热辅助写入器凸起确定及控制的制作方法

本发明的不同实施例一般涉及控制换能器的飞行高度。

根据某些实施例，使用换能器将数据图案写到旋转的数据记录表面，该换能器有写入元件、读取元件和热辅助能量源。响应于使用施加到能量源的不同的第一和第二功率水平从数据图案获取的第一和第二回读幅度，由能量源的操作引起的用于读取元件的第一凸起距离被确定。响应于第一凸起距离，由能量源引起的用于写入元件的第二凸起距离被确定。

表征本公开的多个实施例的这些和其它特征和优点可考虑以下具体讨论和附图来的观点来理解。

附图说明

图1是根据本公开的各种实施例来构造和操作的数据存储设备的功能框图。

图2示出了与某些实施例相关的图1的设备的方面。

图3示出了在某些实施例中的图2的设备的凸起分析和控制电路。

图4示出了相邻于评估轨道的图2的换能器的位置。

图5是在某些实施例中的由图3的电路实行的分析序列。

图6是用于图4的换能器的读取器间隙和激光功率之间的关系的图形表示。

图7是用于图4的换能器的写入器/近场换能器间隙和激光功率之间的关系的图形表示。

图8是与本公开不同实施例相关的实行的写入器凸起评估例程的示例性步骤。

图9是基于图8的例行操作的飞行高度控制器的功能表示。

图10示出了在使用图9的飞行高度控制器的写入操作期间被设置为目标间隙的图4的换能器。

图11示出可以使用图8——9独立控制的多个换能器和多个介质(盘)表面。

图12示出了多个同心区域，不同转换函数可以通过使用图8——9为多个同心区域产生。

具体实施方式

本公开一般涉及数据存储，尤其涉及用于控制与旋转数据记录介质相邻的数据换能器的飞行高度的设备和方法。

诸如硬盘驱动器(HDD)的某些数据存储设备在一个或多个可旋转的磁记录介质(盘)上存储数据。该盘可以被对应的读取/写入换能器(头)的阵列访问。换能器相邻于盘表面，由流体性的电流支持，该流体性的电流由高速旋转的盘建立。电流产生换能器可以在飞行在几十埃(即，10^-9m)的范围的高度飞过，并且预计飞行高度将会在未来继续降低。

HDD通常在各种盘记录表面上定义同心轨道。通过使用带有产生磁写入场的线圈的磁写入元件，数据被写入轨道，该磁写入场在关联表面的记录层中建立连续的磁化图案。通过使用感知之前写入的磁化图案的一个或多个传感器，数据从轨道读出。

在写入元件和读取元件之外，换能器可以包括多个附加的可操作元件。滑块本体可以提供有空气轴承表面(ABS)，该ABS设计为，在读取操作和写入操作期间，将换能器维持在介质上部的稳定的飞行关系。飞行高度调整(FHA)机制可以用来调整飞行高度，通过滑块本体的加热和热膨胀，因此带来写入元件和读取元件更靠近介质表面。接近传感器和/或接触传感器可以用来检测换能器和介质之间的物理接触。其他的元件也可以纳入换能器。

已经采用各种策略来增强在磁记录盘上所记录的数据的磁录密度(areal density)。一个此类策略有时候指代为热辅助记录，诸如热辅助磁记录(HAMR)。在HAMR系统中，诸如激光二极管的能量源与写入元件相邻固定。来自激光二极管的电磁能量被集中，并且通过波导和/或近场换能器传送到介质上。被传送的能量临时地提高了介质的局部温度。通过将介质的局部温度抬升到接近或超出居里温度(Curie temperature)的水平，记录层的磁材料的磁矫顽性可以被显著地降低，允许该层由写入元件写入(磁化)。一旦写入，介质冷却到环境温度，并且磁材料的天然的矫顽性让写入的磁化的图案在高稳定状态下维持。

尽管可操作，但是使用HAMR和其他热辅助记录技术的一个缺点是用于局部加热介质的能量往往也会加热了换能器。随着滑块本体或换能器的其他方面热膨胀，这可以导致不期望的头凸起，并让写入和读取元件更靠近介质。这种现象在本文指代为“写入器凸起”或“激光引起的头凸起”。写入头凸起让写入元件比意图的更接近对应的介质表面。在某些情况中，写入头凸起可能导致换能器与介质表面不期望的接触，这可能损坏头/盘接口，并且对于HAMR系统的可靠性是不利的。

