专利名称：集成型静电滑动臂飞行高度控制法的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及盘驱器数据存贮装置，尤其不加限制地涉及控制滑动臂与盘之间的飞行高度距离。
背景技术：
盘驱器通电后，就预热升温，尤其是盘驱器里使用的有很大的升温。磁头包括配置在滑动臂基片上的磁换能器，它载送在磁头中发热的读/写电流。由于磁头相对于磁换能器耗散的热量具有很小的表面积，所以磁头的温升很大。
磁换能器具有比滑动臂基片更大的热膨胀系数(CTE)。随着温度升高，磁换能器以比滑动臂基片更大的速率热膨胀，使其磁板/屏蔽尖端相对滑动臂基片的空气轴承表面而伸出。温度越高，磁板/屏蔽尖端更接近该媒体，换能器媒体间距缩小。若换能器媒体的间距在较低温度时不够大，则在较高温度时，伸出的磁板/屏蔽尖端会撞击媒体。
为避免换能器媒体在较高温度时接触，就要使飞行高度在较低温度使保持相对大，但这样会有害地限制换能器的电学性能，尤其是能实现的面积位密度(千兆位/平方英寸)。
对在较高温度时用于纠正与板尖伸出有关的问题的方法与设备提出了需求。
发明内容
揭示的盘驱器诸实施例包括有检测飞行高度的场发射传感器的滑动臂。
该盘驱器包括含媒体表面的盘、包含与媒体表面隔开飞行高度距离的读/写头的滑动臂、场发射传感器、致动器和反馈电路。
传感器包括位于滑动臂上的电极尖端，它跨过间隙面对第一部分媒体表面。传感器通过间隙传导电流，并提供代表间隙长度的传感器电输出。
致动器调节作为收到的致动器电输入函数的飞行高度距离。反馈电路提供作为传感器电输出与反馈函数的致动器电输入，以控制飞行高度距离。
通过阅读下面的详述并参阅有关附图，将明白表征本发明诸实施例的种种特征与优点。
附图简介
图1示出盘驱器的等角俯视图。
图2示意表示滑动臂在室温下飞越盘面的截面。
图3示意表示滑动臂在高温下其磁板尖突起飞越盘面的截面。
图4示出含电极尖端的滑动臂的底视图。
图5示出滑动臂沿图4直线5-5’截取的剖视图以及盘与方向接头。
图6示出图5所示滑动臂的放大图。
图7示出对应于图5所示结构的框图。
图8示出对应于图5所示结构的电原理图。
图9示出致动器相对方向接点偏转滑动臂的结构。
图10示出对应于图9所示结构的框图。
示范实施例的详细描述在下列诸实施例中，盘驱器包括一滑动臂，配备的场发射传感器通过使量子机械隧道电流穿越滑动臂与盘上媒体表面间的空隙而检测飞行高度。场发射传感器的输出反馈给调节飞行高度的致动器。当磁头在较高温度下经历磁极尖热伸出时，反馈就控制和稳定了飞行高度，以防磁头碎裂。
由于因市场需求提高面密度而飞行高度降低，实施例示明的控制与稳定性变得越益重要。另一些因素，如希望用硅作为滑动臂材料以获得半导体行业的加工优点，却因加大了磁场尖在较高温度下的伸出而加剧了飞行高度控制问题。
图1示出包含滑动臂110的盘驱器100实施例，滑动臂有一个或多个读/写头。盘驱器100包括磁盘组件126，其存贮媒体表面106一般为磁性材料层。磁盘组件126包括一堆多块磁盘。读/写头组件112包括对每块推迭盘配有读/写换能器的滑动臂110。盘组件126如箭头107所示自旋或旋转，让读/写头组件112对磁组件126上存贮表面106上的数据访问不同旋转位置。
将读/写头组件112驱动成如箭头122所示相对于盘组件126作径向移动，对盘组件126存贮表面106上的数据访问不同的径向位置。一般地，读/写头组件112由音圈电机118驱动。音圈电机118包括绕轴120旋转的转子116和驱动读/写头组件112的臂114，臂114压住滑动臂110上的中央方向接点提供负载力，保持滑动臂110靠近存贮表面106。一个或多个读/写头淀积在滑动臂110上，在存贮表面106上方以飞行高度飞行。位置130的电路控制着滑动臂110的径向位置，并将滑动臂110上的读/写头与计算环境作电气联接。
