在無有形損傷設(shè)備中的由軟磁性粒子引起的磁性消除

1、在無有形損傷設(shè)備中的由軟磁性粒子引起的磁性消除在磁盤面密度日益增加的情況下，在磁頭和磁盤表面間的粒子的相互作用已經(jīng)成為影響磁盤運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要因素。雖然在磁頭和磁盤間的這些導(dǎo)致磁盤數(shù)據(jù)永久丟失的粒子可以引起機(jī)械損傷，但是，我們可以只能觀察到設(shè)備的數(shù)據(jù)丟失卻不能發(fā)現(xiàn)任何明顯的有形損傷的痕跡。我們設(shè)計(jì)了一個(gè)電平測試系統(tǒng)來研究這種在玻璃和鋁基體設(shè)備上的數(shù)據(jù)擦除形式。我們的研究表明在粒子和磁盤之間的接觸壓力所引起的摩擦熱可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)的永久丟失。另外，我們還進(jìn)行了對空氣軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、有載/無載機(jī)構(gòu)以及在磁頭和磁盤表面粒子數(shù)量密度等影響因素的研究。DOI: 10.1115/1.2768071關(guān)鍵字：

2、磁記錄 粒子 數(shù)據(jù)擦除引言磁盤面密度的快速增長已經(jīng)使得磁盤的軌道寬度和比特大小進(jìn)入到一個(gè)微米級別，有時(shí)候甚至小于100nm。然而，在面密度上如此劇烈的增長也帶來了由于幾個(gè)新的可靠性問題產(chǎn)生的影響，其中就包括粒子和磁頭-磁盤接觸面相互影響。除了引起運(yùn)行波動(dòng)外 ,存在于磁頭和磁盤間的粒子還會(huì)引起磨料磨損1和磁盤的機(jī)械劃傷，這些都會(huì)導(dǎo)致磁盤數(shù)據(jù)的永久丟失2。由于磁頭-磁盤和粒子的相互作用的概率隨著粒子的濃度增加而增加，所以磁頭-磁盤接觸面的壽命也隨著粒子濃度的增加而減小3，4。此外，粒子的尺寸、密度5、物理性質(zhì)以及磁盤的基體也都在粒子和磁頭-磁盤接觸面的相互作用中起了重要的作用6。對于粒子引起的磁頭

3、-磁盤接觸面破壞的程度和性質(zhì)由粒子的類型確定并且依靠相互作用的界面的相對硬度6。由于粒子較硬，他們可以使磁盤的表面變形、分裂或者嵌入其中。近年來曾等人的模擬實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)磁盤表面的摩擦系數(shù)比磁頭表面的小時(shí)磁盤和粒子之間破壞的概率將會(huì)有明顯的減少。早期在特種空氣軸承（AB）設(shè)計(jì)的研究中也發(fā)現(xiàn)了磁盤的劃痕隨著空氣軸承表面（ABS）7，8ion-milling(IM)腐蝕深度的減小而減小。雖然數(shù)據(jù)的丟失伴隨設(shè)備的機(jī)械損傷而發(fā)生，但是已經(jīng)觀察到的粒子引起的數(shù)據(jù)丟失的設(shè)備卻并沒有發(fā)生明顯的機(jī)械損傷和劃痕。這種失效模式經(jīng)常發(fā)生在有載/無載（L/UL）裝置中，而且通常是由軟粒子引起的，比如聚合的粒子等。在設(shè)計(jì)空

