CN101794581B - 一种硬盘设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬盘设备，包括磁头和盘体，其中磁头和盘体具有低摩擦的原子级光滑表面。所述低摩擦的原子级光滑表面包括单层石墨烯、二硫化钼、铋、钼、云母等。利用原子级光滑表面间的范德华力作为柔性支撑，大大降低磁头和盘体间距，相应地提高了磁盘的存储密度，能够实现对硬盘的接触式读写。同时，由于原子级光滑表面间极低摩擦系数可以轻易实现极高转速，因此能够提高硬盘数据读写速度。此外，通过本发明能够很好的解决传统硬盘在耐高低温、防震、防冲击等方面的缺陷，大大提高硬盘的稳定性。

Description

一种硬盘设备

技术领域

本发明涉及大容量存储设备，尤其是涉及一种基于低摩擦的原子级光滑表面的硬盘设备。

背景技术

目前的硬盘存储器都有以下特点：磁头、盘片及运动机构密封；固定并高速旋转的镀磁盘片表面平整光滑；磁头沿盘片径向移动；磁头对盘片接触式启停，但工作时呈飞行状态不与盘片直接接触。磁头在停止工作时，与磁盘是接触的，但是在工作时呈飞行状态。

随着信息产业的发展，人类对于各式各样信息技术的需求不断上升，诸如对信息处理的速度、信息传输的速度、人机界面的速度等等的需求永远不会满足于现状。因此，人类对于信息存储量的需求也是一样，需要快速、超高密度、稳定的读写的永久存储。

硬盘的存储由磁性材料上的双稳态磁单元组成，以滑动的磁头移动到存储位置达到读写的目的。磁单元为自然的双稳态，若非读写失误，信息基本上可以永久存储。磁单元的存储密度由原子分子的特性决定，硬盘的读写是一种近场机制，就像原子力显微镜的极限分辨率是单原子大小一样，硬盘的存储密度还有非常大的发展潜力，其终极密度将远远超过目前已开发量，而且随着需求的上升，还会有更好的材料出现。但是为了获得足够的分辨率，硬盘磁头大小必须和硬盘单位的磁单元大小相当。因此随着存储密度的不断增加，磁头的大小也在不断减小。然而存储单元和磁头的减小会降低硬盘读写时的信号强度，而为了保证磁头具有足够的灵敏性，就必须不断降低磁头和盘体磁性材料之间的间距。目前硬盘的读写都是采用磁头悬浮在盘体上方几纳米高度的空气悬浮式读写技术，降低磁头和盘体磁性材料的高度主要通过合理设计磁头外形以降低飞行高度和选取合理的保护层、润滑层材料以降低这两层厚度来实现。然而按照悬浮式读写技术条件，要想达到1Tbits/in²的存储密度，磁头的飞行高度必须小于3.5纳米。如果进一步降低磁头和磁性单元的距离将受到两方面的制约：一方面由于硬盘采用空气悬浮式读写技术，磁头在读写过程中悬浮在盘体上方，磁头和盘体的振动，空气悬浮轴承本身的稳定性要求磁头有一定的飞行高度；另一方面磁头需要保护层，盘体磁性材料需要保护层和润滑层，这三层材料都需要一定的厚度，同样制约着磁头和磁性材料距离的降低。

另外，随着计算机整体性能的大幅提高，尤其是随着高速接口技术的快速发展，硬盘的读写速度已明显落后于其他器件，成为计算机系统发展的瓶颈。目前主流硬盘传输性能的提升主要是靠提高磁盘转速和记录密度来实现。但是磁盘转速的提高受限于很多因素：如硬盘的机械结构、盘体的振动、空气悬浮轴承的阻尼和稳定性、驱动马达寿命等，已经没有太大的提升空间了。而根据前面分析磁盘记录密度的提高受限于读写信号强度以及磁单元材料性质，也很难在短期内有重大提高。因此需要提出一种能够直接降低飞行高度的硬盘设备，使其不仅能够实现磁头与盘体进行接触式读写，而且还能够获得读写速度大幅提高。

