the structure design and computer simulation
for magnetoresistance（mr） magnetic head
luo gan，zhang shenghua，wang yuehuan
department of computer science and technology，huazhong university
of science and technology，wuhan 430074
abstract in this paper，the structural parameters design and computer simulation for mr magnetic head are discussed．mr head can be used in high-density magnetic recording technology to raise snr of the readout signals．it is also of great importance in realizing higher track and bit density，as well as miniaturization，for magnetic disks．
key words mr magnetic head， computer simulation， recording density
1 前言
随着磁盘驱动器容量的不断提高和磁道愈来愈窄，磁头结构参数的选择也很关键，存储系统采用的磁头种类很多，如铁氧体磁头、组合铁氧体磁头、金属气隙（mig）磁头、薄膜读写磁头等，但目前研究的mr磁头应用于高道密度光刻伺服磁盘中，却有可观的读出信噪比，因此对mr磁头结构参数进一步研究具有重要意义。mr磁头不同于常规感应式磁头，它是检测磁场的大小，不是检测磁场的变化，磁盘转速的变化不会影响读出信号的大小，利用mr头可以补偿由于位密度的提高而对电路及机械结构的进一步要求，不影响读出电压的大小。在研究磁电阻磁头结构优化设计、制造和应用实验过程中，采用放大模型法研究磁电阻磁头结构，利用计算机仿真来研究mr磁头各参数间的关系。
2 mr磁头模型结构设计
最简单的磁电阻磁头是非屏蔽的（unshielded mrh），介质磁化产生的磁力线可全高度进入mr元件，早期应用于磁带机中。由于mr元件分辨率低，位间干扰严重，随着磁盘道密度和位密度的不断提高，采用屏蔽式磁电阻磁头（shielded mrh）作读出传感器，以减小道间及位间串扰，提高磁头读出分辨率。屏蔽式mr磁头放大结构原理如图1所示：图1a为屏蔽式mr磁头放大结构原理图，图1b为mr元件层计算坐标图。
图1 （a）屏蔽式mr磁头放大结构原理图（b）mr元件层计算坐标图
屏蔽式mr磁头结构通过磁电阻变化来测出磁场信号，其输出电压由提供的励磁电流控制，若将mr薄膜放置在两个软磁屏蔽层之间，则可用于位密度很高的磁记录系统中［1，2］，信号磁通主要进入到mr元件的下端，再进入屏蔽层，可将mr元件夹在软磁磁通导向块之间，如图2所示。由于mr元件的ρ～h特性是非线性的，采用偏磁场法及倾斜电流偏磁法可使信号响应线性化［3］。为了优化磁头设计，读数据的方法与铁氧体及薄膜磁头类似，并允许执行宽写入窄读出方法。采用坡莫合金材料作mr薄膜材料，将mr元件的结构模型做成细片状，以增大电阻值，如图3所示。
图2 mr元件软磁磁通导向块结构
图3 mr元件结构尺寸图
电阻率变化规律由ρ＝ρ0＋δρmaxcos2θ描述；式中ρ0为无外加磁场时材料本身的各向同性电阻率；δρ为有外加磁场时的电阻率变化率；θ为磁化强度矢量与外加电流密度矢量之间的夹角。
3 计算机仿真
根据图1所示的mr头结构形式，采用矢量磁势函数a来描述磁场分布，设hb为mr元件中的偏磁场，i1、i2分别为偏磁导体层中电流，g1、g2分别为mr元件层左右侧距屏蔽层距离，t1为mr元件层厚度，t2为屏蔽层厚度，t3为偏磁导体层厚度，t为mr元件层与偏磁导体层间距，d为mr头底面至介质表面的距离。
将偏磁导体中分别通以电流i1、i2可求出mr元件中的偏磁场hb，改变导体中的电流大小可使mr元件得到不同的偏磁场。这里采用有限元法计算磁场，可以使结构设计更精确。
矢量磁位a应满足泊松方程［4］
下面在s区域内用有限元法求磁位a，磁位a的分量az是决定有效偏磁场hb的磁位分量，磁场能u作为磁位az（x，y）的泛函，
