具有接口电压控制电路的热辅助磁记录(HAMR)盘驱动器的制作方法

具有接口电压控制电路的热辅助磁记录(hamr)盘驱动器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年2月14日提交的美国申请16/791,238的优先权，该申请全文以引用方式并入本文。


背景技术：
技术领域
3.本发明的实施方案整体涉及热辅助磁记录(hamr)盘驱动器。
4.相关领域的描述
5.磁记录hdd使用安装在头载体上的用于读取数据和/或将数据写入盘上的记录层的读写换能器或头。头载体通常是通过悬架附接到致动器臂并且通过悬架定位成非常接近盘表面的气体轴承滑块。通常存在hdd中的盘叠堆，其中滑块-悬架组件与叠堆中的每个盘表面相关联。
6.滑块与盘表面之间的间距或间隔称为飞行高度。滑块具有面向盘的气体轴承表面(gbs)，该gbs使得滑块在由盘的旋转生成的气体(通常是空气或氦气)的衬垫或轴承上行进。滑块附接到悬架上的挠曲件，并且该悬架包括负载杆，该负载杆将负载力施加到滑块以抵消气体轴承力，同时允许滑块“倾斜”和“滚动”。滑块的飞行动力学和因此飞行高度受到因素的影响，诸如盘的旋转速度、滑块的gbs的空气动力学外形、通过悬架施加到滑块的负载力以及通过悬架施加到滑块的倾斜和滚动扭矩。
7.hdd可以使用读写头的热飞行高度控制(tfc)。一种类型的tfc使用位于滑块上靠近头的电阻加热器。当将电流施加到加热器时，加热器膨胀并使得头膨胀，从而使其移动至更接近盘表面。根据驱动器是否正在读取或写入，可将头调整为不同的高度。另外，即使在存在上述因素的情况下，加热器也可将头保持在最佳飞行高度，否则将导致飞行高度发生变化。必须准确校准tfc加热器，使得可以控制头-盘间隔，这通常需要朝向盘推动头，直到进行接触(“触下”)，在此刻滑块远离盘推动(“回拉”)。嵌入在滑块中靠近读写头的嵌入式接触传感器(ecs)可用于感测触下。ecs包括位于滑块gbs处的金属条。ecs的电阻响应于温度变化而改变，因此当滑块温度随着该滑块靠近盘而改变时，可以使用ecs上的电压来确定触下。
8.随着盘的面数据密度增加，构成数据位元的磁性颗粒可以如此小，使得它们可以根据磁化位元内的热不稳定性或搅拌(所谓的“超顺磁性”效应)简单地消磁。对于热稳定问题的一种提出的解决方案是热辅助磁记录(hamr)，其中磁记录材料在通过写入头写入期间被局部加热以降低足以进行写入的矫顽磁性，但其中矫顽磁性/各向异性足够高，以在盘驱动器的环境温度(即，约15℃-60℃的正常操作温度范围)下实现所记录位元的热稳定性。在一些提出的hamr系统中，磁记录材料被加热至接近或高于其居里温度。然后，通过读取头在环境温度下回读所记录的数据。
9.最常见类型的提出的hamr盘驱动器使用激光源和光学波导以及近场换能器
(nft)。“近场”换能器是指“近场光学器件”，其中光通过具有亚波长特征的元件，并且光耦合到位于距第一元件亚波长距离的第二元件，诸如磁记录介质之类的基板。nft通常位于gbs处。nft温度传感器(nts)可以位于nft附近以用于监测其温度。
10.在常规非hamr盘驱动器中，ivc(接口电压控制)用于将电压施加到滑块主体或盘。在一些情况下，ivc可以用于通过用静电荷封装滑块主体的至少一部分来钝化滑块，这可以通过保护滑块和对应读写头免受机械磨损以及化学氧化来有助于保持滑块和对应读写头的寿命。此外，在一些情况下，ivc可以用于使滑块-盘电位差最小化。当滑块-盘电位没有完全消除时，静电引力将滑块拉动接近盘，这可能产生滑块与盘的头-盘接触和/或润滑拾取。


技术实现要素：

