专利名称：具有用于头-介质间距和接触检测的多个电阻温度传感器的头换能器的制作方法
具有用于头-介质间距和接触检测的多个电阻温度传感器的头换能器
发明内容
本公开的实施例涉及ー种装置，包括:头换能器，配置成与磁性记录介质交互；第ー传感器，具有电阻温度系数(TCR)且配置成产生第一传感器信号；以及第ニ传感器，具有TCR且配置成产生第二传感器信号。第一和第二传感器之一位于头换能器上的与磁性记录介质有关的接近点处或附近，且第一和第二传感器中的另ー个远离接近点。电路配置成组合第一和第二传感器信号并产生指示头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者的组合传感器信号。第一传感器可包括正TCR和负TCR之一，且第二传感器可包括正TCR和负TCR中的另ー个。根据其它实施例，第一和第二传感器被布置成限定差分电阻温度传感器。电路被配置成组合第一和第二传感器信号以产生指示头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者的差分信号。检测器被配置成利用差分信号检测头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者。各种方法实施例包括在头换能器相对于磁性记录介质移动的情况下，利用具有电阻系数(TCR)的第一传感器感测头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者。方法还包括利用具有TCR的第二传感器感测由于除头-介质间距变化和头-介质接触以外的因素引起的温度变化。由第一传感器产生第一传感器信号并且由第二传感器产生第二传感器信号。方法还包括利用第一和第二传感器信号生成指示头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者的组合传感器信号，以及利用组合传感器信号检测头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者。在一些实施例中，第一传感器可包括正TCR和负TCR之一,且第二传感器可包括正TCR和负TCR中的另ー个。根据其它实施例，第一和第二传感器被布置成限定差分电阻温度传感器。根据各实施例，装置包括被配置成与磁性记录介质交互的头换能器以及由头换能器支承的差分电阻温度传感器。该差分电阻温度传感器包括:第一传感器，具有电阻温度系数并且位于头换能器的与磁性记录介质有关的接近点处或附近；以及远离第一传感器的头换能器的写入元件。检测器配置成利用由差分电阻温度传感器生成的差分信号检测头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者。根据其它实施例，装置包括头换能器，配置成与磁性记录介质交互；以及加热器，配置成致动头换能器。传感器位于头换能器上且具有电阻温度系数。传感器配置成感测头换能器和介质之间的接触。检测器耦合到所述传感器和加热器，且配置成基于传感器的电阻变化和加热器功率的变化利用检测度量来检测头-介质接触。检测器度量可基于传感器的电阻变化率和加热器功率的变化率。例如，检测度量可由AR/AP比来限定，其中AR是传感器的电阻变化率，AP是加热器功率的变化率。在一些实施例中，检测器被配置成进行对A R/A P的就地直接測量。可鉴于下面的详细描述和附图来理解各实施例的这些和其它的特征和方面。
图1是根据各实施例包含TCR传感器的加热器致动的头换能器布置的简化侧视图；图2是图1中示出的加热器致动的头换能器布置的前视图；图3示出处于预致动配置和致动配置下的图1和图2的加热器致动的头换能器布置；图4A示出图1-3所示类型的加热器致动的记录头换能器在头换能器与磁性记录盘的表面之间接触之前、之中和之后的代表性温度曲线；图4B示出非热致动的记录头换能器在头换能器与磁性记录盘表面之间接触之前、之中和之后的代表性温度曲线；图5A和5B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图；图6A和6B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图；图7是根据各实施例的滑块的一部分的示意图，该滑块在盘界面处相对于磁性存储介质的表面支承头换能器；图8和9分别是示出因变于图7所示的两个TCR传感器位置处的加热器功率的温度升高的图；图10是根据各实施例描绘串联布置在头换能器上用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的两个TCR传感器的等效电路的图；图11是示出图10电路的电连接柱两端的电压因变于加热器元件功率的代表曲线，具有显然的接触特征；图12示出根据各实施例的记录头换能器中两个TCR传感器的布局的代表示例；图13是根据各实施例描绘并联布置在头换能器上用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的两个TCR传感器的等效电路的图；图14是根据各实施例示出图13所示的等效电路的柱A和柱B两端的电压因变于加热器元件功率的代表曲线；图15示出根据各实施例的记录头换能器中并联连接的电阻温度传感器的代表布局;图16A和16B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图；图17A是根据各实施例的布置在头换能器上用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的两个TCR传感器的图示；图17B是根据各实施例描绘布置为差分电阻温度传感器的两个TCR传感器的等效电路图；图17C是根据各实施例支承记录头换能器和电阻温度传感器组件的滑块的后截面的横截面图；图18A-18D是根据各实施例说明电阻温度传感器组件的功效的多个图，该电阻温度传感器组件利用差分电阻温度传感器提供改进的头-介质接触检测和热粗糙度检测的信噪比；图19和20示出根据各实施例的来自实验的数据图，其说明使用包括记录头换能器的一个电阻温度传感器和写入器线圈的差分电阻温度传感器组件的功效；图21是根据各实施例对于低调制或非调制头-介质界面，用于检测头-介质接触的方法的各过程的流程图；图22A是根据各实施例电阻温度传感器电阻与用于电阻温度传感器的加热器元件功率的关系图，该电阻温度传感器配置成提供基于非调制的度量，以供评估头-介质间距并执行头-介质接触检测；图22B是根据各实施例用于评估头-介质间距并执行头-介质接触检测的基于非调制的度量的图；以及图23是根据各实施例基于TCR传感器的电阻的变化率和硬盘驱动的该位置处的加热器功率的变化率，測量检测度量的ー种方法的电路图。