图2-3示意性示出滑动臂203在室温(图2)和高温(图3)下在盘媒体表面240上方飞行的断开截面。盘驱器操作期间，盘驱器尤其是换能器236要耗散电力，滑动臂203的温度升高。相对于小尺寸的滑动臂203，大量热量耗散于换能器236，故滑动臂203本身和/或换能器236的温度比整个盘驱器温度高得多。
基片201和各淀积层202、236、210、231的温度膨胀系数(CTE)一般各不相同，通常滑动臂203里的磁金属层236的CTE较大，绝缘层202、231、210的CTE较低。这些层都在容积比层231、210、202与磁金属层236大得多的基片201上生成。由于各种磁头层的CTE不同，滑动臂203的形状在高温下变形。如图2所示出现在室温下的磁极尖凹槽(PTR)237，在磁头温度升高时减小了或完全丢失了，如图3所示。PTR随温度的变化历来称为热学PTR(TPTR)。但在较高温度下，磁极尖突起超出基片表面，如图3所示。
氧化铝层202、231、210的CTE同基片201接近，因而在较高工作温度下，电极/屏蔽突起的主要原因是换能器236中诸金属层的膨胀，该膨胀仅略微受制于邻近基片201、底涂层202和外涂层231、210。
驱动操作期间，滑动臂203在自旋磁记录媒体表面240上方飞行。在盘驱器所有工作温度内，为读写期望的高面积位密度，要求飞行高度238保持得足够低。滑动臂203不应与磁性媒体表面240接触，如图3所示。飞行高度238受到形成滑动臂基片201图案(未示出)的空气轴承表面222形状的影响，还受到臂114(图1)所加负载力的影响。换能器236的性能主要取决于记录媒体与磁头236的磁极/屏蔽尖端的距离，因此既要降低飞行高度以提高磁头性能，但反过来又要提高飞行高度以防止磁头在高温下伸出而碎裂，如图3所示。这两种自相矛盾的要求在结合图4-10描述的改进结构中得到了满足。
图2示意性示出室温下在粗糙度被夸大的磁媒体表面240上方飞行的换能器236，图中换能器236不接触磁媒体表面240的最高点239。图3示意示出高温下操作的同一换能器236。换能器236的大部分容积由金属层和CTE大的线圈绝缘体形成。由于换能器中金属层还有用作线圈绝缘体的固化光刻胶的CTE都较大，所以换能器236的磁极/屏蔽尖端在比室温(图2)更高的温度下(图3)，比空气轴承表面222突起得更多。在较高温度下，这种称为T-PTR的效应使换能器236更接近磁媒体表面240。
磁换能器236必须飞得低，尽量接近媒体以得到良好的电气性能。同时，滑动臂203必须在所有条件下保持飞行而与媒体无机械接触。若飞行高度在较低磁头温度下(图2)不够大，则突出的磁极/屏蔽尖端235在较高磁头温度下(图3)就撞击媒体而造成热学粗糙度，这将造成磁不稳定性和沾污而导致摩擦问题，最终磁头碎裂。为防止磁头—媒体在较高磁头温度下接触(图3)，飞行高度在较低磁头温度下必须足够大(图2)，对磁头电气性能带来不希望的影响。
在工作温度范围内，难以使飞行高度保持得足够低而磁头—媒体不接触，但这些难题已在下面结合图4-10描述的改进配置法中都解决了。
图4～6示出的滑动臂300可用于盘驱器100(图1)等盘驱器，减小了图2～3所示的磁极尖突起问题。
滑动臂300有些方面系普通设计。滑动臂300包括用作滑动臂300滑动表面的滑轨301，在盘304停转或启动时在盘304上滑动。滑动臂300下侧303经成形而提供向上的空气动力学升力305飞行接点307应用由包含在磁头组件112里的负载梁提供的向下负载力309(图1)。当盘304正以正常操作速度自传时，空气动力学升力305将滑动臂300升离盘304，滑动臂300在盘304表面上方的一层空气上飞行。盘304包括媒体表面306，后者包含读写数据的磁性材料。读写头308淀积在滑动臂300上，与媒体表面306隔开飞行高度距离310。但读写头308在高温下具有磁极尖突起，如下所述，提供的一种结构可减小磁极尖突起问题，保持相对稳定的飞行高度。
