牛榮軍,劉紅彬,黃 平

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽(yáng) 471003;2.華南理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究所,廣州 510640）

隨著磁盤面密度的迅猛增長(zhǎng),要求磁頭滑塊的飛行高度隨之不斷降低,降低飛高的主要方法就是要設(shè)計(jì)出滿足特性要求的磁頭表面結(jié)構(gòu)[1],目前現(xiàn)代優(yōu)化方法已廣泛運(yùn)用到磁頭表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2-4].磁頭根據(jù)受到氣體壓強(qiáng)作用可分為正壓磁頭和負(fù)壓磁頭,同正壓磁頭相比,負(fù)壓磁頭具有良好的穩(wěn)定性能,從而得到進(jìn)一步的發(fā)展.常見(jiàn)的負(fù)壓型磁頭都是 3層 2臺(tái)階結(jié)構(gòu),從下到上依次為 Recess(基層)、Shallow step(次景層)、 ABS(表層).為了達(dá)到高存儲(chǔ)密度、高穩(wěn)定性和高可靠性的要求,磁頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不但要考慮各個(gè)滑塊表面形貌結(jié)構(gòu),同時(shí)各個(gè)滑塊的臺(tái)階深度對(duì)飛行性能也將產(chǎn)生重要影響,各個(gè)臺(tái)階結(jié)構(gòu)深度的變化將影響磁頭承載面正負(fù)氣膜壓力的大小和分布,從而改變整個(gè)磁頭磁盤系統(tǒng)的飛行性能參數(shù).本論文中對(duì)于給定的負(fù)壓型磁頭面 ABS(air bearing surface)的形狀和載荷后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法主要考察基層和次景層的刻蝕深度變化對(duì)磁頭的飛行特性如飛行高度 h,X方向的側(cè)翻角h,Y方向的俯仰角θ的影響,從而根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果選擇最佳臺(tái)階設(shè)計(jì)深度,達(dá)到增大磁盤存儲(chǔ)密度的目的.

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

本論文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要使用的實(shí)驗(yàn)儀器是動(dòng)態(tài)飛高測(cè)試儀 DFHT(dynamic flying height tester),該儀器是 Phase Metric公司依據(jù)三波長(zhǎng)干涉法原理開(kāi)發(fā)的,主要用來(lái)測(cè)試磁頭在 nm級(jí)高度各種工況條件下磁頭面各測(cè)試點(diǎn)的氣膜厚度,通過(guò)這些點(diǎn)的膜厚可以算出飛行姿態(tài)(飛行高度、側(cè)翻角和俯仰角)[5].除了光干涉測(cè)試所必須的結(jié)構(gòu)外,要達(dá)到能夠測(cè)試磁頭滑塊在不同半徑、不同入射角下磁頭面測(cè)試點(diǎn)的飛行高度以及尋找極大光強(qiáng)和極小光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的膜厚,飛行高度測(cè)試儀必須具備某些高精度的機(jī)械運(yùn)動(dòng).圖1給出了DFHT測(cè)試箱中主要部件的布局.玻璃盤及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)被安裝在工作臺(tái) 1上,工作臺(tái)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以沿 X,Y方向移動(dòng),以便完成在不同半徑和入射角下的測(cè)試工作,模擬硬盤中不同的磁道.其中,懸臂 3、加載驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5及其載荷調(diào)節(jié)裝置作為一個(gè)整體能夠在電機(jī)作用下繞 z軸(和玻璃盤主軸平行)旋轉(zhuǎn),在工作位置和裝卸位置切換.圖1中給出的是裝卸位置,該位置主要是在測(cè)試前后完成磁頭組件的安裝、拆卸.測(cè)試時(shí)首先工作臺(tái)搭載著玻璃盤移動(dòng)到設(shè)定的位置(按照設(shè)定的氣流入射角和半徑自動(dòng)計(jì)算),隨著玻璃盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,裝好磁頭的懸臂繞 z軸轉(zhuǎn)入到玻璃盤下面,在加載電機(jī) 5的驅(qū)動(dòng)下對(duì)磁頭加載.光路系統(tǒng)同樣可以沿著 X,Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)精度和分辨率均高于磁盤工作臺(tái).借助于放大的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和移動(dòng)光路系統(tǒng),就可以測(cè)試出軸承面上不同點(diǎn)的飛行高度.

