专利名称：硬磁盘驱动器磁头浮动高度测试仪的校准系统和方法
背景信息本发明涉及光学间隙测量工具的校淮。更具体地说，本发明涉及用光学干涉技术校准硬磁盘驱动器磁头浮动高度测试仪的系统。
图1示出典型的硬磁盘驱动器。在硬磁盘驱动器技术领域，读/写磁头常常集成在浮动块102中，浮动块102设计成对随浮动块102在其上移动的旋转磁盘一起运动的气流作出响应。磁头/浮动块102靠近磁盘104的表面”飞行”。在制造这种磁头/浮动块102时常需要测试磁头102的流体动力学特性以改变其性能。重要的是磁头102的移动不能太远离或太靠近磁盘104表面。而且，重要的是要防止磁头102以相对于磁盘表面104的不适当的角度飞行。磁头102在磁盘表面104上过高处飞行，会导致低于所需的面密度。磁头102飞行过低会引起磁头102和磁盘104之间的界面损坏。
为了测试磁头的浮动高度，通常使用浮动高度测试仪。采用光学干涉技术来确定磁头和磁盘之间的距离。将单色光源对准以类似于磁盘的速度旋转的透明的代用盘，例如玻璃盘，将被测试的磁头组件以其相对于磁盘的正常飞行取向固定在支座内。将单色光以相对于磁盘表面的预定角度射向磁盘。光线从最靠近磁头的磁盘表面以及从飞行的磁头本身的表面反射，落到光敏传感器上。
由来自磁盘和浮动块表面的组合反射所形成的干涉效应提供了浮动高度信息。计算机从浮动高度测试仪接收数据并计算可感磁头浮动高度和角度。随着硬磁盘驱动器日益变小和数据存储容量的增加，所需的磁头浮动高度持续下降。所以，浮动高度测试仪的精度，以及其校准，就受到严密的关注。
在本领域，浮动高度测试仪的校准一直是通过使用已知其特性的标准磁头来完成的。但是，在反复使用后，磁头的反射表面和浮动特性会因灰尘、油污或其它外来物质而发生改变。这些污染物会改变用于校准目的的标准件。也可以通过标准件来进行浮动高度测试仪的校准，所述标准件包括衬底，衬底具有淀积在其上的代表磁头的反射层和淀积在反射层上的具有预定厚度的透明层。将标准件放入浮动高度测试仪中，同时，透明层距磁盘有间距并且将单色光射向标准件。这种标准件的缺点是它在磁盘和反射层之间使用透明材料而不是空气。此外，这种标准件不提供沿标准件长度的精确定位。
图2示出本领域已知的另一浮动高度测试仪(光学间隙测量工具)的校准标准件，在授予Li等人的美国专利No.5,453,831中有所说明。使楔形浮动块34保持与透明盘32的接触。将楔形浮动块的一端42升高，在楔形浮动块34和磁盘32之间形成光楔。楔形浮动块34具有第一导轨52和第二导轨54，每个都沿楔形浮动块34的长度方向延伸，并具有面对磁盘32的表面55。第一导轨52具有多个以规则间隔设置的圆柱形部分56。每个圆柱部分56的直径等于浮动高度测试仪的光源72的光束斑直径，因此，可以在任何给定圆柱部分56的位置将光束斑匹配。第二导轨54的宽度大于光束斑的直径，从而为沿其长度进行连续的光楔测量作好准备。第二导轨54在一侧还可以具有多个标记，可以用于确定沿楔形浮动块的长度方向上的进行测量的位置。
为了校准浮动高度测试仪，要在沿其长度方向的多个位置上测量楔形浮动块34和磁盘32之间的距离，并与已知的，或预期的这些位置的浮动高度值进行比较。在多个位置上利用光学干涉技术测量浮动高度。利用楔形浮动块的已知尺寸计算沿楔形浮动块长度方向上各个位置的浮动高度预期值。还需针对在第一和第二导轨的表面映象时所发现的任何表面不规则性，对计算结果进行校正。
这种浮动高度测试仪校准标准的一个缺点是设计的复杂性。制造这样小标度的装置非常困难和昂贵。而且，由于设计复杂，其形式和材料的不规则性的可能性增加了。还有，确定准确的横向测量位置是个问题，在图2所述的设计中加入圆柱形部分56只能部分地解决这个问题(而且增加了设计复杂性)。