滑动臂300上设置一电极尖端302，它跨过空隙316面对媒体表面306的第一部分314。电极尖端302、空隙316和媒体表面306第一部分314一起构成传感器312。传感器312通过空隙316传导电流，在代表空隙316长度的引线320上提供传感器电气输出。
传感器310不是电容型传感器，检测也不依赖于热离子发射。通过传感器310的电流不是电容位移电流，而与传感器310上的电压接近同相。传感器310配置成工作于某种曾称为“场发射”、“冷阴极效应”、“自动电子发射”或“隧道”的量子机械效应。
当导体与真空(或绝缘体)之间的表面(界面)承受一加到真空(或绝缘体)横过该表面的低电平电场时，很少或几乎没有电流穿过该表面流入真空(或绝缘体)，导体里的电子的能级高达所谓的费米级，表面有一高位垒。由于该位垒比费米级高出很大一个称为导体“逸出功”的量，故电子不从导体流入真空或绝缘体。当逐个电子从导体进入真空或绝缘体时，失去电子使导体具有将电子(带负电荷)迅速地吸回到导体里的净正电荷。在低电场时，无明显的场发射效应。
但是发现，当横对表面施加的电场极高时，则位垒变成薄得足以使电子有一定机会具有足够的能量通过该薄位垒而不被吸回入导体。这种概率性的电子流动有时称为“隧道电流”，其幅值与温度相对无关。一旦建立并保持了形成隧道的条件，大得令人惊奇的隧道电流就会流动，如每平方厘米为数千安培。导体表面附近有极高的电场，就有场发射效应。这种“场发射”效应已应用于扫描隧道显微镜等测量仪器里。
在传感器312中，电极尖端302配置成在尖端表面322提供场发射或隧道电流(图6)。电极尖端302形成微结构，其尖端表面适合通过空隙316提供量子机械场发射电流。尖端表面322面对媒体表面306第一部分324的小区域，通过空隙316提供小的场发射电流。还将电极尖端302形成配有锐缘的相对薄的层，这种锐缘特征在尖端表面322周围以加在空隙316两端即电极尖端302与媒体表面306部分314之间的相对低的电压产生高的电场强度(伏/米)。空气在移动媒体表面的边界层通过空隙316，吹掉任何会梁积在空隙内的电离气体。尖端表面322附近高的电场强度产生隧道形成条件。如将结合图8下面详述的那样，隧道电流还受制于接至电极尖端302的电路。尖端302接电阻器334，后者接触板336，而触板336再接电赋能源338。
在图4～6中，还设置了电容致动器330(图6)，把飞行高度距离310作为在电容器板332收到的致动器电输入的函数来调节。电容器板332是形成在滑动臂300导电体里的台面，滑动臂300较佳地由参杂硅构成。电容致动器330包括置于滑动臂300上的第一电容电极表面332和媒体表面306形成第二电容电极的对面第二部分340。在一较佳配置中，第一电容电极表面332与第二电容电极340隔开的电容器间距342大于空隙距离316，以提供电气反馈增益。
电极尖端302经导体320与导电的滑动臂300电气连接至电容器板332，电容器板332用作致动器电输入。这些电气连接提供一反馈电路，将致动器电输入作为传感器电输出的反馈函数来控制飞行高度距离310。飞行高度距离310相对温度稳定，而滑动臂300可以飞得更接近媒体表面，以实现更高的面密度并降低碎裂的可能性。
在一较佳配置中，空隙316为5～15毫微米，或与飞行高度距离310一样长。
电极尖端302的尖端表面322面对空隙316。尖端表面322可以是金属，或包括场发射特性经测定的一个或多个涂层，诸如p参杂金刚石、金刚石类碳(DLC)、钨、钼、镧、六硼化物、二氧化硅粒与氧化铍粒。在一较佳配置中，302在读写头308中形成为一层材料的一部分。在该较佳配置中，电极尖端302在较高温度下易于像读写头308的磁极尖端突起一样伸出。
操作中，读写头308以飞行高度310在媒体表面306上方飞行。由于读写头308变热，向媒体表面306突得更出。量子机械传感器312的电极尖端302也突起，改变了呈现在导体320上的传感器输出，而该输出经滑动臂300反馈给电容致动器330。后者减小其吸引力344作为响应，由此抬高滑动臂300，至少部分地补偿高温下的突起。这样就稳定了飞行高度，读写头308能更接近媒体表面306飞行而不必担心被磁极尖突起损坏。运用这一更近的距离，可实现更高的位密度。
