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硬盘的物理结构(机械部分)

发布日期:2018-02-19 作者: 点击:

从物理角度来说,硬盘的盘体主要由盘片、磁头、转动部件(音圈马达)、主轴马达等主要部件组成。

盘片又称磁片(MEDIA),在硬盘中是存储数据的地方。所有数据最终是存放在盘片上的,而硬盘的其它部件都是为其服务的。理论上只要硬盘的盘片不损坏,或损坏不严重,其它部件无论损坏多严重,数据都是可以恢复的。由此可见盘片对硬盘来说甚至于对电脑来说是何等重要。

盘片虽然外形简单,但是它的内部结构及制作程序却是相当复杂。本节即对磁片的结构,专有名词,制作程序,参数及规格做个循序渐进的介绍。

若我们从金属薄膜盘片为例,将盘片由中央部分观察其截面结构,则可发现盘片本身成内外对称构架,因为大多数的盘片的双面都可以存储数据。由内往外依次为基板(substrate),介质层(under layer),磁性材料层(magnetic layer),保护层(overcoat layer),润滑层。其功能如下所述:

1.基板:基板主要是磁片的基础材料,它决定了磁片一切机械尺寸及结构特性。磁片的发展趋势为:在机械尺寸上,直径已由原来的5.25、3.5、2.5寸发展成今天的1.8寸,厚度则是越来越薄,由原来的5mm到现在的3mm,甚至更薄。结构与表面特性的要求也是越来越高,所以基板材料由原来的铝合金,发展到今天玻璃、珐琅为基板材料,目的就是要增强磁片的品质。

2.介质层:介质层的主要目的是增强基板的硬度,降低基板材料本身表面的粗糙度。因此此层大部分采用无电解处理,主要就是因为无电解过程的平整特性。这就是如汽车外壳在喷漆之前,需要在车身上涂腻子一样的道理。硬盘的容量越来越大,磁密度也越来越高,对磁盘的平整度的要求也越来越高,所以介质层的好坏非常关键。

3.磁性材料层:磁片读写性能的好坏主要取决于磁性材料层。目前磁性材料层的发展已朝厚度越来越薄,磁场强度值(HC)越来越高的趋势。其主要的目的就在于减少磁性粒子间的自消作用,进而提高信号的强度及其分解度。磁性材料层经不断的演进,目前以(钴,镍,磷)合金或是(钴,镍,铬)合金用真空蒸镀成金属薄膜磁片。

4.保护层:保护层最主要的目的在于保护磁片或是磁片本身的磁性材料。在硬盘碟机运转时,无论是马达启动瞬间或是磁头在盘面上进行定轨读写,都可能产生磨耗的问题。为了避免此一现象造成磁头或磁片之磁性材料层的损坏,有必要在磁性材料层上加上一层保护层。此层大部分以碳为基原料。

5.  润滑层:润滑层主要的目的就是在于降低磁头起飞或降落时,磁头与磁片之间的摩擦力,以延长硬盘机的寿命。此层也是以碳化合物为主。

    通常各个生产厂商所用的磁盘规格各有其特点,但一般而言磁盘规格可分为:磁性特性,几何尺寸,机械特性,瑕疵规格。四大部分。现列举其重要内容及目前典型值,概述如下:

(1)磁性特性:

① 磁场强度:磁性材料的磁场强度。目前的典型值为1400(oe)或1600(oe)以上。  

② 残磁力:磁性材料之残余磁通密度。目前的典型值为900Gaass。

③ 磁性材料层厚度:比值越大越能增加磁记录密度。目前的典型值约为370A0。

④ 保护层厚度:目前的典型值为200A0。

⑤ 每英寸磁通变化数:此一规格必须与磁头规格互相搭配才行。

(2)几何尺寸

① 内外径(ID OD),借此分辨3.5或2.5磁片的规格。

   3.5磁片 外径=95mm   内径=25mm

   2.5磁片 外径=65mm   内径=20mm

② 厚度:通常由厂商提供某些标准规格以备用,并非任意决定。一般而言,2.5的硬盘,盘片厚度           为35mil,3.5则是50mil.    

