CN1922692B - 在磁测试器中测试微致动器的方法与系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于测试微致动器的冲程和频率响应的系统和方法。动态参数测试器在磁存储介质的无噪声部分上写入两条同心磁道。读/写磁头和微致动器定位于两条同心磁道之间。将第一频率下的初始振荡电压施加于微致动器同时从两条同心磁道读回信号。微致动器的冲程特征部分基于读回信号来计算。初始振荡电压根据以前的测试来确定。微致动器的第一冲程特征以第一信号的时间平均幅度为基础。以预定的间距写入两条同心磁道。

Description

在磁测试器中测试微致动器的方法与系统

技术领域

本发明涉及硬磁盘驱动器。更具体地说，本发明涉及测试在硬盘驱动器中使用的微致动器的冲程和频率响应的方法。

背景技术

硬盘驱动器是通用的信息存储器件，基本上由被磁性读写元件存取的一系列可旋转盘或其他磁存储介质组成。一般称为转换器的这些数据传送元件通常被滑块主体所承载并被嵌入滑块主体中，在形成于盘上的离散数据磁道上方，滑块主体被保持在很近的位置上，以此允许读/写操作可被实施。为了相对于盘表面适当地放置转换器，在滑块主体上形成的空气轴承表面(ABS)经受着流动的气流，该流动气流提供了足够的升力以使滑块和转换器在盘数据磁道上“漂浮”。磁盘的高速旋转产生了沿其表面以基本上平行于该盘切向速度方向的流动气流或者风。气流与滑块主体的ABS合作，使得滑块在自旋的盘上飘浮。实际上，悬置的滑块通过这个自激的空气轴承与盘表面物理分离。

ABS设计的某些主要目的是使滑块及其相伴的转换器尽可能近地在旋转盘的表面上漂浮，并且均匀维持不变的近距离而不管可变的漂浮状态。空气轴承滑块和旋转磁盘之间的高度或分离间隙一般被定义为漂浮高度。通常，安装的转换器或读/写元件仅在旋转盘表面上方大约几微英寸处漂浮。滑块漂浮的高度被认为是影响所安装的读/写元件的磁盘读取和纪录能力的最关键参数之一。相对较小的漂浮高度使转换器能够取得磁盘表面上不同数据位的位置之间更大的分辨率，从而提高数据密度和存储容量。随着利用相对较小而功能很强的硬盘驱动器的轻便、紧凑的笔记本类型计算机的日益普及，对于越来越低的漂浮高度的需求已经在持续增长。

图1说明了本领域典型的硬盘驱动器设计。硬盘驱动器100是通用的信息存储器件，基本上由一系列被磁性读写元件存取的可旋转盘104组成。一般称为转换器的这些数据传送元件通常被滑块主体110所承载并被嵌入滑块主体110中，在形成于盘上的离散数据磁道上方，滑块主体110被保持在很近的位置上，以此允许读/写操作可被实施。通过悬架将滑块保持在盘上方。悬架具有负载梁和挠曲，其允许与所述盘垂直的方向上的移动。通过音圈电机使悬架围绕枢轴旋转以此提供粗略的位置调整。微致动器使滑块耦合至悬架末端并允许进行精细的位置调整。

为了相对于盘表面适当地放置转换器，在滑块主体110上形成的空气轴承表面(ABS)经受着流动的气流，该流动的气流提供了足够的升力以使滑块110(和转换器)在盘数据磁道上“漂浮”。磁盘104的高速旋转产生了沿其表面以基本上平行于该盘切向速度方向的流动气流或者风。气流与滑块主体110的ABS合作，使得滑块在自旋的盘上飘浮。实际上，悬置的滑块110通过这个自激的空气轴承与盘表面104物理分离。滑块110的ABS通常被配置在面对旋转盘104的滑块表面上，并且极大地影响了滑块在各种状态下于盘上飘浮的能力。为了控制滑块的面内的运动，尤其是为了访问盘表面上的不同数据磁道，磁头悬架组件(HSA)通常加入了主致动器。主致动器可以是位于读/写磁头相对端的音圈电机。由于HSA较大的惯性，主致动器具有有限的带宽。悬架的振动使得从远处控制读/写磁头的位置变得困难。沿主致动器获得所需的速度和位置精度具有难度。

