從物理角度來說，硬盤的盤體主要由盤片、磁頭、轉動部件（音圈馬達）、主軸馬達等主要部件組成。

盤片又稱磁片（MEDIA），在硬盤中是存儲數據的地方。所有數據最終是存放在盤片上的，而硬盤的其它部件都是為其服務的。理論上只要硬盤的盤片不損壞，或損壞不嚴重，其它部件無論損壞多嚴重，數據都是可以恢復的。由此可見盤片對硬盤來說甚至于對電腦來說是何等重要。

盤片雖然外形簡單，但是它的內部結構及制作程序卻是相當復雜。本節即對磁片的結構，專有名詞，制作程序，參數及規格做個循序漸進的介紹。

若我們從金屬薄膜盤片為例，將盤片由中央部分觀察其截面結構，則可發現盤片本身成內外對稱構架，因為大多數的盤片的雙面都可以存儲數據。由內往外依次為基板（substrate）,介質層(under layer)，磁性材料層（magnetic layer）,保護層（overcoat layer）,潤滑層。其功能如下所述：

1.基板：基板主要是磁片的基礎材料，它決定了磁片一切機械尺寸及結構特性。磁片的發展趨勢為：在機械尺寸上，直徑已由原來的5.25、3.5、2.5寸發展成今天的1.8寸，厚度則是越來越薄，由原來的5mm到現在的3mm，甚至更薄。結構與表面特性的要求也是越來越高，所以基板材料由原來的鋁合金，發展到今天玻璃、琺瑯為基板材料，目的就是要增強磁片的品質。

2.介質層：介質層的主要目的是增強基板的硬度，降低基板材料本身表面的粗糙度。因此此層大部分采用無電解處理，主要就是因為無電解過程的平整特性。這就是如汽車外殼在噴漆之前，需要在車身上涂膩子一樣的道理。硬盤的容量越來越大，磁密度也越來越高，對磁盤的平整度的要求也越來越高，所以介質層的好壞非常關鍵。

3.磁性材料層：磁片讀寫性能的好壞主要取決于磁性材料層。目前磁性材料層的發展已朝厚度越來越薄，磁場強度值（HC）越來越高的趨勢。其主要的目的就在于減少磁性粒子間的自消作用，進而提高信號的強度及其分解度。磁性材料層經不斷的演進，目前以（鈷，鎳，磷）合金或是（鈷，鎳，鉻）合金用真空蒸鍍成金屬薄膜磁片。

4.保護層：保護層最主要的目的在于保護磁片或是磁片本身的磁性材料。在硬盤碟機運轉時，無論是馬達啟動瞬間或是磁頭在盤面上進行定軌讀寫，都可能產生磨耗的問題。為了避免此一現象造成磁頭或磁片之磁性材料層的損壞，有必要在磁性材料層上加上一層保護層。此層大部分以碳為基原料。

5.  潤滑層：潤滑層主要的目的就是在于降低磁頭起飛或降落時，磁頭與磁片之間的摩擦力，以延長硬盤機的壽命。此層也是以碳化合物為主。

    通常各個生產廠商所用的磁盤規格各有其特點，但一般而言磁盤規格可分為：磁性特性，幾何尺寸，機械特性，瑕疵規格。四大部分。現列舉其重要內容及目前典型值，概述如下：

（1）磁性特性：

① 磁場強度：磁性材料的磁場強度。目前的典型值為1400（oe）或1600(oe)以上。  

② 殘磁力：磁性材料之殘余磁通密度。目前的典型值為900Gaass。

③ 磁性材料層厚度：比值越大越能增加磁記錄密度。目前的典型值約為370A0。

④ 保護層厚度：目前的典型值為200A0。

⑤ 每英寸磁通變化數：此一規格必須與磁頭規格互相搭配才行。

（2）幾何尺寸

① 內外徑（ID OD），借此分辨3.5或2.5磁片的規格。

   3.5磁片 外徑=95mm   內徑=25mm

   2.5磁片 外徑=65mm   內徑=20mm

② 厚度：通常由廠商提供某些標準規格以備用，并非任意決定。一般而言，2.5的硬盤，盤片厚度           為35mil,3.5則是50mil.    

