CN109979489B - 一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘及其读写方式 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘及其读写方式。所述硬盘包括磁盘和设置在所述磁盘上的阵列式磁头，每个所述磁头表面附着一层超滑材料。所述磁盘被划分为多个子区域，每个子区域包含多个寻址单元，每个磁头与每个子区域一一对应。当进行读写时，磁盘固定不动，设置在每个磁头上的驱动部件控制多个磁头在对应的子区域同时滑动，从而实现多个磁头同时进行读写。所述硬盘改变了现有Winchester硬盘结构，避免了磁盘转动，并且多个磁头同时进行读写，从而大幅提升硬盘的读写速度、降低噪音、提高硬盘的寿命和数据的安全性。

Description

一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘及其读写方式

技术领域

本发明属于存储设备领域，尤其涉及一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘。

背景技术

现如今，无论在读写速度还是存储密度上，硬盘的发展都面临瓶颈。固态硬盘发展迅速，其读写速度明显高于机械硬盘，但其单位存储成本过高，安全性不足，数据损坏后基本无法修补，使用寿命短等致命缺陷，使其发展受到很大限制。

现有主流机械硬盘，其成本明显具有优势，但是内部数据传输速度一般在20MB/s-40MB/s之间，最高的也只有50MB/s左右。即相对于固态硬盘，机械硬盘的读写速度还有待提升。

机械硬盘在接到读写命令到机械硬盘磁头正式开始读或写之间需要较长的访问时间，其包括：寻道时间、旋转延迟时间、命令处理时间和稳定时间。其中，访问时间最大的两块是寻道时间和旋转延迟时间。他们所耗费的时间和机械硬盘旋转一圈(连续读取一条磁道的数据)所需的时间是相当的。在机械硬盘的实际使用过程中，机械硬盘是时时都需要调整轨道的，访问时间对于机械硬盘的读写速度而言占了非常重要的一块，甚至可以说是机械硬盘性能体现的最重要的一个参数。

为了降低访问时间，提出了多磁头并行读写的方式来提高读写速度，进而提高机械硬盘内部传输速度。关于多磁头并行读写技术，国际上已经有了一些专利申请。有专利采取了双音圈电机，由两个音圈电机来分别独立控制两个磁头，进而进行独立读写，提高机械硬盘的读写速度。除了在同一个盘片上布置多个磁头外，还采用一种多个机械硬盘同时读写的方式。对于同一个数据流，采用多个机械硬盘同时读或写，其实也就相当于多磁头同时读和写，只不过这里的多磁头是分布在多个机械硬盘里而已。显然，这种方法不适用于个人计算机的需求。

此外，只有顺序读写的方式，机械硬盘的读写速度与磁头的数目成正比。对于随机读写，机械硬盘存在访问时间的问题。因此，对于整体读写速度的提升，并不与磁头数目成正比。仅通过增加磁头数目，但没有改变机械硬盘的读写方式，仍然不能有效提高读写速度。

此外，由于采用传统的Winchester硬盘结构，需要使用电机马达带动盘片转动以读取数据，这种方式产生的能量损耗依旧很大。并且，磁盘的高速运转也给机械硬盘的稳定和数据安全带来隐患。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘，以及所述硬盘的读写方式。所述硬盘改变了现有Winchester硬盘结构，避免了磁盘转动，并且多个磁头同时进行读写，从而大幅提升硬盘的读写速度、降低噪音、提高硬盘的寿命和数据的安全性。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘，包括磁盘和设置在所述磁盘上的多个磁头，其特征在于：多个所述磁头呈阵列式分布，在每个所述磁头底部设置一层超滑材料，所述磁盘被分成多个子区域，每个磁头与一个子区域一一对应。

所述超滑材料是实现磁头与磁盘零摩擦的二维材料。

优选的，所述二维材料是石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料。

优选的，所述材料是类金刚石碳膜。

优选的，所述薄膜涂层的材料与超滑材料不同。

所述磁头、超滑材料以及驱动部件构成了磁头部件。

优选的，所述驱动部件为压电器件。

所述超滑材料为设置于所述磁头和/或驱动部件底部的多个超滑片。

所述超滑片固定于所述磁头底部的凹槽内。

优选的，所述磁盘的形状为圆形。

优选的，所述磁头从圆心沿着径向呈同心圆分布，或者沿着水平方向和竖直方向呈矩阵状阵列分布。

优选的，所述磁盘的形状为方形。

优选的，所述磁头沿着水平方线和竖直方向呈矩阵状阵列分布。

一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘的读写方法，所述硬盘包括磁盘和设置在所述磁盘上的多个磁头，多个所述磁头呈阵列式分布，其特征在于，磁盘被划分成多个子区域，每个子区域对应一个磁头，在每个所述磁头上设置驱动部件，当读取时，所述磁盘固定不动，驱动部件驱动多个磁头在所述子区域进行读写。

