具有隔离滑动器中的多个读取器的前置放大器的盘驱动器的制作方法

相关申请的标题为“DISK DRIVE WITH PREAMPLIFIER FOR MULTIPLE READERS IN A SLIDER WITH A COMMON RETURN SIGNAL”，其于2014年9月18日提交，序列号为14/489,477。

相关申请的标题为“INTEGRATED LEAD SUSPENSION(ILS)FOR TWO-DIMENSIONAL MAGNETIC RECORDING(TDMR)DISK DRIVE”，其于2014年7月25日提交，序列号为14/340,690。

技术领域

本发明涉及磁盘驱动器设计的领域，并且更具体地涉及滑动器、滑动器的悬架以及信号放大器的设计和互连，并且更具体地涉及具有滑动器中的多个读取元件(将可交换地被称为变换器、传感器、磁头或读取器)的系统中的这样的组件的设计和互连。

背景技术：

图1是根据现有技术的盘驱动器10的所选择的组件的图。盘驱动器包括在由主轴电动机(未示出)驱动的方向15上在主轴13上旋转的至少一个磁记录盘12。外罩或基板16提供对组件的支撑。对于该图，移除用于常规操作而存在的外保护箱的上部。数据被记录在一般为圆形的同心或螺旋形数据轨道26。仅示出很多轨道中的小样本。实际上，存在环绕着盘延伸360度的数千轨道。盘驱动器包括由旋转音圈电动机(VCM)(未示出)驱动的枢轴点17上转动的传动器14。传动器14包括刚性传动臂18。通常被称为“柔性缆线”的柔性布线缆线24将传动器上的器件(包括滑动器22中的读取和写入磁头(未示出)、和读取/写入集成电路芯片(R/W IC)21(示出))连接到驱动器的系统电子装置(未示出)。可交换地被称为臂电子装置芯片或前置放大器芯片的R/W IC 21通常如所示那样被安装在传动臂上、或者被集成到柔性缆线中。附接到臂18的端部的悬架20包括弯曲/框架(gimbal) 元件(未示出)，其上安装有空气轴承(air-bearing)滑动器22，以允许在操作期间灵活移动。在盘12旋转时，具有读取/写入磁头的滑动器选择性地被放置在轨道上以读取和写入磁转换。盘驱动器往往具有安装在主轴上的多于一个的盘，并且每个盘的上表面和下表面在其上可以具有磁记录材料，并且根据需要而复制其上安装有组件的传动器以访问每个记录表面。

柔性缆线24提供在传动器和电路板(未示出)上的系统电子装置之间的电连接。柔性缆线24在一端通过连接到系统装置的固定支架23刚性地附接。柔性缆线的另一端附接到响应于VCM一致地移动的传动器14的集合。

多个电气路径(未示出)从柔性缆线沿着传动器延伸至臂电子装置芯片21。臂电子装置芯片进而通过延伸经过悬架20并且连接到滑动器22的多个电气路径连接，如图2A进一步所示的。这些电气路径通常被称为迹线(trace)31并且由铜制成。悬架的负载梁结构是弹簧金属层，其通常为不锈钢。悬架的尾端具有尾部终止(termination)衬垫33的集合，以便电连接到对应的迹线31。迹线携带用于滑动器中的读取器(读取磁头)、写入器(写入磁头)的信号、以及通过加热器突出传动的飞行高度控制所需的任何另外的信号，等等。图2A中的示例性悬架具有8个终止衬垫，其提供到8个滑动器连接衬垫35的连接，8个滑动器连接衬垫35进而在悬架的滑动器(或磁头)端20H处连接到滑动器(未示出)。不同数量的衬垫和对应的迹线是常见的。迹线可以在宽度上变化，并且另外的结构/特征可以包括在路径中以控制诸如阻抗这样的电参数。电介质材料将迹线与弹簧金属层分开，并且覆盖层电介质材料通常被沉积在迹线上。消减/添加光刻、沉积和蚀刻工艺可以被用于制造悬架并形成迹线。

通常，悬架中的不锈钢弹簧金属层已经被用作迹线的接地平面。由于强加于悬架上的空间约束，已经使用了多层或堆叠式迹线配置。Klaassen等人在美国专利6,608,736中公开了堆叠式读取信号迹线，其布置在彼此的顶部，并且通过电介质层彼此分开，并且通过另一电介质层与不锈钢基层分开。