11.在本发明的实施方案中，已经发现，nft的寿命受到nft的过度加热的不利影响。nft的过度加热可能导致nft金属扩散，直到nft尖端圆化并且记录退化。
12.在本发明的实施方案中，已经发现，如果相对于盘将负偏置电压施加到nft，则可以改善nft的寿命。本发明的实施方案包括用于在nft与盘之间施加的负偏置电压的接口电压控制(ivc)。hamr盘驱动器可以任选地包括双独立接口电压控制(ivc)电路，使得可以将第一偏置电压(v
ivc1
)施加到滑块主体以保护读写头免受机械氧化和化学氧化，并且可以将不同于v
ivc1
的第二偏置电压(v
ivc2
)施加到nts(和电连接的nft)以确保nft与盘之间的负偏置电压。
13.为了完全理解本发明的实质和优点，应当参考结合附图所作的以下具体描述。
附图说明
14.图1是根据本发明的实施方案的热辅助磁记录(hamr)盘驱动器的顶视图。
15.图2是hamr盘驱动器的盘和滑块的剖视图，并且示出了读取器、写入器、加热器、嵌入式接触传感器(ecs)、近场换能器(nft)和nft温度传感器(nts)。
16.图3是随nft与盘之间的电压差而变化的nft寿命的曲线图。
17.图4是示出用于向滑块主体和nts提供不同偏置电压的双独立接口电压控制(ivc)电路的图示。
18.图5是根据本发明的一个实施方案的耦合到读写集成电路(r/w ic)中的双独立接口电压控制(ivc)系统的滑块的框图。
19.图6是示出连接到nts的第二接口电压控制电路(ivc2)的操作的实施方案的示意图。
具体实施方式
20.图1中示出了示出根据本发明的实施方案的hamr hdd 100的平面图，以示出示例性操作环境。
21.在图1中，hamr hdd 100被示出为包括具有连续磁记录层31的盘200，该连续磁记录层具有同心的圆形数据磁道118。仅示出了靠近盘200的内径和外径的若干代表性磁道118的一部分。
22.驱动器100具有支撑致动器130的外壳或基部112和用于使磁记录盘200旋转的驱
动马达。致动器130可为具有刚性臂131并围绕枢轴132旋转(如箭头133所示)的音圈马达(vcm)旋转致动器。头悬架组件包括悬架135和头载体诸如气体轴承滑块120，该悬架具有附接到致动器臂131的端部的一端，该头载体附接到悬架135的另一端。悬架135允许滑块120保持非常接近盘200的表面，并且使得其能够在盘200沿箭头20的方向旋转时在由该盘生成的气体(通常是空气或氦气)轴承上“倾斜”和“滚动”。滑块120支撑hamr头(未示出)，该hamr头包括磁阻读取头、感应式写入头、近场换能器(nft)和光学波导。例如，具有780至980nm波长的半导体激光器90可用作hamr光源，并且被描述为支撑在滑块120的顶部上。作为另外一种选择，激光器可位于悬架135上并通过光学通道耦合到滑块120。在盘200沿箭头20的方向旋转时，致动器130的移动允许滑块120上的hamr头访问盘200上的不同数据磁道118。滑块120通常由复合材料形成，诸如氧化铝/碳化钛(al2o3/tic)的复合材料。图1中仅示出了具有相关联的滑块和读写头的一个盘表面，但通常在由主轴马达旋转的集线器上堆叠有多个盘，其中单独的滑块和hamr头与每个盘的每个表面相关联。
23.盘驱动器100包括电子架构，该电子架构包括用于执行其相应功能以用于操作驱动器的许多电子部件，诸如硬盘控制器(“hdc”)、接口控制器、读写集成电路(r/w ic)、臂电子器件(ae)模块、马达驱动器、伺服处理器和其他数字处理器以及相关联存储器。此类部件中的两个或更多个可以组合在被称为“片上系统”(“soc”)的单个集成电路板上。此类电子部件中的若干个(如果不是全部的话)通常布置在印刷电路板上，该印刷电路板耦接到驱动器的底侧，诸如耦接到外壳112。