这种设计的另一缺点是反射时的相位变化效应。这种困难在以下文章中有所说明文章题目为”Interferometric Measurement ofDisk/Slider SpacingThe Effect of Phase Shift on Reflection”，作者是C.Lacey，T.Shelor，A.J.Cormier和R.E..Talke。此文提出浮动块材料的光学特性会在浮动高度传感器中引入大到20毫微米(nm)的误差。这些同样的问题在校准标准件中也存在。为补偿这些潜在的误差，必需用椭圆对称技术对反射时的相位变化认真建立自己的校准标准。例如，美国专利No.5,454,831建议用和楔形浮动块校准标准件相同的材料制造单独的块。假定这块材料具有和楔形浮动块相同的光学特性，并可用椭圆计或类似的光学仪器来测定其反射相位变化。这一单独的步骤使目前的工艺过程更为复杂，而且又将一些不确定性引入到了校准中。
图3示出本领域已知的另一校准标准件，并在授予Groot等人的美国专利No.5,724,134中有所说明。如图3所示，所述装置主要包括两个元件10、20。元件之一或二者均用基本上是透明的材料制成，例如玻璃等，从而允许利用所述间隙进行光学检测。第一元件的一个表面15基本上是平面，而第二元件的一个表面25是非平面或曲面。曲面25最好是凸球面形。本发明装置的这两个主要元件以这样的方式合并在一起，即，第二元件的曲面基本上与第一元件的平面相接触。由于曲面和平面不能在两个表面中任一表面的整个区域完全接触，所以，接触区域80的面积通常显著地小于两个表面中的任一表面。在接触区域80之外，表面之间的间隙根据第二元件上所述表面的已知几何曲率而变化。
这种设计的一个问题涉及到接触区域(调零区域)中的测量不确定性。在第一元件和第二元件之间有至少3毫米(mm)的接触区域80。这是由于向曲面中心的物理变形的缘故(因第一元件10压向第二元件20而引起)。所述宽的接触区域使相对于校准的测量位置分辨精确的高度信息十分困难。物理变形的大小影响着所得到的校准数据。
图4示出在校准标准件(如’134专利所述)中发生的表面变形的负面影响的一个实例。如图4a所示，用极小的压力和轻微的变形，在曲面表面中心402处校准标准件就会提供零读数(在x＝6mm时z＝0nm)。通过比较，若中心表面有更大的变形，就更难分辨接触位置。此曲线实际上在4.5和7.5之间显示了负高度值(见参考编号404)。一旦第一元件10固定到第二元件20上(通常通过粘接剂)，变形也就固定。在这种变形的情况下，测量这种小间隙时，要测定接触点在什么地方就非常困难。
所以需要有一种能避免上述问题并具有附加好处的用于校准浮动高度测试仪的系统。
附图的简要说明图1示出典型的硬磁盘驱动器。
图2示出本领域已知的另一浮动高度测试仪(光学间隙测量工具)校准标准件。
图3示出本领域已知的另一校准标准件。
图4示出在校准标准件中发生的表面变形的负面影响实例。
图5示出按照本发明实施例的浮动高度测试仪的校准标准件。
图6示出利用按照本发明实施例的校准标准件对浮动高度测试仪进行校准。
详细说明图5示出按照本发明实施例的浮动高度测试仪的校准标准件。如图5d所示，在本实施例中，由倾斜的模拟浮动块50形成楔形空气间隙55，模拟浮动块50具有三个凸块(支撑梁)52、53、54，每一个都用诸如模型金刚石碳(Pattern Diamond-Like Carbon(PDLC))等材料制成。支撑梁52、53、54与基本上光滑的透明模拟磁盘10相接触。在一个实施例中，模拟磁盘10实际上是盘形的。模拟磁盘10可以是例如玻璃等透明材料的。在一个实施例中，用悬臂40来确保梁52、53、54与模拟磁盘10的接触。
如图5b所示，在一个实施例中，模拟浮动块50是矩形的。如图5a所示，在另一个实施例中，模拟浮动块50是三角形的。模拟浮动块50可以是磁头衬底。在一个实施例中，可以通过薄膜化学淀积把模拟记录磁头(未示出)涂敷在模拟浮动块50上。
