专利名称：确定记录头浮动高度的方法和设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及用于存储信息类型的盘片存储系统。说得更具体些，本发明涉及用于确定这种盘片存储系统的头／万向架组件的浮动高度(fly height)的设备。
在本领域中，盘片存储系统是公知的，并且用它来存储信息供以后检索。这种存储系统包括一片在其上载有信息的旋转盘片。换能头(或者，在某些情形中，读出(read back)头)位于盘片的表面上方，而盘片以高速旋转。换能头装在滑块(slider)上，把滑块设计得正好在旋转盘片的表面上“浮动”。于是可以用该头从盘片写信息。例如可以用磁学方式或光学方式在盘片表面上对这种信息编码。
提高存储密度变得越来越重要。提高存储密度的一种已知的技术是减小头的“浮动高度”。浮动高度定义为存储系统运行期间盘片表面和头或滑块之间的距离。较小的浮动高度允许更精确地写入和读出信息，并且能够在较小的面积中存储这种信息(即，以高密度存储)。
在本领域中，已经采用了各种技术来测量头的浮动高度。例如，如果盘片设计得以某个浮动高度工作，则为了确保系统在规定指标之内运行，一般须测量这个浮动高度。一般，在把头和滑块组装入盘片驱动器之前测量浮动高度。测量浮动高度的一种技术是测量头和盘片之间的电容。另外一种测量浮动高度的普通技术是光干涉测量术，其中，使用透明的测试盘片来使滑块浮动。光从盘片另一侧的光源透过盘片照射在滑块上。使用已知的技术，能够检测反射光以确定浮动高度。在1994年1月18日授予Lacy的第5，280，340号美国专利中描述了这些测量浮动高度的技术中的许多种技术。
用来测量和表征头的另一种技术是测量头在工作期间提供的读出信号。能够对于许多不同的参数检测该信号，这些参数包括信号强度、码间干扰、偏离轨道(off-track)灵敏度、等等。例如，在1991年11月26日授予的第5，068，754号美国专利中描述了一种测量磁盘驱动器中的比特移动的方法和设备。
光盘对于纯粹基于磁性的记录媒体提供了一种替换物。能够使用光盘驱动器来获得高存储密度。提高存储密度的一种方法包括使用近场记录来缩小光点尺寸。近场记录包括安装在滑块上的光学元件，与盘片表面的距离大体上为一个波长或更小的数量级。于是，通过光学元件透射的能量通过迅衰耦合(evanescent coupling)而传送至盘片的表面。能够使用固体浸没透镜(SolidImmersion Lens，SIL)之类连同物镜来产生超小的光点。
一般而言，在光学存储系统中，数据以痕迹的形式在盘片的表面上形成，而用反射的激光来检测。有许多在工业中公知的不同的光盘技术。例如，目前用CD光盘来存储数字数据，诸如计算机程序或数码音乐。一般，CD光盘在制造期间永久记录。另一种类型的光学系统是写一次读多次(WORM)系统，其中，用户可以在空白盘片上永久写入信息。另外一些类型的系统是可擦系统，诸如相变和磁光(M-O)系统。相变系统通过检测反射率的改变来检测数据。M-O系统通过测量由于存储媒体造成的入射光偏振的旋转来读取数据。
发明概要本发明以用于估算记录头相对于旋转盘片的浮动高度的测量系统为特征。从旋转盘片反射的光的一些性质取决于记录头至旋转盘片的距离。浮动高度测量系统包括光源、滑块、检测器模件和处理器。滑块包括物镜，它如此放置，从而把来自光源的光射在物镜上，并且引至盘片的表面。
在第一种结构中，检测器模件接收从盘片反射的光。处理器根据检测器模件输出来估算滑块的浮动高度。在另一种结构中，检测器模件接收透过盘片的光。根据波长，透过的光在空间上不扩散。处理器还是根据检测器模件输出来估算浮动高度。
另一方面，本发明以确定滑块相对于旋转盘片的浮动高度的方法为特征，该方法包括a)把光引至置于滑块上的物镜；b)用设置来接收传播光的检测器模件测量从盘片传播来的光的一个性质，根据波长，引至检测器处的光在空间上不扩散；以及c)根据检测器的输出来估算浮动高度。
用于实行该方法的检测器模件能够包括一块透镜和一个两元件检测器，并且通过测定来自检测器的两个元件的信号差值以及把该差值与来自标准曲线的值作比较来估算浮动高度。在方法的其他实施例中，检测器模件包括一个偏振分束器和两个光敏元件，构造每个光敏元件来测量分裂光束的一个分量。在其他的实施例中，检测器包括一个检测器阵列，并且通过检查由检测器阵列测量的强度分布、相位分布或偏振分布来估计浮动高度。
附图概述
图1A是画出用于确定滑块相对于旋转盘片的距离的测量系统的示意图。