③ 边缘特性:一般是指磁片边缘的导角角度及长度。

(3)机械特性:

① 表面粗度:目前是从中心线平均粗糙度值来表示。此值越大表示磁片之间的摩擦损耗越大。但此值越小,却又会增加磁头与盘片间的粘滞摩擦力。因此选择适当的表面粗糙度值是相当重要。

② 表面平整度:是指磁片表面的实际平面,其高低变化必须在此一相距公差值的两平行平面之间。此值可代表磁片表面的最大粗糙度。

③ 轴向偏移度:此值是指磁片在旋转时,垂直于磁片表面方向的最大偏移度。

④ 飞行高度:在这高度以上,磁片表面应当没有任何突起物来导致磁头在飞行状态下与磁盘直接接触,而这个高度必须搭配磁头的飞行高度。

⑤ 可飞行范围:在此区域内之磁盘表面必须满足磁头飞行高度的限制,让磁头能安全的飞行。

⑥ 润滑层厚度:这是控制磁头与盘片间摩擦力的有效参数。

⑦滑动摩擦系数:此系数是指磁头与盘片之间的相对速度在5±1mm/sec,所测数据。滑动摩擦系数一般的平均值都不超过0.3

⑧ 启动摩擦系数:此系数是指磁头停止在磁片上,以主轴马达带动磁片转动,瞬间所测到的最大摩擦系数。此系数受温度、湿度、停滞时间及磁头、磁盘间连续转停次数四大因素所影响。因此必须注明于何种情况下所测量到的值。一般典型的规格有两种:一是在32℃,80%PH,停转24小时后,此系数不能大于1.0。另一种是在连续转停2000次后,此系数不能大于0.6。

⑨ 抗冲击值:指磁头与磁盘之间组合所能承受冲击的能力。在这样的冲击下,磁盘上方无任何瑕疵,而且磁头仍能正常读写。

⑩ 连续转停次数:此一参数最主要的目的是确保磁头与磁盘之间在经过一定次数的连续停转,启动后不但能正常启动,而且也能正常执行读写功能(就是说瑕疵不会增加,性能不会降低)。一般磁盘制造商都必须能保证20.000次以上。但此项参数并不是只靠要求磁盘表面性能来达成,必须同时从磁头、磁盘。及主轴马达三方面共同完成。

(4)瑕疵规格:

在理想状况下,设计硬盘时都希望能够有完美的磁盘来表达预计的目标。但是实际上,磁盘是由多层的制造加工过程所产生的,在此复杂,精密的过程中,很难要求磁盘达到完美无暇的状态,因此必须制订出瑕疵规格的标准。标准主要有以下3方面。

① 瑕疵长度:连续出现瑕疵的最大长度,以位为单位。低于这个数值时才称为是一个瑕疵,通常这个数值的决定是要配合硬盘对瑕疵的处理能力。而如果高于这个数值时,由于硬盘的内部程序已无法矫正此错误,因此是不合格的磁盘。

② 每规瑕疵数: 每单规出现瑕疵个数的最高值。这个数值的决定也是要配合硬盘瑕疵对立的能力。

③ 每个盘面的总瑕疵数,每个磁盘盘面出现瑕疵的总个数。这个数值的决定也是要配合硬盘应对瑕疵的能力。

磁头:磁头与磁盘是硬盘中最重要的关键性部件。因为它不但决定了硬盘容量的最重要的因素,而且它非常脆弱,制作相当精密,价格也很昂贵(约占整台硬盘成本的三分之一)。好的磁头,磁盘性能搭配不但能有效提升良品率,同时也提高了产品的品质,增加了其产品的市场竞争力。磁头与磁盘的技术是结合了最先进的机,电,材,磁等科技。今天能不断地有高容量硬盘的出现,都要归功于磁头与磁盘技术的一再改良与创新。

磁头与磁盘虽然都有个“磁”,但这两个“磁”是特性截然不同的两种材料所组成,磁盘的磁性需要极强的记忆性,即如无外磁场的改变其磁盘上的磁场应永远不会改变。而磁头的功能是读与写,故磁头的磁性应是瞬息万变,既其磁性应无任何记忆性才好。

(1)磁头的发展介绍:

基本上磁头的发展趋势可以从磁头种类,磁头飞行高度及磁头滑行体这三方面的进展来了解。首先,为了提高记录密度,磁头的种类从过去的亚铁盐感应式磁头发展成薄膜感应式磁头,然后再到磁阻式磁头。磁阻式磁头的高容量,高性能特性已经为硬盘机产业带来一场技术革命,成为各厂商的发展重心。另外垂直记录式磁头的研究成功,也为硬盘机的未来开创另一片天空。其次,为了增加磁头读讯号的大小与杂讯号比,磁头的设计一直都朝向降低飞行高度以及增加飞行时的稳定性发展。这可以减轻磁头质量,减少磁头尺寸,改变滑行体材质,改变体表面形状等方面着手。最后,为了配合飞行高度的降低,以及硬盘往轻,薄,短,小发展的趋势,滑行体是越做越小,越做越精密。现在的大小只有早期的30%大小。甚至未来会将滑行体与悬臂结合成一体。这些成就都得拜精密机械加工及制造的进步所赐。不过在实际应用中,磁头的读写受到三个限制:

① 磁头的第一个读写限制就是位元漂移,位元漂移的成分有两种:第一种属于随机部分,是源自于杂讯干扰,例如磁头,磁盘,电子部件及主轴马达的漏磁,残磁现象。另一种是脉冲讯号的重叠。由于两相领的磁反转区太过紧密,致使磁头同时受器其感应,而所读回的讯号,可设为两个独立讯号的合成(亦即重叠原理)。这一现象不但造成位峰值的外偏移,同时也造成读回讯号峰值的变小,位元漂移是使得硬盘机无法无限制增加容量的原因之一。除了单位长度的磁通变化外,磁头与磁片的搭配,写入电流的选择,读写通道的参数选择,读写电路的设计,主轴马达的偏心,甚至电路板的布线等都是造成位元漂移的重要因素。

② 偏轨能力的限制:磁盘的第三个读写限制是偏轨能力。不同的磁头与磁片搭配,所能容忍的第二个读写限制是偏轨量都有所不同,这主要是因为磁头隙宽所造成的影响。不同磁隙宽的最佳磁轨间距都不一样,通常越大的磁隙宽度需要越大的磁轨间距,但太小的磁隙宽度又会降低读回讯号。磁头的偏轨能力是使得硬盘无法无限制增加读写资料半径方向密度的原因之一。无论是机构上的位置误差,伺服控制的定轨误差或是读写通道所造成的讯号误差,其总合的误差量必须小于此最大偏轨能力值。

③ 读写寿命的限制可以从无法读写以及无法启动两方面来解释:

㈠ 无法读写:无法读写的最大的原因是硬盘的污染问题。就是磁盘上的瑕疵,经过一段时间后经过一定的标准,造成磁头无法读回原来的讯号。它的来源有:

Ⅰ 硬盘盘体内的塑胶材质或粘合剂等化学物质,经过长时间高温或高压变化后,所产生的挥发性物质。

Ⅱ 硬盘盘体内的碰撞物体,长时期碰撞后所产生的污染颗粒。

Ⅲ 磁头的起飞,降落,多多少少对磁片都会造成刮伤,长时期累计下来所产生的颗粒。

Ⅳ 磁头飞行时,本身或外界所起的不稳定性,造成磁头与盘片的直接磨耗。

Ⅴ 磁盘的密闭性不良,外界的污染物渗透进入硬盘内部。

另外,磁头与磁盘本身的材质寿命也是无法读写的原因之一。

磁头材质在写入电流关闭后,有些材质无法立刻回归中性,出现了“卡住了”或“翻转不回去”的现象,俗称“有残磁讯号”,而造成磁头读取讯号能力的退化。此一现象可能一开始不明显,长时间运作后,情况会变得很严重,让磁头失去读功能。

磁头从磁片上的磁反转区感应回来的感应电动势,回再磁化磁盘产生自消作用,长时期影响后,有些磁盘的磁性材料会逐渐减少储存资料的能力,甚至完全失去功能。

㈡ 无法启动:无法启动是指硬盘的主轴马达所产生的启动力矩,小于磁头与磁片间粘滞力所形成的力矩。俗称stick.这是主轴马达,磁头,磁片三方面的问题。通常,影响磁头与磁盘间粘滞力的因素有:

Ⅰ 磁头质量

Ⅱ 温度

Ⅲ 湿度

Ⅳ 停滞时间

Ⅴ 磁头与磁盘间的磨耗次数

其中磁头与磁盘的磨耗次数(也可认为是连续停转次数)是硬盘读写寿命的重要指标。

一个典型的磁头包括了悬臂,滑行体及附在滑行体上的辞行读写端。磁头的各项参数及规格介绍:

 磁头规格可分为应用规格,磁头型式,机械特性,电气特性,性能规格部分。现列举重要内容概述如下:

(1) 应用规格:

这一部分是描述磁头的应用范围,也就是硬盘的基本规格。

① 磁轨密度:磁盘径向每一单位距离的轨数,其倒数即为磁轨宽。而轨宽则又大约为磁隙宽度的1.3倍。磁轨密度越大容量越高,因此磁头制造商都将重点放在提高磁轨密度的研究上。