如图5c所示，在一个实施例中，三个梁52、53、54的高度(实际高度)是不同的。在一个实施例中，三个梁中有两个(52、53)具有基本上相同的高度。可以通过例如原子力显微镜(AFM)等工具来测量它们的长度。知道了三个梁52、53、54中每个梁的实际长度，就有可能求出在任一点上模拟浮动块50和模拟磁盘10之间的距离(实际高度)(以下说明)。模拟浮动块50经由梁52、53、54与磁盘10相接触就防止了上述调零问题(变形)。
在一个实施例中，通过首先将标准件100插入到测试仪中来校准浮动高度测试仪(未示出)。在沿模拟浮动块50的长度方向的多个位置处测量模拟浮动块50和模拟磁盘10之间的距离(测量距离)，并与这些位置的已知或预期的浮动高度值(实际距离)进行比较。测量高度(测量距离)可以用已知的光学干涉技术进行测量。如下所述，可以利用梁52、53、54的实际长度来计算沿模拟浮动块50的长度方向的每个位置的实际距离。在一个实施例中，然后可以利用例如轮廓测定器(profilometer)等工具来对所述计算结果进行关于在条(bar)/浮动块的表面映象时所发现的任何表面不规则性的校正。所获得的表面不规则性信息可以由计算机利用来提供校正函数或一系列校正系数。
如图5d所示，在一个实施例中，校准标准件100的内部由外壳70保护，免受污染。在一个实施例中，外壳70通过连接装置例如螺钉91、92固定到夹具81、82上。在此实施例中，夹具81、82通过例如粘接剂等材料固定到模拟磁盘上。在一个实施例中，模拟浮动块50通过梁52、53、54与模拟磁盘10相接触。通过悬臂40的弹簧力(预加载的弯曲)(维持接触所需的力的大小)使模拟浮动块50与模拟磁盘保持接触。
如图5d所示，在一个实施例中，高度基本相同的三个支撑凸块42、43、44位于悬臂40上。在此实施例中，每个支撑凸块42、43、44都位于模拟浮动块50上相应的支撑梁52、53、54的正下方。在一个实施例中，悬臂40具有两个定位销45、46，用于维持模拟浮动块50在悬臂40上的位置。在一个实施例中，定位销45、46比支撑凸块42、43、44上方的模拟浮动块50的表面要短一些(到达较低的点)。
图6示出利用按照本发明实施例的校准标准件对浮动高度测试仪进行校准。梁52、53、54的高度差形成模拟浮动块表面51和模拟磁盘表面12之间的角度‘a’。沿模拟浮动块50长度方向的水平位置用变量‘y’表示，从y＝0到y＝L(在图6c中示出的x，y，z轴)。模拟磁盘表面12和模拟浮动块50之间的垂直距离(或浮动高度)用变量‘h’表示。浮动高度h随y变化，从y＝0的‘h1’到y＝L的‘h2’。
在本发明的一个实施例中，如图6a所示，为校准浮动高度测试仪，将校准标准件100放入浮动高度测试仪中代替测试仪的处在测试仪的光源60下面的玻璃盘(未示出)。校准浮动高度测试仪时，由测试仪在沿模拟浮动块长度(y轴)方向的多个点处进行高度测量。将所测量的距离与这些点的已知(或预期)数值(实际距离)进行比较。在一个实施例中，利用线性转换器和计算机来确定标准件100的位置。
在此实施例中，在每一个测量点，由光源60将单色光射向(透明)模拟磁盘10，如图6a所示。光线68a打到磁盘10上，以角度2入射到第一模拟磁盘表面11，并且继续穿过(玻璃)磁盘10沿通路68b到达第二模拟磁盘表面12，在此光线分裂并且部分地被反射。反射部分沿通路68c穿过磁盘10到达第一表面11，并沿通路68d到达浮动高度测试仪的传感器(未示出)。其余光线沿通路68e到模拟浮动块表面51，在此通过通路68f反射到模拟磁盘10。光线打到模拟磁盘10的第二表面12，沿通路68g穿过磁盘10，并沿通路68h到达测试仪传感器(未示出)。在空气/磁盘界面处通路之间的轻微角度偏差是由于Snell效应造成的。为图示清晰起见，图6a中的高度h1、h2以及入射角2都被夸大了。在典型的浮动高度测试仪的情况下，通路68a实际上基本上垂直于模拟磁盘表面11。在本发明的一个实施例中，高度Hd＝h2-h1在12和13微英寸之间，而长度L在0.045和0.1英寸之间。