图7示出对应于图5所示结构的框图，并示出图5结构的控制系统方面。图7中，对滑动体400的作用力包括加在发现接点上的向下负载力402、加在滑动体400下边的向上空气动力升力404和相对媒体表面驱动滑动体的电容致动器408内静电吸引造成的受控向下致动器力406。电容致动器408由收到的致动器电气输入410(也称误差信号)控制。电容致动器408和滑动体400包括一前馈通路。滑动体400响应于对其施加的力，以特定的飞行高度与相应的空隙长度412飞行。
空隙长度412由包含反馈通路的场发射传感器414检测，传感器414在传感器电气输出端416呈现代表空隙长度412的阻抗。电气赋能源418通过硬线求和结420向场发射传感器414提供电流，源418对控制系统提供设定点。电气输出端416的电压是该设定点和传感器414阻抗的函数。电气输出416的电压代表空隙长度，经求和结420耦合至电容致动器408作为其电输入410。前馈通路、反馈通路和求和结对飞行高度建立了闭环控制。温度升高时，磁极尖突起更大，空隙长度412减小。场发射传感器414检测减小情况，相应减小的传感器输出电压馈回给电容致动器408，后者以减小的电压产生减小的致动器吸力406。减小的致动器吸力406使飞行高度增大，把突出的磁极尖移离媒体表面。这样，建立了稳定性提高的作为温度函数的飞行高度。
图8示出对应于图4～7所示结构的电原理图，对电路作了简化。如图所示，盘在430接地，这对场发射传感器432和电容致动器434都提供了接地连接。滑动臂上的电极尖端436经线路437直接接与滑动臂一体的电容器板438。或者可使用一种绝缘的滑动臂，在电极尖端与电容表面之间的滑动臂上由独立的导体提供连接。该线路437对应于图6中通过导体320与导电滑动臂300接到电容器板332的通路。电阻器440接电极尖端436。电阻器440对应于图6中的电阻器334，它也接至电压源442，二者一起包括电气赋能源418。选择电阻器440的电阻和电压源442的电压，为控制空隙长度因而也是飞行高度提供一设定点。本领域的技术人员应理解，电气赋能源也可包括一受控电流源。虚线444表示滑动臂在电极尖端436与电容器板438之间的机械联接。
图9示出另一结构500，与图4～8的结构相似。但在图9中，取消了穿过滑动臂与磁盘间电容空气距离操作的致动器330(图6)，图中设置的致动器502相对发现接点504驱动滑动臂。图9中还增设了控制器506，沿线路508向致动器502提供增益和反馈。
图9示出可用于盘驱器100(图1)等盘驱器的滑动臂501，可减少图2～3所示的磁极尖突起问题。滑动臂501的某些方面为以上对同类滑动臂300说明的常规设计。
电极尖端512设置在滑动臂501上，跨过空隙516面对媒体表面514。电极尖端512、空隙516和媒体表面514共同包括传感器522。传感器522使电流传导通过空隙516，在引线521上提供代表空隙516长度的传感器电气输出。引线521通过线路520和电阻器523接到电位源525。传感器512不是电容传感器，检测也不依赖于热离子放射。传感器512配置后，可工作于称为“场发射”、“冷阴极效应”、“自动电子发射”或“隧道”的量子机械效应。传感器522一般类似于上述的传感器312。
致动器502响应于线路508上的控制器输出，扩展其厚度(图9中接近垂直地)，由此改变空隙516和飞行高度。致动器502可以是电容型或压电型致动器。本领域的技术人员应理解，图9所示结构是示意结构，而滑动臂501的各种机械支承(如常平装置)结构都适合应用图示的反馈结构。电气赋能源524可以是图示的独立电路，也可以集成到控制器506中。
图10示出对应于图9结构的框图，标号与图9中一样。
