分子間作用力對超低飛高磁頭動態飛行特性的影響

王玉娟 梁 麗 陳云飛

(1東南大學江蘇省微納醫療器械設計與制造重點實驗室, 南京 211189)

(2東南大學MEMS教育部重點實驗室, 南京 210096)

目前,硬盤在信息存儲領域仍然發揮著主導作用,其表面密度已超過600Gb/in2(1 in2=6.4516 cm2)．硬盤工業界預期的目標是1 Tb/in2,甚至更高．為了達到如此高的存儲密度,磁頭/磁盤間飛高需要降到3.5 nm[1]．理論和實驗證明,在如此低的飛高條件下,分子間作用力對磁頭飛行姿態有顯著影響,易造成頭盤界面失穩,磁頭對激勵的動態響應也變得不平穩[2]．

Chen等[3]研究發現當盤面波紋度和粗糙表面進入頭盤界面時會引起系統振動,如果盤面光滑,則接觸力、摩擦力和分子間作用力不會引起界面振動．Hua等[4-5]研究表明飛高低于3nm時,要提高磁頭飛行穩定性,有必要盡量降低頭盤間分子間作用力和靜電力的影響．此外,Hua等[6]還考慮了溫度和濕度對瞬態飛高的影響,發現高濕、高溫環境時,分子間作用力的影響增強．Ono[7]采用一自由度模型分析了TFC(thermal fly-height control)磁頭振動特性,模型考慮了由于熱作用讀寫元件的變形突出,以及頭盤間分子間黏附力的影響．國內,白少先等[8]分析了磁頭飛高在5nm以下時,分子間作用力對幅頻特性、氣膜剛度等動態特性的影響．李芳芬等[9]在分子間作用力的研究中考慮了Hamaker常數的影響,推導了包含Hamaker常數的分子間作用力公式,并以此為基礎研究了頭盤界面間的潤滑層對分子間作用力的影響．

以上研究多采用頻域分析方法,沒有從時域角度分析分子間作用力對磁頭動態飛行特性的影響．本文采用時域法研究飛高為3.5nm的五體三層式負壓皮米磁頭飛躍盤面矩形凸起障礙時,分子間作用力對其動態飛行姿態的影響,在此基礎上提出降低分子間作用力的方法．研究表明,適當減小磁頭尾部凸緣面積,或者提高磁盤表面質量以降低磁盤面的不平整度,都可以有效降低分子間作用力的不利影響,提高頭盤界面穩定性．

1 基本方程和計算方法

1.1 分子間作用力的計算

分子間作用力主要是由2個靠近分子間電子云之間的相互作用產生的,作用范圍約為10nm．分子間作用力的大小可利用作用能來反映,當分子間距較大時,分子間作用力力表現為吸引力,而當分子間距很小時則表現為強烈的排斥力．頭盤間分子間作用力可用下式計算[10]:

(1)

式中,F1為磁頭與磁盤間的分子間作用力;z為分子間的距離;A=10-19J,B=10-76J·m6,這是壓縮相在真空或大氣中的典型值．式(1)右側第1項是具有吸引性質的力,第2項是排斥力．當磁頭飛高為納米量級時,分子間斥力可忽略．

1.2 磁頭運動學方程

圖1為磁頭飛躍磁盤表面矩形障礙時的飛行姿態示意圖．其飛行姿態可以用最小飛行高度hm、俯仰角α和側傾角β三個參數來描述,分別對應垂直磁盤表面方向的平動、磁頭在磁盤切向方向相對于磁盤面的俯仰運動和磁頭在磁盤徑向相對于磁盤面的側傾運動．通常,硬盤工作時,磁頭受到預載力、氣膜承載力和自身重力作用,磁頭飛行姿態取決于3個力和力矩之間的平衡．磁頭飛高低于5nm時,磁頭與磁盤間作用力的影響因素越來越多．此時,磁頭受到預載力F0、氣膜承載力W、自身重力G及分子間作用力F1的作用．圖1中,XG,YG為磁頭重力的位置,XW,YW為氣膜承載力的位置,H1,L1為盤面凸起的高度和長度,模型中假設凸起的寬度大于整個磁頭寬度．

圖1 磁頭飛越盤面矩形障礙時的飛行姿態示意圖

圖1所示磁頭模型的無量綱化運動學方程組為

(2)

(3)

式中,下標t表示對時間的導數．

1.3 頭盤間氣膜潤滑方程

式(2)中磁頭與磁盤之間的氣膜壓強P由如下的無量綱修正雷諾方程決定:

(4)

邊界條件

p=1X=0和X=1

方程組(2)是二階常微分方程組,先將其轉化為一階方程組,再用三階Runge-Kutta方法求解該一階方程組．方程(4)為不定常的非線性的二階二維偏微分方程,采用控制體方法離散此方程,離散后的方程采用疊加修正多重網格法求解[11]．耦合求解方程(2)和(4),可得到磁頭的飛行姿態．