24.图2是盘200(具有记录层31)和滑块120的剖视图，并且示出了读取器、写入器、可选的加热器、可选的嵌入式接触传感器(ecs)、波导、近场换能器(nft)和nft温度传感器(nts)。读取器210包括位于两个软磁屏蔽件s1和s2之间的通常是磁阻传感器的读取传感器212，并且连接到滑块顶部的接触焊盘r 、r-。
25.写入器250包括主极(mp)252、返回极258和写入线圈254。mp 252暴露在滑块120的气体轴承表面(gbs)处并面向盘200。流过线圈254的电流产生从mp 252的尖端发射的磁场，并且通过反转盘200的记录层31上的磁性区域的磁化来形成记录位元。线圈254连接到滑块顶部的写入头接触焊盘w 、w-。返回极258被定位成提供用于磁通量从记录层31返回到写入器结构以完成磁路的装置。
26.激光器90(图1)光学耦合到波导265。该波导265形成在滑块120内部并且将来自激光器的光引导到nft 270。当来自波导265的光入射时，也被称为等离激元天线的nft 270通常使用低损耗金属(例如，au、ag、al或cu)，该低损耗金属被成形为使得将表面电荷运动集中在位于滑块gbs处的尖端处。振荡尖端电荷产生强烈的近场图案，从而加热盘200上的记录层31。有时，nft 270的金属结构可产生谐振电荷运动(表面等离激元)以进一步增强记录层的强度和加热。在记录的时刻，盘200的记录层31被由nft 270产生的光学近场加热，同时，通过施加由mp 252产生的记录磁场将区域或“位元”磁化。nft 270位于温度传感器(nts)272附近并连接到nts，该nts通常是电路中的监测nft 270的温度的电阻器。例如，金属或其他导电层位于nft 270与nts 272之间。随着nft 270的温度改变，电阻器的电阻改变。nts 272可用于校准nft 270。从滑块顶部上的接触焊盘nts 、nts-到nts 272进行电连接。
27.盘驱动器可以任选地包括由热飞行高度控制(tfc)装置(未示出)控制的加热器
280，该tfc装置在滑块顶部上的焊盘h 、g处连接到加热器280。通过将电流施加到加热器280时，使周围的滑块材料响应于热而膨胀，这导致滑块朝向盘200凸起，因此减小飞行高度。
28.如果盘驱动器包括加热器，则该盘驱动器通常还包括嵌入式接触传感器(ecs)285，诸如位于gbs处并且连接到滑块顶部上的接触焊盘ecs 、ecs-的金属条。ecs 285的电阻响应于温度变化而改变，并且可以用于在滑块温度由于与盘200的摩擦加热而突然增加时检测滑块-盘接触。在tfc装置的校准期间通常也使用ecs。在写入操作期间，加热器280使得mp 252和nft 270更接近盘200，从而使被写入磁性位元能够更接近地放置在一起。
29.已经发现，nft的寿命受到nft的过度加热的不利影响。nft的过度加热可能导致nft金属扩散，直到nft尖端圆化并且记录退化。
30.在本发明的实施方案中，已经发现，如果相对于盘将负偏置电压施加到nft，则可以改善nft的寿命。本发明的实施方案包括用于在nft与盘之间施加的负偏置电压的接口电压控制(ivc)。ivc将负电压施加到nts，该nts电连接到nft。图3是随nft与盘之间的电压差而变化的nft寿命的曲线图。每个数据点通过测量nft的无故障时间来生成，即，nft退化到在写入头无法在与测试之前相同的质量的盘上写入数据的程度所花费的时间。随着接口电压变得更加负，nft寿命得到改善。对于测试的n个样本，相比于是正的，如果电压差是负的，则寿命显示出nft寿命的巨大的改善。