优选的，在每个所述磁头底部设置一层超滑材料。

优选的，所述驱动部件为压电陶瓷材料。

通过上述的技术方案，本发明具有以下优点：

1、磁盘固定不动，可避免电机马达的能量损耗，减少硬盘工作噪音。

2、采用阵列式磁头并行读写方式，可有效提高硬盘读写速度和数据传输速度。

3、有效去除磁头飞行高度，减少润滑油的使用，有效提高硬盘读写分辨率，进一步提升读写速度。

4、接触式读写有效减少传统硬盘飞高，从而提高读写分辨率，可大幅度提高硬盘存储密度。

5、磁盘固定，且磁头与磁盘采用接触式读写，均可提高硬盘使用稳定性及数据安全性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1(a)、1(b)是本发明阵列式磁头并行的接触式读写硬盘的结构示意图，其中，图1(a)为侧视图，图1(b)为俯视图。

图2(a)是本发明中磁道为同心圆结构排列的阵列式磁头并行的接触式读写圆形磁盘结构。

图2(b)是本发明中磁道为水平或竖直方向排列的阵列式磁头并行的接触式读写圆形磁盘结构。

图2(c)是本发明中磁道为水平或竖直方向排列的阵列式磁头并行的接触式读写方形磁盘结构。

图3是本发明中阵列式磁头并行的接触式读写方形硬盘效果图。

图4是本发明中接触式磁头部件的一种结构。

图5是本发明中接触式磁头部件的另一种结构。

附图标记：1为磁盘，2为磁头，3为超滑材料，4为驱动部件，5为薄膜涂层，11为磁道为同心圆结构排列的圆形磁盘，111、112……11n为磁盘11的不同子区域，12为磁道为水平或竖直方向排列的圆形磁盘，121、122、……12n为磁盘12的不同子区域，13为磁道为水平或竖直方向排列的方形磁盘，131、132……13n为磁盘13的不同子区域，21为磁头滑块，22为磁头极尖，23为基底，24为超滑片，25为弹性粘胶。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

图1(a)、1(b)示出了本发明阵列式磁头并行的接触式读写硬盘的结构示意图。所述硬盘包括磁盘1和设置在所述磁盘1上方的多个磁头2，所述多个磁头2呈阵列状排布。其中，每个磁头2底部附着一层超滑材料3，每个磁头上设置驱动部件4。超滑材料3的设置使得磁头2与磁盘1之间实现结构超滑。所述结构超滑意味着磁头2在磁盘1表面滑动时的摩擦力几乎为零，呈现无磨损或极其微小的磨损。

可选的，在所述磁盘1上设置相应的薄膜涂层5，进一步确保磁头2与磁盘1之间的零摩擦、无磨损。

所述磁盘1被划分成多个子区域，每个子区域包括多个寻址单元。根据子区域的形状、数目来确定磁头2的数目和排列方式，以使得每个磁头2的读写区域与一个子区域相对应，实现子区域与磁头的一一对应。当进行读写时，磁盘固定不动，设置在每个磁头2上的驱动部件4控制多个磁头2在对应的子区域同时进行滑动，从而实现多个磁头2同时进行读写。相对于磁盘进行转动的读写方式，由于磁盘在读写时固定不动，能够有效避免电机马达的能量损耗，减少硬盘工作噪音，并且提高硬盘使用稳定性及数据安全性。此外，相对于现有技术中单个磁头进行读写，多个磁头同时进行读写，能够大幅度提高读写速度和数据传输速度，提高读写效率。由于每个磁头与磁盘之间零摩擦，因而可以在保证磁头在磁盘表面滑动的同时，降低摩擦，从而避免摩擦对磁盘的损坏，降低磁盘的损坏率，提高磁盘寿命。此外，接触式读写能够有效减少传统硬盘飞高，从而提高读写分辨率，可大幅度提高硬盘存储密度，以及硬盘使用稳定性及数据安全性。