② 磁通变化密度:这是另一个影响硬盘容量的因素,也就是指单位长度的磁通变化数。目前的硬盘采用区域等密度磁记录法,以提高容量,主要原因是因为内轨半径小,圆周长度也较小,无法写入与外轨一样的磁通变化数。区域等密度磁记录法的精神就是将磁盘资料区分成数个区域,而资料传输率则往内轨方向依次的降低。

③主轴马达转速:主轴马达转速决定了磁盘的转速。磁盘的转速除了会影响磁头的飞行高度之外,也会影响硬盘的容量和读写数据的能力。转速越快,代表磁头越快的切割磁盘上的磁场,讯号也越强,对硬盘处理信息的能力也越高。如果处理不好,则会降低硬盘容量。

④ 编码方式:是指将原始资料转换成硬盘写入资料的方式。

(2)磁头型式:

这部分包括有磁头种类,悬臂型式,滑行体大小,磁头与臂的结合方式,滑行体与悬臂的结合方向等。这些在设计硬盘机前就必须先决定请清楚。

(3)机械特性:

① 磁隙宽:磁头读回讯号的大小正比于磁隙宽度。因此在选择上尽可能要大些。

② 磁隙长:磁隙长越小,则磁场转换的延迟时间越短。

③ 磁隙深:越少的磁隙深越能有好的复写能力。

④ 磁极厚度:一般来说,磁极厚度越大,复写能力越好,但解隙度越差。

⑤ 飞行高度:磁头飞行的越低越能读回较大的讯号。

⑥ 磁头质量,为了降低粘滞摩擦力,磁头荷重在不影响飞行状态的前提下,有越来越低的趋势。

(4)电气特性:

① 写入电流:电流流经读写线圈而产生磁场,而经由磁头将磁盘磁化。若电流不够大时,无法让磁片之磁性极料层大到饱和磁化,所以读回的讯号会很小。若电流太小时,又将在写入时产生互相消磁现象,造成读回讯号降低。

② 读写线圈匝数:越多的读写线圈匝数代表能提供越强的磁场,进而增加读写讯号的强度。但较少的读写线圈可以减少写入动作所花的时间,而提高写入速度和密度。因此选择适当的读写线圈匝数,是磁头设计时的重点。另外,读写线圈的电阻值,电感应值及共振频率都会影响到整个读写通道的设计,因此在磁头规格里都会严格要求这些数值。一般而言,这些数值会与读写线圈匝数,绕线方式,绕线形状,线圈本身特性及线圈截面积有关。

(5)性能规格:

这部分是磁头表现出来的读写能力,也就是判断磁头好坏的标准。通常这些标准的定义,都已经被硬盘生产商所公认。

① 平均振幅大小:此定义为在某一轨中写入一固定形式的资料后,所读写的信号强度的平均值。

② 解析度:此值越大表示磁头对讯号处理的效果越佳。

③ 复写能力:表示反复擦写的能力。

④ 信号杂讯比:此值越大表示读回的讯号越强但杂讯越小。

⑤ 半波宽:半波宽越窄,各相临讯号间的干扰也越小。

⑥ 位元漂移:此值是硬盘读写性能的重要指标。

⑦ 磁头材质卡住:磁头在写入电流关闭后,由于本身复杂的自我退磁过程(从N磁化或S磁化回到中型),出现了“卡住了”或“翻转不回去”的现象,而造成磁头读取讯号能力的退化。

⑧ 爆米花杂讯:专指磁头在写入或读出讯号时,短暂出现与磁片无关的杂讯。这是因为磁头小部分极性材料的延迟反应。研究得知:磁头读写线圈电阻越小,写入电流越小或是写入频率越高,越可减小杂讯产生的机会。

磁头和磁盘是硬盘中最重要2个部分,就犹如唱机中唱片和唱针的关系,故在这里比较详细的介绍了一下。

(1)传动部分(音圈马达)

硬盘的传动部件包括传动手臂以及传动轴,在传动手臂的末端安放了硬盘磁头,进行对数据的读写。当硬盘没有工作时,传动部件将磁头停放在磁盘盘片的起停区内。开始工作时,硬盘中固化在ROM芯片中的程序开始对硬盘进行初始化,工作完成后,主轴马达开始高速旋转,当转速达到额定转速时,由传动部件将磁头悬浮在盘片的起始区处待命,当有读写命令时,传动手臂以传动轴为圆心摆动 ,将磁头带到需要读写数据的地方去。如果出现突然断电的情况,硬盘的反力矩弹簧会自动将磁头带回起停区,防止了磁盘刮伤。