此外，读写稳定性是衡量硬盘性能的另外一个重要指标。一般计算机(尤其工业用计算机)上的硬盘都无法避免震动，高低温，高海拔等恶劣环境。硬盘在这些恶劣条件下，不但使用寿命会缩短，而且可能会因为突发故障影响日常生产生活。另外，传统硬盘在跌落等冲击载荷下也很容易损坏，影响数据安全性。

发明内容

为了克服上述制约现有硬盘技术的瓶颈问题之一，本发明提出了一种新的硬盘设备。该技术利用具有低摩擦的原子级光滑表面的材料覆盖磁头和盘体以及利用该原子级光滑表面间范德华力来降低磁头和盘体间距，可以实现超高密度、超高读写速度和高稳定性的新一代硬盘。

为达到上述目的，本发明提供了如下所述的技术方案。一种硬盘设备，包括磁头和盘体，所述磁头和所述盘体具有低摩擦的原子级光滑表面。

在本发明的一个实施例中，所述低摩擦的原子级光滑表面包括单层石墨烯、二硫化钼、铋、钼、云母之一。

在本发明的另一个实施例中，所述盘体具有覆盖整个盘体的低摩擦的原子级光滑表面。

在本发明的另一个实施例中，所述盘体具有覆盖所述磁道部分的低摩擦的原子级光滑表面。

在本发明的另一个实施例中，在读取数据时，所述磁头与所述盘体之间的距离保持在1纳米之内。

一种磁盘设备，包括盘体和与盘体相对应的传动臂，以及设置在所述传动臂末端的磁头阵列，所述磁头阵列包括与所述盘体的磁道数目相对应的多个磁头，所述多个磁头的间隔与所述磁道间隔相对应，所述多个磁头具有低摩擦的原子级光滑表面，所述盘体具有覆盖所述磁道部分的低摩擦的原子级光滑表面。

在本发明的又一个实施例中，所述低摩擦的原子级光滑表面包括单层石墨烯、二硫化钼、铋、钼、云母之一。

在本发明的又一个实施例中，在读取数据时，所述磁头和所述盘体间距保持在1纳米之内。

在本发明的又一个实施例中，所述盘体为非圆形，在读取数据时，所述传动臂相对于所述盘体进行移动。

在本发明的又一个实施例中，所述硬盘设备还包括以一主轴为中心设置的多个圆形盘体，所述传动臂包括与盘体相对应的多个传动臂，在读取数据时，所述盘体以主轴为中心进行旋转。

一种硬盘设备，包括多个盘体和与所述盘体相对应的多个圆盘式读写头，所述盘体和所述圆盘式读写头交替布置在同一个主轴上，主轴和驱动电机连接；其中每个所述圆盘式读写头包括与所对应的盘体的磁道数目相对应的多个环形读写头，各环形读写头位于一同心圆上，每个环形读写头包括多个磁头，其中每个环形读写头和磁盘的一个磁道对应。

通过上述的技术方案，本发明具有以下优点：

1、利用原子级光滑表面间的范德华力作为柔性支撑，大大降低磁头和盘体间距，相应地提高了磁盘的存储密度，能够实现对硬盘的接触式读写。

2、原子级光滑表面间极低摩擦系数可以轻易实现极高转速，提高硬盘数据读写速度。

3、自动寻道多读写头并行读写，消除了寻道时间，提高读写速度。

4、可以很好的解决传统硬盘在耐高低温、防震、防冲击等方面的缺陷，大大提高硬盘的稳定性。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施例的硬盘设备的结构图；

图2是根据本发明的石墨烯范德华柔性支撑轴承受力随层间距变化图；

图3是根据本发明的另一优选实施例的能够转动读写的硬盘设备的结构图；

图4是根据本发明的另一优选实施例的能够滑动读写的硬盘设备的结构图；

图5是根据本发明的石墨烯圆盘单位面积回复力随两圆盘偏心距变化图；

图6是根据本发明的一个实施例的同心圆阵列读写头的硬盘设备剖面图以及

图7是根据本发明进行并行读写数据时的数据分块示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更加详细地描述根据本发明的硬盘设备的具体实施例。