给Hentges等人的美国专利8,094,413(2012年1月10日)描述了一种盘驱动器磁头/滑动器悬架弯曲(flexture)，其具有在框架和梁区域上具有不同配置的堆叠式迹线。描述了一种磁头悬架，其包括集成引线悬架弯曲，该弯曲具有沿着弹簧金属层的一侧蔓延的堆叠式迹线和沿着另一侧蔓延的多层迹线。迹线一起出现在悬架的尾部区域，在该处，终止衬垫的集合提供到 系统的电连接。磁头悬架组件包括分别在第一和第二导体层中具有第一和第二迹线的堆叠式迹线。堆叠式迹线被用于实施例中的写入器，并且多层迹线被用于读取器和飞行高度迹线并且包括接地层。

给Contreras等人的美国专利8,233,240(2012年7月31日)描述了一种磁记录盘驱动器中的集成引线悬架(ILS)，其在尾部处的柔性缆线终止衬垫与由多个互连的分段(segment)(每个具有其自身的特性阻抗)形成的框架区域之间具有ILS的传输线部分。在任两个分段之间的接口处，传输线的电传导迹线的宽度和阻抗改变。分段的数量以及它们的特性阻抗值被选择为产生最大的频率带宽、以及从写入驱动器到写入磁头的基本上平坦的群延迟。

图2B示出读取器MR传感器，诸如包括在滑动器中的隧道磁阻(TMR)变换器22R和包括在臂电子装置芯片21中的前置放大器21R。电子信号经过上述的悬架20中的迹线。向TMR变换器供应允许电阻的改变被反映在信号中的电流偏压(bias)。该信号可以通过具有单端或差动输入信号的电流感测或电压感测放大器来放大。偏压生成器和放大器通常被组合，并且被称为前置放大器，并且被包括在集成电路中。然后通过柔性缆线将经处理的放大信号作为单端或差动信号发送给系统电子装置。

给Jove等人的美国专利4,706,138(1987年11月10日)描述了一种互阻抗放大器，其被用于对由TMR变换器或MR(不带有隧道效应)产生的信号进行偏压和放大。电气地，TMR传感器的电阻R_h被部署为包含放大器的输入级的差动对的发射极(emitter)电路中的负反馈。在该电路配置中，表示ΔR_h/R_h的信号被感测并放大作为经过TMR传感器的电流。用于TMR传感器的偏压电流由同一恒流源供应，所述同一恒流源向包含放大器的输入级的两个晶体管供应电流。为了校正由输入级晶体管特性、和R_h的稳态值的变化引起的直流(DC)偏移，经由电平位移(level shift)和放大级而到输入级的DC反馈使在差动输入级的两个路径中流动的电流平衡。

随着面密度继续增加，正在探究在每个滑动器中使用多于一个的读取变换器(读取器)的记录方式，这是因为具有多个读取器允许更高密度的记录。图3是具有多个读取变换器/传感器R1……Rx的现有技术滑动器22的所选择的组件的剖面图(与空气轴承表面平行)的图。如所示那样，每个读取变换器的两侧是一对护罩(shield)S2和S1。在变换器之间存在显著的物理分 离，这导致关于盘上的迹线的偏斜。

对于也被称为二维磁记录(TDMR)的多输入多输出(MIMO)，存在两个或多个磁阻读取变换器。多读取器架构的前端系统设计中的问题领域包括：1)滑动器设计；2)悬架互连线；以及3)多个读取器前置放大器设计。每个TMR变换器通常需要从滑动器到前置放大器的两条电差动线(布线)。对于滑动器和前置放大器之间的这些电子路径，存在有限的空间。每个迹线路径具有与其相关联的设计/工程成本。

对于本公开，将三读取器(3R)架构配置和独立差动放大器(IDA)视为当前的技术水平。使用IDA的3R滑动器设计需要在滑动器的表面上的6个连接衬垫(R1、-R1、R2、-R2、R3和-R3)，这将消耗滑动器和滑动器衬垫上的大量可用外部区域用于电连接。

另外，具有三个分开的独立读取器需要在滑动器内部在读取变换器之间的另外的空间。具有读取变换器之间的另外的距离引起由变换器之间的物理距离造成的偏斜问题。变换器之间的飞行高度控制也由于它们之间的另外的距离而引起间隔控制问题。对于悬架互连，具有6个传导迹线在悬架的尾部宽度空间有限的布局中引起面积问题。对于前置放大器，具有IDA需要另外的IC面积和功率，这是对电子封装(柔性区域和到传动器的机械连接)的关键设计约束。