通常地，在飞行高度调整例程期间，校准处理可以被实行来将不同飞行高度关联不同加热器(FHA)设置。此处理可以包括将换能器的飞行高度降低到换能器和盘之间建立接触的点。此后，可以减少FHA设置来将飞行高度带到期望的间隙水平(clearance level)。伴随这些和其他飞行高度调整技术的问题是此调整通常不能考虑由HAMR系统的操作而出现的额外的热膨胀。而且，当HAMR系统处于操作模式时，使用意图引入头/盘接触的飞行高度调整技术可以损坏HAMR系统。

相应地，不同实施例一般涉及用于在数据存储设备中存储数据的方法和设备，处理这些和本文的其他局限。依据不同实施例，固定的磁数据图案写入到对应的数据记录介质。该图案可以采用不同形式，诸如但不限于2T图案。换能器被放置在适当位置，以便读取器元件置于到写入轨道的感测关系处。如期望的，基线飞行高度可以使用第一飞行高度调整(FHA)值来建立。

通过打开用于轨道的第一部分的电磁源(即，激光)，轨道被写入加压(write stress)，其可以表征为总的N-1个扇区。每个扇区用于存储被写入的图案，并且有沿着轨道的选择的物理长度来存储选择数量的用户数据(例如，512字节等)。

写入加压操作之后，换能器立即被配置为读取轨道的第二部分，诸如第N个扇区。来自轨道第二部分的回读信号的第一幅度被测量。当维持相同的飞行高度和激光功率，通过使用不同激光功率，前面的步骤被重复来提供用于轨道的第二部分的回读信号的第二幅度。

相应的回读信号的第一幅度和第二幅度可以用于识别用于读取器的头/盘间隙改变。这可以被完成的一个方法是通过知名的华莱士间距流失方程(Wallace spacing loss equation)，尽管可以应用其他技术。测量的间隙改变可以归因于激光引起的读取器凸起，其指示了在换能器的间隙(飞行高度)中的多少改变可以归因于激光的功率水平中的改变，和由此引入的相关的换能器的热膨胀。此分析提供了来自盘的读取器元件间隙中的改变的精确指示。

缩放因子，本文指代为伽马(γ)，为经验得出，并且用于将激光引入的读取器凸起转换为激光引入的写入器凸起。这部分基于本公开发明人们的观察，由于来自激光源的热膨胀，读取器突出的量可能不同于写入器突出的量。间隙与激光电流的转换函数可以通过使用曲线和曲面拟合技术产生，来描述输入激光功率到HAMR模块和在用于写入元件换能器的飞行高度中导致的改变的关系。

在随后的写入操作期间，加热器功率(FHA调整机制)可以基于激光功率值和转换函数来选择。以此方式，期望的间隙可以在写操作期间建立，其考虑了使用不同激光功率设置的写入器所期待发生的飞行高度中的减少。

在设备的现场操作期间，激光引入的凸起可以周期性地被测量来监控激光器、近场换能器和头/盘接口的健康。如要求的，可以做出对于被指挥的激光功率和其他参数的改变，来维持在写入操作期间必须的目标间隙。

这些和不同实施例的其他特征和优势可以从图1的评述开始被了解，图1提供了所产生的数据存储设备100的功能框图。设备100包括控制器102和存储模块104。控制器102构成了顶层控制器,该顶层控制器实行了与主设备(未单独示出)的整个的通讯和控制功能。存储模块104存储由主设备提供的数据，并且按要求取回该数据。

图2示出了存储设备110的相关部分的功能框图，设备110类似于图1中的设备100。可以使用其他配置。设备110被表征为硬盘驱动器(HDD)，并且包括可旋转的磁记录介质112，数据被写入到该磁记录介质并且通过使用数据读取/写入换能器114数据被取回。在写入和读取操作期间，数据和控制信号在换能器114和前置放大器/驱动器电路(前置放大)116之间通讯。

换能器114包括电磁源(即，激光器)118、写入线圈(即，写入元件或写入器)120、读取传感器(即，读取元件或读取器)122、飞行高度调整(FHA)机制(即，加热器)124和飞行高度传感器126。