以前曾提出过电容(静电)飞行高度致动器，但因滑动臂同盘吸力与距离之间的1/距离2关系，其价值有限。1/距离2关系易使控制不稳定。
飞行高度缺少高带宽测量，这样把对飞行高度稳定的控制范围限制到比不加电压的标称飞行高度约减小30％。再者，为控制飞行高度，就要求某些测量或评估的装置。一种简单的方法是应用来自磁头的信号幅值，但因这样只提供伺服扇区的有用测量，限制了反馈带宽(其原因在于数据区的幅值因位置误差和飞行高度变化而发生改变)。也曾研究过电容飞行高度传感器，但其要求复杂的电子线路，增大系统成本。
由于场发射电极尖端的电压近似正比于电极与磁盘间距，而且静电力近似正比于电场强度的平方，故必须将飞行控制静电力电极几何形成设计成提供反馈增益。若飞行控制电极与磁盘间距同场发射电极与磁盘间距一样，静电力将恒定，与间距无关，不存在飞行高度的稳定化问题。如图6所示，把电极尖端和电容电极置于滑动臂上，使飞行控制电极与磁盘的间距比场发射与磁盘的间距大几倍，就能产生反馈增益。
发射电极的标称间距为0.3微英寸，控制电极的标称间距为1.0微英寸，则间距减小0.1微英寸将使静电力减小45％，而间距增大0.1微英寸将使静电力增大46％。若要求更高的反馈增益，可将发射电极同作间距传感器，对用来控制加到飞行控制电极的电压的电子反馈电路提供测量信号。这样由于不将控制电极上的电压限制为等于发射电极电压，选用发射电极的材料还更加灵活。
由于滑动臂空气轴承表面(ABS)为防止机械磨损和化学腐蚀而涂有DLC(金刚石类碳)层，所以希望以不干扰保护性DLC涂层功能的方式制作场发射电极。其方法是用与写换能器磁极同样的金属制作场发射电极，以一般方法对ABS(包括场发射电极)涂布DLC，最后在场发射电极上对DLC直接作离子注入而使它导电。在某些应用中，可将DLC涂层做成有足够的导电性，不再要求离子注入步骤。间距为0.3微英寸(7.6nm)时，p参杂的金刚石材料在70V/μm下将产生0.53V，作为反馈控制电路的检测信号，这是一个理想的电平。为直接驱动飞行控制电极，希望电压再大一些。金属/绝缘体氧化铍颗粒系统在5×108V/m下，将在7.6nm飞行高度时产生3.8V电压。
总之，盘驱器(100)包括含媒体表面(306、514)的磁盘(304)。盘驱器(100)还包括含读写头(308)的滑动臂(300，501)，读写头与媒体表面(306，514)隔开飞行高度距离(310)。包括电极尖端(302)的场发射传感器(312，512)设置在滑动臂(300，501)上，跨过空隙(316，516)面对媒体表面(306)的第一部分(314)。传感器(312，512)使电流传导通过空隙(316，516)，提供代表空隙(316，516)长度的传感器电气输出(416)。致动器(330，502)调节作为收到的致动器电气输入(410，508)函数的飞行高度距离。反馈电路(410，420，506)提供作为传感器电气输出的反馈函数的致动器电气输入，以控制飞行高度距离。
应该理解，尽管已结合本发明诸实施例的详细结构与功能描述了本发明诸实施例的各种特征与优点，但是这一揭示仅用于示例，尤其在诸部件的结构和配置方面可在本发明原则内作出各种变化并符合所附权利要求所表达的诸条款广泛意义上所指的内容。例如可以使用绝缘的滑动臂，分立的导体在电极尖端与电容表面之间对滑动臂提供连接。此外，虽然本文描述的较佳实施例针对磁性盘驱器，但是本领域的技术人员将明白，本发明内容也适用于其它系统(如磁光驱动器或光学驱动器)而并不违背本发明的范围与精神。
权利要求