先进的硬盘驱动器设计在读/写磁头和HSA的枢轴之间加入了次级致动器或微致动器。这些微致动器的、与所施加的电压有关的冲程或位移的距离通常为1μm的量级。图2a说明了具有U-形陶瓷框架结构201的微致动器。框架201由比如氧化锆制成。框架201具有与基底203相对而置的两个臂202。滑块204被两个臂202保持在与基底203相对的一端。压电材料带205被附加到每个臂202。结合片206允许滑块204电连接到控制器。图2b说明了附加到致动器悬架挠曲部207和负载梁208的微致动器。微致动器可耦合至悬架舌簧209。沿悬架挠曲部207耦合的连动杆(traces)210将压电材料带205连接到一组连接片211。施加于连接片211的电压导致带205缩短和伸长，同时移动滑块204的位置。借助于悬架铰链片214，悬架挠曲部207可被附加到基板212，基板210具有用于在枢轴上安装的孔213。加工孔(tooling hole)215便于在制造期间操控悬架，并且悬架孔216减轻了悬架的重量。

在装运之前按照常规要测试读/写磁头。通常，使读/写磁头在连接至动态参数(DP)测试器的旋转盘上漂浮并且实施一系列的读/写活动。在读/写磁头被装配进磁头万向悬挂支架组件(HGA)、HSA或磁头磁盘组件时，可实施DP测试。

DP测试可包括测试各种输入电压下微致动器的冲程。图3示出了一种测试冲程的方法。通过在不同的恒定输入电压下写入第一同心磁道310和第二同心磁道320并且接着通过以连续增加或减少的半径读取而获得上述磁道的“磁道剖面图”可测量准静态冲程。磁道剖面图可将读磁头330的半径位置和读回信号340进行比较。输入电压可以是无输入、最大输入或负的最大输入。磁道剖面图的每个峰值表示磁道的中心。利用相邻峰值之间的距离350可计算冲程。

DP测试还可包括对频率响应的测试。频率响应将冲程和输入频率进行比较。如图4所示，通过在每一输入频率下首先擦除带状盘表面、而后以期望的频率施加预定的交流输入电压同时在盘的大约一次旋转当中改写这个已擦除的带来测量频率响应。在除去输入电压后，通过以连续增加或减少的半径读取而映射(map)所写入的信号，同时纪录作为半径和角度位置的函数的读回信号的幅度。正弦曲线410在数学上适于代表具有每一磁道的读回信号的峰值幅度的位置的磁道读数。这条正弦曲线的幅度420是给定频率下的冲程。

这些方法比较慢。对于每一期望的频率，必须擦除并重写盘表面。在每一频率下，映射被写入的信号所需要的数据量同样是较大的，因为图4的映像(map)是两维的而不是一维的。用于测量微致动器频率响应的其他方法包括光学和电学测试。在光学测试中，激光束被射向读/写磁头或其附近。收集反射光并对其进行速度或反射表面的位移分析。这种方法需要昂贵的设备和精密的对准。电学测试对于具有不止一个有源元件的微致动器来说是可能的。输入电压被施加于某些但是并非所有元件上。未接受输入电压的这些元件被其他元件机械驱动，从而生成由此导出冲程的较小的输出电压。然而，这种激励模式不同于其中所有元件接收输入电压的应用中的模式。因此，频率响应属于振动模式，其不同于实际关注的模式。此外，在HSA具有多个读/写磁头时，只访问所关注的磁头而没有其他磁头的干扰将变得困难。

发明内容

按照本发明实施例的第一方面，提供一种测试方法，包含：在磁存储介质的无噪声部分上写入两条同心磁道；在所述两条同心磁道之间定位读/写磁头和微致动器；将第一频率下的第一振荡电压施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第一信号；以及部分基于所述第一信号，计算所述微致动器的第一冲程特征。

按照本发明实施例的第二方面，提供一种测试系统，包含：磁存储介质，用来存储数据；读/写磁头，用来在所述磁存储介质的无噪声部分上写入两条同心磁道；磁头万向悬挂支架组件，用来将所述读/写磁头和微致动器定位于所述两条同心磁道之间；以及测试器，用来将第一频率下的第一振荡电压施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第一信号；其中部分基于所述第一信号，计算所述微致动器的第一冲程特征。