对于前端系统的上述三个分段，需要一种设计方案来以低的电子噪声最小化总体所需面积、功率需求。

技术实现要素：

本发明的实施例包括在具有公共信号归路引线(return lead)系统的盘驱动器中使用的前置放大器，所述公共信号归路引线系统将滑动器中的多个读取变换器(读取器)通过悬架与安装在传动器上的前置放大器互连。公共信号归路引线系统供应来自每个读取器的单端信号，并且允许充分减少用于滑动器中的互连、用于悬架以及在前置放大器IC中的布局面积。在具有三个读取器的实施例中，例如，使用四个信号迹线(三个专用的和一个公共的)将滑动器中的三个读取器的集合连接到前置放大器。

因此，本发明的实施例中的前置放大器针对滑动器中的多个读取器中的每一个具有单端输入放大器，但是放大器的输出是向上游传输到系统电子装 置的差动信号。在前置放大器和系统电子装置之间充分地放宽空间约束，以允许使用差动信号的益处，尽管需要另外的布线。在实施例中，每个放大器通过连接到对应的隔离电压偏压源并且通过在电源电压路径中包括单独的电源隔离元件而与噪声和串扰隔离。

根据本发明的实施例的前置放大器电路设计包括用于每个读取器的共基极放大器(CBA)，其具有用于减少串扰的单独的电压偏压源以及用于两个电源极性的电源隔离元件。电源隔离组件减少放大器之间的串扰，否则该串扰将通过共享的电源线传输。电源隔离元件优选地集成到安装在传动器上的前置放大器集成电路芯片中。两个电源极性在系统电子装置中生成，并且通过柔性缆线传递至前置放大器芯片。每个CBA连接到公共引线。实施例中的电源隔离元件可以是具有相对高电阻(例如10到1000欧姆)的电阻器。

附图说明

图1是根据现有技术的盘驱动器的所选择的组件的图。

图2A是具有电传导迹线的现有技术悬架的所选择的组件的顶视图的图。

图2B是根据现有技术的读取变换器和前置放大器之间的框图连接。

图3是具有多个读取变换器的现有技术滑动器的所选择的组件的剖面图的图。

图4A是从空气轴承表面观看的、具有三个读取变换器的根据本发明的实施例的滑动器中的电连接的图。

图4B是从空气轴承表面观看的、具有两个堆叠式读取变换器的根据本发明的实施例的滑动器中的可替代电连接的图。

图5是具有用于多个读取变换器的迹线的现有技术悬架的所选择的组件的部面图的图。

图6A是具有根据本发明的实施例的用于多个读取变换器的单层迹线和公共归路信号引线的、根据本发明的实施例的悬架的所选择的组件的剖面图的图。

图6B是具有双层迹线的根据本发明的实施例的悬架的所选择的组件的剖面图的图，其中双层迹线具有通过传导材料填充的通孔，其连接迹线的上部网络与根据本发明的实施例的用于多个读取变换器的公共归路信号引线。

图6C是形成在图6B中示出的悬架中的迹线的屏蔽(shielding)网的所选择的组件的顶视图的图。

图7是具有根据本发明的实施例的用于多个读取器的双层迹线和公共引线的、根据本发明的实施例的悬架的所选择的组件的剖面图的图。

图8是具有在具有连接到公共归路信号引线的多个读取器的滑动器、悬架、和具有隔离的差动放大器的前置放大器之间的所选择的连接的、根据本发明的实施例的前置放大器的框图。

图9是具有通过用于电源的柔性缆线到前置放大器的所选择的连接的、根据本发明的实施例的具有隔离的差动放大器的前置放大器的框图。

图10是例示根据本发明的实施例的具有公共归路信号引线的用于两读取器系统的前置放大器电路设计中的所选择的组件的电路图。

具体实施方式

滑动器、悬架和前置放大器的公共归路信号引线连接创建公共引线系统，其允许充分减少用于滑动器中的互连、用于悬架、以及前置放大器IC中的布局面积。将根据本发明的实施例的公共引线连接用于多个读取器，这创建在前置方大器与读取器之间通过悬架的紧凑电连接。然后，悬架可以具有减少的或最小的数量的信号迹线。因此，公共引线架构读取器(CLAR)系统允许读取器、悬架和前置放大器的紧凑系统设计。CLAR方案减少用于前端系统的如下三个分段的电迹线/布线：1)读取变换器和滑动器；2)悬架；以及3)多个读取器前置放大器。CLAR系统减少I/O计数，这有助于减少布局面积以用于所有三个前端分段的更紧凑设计。滑动器中的公共引线(CL)连接允许读取器的紧凑设计。