电磁源118在诸如热辅助磁记录(HAMR)系统的热辅助记录系统中产生电磁能量，其该系统中在磁介质112上的局部化的点被加热来辅助将数据写入到磁记录介质。由电磁源118施加的加热改变了介质的磁属性(例如，磁矫顽性)来使介质被更容易地写入数据。为了本文讨论的目的，该电磁源118将被考虑为包含激光二极管，尽管包括用于微波辅助磁记录(MAMR)微波源的其他形式可以被使用。各种元件可以被纳入HAMR系统，包括波导、近场换能器(NFT)等。

写入线圈120适合于磁化用于将数据写入到介质的磁记录介质，并且可以采取垂直磁记录元件的形式。读取传感器122适合于恢复从磁记录介质恢复记录的数据，并且可以采取磁阻(MR)结构。通过滑块本体(未单独示出)的热膨胀，加热器124适合于调整(减少)换能器114的飞行高度，图2中所示的各种元件被安装在该滑块本体上。飞行高度传感器126感知滑块和介质112之间的间隙距离(飞行高度)。

前置放大116包括用于驱动源118的驱动器电路128，用于以可编程的电流水平驱动写入器线圈120的差分跨导写入器驱动电路130，用于处理来自读取传感器122的回读信号的读取放大器132，用于向加热器124提供电流的飞行高度调整(FHA)加热器，和用于处理来自传感器126的飞行高度信号的热粗糙(TA)/接触检测电路126。其他配置可以被设想，包括省略一个或多个这些元件的配置，使用多个这些元件(例如，多个读取传感器的换能器等)的设置，包括诸如照片检测器或其他飞行调解机制、微执行器等的附加元件的配置。适合的电供应功率被施加到不同前置放大组件合换能器来协助操作。

图3是与某些实施例相关的图2的设备110的电路的功能框图。凸起分析和控制电路140执行下列所解释的不同步骤，来发展与写入元件(写入线圈)120到激光功率(输入到源驱动器128)相关的转换功能。以此方式，适合的控制输入可以被供应到换能器和前置放大的不同元件(诸如源驱动器、FHA驱动器、写入驱动器等)，来在写入操作期间建立期望的稳定的飞行高度。

凸起分析和控制电路140可以实现为硬件、软件和/或固件。在某些情况中，电路140作为顶层控制器(例如，图1中的102)的一部分操作。在其他情况中，电路140被纳入到存储器模块104中。编程步骤可以存储于适合的存储器位置，并由可编程的处理器执行，或由可能形成硬件、状态机或其他专用集成电路(ASIC)的电路执行。

直接地或通过前置放大116的方式，电路140与换能器114交互。电路140附加地与伺服控制电路142交互，该伺服控制电路适合于可控地将换能器114置于定义在介质112上的不同轨道的相邻处。在某些实施例中，电路140产生作为数据结构设置的数据，诸如存储器中的补偿表144，飞行高度转换函数(fcn)可以从其产生。

图4为与介质112上的选择的轨道146结合的换能器114的示意图。轨道可以为用于存储用户数据的通常轨道，或者可以代表特殊校准轨道。轨道可以被布置有一系列间隔的伺服数据字段，该伺服数据字段周期性地向伺服电路144提供伺服控制数据来让换能器保持定位在轨道上部。固定尺寸的用户字段或扇区可以沿着相邻的伺服字段对之间的轨道定义。

换能器114可以由致动臂148的远端支撑，该致动臂关于致动器轴点转动，该致动器轴点相邻于介质112的最外围。制动臂可以包括刚性电子块、灵活的悬架(弯曲)，磁头悬架组件(HGA)、微致动器等，来让换能器114以稳定的关系，在期望的沿着与轨道146相邻的多个轴的位置飞行。

将读取元件122置于轨道146上部可以导致写入元件120相对于轨道的一定量的半径偏移，诸如图4中所示。读取器/写入器偏移的量将取决于多个因素，诸如在换能器114内的写(W)和读(R)元件120、122的相对排布，和换能器相对于介质112的斜拱角。