③ 邊緣特性：一般是指磁片邊緣的導角角度及長度。

（3）機械特性：

① 表面粗度：目前是從中心線平均粗糙度值來表示。此值越大表示磁片之間的摩擦損耗越大。但此值越小，卻又會增加磁頭與盤片間的粘滯摩擦力。因此選擇適當的表面粗糙度值是相當重要。

② 表面平整度：是指磁片表面的實際平面，其高低變化必須在此一相距公差值的兩平行平面之間。此值可代表磁片表面的最大粗糙度。

③ 軸向偏移度：此值是指磁片在旋轉時，垂直于磁片表面方向的最大偏移度。

④ 飛行高度：在這高度以上，磁片表面應當沒有任何突起物來導致磁頭在飛行狀態下與磁盤直接接觸，而這個高度必須搭配磁頭的飛行高度。

⑤ 可飛行范圍：在此區域內之磁盤表面必須滿足磁頭飛行高度的限制，讓磁頭能安全的飛行。

⑥ 潤滑層厚度：這是控制磁頭與盤片間摩擦力的有效參數。

⑦滑動摩擦系數：此系數是指磁頭與盤片之間的相對速度在5±1mm/sec,所測數據。滑動摩擦系數一般的平均值都不超過0.3

⑧ 啟動摩擦系數：此系數是指磁頭停止在磁片上，以主軸馬達帶動磁片轉動，瞬間所測到的最大摩擦系數。此系數受溫度、濕度、停滯時間及磁頭、磁盤間連續轉停次數四大因素所影響。因此必須注明于何種情況下所測量到的值。一般典型的規格有兩種：一是在32℃，80%PH，停轉24小時后，此系數不能大于1.0。另一種是在連續轉停2000次后，此系數不能大于0.6。

⑨ 抗沖擊值：指磁頭與磁盤之間組合所能承受沖擊的能力。在這樣的沖擊下，磁盤上方無任何瑕疵，而且磁頭仍能正常讀寫。

⑩ 連續轉停次數：此一參數最主要的目的是確保磁頭與磁盤之間在經過一定次數的連續停轉，啟動后不但能正常啟動，而且也能正常執行讀寫功能（就是說瑕疵不會增加，性能不會降低）。一般磁盤制造商都必須能保證20.000次以上。但此項參數并不是只靠要求磁盤表面性能來達成，必須同時從磁頭、磁盤。及主軸馬達三方面共同完成。

（4）瑕疵規格：

在理想狀況下，設計硬盤時都希望能夠有完美的磁盤來表達預計的目標。但是實際上，磁盤是由多層的制造加工過程所產生的，在此復雜，精密的過程中，很難要求磁盤達到完美無暇的狀態，因此必須制訂出瑕疵規格的標準。標準主要有以下3方面。

① 瑕疵長度：連續出現瑕疵的最大長度，以位為單位。低于這個數值時才稱為是一個瑕疵，通常這個數值的決定是要配合硬盤對瑕疵的處理能力。而如果高于這個數值時，由于硬盤的內部程序已無法矯正此錯誤，因此是不合格的磁盤。

② 每規瑕疵數： 每單規出現瑕疵個數的最高值。這個數值的決定也是要配合硬盤瑕疵對立的能力。

③ 每個盤面的總瑕疵數，每個磁盤盤面出現瑕疵的總個數。這個數值的決定也是要配合硬盤應對瑕疵的能力。

磁頭：磁頭與磁盤是硬盤中最重要的關鍵性部件。因為它不但決定了硬盤容量的最重要的因素，而且它非常脆弱，制作相當精密，價格也很昂貴（約占整臺硬盤成本的三分之一）。好的磁頭，磁盤性能搭配不但能有效提升良品率，同時也提高了產品的品質，增加了其產品的市場競爭力。磁頭與磁盤的技術是結合了最先進的機，電，材，磁等科技。今天能不斷地有高容量硬盤的出現，都要歸功于磁頭與磁盤技術的一再改良與創新。