具体实施例方式数据存储系统一般包括对记录介质读取及写入信息的ー个或多个记录头。经常希望使记录头与其相关联的介质之间具有相对小的距离或间距。该距离或间距被称为“飞行高度”或“磁头-介质间距”。通过减小磁头-介质间距，记录磁头通常更能够将数据写至介质和从介质读出数据。减小磁头-介质间距也允许勘察记录介质形貌，例如检测记录介质表面的凹凸构造和其它特征。根据各个实施例，并參见图1-3，滑块100被示为由悬置件101支承成紧靠在旋转磁性存储介质160的位置。滑块100支承记录头换能器103和热耦合至头换能器103的加热器102。加热器102可以是电阻性加热器，当电流流过加热器102时该电阻性加热器生热。加热器102不局限于电阻性加热器，而是可包括任何类型的加热源。由加热器102产生的热能导致头换能器103的热膨胀。该热膨胀能用来减小数据存储系统中的头-介质间距107。要注意，在一些实施例中，可使用非热致动器来减小头-介质间距107。TCR传感器105被示为位于头换能器103上对磁性记录介质160的接近点处。接近点一般被理解为头换能器103与磁性记录介质160之间最接近的接触点。如前面描述地，头换能器103的致动可通过热致动器(诸如加热器102)或其它致动器(例如写入器)来实现。偏置功率被施加于TCR传感器105以使传感器105和磁头换能器103的毗邻部分的表面温度上升为显著高于磁记录介质160的温度。TCR传感器105较佳地被配置成感测热流的变化，以便检测介质160的粗糙度以及磁头-介质接触。在2010年11月8日提交的共同享有的美国专利申请S/N12/941，461中给出了根据本公开各实施例的有关头-介质间距和接触确定的细节，该文献通过引用納入于此。如图3中绘出的那样，在头-介质接触前，存在界定于热磁头表面和相对冷的盘160之间的气隙107。头换能器103、气隙107和磁性记录盘160界定了热传递速率的ー个层面。当头换能器103与盘160接触时，例如在热致动器或加热器102的作用之后，头换能器103和盘160的高导热性材料之间的直接接触显著地增大了热传递速率。如此，头换能器103上的TCR传感器105感测到温度下降或温度轨迹漂移，由此允许头-介质接触的检測。图4A示出在头换能器103和磁性记录盘160的表面之间接触之前、之中和之后图1-3所示类型的记录头换能器103的代表性温度分布曲线。在此说明性示例中，温度曲线被表示为稳态DC信号。当通过热致动器102致动头换能器103吋，头换能器表面温度将随着源自热致动器102产生的热量的致动而增加。头换能器温度将高于盘160的温度。由此，在此情景中，盘160充当散热器。当头换能器103接触盘160吋，由于源自接触的热传递速率的变化，头换能器表面温度将下降。由于热致动器发热和摩擦发热，头换能器表面温度将持续増加。温度变化或温度轨迹的漂移可用来宣告头-介质接触。图4B示出由非热致动器致动的记录头换能器103的代表性温度分布曲线。在此示例性示例中，TCR传感器105偏置功率将TCR传感器自加热至显著高于盘160温度的温度。在此情景中，盘160充当散热器。当头换能器103朝向盘160向下致动时，热传递速率逐渐増大，这导致TCR传感器温度的逐渐降低。当头换能器103与盘160形成接触时，热传递速率将会改变，这造成头换能器表面温度漂移。头换能器表面上的TCR传感器105測量该温度漂移以检测头-介质接触。如果头-介质接触进ー步发生，则因摩擦生热，温度将最终升高。本公开的实施例涉及基于具有不同的电阻温度系数(TCR)符号的两个电阻性温度传感器来确定头-介质间距并检测头-盘界面处的接触的方法和装置。本公开的实施例包括利用位于滑块内的不同位置处的具有不同的电阻温度系数符号的多个电阻温度传感器，分析传感器的输出并利用该输出提供驱动操作条件的反馈。头-介质接触检测和/或头-介质间距感测技术对于硬盘驱动器的性能和可靠性是关键的。较高的接触检测可重复性实现较低的有效间隙，由此实现较高的记录密度。较高的接触检测灵敏度減少磨损并提高可靠性。本公开的实施例利用两个传感器提供头-介质接触检测和间距感测，其中一个传感器具有正TCR，另ー个传感器具有负TCR，这有利地消除了对任何额外电连接垫的需要。根据各实施例，方法包括利用两个电阻温度传感器检测头-介质接触，一个传感器具有正TCR，另ー个传感器具有负TCR。这些传感器优选地嵌入在滑块的不同位置中。例如，一个传感器可定位在接近点附近，使得其响应对头-介质间距的变化、头至盘的接触以及诸如加热器引发的温度升高和/或环境温度波动之类的其它事件敏感。另ー个传感器可定位成远离接近点，使得其响应仅对诸如加热器引发的温度升高和/或环境温度波动之类的事件敏感。由于两个传感器具有不同的TCR符号，具有电阻和TCR值的特定组合的两个传感器的组合输出将仅包含头-介质间距和/或头至盘的接触贡献。因此，组合输出可用于感测头-介质间距变化和/或接触事件而不需要额外的电连接垫。该技术不需要额外的电连接垫的事实对于简化头设计、降低成本和提高可靠性是有意义的。