其中，所述驱动部件4用来在读写时驱动磁头在磁盘表面滑动寻址，驱动部件4可以是压电陶瓷部件，或者其他能够驱动磁头的部件。

所述超滑材料可以是石墨烯、二硫化钼或者其他二维材料。优选的，所述超滑材料可以是采用石墨烯(Graphene)。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料。通过在磁头表面附着一层石墨烯，能够实现磁头与磁盘的零摩擦。所述超滑材料也可以为超滑片，超滑片为在下表面铺有石墨或石墨烯等具有结构超滑性质的材料，具体制备方法详见后文。

所述磁盘上设置的相应的薄膜涂层是具有原子级光滑表面的材料，优选的，其材料与磁头底部的超滑材料不同。由于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。所述原子级光滑表面的材料可以是类金刚石碳膜或其他具有原子级平整表面的二维晶体材料。本发明的磁头与磁盘上面二维原子晶体材料不同时，处于超滑状态，磁头和磁盘之间的范德华力保证磁头在读写过程中一直保持在最佳的高度。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。但是，当磁头与磁盘上面二维原子晶体材料相同时，在两个接触面相互转动时，可能会出现公度现象，从而破坏超滑状态。

图2(a)、2(b)、2(c)示出了本发明中磁盘的形状和磁头的分布，所述磁盘可以是圆形、方形，还可以根据需要选择其他适合的形状，例如，不规则多边形、不规则曲面，从而使磁盘的尺寸符合多种需求。

实施例一

图2(a)为圆形磁盘。现有硬盘的磁盘形状多为圆形，磁道为同心圆结构。圆形磁盘能够很好地与现有磁盘兼容，降低磁盘成本。所述圆形磁盘11按照同心圆的磁道，被划分成多个小扇形的子区域111、112……11n(n为正整数)，每个子区域对应多个寻址单元。在所述圆形磁盘11上设置的阵列式磁头与每个子区域一一对应，阵列式磁头从磁盘11的圆心沿着径向呈同心圆分布。相同径向上相邻磁头的间距相同或者不相同。当进行读写时，磁盘11固定不动，压电陶瓷材料驱动多个磁头在其对应的扇形的子区域进行接触式滑动寻址，实现多个磁头同时进行读写。由于每个磁头只需要在一个很小的子区域进行寻址，因此寻址速度非常快，有效提升了读写效率。

实施例二

图2(b)为圆形磁盘，所述圆形磁盘12的磁道沿着水平方向或者竖直方向平行分布。所述圆形磁盘12被沿着水平方向和竖直方向划分成多个方形子区域121、122……12n(n为正整数)，每个子区域对应多个寻址单元。在所述圆形磁盘12上设置的阵列式磁头与每个子区域一一对应，阵列式磁头沿着水平方线和竖直方向呈矩阵状阵列分布。同一方向上相邻磁头的间距相同。压电陶瓷驱动磁头寻址作为硬盘领域的现有技术，在本发明中，当磁头进行读写时，磁盘12固定不动，压电陶瓷材料驱动多个磁头在其对应的方形的子区域进行接触式滑动寻址，实现多个磁头同时进行读写。由于每个磁头只需要在一个很小的子区域进行寻址，因此寻址速度非常快，有效提升了读写效率。

实施例三

图2(c)为矩形磁盘。采用矩形磁盘能够最大化磁盘的存储面积，提高存储容量。并且能够最大化空间使用效率，提高集成度。所述矩形磁盘13的磁道沿着水平方向或者竖直方向平行分布。所述矩形磁盘13被沿着水平方向和竖直方向划分成多个方形子区域131、132……13n(n为正整数)，每个子区域对应多个寻址单元。在所述矩形磁盘13上设置的阵列式磁头与每个子区域一一对应，阵列式磁头沿着水平方线和竖直方向呈矩阵状阵列分布。同一方向上相邻磁头的间距相同。当进行读写时，磁盘13固定不动，压电陶瓷材料驱动多个磁头在其对应的方形的子区域进行接触式滑动寻址，实现多个磁头同时进行读写。由于每个磁头只需要在一个很小的子区域进行寻址，因此寻址速度非常快，有效提升了读写效率。采用矩形磁盘能够最大化磁盘的存储面积，提高存储容量。并且能够最大化空间使用效率，提高集成度。图3示出了方形硬盘的效果图。