31.已知在一些情况下，ivc可以用于常规非hamr盘驱动器中，以通过用静电荷封装滑块主体的至少一部分来钝化滑块，这可以通过保护滑块和对应读写头免受机械磨损以及化学氧化来有助于保持滑块和对应读写头的寿命。此外，在一些情况下，ivc可以用于使滑块-盘电位差最小化。当滑块-盘电位没有完全消除时，静电引力将滑块拉动接近盘，这可能产生滑块与盘的头-盘接触和/或润滑拾取。
32.因此，在本发明的实施方案中，hamr盘驱动器可以任选地包括双独立接口电压控制(ivc)电路，使得可以将不同于施加到nts的第二偏置电压的第一偏置电压施加到滑块主体。这在图4中以图表形式示出。第一ivc电路(ivc1)确保滑块主体与盘之间的基本上0v，而第二ivc电路(ivc2)提供偏置电压以确保nts(和电连接的nft)与盘之间的负电压。
33.图5是根据本发明的一个实施方案的耦合到双独立接口电压控制(ivc)系统的滑块的框图。滑块偏置电压发生器315用作第一接口电压控制电路(ivc1)并且经由现有信号路径向滑块120的主体330上的元件生成直流(dc)偏置电压，该现有信号路径在图5中是到ecs的信号路径。滑块偏置电压发生器315被示出为读写集成电路(r/w ic)305的一部分。在一些实施方案中，滑动偏置电压发生器315位于hdd 100(图1)的其他部分中。例如，在其他实施方案中，滑块偏置电压发生器315可以被包括为附接到hdd基部112的印刷电路板的一部分或被包括在ae模块中。“现有信号路径”是指用于将偏置电压发生器315耦合到滑块主体120的常规现有信号路径，诸如读取路径、写入路径、加热器元件控制路径或ecs路径。虽然可以稍微修改现有信号路径，诸如通过包括部件诸如电容器、与滑块主体连接件的耦合件，和/或电阻器，但是不需要用于将滑块偏置电压从滑块偏置电压发生器315耦合到滑块主体120的单独专用信号路径。现有信号路径主要用于传输滑块与滑块外部的电子器件之间的另一信号(例如，读取数据信号、写入数据信号、加热器元件控制信号或ecs信号)。然而，至少有时其他信号和滑块偏置电压在滑块内的相同信号路径上同时传输，彼此集成在
一起。因此，该现有信号路径可以“积分方式”将偏置电压连同在相同信号路径上传输到滑块或从滑块传输的其他信号传输到导电主体120。在本发明的某些实施方案中，ivc1可以经由任何现有信号路径传输滑块偏置电压。在其他实施方案中，可以使用非现有(即，专用)信号路径。
34.在图5中，滑块120包括导电主体330，并且包括写入元件(we)、读取元件(re)、加热器元件(he)、嵌入式接触传感器(ecs)和nts。在r/w ic 305与每个元件之间存在信号路径。r/w ic 305包括多个r/w ic输入/输出端(i/o)310。i/o 310可以包括用于经由现有信号路径电连接到滑块120顶部上的对应焊盘的焊盘，如图2中的滑块顶部上的焊盘所示。r/w ic输入/输出端310包括：写入 (w )和写入-(w-)、读取 (r )和读取-(r-)、加热器元件控制 (h )和接地(g)、ecs 和ecs-以及nts 和nts-。
35.在图5的示例中，其中ivc1耦合到ecs，滑块120包括电阻部件r1和r1'，这些电阻部件耦合在滑块主体连接件(sbc)与ecs和r/w ic305之间的信号路径的每个支线之间。这提供了共模信号路径，其将滑块偏置电压vsb耦合到滑块主体120。利用该连接方案，ecs共模电压v
ecs-cm
等于(v
ecs- v
ecs
)/2，并且可以用于控制滑块主体120相对于盘的电位。