图5A是根据本公开的实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图。在头换能器包括相对于磁性记录介质移动140的滑块的情况下，方法包括利用第一 TCR传感器感测142头-介质间距和/或头-介质接触的变化，并产生第一传感器信号。该方法还包括利用第二 TCR传感器感测144由于除头-介质间距和/或头-介质接触以外的因素引起的温度变化。图5A所示的方法还包括生成146指示头-介质间距和/或头-介质接触的组合传感器信号，并且利用组合传感器信号检测148头-介质间距和/或头-介质接触。图5B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图。在头换能器包括相对于磁性记录介质移动180的滑块的情况下，ー种方法包括利用第一 TCR传感器产生182指示头换能器的接近点处的热边界条件的第一传感器信号。该方法还包括利用第二 TCR传感器产生指示由于除受热边界条件影响的因素以外的因素引起的温度变化的第二传感器信号。图5A所示的方法还包括生成186指示头-介质间距和/或头-介质接触的组合传感器信号，并且利用组合传感器信号检测188头-介质间距和/或头-介质接触。图6A是根据本公开的实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图。在头换能器包括相对于磁性记录介质移动202的滑块的情况下，利用第一 TCR传感器感测204指示头-介质间距变化的温度变化。第一 TCR传感器由头换能器支承并经由固定数量的电连接垫(例如，2)连接206。该方法还包括利用第二 TCR传感器感测208由于除头-介质间距变化和接触以外的因素引起的温度变化，该第二 TCR传感器也是经由固定数量的电连接垫(例如，2)连接的210。第一和第二 TCR传感器具有不同的TCR符号，ー个为正且另ー个为负。该方法还包括组合212由第一和第二 TCR传感器输出的信号，以产生指示头-介质间距变化和/或头-介质接触的组合输出信号。利用组合输出信号測量216头-介质间距变化和/或头-介质接触。注意，在不增加214额外电连接垫的情况下实现基于温度的头-介质接触和头-介质间距变化测量。图6B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图。在头换能器包括相对于磁性记录介质移动302的滑块的情况下，该方法包括利用具有固定数量的电连接垫的第一 TCR传感器优先地感测304头换能器的接近点处的热边界处的温度变化。该方法还包括利用第二 TCR传感器优先地感测306除热边界外的温度变化，该第二 TCR传感器具有固定数量的电连接垫和与第一 TCR传感器不同符号的TCR0由第一和第二传感器输出的信号用于产生308指示头-介质间距变化和/或头-介质接触的组合输出信号。如在以上图6A所示的实施例中，在不增加310额外电连接垫的情况下实现基于温度的头-介质接触和头-介质间距变化测量312。图7是根据本公开的实施例的滑块100的一部分的示意图，该滑块100在盘界面处相对于磁性存储介质160的表面支承头换能器。图7所示的示意图可限定例如磁记录硬驱动中的盘界面。在图7中，假设盘以高RPM旋转，并且记录头103离开盘160的表面几纳米飞行，且该间距由空气轴承来控制。为了进一步使头103更加接近盘160的表面，嵌入在头103中的加热器元件102被致动以在头103中产生热膨胀并减小头-介质间距。由加热器元件102和/或写入器线圈生成的热在头换能器103中产生温度升高。在接触之前，热量主要通过盘160和换能器头103之间的空气间隙107从头换能器103传导到盘160。随着头-介质间距减小且空气压カ增加，空气间隙107的热传导增加。当头换能器103接触盘160时，热传导急剧增加。在头换能器103接触盘160之后，所导致的摩擦加热将生成额外热源。诸如加热器元件加热、写入器线圈加热、空气轴承冷却、盘冷却和摩擦加热之类的不同热能传递机制的组合效应例如导致在头换能器103的不同位置处因变于加热器元件功率、写入器电路、间隙和/或接触事件的特征温度升高。通过测量因变于加热器功率的温度，可监控头-介质间距和/或接触事件。根据各实施例，并且继续參考图7，ー个TCR传感器R1 (105)定位在接近点附近，且另ー个TCR传感器R2 (106)定位成远离接近点。使TCR传感器R1 (105)定位在接近点处或其附近提供了对头换能器103的接近点处的热边界处生成的温度/温度变化的优先感測。使TCR传感器R2 (106)定位成远离接近点(例如，头换能器103/滑块100的其它位置)提供了对从除接近点处或其附近以外的热源生成的温度/温度变化的优先感測。在图7所描绘的两个TCR传感器位置处的温度升高的代表示例分别在图8和9中示出。在因变于加热器元件功率绘制的温度曲线402中示出TCR传感器R1 (105)的温度升高A T10如在图8中看到的，TCR传感器も(105)的温度升高在整个加热器元件功率范围内因变于加热器元件功率而增加。当加热器元件功率从20mW増加到80mW吋，由于空气间隙107的热传导增加，该增加速率逐渐变慢。温度曲线402示出在80mW至IOOmW之间的肩部403 (在由箭头401指示的温度曲线402上位置处开始)，这是因为由于接近和/或接触效应引起的冷却进ー步増加。在IOOmW之后，由于摩擦加热而略微增加温度升高速率。在图9中示出TCR传感器R2 (106)的温度升高A T 2也因变于加热器元件功率而增加，但不具有肩部(图8中示出的403)，因为TCR传感器R2 (106)对接近点处的热边界较不敏感。应理解，图8和9中示出的温度曲线仅用于说明目的。因为可从热机模型精确地获得头换能器103中的温度分布，所以可确定并优化两个TCR传感器凡(105)和R2(106)的位置。