4、氣軸承、摩擦學(xué)接觸面、有效的驅(qū)動(dòng)過濾器和生產(chǎn)過程的凈化器中我們已經(jīng)作了很多的改進(jìn)。然而，在有載/無載驅(qū)動(dòng)裝置的摩擦過程以及在此驅(qū)動(dòng)器上聚合物和不銹鋼臺之間的多次滑移運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的聚合物碎片是粒子的最根本的來源，這些粒子只能通過減少材料、優(yōu)化過程來盡量的減少，并不能徹底消除。在磁盤沒有任何有形損壞時(shí)由機(jī)械應(yīng)力引起的數(shù)據(jù)永久丟失可以歸結(jié)為以下兩個(gè)方面：一是由于彈性接觸引起的磁致形變（磁致伸縮）效應(yīng)9，一種是接觸壓力引起的摩擦熱9-11。迄今為止，這種失效形式也僅僅在玻璃設(shè)備上觀察到。Suk等人9利用鋁作基體，已經(jīng)證明出數(shù)據(jù)的丟失和磁致形變沒有關(guān)系，并且得到一個(gè)結(jié)論，那就是數(shù)據(jù)丟失的一個(gè)必須條件是磁盤

5、有有形破壞或者磁盤快速升溫。最近的研究12表明通過磁電機(jī)裝置讀出在玻璃基體裝置中由于摩擦熱產(chǎn)生的溫度峰值是鋁作基體設(shè)備的兩倍。有很多因素可以使磁頭-磁盤接觸面容易發(fā)生由于粒子引起的數(shù)據(jù)丟失。雖然有幾個(gè)學(xué)者從事這方面的研究，絕大多數(shù)的出版物將人們引向小粒子，并且主要關(guān)心粒子的尺寸、它的物理性質(zhì)、空氣軸承設(shè)計(jì)和這些因素在引起磁盤有形破壞中充當(dāng)了什么角色。有人預(yù)言由于大粒子的接觸壓力產(chǎn)生的摩擦熱可以使磁電機(jī)的溫度上升5，雖然磁頭-磁盤接觸產(chǎn)生的設(shè)備瞬間溫度增長已經(jīng)通過新穎的“ball drop”實(shí)驗(yàn)得到模擬11和研究，但是還沒有一個(gè)系統(tǒng)的研究能解決到底這個(gè)粒子多大，例如在跳動(dòng)磨損中產(chǎn)生的影響設(shè)備的聚

6、合物碎片。現(xiàn)在工作的目標(biāo)是研究在磁盤驅(qū)動(dòng)器中各種不同的因素是怎樣通過軟粒子來影響磁頭-磁盤接觸面的相互作用的。我們設(shè)計(jì)了含有電平元件的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來研究這種粒子引起的磁盤數(shù)據(jù)擦除并且倡導(dǎo)在有載/無載驅(qū)動(dòng)裝置中來進(jìn)行粒子和磁頭-磁盤接觸面之間相互影響的具體研究。另外，我們也研究了有載/無載機(jī)構(gòu)中粒子數(shù)量密度的影響。同時(shí)，有載/無載裝置中的磁頭和粒子之間的相互作用我們也作了研究。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置 我們研究了用鋁和玻璃作基體的設(shè)備。在磁盤上寫有交替的雙頻率連續(xù)數(shù)據(jù)。一根軸和斜坡安裝在光學(xué)表面分析儀（OSA）的頂端。這個(gè)裝置允許在原位置實(shí)驗(yàn)，包括不從軸上移走磁盤來重復(fù)進(jìn)行光學(xué)表面分析掃描。這樣確保了在整個(gè)實(shí)驗(yàn)

7、過程中磁盤和軸的方位的一致性，因此，很容易對同一個(gè)磁盤進(jìn)行多重光學(xué)表面分析掃描的一對一比較。另外，改進(jìn)的斜坡用于鋁作基體的磁盤。磁盤在光學(xué)表面分析儀上預(yù)先加壓。這些直徑幾乎都接近10µm的粒子（斜面削屑）通過自制的粒子分配器被均勻的注入到磁盤，這個(gè)粒子分配器就像一個(gè)鹽瓶。這個(gè)斜坡是由聚甲醛（POM）組成的，這些切屑是用一個(gè)精細(xì)規(guī)格的銼刀銼削斜坡而成的。圖一表示的是磁盤上沉積之后的粒子的場發(fā)射掃描式電子顯微鏡（FESEM）圖像。粒子的物理性質(zhì)在表一中給出。磁盤上引入的粒子的數(shù)量可以通過振蕩器振蕩的劇烈程度和頻率來控制，粒子數(shù)量不確定度在10%以內(nèi)。粒子的數(shù)量可以通過光學(xué)表面分析儀來統(tǒng)計(jì)

