用于硬盘驱动器应用的气垫设计的制作方法

专利名称：用于硬盘驱动器应用的气垫设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜磁性读/写头的制造，并且特别涉及对滑块表面进行成形 以减少盘驱动操作过程中润滑剂的积聚的方法。
背景技术：
参照示意1，该图示出了硬盘驱动器(HDD)的一部分，其中形成 在被称作滑块7的陶瓷基片上的一被包裹的小薄膜磁性读/写头30被用来在 磁性介质或存储盘15上进行数据读写。读/写头30利用公知的诸如电镀、 CVD(化学气相沉积)以及光刻构图和刻蚀之类的半导体沉积技术形成。滑 块7具有预构图的气垫表面(ABS， air-bearing surface )，该表面一般被称作 ABS面300,并在HDD操作过程中面对旋转的盘15。 ABS面300在此以侧 视图示出，其仅仅限定了被构图的滑块ABS的在竖直方向的边界，因为构 图实际上对所述面进行雕刻以产生气流通道。这些通道在以后的图中将被示 出，在此图中不能看到。滑块安装在头万向节组件(HGA) 150的远端上， 所述头万向节组件由机电机构和控制电路启动，以将滑块安装头 (slider-mounted head)定位在沿着盘(未示出)上的磁性轨道的各个位置上。
随着盘在主轴电机(未示出)的作用下迅速旋转，流体动压力在滑块7 的被构图的ABS面300与盘15的表面之间引起气流(箭头25 )。该气流抬 升滑块，使得滑块支撑于一层空气之上，从而严格地在盘的表面上方以"飞 行高度80"飞行。该飞行高度大约10nm或更小。盘旋转进入其中的滑块边 缘被称为"前边缘，，200，而包括了读/写头30的相反边缘被称为"后边缘" 100。滑块运动的空气动力特性使得前边缘比后边缘在旋转的盘表面上方被 抬升得更高。
随着盘容量的提高以及相应地记录的面密度增力o，滑块飞行高度变得越 来越低，以便头实现准确的读写。飞行高度的降低导致了各种近距离相互作 用，例如分子间作用力(IMF)、弯月面作用力(meniscus force)以及静电 作用力(ESF)。这些力以及盘形貌的相关影响趋向于使得滑块的空气动力学运动不稳定。另外，来自各种近期的滑块稳定性测试的证据显示，滑块与盘 面上的润滑剂之间的相互作用在决定滑块在盘面上的飞行稳定性上变得更
为重要。当前的负压ABS设计存在使得ABS更易受到气流停滞甚至气流逆 转的影响的特殊几何特征，所述气流停滞以及气流逆转两者都趋于使得盘顶 面上的润滑剂被转移到滑块的ABS上。即使在滑块表面与盘面之间没有任 何实际接触的情况下，这也会发生。这样的润滑剂转移污染了滑块ABS，并 从盘上去除了保护性的润滑剂层，这不利于滑块以最佳设计高度飞行，并且 会进一步影响到硬盘驱动器(HDD)的稳定性。因此，在HDD产业中需要 采用能够减缓这种润滑剂转移的ABS设计。本发明实现了这种润滑剂转移 减緩作用。
如图2中示意性示出的，盘15的表面一般被不规则的一层润滑剂所覆 盖，这里润滑剂被表示为小的球形珠子150。这些珠子不规则地聚集成小堆 或"小丘"155。滑块ABS下面箭头25所示的气流在ABS上产生气压分布， 这被示意性地表示为曲线160。图中还示出了润滑剂170向滑块的后边缘表 面100的流动。润滑剂向滑块的后边缘表面的流动是作用在滑块的ABS上 的(如压力曲线所示)以及作用在盘面上的润滑剂分布上的非常高的气垫力 造成的结果。这些力在润滑剂小丘155以及润滑剂转移170的形成过程中起 作用。润滑剂行为的具体起因依赖于这些力以及例如分子粗糙度和凝聚力的 润滑剂特性两者。在负压ABS设计的作用下，转移到滑块上的大部分润滑 剂被吸入到滑块的被构图的ABS内的后气槽(这里不可见，但图5A中表示 为320)中，由于气槽内的低于周围的压力的缘故，润滑剂在气槽中积聚并 驻留下来。润滑剂还会由于ABS靠近盘面飞行时在ABS上存在较高的剪切 力而被切除到后气槽中。