TCR传感器R1 (105)和R2 (106)的温度变化A T丄和A T 2产生这些TCR传感器的电阻变化，这可被表征如下:R1=R1jO+RijOq iA Ti(I)其中aiiTCR传感器R1 (105)的电阻温度系数，且R1,。是TCR传感器R1 (105)在环境温度下的电阻。通过旋转具有不同TCR符号的传感器材料并且串联或并联地组合它们，可在不增加额外电连接垫的情况下产生接触检测信号。图10是根据各实施例描绘布置在头换能器上用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的两个TCR传感器R1 (105)和R2(106)的等效电路500的图。根据图10所示的代表实施例，串联连接具有不同的电阻温度系数符号(即，一个传感器为正且另ー个为负)的两个TCR传感器R1 (105)和R2 (106)。给定电流I，两个TCR传感器R1 (105)和R2 (106)两端的电压降给出为:V=I (RfR2) =I (R1。+ル Qa1AT j+R2 0+R2 0 a 2 A T2) (2)其中A T1和A T1分别是TCR传感器R1 (105) R2 (106)的温度变化，Q1和a2分别是TCR传感器R1 (105)和R2 (106)的电阻温度系数，R1，。和R2,0分别是TCR传感器R1 (105)和R2(106)在环境温度下的电阻。通过选择R1,。、a:、R2，。和a 2的适当组合,使得
R1Ja 丨 A TVR2ciCi2A T2=常数⑶对于接触前的所有加热器元件功率，即，对于在图8和9中示出的说明性示例中小于60mW的加热器元件功率，可放大由接近点附近的热边界条件变化形成的电阻变化。图11是示出因变于加热器元件功率Pms的图10的电路500的柱A和B两端的电压V的代表曲线510，具有显然的接触特征。电压曲线510在约80mW开始的突然变化表示头-介质接触的开始。图12根据各实施例示出记录头换能器103中的TCR传感器R1 (105)和R2 (106)的布局600的代表示例。在图12所示的布局600中，TCR传感器R1 (105)定位在接近点处Pc，且TCR传感器R2 (106)定位成远离接近点CP。在此说明书实施例中，两个TCR传感器R1 (105)和R2 (106)经由线614和610串联连接在电连接垫或柱602 (柱A)和606 (柱B)之间。示出线604和608分别连接到电连接垫602和606。图12所示的布局600示出TCR传感器R1(IOS)和R2(106)利用现有的线合并到记录头换能器，而不增加额外电连接垫。根据另ー个实施例，并且如图13所示的等效电路700，并联连接具有不同的电阻温度系数符号(即，一个传感器为正且另ー个为负)的两个TCR传感器R1 (105)和R2 (106)。组合TCR传感器R1 (105)和R2(106)两端的电压降给出为:V=IR=I (R1；0+Rlj0 O1AT1) (R2’0+R2’0 a 2 A T2)/ (R1； 0+R1； 0 O1AT !+R2j 0+^2,0 a 2 A T 2) (4)通过选择も,。、aいR2，。和a 2的组合，使得Ct1A T j+ a 2 A T^a1A T1Ct2A T2=常数(5)并且 R1, Qa 丨 A TVR2ciCi2A T2=常数 (6)对于接触前的所有加热器元件功率级别，即，对于在图13和14中示出的说明性示例中小于60mW的加热器元件功率，可放大由接近点附近的热边界条件变化形成的电阻变化。可通过省略高阶项hA T1Ci2A T2来释放以上等式(5)限定的条件，因为大多数材料的TCR远小于I。图14是示出因变于加热器元件功率的图13的电路700的柱A和B两端的电压V的代表曲线720。在该代表示例中，Rlj0たR2j0且a I ^ a 2。图15示出根据各实施例的在记录头换能器中并联连接的电阻温度传感器的代表布局750。在图15所示的布局750中，TCR传感器R1 (105)和R2 (106)并联连接，且TCR传感器も(105)定位在接近点Pc处，且TCR传感器R2 (106)定位成远离接近点CP。在此说明书实施例中，两个TCR传感器R1 (105)和R2(106)经由线764和760并联连接在电连接垫或柱752 (柱A)和756 (柱B)之间。示出线754和758分别连接到电连接垫752和756。图15所示的布局750示出TCR传感器R1 (105)和R2 (106)利用现有的线合并到记录头换能器，而不增加额外电连接垫。注意，串联连接的电阻温度传感器布置性能略微好于并联连接的电阻温度传感器布置。可用于根据本公开的实施例的TCR传感器的构造的具有正电阻温度系数的各种材料包括但不限于Cr、FeNi合金、Ni和W及其它。可用于根据本公开的实施例的TCR传感器的构造的具有负电阻温度系数的各种材料包括但不限于TaN、VO和VO2及其它。本公开的实施例涉及由于校准头换能器温度变化而提供增强的信噪比(SNR)的电阻温度传感器组件。本公开的实施例涉及由于利用现有的头换能器电元件校准头换能器温度变化而具有增强的SNR的电阻温度传感器组件。例如，各实施例利用差分电阻温度传感器组件，包括记录头传感器的电阻温度传感器和写入器线圈，诸如用于BCR (超过接触记录Beyond Contact Recording)头的写入器线圈。与常规换能头相比,BCR换能头具有较小的空气轴承特征，以在后沿产生集中较高的空气压力。BCR换能头具有低接触调制。图16A和16B是根据各实施例示出用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的方法的各过程的流程图。根据图16A，方法实施例包括相对于磁性记录介质移动的头换能器和利用差分电阻温度传感器832。图16A所示的方法包括利用第一 TCR传感器感测834头-介质间距和/或头-介质接触的变化，并产生第一传感器信号。