1.一种在盘驱器中控制飞行高度所述的方法，其特征在于包括在滑动臂上的读写头与盘上媒体的表面之间设置飞行高度距离；用设置在滑动臂上跨过空隙面对媒体表面第一部分的电极尖端检测，所述电极尖端使电流传导通过空隙，并提供代表空隙长度的传感器电气输出；使飞行高度距离作为收到的致动器电气输入的函数而变动；和提供作为传感器电气输出的反馈函数的致动器电气输入，以控制飞行高度距离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过空隙的电流是来自电极尖端的量子机械场发射电流。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括将空隙控制在5～15纳米范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对电极尖端配置一尖端表面，其所含材料选自p参杂的金刚石、金刚石类碳(DLC)、钨、钼、六硼化镧、二氧化硅粒和氧化铍粒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在读写头中形成作为金属层部分的电极尖端。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电容性地执行致动。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，电容性致动由第一电容电极表面执行，所述第一电容电极表面设置在滑动臂上面对磁盘形成第二电容电极的第二部分。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括第一电容电极表面与磁盘第二部分隔开一电容器间距，所述电容器间距大于空隙长度。
9.一种盘驱器，其特征在于，包括磁盘，包含媒体表面；滑动臂，包含读写头，所述读写头与媒体表面隔开一飞行高度距离；传感器，包含电极尖端，所述电极尖端设置在滑动臂上跨过空隙对面媒体表面第一部分，传感器适合通过空隙传导电流并提供代表空隙长度的传感器的电气输出；致动器，调节作为收到的致动器电气输入的函数的飞行高度距离；和反馈电路，提供作为传感器电气输出的反馈函数的致动器电气输入以控制飞行高度距离。
10.如权利要求9所述的盘驱器，其特征在于，电极尖端的尖端表面适合通过空隙提供量子机械场发射电流。
11.如权利要求9所述的盘驱器，其特征在于，空隙范围为5～15纳米。
12.如权利要求9所述的盘驱器，其特征在于，尖端的尖端表面所含的材料选自p参杂金刚石与金刚石类碳(DLC)、钨、铝、六硼化镧、二氧化硅粒和氧化铍粒。
13.如权利要求9所述的盘驱器，其特征在于，电极尖端是读写头中的材料层部分。
14.如权利要求9所述的盘驱器，其特征在于，致动器是电容致动器。
15.如权利要求14所述的盘驱器，其特征在于，电容致动器包括第一电容电极表面，所述表面设置在滑动臂上面对媒体表面形成第二电容电极的第二部分。
16.如权利要求15所述的盘驱器，其特征在于，还包括将第一电容电极表面与第二电容电极隔开大于空隙间距的电容器间距。
17.一种盘驱器，其特征在于，包括包含读写头的滑动臂、包含与读写头隔开飞行高度距离的媒体表面的磁盘，以及调节作为收到致动器电气输入的函数的飞行高度距离的致动器；和检测作为跨过滑动臂与媒体表面之间空隙的量子机械电流函数的飞行高度距离的反馈装置，所述反馈装置产生致动器电气输入以控制飞行高度距离。
全文摘要
一种包括滑动臂(300，501)的盘驱器(100)，配有检测飞行高度的场发射传感器(312，512)。传感器(312，512)具有设置在滑动臂(300，501)上的电极尖端(300)，该电极尖端(302)跨过空隙(316，516)面对媒体表面(306)。传感器(312，512)通过空隙传导隧道电流，提供代表空隙(316，516)长度的输出(416)。致动器(330，502)调节飞行高度距离。反馈电路(410，420，506)提供作为传感器输出的反馈函数的致动器电气输入以控制飞行高度距离。
文档编号G11B9/00GK1488138SQ02803960
公开日2004年4月7日 申请日期2002年1月23日 优先权日2001年1月25日
发明者W·博南, Z·E·布塔戈, W 博南, 布塔戈 申请人:西加特技术有限责任公司