2 仿真結果與討論

2.1 皮米磁頭模型結構及相關參數

本文采用的是文獻[12]中經過形狀優化的五體三層式負壓皮米磁頭,其結構如圖2所示．磁頭飛浮于盤面上時,在刻蝕較深的① 區,磁頭與磁盤之間的氣膜形成負壓,在刻蝕相對較淺的②區和③區,磁頭與磁盤之間的氣膜形成正壓．磁頭穩態壓強分布見圖3,磁頭幾何參數和初始工作條件見表1．

圖2 皮米磁頭結構圖(單位：nm)

圖3 皮米磁頭穩態壓強分布

表1 磁頭結構參數和工作條件

2.2 分子間作用力對皮米磁頭動態飛行姿態的影響

圖4是皮米磁頭飛躍高度為1nm的盤面凸起障礙時,其飛行姿態隨時間的變化圖．實線是在磁頭受力模型中考慮了分子間作用力的影響,虛線則未考慮分子間作用力的影響．圖中點a對應磁頭尾部凸臺開始飛躍盤面凸起時的時間,點b對應磁頭完全飛出盤面凸起的時間．由圖可知,不考慮分子間作用力影響時,磁頭可以適應盤面凸起的形狀,經過短暫波動后,能夠順利越過盤面障礙,逐漸恢復穩定飛行．考慮分子間作用力時,在點a,當磁頭開始飛躍盤面凸起時,磁頭無法適應盤面凸起,磁頭最小飛行高度、側傾角和俯仰角都直接突降為0,說明此時在各種合力作用下,磁頭直接向盤面俯沖,與盤面碰撞,失去穩定飛行能力．這是由于當磁頭尾部經過凸起障礙時,頭盤間氣膜間隙最小,此處不但氣膜壓強很大,而且分子間作用力隨著頭盤間距的減小急劇增大,且此時分子間作用力表現為引力,從而導致磁頭飛行失穩．因此,在超低飛高磁頭設計中,有必要將分子間作用力的影響引入力學建模中,充分考慮其對磁頭動態飛行特性的影響,盡量避免由于磁頭與盤片碰撞等問題造成的記錄數據丟失等嚴重后果．

圖4 皮米磁頭飛越障礙時飛行姿態的變化(盤面凸起高度為1.0nm)

2.3 降低分子間作用力影響的方法

圖2中A區域是磁頭飛高最低的地方,也是受到分子間作用力的區域,由式(1)可知,減小此區域的面積可以降低磁頭所受的分子間作用力．圖5是磁頭A區域面積縮小為原來的4/9后,磁頭飛躍盤面凸起時磁頭最小飛行高度的波動情況．如圖所示,磁頭開始經過凸起障礙時,磁頭飛高出現波動,但是與圖4(a)相比,磁頭的最大波動幅度幾乎降低了一半；當磁頭尾部經過障礙時(即圖5的點a),磁頭飛高出現突降,并且飛高波動幅度進一步降低,最后順利通過盤面障礙(即圖5的點b),逐步恢復穩態飛行．由此可知,適當減小磁頭尾緣的凸臺面積,能夠降低磁頭飛躍盤面障礙的波動情況,減小分子間作用力的不利影響,提高磁頭飛行穩定性．

圖5 磁頭飛越障礙時最小飛高的變化(盤面凸起高度為1.0nm)

圖6是皮米磁頭飛躍高度為0.5nm的盤面凸起時,其尾部飛高隨時間的變化圖．圖中2條曲線幾乎重合,分子間作用力對磁頭飛行姿態的影響幾乎可以忽略不計．由此可見,提高磁盤的制造精度,從而降低盤面的不平整度,或者提高硬盤腔內的空氣潔凈度,從而降低盤面障礙的高度,也是降低分子間作用力影響的途徑．另外,與圖4(a)相比,可看到磁頭經過盤面障礙時磁頭飛高的波動幅值基本沒變,說明提高盤面質量可以降低分子間作用力的影響,但是對于磁頭飛行穩定性影響不大．

圖6 磁頭飛越障礙時最小飛高的變化(盤面凸起高度為0.5nm)

3 結論

1) 當磁頭飛高為3.5nm甚至更低時,磁頭飛躍盤面凸起障礙時,分子間作用力的影響將導致磁頭失穩,說明在如此低的飛高時,分子間作用力的影響變得非常大,因此在硬盤磁頭設計中應給與足夠重視,在接觸硬盤和局部接觸硬盤中,分子間作用力的影響更是不容忽視．

2) 磁頭氣膜承載面的結構設計,特別是磁頭尾部距盤面最近的凸臺形狀和尺寸的設計對分子間作用力的數值影響較大．在設計時,應盡可能地減小此部分面積以降低分子間作用力,進而降低磁頭飛行波動的幅值,保持磁頭穩態飛行．

3) 提高磁盤表面質量或者硬盤腔內的空氣潔凈度,盡可能減小磁盤面的微小凸起,有助于降低分子間作用力對磁頭穩定飛行的影響,但對于磁頭飛行波動的影響較小．

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