圖1 DFHT運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)Fig.1 Details of them echanisms in a DFHT

2 光干涉法測(cè)量膜厚的基本原理

光干涉法測(cè)量膜厚的基本原理如圖2所示,當(dāng)光束(Beam 0)入射時(shí),一部分光在玻璃盤下部的鍍膜(半透半反膜)表面發(fā)生反射形成光束(Beam 1),另一部分光透過(guò)鍍膜并穿過(guò)氣膜在磁頭表面發(fā)生反射而形成光束(Beam 2),兩束光由于光程不同將產(chǎn)生干涉形成干涉圖像.當(dāng)光垂直入射時(shí),任一點(diǎn)的干涉光強(qiáng)與兩束反射光的光強(qiáng)及該點(diǎn)的潤(rùn)滑膜厚度之間的關(guān)系[6]為

式中:I為對(duì)應(yīng)膜厚點(diǎn)處的光強(qiáng);I1為光束1的光強(qiáng);I2為光束2的光強(qiáng);λ為濾光片輸出光的波長(zhǎng);h為對(duì)應(yīng)于磁頭反射點(diǎn)的氣膜厚度;N為空氣的折射率;h為附加相位差,是由于光波在空氣和磁頭之間反射時(shí)不連續(xù)造成的,可由式(2)計(jì)算

圖2 光干涉法測(cè)量膜厚原理圖Fig.2 Schematic diag ram of ligh t in terference method for measuring the th ickness of film

式中:光學(xué)常數(shù) ns,ks分別是折射率和與磁頭滑塊表面材料有關(guān)的消光系數(shù).

根據(jù)式(1),隨著氣膜厚度 h的不同,干涉光強(qiáng)也不相同,通過(guò)改變 h可以得到極大光強(qiáng) Imax和極小光強(qiáng) Imin.利用這兩個(gè)參數(shù)可以反推出反射光強(qiáng)

以往的干涉法測(cè)膜厚僅利用了光的不同頻率或光的絕對(duì)強(qiáng)度,因而分辨率較低或者外界光場(chǎng)變化對(duì)其結(jié)果的影響很大,利用相對(duì)光強(qiáng)原理則可以有效地改變這種狀況[7].定義干涉光相對(duì)光強(qiáng)度

式中:平均光強(qiáng) Ia=(Imax+Imin)/2,最大光強(qiáng)差 Id=Imax-Imin.相對(duì)光強(qiáng) I變化范圍為 0≤I≤2.將式(3)和式(4)代入式(1),并通過(guò)式(5)轉(zhuǎn)化成相對(duì)光強(qiáng),得膜厚與光波長(zhǎng)、折射率及相對(duì)光強(qiáng)等的關(guān)系式為

相對(duì)光強(qiáng)的處理方案從原理上消除了因光場(chǎng)平移和線性變化等引起的測(cè)量誤差,這是利用絕對(duì)光強(qiáng)法測(cè)膜厚難以做到的[8-9].

3 測(cè)試對(duì)象及其飛行姿態(tài)描述

由于讀寫元件光學(xué)特性比較復(fù)雜,無(wú)法直接測(cè)試其位置點(diǎn)的膜厚.除此之外 DFHT可以測(cè)出磁頭軸承面上任意一點(diǎn)的膜厚,在實(shí)驗(yàn)研究中選擇表1中較為典型的測(cè)試點(diǎn)和 DFHT坐標(biāo)系統(tǒng).圖3給出了測(cè)試磁頭的測(cè)試點(diǎn)分布和坐標(biāo)系說(shuō)明.

表1 測(cè)試點(diǎn)名稱及坐標(biāo)(DFHT坐標(biāo)系)Tab.1 The names and their coordination of measu ring poin ts

圖3 軸承面形狀Fig.3 The ABS shape

理論上,在軸承面結(jié)構(gòu)確定的前提下,只需要軸承面上的三個(gè)點(diǎn)即可以確定其飛行姿態(tài).實(shí)際中,往往選擇 5個(gè)以上的測(cè)試點(diǎn).通過(guò)已知的軸承面結(jié)構(gòu)計(jì)算讀寫線圈位置的飛行高度和滑塊傾角.為簡(jiǎn)單起見(jiàn),可以假定軸承面為平面,將各點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果代入下式求俯仰角θ和側(cè)翻角φ.