参照图3，其中示意性地示出了图2的内容，以更多的细节示出了沿着 滑块的ABS的气流流谱(airflow pattern)。箭头210表示"前向流"，其为 ABS与盘面之间沿主气流(箭头25 )方向的沿着ABS的表面流。箭头220 表示"后向流"区域，该区域中表面流逆着主气流方向。同时，这两个流在 两个流向上产生沿着ABS的剪切力(箭头211、 221 )。在这两个流区域之间， 存在即没有气流也没有剪切力的停滞区域(示出于润滑剂颗粒230上)。如 图所示，靠近后边缘(TE, 100)的润滑剂趋向于向停滞区域迁移。在以下讨 论图5A和5B时，润滑剂流的流谦将被更清楚地指示出。尽管在现有技术中人们已经做出了尝试来减緩润滑剂积聚情况，但是这 些尝试既没有实现目的，也不能提供本发明的特性。在这一方面，美国专利7，227,723 (Nath等人)公开了凹陷区以及位于凹陷区上方的流线控制元素。 美国专利6,747,847 ( Stoebe等人)公开了位于垫内用于排出积聚的润滑剂的通道。美国专利6,356,405 ( Gui等人)公开了通过使头以选定的停止间距着陆 来移除积聚的润滑剂。美国专利5,853,959 ( Brand等人)公开了其发明可以产生具有复杂轮廓 的柱构图特征以减少润滑剂的积聚，但是没有给出细节。发明内容本发明的目的是提供一种滑块ABS设计，其能够消除与润滑剂转移、 积聚和迁移有关的问题而同时保持稳定的空气动力特性。该目的将如下实现。现在参照图4,其中示意性且高度简单地示出了典型的现有ABS构图 设计的形貌的3-D等轴视图。很多特征被省略以便描述突出的特征。如图4所示，滑块的面向盘的表面可视为形成了在竖直方向限定出ABS 边界的虚拟ABS面300。该虚拟ABS面与形貌的相交部包括了滑块ABS的 最高特征的物理平表面。滑块的外边缘形成为两个侧轨，它们为滑块在旋转 盘上的运动提供空气动力学上的稳定性。滑块的中心包括中心轨330，该中 心轨在其后边缘上包括读/写转换器。两个深的气槽320形成在中心轨和侧轨 之间。这些槽还负责滑块的空气动力学性能。在表面300上还形成很多浅槽， 但是在该简单的图示中没有示出。ABS面(图4中的300)与滑块的3-D形貌之间的相交部示意性地示出 在图5A和5B的图示中，图5A和5B各自提供了通过从盘的表面向滑块的 ABS看而形成的透视图。图5A总体上对应于图4的简化的现有技术滑块。 但是其示出了 ABS形貌的更多细节。同时注意，形貌特征的相对高度由阴 影的浓度表示。这样，最浓阴影部分实际上与ABS面相交，而没有任何阴 影的区域表示深气槽的最低表面(地面)。ABS面与滑块形貌的相交形成大致矩形的外周边。该周边的一个边缘 会被设计成后边缘110，因为它被包含在滑块的后边缘面(图1中的100)中。该周边的垂直于所述后边缘的一对平行边缘210部分地由滑块的侧轨 325的外边缘形成。如图所示，每个滑块的形貌包括穿过ABS面300雕刻而成的一个或多 个浅凹陷部315和两个深气槽320。再次参照图5A，深气槽320关于中心轨 BO对称地设置，所述中心轨部分地形成槽的内壁，并且在中心轨的后边缘 110处嵌入有转换元件(未示出)。