图8是例示根据本发明的实施例的、使用公共引线设计的具有两个读取器(例如TMR变换器101、102)的滑动器、悬架20E和前置放大器60之间的互连的概览的框图。为了简洁，仅示出两个变换器，但是可以根据在本文中所描述的原理设计出具有三个以上变换器的本发明的实施例。TMR变换器101、102在滑动器的内部连接到公共引线42，如在图4中所示并且在下面进一步论述。

前置放大器60可以实现为如图1所示的R/W IC 21的一部分。滑动器和前置放大器IC两者均安装在驱动器的可移动传动器(未示出)上。前置 放大器60针对每个TMR变换器包括根据本发明的隔离的差动放大器61、62实施例。每个差动放大器针对每个变换器具有单独的电压偏压源V_Bias1、V_Bias2，这提供隔离并减少串扰和噪声耦合。用于两个电源极性的电源隔离元件未在图8中示出，而是在图9和图10中示出。

用于读取器的信号通过悬架20E在电传导迹线71、72和公共归路引线迹线79上被传输给前置放大器60。单端信号通过单端输入放大器61、62而被处理，以生成对应的差动输出信号V_Out1、V_Out2，它们然后通过柔性缆线24而被传输给盘驱动器中的系统电子装置25，以用于根据现有技术的进一步处理。差动放大器61、62还向对应的读取器供应偏压电流，虽然该功能未在图8中示出，而是在图10中示出。将在下面进一步讨论前置放大器的实施例的内部。

图9是根据本发明的实施例的前置放大器60的框图，其中具有通过用于电源的柔性缆线24到前置放大器的所选择的连接。在刚性地安装在盘驱动器中并且通过柔性缆线24连接到可移动传动器(未示出)的系统电子装置25中生成正和负电源电压V_CC和V_EE。柔性缆线还携带去往和来自安装在可移动传动器上的前置放大器的各种读取、写入和控制信号。每个放大器61、62具有与电源引线串联的电源隔离组件。这样，放大器61具有与V_CC电源线串联的组件91，并且具有与V_EE电源线串联的组件93。放大器62具有与V_CC电源线串联的组件92，并且具有与V_EE电源线串联的组件94。在本发明的实施例中，电源隔离组件91-94可以是电阻型或者电感型。电源隔离组件91-94减少放大器61、62之间的串扰和噪声，否则它们将通过共享的V_CC和V_EE电源线被传输。电源隔离的目的在于将放大器分开，以使得信号和噪声源不在放大器之间交叉耦合。

在图10中示出根据本发明的实施例的前置放大器60的所选择的组件的电路图。通过隔离的差动放大器，信号和噪声源的交叉耦合不会显著地被所连接的公共引线79和每个放大器的输入所影响。实施例中的电源隔离阻抗元件可以是具有相对高的电阻(例如10至1000欧姆)的电阻器。对于通过悬架20E的信号传输，每个隔离的差动放大器的输入阻抗可以基本等同于用于宽带宽数据传输的传输线的特性阻抗。

在图10中示出隔离的差动放大器61’、62’的实现方式。对于该实施例，使用共基极放大器(CBA)配置。每个CBA具有相同的等效电路设计。CBA 61’包括晶体管Q_A1和Q_B1，它们将它们的发射极连接到变换器101的引线。连接到Q_B1的发射极的引线也是公共信号归路引线79。变换器的输出信号通过连接到Q_A1的引线接收。变换器的电流偏压也通过连接到Q_A1的引线供应。差动输出信号V_Out1在Q_A1和Q_B1的集电极处生成，所述集电极分别通过集电极电阻器R_L1、R'_L1拉取(pull)电流。两个集电极电阻器均连接到V_CC电源隔离元件91，其在该实施例中为电阻器。Q_A1和Q_B1的发射极分别连接到电流偏压源I_Bias1、I'_Bias1，这两者均连接到V_EE电源隔离元件93，其在该实施例中为电阻器。Q_A1的基极连接到电压偏压源V_Bias1的正输出，而Q_B1的基极连接到V_Bias1的负输出。放大器62’的设计与上述相同。具有另外的放大器的实施例可以以直接的方式来构造。

滑动器和悬架迹线设计

描述悬架上的滑动器和信号迹线配置的各种实施例，其可以对上面描述的前置放大器设计使用。在这些示例中的滑动器和悬架各自具有三个读取器，但是可以根据所描述的原理设计出具有两个读取器的实施例。在单层实施例中，公共归路引线被拆分成悬架上的两条迹线，它们与用于三个读取器的三条专用信号迹线相交织。在双层实施例中，将三条专用信号迹线放置在一个层中，而将公共归路引线放置在第二层中。在一个实施例中，迹线的屏蔽网充当同轴缆线中的护罩。