本发明利用设置在硬盘设备的磁头和盘体上的低摩擦的原子级光滑表面提供磁头和盘体之间的范德华柔性支撑，具体来说，如图1所示，根据本发明的实施例的硬盘设备，包括磁头和盘体，其中磁头和盘体具有低摩擦的原子级光滑表面。其中，所述原子级光滑表面包括单层石墨烯、二硫化钼、铋、钼、云母等之一。

由于盘体和磁头都具有低摩擦的原子级光滑表面，依靠它们之间的范德华相互作用可以支撑磁头在盘体上高速滑动，从而提高磁盘的稳定性。下面就以单层石墨烯为例来详细说明磁头与磁盘的接触式受力原理：

两层石墨上任意两个碳原子间的范德华相互作用可以用6/12形式的Lennard-Jones势描述：

$E_{\mathrm{ij}}=4\mathrm{\ϵ}[{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{ij}}}\right)}^{12}-{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{ij}}}\right)}^6]$

$F_{\mathrm{ij}}=-\frac{{\∂E}_{\mathrm{ij}}}{\∂{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}}=48\mathrm{\ϵ}[{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{ij}}}\right)}^{12}-\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{ij}}}\right)}^6]\frac{{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}}{{r_{\mathrm{ij}}}^2}$ (1)

其中r_ij表示上层碳原子i和下层碳原子j的间距，E_ij表示两个碳原子之间的范德华相互作用能量，F_ij表示两个碳原子之间的受力，ε＝0.00284电子伏，σ＝3.4埃。

对于上下两层石墨间的受力可以通过对上下两层碳原子的连续化近似，积分得到：

$E={\mathrm{\ρ}}^2\underset{S_1}{\∫}\underset{S_2}{\∫}4\mathrm{\ϵ}[{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r}\right)}^{12}-{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r}\right)}^6]{\mathrm{ds}}_1{\mathrm{ds}}_2$

$F=-\frac{\∂E}{\∂z}$ (2)

其中ρ表示石墨层内碳原子的数密度，S₁，S₂分别表示上下两个石墨表面，ds₁，ds₂上下两层石墨的面积微元，r表示上下两个石墨平面两面积微元间距，z表示两层石墨间距，E两层石墨的能量，F两层石墨受力。

通过数值计算得到两层石墨之间的支撑力随石墨间距的变化如图2所示。通过此图可以发现两层石墨间距极小的变化就会产生10⁹帕量级的回复力，远远超过其它材料能产生的回复力，这样在不加任何外部约束和控制的情况下，可以保证在读写过程中磁头与盘体保持小于1纳米，最优为大约0.34纳米的稳定高度。因此石墨层间的范德华柔性支撑可以给接触式读写技术提供足够的支撑强度，保证磁头在读写过程中一直保持在最佳的高度，这是接触式读写技术的关键。同时由于石墨层间摩擦非常低(摩擦系数～0.001)，面内热导非常高(5000瓦/米.度)，因此保证了接触式读写技术即使在硬盘转速非常高的情况下，都不会因为过热而被损坏。

以上仅以单层石墨烯为例对本发明的第一实施例进行了描述，应该知道本发明的低摩擦原子级光滑表面不仅限于上述材料，具有上述性质的任何材料，包括但不限于二硫化钼、铋、钼、云母等均可以用于本发明的硬盘设备，这些均不脱离本发明的保护范围。

特别地，可以在整个盘体上覆盖低摩擦的原子级光滑表面。由于低摩擦的原子级光滑表面具有完美的平面结构、良好的化学稳定性、优异的导热性，因此使用这种低摩擦的原子级光滑表面可以取代传统硬盘上的保护层和润滑层，或者将该低摩擦的原子级光滑表面覆盖在保护层和润滑层上，能够大大降低涂层厚度；并且还能够降低磁头和盘体磁性材料之间的间距，为硬盘密度的提高提供足够的空间。此外，现有硬盘设备中的寻道和伺服系统可以适应性地应用于本发明的硬盘设备中。这对于本领域的技术人员而言是容易实现的。