附图说明

图1说明了本领域中已知的硬盘驱动器设计。

图2a-b说明了如在本领域中已知的、附加到致动器悬架挠曲部和负载梁的微致动器。

图3说明了用于测试冲程的方法的结果的一个实施例。

图4说明了用于测试频率响应的方法的结果的一个实施例。

图5说明了如在本发明中实施的测试系统的一个实施例。

图6以流程图的形式说明了按照本发明的测试方法的一个实施例。

图7说明了按照本发明生成的校准曲线的实例。

图8a-c说明了按照本发明生成的反馈信号的实例。

图9以曲线图的形式说明了与频率相比较的冲程的一个廓线。

图10以曲线图的形式说明了与频率相比较的增益的廓线。

具体实施方式

公开了一种用于测试微致动器的冲程和频率响应的系统和方法。在一个实施例中，动态参数测试器可在磁存储介质的无噪声部分上写入两条同心磁道。读/写磁头和微致动器可定位于两条同心磁道之间。在第一频率下，将初始振荡电压施加于微致动器同时从两条同心磁道读回信号。微致动器的冲程特征可部分基于读回信号来计算。初始振荡电压可根据以前的测试来确定。微致动器的第一冲程特征可以第一信号的时间平均幅度为基础。可以预定的间距写入两条同心磁道。

图5说明了如在本发明中实施的测试系统的一个实施例。磁头万向悬挂支架组件HGA的悬架501和微致动器502可将滑块503悬置于存储数据的盘504上。可将HGA加入动态参数(DP)测试器505。DP测试器505可具有控制微致动器502的第一电连接506、控制滑块503的读/写磁头的第二电连接506、以及控制悬架501移动的机构(图中未示出)。在大多数DP测试器上，机构是标准的。用于移动悬架的典型机构可包括其上安装有悬架的块状不锈钢平台。可将平台安装到用于精确移动的压电级和用于长距离运动的电动级上。DP测试器可用来测试HGA的冲程和频率响应。

图6以流程图的形式说明了测试方法的一个实施例。过程开始(方框605)于将具有滑块503的HGA装入DP测试器(方框610)。带状盘504区域被擦除(方框615)。读/写磁头以预定的间距(2δ)在擦除的带上写入两条或多条同心磁道(方框620)。间距是两条平行或同心线之间的距离。在无输入电压施加于微致动器时实施写入。通过移动DP测试器505的机构来获得间距。磁道剖面图在任何一个磁道上获得(方框625)。磁道剖面图可以是作为磁道半径(r)增量变化的函数的读回信号的磁道平均幅度(TAA)。函数TAA(r)以磁道的中心为基准。因此，独立变量(r)通常在介于正和负十微英寸(±0.25μm)的范围内变化。然后，磁道将被读回同时在连续增加或减少频率(f)的情形下微致动器经历可变输入电压(V)。正如由一对输入参数(如频率和电压)所定义以及由底部至峰值所测得的，在每一测试状态下的冲程由读回信号的平均幅度导出。

假定微致动器在输入电压下以正弦曲线移动，微致动器的中立位置与两条同心磁道的中心一致。因为频率响应的测试由多个测试状态组成，每一状态可由索引号i来标识。因此，输入频率和电压可用f(i)和V(i)来表示并且相应的冲程和时间平均读回信号幅度表示为S(i)和TAA(i)，它们的关系由下面的方程1来描述：

$\mathrm{TAA}\left(i\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\δ}}^{S-\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{TAA}\left(r\right)}{\sqrt{[S\left(i\right){]}^2-}{(r+\mathrm{\δ})}^2}\·\mathrm{dr}---\left(1\right)$

利用方程1可生成TAA(i)对S(i)的校准曲线(方框630)。图7说明了校准曲线的实例。这个实例中的校准曲线将TAA(毫伏)和在30微英寸间距处的微致动器中的冲程进行比较。

所需的参数TAA(r)和TAA(i)是读回信号幅度的序列并且可以在任何标准DP测试器505上很容易得到。在没有激励微致动器502的情形下，在标准磁道剖面图测量中生成TAA(r)。TAA(r)被用来生成TAA(i)对S(i)的校准曲线。根据定义，TAA(i)是在微致动器502被激励时的时间平均读回信号幅度。只要激励持续至少一次盘504的旋转，TAA(i)相当于读回信号幅度的磁道平均，其在任何标准DP测试器504中可得到。因此，DP测试器的主要修改是提供激励微致动器的装置，如添加图5所示的第二电连接506。