槽竖直向下延伸以形成大致平行于ABS 面的底面(无阴影)。每个深气槽的外壁是滑块侧轨325的内壁。每个槽的 内侧壁形成中心轨330的外壁。滑块的侧轨以及其中心轨主要负责其空气动 力学性能。两个圆圈650表示深气槽的底面上邻接着槽外壁的区域，在HDD运行 之后，该区域中出现积聚的润滑剂(圆圈650内的阴影区域625)。与图5A中的现有技术滑块不同，本发明的滑块(如图5B所示)在操 作期间之后没有出现积聚润滑剂的区域。图5B的滑块的形貌结构还包括位 于滑块后边缘处的两个隆起的梯形垫340,它们关于中心轨对称地设置，并 且大致位于深气槽(图5A中的320)的中间。如其阴影所示，它们大致升 至ABS面的高度。还有两个三角形垫345缩在形成于侧轨(图5A中的325) 中的凹口内。这些垫(通过其阴影)示出为高度比梯形垫3⑧低。如图所示， 这些梯形垫和三角形垫影响HDD操作过程中的气流，并帮助消除出现润滑 剂积聚的流停滞区域。在HDD的操作过程中，盘以基本上恒定的角速度旋转，以产生正气压 和负气压，以及在滑块和盘之间形成将滑块微微支承于盘面之上的气垫层。 滑块ABS形貌内的气流控制润滑剂的积聚。现在参照图6A，其中示意性地示出了滑块布局的与图5A所示相同的 视图，不同的是现在包括了气流线(带有方向箭头的曲线)，该气流线对应 于运行的HDD中滑块飞行于旋转盘上方时位于布局内的气流。为了清楚起 见，之前的图中的阴影被省略了 。注意如流线所示的图6A中进入深气槽320 的后边缘开口的强气流(后向流)。不幸的是，为了使滑块获得最佳的、稳 定的空气动力学性能，当前的ABS设计存在使得它们易于受到气流停滞甚 至气流逆转的影响的特殊几何和形貌特征(例如外轨和深气槽)，如图5A所 示以及上述已讨论的，所述气流停滞和气流逆转两者可导致不希望出现的润 滑剂积聚。气流线可以提供对如图5A中的6"所示的润滑剂积聚区域的解释。注 意图6A中的两个区域620，在这两个区域中，气流线撞击侧轨(图5A中的 325 )的内部竖直侧边。它们对应于图5A所示的画圈的区域650,在滑块的 可靠性测试操作过程中，确实发现润滑剂积聚在区域650中。图5A的示意 性图示是根据滑块内部表面的显微照片做出的，所述显微照片 一致地显示积 聚的润滑剂正位于上述区域中。我们可以看到，图5B所示的本发明滑块的 气流流谱消除了这样的润滑剂积聚区域。


本发明的目的、特征和优点在下述对具体实施例的描述的上下文中将被 理解。对具体实施例的描述可结合附图来理解。所述附图中图l是示意性侧视图，示出了在旋转的盘上方做空气动力学运动的典型 滑块的特征。图2是示意性侧视图，示出了图1所示的飞行于被润滑的盘上方的滑块， 显示了润滑剂向滑块的转移。图3是示意性侧视图，示出了润滑剂在图1的滑块的ABS上的迁移路径。图4是典型的现有技术滑块的表面形貌的示意性3-D等轴视图。 图5A是图4所示的现有技术滑块(称为"滑块A，，)的ABS的从盘面 处看到示意图，示出了滑块的布局特征，并显示出HDD操作过程中润滑剂 积聚的区域。该图以及之后的图5B中阴影的浓度表示特征的高度(更浓= 更高)。图5B是本发明的滑块(称为"滑块B，，)的ABS的从盘面处看到示意 图，示出了滑块的布局特征，并显示出不存在HDD^:作过程中润滑剂积聚 的区域。图6A是图4所示现有技术滑块的示意图，但是为了清楚起见没有给出 阴影。否则，除了还示出了 HDD才喿作过程中形成在滑块形貌内的气流流谱 以外，该图与图5A的图示相同。图6B是本发明滑块的示意图，无阴影，否则除了还示出HDD操作过 程中形成在滑块形貌内的气流流谱以外，该图与图5B的图示相同。
