分子間作用力對(duì)超低飛高磁頭動(dòng)態(tài)飛行特性的影響

王玉娟 梁 麗 陳云飛

(1東南大學(xué)江蘇省微納醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)

(2東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

目前,硬盤在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域仍然發(fā)揮著主導(dǎo)作用,其表面密度已超過(guò)600Gb/in2(1 in2=6.4516 cm2)．硬盤工業(yè)界預(yù)期的目標(biāo)是1 Tb/in2,甚至更高．為了達(dá)到如此高的存儲(chǔ)密度,磁頭/磁盤間飛高需要降到3.5 nm[1]．理論和實(shí)驗(yàn)證明,在如此低的飛高條件下,分子間作用力對(duì)磁頭飛行姿態(tài)有顯著影響,易造成頭盤界面失穩(wěn),磁頭對(duì)激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也變得不平穩(wěn)[2]．

Chen等[3]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)盤面波紋度和粗糙表面進(jìn)入頭盤界面時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)振動(dòng),如果盤面光滑,則接觸力、摩擦力和分子間作用力不會(huì)引起界面振動(dòng)．Hua等[4-5]研究表明飛高低于3nm時(shí),要提高磁頭飛行穩(wěn)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(duì)瞬態(tài)飛高的影響,發(fā)現(xiàn)高濕、高溫環(huán)境時(shí),分子間作用力的影響增強(qiáng)．Ono[7]采用一自由度模型分析了TFC(thermal fly-height control)磁頭振動(dòng)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(guó)內(nèi),白少先等[8]分析了磁頭飛高在5nm以下時(shí),分子間作用力對(duì)幅頻特性、氣膜剛度等動(dòng)態(tài)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(shù)的影響,推導(dǎo)了包含Hamaker常數(shù)的分子間作用力公式,并以此為基礎(chǔ)研究了頭盤界面間的潤(rùn)滑層對(duì)分子間作用力的影響．

以上研究多采用頻域分析方法,沒(méi)有從時(shí)域角度分析分子間作用力對(duì)磁頭動(dòng)態(tài)飛行特性的影響．本文采用時(shí)域法研究飛高為3.5nm的五體三層式負(fù)壓皮米磁頭飛躍盤面矩形凸起障礙時(shí),分子間作用力對(duì)其動(dòng)態(tài)飛行姿態(tài)的影響,在此基礎(chǔ)上提出降低分子間作用力的方法．研究表明,適當(dāng)減小磁頭尾部凸緣面積,或者提高磁盤表面質(zhì)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(wěn)定性．

1 基本方程和計(jì)算方法

1.1 分子間作用力的計(jì)算

分子間作用力主要是由2個(gè)靠近分子間電子云之間的相互作用產(chǎn)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(lái)反映,當(dāng)分子間距較大時(shí),分子間作用力力表現(xiàn)為吸引力,而當(dāng)分子間距很小時(shí)則表現(xiàn)為強(qiáng)烈的排斥力．頭盤間分子間作用力可用下式計(jì)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(cè)第1項(xiàng)是具有吸引性質(zhì)的力,第2項(xiàng)是排斥力．當(dāng)磁頭飛高為納米量級(jí)時(shí),分子間斥力可忽略．

1.2 磁頭運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

圖1為磁頭飛躍磁盤表面矩形障礙時(shí)的飛行姿態(tài)示意圖．其飛行姿態(tài)可以用最小飛行高度hm、俯仰角α和側(cè)傾角β三個(gè)參數(shù)來(lái)描述,分別對(duì)應(yīng)垂直磁盤表面方向的平動(dòng)、磁頭在磁盤切向方向相對(duì)于磁盤面的俯仰運(yùn)動(dòng)和磁頭在磁盤徑向相對(duì)于磁盤面的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)．通常,硬盤工作時(shí),磁頭受到預(yù)載力、氣膜承載力和自身重力作用,磁頭飛行姿態(tài)取決于3個(gè)力和力矩之間的平衡．磁頭飛高低于5nm時(shí),磁頭與磁盤間作用力的影響因素越來(lái)越多．此時(shí),磁頭受到預(yù)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(zhǎng)度,模型中假設(shè)凸起的寬度大于整個(gè)磁頭寬度．

圖1 磁頭飛越盤面矩形障礙時(shí)的飛行姿態(tài)示意圖

圖1所示磁頭模型的無(wú)量綱化運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組為

(2)

(3)

式中,下標(biāo)t表示對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)．

1.3 頭盤間氣膜潤(rùn)滑方程

式(2)中磁頭與磁盤之間的氣膜壓強(qiáng)P由如下的無(wú)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(zhuǎn)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(wǎng)格法求解[11]．耦合求解方程(2)和(4),可得到磁頭的飛行姿態(tài)．

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 皮米磁頭模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