8、。之后在磁盤的直徑最外端（o.d）加載區(qū)域加載磁頭。以12.7cm/s的速度對直徑中心的加載區(qū)域進(jìn)行掃描，然后去掉載荷。這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行100次。磁頭分別以12.7cm/s的加載速度和25.4cm/s的無載荷速度進(jìn)行試驗(yàn)。仔細(xì)觀察磁盤上數(shù)據(jù)丟失的位置并且檢查在多次探索試驗(yàn)之后有沒有粒子存留在磁盤上。磁性損壞區(qū)域已經(jīng)被找出，并且在損壞位置進(jìn)行了原子力顯微鏡（AFM）和磁力顯微鏡（MFM）的研究。分別在100倍和500倍明暗場顯微鏡下對磁頭進(jìn)行光學(xué)檢查來研究在磁頭表面上聚集的粒子的位置。圖2是一個(gè)在試驗(yàn)中使用的典型磁頭的示意圖。橫向的溝槽，沉積粒子磁頭的前凸臺邊后面的凹槽是粒子沉積的主要地方在實(shí)驗(yàn)

9、中使用的磁盤試樣的矯頑力通過磁力計(jì)來測量。磁場和薄膜是正交的。一個(gè)加熱線圈附在磁盤的后面，磁盤的溫度可以商用的熱電偶溫度計(jì)來測量。磁盤的溫度每次增加約5直到80。在每個(gè)溫度點(diǎn)可以測量磁滯回線循環(huán)。有載/無載機(jī)構(gòu) 為了學(xué)習(xí)有載/無載的速度是怎樣影響軟磁性粒子失效的概率，我們給磁頭分別加載12.7cm/s和30.5cm/s的速度，這時(shí)磁盤上遍布了400粒軟磁性粒子，磁盤和磁頭的初始設(shè)置在兩種速度下是一樣的。磁頭加載在載荷區(qū)域，掃描內(nèi)圈，然后磁頭卸載，這樣的循環(huán)重復(fù)做100次。運(yùn)行穩(wěn)定性 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)可以使我們對于在有載/無載機(jī)構(gòu)中粒子和磁頭-磁盤接觸面之間的相互作用獲得一個(gè)好的理解。一個(gè)具有中

10、央保險(xiǎn)的環(huán)形紙制防護(hù)罩安裝在磁盤的頂上，粒子通過這個(gè)防護(hù)罩注入，這樣可以確保在磁盤的外邊界上沒有粒子。這種磁盤上粒子的環(huán)形沉積樣式可以用光學(xué)表面分析儀來證實(shí)。大約有300個(gè)粒子均勻的沉積在磁盤的內(nèi)表面上。磁頭加載在磁盤上粒子自由分布的區(qū)域，并且在磁盤卸載前進(jìn)行50次的從內(nèi)到外的清掃。在第二階段實(shí)驗(yàn)中大概有500個(gè)粒子在磁頭在干凈的磁盤上運(yùn)行時(shí)注入到磁盤上。當(dāng)磁頭軌道卸載運(yùn)行前進(jìn)行50次從內(nèi)到外的循環(huán)掃描。粒子數(shù)量密度 預(yù)先寫入數(shù)據(jù)和檢查的四組磁盤分別摻入300、550、900和3500個(gè)粒子。對于每一組磁盤都進(jìn)行有載/無載和掃描的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，在每一個(gè)磁盤上都使用新的磁頭。每一個(gè)磁盤都經(jīng)過仔細(xì)檢查