可将校准曲线定性地分成四个区域。区域701可以和非常小的冲程相关联。读磁头通常还未到达两条磁道的任一条，或者刚好到达两条磁道的内缘。另外，与背景噪声相比，读回信号可能是很微弱的。因此，区域701通常不适合实施冲程测量。区域702可以和中等冲程相关联。该区域的读磁头可在两条磁道中适当地移动，但是不会超出范围。与背景噪声相比，读回信号可能是很强的，并且校准曲线的斜率可能是陡峭的。由此，区域702可能最适合冲程测量。区域703可以和大约磁道间距的一半相关联。读磁头可在磁道外缘附近移动，产生较强的读回信号。然而，校准曲线可能是平坦的。冲程的分辨率可能比区域702中的更低。另外，冲程值可能是不确定的，因为曲线不是单调的。区域704可以和比磁道间距的一半更大的冲程相关联。校准曲线的斜率可能比区域702中的更低。通常，区域704可能是第二最期望的工作范围。

校准曲线的性质是重要的。在区域702更宽时，测试可能鲁棒。然而，在测试期间，冲程通常更大，这导致微致动器的更大磨损。当区域2更窄并且校准曲线的峰值更高时，测试可能是最精确的。两条同心写入的磁道之间的间距可操控校准曲线的形状。校准曲线的峰值通常发生在峰-峰冲程近似等于磁道间距时。在磁道几乎彼此邻近时，峰值通常最高。通过运行某些数值模拟、利用典型的磁道剖面图并利用方程1改变间距，用户可比较若干试验性的测试状态。

如果在f(i)变化时V(i)保持不变，S(i)可横跨所有四个区域。为了保持在区域702内，可遵循图6所示的方法来调节V(i)。定义校准曲线上的区域702并选择区域702中的“理想冲程”S_ideal。基于以前经验的统计，设置初始电压V(1)和频率f(1)(方框635)。读/写磁头被定位于两条同心磁道之间(方框640)。DP测试器505激励微致动器502时读/写磁头取读数(方框645)。获得TAA(1)(方框650)并且计算初始冲程S(1)(方框655)。如果最后的频率正被使用(方框660)，则过程结束(方框665)。如果频率不是最后的频率(方框660)，则S(1)与校准曲线相比较。如果S(1)在区域702内(方框670)，则测量是可接受的。不需要重试。然而，如果S(1)在区域702的外部，则V(1)将被调节以使S(1)更接近“理想冲程”。假定在方程2中被定义为：

G(i)＝S(i)N(i)                     (2)

的增益G(i)与输入电压无关，如方程3所示，V(1)和S(1)可能彼此成比例：

V(i)_new＝V(i)_old×S_ideal/S(i)_old  (3)

在概念上，可以不止一次调节V(1)。按照方程3调节V(1)直至S(1)在区域702内(方框685)。在S(1)位于区域702内时迭代停止。由于微致动器良好的线性，实际上不需要不止一次的调节。

对于随后的f(i)，当i增加时(方框675)，通过假定增益不会随频率发生显著的变化可计算缺省输入电压。接着，如方程4所示，以和V(i)的重试相同的方式计算V(i+1)：

V(i+1)＝V(i)×S_ideal/S(i)           (4)

方程4可具有“相位滞后”，因为增益确实随频率发生变化。然而，与和变化的增益相关联的误差相比，区域702相对较宽。因此，实际上，方程4通常是充分的。在任何给定频率下，很少需要通过方程3来调节输入电压。

方程4中可加入校正因子，其依赖于典型的频率响应以此预测由f(i)到f(i+1)的增益变化。在大多数应用中，这个校正因子可能是不必要的。方程4的变形在方程5中被示出：

V(i+1)＝V(i)×[S_ideal/S(i)]×[Gain(i)/Gain(i+1)]     (5)

必要时，方程4或5可用来预测所使用的下一频率的增益(方框680)。目的是控制V(i)从而将冲程保持在区域702内，同时激励的频率在预定范围内逐步扫描。

在DP测试器505上测量TAA(i)时，低通滤波器的转角频率可能比微致动器激励的频率大至少若干倍。这可防止读回信号的包络被人为变平并且防止“平均”幅度TAA(i)被夸大。图8a示出了原始馈送。图8b说明了利用正确的低通滤波器的读回信号的包络，图8c说明了利用错误的低通滤波器的读回信号的包络。

