牛榮軍,劉紅彬,黃 平

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

隨著磁盤面密度的迅猛增長,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)化方法已廣泛運用到磁頭表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計[2-4].磁頭根據(jù)受到氣體壓強作用可分為正壓磁頭和負壓磁頭,同正壓磁頭相比,負壓磁頭具有良好的穩(wěn)定性能,從而得到進一步的發(fā)展.常見的負壓型磁頭都是 3層 2臺階結(jié)構(gòu),從下到上依次為 Recess(基層)、Shallow step(次景層)、 ABS(表層).為了達到高存儲密度、高穩(wěn)定性和高可靠性的要求,磁頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中不但要考慮各個滑塊表面形貌結(jié)構(gòu),同時各個滑塊的臺階深度對飛行性能也將產(chǎn)生重要影響,各個臺階結(jié)構(gòu)深度的變化將影響磁頭承載面正負氣膜壓力的大小和分布,從而改變整個磁頭磁盤系統(tǒng)的飛行性能參數(shù).本論文中對于給定的負壓型磁頭面 ABS(air bearing surface)的形狀和載荷后通過實驗測試的方法主要考察基層和次景層的刻蝕深度變化對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)實驗測試結(jié)果選擇最佳臺階設(shè)計深度,達到增大磁盤存儲密度的目的.

1 實驗測試裝置

本論文的實驗過程中主要使用的實驗儀器是動態(tài)飛高測試儀 DFHT(dynamic flying height tester),該儀器是 Phase Metric公司依據(jù)三波長干涉法原理開發(fā)的,主要用來測試磁頭在 nm級高度各種工況條件下磁頭面各測試點的氣膜厚度,通過這些點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].除了光干涉測試所必須的結(jié)構(gòu)外,要達到能夠測試磁頭滑塊在不同半徑、不同入射角下磁頭面測試點的飛行高度以及尋找極大光強和極小光強所對應(yīng)的膜厚,飛行高度測試儀必須具備某些高精度的機械運動.圖1給出了DFHT測試箱中主要部件的布局.玻璃盤及其驅(qū)動電機被安裝在工作臺 1上,工作臺在伺服電機的驅(qū)動下可以沿 X,Y方向移動,以便完成在不同半徑和入射角下的測試工作,模擬硬盤中不同的磁道.其中,懸臂 3、加載驅(qū)動電機 5及其載荷調(diào)節(jié)裝置作為一個整體能夠在電機作用下繞 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,該位置主要是在測試前后完成磁頭組件的安裝、拆卸.測試時首先工作臺搭載著玻璃盤移動到設(shè)定的位置(按照設(shè)定的氣流入射角和半徑自動計算),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 5的驅(qū)動下對磁頭加載.光路系統(tǒng)同樣可以沿著 X,Y兩個方向運動,運動精度和分辨率均高于磁盤工作臺.借助于放大的實時監(jiān)測系統(tǒng)和移動光路系統(tǒng),就可以測試出軸承面上不同點的飛行高度.

圖1 DFHT運動機構(gòu)細節(jié)Fig.1 Details of them echanisms in a DFHT

2 光干涉法測量膜厚的基本原理

光干涉法測量膜厚的基本原理如圖2所示,當光束(Beam 0)入射時,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),另一部分光透過鍍膜并穿過氣膜在磁頭表面發(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.當光垂直入射時,任一點的干涉光強與兩束反射光的光強及該點的潤滑膜厚度之間的關(guān)系[6]為

式中:I為對應(yīng)膜厚點處的光強;I1為光束1的光強;I2為光束2的光強;λ為濾光片輸出光的波長;h為對應(yīng)于磁頭反射點的氣膜厚度;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不連續(xù)造成的,可由式(2)計算

圖2 光干涉法測量膜厚原理圖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,干涉光強也不相同,通過改變 h可以得到極大光強 Imax和極小光強 Imin.利用這兩個參數(shù)可以反推出反射光強

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

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

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

3 測試對象及其飛行姿態(tài)描述

由于讀寫元件光學(xué)特性比較復(fù)雜,無法直接測試其位置點的膜厚.除此之外 DFHT可以測出磁頭軸承面上任意一點的膜厚,在實驗研究中選擇表1中較為典型的測試點和 DFHT坐標系統(tǒng).圖3給出了測試磁頭的測試點分布和坐標系說明.