11、，磁盤上的粒子數(shù)量在經(jīng)過1、3、5、7、12、32和50次循環(huán)的時(shí)候統(tǒng)計(jì)。我們發(fā)現(xiàn)不管磁盤上最初的粒子數(shù)量是多少，在50次有載/無載和掃描循環(huán)之后就不再受粒子的約束了。結(jié)果代表性數(shù)據(jù) 以玻璃為基體的磁盤的數(shù)據(jù)如圖3。一處代表性的磁消除位置大于20m幾乎填滿了磁盤上所畫整個(gè)圓圈。在AFM和OSA上沒有發(fā)現(xiàn)物理損傷的標(biāo)志。在圖4中我們可以看到，磁擦除處的磁力顯微鏡（MFM）刨面圖是5.4m寬的小突起，在原子顯微鏡（AFM）刨面圖中沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的特征。此外，在圖4中磁盤上高頻率數(shù)據(jù)模式的光譜分析表明盡管光譜分析內(nèi)容很相似，磁盤上磁擦除處的振幅明顯比沒有破壞部分的低。這個(gè)表明快速升高的溫度量低于居里溫

12、度，也就是說，溫度的增加量在引起順磁性轉(zhuǎn)移時(shí)不是足夠的高，但是對于減少被損壞位置的局部磁感（Hc）來說足夠高了，因此導(dǎo)致了磁擦除處的由熱引起的退磁。破壞位置處可以通過寫電流重新寫入（Iw）。而且，消磁位置可以在磁盤的任何位置，沒有發(fā)現(xiàn)去對加載區(qū)域有優(yōu)先選擇，也沒有發(fā)現(xiàn)和粒子的最初位置有關(guān)聯(lián)。磁盤上數(shù)據(jù)的丟失總是伴隨著磁頭上一定程度粒子的沉積。同樣的實(shí)驗(yàn)也在以鋁為基體的磁盤上重復(fù)進(jìn)行了，但是沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失。我們的結(jié)果表明由于鋁基體設(shè)備的大的導(dǎo)熱率減少了在接觸壓力作用下摩擦產(chǎn)生的熱量，使得溫度低于磁性數(shù)據(jù)丟失的臨界溫度。在滑頭運(yùn)動(dòng)的半徑區(qū)域，其平均速度介于5m/s和20m/s之間。由于磁性薄膜

13、很薄，我們假設(shè)迅速增加的溫度最主要的歸因于基體。假設(shè)最大的接觸直徑約等于1m，時(shí)間平均接觸直徑dt通過下式給出13同樣的磁盤發(fā)生數(shù)據(jù)破壞的區(qū)域?qū)懹羞B續(xù)數(shù)據(jù)的磁盤從2圖中去掉一圖后的圖像原子顯微鏡下破壞區(qū)域的圖片 磁力顯微鏡下破壞區(qū)域的圖片皮克列數(shù)pe由下式給出其中dmax是最大接觸直徑，U是滑頭的速度，k是熱導(dǎo)率。對于磁盤的表面來說粒子是很小的，可以近似的被認(rèn)為是一個(gè)在半無限介質(zhì)上的移動(dòng)熱源。利用接觸兩個(gè)物體的溫度迅速上升的Tian和Kennedy方程式14，對于球面熱源在球形赫茲滑動(dòng)接觸時(shí)溫度迅速上升的最大增量可以通過下式描述：其中K1是基體的導(dǎo)熱率，K2是粒子的導(dǎo)熱率，f是摩擦系數(shù)，p是平

14、均接觸壓力，U是兩個(gè)表面的相對滑動(dòng)速度，Pe1是基體的皮克列數(shù)，Pe2是粒子的皮克列數(shù)。存在于磁盤表面球星接觸的赫茲接觸，其平均壓力由下式可得：其中E1、E2和v1、v2分別是兩個(gè)表面的楊氏模量和波松比。R和d是曲率半徑和平均接觸寬度。假設(shè)摩擦系數(shù)是0.1515，d與R的比率約等于0.3，接觸壓力近似等于4.5X108Pa。對于彈性變形，當(dāng)H表示兩個(gè)接觸軟材料的壓痕硬度時(shí)p=H。斜坡材料的硬度可以通過努氏硬度測試壓頭測量，一般的估計(jì)其值是0.08GPa。利用兩種表面的物理性質(zhì)（表一中顯示的）和用Eqs.（2）和（4）取代Eq.（3），對于理想的彈塑性變形，在以玻璃為基體的磁盤上破壞區(qū)域的溫度上

