高存儲密度硬盤磁頭-磁盤界面熱效應(yīng)與檢測技術(shù)研究.pdf

1、超高存儲密度的磁存儲硬盤中，磁頭的飛行高度降低到幾納米。在磁頭/磁盤界面的微小間隙下，磁頭與磁盤容易產(chǎn)生接觸摩擦，造成存儲數(shù)據(jù)擦除、讀/寫數(shù)據(jù)出錯或磁頭損壞等。為防止磁頭/磁盤界面接觸，需要對界面間隙和接觸狀態(tài)進行精確檢測和控制。近年來，磁頭氣浮面上內(nèi)嵌式微型熱傳感器檢測技術(shù)的提出，為磁頭/磁盤界面狀態(tài)的控制和檢測提供了可行性方法。該微型熱傳感器主要是基于其溫度響應(yīng)對磁頭/磁盤界面狀態(tài)進行檢測。然而，目前微型熱傳感器溫度響應(yīng)與磁頭/磁盤

2、界面狀態(tài)之間的關(guān)系規(guī)律尚無系統(tǒng)的研究。本文以磁頭/磁盤界面微小間隙狀態(tài)和接觸狀態(tài)下的熱效應(yīng)分析為基礎(chǔ)，對微型熱傳感器的溫度響應(yīng)進行分析，得出微型熱傳感器的溫度響應(yīng)與磁頭/磁盤界面狀態(tài)之間的關(guān)系規(guī)律，為磁頭飛行高度和磁頭/磁盤界面接觸的檢測分析提供判斷依據(jù)。具體的研究內(nèi)容主要分為以下幾方面：
　　基于雷諾方程的FK修正模型，考慮微小間隙下氣體的稀薄效應(yīng)，采用有限單元法對磁頭/磁盤界面微小間隙狀態(tài)下的氣壓及磁頭飛行姿態(tài)進行了分析。另外

3、，建立了磁盤表面微觀缺陷局部區(qū)域的瞬態(tài)氣壓求解模型，分析了磁盤表面微觀缺陷存在時氣浮軸承氣壓的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，磁頭無熱變形時，磁頭讀/寫單元附近區(qū)域的氣壓為5~10倍的標準大氣壓，而當磁頭熱凸起與磁盤表面的間隙降低到1 nm左右時，氣浮軸承的局部氣壓升高到85倍的標準大氣壓；磁盤表面的微觀凸起使其附近局部區(qū)域的氣浮軸承氣壓升高，磁盤表面的微觀凹陷會引起其附近局部區(qū)域的氣浮軸承氣壓降低，但磁盤表面的微觀缺陷引起的磁頭氣浮力變化較小，對

4、磁頭的飛行姿態(tài)影響較小。磁頭/磁盤界面氣壓及磁頭飛行姿態(tài)的相關(guān)分析，為磁頭/磁盤界面微小間隙狀態(tài)下的傳熱特性分析和微型熱傳感器的溫度響應(yīng)分析提供了基礎(chǔ)邊界條件。
　　建立了磁頭/磁盤界面微小間隙狀態(tài)下傳熱特性的結(jié)構(gòu)-流體-熱耦合分析模型，考慮氣/固邊界的溫度跳變，基于能量方程對磁頭/磁盤界面的溫度響應(yīng)進行分析，并通過迭代算法對磁頭的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、氣壓以及磁頭/磁盤界面的傳熱特性進行循環(huán)計算。并建立了磁盤表面微觀缺陷附近局部區(qū)域的瞬時傳

5、熱特性分析模型，分析了磁盤表面微觀缺陷對磁頭/磁盤界面動態(tài)傳熱特性的影響。結(jié)果表明，在熱阻單元加熱和氣浮軸承冷卻的共同作用下，磁頭氣浮面的溫度逐漸升高，但隨著熱阻單元輸入功率的增加，磁頭熱凸起與磁盤表面的間隙逐漸減小，氣浮軸承的冷卻作用逐漸增加，使磁頭氣浮面的溫升逐漸減??；磁盤表面的微觀凸起使磁頭氣浮面上局部區(qū)域的熱流密度升高，而磁盤表面的微觀凹陷引起磁頭氣浮面上局部區(qū)域的熱流密度降低。磁頭/磁盤界面微小間隙狀態(tài)下的傳熱特性分析為該界面

6、狀態(tài)下微型熱傳感器的溫度響應(yīng)分析提供了基礎(chǔ)。
　　建立了磁頭/磁盤碰撞接觸和磁頭/磁盤表面微觀缺陷接觸的有限元熱-彈-塑性耦合分析模型，分析了磁頭/磁盤界面接觸狀態(tài)下的摩擦特性和溫度響應(yīng)。結(jié)果表明，磁頭熱凸起與磁盤表面碰撞接觸時，法向接觸力可達到0.5~5 mN，接觸位置產(chǎn)生350～550 K的瞬時閃溫；磁頭與磁盤表面微觀凸起滑動摩擦過程中，法向接觸力可達到0.07~0.1 mN，讀保護層產(chǎn)生明顯的塑性變形，接觸位置的瞬時閃溫達到

7、500～1000 K。磁頭/磁盤界面接觸狀態(tài)下的摩擦特性和溫度響應(yīng)分析為該界面狀態(tài)下微型熱傳感器的溫度響應(yīng)分析提供了基礎(chǔ)。
　　基于上述不同磁頭/磁盤界面狀態(tài)的相關(guān)特性研究，對磁頭/磁盤界面間隙狀態(tài)和接觸狀態(tài)下熱傳感器的溫度響應(yīng)進行了理論分析和試驗測試，得出了熱傳感器的溫度響應(yīng)與磁頭/磁盤界面狀態(tài)之間的關(guān)系規(guī)律。結(jié)果表明，磁頭熱阻單元加熱時，微型熱傳感器的溫度逐漸升高，隨著磁頭熱凸起逐漸靠近磁盤表面，微型熱傳感器的溫升逐漸減小，而