该方法还包括利用第二 TCR传感器感测836由于除头-介质间距和/或头-介质接触以外的因素引起的温度变化，并产生第二传感器信号。图16A所示的方法还包括利用第一和第二传感器信号生成837差分传感器信号，并且利用差分传感器信号检测838头-介质间距和/或头-介质接触。根据图16B，方法实施例包括相对于磁性记录介质移动的头换能器和利用差分电阻温度传感器842。图16B所示的方法包括利用TCR传感器感测844头-介质间距和/或头-介质接触的变化，并产生第一传感器信号。该方法还包括利用头换能器的写入元件感测846由于除头-介质间距和/或头-介质接触以外的因素引起的温度变化，并产生第二传感器信号。图16B所示的方法还包括利用第一和第二传感器信号生成847差分传感器信号，并且利用差分传感器信号检测848头-介质间距和/或头-介质接触。根据各实施例，并且參考图17A-17C，电阻温度传感器组件808利用差分电阻温度传感器提供头-介质接触检测和热粗糙检测的改进SNR。图17A是根据各实施例的布置在头换能器103上用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化的两个TCR传感器R1 (105)和R2(106)的图示。更具体地，根据各实施例，在图17A中示出的两个TCR传感器R1 (105)和R2(106)优选地布置为头换能器103上的差分电阻温度传感器组件808，用于检测头-介质接触和/或头-介质间距变化。在图17A中，TCR传感器R1 (105)定位在头换能器103的接近点Cp附近，第二 TCR传感器R2(106)定位成远离接近点CP。如以上讨论的，使TCR传感器R1 (105)定位在接近点处或其附近提供了对接近点Cp处的热边界处生成的温度/温度变化的优先感测，而使TCR传感器R2 (106)定位成远离接近点提供了对从除接近点Cp处或其附近以外的热源生成的温度/温度变化的优先感測。图17B是描绘布置为差分电阻温度传感器组件808的两个TCR传感器R1 (105)和R2 (106)的等效电路850的图。在图17B所示的代表实施例中，两个TCR传感器R1 (105)和R2(IOG)优选地具有相同的电阻温度系数符号(即，均为正或均为负)。在一些实施例中，图17B所示的差分电阻温度传感器组件808可具有作为活端子的中心抽头，而不是耦合到地。差分电阻温度传感器组件808提供对接近点Cp处的热边界条件中(利用TCR传感器R1 (105)测量的)和远离接近点Cp的位置处(利用TCR传感器R2 (106)测量的)的差的感測。由图17A-17C所示的差分电阻温度传感器组件808产生的差分信号通过去除由加热器元件和环境产生的背景来改进接触检测SNR。注意，在差分信号放大之前应消除共模噪声。进行实验，以证明差分电阻温度传感器组件808的功效。在一个实施例中，且參考图18A-18D，远离接近点Cp定位的一个电阻温度传感器R2 (例如，TCR传感器R2 (106))的电阻关于加热器元件功率线性改变。在图18C中能看到传感器R2的线性电阻响应。定位在接近点Cp的另ー个电阻温度传感器R1 (例如，TCR传感器R1 (105))的电阻关于加热器元件功率非线性改变。在图18B的图中能够看到传感器R1的非线性电阻响应。利用来自传感器R1和R2的输出生成的差分信号在图18C的图中示出，其清楚地显示头-介质接触特征。能够看到，如果在80mW下宣告头-介质接触事件，则摩擦力相对较低(例如 IOmgf),如图18A的图中看到的。根据ー些实施例，并且继续參考图17A-17C，差分电阻温度传感器组件808包括一个电阻温度传感器和包含TCR材料的头换能器的另ー个组件，诸如头换能器(例如，BCR头换能器)的写入器线圈、读取器或不活动的加热器。诸如TCR传感器R1 (105)之类的电阻温度传感器定位在接近点Cp上，ニ写入器线圈、读取器或不使用的加热器(由传感器R2 (106)表示)位于远离接近点的典型位置。在证明该差分电阻温度传感器配置的功效的实验中，在180Hz下调制电阻温度传感器的加热器元件，并且锁定放大器用于读取电阻温度传感器和写入器线圈两端的电压降的差。电阻温度传感器被偏置在164 y A，且写入器线圈被偏置在Iii A，以确保在头-介质接触前差分响应平坦(即，在该示例中，对于50mW和80mW之间的加热器元件功率是平坦的)。图19和20示出来自实验的数据图，其说明使用包括记录头换能器的一个电阻温度传感器和写入器线圈的差分电阻温度传感器组件的功效。图20中的曲线880是电阻温度传感器和写入器线圈之间的电压降变化差因变于加热器元件功率。图19中的曲线870是同时测量的摩擦カ曲线。包括记录头换能器的电阻温度传感器和写入器线圈的差分电阻温度传感器布置的实施例有利地提供提高的头-介质接触检测SNR，而不需要増加任何额外的结构或垫。图17C是根据各实施例支承记录头换能器和电阻温度传感器组件的滑块800的后截面的横截面图。在图17C中，滑块800包括空气轴承表面801，其面向相邻的磁性记录介质(未示出)的表面。滑块800支承记录头换能器805，该记录头换能器805包括读取器810和写入器820。用于读取器810的加热器812可被致动以致使读取器810朝向记录介质的表面突出，从而在读取操作期间减少其间的分离。写入器820包括电感耦合到ー组或多组线圈821的写入磁极824。用于写入器820的加热器822可被致动以致使写入器820朝向记录介质的表面伸出，从而在写入操作期间减少其间的分离。在图17C的图示中，示出三个电阻组件。电阻组件105和106定位在ABS801上，并且电阻组件809定位成远离ABS801。尽管在图17C中示出这些三个电阻组件，但并不需要全部三个，而是出于各实施例的说明而包括。根据ー些实施例，电阻组件105和106是TCR传感器，且基准电阻器809可能不存在。在这种情况下，当使用读取器810的加热器812吋，TCR传感器105比TCR传感器106更接近该接近点。