图1B是画出用于确定滑块相对于旋转盘片的距离的测量系统的另一个实施例的示意图。
图2是滑块及其支承臂的剖面侧视图，所取的剖面通过滑块的中心。
图3是用于图1的测量系统中的具有两个光敏元件的检测器模件的实施例的侧视示意图，这里，为了露出检测器模件的内部元件，把任何罩壳都画成透明的。
图4是用于图1的测量系统的具有偏振分束器的检测器模件的实施例的侧视示意图，这里，为了露出检测器模件的内部元件，把任何罩壳都画成透明的。
图5是用于图1的测量系统的包含阵列检测器的检测器模件的实施例的侧视示意图，这里，为了露出检测器模件的内部元件，把任何罩壳都画成透明的。
图6是对于在涂覆铝的测试盘片上的5种不同的SiN厚度，偏振比(polarization ratio)作为浮动高度的函数的曲线图。
图7是对于物镜的不同的数值孔径，偏振比作为浮动高度的函数的曲线图。
图8是对于在玻璃测试盘片上的5种不同的SiN厚度，反射率百分数作为浮动高度的函数的曲线图。
图9是对于物镜的5种不同的数值孔径，反射率百分数作为浮动高度的函数的曲线图。
图10是当带有或不带有50％光阑时，反射率作为浮动高度的函数的曲线图。
图11是当带有50％光阑时，对于在测试盘片上的两种不同的SiN厚度，偏振比作为浮动高度的函数的曲线图。
图12是对于具有磁光材料的光学叠层的盘片，偏振差值作为浮动高度的函数的曲线图。
图13是对于具有磁光材料的光学叠层的盘片获得的反射率百分数、偏振比以及偏振和(polarization sum)作为浮动高度的函数的曲线图。
图14是对于在涂覆铝的盘片上方4种不同的浮动高度a)0nm浮动高度、b)100nm浮动高度、c)200nm浮动高度、和d)400nm浮动高度，由x偏振入射场的反射而得到的反射光的x偏振分量的强度的二维分布图。
图15是对于在涂覆铝的盘片上方4种不同的浮动高度a)0nm浮动高度、b)100nm浮动高度、c)200nm浮动高度、和d)400nm浮动高度，由x偏振入射场的反射而得到的反射光的x偏振分量的相位的二维分布图。
较佳实施例的详细描述能够用装有物镜的滑块来得到从滑块至旋转盘片的距离，即，浮动高度。只需要单色光或准单色光的单个光源。为了进行测量，使得滑块和盘片之间的距离保持近似恒定。把从盘片传播的光引至检测器。例如，能够用分束器把从盘片反射回来并通过物镜的光引至检测器。另一种做法是，能够把透过盘片的光引至检测器。
检测器测量反射(透射)光的一个或多个性质。用于获得距离测量值的合适的性质例如包括偏振、强度分布和／或相位分布。这些性质与距离性质相关，从而微处理器能够使用后续的测量值来监视检测器输出，并且提供与浮动高度有关的输出。
对于测量光学记录头的浮动高度而言，这种浮动高度测量方法特别合适，这是因为用于光学记录头的滑块一般都装有物镜并且可能装有其他合适的光学元件。尽管如此，其他的记录头为进行距离测量能够包括装有物镜和其他需要的光学元件的滑块。于是，能够用这里描述的方法测量磁盘驱动器的技术规格。
特别合适的光学记录头包括近场光学记录头。近场光学记录头具有的浮动高度一般在一个光波长或更小的数量级。由于间隔很小，因此安装在滑块上的光学元件通过迅衰耦合而耦合至盘片的表面。滑块光学元件一般包括物镜，它把光聚焦在滑块的底面上，或者在稍低于该面之处。在近场记录头上的滑块光学元件一般还包括固体浸没透镜(SIL)之类，以缩小光点尺寸。
参看图1A，用于测量从盘片反射的光的测量系统的实施例包括光源100、分束器102、滑块104、检测器模件106和处理器108。测量系统相对于盘片旋转系统设置，使得当盘片就位时，滑块104靠近盘片112的表面110。盘片旋转系统包括用于旋转盘片112的电动机114，诸如主轴电动机。测量系统可选地包括功率计116，把它设置来接收来自源100而被分束器102反射的一部分入射光。
在示于图1B的另一个实施例中，构造测量系统来测量透过盘片112的光。在这另一个实施例中，能够去掉分束器102或者用偏振器来代替。能够按需要使用附加的光学元件(诸如反射镜和透镜)来把光引至检测器。
一般，光源100沿光路118输出单色光或准单色光。合适的光源包括汞弧灯、发光二极管、二极管激光器等等。光路118穿过分束器102。透射光沿着分裂光路120。如果检测系统对于偏振光敏感，则能够使用部分偏振分束器。即使光源100是偏振的，例如，如果源的偏振比(Ip／Is)相当低，诸如具有大约100比1的偏振比的激光二极管，也能够使用偏振分束器，以提高偏振比。如果使用部分偏振分束器，则沿分裂光路120的透射光是部分平面偏振的。具有部分正交偏振的光相对于入射方向以90度被反射。如有需要，把被反射的入射光引至功率计116。