本文采用的是文獻(xiàn)[12]中經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化的五體三層式負(fù)壓皮米磁頭,其結(jié)構(gòu)如圖2所示．磁頭飛浮于盤面上時(shí),在刻蝕較深的① 區(qū),磁頭與磁盤之間的氣膜形成負(fù)壓,在刻蝕相對(duì)較淺的②區(qū)和③區(qū),磁頭與磁盤之間的氣膜形成正壓．磁頭穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)分布見(jiàn)圖3,磁頭幾何參數(shù)和初始工作條件見(jiàn)表1．

圖2 皮米磁頭結(jié)構(gòu)圖(單位：nm)

圖3 皮米磁頭穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)分布

表1 磁頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作條件

2.2 分子間作用力對(duì)皮米磁頭動(dòng)態(tài)飛行姿態(tài)的影響

圖4是皮米磁頭飛躍高度為1nm的盤面凸起障礙時(shí),其飛行姿態(tài)隨時(shí)間的變化圖．實(shí)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(diǎn)a對(duì)應(yīng)磁頭尾部凸臺(tái)開始飛躍盤面凸起時(shí)的時(shí)間,點(diǎn)b對(duì)應(yīng)磁頭完全飛出盤面凸起的時(shí)間．由圖可知,不考慮分子間作用力影響時(shí),磁頭可以適應(yīng)盤面凸起的形狀,經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)后,能夠順利越過(guò)盤面障礙,逐漸恢復(fù)穩(wěn)定飛行．考慮分子間作用力時(shí),在點(diǎn)a,當(dāng)磁頭開始飛躍盤面凸起時(shí),磁頭無(wú)法適應(yīng)盤面凸起,磁頭最小飛行高度、側(cè)傾角和俯仰角都直接突降為0,說(shuō)明此時(shí)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(wěn)定飛行能力．這是由于當(dāng)磁頭尾部經(jīng)過(guò)凸起障礙時(shí),頭盤間氣膜間隙最小,此處不但氣膜壓強(qiáng)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(shí)分子間作用力表現(xiàn)為引力,從而導(dǎo)致磁頭飛行失穩(wěn)．因此,在超低飛高磁頭設(shè)計(jì)中,有必要將分子間作用力的影響引入力學(xué)建模中,充分考慮其對(duì)磁頭動(dòng)態(tài)飛行特性的影響,盡量避免由于磁頭與盤片碰撞等問(wèn)題造成的記錄數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重后果．

圖4 皮米磁頭飛越障礙時(shí)飛行姿態(tài)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(qū)域是磁頭飛高最低的地方,也是受到分子間作用力的區(qū)域,由式(1)可知,減小此區(qū)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(qū)域面積縮小為原來(lái)的4/9后,磁頭飛躍盤面凸起時(shí)磁頭最小飛行高度的波動(dòng)情況．如圖所示,磁頭開始經(jīng)過(guò)凸起障礙時(shí),磁頭飛高出現(xiàn)波動(dòng),但是與圖4(a)相比,磁頭的最大波動(dòng)幅度幾乎降低了一半；當(dāng)磁頭尾部經(jīng)過(guò)障礙時(shí)(即圖5的點(diǎn)a),磁頭飛高出現(xiàn)突降,并且飛高波動(dòng)幅度進(jìn)一步降低,最后順利通過(guò)盤面障礙(即圖5的點(diǎn)b),逐步恢復(fù)穩(wěn)態(tài)飛行．由此可知,適當(dāng)減小磁頭尾緣的凸臺(tái)面積,能夠降低磁頭飛躍盤面障礙的波動(dòng)情況,減小分子間作用力的不利影響,提高磁頭飛行穩(wěn)定性．

圖5 磁頭飛越障礙時(shí)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(shí),其尾部飛高隨時(shí)間的變化圖．圖中2條曲線幾乎重合,分子間作用力對(duì)磁頭飛行姿態(tài)的影響幾乎可以忽略不計(jì)．由此可見(jiàn),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(nèi)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(jīng)過(guò)盤面障礙時(shí)磁頭飛高的波動(dòng)幅值基本沒(méi)變,說(shuō)明提高盤面質(zhì)量可以降低分子間作用力的影響,但是對(duì)于磁頭飛行穩(wěn)定性影響不大．

圖6 磁頭飛越障礙時(shí)最小飛高的變化(盤面凸起高度為0.5nm)

3 結(jié)論

1) 當(dāng)磁頭飛高為3.5nm甚至更低時(shí),磁頭飛躍盤面凸起障礙時(shí),分子間作用力的影響將導(dǎo)致磁頭失穩(wěn),說(shuō)明在如此低的飛高時(shí),分子間作用力的影響變得非常大,因此在硬盤磁頭設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),特別是磁頭尾部距盤面最近的凸臺(tái)形狀和尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)分子間作用力的數(shù)值影響較大．在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能地減小此部分面積以降低分子間作用力,進(jìn)而降低磁頭飛行波動(dòng)的幅值,保持磁頭穩(wěn)態(tài)飛行．

3) 提高磁盤表面質(zhì)量或者硬盤腔內(nèi)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(duì)磁頭穩(wěn)定飛行的影響,但對(duì)于磁頭飛行波動(dòng)的影響較小．

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