具体实施方式
本发明的优选实施例是一种空气动力学上稳定的滑块，优选设计成图 5B所示滑块的形式，其具有消除了来自旋转的盘的表面上的润滑剂的积聚，并同时保持了滑块的正确飞行高度和空气动力学稳定性的ABS形貌。比较图5B示意性示出的滑块设计与图5A中示意性示出的滑块的设计， 可以发现若干重要特征区别。首先，参照图5B,可以发现一对隆起的梯形 垫340位于深气槽(图5A中的320)的后边缘处。槽和垫关于中心轨330 对称地设置。在侧轨(图5A中的325 )上的凹口内还形成有两个三角形垫 345.这些垫的厚度(高度)可以被调整以保持滑块的良好的空气动力学稳定 性，同时控制润滑剂的流动的积聚。这些垫340和345被称为"后向流阻断 件"，因为它们防止在滑块的后边缘处发生强的气流逆转，而这样的气流逆 转会将空气与润滑剂一起带入到图5A中的槽320中。相反，该后向流阻断 件在图6B所示的较窄的通道322中产生流，该流既减小了趋于将润滑剂带 入滑块中的后向流，消除了流停滞的区域，同时又建立了趋于将所有转移的 润滑剂从滑块形貌中排出的气流流谱。注意，具体而言，气流流谱680与限 定出三角形垫345的侧轨内壁表面相逆。该气流趋于吹向后边缘，并可将所 有润滑剂排出滑块，防止其积聚。同时注意，在本例中，后向流阻断件340可以是独立的(单个)，或者 可以是结合的(一对)。阻断件可以具有高于凹陷区域底部的任何高度，只 要它能够使进入滑块内的气流逆转。小于大约5微米的高度适于这里的优选 实施例。阻断件的形状还非常普通，只要它适应于位于滑块后边缘的气槽。 滑块的ABS,皮设计成满足滑块的空气动力学要求(例如图5A的现有技术滑 块的空气动力学要求)之后，可以在适当的位置上向滑块添加具有合适形状 的后向流阻断件，以消除润滑剂积聚。可以想到，控制润滑剂积聚并同时保 持滑块的空气动力学稳定性的处理可能需要一系列相继的反复处理，其中首 先要在形成任何阻断元件之前确定空气动力学稳定性，然后通过刻蚀形成阻 断元件，并再次测量空气动力学稳定性，如此反复，直到获得希望的最终结 果。例如，两个侧轨(图5A中的325 )与后向流阻断件(图5B中的340) 可通过对滑块的ABS的刻蚀处理同时形成。由于阻断件并不影响滑块的飞 行高度，所以ABS设计可以首先构造成提供正确的飞行高度和空气动力学稳定性，然后可以通过刻蚀形成阻断器来调整设计。如本领域技术人员所理解的，本发明的优选实施例对本发明是说明性 的，而不是限制性的。对形成具有能够提供正确飞行高度和空气动力学稳定性并消除硬盘驱动器操作过程中的润滑剂积聚现象的ABS形貌的滑块的方 法、程序、材料、结构和尺寸，可以做出修改和变化，而仍然能够提供根据 如所附权利要求限定的本发明而形成的这样一种滑块。
权利要求
1. 一种空气动力学上稳定的滑块，其使得硬盘驱动器操作过程中的润滑剂积聚最小化，所述滑块包括面对可旋转的盘的被润滑表面的气垫表面侧，在所述盘的旋转过程中在所述气垫表面侧与所述盘的被润滑表面之间形成移动的空气层；和在所述气垫表面侧内形成的形貌，在所述盘的旋转过程中，所述形貌在所述移动的空气层中产生气流流谱，所述气流流谱产生稳定的空气动力学滑块性能，并且所述气流流谱将来自所述被润滑的盘的所有润滑剂从所述气垫表面形貌排出，从而在所述形貌内不发生润滑剂积聚。