如果在测量期间调用方程3，换句话说，如果在相同频率f(i)下微致动器被不止一个输入电压所激励，只有最后的输入电压值和最后的时间平均读回信号幅度值作为V(i)和TAA(i)被保留。可丢弃区域2之外的测量。对于每一磁头，一条校准曲线在所有频率下都是有效的。在每一频率f(i)下，一个V(i)和一个TAA(i)被用作原始数据。利用校准曲线，TAA(i)产生冲程S(i)。图9说明了与频率(Hz)相比较的冲程(微英寸)的一条廓线。通过方程2，S(i)和V(i)产生G(i)。图10说明了与频率(Hz)相比较的增益(微英寸/伏特)的一条廓线。

尽管在这里对若干实施例进行了特别说明和描述，但是将会意识到，在没有背离本发明的精神和指定范围的情形下，本发明的修改和变更被上述教导所覆盖并且是在所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种测试方法，包含：

在磁存储介质的无噪声部分上以预定的间距2δ写入两条同心磁道；

在所述两条同心磁道之间定位读/写磁头和微致动器；

将第一频率f(i)，其中i＝1，下的第一振荡电压V(i)，其中i＝1，施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第一信号；以及

基于所述第一信号的时间平均幅度TAA(i)，其中i＝1，按照下式计算所述微致动器的第一冲程特征S(i)，其中i＝1，

$\mathrm{TAA}\left(i\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\δ}}^{S-\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{TAA}\left(r\right)}{\sqrt{{\left[S\left(i\right)\right]}^2-{(r+\mathrm{\δ})}^2}}\·\mathrm{dr},$

其中测试状态索引号i＝1，TAA(r)是读回信号的磁道平均幅度，r是从磁道中心测量的半径。

2.如权利要求1所述的测试方法，其中所述磁存储介质的所述无噪声部分通过擦除所述磁存储介质的一部分来产生。

3.如权利要求1所述的测试方法，还包含从以前的测试来确定所述第一振荡电压。

4.如权利要求1所述的测试方法，其中所述微致动器的第一冲程特征是以所述第一信号的时间平均幅度为基础的。

5.如权利要求1所述的测试方法，还包含：

将第二频率f(i)，其中i＝2，下的第二振荡电压V(i)，其中i＝2，施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第二信号；以及

基于所述第二信号的时间平均幅度TAA(i)，其中i＝2，按照下式计算所述微致动器的第二冲程特征S(i)，其中i＝2，

$\mathrm{TAA}\left(i\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\δ}}^{S-\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{TAA}\left(r\right)}{\sqrt{{\left[S\left(i\right)\right]}^2-{(r+\mathrm{\δ})}^2}}\·\mathrm{dr},$ 其中i＝2。

6.如权利要求5所述的测试方法，还包含通过用所述第一电压乘以理想冲程特征再除以所述第一冲程特征来计算所述第二电压。

7.如权利要求6所述的测试方法，还包含利用典型的频率响应来预测所述第一频率和所述第二频率之间的增益变化。

8.一种测试系统，包含：

磁存储介质，用来存储数据；

读/写磁头，用来在所述磁存储介质的无噪声部分上以预定的间距2δ写入两条同心磁道；

磁头万向悬挂支架组件，用来将所述读/写磁头和微致动器定位于所述两条同心磁道之间；以及

测试器，用来将第一频率f(i)，其中i＝1，下的第一振荡电压V(i)，其中i＝1，施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第一信号；

其中基于所述第一信号的时间平均幅度TAA(i)，其中i＝1，，按照下式计算所述微致动器的第一冲程特征S(i)，其中i＝1，

$\mathrm{TAA}\left(i\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\δ}}^{S-\mathrm{\δ}}\frac{\mathrm{TAA}\left(r\right)}{\sqrt{{\left[S\left(i\right)\right]}^2-{(r+\mathrm{\δ})}^2}}\·\mathrm{dr},$

其中测试状态索引号i＝1，TAA(r)是读回信号的磁道平均幅度，r是从磁道中心测量的半径。

9.如权利要求8所述的测试系统，其中所述微致动器的第一冲程特征是以所述第一信号的时间平均幅度为基础的。

10.如权利要求9所述的测试系统，其中所述测试器将第二频率下的第二振荡电压施加于所述微致动器同时从所述两条同心磁道读回第二信号。

11.如权利要求10所述的测试系统，其中所述第二振荡电压通过用所述第一电压乘以理想冲程特征再除以所述第一冲程特征来计算。

12.如权利要求10所述的测试系统，其中典型的频率响应用来预测所述第一频率和所述第二频率之间的增益变化。

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