透射光沿着光路120继续行进至滑块104。参看图2，滑块104一般是在臂122的端部，该臂可以是挠曲弹簧悬挂臂。滑块104包括物镜124。可以用垫圈128把物镜124安装在滑块座126上。滑块104可选地包括滑块光学元件130。滑块光学元件130协助物镜124以光学的方式与盘片110的表面耦合，以减小由于折射率的改变产生的畸变。合适的滑块光学元件包括固体浸没透镜(SIL)之类。较佳的滑块是近场光学记录头的部分。物镜124位于分裂光路120中，并且产生聚焦光路132。
参看图1A，通过滑块104的光学元件的光从盘片112的表面110反射。反射光通过包括物镜124的滑块104的光学元件返回。反射光继续行进至分束器102。在分束器102处，以90度沿检测路径140引导反射光的一部分，如图1A所示。检测路径140贯穿检测器模件106。
采用合适的盘片，一部分光透过盘片112。在图1B的另一个实施例中，把透射光路142引至检测器106。
盘片112一般是为距离测量而特别设计的测试盘片。能够根据检测器模件106的性质和相应的测量类型而选择其表面特性。特别，盘片112的表面110可以是透明的或是反射的。此外，如果合适的话，盘片122的表面110能够有一层覆盖层。如有需要，可以使用预模压媒体(preembossed media)，诸如具有凹坑和凹槽的那些。还有，数据存储盘片的一部分可以具有一个为用作测试盘片而保留的特定的部分。
特别，盘片112的一个实施例是反射的涂覆铝的盘片。涂覆铝的盘片能够可选地包括透光材料(诸如氮化硅(SiN))的薄层。该薄膜一般将具有数量级为一个波长或更小的厚度。SiN层的厚度改变反射光的性质。此外，可以在SiN的空气入射表面上涂覆润滑剂。
盘片112的另一个实施例包括带有或不带有薄膜层(诸如SiN)的玻璃盘片。对于这种类型的盘片，为了确定浮动高度，反射率是一个特别合适的测量值。测试盘片122的第三实施例是带有包含磁光(MO)媒体的光学叠层的玻璃或涂覆铝的盘片。
反射(透射)光的数个性质取决于滑块104至盘片112的距离。检测器模件106可以包括一些元件，用于测量这些与距离有关的性质中的一个或数个性质并且提供至处理器108的输出，例如，通过电缆144。如有需要，能够包括模-数转换器或其他信号调节器，以准备用于处理器108的信号。可以根据浮动高度可以接受的公差以及与浮动高度值可接受值预期的偏离来选择合适的检测方法和测试盘片。
为进行测量，盘片以固定的速度旋转。在主要的过渡时间间隔之后，滑块获得了在盘片表面上方的相对恒定的高度。然后进行测量。通过使反射回来进入检测器模件的光达到最大而做到光头与光路的对准。一般，这里所述的检测器模件的输出与浮动高度相关。采用一种另外的浮动高度测量技术，就可得出相关性，能够将它存储在处理器108的存储器146中。
在图3-5中示出检测器模件的三个实施例。参看图3，检测器模件的第一实施例包括可选的狭缝孔径150、透镜152、可选的可变光阑(irisdiaphram)154和两元件检测器156。狭缝孔径150能够减小噪声。透镜152把光聚焦在检测器156上。能够把可选的光阑154放置在光路中的透镜152之前或之后。在图3中，把可变光阑154放置在透镜152之后，在透镜152和两元件检测器156之间。可变光阑154能够用作中心孔径光阑，诸如半孔(50％)光阑。一般，可变光阑154减少接近正入射(相对于盘片表面)的反射光的贡献，以增大具有较大入射角的光波的贡献。
两元件检测器154具有光敏元件158(A)、160(B)。能够把聚焦信号定义为在两个光敏元件上的测量值之间的差值，聚焦信号=A-B。能够把聚焦信号与盘片110至滑块104的距离相关。
检测器模件的第二实施例在图4中画出。在此实施例中，检测器模件106包括中心孔径光阑170(诸如可变光阑)、可选的波片172、偏振分束器174、和光敏元件176(C)、178(D)。一般，不同的偏振从盘片110的表面有不同的反射。一般，反射率的差取决于滑块104和盘片110之间的距离。偏振光的反射性质的差异在光敏元件176、178的测量值方面显现出差值。能够把这些差值表示为偏振比=C／D或者偏振差C-D。通过把元件176、178的测量值相加(C+D)，也能用检测器模件106的这种结构来获得正比于反射光总量的值。在光射在偏振分束器174之前，能够用波片172来改变光沿路径140的偏振。例如，波片可以是以22．5度放置的半波片或者以45度放置的四分之一波片。