在一个实施例中，利用以下立体几何方程Ha-Hb2WX+2Hc-Ha-Hb2LY+Z-Hc=0,]]>并设Ha＝Hb＝H，得到Z=H-HcLY+Hc.]]>而且，在此实施例中，角度a可以从cosα=1(Hc-HL)2+1]]>中求出。在实施例中，角度a小于0.01098°。
在此实施例中，梁52、53、54是圆柱形，每个梁的直径为394微英寸(10微米)，具有半球形尖端以便将表面接触面积减至最小。如上所述，在一个实施例中，这些梁是用模型金刚石碳(PatternDiamond-Like Carbon(PDLC))等材料，通过淀积或离子镀等方法形成的，其高度由淀积/离子镀的时间控制。
为了克服设计/制造复杂性等先有技术的问题，本发明的实施例仅需要模拟浮动块50的基本上平整的平面(可与‘831专利提供的复杂设计相比较)。为了克服先有技术的调零问题，本发明的实施例避免在模拟浮动块50和模拟磁盘10之间有接触(通过使用支撑梁52、53、54)。为了克服先有技术中测量位置识别的困难，在一个实施例中，在模拟浮动块604的面对模拟磁盘(未示出)的表面上设置测量刻度标记602，如图6d和6e所示。
虽然本文已具体地图示和说明了若干个实施例，但应理解对本发明的各项修改和变化包括在上述内容和所附权利要求书的范围之内，不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于校准间隙测量工具的方法，所述方法包括提供校准标准件，它包括模拟磁盘和具有多个支撑梁的模拟浮动块，每个所述梁具有各自的已知的长度，且所述多个梁在所述浮动块和所述磁盘之间分隔开并维持一定的间隔；根据所述梁的所述各自的已知的长度，确定多个位置上所述浮动块和所述磁盘之间的实际距离；在一个或多个所述位置确定所述浮动块和所述磁盘之间的观测距离；以及比较在每个所述位置上的所述观测距离和所述实际距离。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述浮动块和所述磁盘之间的所述间隙是楔形间隙。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述间隙测量工具是硬磁盘驱动器磁盘浮动高度测试仪。
4.如权利要求1所述的方法，其中还包括根据对所述观测距离和所述实际距离的所述比较，调节所述间隙测量工具。
5.如权利要求1所述的方法，其中还包括确定所述观测距离和所述实际距离之间的差别；以及根据所述差别调节所述间隙测量工具。
6.如权利要求1所述的方法，其中还包括设置用于将所述浮动块固定到所述磁盘上的悬臂，以便维持所述浮动块相对于所述磁盘的位置。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述悬臂包括多个定位销，所述多个定位销能够接纳所述浮动块并且将所述浮动块维持在相对于所述磁盘的适当的取向上，所述磁盘由所述悬臂压向所述磁盘上。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述浮动块和所述悬臂一般封装在所述校准标准件中。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述支撑梁是模型金刚石碳(Pattern Diamond-Like Carbon(PDLC))。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述模拟浮动块是磁头/浮动块衬底。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述浮动块包括保护涂层薄膜。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述模拟磁盘是光学透明盘。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述盘是玻璃盘。