本发明的实施例中所采用的接触式磁头部件可以采用如图4所示的结构，其包括：磁头滑块21、磁头极尖22、基底23、超滑片24，在使用过程中接触式磁头部件的超滑片24接触磁盘盘片1的上表面。

本发明也可以采用如图5所示的接触式磁头部件，其包括：磁头滑块21，磁头极尖22，超滑片24，弹性粘胶25。与图4的不同之处主要在于，图5所示的磁头中的超滑片24通过弹性粘胶25固定于磁头滑块21底部的凹槽中。

下面将详细阐述制造超滑片的方法。包括如下步骤：

步骤1，提供基底，所述基底可以是石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)基底或者天然石墨，或者基底材料的内部原子有局部存在层间非公度接触的可能，或者所述超滑片为在下表面铺有石墨或石墨烯等具有结构超滑性质的材料。

步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态。具体来说，可以包括如下步骤：步骤2-1，在所述基底上依次覆盖保护层和光刻胶，所述保护层可以是SiO2，厚度可以是例如50nm～500nm，可以利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO2保护层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。而后在步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛平均直径可以是1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。此后在步骤2-3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。

当然也可以不覆盖所述保护层，而直接在基底上覆盖光刻胶并进行岛状结构的刻蚀，从而形成不带保护层的岛状结构。

步骤3，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑面，将岛状结构推开后形成的下表面具有超滑面的片状结构即为超滑片。

本发明提供的阵列式磁头并行的接触式读写硬盘，改变了现有的Winchester硬盘结构，在磁盘上设置阵列式的磁头排布，每个磁头底部设置超滑材料，所述磁盘被分成多个子区域，每个磁头与一个子区域一一对应。当读写时，所述磁盘固定不动，驱动部件驱动多个磁头在所述子区域进行读写。因此，本发明的硬盘可避免电机马达的能量损耗、减少硬盘工作噪音、提高硬盘读写速度和数据传输速度、提高硬盘读写分辨率、提高硬盘存储密度以及提高硬盘使用稳定性及数据安全性。

以上所述实施例仅为本发明的几个较优化的实施例，本发明不局限于这几个实施例，还应允许其它的变化。凡在本发明独立权要求范围内变化的，或本领域一般技术人员可以依据本发明轻易想到的变化，均属于本发明的保护范围。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (14)

1.一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘，包括磁盘和设置在所述磁盘上的多个磁头，其特征在于：多个所述磁头呈阵列式分布，在每个所述磁头底部设置一层超滑材料，所述磁盘被分成多个子区域，每个磁头与一个子区域一一对应，所述子区域为扇形子区域或方形子区域，在每个所述磁头上设置用于驱动所述磁头的驱动部件，当读写时，所述磁盘固定不动，驱动部件驱动多个磁头在所述子区域进行读写。

2.如权利要求1所述的硬盘，其特征在于：所述超滑材料是实现磁头与磁盘零摩擦的二维材料。

3.如权利要求2所述的硬盘，其特征在于：所述二维材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

4.如权利要求1所述的硬盘，其特征在于：在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料。

5.如权利要求4所述的硬盘，其特征在于：所述具有原子级光滑的材料为类金刚石碳膜。

6.如权利要求5所述的硬盘，其特征在于：所述薄膜涂层的材料与超滑材料不同。

7.如权利要求1所述的硬盘，其特征在于：所述超滑材料为设置于所述磁头和/或驱动部件底部的多个超滑片。

8.如权利要求7所述的硬盘，其特征在于：所述超滑片固定于所述磁头底部的凹槽内。

9.如权利要求1所述的硬盘，其特征在于：所述磁盘的形状为圆形或方形。

10.如权利要求9所述的硬盘，其特征在于：所述磁头从圆心沿着径向呈同心圆分布，或所述磁头沿着水平方向和竖直方向呈矩阵状阵列分布。

11.一种阵列式磁头并行的接触式读写硬盘的读写方法，所述硬盘包括磁盘和设置在所述磁盘上的多个磁头，多个所述磁头呈阵列式分布，其特征在于，磁盘被划分成多个子区域，每个子区域对应一个磁头，在每个所述磁头上设置驱动部件，当读写时，所述磁盘固定不动，驱动部件驱动多个磁头在所述子区域进行读写，所述子区域为扇形子区域或方形子区域。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：在每个所述磁头底部设置一层超滑材料。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述驱动部件为压电陶瓷部件。

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