式中:θ和h的單位為弧度;h為測(cè)試點(diǎn)膜厚,單位為 m.角標(biāo)的含義:CT為中線 (Center Trailing);CL為中導(dǎo)(Center Leading);OT為外線(Outer Trailing);OL為外導(dǎo)(Outer Leading);IT為內(nèi)線(Inner Trailing);IL為內(nèi)導(dǎo)(Inner Leading).各點(diǎn)位置可以通過(guò) DFHT隨機(jī)軟件設(shè)置坐標(biāo).

4 磁頭結(jié)構(gòu)刻蝕深度變化對(duì)飛行姿態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

下面對(duì)如圖3所示的負(fù)壓型磁頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,來(lái)考察各個(gè)滑塊的臺(tái)階深度變化對(duì)磁頭飛行姿態(tài)的影響,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中主要對(duì)系統(tǒng)特性影響較大的次景層深度(shallow recess)和基層深度(main recess)變化進(jìn)行測(cè)試研究.對(duì)于每種磁頭,選取 40只樣品分別測(cè)試,按式(7)和式(8)計(jì)算俯仰角和側(cè)翻角,然后取平均值,這樣可以消除因加工或裝配等制造環(huán)節(jié)造成的實(shí)際參數(shù)誤差帶來(lái)的影響.

實(shí)驗(yàn)磁頭的幾何尺寸長(zhǎng)為 1.24 mm,寬為0.80mm,磁頭厚度為 0.23mm,其所在平面為基準(zhǔn)面,基層厚度 (main recess)為1 275 nm～2 475 nm,次景層厚度(shallow recess)為 25 nm～ 140 nm.

圖4 磁盤轉(zhuǎn)速、磁頭轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和入射角變化Fig.4 The sketch of th ree w orking parameters

硬盤工作參數(shù)為:磁盤轉(zhuǎn)速10 000 rad/min,磁頭靜態(tài)載荷 1.5 g力,初時(shí)俯仰角為 1.7°,初時(shí)側(cè)翻角為 0°.

下面分別對(duì)磁頭處于外徑 (OD),中徑(MD)和內(nèi)徑 (ID)區(qū)域飛行時(shí)的飛行特性分別進(jìn)行測(cè)試研究.因?yàn)榇蓬^飛行時(shí)與磁盤的切向存在一定的角度,所以對(duì)磁頭而言,氣流并不是平行磁頭滑塊的長(zhǎng)度方向流過(guò),存在一定的入射傾角,如圖4所示.表2給出 OD,MD,ID區(qū)域?qū)?yīng)的半徑和入射傾角.

4.1 次景層刻蝕深度變化對(duì)飛行姿態(tài)的影響

圖5給出次景深度變化對(duì)最小特征膜厚、俯仰角和側(cè)翻角的影響.由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著次景層深度的變化,測(cè)試磁頭的飛行姿態(tài)發(fā)生顯著變化.① 隨著次景層結(jié)構(gòu)深度的增加,最小飛行高度h min呈明顯增大趨勢(shì),兩者呈近似線性關(guān)系.磁頭所處的飛行區(qū)域?qū)ψ钚∧ず竦淖兓幸欢ㄓ绊?但影響不大,三種呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì);其中磁頭處于內(nèi)徑區(qū)域的變化斜率稍小,而處于外徑區(qū)域的變化斜率較大;② 俯仰角與最小膜厚表現(xiàn)相似的變化規(guī)律,隨著次景層結(jié)構(gòu)深度的增加,俯仰角在 70μrad和200μrad之間變化.其中磁頭處于內(nèi)徑區(qū)域的變化范圍稍小,而處于外徑區(qū)域變化最大;③次景層結(jié)構(gòu)深度變化對(duì)側(cè)翻角的影響較小,隨著次景層深度的增加,其僅在 -10μrad和 10μrad之間小范圍變化,說(shuō)明側(cè)翻角對(duì)次景層深度變化不敏感.此外,磁頭在內(nèi)徑區(qū)域的側(cè)翻角都為負(fù)值,而磁頭處于中經(jīng)和外徑區(qū)域側(cè)翻角都為正值.