14.如权利要求1所述的方法，其中采用光学干涉技术来进行所述浮动块和所述磁盘之间的所述观测距离的所述测定。
15.如权利要求14所述的方法，其中还包括在所述浮动块的面对所述磁盘的表面上设置一个或多个测量刻度标记，每个所述标记与距所述磁盘的相应的实际距离相关联。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述观测距离与所述实际距离的所述比较包括将与刻度标记关联的所述实际距离与在所述位置的观测距离进行比较。
17.一种用于校准间隙测量工具的系统，所述系统包括校准标准件，它包括模拟磁盘和模拟浮动块，所述模拟浮动块包括多个支撑梁，其中每个所述支撑梁具有各自的已知长度，所述各自的一致长度用于确定多个位置上所述浮动块和所述磁盘之间的实际距离；所述多个梁在所述浮动块和所述磁盘之间分隔开并且维持所述浮动块和所述磁盘之间的间隙；以及所述校准标准件用于确定一个或多个所述位置上所述浮动块和所述磁盘之间的观测距离，以便在每个所述位置上的所述观测距离和所述实际距离之间进行比较。
18.如权利要求17所述的系统，其中在所述浮动块和所述磁盘之间的所述间隙是楔形间隙。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述间隙测量工具是硬磁盘驱动器磁盘浮动高度测试仪。
20.如权利要求17所述的系统，其中根据在所述观测距离和所述实际距离之间进行的比较对所述间隙测量工具进行调节。
21.如权利要求17所述的系统，其中所述观测距离和所述实际距离之间的差别用来调节所述间隙测量工具。
22.如权利要求17所述的系统，其中悬臂用于将所述浮动块固定到所述磁盘上并用以维持所述浮动块相对于所述磁盘的位置。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述悬臂包括多个定位销，所述多个定位销能够接纳所述浮动块并维持所述浮动块相对于所述磁盘的适当取向，所述磁盘由所述悬臂压向所述磁盘。
24.如权利要求22所述的系统，其中所述浮动块和所述悬臂一般都封装在所述校准标准件中。
25.如权利要求17所述的系统，其中所述支撑梁是模型金刚石碳(Pattern Diamond-Like Carbon(PDLC))。
26.如权利要求17所述的系统，其中所述浮动块是楔形浮动块。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述浮动块包括保护涂层薄膜。
28.如权利要求17所述的系统，其中所述模拟磁盘是光学透明盘。
29.如权利要求28所述的系统，其中所述盘是玻璃盘。
30.如权利要求17所述的系统，其中通过光学干涉技术来测定所述浮动块和所述磁盘之间的所述观测距离。
31.如权利要求30所述的系统。其中所述浮动块在面对所述磁盘的浮动块表面上具有一个或多个测量刻度标记，每个所述标记与距所述磁盘的相应的实际距离相关联。
32.如权利要求31所述的系统，其中在所述观测距离和所述实际距离之间的所述比较包括把与刻度标记关联的所述实际距离与在所述位置的观测距离相比较。
全文摘要
公开了一种用于通过光学干涉技术、采用包括模拟浮动块和模拟磁盘的校准标准件来校准硬磁盘驱动器磁头浮动高度测试仪的系统和方法。
文档编号H04Q7/38GK1695181SQ02829857
公开日2005年11月9日 申请日期2002年11月4日 优先权日2002年11月4日
发明者李宇, 胡远展 申请人:新科实业有限公司