图5是当如图4所示的换能器114相邻于评估轨道146维持时，电路140的操作的示意图。在某些实施例中，初始的测试图案被写入沿着轨道的N个数据扇区，其中N为复整数。一旦被写入，读取元件122被名义上地在轨道上对齐，并且扇区(例如，扇区1到N-1)的部分通过施加激光功率到激光器118被写入加压。在此时没有数据被写入。写入加压操作可以包括将写门(WG)信号断言(assertion)至前置放大116和激光驱动128的选择的输入。然而，在此操作期间，没有写入输入供应到写如驱动器130。如所期望的，初始的飞行高度调整(FHA)值可以被供应到FHA驱动器134来名义上地设置换能器114的飞行高度。

在写入加压操作的结尾，扇区(例如，扇区N)的第二部分由读取元件122读取。这可以包括写门信号的取消断言(deassertion)和读门(RG)信号到前置放大116的断言。整体信号振幅(峰到峰)通过使用读取放大器电路132获得。振幅可以以任何数目的适合的方式被捕获，包括前置放大的自动增益控制(AGC)的输出。

通过使用不同的对于激光驱动128的输入功率设置，前面的步骤被重复。即，读取元件122再一次被置于轨道上部，通过使用用于激光器的第二功率设置扇区1到N-1被写入加压，并且第二整体振幅(峰到峰)为扇区N而被获得。相同基线FHA值可以被提供来建立名义的飞行高度。在两个通过之间可以插入适合的冷却期，来使换能器回到环境基线温度。要理解的是在这些分别的通过期间的实际飞行高度中的改变将基本取决于激光源的操作导致的热膨胀。

回读信号幅度的改变因此和对应于读取元件122的头/盘间隙的改变相关联。在某些实施例中，知名的华莱士间距流失方程可以用来建立此飞行高度中的改变。如果A1代表在第一激光功率P1处的幅度，并且A2代表在第二激光功率P2处的幅度，那么：

$\frac{A1}{A2}=e^\[-2\mathrm{\π}\left(\mathrm{\Δ}d\right)/\mathrm{\λ}\]---\left(1\right)$

其中Δd为读取元件122的间隙距离中的改变，λ为轨道146被写入处的写入空间波长。对于不同的激光功率值重复地执行上面的步骤，读取器间隙对于激光功率(即，电流)的间隙改变关系曲线可以被构建，如图6所示。

更具体地，图5提供了对于激光功率改变(delta)轴152和读取器间隙改变(delta)轴154绘制的曲线150。

可构想的是轴152、152为对数的，虽然这不是必须要求。

曲线150，对于低水平的激光功率，有基本线性常量部分，并且然后以线性对数的速率下降，在选择的阈值上。曲线150可以按照期望的使用来预测或估计对于输入激光功率的不同改变的读取器间隙中的改变。

已经有本公开发明人确定的是激光引入的写入器凸起(即，写入元件120的飞行高度中的改变)可能通常不同于激光引入的读取器凸起(即，图6中所描绘的读取元件122的飞行高度中的改变)。图7中的曲线160提供了激光引入的在激光功率改变(轴162)和写入器间隙改变(轴164)之间的写入器凸起关系。曲线160表现出在写入器间隙中以显著地大于曲线150的读取间隙的速率降低。对于这些不同可以考虑的各种因素包括相应元件构造的不同和与相应于激光源的元件的相对替换。

伽马(γ)缩放因子可以用来将从图5——6获得的读取间隙值转换为图7表示的写入间隙值。例如，转换可以如下实行：

WP＝RP(γ) (2)

其中WP是估计的写入凸起改变，RP是对于给定功率水平改变所测量的读取凸起改变。其他转换机制可以凭经验确定。

为了发展伽马缩放转换因子，诸如110的给定设备的写入间隙对激光功率特征可以在设备制造期间使用因素过程校准操作直接测量。直接测量可以使用激光干涉仪或针对不同激光功率设置的其他精确测量设备来实行。可以应用曲线和曲面拟合技术来降低测量噪声。每个设备可以被单独地测量，或者测量可以来自统计地重要的群体，并且应用到随后制造的设备的整个级别。

一旦已知直接写入器的间隙改变特征，间隙激光转换函数可以被表示，该函数将对于给定设备的可测量的读取器间隙转换为对应的写入器间隙，并且基于给定的输入激光功率值来估计最终的写入器间隙。