結果，TCR传感器105是活动的，且TCR传感器106距离接近点更远并充当基准。当使用写入器820的加热器822吋，TCR传感器106比TCR传感器105更接近该接近点，并且在使用写入器加热器822期间是活动的。在这种情况下，TCR传感器105更远离接近点并且充当基准。根据包括利用远离ABS定位的基准电阻器809的实施例，仅ー个ABSTCR传感器可能存在。在图17C所示的配置中，TCR传感器105优选地存在(而TCR传感器106可能不存在)，因为在该示意图中TCR传感器105与基准电阻器809共面并且可在相同的沉积和蚀刻步骤中形成，意味着TCR传感器105是两个TCR传感器105和106中更实用的。本文描述的各实施例包括基于冷却事件的接触检测，其中该介质比头换能器更冷。这一般适用于较高的TCR传感器偏置值和传导的介质衬底，使得TCR传感器比介质更热。根据其它实施例，界面处的头换能器表面温度可通过降低TCR传感器的偏置功率并且根据需要使用头换能器中的非热致动器而下降为显著低于介质温度。该方法提供改进的摩擦发热检测，这可用来宣告头-介质接触。这ー方法尤其适用于传导较差的介质衬底，诸如玻璃。用于检测头-介质接触的常规方法通常包括測量来自电阻温度传感器的AC信号，认为该信号是有头调制引起的。滤掉DC信号，因为认为它不具有足以用于检测头-介质接触事件的信噪比。对于大多数(如果不是全部的话)当前先进的空气轴承(AAB)实现，已经证明该常规方法在检测头-介质接触方面是有效的。然而，目前很大努力被用在开发用于接触的界面或超越接触记录(BCR)以满足不断减小头-介质间距以实现较高的面密度的目标。这些界面的关键特征是在头-介质接触处非常微小的调制。这种头-判界面对当前的接触检测方法(包括采用电阻温度传感器的那些方法)造成很大挑战。因为目前在用于热粗糙检测的头上使用电阻温度传感器，非常期望下一代驱动能使现有的配备有电阻温度传感器的头适用于低调制界面。本公开的各实施例涉及基于非调制的头-介质接触检测装置和方法。基于与电阻温度传感器相关联的电阻和功率的关系的变化评估根据各实施例的头-介质接触检测，而不是检测基于空气轴承或基于头的调制。出于之前讨论的原因，已经发现电阻温度传感器是特别有用的头-介质接触检测传感器。电阻温度传感器本质上是极尖上的热敏电阻器。电阻温度传感器測量由来自空气压力、间隙和接触的所有热条件变化及其它变化引起的温度变化。图21是根据各实施例对于低调制或非调制头-介质界面，用于检测头-介质接触的方法的各过程的流程图。利用相对于磁性记录介质移动并且限定其间的低调制或非调制头至介质界面的头换能器900，方法实施例包括利用加热器致动903头换能器并且利用TCR传感器感测904头换能器和介质之间的接触。该方法还包括基于TCR传感器的电阻变化和加热器功率变化产生906检测度量，并且利用检测度量来检测908头-介质接触。根据各说明性实施例，电阻变化(AR)与功率变化(AP)之比AR/AP提供了用于评估头-介质间距并执行头-介质接触检测的基于非调制的度量。度量AR/AP随着减小头至介质的间隙而线性减小。检测到与AR/AP线性度和最小值的背离致使头-介质接触和头-介质导致的冷却和摩擦加热。这ー方法不依赖于用于接触检测的AAB调制。实验已经证明根据本公开的实施例的头-介质间距和接触检测对于使用先进空气轴承和超越接触记录AAB的实现非常有效。对于空气轴承，头换能器冷却效率随着由于热传递效率増加引起的间隙减小而改迸。当头换能器接触介质时，头换能器冷却效率达到最大值，因为介质提供对头换能器的有效热吸收。根据本公开的实施例，可通过监控不是由头调制引起的界面冷却效率来检测头-介质接触。来自电阻温度传感器的DC信号受基于加热器元件的加热支配。由界面冷却-加热导致的电阻变化仅表示由电阻温度传感器的加热器元件导致的一部分。一般难以基于电阻測量确定地知晓哪里发生头-介质接触，正如图22A所示的图中看到的。图22A是电阻温度传感器电阻与加热器元件功率的关系的图902。头至盘界面(HDI)冷却条件的一个测量是对于加热器功率的温度升高率，或AR/A P。AR/AP随着较好的冷却条件而减小。A R/A P在头-介质接触时达到最小值。AR/A P在头-介质接触后由于摩擦加热而再次増加。可通过监控度量AR/AP而不是头调制来检测头-介质接触。进行实验以验证将A R/ A P用于头-介质接触检测的功效。该实验包括利用合并了电阻温度传感器的BCR AAB头。利用来自源计量表的固定电流偏置电阻温度传感器。通过相同的计量表测量传感器电阻。利用源自第二源计量表的电压施加加热器元件功率。同时利用相同的计量表測量功率。与电阻温度传感器測量同时进行臂电子(Arm electronics)RMS0在图22B中示出用于实验的度量AR/AP的图。在图22B中能够看到AR/AP(图912)的值线性向下直到它达到最小值，在图22B中示为最小值，然后开始增加。A R/AP在其达到最小值Min之前首先背离(下降)线性趋势910。该特征指示由开始头-介质接触导致的冷却。最小值点Min指示完全头-介质接触，并且通过摩擦生成热量。应意识到，利用DC电流执行精确的直接电阻测量对于驱动电子而言是有挑战的。例如，由接ロ加热和冷却条件变化导致的传感器电阻变化通常小于其平均电阻的约10%。考虑到典型驱动中的模数转换器(ADC)的分辨率是8位，将难以直接以小于0.01欧姆精确度测量电阻。參考图23，根据各实施例的ー种方法包括直接在硬盘驱动中测量AR/AP。这种方法使用模拟开关作为调制器来调制加热器元件功率，并使用相敏检测器(PSD)锁定频率以检测来自电阻温度传感器的电阻变化。可通过图23所示的代表电流1000实现的方案来实现A R/A P的直接測量。在图23所示的实施例中，模拟开关1004耦合到加热器元件1008的功率电路1006。硬盘驱动中的加热器元件功率与DAC计数成比例，示为对模拟开关1004的输入1001。