磁頭與磁盤雖然都有個“磁”，但這兩個“磁”是特性截然不同的兩種材料所組成，磁盤的磁性需要極強的記憶性，即如無外磁場的改變其磁盤上的磁場應永遠不會改變。而磁頭的功能是讀與寫，故磁頭的磁性應是瞬息萬變，既其磁性應無任何記憶性才好。

（1）磁頭的發展介紹：

基本上磁頭的發展趨勢可以從磁頭種類，磁頭飛行高度及磁頭滑行體這三方面的進展來了解。首先，為了提高記錄密度，磁頭的種類從過去的亞鐵鹽感應式磁頭發展成薄膜感應式磁頭，然后再到磁阻式磁頭。磁阻式磁頭的高容量，高性能特性已經為硬盤機產業帶來一場技術革命，成為各廠商的發展重心。另外垂直記錄式磁頭的研究成功，也為硬盤機的未來開創另一片天空。其次，為了增加磁頭讀訊號的大小與雜訊號比，磁頭的設計一直都朝向降低飛行高度以及增加飛行時的穩定性發展。這可以減輕磁頭質量，減少磁頭尺寸，改變滑行體材質，改變體表面形狀等方面著手。最后，為了配合飛行高度的降低，以及硬盤往輕，薄，短，小發展的趨勢，滑行體是越做越小，越做越精密。現在的大小只有早期的30%大小。甚至未來會將滑行體與懸臂結合成一體。這些成就都得拜精密機械加工及制造的進步所賜。不過在實際應用中，磁頭的讀寫受到三個限制：

① 磁頭的第一個讀寫限制就是位元漂移，位元漂移的成分有兩種：第一種屬于隨機部分，是源自于雜訊干擾，例如磁頭，磁盤，電子部件及主軸馬達的漏磁，殘磁現象。另一種是脈沖訊號的重疊。由于兩相領的磁反轉區太過緊密，致使磁頭同時受器其感應，而所讀回的訊號，可設為兩個獨立訊號的合成（亦即重疊原理）。這一現象不但造成位峰值的外偏移，同時也造成讀回訊號峰值的變小，位元漂移是使得硬盤機無法無限制增加容量的原因之一。除了單位長度的磁通變化外，磁頭與磁片的搭配，寫入電流的選擇，讀寫通道的參數選擇，讀寫電路的設計，主軸馬達的偏心，甚至電路板的布線等都是造成位元漂移的重要因素。

② 偏軌能力的限制：磁盤的第三個讀寫限制是偏軌能力。不同的磁頭與磁片搭配，所能容忍的第二個讀寫限制是偏軌量都有所不同，這主要是因為磁頭隙寬所造成的影響。不同磁隙寬的最佳磁軌間距都不一樣，通常越大的磁隙寬度需要越大的磁軌間距，但太小的磁隙寬度又會降低讀回訊號。磁頭的偏軌能力是使得硬盤無法無限制增加讀寫資料半徑方向密度的原因之一。無論是機構上的位置誤差，伺服控制的定軌誤差或是讀寫通道所造成的訊號誤差，其總合的誤差量必須小于此最大偏軌能力值。