（2）式在边界az｜q＝0的约束下满足极值条件所得az就是泊松方程在一类边界（磁力线与边界重合）条件下的解。二类齐次边界（各交界和边界）在取泛函az的极值过程中自动满足。
如图4所示，首先对s区域（mr元件区域）内进行剖分，沿x方向等分n区段，沿y方向等分l区段，用直线将连续域剖分成块。以三角形e为单元对求解区剖分三节点i、j、m，任一点磁位a可以认为在三个节点磁位之间随x，y线性变化，可构造一个磁位插值函数，总体合成使计算所得的磁场分布逼近于真实情况，将每个三角形单元上构造的函数aze（x，y）合并起来，就得到s域上的分块近似函数az（x，y），采用直线内插自动剖分法进行剖分［5］。
图4 （a）mr元件剖分图 （b）单元剖分三节点
第一类边界作约束条件提出，边值问题第二类边界条件和媒质交界条件通常称为自然齐次边界条件，因为它们由泛函求极值自动满足，尽量缩小求解区域，以减小计算量，输入计算域的边界点及分段方式，用计算机自动完成对计算域的剖分，产生离散点，单元节点的编号及坐标，用这种单元计算较为简单，编程序较为方便。
所取场量的所有点均落在s区域内，在区域边界上给出已知的边界值，使结构设计结果更精确。
4 结果与分析
研究了偏磁层中电流i1、i2，偏磁层与mr元件之间的距离t，mr元件与屏蔽层间的距离g1和g2，偏磁场hb等关键参数之间的关系以及它们对读出信号的影响，有利于磁电阻磁头结构设计与优化选择，放大模型法与计算机仿真相结合，加速了研究进程，减少了盲目性，理论计算与实验结果较一致，将磁电阻磁头应用于高道密度光刻伺服盘磁记录技术中，减小了道间及位间串扰，提高了读出分辨率。
经取值计算得出如下结论：
（1）当偏磁场hb增大时，读出电压幅值e呈线性增大，如图5a所示。当i2／i1增大时，读出电压最初也增大，但当i2／i1增大到某值后e又开始下降，如图5b所示。影响偏磁场的因素，同时也是影响读出电压的因素，因此，确定i2／i1值对mr头的设计是非常重要的。
图5(a）读出电压幅值e与偏磁场之间关系（b）i2／i1对读出电压幅值e的影响
（2）屏蔽mr头中i2／i1增大，mr元件中偏磁场hb最初也增大，当i2／i1达某一定值后，若继续增大，则mr元件中偏磁场将减小，如图6所示。
图6 i2／i1对mr元件中偏磁场大小的影响
（3）当mr元件层与偏磁层间距t增大时，mr元件中的偏磁场hb呈线性减小，如图7所示。屏蔽层的厚度t2较厚时对偏磁场hb无显著影响，当t2小于2μm时偏磁场有明显变化。
图7 mr元件层与偏磁层间距t对mr元件中偏磁场hb的影响
（4）hb随g2／g1值的增大而增大，当g2／g1较小时，hb随g2／g1增大的趋势较大，如图8所示。g2／g1值是对偏磁场hb影响很敏感的因素，偏磁场hb太小将会使得读出电压与磁场强度的关系为非线性，但偏磁场hb若太大，将会影响介质记录的信息。
图8 偏磁场hb与g2／g1的关系
（5）偏磁场hb为x，y的函数，hb值随y的变化规律相同，在mr元件的全高度上，hb值上端（y＝10）和下端（y＝0）最小，中间（y＝5）最大，如图9所示。
图9 mr元件左侧平面上的偏磁场hb与坐标y的关系
（6）g2／g1值愈大，读出电压幅值e愈大。如图10所示，e开始增大较快，后来逐渐趋于缓慢，为了获得适中的偏磁场hb，且保证有足够大的输出电压，应取合适的i2／i1，g2／g1值。
图10 g1／g2对读出电压e的影响
*国家自然科学基金资助课题
作者简介：罗敢 女，1955年12月出生，工程师。现在华中理工大学计算机科学系从事教学、科研工作。主要研究方向：新型存储系统研制，超高密度光磁记录技术研究。
作者单位：华中理工大学计算机学院 武汉 430074
参考文献
[1]robert p hunt，member．ieee trans magn，1971；mag-7（1）：150
[2]robert i potter．ieee trans magn，1974；mag-10：502～508
[3]ching tsang．j appl phys，1984；55：2226
[4]冯慈璋．电磁场．高等教育出版社，1990．
[5]刘圣民．电磁场的数值方法．华中理工大学出版社，1991． |
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