可以通过如下的方式制备在整个盘体覆盖具有低摩擦原子级光滑表面的盘体，对盘体覆盖石墨烯的加工工艺可以利用目前成熟的外延生长石墨烯技术，在单晶铜或者镍基底上外延生长一层石墨烯。然后利用目前广泛应用的石墨烯转移技术把石墨烯转移到盘体上，从而在硬盘的盘体上实现石墨烯涂层。利用这层石墨覆盖或者取代传统硬盘盘体上的保护层和润滑层以及磁头上的保护层，实现硬盘的接触式读写技术，控制磁头和盘体磁性材料的间距在1纳米之内，从而提高分辨率，减小磁头的大小。在此基础上可以把盘体的磁单元做小，实现10Tbits/in²的存储密度。同时由于磁头和盘体磁单元的距离小于1纳米，具有足够的灵敏度，保证硬盘数据的正常读取。

优选地，也可以仅在磁道上面覆盖该低摩擦的原子级光滑表面，在这种情况下，当磁头脱离磁道时，在磁道上的原子级光滑表面与磁头之间将产生较大的恢复力，可以提高磁头的定位和跟踪，从而在高转速、高磁道密度时保持高读写可靠性，因此对磁头寻道起到一定的校准作用。应该知道，可以通过例如上面描述的制备工艺与磁道加工工艺相结合来制备磁道上覆盖低摩擦原子级光滑表面的盘体。

在上述仅在磁道上覆盖低摩擦原子级光滑表面的情况下，如图3所示，本发明可以提供一种新的磁盘设备，包括盘体和与盘体相对应的传动臂，以及设置在传动臂末端的磁头阵列，特别地，所述磁头阵列包括与盘体的磁道数目相对应的多个磁头，多个磁头的间隔与磁道间隔相对应，多个磁头具有低摩擦的原子级光滑表面，盘体具有覆盖磁道部分的低摩擦的原子级光滑表面。其中，原子级光滑表面可以为单层石墨烯、二硫化钼、铋钼、云母等。

在每个磁道和磁头上覆盖低摩擦的原子级光滑表面，利用上述的接触式读写技术中磁头和盘体之间具有范德华相互作用，可以保证每个磁头和磁道一一对应，并且能够保证在读写过程中磁头不会滑出磁道，从而实现自寻轨多磁头读写。该技术不需要寻轨过程，因此盘体既可以根据需要做成圆形进行转动读写，还可以做成非圆形进行滑动读写，例如直线型等，如图3和图4所示。

按照前面提到的接触式读写技术，磁头和硬盘磁盘依靠低摩擦的原子级光滑表面层间范德华相互作用柔性支撑，层间距能够达到小于1纳米，优选地大约为0.34纳米。读写过程中磁盘相对磁头滑动，实现数据读写。利用低摩擦的原子级光滑表面的自回复机制，磁头可以很好的和磁道重叠，降低读写系统的复杂性，保证并行读写的顺利完成。同时，通过阵列磁头并行读写技术，可以轻易实现硬盘读写速度的提高。

下面就以单层石墨烯为例来详细说明其具体原理为：由于石墨层间的范德华相互作用，当两个石墨片滑开时，其会受到范德华回复力，自动回复到处是位置。同公式(2)我们可以得到两层石墨片错开时的回复力如公式(3)：

$E={\mathrm{\ρ}}^2\underset{S_1}{\∫}\underset{S_2}{\∫}4\mathrm{\ϵ}[{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r}\right)}^{12}-{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{r}\right)}^6]{\mathrm{ds}}_1{\mathrm{ds}}_2$

$F=-\frac{\∂E}{\∂x}$ (3)

通过数值计算，当石墨片的直径为4纳米时，两层石墨片的回复力随错开距离变化如图5所示。从图上可以看出对于4纳米半径的石墨片圆盘，范德华回复力可以达到将近100兆帕，因此依靠这个范德华回复力，我们可以保证每个阵列磁头和硬盘每个磁道重叠，并且在读写过程中每个阵列磁头都不会偏离磁道。利用该技术的新型硬盘就不需要传统硬盘中的寻道系统，例如音圈电机伺服系统，简化了硬盘的机械结构，并且消除了传统硬盘的寻道时间，提高了读写速度。这是该技术提高硬盘读写速度的一个方面；另一方面提出阵列磁头并行读写技术，从根本上能够提高读写速度。