③ 讀寫壽命的限制可以從無法讀寫以及無法啟動兩方面來解釋：

㈠ 無法讀寫：無法讀寫的最大的原因是硬盤的污染問題。就是磁盤上的瑕疵，經過一段時間后經過一定的標準，造成磁頭無法讀回原來的訊號。它的來源有：

Ⅰ 硬盤盤體內的塑膠材質或粘合劑等化學物質，經過長時間高溫或高壓變化后，所產生的揮發性物質。

Ⅱ 硬盤盤體內的碰撞物體，長時期碰撞后所產生的污染顆粒。

Ⅲ 磁頭的起飛，降落，多多少少對磁片都會造成刮傷，長時期累計下來所產生的顆粒。

Ⅳ 磁頭飛行時，本身或外界所起的不穩定性，造成磁頭與盤片的直接磨耗。

Ⅴ 磁盤的密閉性不良，外界的污染物滲透進入硬盤內部。

另外，磁頭與磁盤本身的材質壽命也是無法讀寫的原因之一。

磁頭材質在寫入電流關閉后，有些材質無法立刻回歸中性，出現了“卡住了”或“翻轉不回去”的現象，俗稱“有殘磁訊號”，而造成磁頭讀取訊號能力的退化。此一現象可能一開始不明顯，長時間運作后，情況會變得很嚴重，讓磁頭失去讀功能。

磁頭從磁片上的磁反轉區感應回來的感應電動勢，回再磁化磁盤產生自消作用，長時期影響后，有些磁盤的磁性材料會逐漸減少儲存資料的能力，甚至完全失去功能。

㈡ 無法啟動：無法啟動是指硬盤的主軸馬達所產生的啟動力矩，小于磁頭與磁片間粘滯力所形成的力矩。俗稱stick.這是主軸馬達，磁頭，磁片三方面的問題。通常，影響磁頭與磁盤間粘滯力的因素有：

Ⅰ 磁頭質量

Ⅱ 溫度

Ⅲ 濕度

Ⅳ 停滯時間

Ⅴ 磁頭與磁盤間的磨耗次數

其中磁頭與磁盤的磨耗次數（也可認為是連續停轉次數）是硬盤讀寫壽命的重要指標。

一個典型的磁頭包括了懸臂，滑行體及附在滑行體上的辭行讀寫端。磁頭的各項參數及規格介紹：

 磁頭規格可分為應用規格，磁頭型式，機械特性，電氣特性，性能規格部分。現列舉重要內容概述如下：

（1） 應用規格：

這一部分是描述磁頭的應用范圍，也就是硬盤的基本規格。

① 磁軌密度：磁盤徑向每一單位距離的軌數，其倒數即為磁軌寬。而軌寬則又大約為磁隙寬度的1.3倍。磁軌密度越大容量越高，因此磁頭制造商都將重點放在提高磁軌密度的研究上。

② 磁通變化密度：這是另一個影響硬盤容量的因素，也就是指單位長度的磁通變化數。目前的硬盤采用區域等密度磁記錄法，以提高容量，主要原因是因為內軌半徑小，圓周長度也較小，無法寫入與外軌一樣的磁通變化數。區域等密度磁記錄法的精神就是將磁盤資料區分成數個區域，而資料傳輸率則往內軌方向依次的降低。

③主軸馬達轉速：主軸馬達轉速決定了磁盤的轉速。磁盤的轉速除了會影響磁頭的飛行高度之外，也會影響硬盤的容量和讀寫數據的能力。轉速越快，代表磁頭越快的切割磁盤上的磁場，訊號也越強，對硬盤處理信息的能力也越高。如果處理不好，則會降低硬盤容量。

④ 編碼方式：是指將原始資料轉換成硬盤寫入資料的方式。

（2）磁頭型式：

這部分包括有磁頭種類，懸臂型式，滑行體大小，磁頭與臂的結合方式，滑行體與懸臂的結合方向等。這些在設計硬盤機前就必須先決定請清楚。

（3）機械特性：

① 磁隙寬：磁頭讀回訊號的大小正比于磁隙寬度。因此在選擇上盡可能要大些。

② 磁隙長：磁隙長越小，則磁場轉換的延遲時間越短。

③ 磁隙深：越少的磁隙深越能有好的復寫能力。

④ 磁極厚度：一般來說，磁極厚度越大，復寫能力越好，但解隙度越差。

⑤ 飛行高度：磁頭飛行的越低越能讀回較大的訊號。

⑥ 磁頭質量，為了降低粘滯摩擦力，磁頭荷重在不影響飛行狀態的前提下，有越來越低的趨勢。

（4）電氣特性：

① 寫入電流：電流流經讀寫線圈而產生磁場，而經由磁頭將磁盤磁化。若電流不夠大時，無法讓磁片之磁性極料層大到飽和磁化，所以讀回的訊號會很小。若電流太小時，又將在寫入時產生互相消磁現象，造成讀回訊號降低。