表1 測試點名稱及坐標(DFHT坐標系)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點即可以確定其飛行姿態(tài).實際中,往往選擇 5個以上的測試點.通過已知的軸承面結(jié)構(gòu)計算讀寫線圈位置的飛行高度和滑塊傾角.為簡單起見,可以假定軸承面為平面,將各點的測試結(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為測試點膜厚,單位為 m.角標的含義: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).各點位置可以通過 DFHT隨機軟件設(shè)置坐標.

4 磁頭結(jié)構(gòu)刻蝕深度變化對飛行姿態(tài)影響的實驗測試

下面對如圖3所示的負壓型磁頭結(jié)構(gòu)進行實驗測試,來考察各個滑塊的臺階深度變化對磁頭飛行姿態(tài)的影響,在實驗測試中主要對系統(tǒng)特性影響較大的次景層深度(shallow recess)和基層深度(main recess)變化進行測試研究.對于每種磁頭,選取 40只樣品分別測試,按式(7)和式(8)計算俯仰角和側(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)造成的實際參數(shù)誤差帶來的影響.

實驗磁頭的幾何尺寸長為 1.24 mm,寬為0.80mm,磁頭厚度為 0.23mm,其所在平面為基準面,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,初時俯仰角為 1.7°,初時側(cè)翻角為 0°.

下面分別對磁頭處于外徑 (OD),中徑(MD)和內(nèi)徑 (ID)區(qū)域飛行時的飛行特性分別進行測試研究.因為磁頭飛行時與磁盤的切向存在一定的角度,所以對磁頭而言,氣流并不是平行磁頭滑塊的長度方向流過,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飛行姿態(tài)的影響

圖5給出次景深度變化對最小特征膜厚、俯仰角和側(cè)翻角的影響.由圖5實驗結(jié)果可以看出隨著次景層深度的變化,測試磁頭的飛行姿態(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,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;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,說明側(cè)翻角對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飛行姿態(tài)的影響

圖6給出基層深度變化對最小特征膜厚、俯仰角和側(cè)翻角的影響.由圖6實驗結(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,但兩者呈明顯的非線性關(guān)系.當基層厚度為 1.4μm時,磁頭最小飛行高度值最小;當基層深度在 1.2μm～ 1.4μm之間區(qū)域時,最小飛行高度呈下降趨勢,而過了拐點以后最小飛行高度又呈明顯的增大趨勢.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.這一點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,從而增大了負壓區(qū)域的影響,相對消弱了正壓區(qū)域的作用.負壓區(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)基層深度變化對側(cè)翻角的影響較小,基本在 0μrad區(qū)域值范圍變化,這一點與次景層深度變化的影響相似.

圖6 基層深度對飛行姿態(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)的形貌對磁頭的飛行特性有重要的影響,在實際的磁頭表面結(jié)構(gòu)設(shè)計中不但要考慮磁頭各個部分的形狀,還要考慮磁頭表面結(jié)構(gòu)刻蝕深度變化對磁頭飛行姿態(tài)的影響.通過合理選擇磁頭各個部分的形狀和刻蝕深度的大小,達到增大磁存儲容量的目的.通過上述實驗測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;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,但過了此點仍呈明顯增大趨勢,而俯仰角呈下降趨勢;③側(cè)翻角對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[J].摩擦學(xué)學(xué)報,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,張蕊,白少先,等.共光路雙頻外差干涉法測量模擬磁頭磁盤靜態(tài)間隙 [J].中國激光,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)