表2 飛行位置與氣流入射角Tab.2 Configuration of the radius and flow angle

圖5 次景深度對(duì)飛行姿態(tài)的影響Fig.5 Effect of shallow recess on flying attitude

4.2 基層刻蝕深度變化對(duì)飛行姿態(tài)的影響

圖6給出基層深度變化對(duì)最小特征膜厚、俯仰角和側(cè)翻角的影響.由圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線可以看出:

1)隨著基層結(jié)構(gòu)深度的增加,最小飛行高度 h min基本呈增大趨勢(shì),但兩者呈明顯的非線性關(guān)系.當(dāng)基層厚度為 1.4μm時(shí),磁頭最小飛行高度值最小;當(dāng)基層深度在 1.2μm～ 1.4μm之間區(qū)域時(shí),最小飛行高度呈下降趨勢(shì),而過(guò)了拐點(diǎn)以后最小飛行高度又呈明顯的增大趨勢(shì).磁頭所處的飛行區(qū)域?qū)ψ钚∧ず竦淖兓灿幸欢ㄓ绊?其中磁頭處于內(nèi)徑區(qū)域的變化范圍稍小,而處于外徑區(qū)域的變化范圍最大;

2)俯仰角與基層深度稱近似線性變化規(guī)律,隨著基層結(jié)構(gòu)厚度的增加,俯仰角呈下降趨勢(shì).這一點(diǎn)與次景層的變化剛好相反.其主要原因是隨著基層深度的增加,從而增大了負(fù)壓區(qū)域的影響,相對(duì)消弱了正壓區(qū)域的作用.負(fù)壓區(qū)域的增大有利于磁頭更加貼近磁頭,從而降低磁頭飛行高度.其中磁頭處于內(nèi)徑區(qū)域時(shí)俯仰角在稍小值域變化,而處于外徑區(qū)域變化值域稍大;

3)基層深度變化對(duì)側(cè)翻角的影響較小,基本在 0μrad區(qū)域值范圍變化,這一點(diǎn)與次景層深度變化的影響相似.

圖6 基層深度對(duì)飛行姿態(tài)的影響Fig.6 Effect ofmain recess on flying attitude

5 結(jié) 論

在納米尺度下,磁頭表面結(jié)構(gòu)的形貌對(duì)磁頭的飛行特性有重要的影響,在實(shí)際的磁頭表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不但要考慮磁頭各個(gè)部分的形狀,還要考慮磁頭表面結(jié)構(gòu)刻蝕深度變化對(duì)磁頭飛行姿態(tài)的影響.通過(guò)合理選擇磁頭各個(gè)部分的形狀和刻蝕深度的大小,達(dá)到增大磁存儲(chǔ)容量的目的.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析可以得到以下結(jié)論:①隨著次景層深度的增加,最小飛行高度和俯仰角都有明顯增大趨勢(shì);②隨著基層深度的增加,最小飛行高度雖有明顯的變化拐點(diǎn),但過(guò)了此點(diǎn)仍呈明顯增大趨勢(shì),而俯仰角呈下降趨勢(shì);③側(cè)翻角對(duì)次景層和基層深度變化不敏感,基本在 0微弧度范圍變化.

[1] Menon A K,Gup ta B K.Nanotechno logy:a data storage perspec tive[J].NanoStructured Materials,1999,11(8):965-986.

[2] DongHoon Choi,TaeSik Kang.An op tim ization m ethod for design of subambient p ressure shaped rail sliders[J].Journa l of Tribology,1999,121(3):575-579.

[3] Zhang J,Talk F E.Optimization of slider air bearing contours using the combined genetic algorithm-subregion app roach[J].Tribology International,2005,38:566-573.

[4] 林晶,孟永鋼.高密度硬盤磁頭滑塊承載面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):31-35.

Lin Jing,Meng Yonggang.Research on theoptimum topology design ofhard disk sliders with genetic algorithm[J].Tribo logy,2009(1):31-35.(in Chinese)

[5] Phase Metric DFHT Operations Manual[M].USA:San Diego,1994.

[6] 殷純永.現(xiàn)代干涉測(cè)量技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999.

[7] Huang Ping,Luo Jianbin,Zou Qian,et al.Investigation into measuring nanom eter lubrication film thickness by relative intensity principle[J].Lubrication Engineering,1995(1):32-34.

[8] Luo Jianbin,Huang Ping,W en Shizhu.Study on themeasurement o f lubrication film thickness at nanometer scale[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,1995,16(1):149-152.

[9] 岳兆陽(yáng),張蕊,白少先,等.共光路雙頻外差干涉法測(cè)量模擬磁頭磁盤靜態(tài)間隙 [J].中國(guó)激光,2005,32(12):1664-1667.

Yue Zhaoyang,Zhang Rui,Bai Shaoxian,et al.Measurement of simulated disk/slider stationary spacing by common-path dual-frequency interferometry[J].Chinese Journalo f Lasers,2005,32(12):1664-1667.(in Chinese)