② 讀寫線圈匝數：越多的讀寫線圈匝數代表能提供越強的磁場，進而增加讀寫訊號的強度。但較少的讀寫線圈可以減少寫入動作所花的時間，而提高寫入速度和密度。因此選擇適當的讀寫線圈匝數，是磁頭設計時的重點。另外，讀寫線圈的電阻值，電感應值及共振頻率都會影響到整個讀寫通道的設計，因此在磁頭規格里都會嚴格要求這些數值。一般而言，這些數值會與讀寫線圈匝數，繞線方式，繞線形狀，線圈本身特性及線圈截面積有關。

（5）性能規格：

這部分是磁頭表現出來的讀寫能力，也就是判斷磁頭好壞的標準。通常這些標準的定義，都已經被硬盤生產商所公認。

① 平均振幅大小：此定義為在某一軌中寫入一固定形式的資料后，所讀寫的信號強度的平均值。

② 解析度：此值越大表示磁頭對訊號處理的效果越佳。

③ 復寫能力：表示反復擦寫的能力。

④ 信號雜訊比：此值越大表示讀回的訊號越強但雜訊越小。

⑤ 半波寬：半波寬越窄，各相臨訊號間的干擾也越小。

⑥ 位元漂移：此值是硬盤讀寫性能的重要指標。

⑦ 磁頭材質卡住：磁頭在寫入電流關閉后，由于本身復雜的自我退磁過程（從N磁化或S磁化回到中型），出現了“卡住了”或“翻轉不回去”的現象，而造成磁頭讀取訊號能力的退化。

⑧ 爆米花雜訊：專指磁頭在寫入或讀出訊號時，短暫出現與磁片無關的雜訊。這是因為磁頭小部分極性材料的延遲反應。研究得知：磁頭讀寫線圈電阻越小，寫入電流越小或是寫入頻率越高，越可減小雜訊產生的機會。

磁頭和磁盤是硬盤中最重要2個部分，就猶如唱機中唱片和唱針的關系，故在這里比較詳細的介紹了一下。

（1）傳動部分（音圈馬達）

硬盤的傳動部件包括傳動手臂以及傳動軸，在傳動手臂的末端安放了硬盤磁頭，進行對數據的讀寫。當硬盤沒有工作時，傳動部件將磁頭停放在磁盤盤片的起停區內。開始工作時，硬盤中固化在ROM芯片中的程序開始對硬盤進行初始化，工作完成后，主軸馬達開始高速旋轉，當轉速達到額定轉速時，由傳動部件將磁頭懸浮在盤片的起始區處待命，當有讀寫命令時，傳動手臂以傳動軸為圓心擺動 ，將磁頭帶到需要讀寫數據的地方去。如果出現突然斷電的情況，硬盤的反力矩彈簧會自動將磁頭帶回起停區，防止了磁盤刮傷。

磁頭的尋軌及定軌是硬盤最關鍵的部分之一。尤其是當硬盤容量越來越大，軌寬越來越小，問題就更多。早期的硬盤由于容量小軌寬大，所以只需用步進馬達來移進磁頭就夠了。這是一種開回路控制系統，不需要反回信號。

當容量超過40MB以后，步進馬達的位移精度已不合要求了，取而代之的是音圈馬達。利用音圈馬達的好處是在理論上，它可以定軌到任何精度，速度較快，而且構造簡單，價格便宜。