15、升的上限和下限值分別是108和19。對于鋁作基體的磁盤，其溫度上升的上限僅僅是2。磁盤上動(dòng)態(tài)的磁感和溫度之間的函數(shù)關(guān)系如圖5所示。我們可以觀察到隨著溫度的升高磁感在單調(diào)減少。例如，通過圖5的數(shù)據(jù)我們可以估計(jì)動(dòng)態(tài)的磁感在130時(shí)將降低51%，這個(gè)溫度導(dǎo)致了破壞區(qū)域的退磁。有載/無載機(jī)構(gòu) 當(dāng)磁頭以12.7m/s的速度加載運(yùn)行時(shí)，在磁頭的表面發(fā)現(xiàn)很少的粒子，當(dāng)磁頭在高載荷下以30.5m/s運(yùn)行時(shí)，不僅僅可以在磁頭等表面觀察到大量粒子的沉積，還可以在表面上看到潤滑劑的聚集。對比粒子沉積的速度和載荷速度的增加，加載和不加載下粒子和磁頭-磁盤接觸面之間的相互作用幾乎相同。運(yùn)行穩(wěn)定性 我們的研究表明通過改變

16、加載速度，粒子和磁頭的相互作用有明顯的變化，通過自身作用并沒有充分的減少磁頭表面上粒子的沉積。此外，我們還可以觀察到一塊最初用粒子均勻摻雜的磁盤在磁頭從內(nèi)到外的幾次循環(huán)掃描后通常還可以將粒子清掃干凈。這表明：當(dāng)磁頭-粒子碰撞在穩(wěn)定的運(yùn)行條件下發(fā)生時(shí)相當(dāng)多的類似試驗(yàn)中使用的粒子沉積在磁頭的表面。我們觀測到對于不同的實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)磁頭加載在粒子上時(shí)，對于同樣的空氣軸承，粒子都會(huì)在磁頭的表面沉積。這個(gè)證實(shí)了即使粒子-磁頭碰撞發(fā)生在穩(wěn)定的運(yùn)行條件下也不能避免粒子引起的磁擦除。粒子數(shù)量密度 我們發(fā)現(xiàn)在低粒子數(shù)量密度下，粒子黏附在磁頭的前邊緣。隨著粒子數(shù)量密度的增加，粒子開始沉積，首先沉積在前邊緣內(nèi)側(cè)軌道拐

17、角的凹槽處，然后沉積在外側(cè)（如圖2）。我們還可以觀測到在一個(gè)低粒子數(shù)量密度下，在磁頭前邊緣的拐角凹槽處粒子的沉積是受限制的。然而，進(jìn)一步增加粒子數(shù)量密度將導(dǎo)致粒子在橫向的凹槽中沉積。雖然在粒子被限制沉積在前邊緣拐角的凹槽處時(shí)，我們沒有觀察到運(yùn)行調(diào)節(jié)，但是當(dāng)橫向的凹槽里沉積了粒子的時(shí)候我們可以觀測到是43.5KHZ的調(diào)制。磁頭萬向架組件（HGA）的諧波分析證實(shí)這個(gè)調(diào)制歸因于gimbal mode的激磁。在橫向的凹槽中粒子的沉積會(huì)影響的空氣軸承的氣流，使其更易受到激磁的影響。圖6描述的是磁盤上不同大小粒子的數(shù)量和加載清掃、無加載清掃循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，粒子通過光學(xué)表面分析儀來檢測。在開始的幾次循環(huán)之后大粒子的數(shù)量迅速減少；然而，小粒子在開始的幾次循環(huán)之后卻增加，在之后的循環(huán)中減少。這個(gè)表明磁盤表面上一些粒子當(dāng)其與磁頭碰撞的時(shí)候發(fā)生碎裂和損傷。我們也