参看图6，使用示意地在图1A中示出的实验安排，用涂覆铝的测试盘片来测试作为浮动高度函数的偏振比。偏振比定义为当入射光是纯x偏振光时，反射光束中y偏振光对x偏振光的比值。物镜具有0．65的数值孔径，而SIL具有2．15的数值孔径。在物镜处的RIM强度是0．28。
如图6所示，还相对于偏振比作为浮动高度的函数测量了SiN的厚度对涂覆铝的盘片的影响。不同的SiN厚度产生了作为浮动高度函数的偏振比(PR)曲线，其不同的有效范围相应于曲线单调改变的区域。一当建立了浮动高度与PR之间的相关性之后，能够存储这个相关性，并且把它用于后续的浮动高度测量中。类似地，使用具有不同SiN厚度的分区的(zoned)盘片，能够在500nm的范围内以良好的准确度测量浮动高度，而对于特定的SiN厚度，在有效的范围内不需要单调的曲线。参看图7，用不同的物镜的数值孔径获得的测量值表明，该技术适合数值孔径的广阔范围。
在图8中对于五种不同的SiN厚度画出了反射率百分数的测量值作为浮动高度函数的曲线图。相对于与图1的元件114对应的功率计的测量值测量反射率。对于物镜的特定的数值孔径，反射率曲线具有大约250nm的单调范围。参看图9，反射率测量值的有效范围是数值孔径的缓变函数，因为对于不同的数值孔径而言，在反射率第一最大值处的浮动高度改变的不明显。
如图3所示，在检测器之前的入射光束或在反射光束中添加中心孔径光阑能够显著改进测量范围。在图10中可以看出50％光阑对于反射率测量的作用。对于这些测量的透镜没有SiN涂层。相对于1．0的最大净通光孔径，50％光阑相应于0．707的光瞳半径。采用0．65的数值孔径，50％光阑增加有效范围至大约500nm。参看图11，对于具有不同的SiN厚度的两片涂覆铝的盘片，采用50％光阑，得到了作为浮动高度的函数的偏振比。50％光阑大大提高了偏振比测量的灵敏度。
参看图12，采用以含MO媒体的光学叠层覆盖的盘片，进行了偏振差值作为浮动高度的函数的测量。在图13中示出了反射率(REF)百分数、和数(SUM)百分数以及偏振比(PR)的类似测量值。“反射率”是返回通过透镜的光束的总强度，而“和数”是在从部分偏振分束器反射后测得的总强度。在反射光束中设置50％光阑进行这些测量。示于图14和15的所有的测量显示出良好的特性，指出它们适合于高至500nm浮动高度的测量。
在图5中画出了检测器模件106的第三实施例。在这个实施例中，检测器模件106包括可选的狭缝孔径190、偏振器192和检测器阵列194。此实施例也能包括可变光阑。取决于所要的测量，偏振器192最好相对于起始偏振以0、45或90度取向。偏振器在较佳值或其他值之间旋转，以对于不同的偏振状态测量强度分布。根据用偏振器的测量值和不用偏振器的第二次测量值，能够获得类似的信息。检测器阵列194可以是尺寸合适的电荷耦合器件(CCD)阵列或任何其他的光敏阵列。检测器阵列194可以具有光敏光敏元件的一维阵列或二维阵列。用检测器阵列194测得的强度图形将反映出滑块104和盘片112之间的距离。
能够用诸如强度分布、相位分布和偏振分布等其他测量来测定浮动高度。图14画出用涂覆铝的测试盘片和x偏振入射光得到的反射光束的x偏振场分量的强度分布。可以使用阵列检测器来进行测量。对于四种浮动高度示出了强度分布。类似地，图15画出了反射光束的x偏振场分量对于四种浮动高度的相位分布。因为强度分布和相位分布随浮动高度而改变，因此能够用这些来计算浮动高度。在相位分布的情形中，基于图3中的检测器模件的焦点检测器的测量是对于计算浮动高度特别适合的测量。
上述实施例是代表性的而非限制性的。虽然已经参照较佳实施例描述了本发明，但熟悉本领域的人将理解，可以在形式上和细节上加以改变而不偏离本发明的精神和范围。如这里所使用的，“光”或“光学的”是指任何波长的辐射，而不限于可见辐射。
权利要求
1．一种用于测量在存储盘片上方的滑块的浮动高度的浮动高度测量系统，其特征在于，所述系统包括靠近滑块底部的用于聚焦光的装置；以及用于根据从在滑块下方旋转的盘片传播的光估算浮动高度的装置。
2．一种用于测量在存储盘片上方的滑块的浮动高度的浮动高度测量系统，其特征在于，所述系统包括光源，它产生沿光路的光；滑块，它包括如此放置的物镜，从而使来自光源的光射在物镜上，并且把它引向盘片的表面；检测器模件，用于接收从盘片反射的光；以及处理器，用于根据检测器模件输出估算滑块的浮动高度。