图4A是根据本发明的实施例的滑动器122中的电连接的图，其中滑动器122具有与空气轴承表面(ABS)相平行地观看的三个TMR读取器101、102、103。与在图3中示出的现有技术布置不同，公共引线设计允许与ABS有关的读取器的紧凑布置，并且因此允许盘上的迹线的紧凑布置。公共引线42也用作读取器的护罩。另外的护罩(未示出)将位于在该页中所示的TMR-A 101之上。在三个传导路径41A、41B、41C上携带滑动器内部的读取器信号，这三个传导路径与公共引线42一起连接到滑动器122的外部上的衬垫，其然后连接到悬架中的迹线。图4B是滑动器122’中的电连接的图，其为具有可堆叠的两读取器设计的替代的实施例，其中也可以应用公共引线隔离的差动放大器。这里，公共引线42B位于两个读取器101’、102’之间、以及信号连接护罩S1 43B和护罩S2 43C之间。

图5是具有用于三个读取器的迹线的现有技术悬架20的所选择的组件的剖面图的图。对于每个读取器，存在两条迹线，例如R1和R1’、R2和R2’、 R3和R3’。因此，对于三个读取器，需要6条迹线。不锈钢层44通过电介质材料46与形成迹线的传导材料(通常是铜)分开。

对于使用公共引线(CL)设计的三读取器(3R)系统，连接衬垫的最小总数量为4(R1、R2、R3和Rg)，其中Rg是CL连接。对于悬架互连，使用CL设计允许3R系统中从6条引线减少到4条引线的引线的减少。该悬架互连可以是双层配置、或者具有间隙(interstitial)归路线的共面配置，这然后允许从6条线减少到5条线的线的减少。通过双层和共面悬架互连两者，CL连接允许I/O的减少以及布局中的面积节省。

图6A是具有用于多个读取器的单层迹线和公共引线的根据本发明的实施例的悬架20C的所选择的组件的剖面图的图。该视图在滑动器连接衬垫与尾部终止衬垫之间的悬架中的一点处。该实施例使用具有间隙归路线79A、79B的共面配置，间隙归路线79A、79B均连接到公共信号归路，这然后允许从迹线线路6条线减少到5条线。迹线中的传导材料通过电介质材料46分开，电介质材料46也将迹线与不锈钢层44分开。在该实施例中，每个读取器具有专用的单条迹线。因此，用于第一读取器的专用迹线为R1 71，对于第二读取器的专用迹线为R2 72，而对于第三读取器的专用迹线为R3 73。在该实施例中，共享的公共引线迹线Rg为79A、79B。这两条Rg迹线在悬架的两端(即，在头部和尾部区域中)电连接/短路。两条Rg迹线帮助创建抗噪声的传输线。

图6B是具有双层迹线的根据本发明的实施例的悬架20E的所选择的组件的剖面图的图，其中所述双层迹线具有用传导材料填充的通孔74A、74B，用于将迹线75A、75B、76的上部网络与根据本发明的实施例的用于多个读取磁头的公共引线连接。该实施例中的第一层迹线类似于图6A中的示出的层，但是形成另外的上层传导迹线，其包括与第一层中的迹线79A、79B、71-73平行地延伸到所示页面之中和之外的75A、75B。图6C是形成在图6B中示出的悬架中的迹线的屏蔽网的所选择的组件的顶视图的图。该屏蔽网通过周期性地具有垂直地延伸穿过悬架的连接迹线76来形成。连接迹线76和迹线75A、75B形成电连接到公共归路信号和不锈钢的传导材料的网，它们一起充当同轴缆线的外部传导护罩以提供对信号携带迹线的屏蔽。

图7是具有根据本发明的实施例的用于三个读取磁头的双层迹线以及单个公共引线Rg 79的、根据本发明的实施例的悬架20D的所选择的组件的剖面图 的图。该视图是在滑动器连接衬垫与尾部终止衬垫之间的悬架中的一点处。在该实施例中，CL设计允许将3R系统中的引线从6条引线减少至4条引线。用于读取器R1、R2和R3的三条专用传导迹线81-83在悬架的第一层中示出，而用于公共引线Rg 79的迹线形成在第二层中。第一和第二层中的传导材料通过未被示出的电介质材料分开。公共引线Rg 79也通过电介质材料46与不锈钢层44分开。