CN1505004A - 减小外部范德瓦耳斯力和静电力的气浮设计 - Google Patents

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Abstract

一种用于盘驱动器的滑块具有与可记录介质的可旋转盘相对的气浮表面。该气浮表面包括一个或多个内部凹陷，以减小把该滑块吸引到该盘的范德瓦耳斯力和静电力。

Description

减小外部范德瓦耳斯力和静电力的气浮设计
技术领域
本发明一般涉及数据存储设备，特别涉及包括具有气浮表面(airbearing surface)的滑块的盘驱动器。
背景技术
任何计算机系统的主要部分是数据存储设备。盘驱动器是一种典型的数据存储设备。盘驱动器一般包括至少一个安装在电机轴或主轴上的磁性存储材料的盘、把一个读/写头径向地置于该盘上的传动器、以及用于使用该读/写头在该盘上读写数据的电子电路。一个盘驱动器还可以包括一个控制器，其与该计算机系统相接，并且控制盘驱动器的操作。
该读/写头一般位于一个“滑块”中。一个滑块具有被称为气浮表面的下表面，其在使用中与盘的表面相对。一个气浮表面一般包括在盘的切线方向上延伸的导轨，以及位于该导轨之间的凹陷部分。在操作中，盘的旋转把空气拖到该导轨之间，导致压力增加，其把该滑块向上推，迫使读/写头离开该盘。与此同时，空气通过该凹陷部分导致气压下降，这与对导轨的气压影响相反。这些气压保持平衡，使得该滑块与该盘相距一定距离飞行于该盘上，该距离被称为“飞行高度(fly height)”。
可以在磁盘上获得的面存储密度把直接取决于盘驱动器的读/写头的飞行高度。由于对盘驱动器的存储容量不断增长的需求，因此需要不断地减小飞行高度以获得更高的面密度。
但是，随着飞行高度的减小以获得更高的面密度，例如范德瓦耳斯力(van der Waais force)(即，在电中性分子之间作用的分子间作用力)和作用在滑块上的静电力这样的外部作用力显著地变大。在材料中存在金属，即该滑块例如由陶瓷铝钛碳化物(AlTiC)所构成，通常会导致这些作用力的引入。在几纳米的飞行高度上，一些作用力可能潜在地干扰由气浮表面所产生的压力的平衡，导致气浮崩溃，并且使得滑块与该盘相接触。
减小范德瓦耳斯力和静电力，从而使得飞行高度减小的一种方法是增加气浮的间距，使得滑块的下表面不与盘表面相平行。另一种方法是减小在该气浮表面上的后缘衬垫或导轨的尺寸。但是，这两种方法都需要改变该气浮表面的型面，因此影响所获得的气浮的性能。一种适当的气浮表面的设计需要相当多的工作，并且必须考虑大量的因素以获得仅仅几纳米的可靠稳定状态的飞行高度。因此，上述减小外部作用力的影响的方法对于该气浮表面设计引入了附加的考虑因素，并且限制气浮设计员操纵由在该气浮上的导轨和凹陷部分所产生压力的能力，从而对于稳定状态的飞行高度具有影响。
因此，在本领域中非常需要一种减小由于范德瓦耳斯力和静电力的影响的气浮表面，并且其工作在减小的飞行高度上，而不明显地影响该滑块的稳定状态飞行高度或气浮的性能。
发明内容
本发明通过提供在滑块的气浮表面中包含一个或多个内部凹陷而减小滑块和可记录媒体的可旋转盘之间的范德瓦耳斯力和静电力的一种盘驱动器、用于其中的滑块和方法，以解决与现有技术相关的这些和其他问题。
在本发明的一个实施例中，该凹陷在后缘衬垫中形成钻石形的柱子的图案。在本发明的另一个实施例中该凹陷形成“V”形柱的图案。无论所使用的设计如何，通过把该凹陷包含到气浮表面的内部，通常可以减小范德瓦耳斯力和静电力的影响，而不改变该表面的型面。
本发明的这些和其他优点和特点在所附加并形成本发明的一部分的权利要求中给出。但是，为了更好地理解本发明以及其所获得的优点和目的，下面参照附图描述本发明的示意实施例。
附图说明
被包含于此并且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与上文所给出的对本发明的一般描述以及下文的详细描述一同用于说明本发明的原理。
图1为示出包含构成本发明的滑块的盘驱动器的截面视图；
图2为示出在图1的盘驱动器中的滑块和盘之间的界面的功能侧立面视图(不按照比例)；
图3为示出按照本发明的方法形成具有一个或多个内部凹陷的步骤的流程图；
图4为图2中所示的滑块气浮表面的透视线框视图；