图8为根据某些实施例的由电路140实行的用于写凸起评估例程200的流程图。例程200可以在不同适合的时间由存储设备110执行，包括在制造和现场操作期间。例程的周期性操作可以帮助检测和补偿系统随时间的恶化。

在步骤202处，选择的数据图案初始地写入选择的轨道，诸如2T或随机图案。如图4的步骤202，读取元件122在选择的轨道上被定向。在步骤206处，第一激光功率水平被选择，并且在所选择的轨道(例如，扇区1到N-1)上的数据扇区的第一部分在步骤208处使用选择的激光功率水平被热加压。数据扇区(例如，扇区N)的第二部分在步骤212处被读取，来获得第一信号幅度。当仅第一扇区(扇区N)被读取，此仅为示意性二非限制性。任何适合数量的扇区(包括在多个轨道上的扇区)可以用来表示第一和第二部分。

决定步骤214确定额外的通过是否被执行。至少两个通过将要被实行，在某些情况中多于两个的多个通过将要被实行。对于每个附加通过，激光功率水平在步骤216处被增加，并且前面的步骤被重复来为每个施加的功率水平获得不同回读信号幅度。

处理在步骤218处继续，其中在读取器凸起中的改变使用等式(1)确定。在写入器凸起中的改变基于读取器凸起使用等式(2)确定。最终的飞行高度与激光功率转换函数在步骤220处产生和存储。函数可以以转换表格的形式，基于给定的输入激光功率指示写入元件120的间隙中导致的改变。

图9示出设备110的飞行高度控制器电路230。飞行高度控制器电路230可以形成图3的凸起分析和控制电路140的部分，或者可以形成设备110的另一部分。如之前，电路230可以在硬件、软件和/或固件中实现。

通常地，在设备110将数据从主设备转换到介质112的常规操作期间，写入门(WG)信号将被断言以由前置放大116使用。在写入操作期间，写入门也被供应到控制器230，沿着用于换能器的目标间隙值。在某些情况中，诸如头/盘结合形式的写地址和/或轨道半径位置也将被供应到控制器230。

在相应中，控制器230将利用转换函数(由框232表示)来输出适合的加热器功率值，并且如果必要输出飞行高度调整(FHA)值。在某些情况中，基于由在写入操作期间激光的使用引起的额外的写入器凸起的量，FHA值可以被降低。一个可以用的等式是

FHA＝TC–WP (3)

其中FHA是供应到加热器驱动器134的加热器调整值，TC是目标间隙，WP是来自等式(2)的激光引入的写入器凸起。在某些情况中，如果激光凸起足够达到期望的间隙，FHA值可以为零。在另一些情况中，激光功率可以被降低来确保满足目标间隙。基于前面的讨论，任何数目的方法可以用来执行适合的控制方案。

图10描绘了由图9的控制器230达到的目标间隙TC。图11示出与一对介质盘D1——D2相邻的一叠换能器T1——T4。诸如换能器T2和T3的内部换能器可以在比外部换能器T1和T4更高的基线温度下操作，并且每个换能器可以被单独评估来拥有它自己单独的间隙转换函数。图12示出具有多个同心区域234的选择的介质114。三个区域Z1——Z3被示出，虽然可以使用任意数目的区域，包括不同尺寸的区域。不同的转换函数可以为不同区域进一步导出。

应当理解的是本文公开的各种实施例可以提供多个好处。写入器凸起可以被评估而不需要在激光器或其他热源机制的操作期间引入头盘接触。对于激光功率和其他可操作的参数，诸如FHA水平，的调整可以被做出来建立在写入操作期间维护准确的飞行高度。另外，在热辅助写入之后，读取器凸起值可以立即被用于读取器飞行高度调整，来确保读取器也维持在精确的飞行高度上。热衰减转换函数可以被发展和使用，以便例如跟随扩展的写入，在换能器的冷却期间，FHA加热器值可以逐步地增加来将换能器维持在选择的热平衡和期望的间隙高度。

要理解，即使在后面的说明书中已结合各实施例的结构和功能细节阐述了本公开的各实施例的许多特征和优势，然而这种详细说明仅为解说性的，并可对细节作出改变，尤其是本公开原理内的各个部件的结构和配置，由其中所附权利要求书表达的术语的广泛含义指示其全部范围。