如果加热器元件功率电路1006的输入1005以固定频率在输入1001上的直接DAC输入和第二输入1002上自DAC输出1001的偏移A V之间切换(例如，经调制)，则加热器元件功率将在P和P-DP之间调制。经由前置放大器1022耦合到电阻温度传感器1020的相敏检测电路1024可用于测量调制频率下的电阻温度传感器响应，它可以是由该A P导致的AR。通过脉冲调制加热器元件1008并使用PSD装置1024测量电阻温度传感器响应显著降低A R/ A P上的噪声。因此，通过监控电阻温度传感器1020 (优选地是位于接近点上或其附近的TCR传感器)的A R响应来检测头-介质接触。调至频率可高达超过IOkHz，并且对A R的测量可非常快地以高精确度完成，因为它不受加热器元件时间常数的限制。其它实施例涉及利用交流驱动加热器元件1008。例如，可通过适当地配置加热器元件功率电路1006的DAC，诸如通过编程DAC的软件，在期望的频率(例如， 50kHz至 80kHz)下利用交流驱动加热器元件1008。检测电路1024可被配置成在驱动加热器元件1008的交流频率下测量电阻温度传感器响应。加热器振荡的软件控制提供増加的灵活性以指定施加到加热器元件1008的波形。这允许使用各种波形来驱动加热器元件1008，包括能够增强接触检测信号的方波、正弦波、三角波或其它波形。最后，将理解，尽管在前述的描述中与各实施例的结构和功能的细节一起阐述了各实施例的很多特征，但是，此详细描述只是说明性的，并且可以在细节上作出更改，特别是在表达所附权利要求的术语的广泛的一般含义所指出的完整范围内在各部分的结构和布局方面作出更改。
权利要求
1.一种装置，包括: 头换能器，配置成与磁性记录介质交互； 第一传感器，具有电阻温度系数(TCR)且配置成产生第一传感器信号； 第二传感器，具有TCR且配置成产生第二传感器信号； 所述第一和第二传感器之一位于所述头换能器上的与磁性记录介质有关的接近点处或附近，且所述第一和第二传感器中的另ー个远离所述接近点；以及 配置成组合所述第一和第二传感器信号并产生指示头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者的组合传感器信号的电路。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于: 位于所述接近点处或附近的传感器被配置成生成具有指示所述接近点处的热边界条件的主要信号分量的传感器信号；以及 远离所述接近点的传感器被配置成生成具有指示由于除受热边界条件影响的因素外的因素引起的温度变化的主要信号分量的信号。
3.按权利要求1所述的装置，其特征在于: 位于所述接近点处或附近的传感器被配置成生成具有指示头-介质间距变化和头-介质接触的主要信号分量的传感器信号；以及 远离所述接近点的传感器被配置成生成具有指示由于除头-介质间距变化和头-介质接触外的因素引起的温度变 化的主要信号分量的信号。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，包括配置成致动头换能器以使位于所述接近点处或附近的传感器朝向介质移动的加热器。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第一传感器包括正TCR和负TCR之一；以及 所述第二传感器具有正TCR和负TCR中的另ー个。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于: 所述第一和第二传感器中的每ー个耦合到固定数量的电连接垫；以及所述电路被配置成测量头-介质间距变化和检测头-介质接触中的一者或两者，而不增加额外电连接垫。
7.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一和第二传感器串联连接。
8.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二传感器被布置成限定差分电阻温度传感器。
9.按权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述第一和第二传感器被布置成限定差分电阻温度传感器；以及所述电路被配置成组合所述第一和第二传感器信号以产生指示头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者的差分信号。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在干，还包括检测器，配置成利用差分信号检测所述头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者。
11.按权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括: 加热器，配置成致动头换能器以使位于所述接近点处或附近的传感器朝向介质移动； 其中所述电路被配置成减去所述组合传感器信号中指示所述加热器对所述组合传感器信号的影响的分量。
12.按权利要求8所述的装置，其特征在干: 位于所述接近点处或附近的传感器响应于所述接近点处或附近的温度变化产生非线性传感器信号；以及 远离所述接近点 的传感器响应于远离位置处的温度变化产生线性传感器信号。