磁头的寻轨及定轨是硬盘最关键的部分之一。尤其是当硬盘容量越来越大,轨宽越来越小,问题就更多。早期的硬盘由于容量小轨宽大,所以只需用步进马达来移进磁头就够了。这是一种开回路控制系统,不需要反回信号。

当容量超过40MB以后,步进马达的位移精度已不合要求了,取而代之的是音圈马达。利用音圈马达的好处是在理论上,它可以定轨到任何精度,速度较快,而且构造简单,价格便宜。

步进马达:马达的行动距离都是固定的一个工作周期走一拍。一般是给个脉冲信号,有几相几拍的说法。现在一般应用在针式打印机等有固定步长的地方。

音圈马达:实际上不是马达,是通过电感线产生不同方向和强度的磁场,利用引力或斥力来推动目标物移动。现在有些自动对焦的照相机就是利用音圈马达来对焦的。

音圈马达如何在硬盘中工作,如何使磁头定位,我们在以后的章节中还会提到。

(2)目前硬盘的众多参数中,硬盘转速是一项重要的指标,而转速的高低则是由硬盘的主轴马达决定的。目前常见的规格有5400转/分钟,7200转/分钟,10000转/分钟等。转速越高的硬盘读写速度也就越快。但是随着硬盘转速的提升,带来的则是硬盘稳定性下降和巨大的嗓音。目前硬盘的主轴都采用了“液态轴承马达”。这些马达使用的是黏膜液油轴承,一油膜代替滚珠,有效避免了由于滚珠摩擦而带来的高温和嗓音。同时,这种技术对于硬盘的防震也有很大的帮助。对于突如其来的震动,油膜能很好的吸收,马达的线圈分成三粗缠绕于定子上,转子为永久磁铁,由外界电路控制定子线圈的电流方向来使转子旋转。

(3)软性电路系统

在很多关于硬盘书中均未提到此系统,此系统的物理构件仍在盘体内,但大多数人均疏忽了此部件,故特地写此一节。

软性电路系统的目的是将磁头讯号,从磁头传至盘体外的线路板,此系统包括两个主要部分。

①软性电路板

    主要目的是将磁头讯号传出及为音圈马达提供电源及控制信息,它所以被设计成“软性”主要是为了减少磁头运动时的阻力。

    软性电路板在构架上所要考虑的除了外观尺寸外,最重要的莫过于软性电路偏力问题。软性电路偏力是由于软性电路板固定于制动臂上,会对制动臂所在位置的不同而不同。所以如何改变软性电路板的各种条件(如长度,固定位置,材质等),而能使软性电路偏力在整个运动过程中变成一种简单的相对关系,以利于系统的控制,将是设计中所要考虑的重点。目前软性电路板受力分析,较常被采用的是大变形弹性分析模式。

②前置放大器

由磁头穿越磁盘上磁力线,所感应之资料讯号通常非常小,需要经过前置放大,再将运号传给读写通道来处理。另外,磁头主要“写”的功能也是由前置放大器来执行的。

   前置放大器,顾名思义,是用以处理最前级的讯号放大。一般而言,前置放大器放在硬盘内部,接近磁头的地方,附着在软性电路板上。

前置放大器主要功能如下:

1、 前置放大倍率:目前大部分在30倍以上。

2、 磁头选择:大多数前置放大器,允许数个磁头同时作“写”的动作,这样的功能可以大大减少伺服码写入所占用的时间。

3、 写入电流的控制:通常需要辅助硬件来配合。

4、 侦测读写品质:当讯号频率太低时,或者磁头短路时,停止磁头做“写”操作。

5、 滤波作用:一般的讯号处理过程都会需要滤波器,在硬盘上也不例外。硬盘所需用的滤波器,最重要的特性是对各种频率成分的时间延迟的一致性。现在硬盘所用的滤波器,多为主功滤波器,为了配合分区等密度记录法所需,滤波器必须是可程序化的。透过微处理器,便可以很容易改变它的频率。

6、 脉冲信号侦测:在是一个一位元的类比转换成数位的过程,负责将一伏特左右的高频率类比电压的波峰处,转换成数位脉冲波。转换过程中对各种频率成分的时间延迟的一致性,是非常重要的。

由于磁头的感应电压大小,会随着磁头在碟片上的位置而改变。为了维持一伏特左右的电压,以利脉冲侦测的过程,必须有自动增益控制功能。自动增益控制是一个伺服回授系统,它的目的是维持回授处的电压大小为一个定值。


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