图5为图2和4中所示的滑块气浮表面的平面视图；
图6为图4和5之外的另一种气浮表面的平面视图。
具体实施方式
参见图1，其中示出包含本发明的特征的盘驱动器的一个实施例10的截面视图。盘驱动器10是使用磁盘介质12的一种旋转盘驱动器类型。该盘驱动器10的存储容量部分地由在该可记录磁性介质盘12上存储的数据的面密度所确定。
盘驱动器10包括安装该盘驱动器10的其他组件的一个壳体14。壳体14可以包括一个底部16、侧壁18和顶部(未示出)。一个读/写头52(参见图2)位于具有气浮表面44(参见图2、4和5)的一个滑块20内，并且其在一个传动器22的端部附近使用万向节24连接。传动器22在电机30的音圈28的作用下绕着一个轴点26旋转，以把读/写头52置于盘12的预定记录道上。在滑块20内的读/写头52与安装在一个旋转主轴32上并且由电机(未示出)所驱动的盘12相互作用。传动器22还可以提供一个悬荷(suspension load)或偏压，以把读/写头52置于盘12的上方。在滑块20内的读/写头52能够使用本领域普通技术人员所公知的电子电路在盘12上读写数据。与盘驱动器10内的各个部件的电连接可以通过连接器34和电缆36来实现。
参见图2，其中示出图1中所示的滑块20和盘12之间的界面的功能侧立面视图(请注意，图2不是按照比例描绘的)。
在图2中所示的盘驱动器10是在该驱动器工作时出现的结构，当盘12在参考标号38所示的方向上旋转时，由于气浮表面44与盘12的表面相互作用而形成气浮使得滑块20的位置与盘12的表面实际分离。
滑块20可以由多相材料所制成。多相材料是指该材料具有一个以上的成分或相(phrase)。一种适当的多相材料是陶瓷铝钛碳化物(Al2O3-TiC)。滑块20还可以由Ni-Fe、Mn-Zn和Ni-Zn铁酸盐或者钛酸钙所制成。气浮表面44可以是由例如Al2O3-TiO2和ZrO2这样的硬材料的等离子体溅射材料涂层。绝缘和间隙材料可以由SiO2、SiO和Al2O3所制成。本领域普通技术人员将清楚地看出其他适当的材料和制造方法具有所公开的例子的优点。
滑块20具有前缘40和后缘42。在前缘40和后缘42之间的是一个下表面或者气浮表面44。气浮表面44包括导轨46、凹陷部分48和衬垫50a-e。在后缘42和衬垫50c-e附近的是读/写头52。在一些实施例中，焊盘50a-e可以被配置为当盘不旋转时把滑块20支撑在盘12上。在这些实施例中，盘12还可以包括在54所示的润滑剂，以减小盘12和衬垫50a-e之间的摩擦。在其他实施例中，可以使用不停放在盘上的装载/卸载滑块。
在操作中，如图所示，盘12的旋转38把空气拖在导轨46之间(如箭头56所示)，导致在滑块20的气浮表面44上向上推的压力增加，并且强制读/写头52离开盘12，如参考标号58所示。与此同时，通过该凹陷部分48的空气56导致压力下降，如参考标号60所示，在一定程度上与该导轨46的压力影响相反。这些压力58、60以及由传动器22所施加的任何偏压相等，使得该滑块20以所需的飞行高度62飞行于盘28的上方。
人们已经发现导轨46、凹陷部分48以及衬垫50a-e的尺寸被调节，以进一步平衡压力58和60，从而减小飞行高度62，以在盘12上获得较高的面存储密度，在滑块20和盘12之间吸引力可能干扰由滑块20的气浮表面44所产生的压力58、60之间的平衡，导致气浮崩溃，即，导致滑块20与盘12相接触。两个主要的作用力是范德瓦耳斯力和静电力。这种作用力在大约小于5纳米的距离内迅速增加，并且在大约小于2纳米的距离下可能导致气浮崩溃，因为吸引力增加的速度比压力58增加的速度更快。
范德瓦耳斯力是在电中性分子之间相互作用的分子间作用力。静电力是在正负电荷分子之间作用的分子间作用力。
本发明通过在该滑块中包括至少一个内部凹陷而减小滑块20和盘12之间的范德瓦耳斯力和静电力。理论上，从滑块20除去任何材料将减小把该滑块20吸引到该盘12的范德瓦耳斯力和静电力的影响；但是，从该滑块的外表面或气浮表面44除去材料可能影响该气浮的性能。另外，从气浮的外表面除去材料可能产生鼓包或者其他结构，使得例如灰尘、润滑剂54、磁性材料等等这样的堆积物集中，从而减小蚀刻深度、潜在地增加外部作用力并且最终导致该气浮崩溃。这种堆积物还可能伸进读/写间隙，导致磁头与盘之间不希望出现的相互作用。另外，随着特定结构的形成，堆积物可能集中到该堆积物从滑块上落下的位置处，落在盘上。当堆积物滴落在盘上时，下一次盘的旋转可能导致堆积物与滑块相碰撞。当出现该碰撞时，滑块飞行高度将改变，即振动，妨碍对盘的读取和写入。