3．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，来自光源的光是单色的或准单色的。
4．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括分束器，它位于光路中的光源和物镜之间。
5．如权利要求4所述的测量系统，其特征在于，分束器是部分偏振分束器。
6．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，滑块还包括固体浸没透镜，从而通过近场把光耦合至盘片表面。
7．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，光源包括红色激光器。
8．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括透镜和两元件检测器。
9．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括偏振器。
10．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括检测器阵列。
11．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括偏振分束器和两个光敏元件，每个光敏元件构造来测量分裂光束的一个分量。
12．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括中心孔径光阑。
13．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件输出与由检测器模件接收到的反射光的总量有关的信号，并且处理器根据把检测器模件输出与存储在存储器中的信息所作的比较来估算浮动高度。
14．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件输出与由检测器模件接收到的反射光的偏振有关的信号，并且处理器根据把检测器模件输出与存储在存储器中的信息所作的比较来估算浮动高度。
15．如权利要求14所述的测量系统，其特征在于，测定反射光的偏振比。
16．如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，检测器模件输出与由检测器模件接收到的反射光的强度、相位或偏振分布有关的信号，并且处理器根据把检测器模件输出与存储在存储器中的信息所作的比较来估算浮动高度。
17．一种用于测量在存储盘片上方的滑块的浮动高度的浮动高度测量系统，其特征在于，所述系统包括光源，它产生沿光路的光；滑块，它包括如此放置的物镜，从而使来自光源的光射在物镜上，并且把它引向盘片的表面；检测器模件，用于接收透过盘片的光，这里，根据波长，引至检测器处的光在空间上不扩散；以及处理器，用于根据检测器模件输出估算滑块的浮动高度。
18．如权利要求17所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括偏振分束器和两个光敏元件，每个光敏元件构造来测量分裂光束的一个分量。
19．如权利要求17所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括中心孔径光阑。
20．如权利要求17所述的测量系统，其特征在于，检测器模件包括检测器阵列。
全文摘要
本发明以用于测量在存储盘片(112)上方的滑块(104)的浮动高度的浮动高度测量系统为特征。浮动高度测量系统包括光源(100)、滑块(104)、检测器模件(106)和处理器(108)。光源(100)产生沿光路的光。滑块(104)包括物镜,它如此设置,从而使来自所述光源的光射在物镜(124)上,并且把它引向盘片(112)的表面(110)。把从盘片(112)传播来的光引至检测器(106)。处理器(108)根据检测器模件输出估算滑块(104)的浮动高度。
文档编号G11B7/09GK1290339SQ98813624
公开日2001年4月4日 申请日期1998年9月29日 优先权日1998年2月17日
发明者J·E·德宁, E·C·盖奇, G·S·莫里 申请人:西加特技术有限责任公司