步進馬達：馬達的行動距離都是固定的一個工作周期走一拍。一般是給個脈沖信號，有幾相幾拍的說法。現在一般應用在針式打印機等有固定步長的地方。

音圈馬達：實際上不是馬達，是通過電感線產生不同方向和強度的磁場，利用引力或斥力來推動目標物移動。現在有些自動對焦的照相機就是利用音圈馬達來對焦的。

音圈馬達如何在硬盤中工作，如何使磁頭定位，我們在以后的章節中還會提到。

（2）目前硬盤的眾多參數中，硬盤轉速是一項重要的指標，而轉速的高低則是由硬盤的主軸馬達決定的。目前常見的規格有5400轉/分鐘，7200轉/分鐘，10000轉/分鐘等。轉速越高的硬盤讀寫速度也就越快。但是隨著硬盤轉速的提升，帶來的則是硬盤穩定性下降和巨大的嗓音。目前硬盤的主軸都采用了“液態軸承馬達”。這些馬達使用的是黏膜液油軸承，一油膜代替滾珠，有效避免了由于滾珠摩擦而帶來的高溫和嗓音。同時，這種技術對于硬盤的防震也有很大的幫助。對于突如其來的震動，油膜能很好的吸收，馬達的線圈分成三粗纏繞于定子上，轉子為永久磁鐵，由外界電路控制定子線圈的電流方向來使轉子旋轉。

（3）軟性電路系統

在很多關于硬盤書中均未提到此系統，此系統的物理構件仍在盤體內，但大多數人均疏忽了此部件，故特地寫此一節。

軟性電路系統的目的是將磁頭訊號，從磁頭傳至盤體外的線路板，此系統包括兩個主要部分。

①軟性電路板

    主要目的是將磁頭訊號傳出及為音圈馬達提供電源及控制信息，它所以被設計成“軟性”主要是為了減少磁頭運動時的阻力。

    軟性電路板在構架上所要考慮的除了外觀尺寸外，最重要的莫過于軟性電路偏力問題。軟性電路偏力是由于軟性電路板固定于制動臂上，會對制動臂所在位置的不同而不同。所以如何改變軟性電路板的各種條件（如長度，固定位置，材質等），而能使軟性電路偏力在整個運動過程中變成一種簡單的相對關系，以利于系統的控制，將是設計中所要考慮的重點。目前軟性電路板受力分析，較常被采用的是大變形彈性分析模式。

②前置放大器

由磁頭穿越磁盤上磁力線，所感應之資料訊號通常非常小，需要經過前置放大，再將運號傳給讀寫通道來處理。另外，磁頭主要“寫”的功能也是由前置放大器來執行的。

   前置放大器，顧名思義，是用以處理最前級的訊號放大。一般而言，前置放大器放在硬盤內部，接近磁頭的地方，附著在軟性電路板上。

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、 磁頭選擇：大多數前置放大器，允許數個磁頭同時作“寫”的動作，這樣的功能可以大大減少伺服碼寫入所占用的時間。

3、 寫入電流的控制：通常需要輔助硬件來配合。

4、 偵測讀寫品質：當訊號頻率太低時，或者磁頭短路時，停止磁頭做“寫”操作。

5、 濾波作用：一般的訊號處理過程都會需要濾波器，在硬盤上也不例外。硬盤所需用的濾波器，最重要的特性是對各種頻率成分的時間延遲的一致性。現在硬盤所用的濾波器，多為主功濾波器，為了配合分區等密度記錄法所需，濾波器必須是可程序化的。透過微處理器，便可以很容易改變它的頻率。

6、 脈沖信號偵測：在是一個一位元的類比轉換成數位的過程，負責將一伏特左右的高頻率類比電壓的波峰處，轉換成數位脈沖波。轉換過程中對各種頻率成分的時間延遲的一致性，是非常重要的。

由于磁頭的感應電壓大小，會隨著磁頭在碟片上的位置而改變。為了維持一伏特左右的電壓，以利脈沖偵測的過程，必須有自動增益控制功能。自動增益控制是一個伺服回授系統，它的目的是維持回授處的電壓大小為一個定值。