36.虽然图5示出了现有信号路径是ecs信号路径的实施方案，但是现有信号路径可以包括写入信号路径、读取信号路径、加热器元件控制信号路径或ecs路径中的任何一者。虽然现有信号路径主要用于将另一信号(例如，写入信号、读取信号、加热器元件控制信号、ecs信号)传输到滑块120或从(和通过)滑块传输另一信号，但是至少有时现有信号路径以积分方式将偏置电压连同另一信号(诸如现有信号路径主要携带的信号)传输到导电主体。在一些实施方案中，通过一对信号线上的共模电压施加现有信号和/或偏置电压。ivc1利用预定可编程偏置电压值v
ivc1
(通常在约-1.0v与 1.0v之间)控制偏置电压生成。预定可编程偏置电压值选自已知用于避免滑块润滑拾取或通过考虑盘电压和润滑变化的其他方法的设定电压范围(值)。在一个实施方案中，一旦确定和/或选择了偏置电压值，就利用众所周知的电路方法将数字设置转换成模拟电压参考，然后将其用于生成偏置电压。可以预选值范围，诸如在工厂或实验室。在一个实施方案中，预定可编程偏置电压值本身在工厂、实验室或在盘驱动器处于操作中的同时设置或选择。us 8,125,727 b2和us 2014/0240871 a1两者均转让给与本技术相同的受让人，描述了用于确定要施加到滑块主体的偏置电压值的技术。在根据本发明的一个实施方案的优选方法中，icv1偏置电压v
ivc1
被选择以确保在滑块主体与盘之间基本上没有电位(0v)，因为已经发现，该值导致最小滑块-盘接触和润滑拾取。
37.用作本发明的实施方案中的ivc1的上述滑块偏置电压发生器315详细描述于us 8,049,984 b2中，其转让给与本技术相同的受让人，并且以引用方式并入本文。
38.图5还示出了耦合到nts并且因此经由现有信号路径耦合到nft的第二接口电压控制电路(ivc2)350。ivc2 350向nts提供偏置电压v
ivc2
以确保nft与盘之间的负电位，并且与ivc1分离并且独立于ivc1。类似于滑块偏置电压发生器315(ivc1)，ivc2可以作为印刷电路板上的r/w ic 305的一部分或作为ae模块的一部分被定位。
39.图6是示出连接到nts的ivc2的操作的一个实施方案的示意图。nts 272(图2)不是电路的一部分，但是例如通过导电材料层连接到nft 270。可编程电流源生成电流i
bias
。电压v
ivc2
是在电阻器r之间施加的共模电压vcm，这些电阻器具有基本上相等的电阻。如图6的
等式所示，nts相对于接地(即，盘)的一端处的电压由v1＝ v
nts
/2 v
ivc2
给出，并且nts相对于接地的另一端处的电压由v2＝-v
nts
/2 v
ivc2
给出。因此，在一个示例中，用于示出ivc2如何确保相对于盘在nft处的期望负电位，假设nts电压v
nts
为100mv。如果v
ivc2
设置为-500mv，则这导致v1为-450mv并且v2为-550mv。
40.类似于ivc1，ivc2可以利用预定可编程偏置电压值v
ivc2
控制偏置电压生成。预定可编程偏置电压值选自已知用于确保nts处的负电位的设定电压范围(值)。在一个实施方案中，一旦确定和/或选择了偏置电压值，就利用众所周知的电路方法将数字设置转换成模拟电压参考，然后将其用于生成偏置电压。可以预选值范围，诸如在工厂或实验室。在一个实施方案中，通常基于涉及在不同共模电压下测量滑块飞行高度的校准技术，预定可编程偏置电压值本身在工厂、实验室或在盘驱动器处于操作中的同时设置或选择。
41.虽然已参考优选的实施方案具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可在形式和细节上作出各种更改。因此，所公开的本发明被认为仅是示例性的，并且在范围上仅限于所附权利要求书中指定的范围。