2. 如权利要求l所述的滑块，其中，所述形貌包括气垫表面，具有大致矩形周边，所述周边的一个边缘是后边缘，该后边 缘同时也是所述滑块的后边缘面的一个边缘，所述后边缘面在相对于所述气 垫表面竖直的方向上由所述气垫表面垂直向上延伸；一对大致平行的侧轨，它们的外边缘形成所述气垫表面周边的垂直于所 述后边缘的平行边缘；一对对称地设置的平行空气通道槽，它们穿过所述气垫表面以及穿过所 述后边缘面形成，在所述后边缘面处，它们形成开口，所述槽沿从所述后边 缘面向所述滑块的前边缘垂直向后的方向延伸，在达到所述前边缘之前终每个所述槽具有大致平行、竖直的内侧壁和外侧壁，每个所述槽的所述内侧 壁彼此最相近，并且所述一对外侧壁中的每一个形成所述侧轨的内侧壁；由所述空气通道槽的所述内侧壁之间的区域形成的中心轨，在所述中心 轨的后边缘中嵌入有转换元件，其中所述中心轨的竖直侧壁由所述槽的内侧壁形成；和形成在所述槽内的后向流阻断元件。
3. 如权利要求2所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件消除将润滑剂 送入所述气垫表面形貌的气流流谱。
4. 如权利要求2所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件建立了能够将 所有润滑剂从所述气垫表面形貌中排出并使会发生润滑剂积聚的气流停滞 区域消除的气流流i普。
5. 如权利要求2所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件是从所述空气通道槽的下表面竖直向上延伸至低于所述气垫表面的高度的几何形式。
6. 如权利要求2所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件是形成在所述 槽的侧壁内的几何形式。
7. 如权利要求5所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件具有大致梯形 的形状，并形成在每个空气通道槽中，位于处在所述滑块的所述后边缘上并 在所述中心轨与所述槽的外侧壁之间的位置上。
8. 如权利要求6所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件具有三角形形状。
9. 如权利要求5所述的滑块，其中，所述后向流阻断元件的高度小于大 约5微米。
10. 如权利要求1所述的滑块，其中，在形成所述后向流阻断元件之前， 所述形貌被调整以获得最佳空气动力学稳定性。
11. 如权利要求IO所述的滑块，其中，在添加所述后向流阻断元件之后， 所述滑块经测试保持了空气动力学稳定性。
全文摘要
本发明公开了一种用于硬盘驱动器应用的气垫设计，具体而言，本发明公开了一种形成有气垫表面形貌的滑块，所述气垫表面形貌消除了运行的硬盘驱动器中来自旋转盘面的润滑剂在滑块上的积聚。所述形貌包括其中形成有后向流阻断元件的空气通道槽，所述后向流阻断元件防止引起润滑剂被吸入到滑块的气垫表面形貌中的气流流谱的形成，并建立将润滑剂从滑块的气垫表面中带出的气流流谱。所述形貌首先经测试以确保滑块具有适当的飞行高度和空气动力学稳定性，然后添加后向流阻断元件以控制气流，并同时保持希望的飞行高度和稳定性。
文档编号G11B5/60GK101521020SQ20091000838
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月29日
发明者丰田祥儿, 铸 冯, 柯林斯·李, 车泰昊, 郑国强 申请人:Sae磁学(香港)有限公司