但是，形成单个大的凹陷在特定情况中可能导致问题。例如，如果形成单个较大的凹陷，并且堆积物集中地降低该蚀刻深度，这种集中将可能减小飞行高度。但是，如果采取措施来保证该堆积物不集中，形成单个大的凹陷可能较大地减小把滑块吸引到该盘的范德瓦耳斯力和静电力。
因此，考虑到上文所述，可以有利地在一个滑块中形成多个凹陷，并且仍然减小滑块和盘之间的范德瓦耳斯力和静电力，并且减小任何一个凹陷收集堆积物并且大大影响该气浮的性能的机会。但是，应当知道，尽管在此所述的实施例具有多个内部凹陷，但是本发明还可以使用在一个滑块上的一个内部凹陷来实现。
因此，在图2中所示的实施例中，多个钻石形的柱状凹陷64有利地形成在该滑块20的后缘衬垫50e中。通过形成该滑块内部的多个凹陷，对气浮性能的影响较小，并且通常气浮形成与不存在凹陷64的情况相同，因为凹陷64不对该飞行高度具有明显的改变。另外，滑块20通过包括多个凹陷64而减小对堆积物的敏感度。
参见图3，其中示出用于蚀刻具有一个或多个内部凹陷和气浮表面的滑块的处理的流程图。“空白滑块”，或没有气浮表面的滑块，作为用于形成的起点。一个空白滑块通常包括读/写头的部分，例如磁隙。在选择空白滑块的过程中，选择一个滑块材料。一个空白滑块被在步骤90中选择。
蚀刻处理通常被用于从空白滑块上除去材料形成气浮表面和内部凹陷。一般来说，由于希望使得已经形成在该滑块中的读/写头的磁隙尽可能地接近磁盘的表面，因此使用除去材料的蚀刻处理。本领域的普通技术人员应当知道还可以使用反应离子蚀刻(RIE)和/或离子铣削(IM)处理来形成一个气浮表面和凹陷。
步骤92示出把光刻胶施加到一个滑块上以形成一个气浮表面和/或凹陷。接着，在步骤94，施加一个覆盖掩膜。在步骤96，该滑块被暴露于紫外光(UV)之下，持续所需的时间量。步骤98示出对滑块的蚀刻。最后，步骤100示出光刻胶的除去。
因此，如图3中所示，在一个滑块中形成内部凹陷在滑块制造过程中可能需要一个或多个施加掩膜的步骤。另外，在深蚀处理过程中，通过增加使得施加到滑块上的光刻胶暴露于紫外光下的时间，蚀刻处理可以被用于形成凹陷部分，例如凹陷部分48。本领域的普通技术人员将认识到还可以使用其他处理。
参见图4，其中示出图2中所示以及用图3的步骤形成的滑块20的气浮表面44的线框透视图。该构成滑块20的材料被显示为透明的，该图的线条表示在该气浮表面上的结构的边界，从而进一步示出本发明的特征。参考标号52’表示图2中所示的读/写头52的间隙的近似位置。
通过使用蚀刻方法在该衬垫50e内部的后缘衬垫50e中形成凹陷，本发明减小在该滑块20和盘12之间的吸引力，如参考标号64中所示。所形成的凹陷64是一个钻石形状的柱子。
参见图5，其中示出图1-2和4中所示的滑块20的气浮表面44的平面视图。构成该滑块20的材料在图中被显示为透明，以进一步示出本发明的特征。图4更加完整地示出形成在后缘衬垫50e中的钻石形凹陷64的图案。衬垫50e在本实施例中被选择为最接近于盘12的衬垫50e，因此对于减小范德瓦耳斯力和静电力具有大的影响。本领域的普通技术人员将认识到这种凹陷64的图案可以在制造滑块20的过程中使用附加的掩膜步骤而形成。
本领域的普通技术人员还将认识到该凹陷可以形成在滑块20的其他部分中，例如衬垫50a-d，以进一步减小把滑块20吸引到盘12的作用力。凹陷还可以形成在导轨46中。因此，本发明不限于在后缘衬垫50e中形成凹陷，而是一般地应用于在滑块中形成凹陷，以减小把滑块吸引到盘上的作用力。
图6示出根据本发明的另一个滑块72的气浮表面70的平面视图。滑块72包括前缘74和后缘76。气浮表面70包括导轨和衬垫78、80a-e。前缘和后缘74、76以及导轨和衬垫78、80a-e的中央是一个凹陷区域82。滑块72包括与读/写头(未示出)相关的读/写间隙84。
滑块72包括形成在衬垫84e中的“V”形柱86的图案，以减小滑块72和盘之间的吸引力，例如范德瓦耳斯力。本领域的普通技术人员将认识到该凹陷还可以形成在衬垫80a-d和/或导轨78中，以进一步减小范德瓦耳斯力和静电力。实际上，可以使用以二维或三维图案排列的任何凹陷图案。另外，可以使用包含添加和/或减少的任何形成凹陷的方法。
