = 0,4 мкм; 2 - g = 1,2 мкм, h = 0,3 мкм; 3 - g = 0,8 мкм, h = 0,2 мкм.
1/B = 420 пер/mm. С ростом плотности записи происходит сильное перекрытие сигналов считывания от соседних переходов.
На рис. 2 показано изменение коэфф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.