在本发明的另一个实施例中，一种硬盘设备，包括多个盘体和与盘体相对应的多个圆盘式读写头，盘体和圆盘式读写头交替布置在同一个主轴上，主轴和驱动电机连接；其中每个圆盘式读写头包括与所对应的盘体的磁道数目相对应的多个环形读写头，各环形读写头位于一同心圆上，每个环形读写头包括多个磁头，其中每个环形读写头和磁盘的一个磁道对应。主轴转动带动盘体转动，圆盘读写头通过轴承连接在主轴上，读写头一端固定。也可以盘体连接在轴承上，盘体固定，读写头转动。主轴和驱动电机连接。具体结构请参照图6所示。

在本实施例中，可以利用并行读写技术进行数据访问，即将读写数据分块，经缓冲同步后同时送到磁头阵列中的每个磁头进行写操作；或者同时把每个磁头读取的数据送到缓冲区，还原为一个完整的数据文件，通过文件分割，多头读写提高读写速度。例如，首先根据读写文件的大小确定需要多少个磁道才能完全写下，如一个文件需要3个磁道大小的空间，在此基础上把文件粗分成3块；然后根据每个磁道上阵列磁头的个数，把这3块数据分成相应的小块；这些小块数据经硬盘缓冲同步后同时传送到磁头，实现数据并行存储功能。相应地可以实现并行读数据的功能，具体请参照图7所示。这样可以大大的提高硬盘内部数据传输率，利用现在的高速接口技术，可以突破硬盘读写数据的瓶颈。本技术提到的文件分块和还原可以通过软件自动完成。

利用原子级光滑表面间的范德华力作为柔性支撑，大大降低磁头和盘体间距，相应地提高了磁盘的存储密度，能够实现对硬盘的接触式读写。同时，通过自动寻道多读写头并行读写技术，消除了寻道时间，而且由于原子级光滑表面间极低摩擦系数可以轻易实现极高转速，因此能够提高硬盘数据读写速度。此外，通过本发明能够很好的解决传统硬盘在耐高低温、防震、防冲击等方面的缺陷，大大提高硬盘的稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种硬盘设备，其特征在于，包括磁头和盘体，所述磁头和所述盘体具有低摩擦的原子级光滑表面，所述低摩擦的原子级光滑表面包括一层石墨烯；在读取数据时，所述磁头与所述盘体保持范德华柔性支持接触。

2.如权利要求1所述的硬盘设备，其特征在于，所述盘体具有覆盖整个盘体的低摩擦的原子级光滑表面。

3.如权利要求1所述的硬盘设备，其特征在于，所述盘体具有覆盖磁道部分的低摩擦的原子级光滑表面。

4.一种磁盘设备，包括盘体和与盘体相对应的传动臂，以及设置在所述传动臂末端的磁头阵列，所述磁头阵列包括与所述盘体的磁道数目相对应的多个磁头，所述多个磁头的间隔与所述磁道间隔相对应，其特征在于，所述多个磁头具有低摩擦的原子级光滑表面，所述磁头低摩擦的原子级光滑表面包括单层石墨烯，所述盘体具有覆盖所述磁道部分的低摩擦的原子级光滑表面，所述盘体低摩擦的原子级光滑表面包括一层石墨烯，在读取数据时，所述磁头与所述盘体保持范德华柔性支持接触。

5.如权利要求4所述的磁盘设备，其特征在于，所述盘体为非圆形，在读取数据时，所述传动臂相对于所述盘体进行移动。

6.如权利要求4所述的磁盘设备，其特征在于，所述磁盘设备还包括以一主轴为中心设置的多个圆形盘体，所述传动臂包括与盘体相对应的多个传动臂，在读取数据时，所述盘体以主轴为中心进行旋转。

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