通过上文所述，在此提供一种具有减小对范德瓦耳斯力和静电力的敏感度的气浮表面的滑块，其工作在减小的飞行高度上而不对滑块的稳定状态飞行高度型面或气浮的性能具有大的影响。
尽管本发明已经通过该实施例的描述而示出，而本实施例已经被相当详细地描述，申请人的意图不是以任何方式把本发明限制为这样的具体程度。本领域的普通技术人员容易得出其他优点和变型。应当知道本发明的原理可以应用于任何现有的气浮设计，并且通常不明显地影响气浮高度性能，即，一般不需要重新设计。本发明在其广义方面不限于这种具体细节、代表性的装置和方法、以及所示和描述的示意实施例。相应地，可以脱离这种具体细节而不脱离申请人的一般发明思想的精神和范围。

Claims (24)

1.一种盘驱动器，其中包括：
(a)可记录介质的可旋转盘；以及
(b)沿着该盘的表面延伸的传动器，该传动器包括安装在该传动器的端部附近的滑块，该滑块包括与该盘的表面相对的气浮表面，该滑块具有至少一个置于其中的内部凹陷，以减小把滑块吸引到该盘的范德瓦耳斯力和静电力。
2.根据权利要求1所述的盘驱动器，其中该滑块具有多个凹陷。
3.根据权利要求2所述的盘驱动器，其中该滑块包括后缘衬垫，其中该凹陷形成在该后缘衬垫中。
4.根据权利要求3所述的盘驱动器，其中该凹陷形成钻石形状的柱子的图案。
5.根据权利要求3所述的盘驱动器，其中该凹陷形成”V”形柱子的图案。
6.根据权利要求2所述的盘驱动器，其中该滑块包括多个衬垫，以及该凹陷形成在多个衬垫中。
7.根据权利要求2所述的盘驱动器，其中该滑块包括导轨，以及其中该凹陷形成在该导轨中。
8.根据权利要求2所述的盘驱动器，其中该滑块包括导轨和衬垫，以及其中该凹陷形成在该导轨和衬垫中。
9.一种滑块，其被构造为容纳能够与磁性存储介质的盘相互作用的磁头，该滑块包括：
(a)气浮表面；以及
(b)置于该滑块内部的至少一个内部凹陷，以减小把滑块吸引到该盘的范德瓦耳斯力和静电力。
10.根据权利要求9所述的滑块，其中该滑块具有多个凹陷。
11.根据权利要求10所述的滑块，其中该滑块包括后缘衬垫，其中该凹陷形成在该后缘衬垫中。
12.根据权利要求11所述的滑块，其中该凹陷形成钻石形状的柱子的图案。
13.根据权利要求11所述的滑块，其中该凹陷形成”V”形柱子的图案。
14.根据权利要求10所述的滑块，其中该滑块包括多个衬垫，以及该凹陷形成在多个衬垫中。
15.根据权利要求10所述的滑块，其中该滑块包括导轨，以及其中该凹陷形成在该导轨中。
16.根据权利要求10所述的滑块，其中该滑块包括导轨和衬垫，以及其中该凹陷形成在该导轨和衬垫中。
17.一种制造滑块的方法，其中包括如下步骤：
(a)在该滑块上形成气浮表面；以及
(b)在该滑块中形成至少一个内部凹陷。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成至少一个内部凹陷的步骤包括在该滑块中形成多个内部凹陷。
19.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括形成一个后缘衬垫，其中形成至少一个内部凹陷的步骤包括在后缘衬垫中形成凹陷。
20.根据权利要求19所述的方法，其中在一个滑块中形成多个凹陷的步骤包括形成钻石形状柱子图案的凹陷。
21.根据权利要求19所述的方法，其中在一个滑块中形成多个凹陷的步骤包括形成“V”形柱子图案的凹陷。
22.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括形成多个衬垫，其中在一个滑块中形成多个衬垫的步骤包括在多个衬垫中形成凹陷。
23.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括形成导轨，其中在一个滑块中形成多个凹陷的步骤包括在该导轨中形成凹陷。
24.根据权利要求18所述的方法，其中进一步包括形成导轨和衬垫，其中在一个滑块中形成多个凹陷的步骤包括在该导轨和衬垫中形成凹陷。
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