13.一种方法,包括: 在头换能器相对于磁性记录介质移动的情况下: 利用具有电阻系数(TCR)的头换能器的第一传感器感测头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者； 利用具有TCR的第二传感器感测由于除头-介质间距变化和头-介质接触以外的因素引起的温度变化； 由所述第一传感器产生第一传感器信号并且由第二传感器产生第二传感器信号； 利用所述第一和第二传感器信号生成指示头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者的组合传感器信号；以及 利用组合传感器信号检测头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在干: 感测头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者包括在头换能器的与磁性记录介质有关的接近点处感测热边界条件；以及 感测由于其它因素引起的温度变化包括在远离所述接近点的位置感测温度。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于: 所述第一传感器信号包括指示所述接近点处的热边界条件的主要信号分量；以及所述第二传感器信号包括指示由于除受热边界条件影响的因素外的因素引起的温度变化的主要信号分量。
16.按权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括致动所述头换能器以使所述第一传感器朝向所述介质移动。
17.按权利要求13所述的方法，其特征在于: 所述第一传感器包括正TCR和负TCR之一；以及 所述第二传感器具有正TCR和负TCR中的另ー个。
18.按权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二传感器被布置成限定差分电阻温度传感器。
19.一种装置,包括: 头换能器，配置成与磁性记录介质交互； 由所述头换能器支承的差分电阻温度传感器，且包括: 第一传感器，具有电阻温度系数并且位于头换能器的与磁性记录介质有关的接近点处或附近；以及 具有电阻温度系数并且远离第一传感器的头换能器的组件；以及检测器，配置成利用由差分电阻温度传感器生成的差分信号检测头-介质间距变化和头-介质接触之ー或两者。
20.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述头换能器组件包括头换能器的写入元件、头换能器的读取元件和不活动加热器中的ー个。
21.一种装置，包括: 头换能器，配置成与磁性记录介质交互； 加热器，配置成致动所述头换能器； 位于所述头换能器上且具有电阻温度系数的传感器，所述传感器配置成感测头换能器和介质之间的接触；以及 耦合到所述传感器和加热器的检测器，所述检测器配置成基于传感器的电阻变化和加热器功率的变化利用检测度量来检测头-介质接触。
22.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述检测度量基于传感器的电阻变化率和加热器功率的变化率。
23.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述检测度量由AR/AP比来限定，其中A R是传感器的电阻变化率，A P是加热器功率的变化率。
24.按权利要求23所述的装置，其特征在于，所述检测器被配置成进行对AR/AP的就地直接測量。
25.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述检测器被配置成通过检测检测度量的最小值来检测头-介质接触。
26.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述检测器被配置成通过在检测度量达到最小值之前检测与所述检测度量的线性减小的背离来检测头-介质接触的开始。
27.按权利要求21所述的装置 ，其特征在于，所述传感器被配置成接收DC电流，并且所述检测器被配置成利用DC传感器电流测量传感器电阻变化。
28.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述检测器包括: 调制器，其耦合到加热器并且配置成生成经调制的加热器功率參数；以及 相敏检测器，其耦合到所述调制器和传感器，所述相敏检测器配置成測量在所述调制器的调制频率下的传感器响应。
29.按权利要求28所述的装置，其特征在干，所述检测器被配置成将检测度量计算为传感器响应中的变化率与经调制的加热器功率參数的变化率的比。
30.按权利要求21所述的装置，其特征在干: 所述加热器包括加热器元件和具有数模转换器(DAC)的功率电路，所述功率电路配置成利用由DAC控制的特定频率下的交流驱动加热器元件；以及 所述检测器配置成在特定频率下測量传感器响应。
31.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述头换能器配置成限定相对于介质的低调制或非调制头至介质界面。
32.按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述头换能器配置成限定相对于介质的超越接触记录头至介质界面。
全文摘要
配置成与磁性记录介质(160)交互的头换能器(103)包括第一传感器(105)，具有电阻温度系数(TCR)且配置成产生第一传感器信号；以及第二传感器(106)，具有TCR且配置成产生第二传感器信号。第一和第二传感器之一位于头换能器上的与磁性记录介质有关的接近点处或附近，且第一和第二传感器中的另一个远离接近点。电路配置成组合第一和第二传感器信号并产生指示头-介质间距变化和头-介质接触之一或两者的组合传感器信号。每个传感器可具有相同符号(正或负)的TCR，或者每个传感器可具有不同符号的TCR。
文档编号G11B5/60GK103098133SQ201180038318
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者M·T·约翰逊, D·刘, H·楼, G·J·肯克尔, D·麦肯, T·W·施特伯, X·郑 申请人:希捷科技有限公司