（机械电子工程专业论文）微硬盘磁头弹性臂的研究.pdf

揍要 摘要 随着硬盘驱动器技术的发展，微硬盘被广泛应用于便携式计算机及其他数码 产品中。微硬盘对磁头定位精度的要求比大硬盘要高很多，这就特别要求微硬盘 磁头弹性臂具有良好的振动特性。本文遥过理论分析和软件仿真稳结合的方法， 对微硬盘磁头弹性臂的振动特性进行了研究，找到了一英寸微硬盘磁头弹性臂在 工作频率附近的固有频率和模态振型。在此基础上，通过理论建模秘有限元分析 的方法对微硬盘磁头弹性臂进行分析计算，提出了微硬盘磁头弹性臂的优化方向。 首先，对硬盘驱动器的结构和工作原理进行分析，得到了微硬盘磁头弹性臂 的工作环境，用s o l i d w o r k s 2 0 0 5 软件建立了微硬盘磁头弹性臂的简化三维实体模 型。并将建立好的三维实体模型导入a n s y s 中进行网格划分，建立了微硬盘磁 头弹性臂的有限元模型，并对其进行有限元结构分析，得到了微硬盘磁头弹性臂 的各阶固有频率，并对其工作频率附近的各固有频率和模态振型进行了分析。 其次，对悬臂梁结构进行了理论分析，应用牛顿运动定律，建立了悬臂梁系 统的连续模型，并用集中质量法和假设模态法对悬臂梁系统进行了离散化，运用 影响系数法对离散化蜃的系统进行了分析，并把分析结果和连续系统进行了对比， 得到了变截面梁的一般分析方法。 按下来，重点对微硬盘磁头弹性臂进行了分析，建立了简化的连续系统模型， 并用振动理论来分析该系统，求取其雷有频率和模态振型，并对微硬盘磁头弹性 臂的几种结构进行了离散化建模，分析了这些结构对整体特性的影响，并用a n s y s 有限元软 牛进行了仿真。 通过对微硬盘磁头弹性臂的这些分析，本文找到了一套“连续系统建模集 中参数模型指导有限元修正”相结合的系列设计方法，使各耱分析方法形成 互补。通过这种系列方法，对微硬盘磁头弹性臂的结构进行了分析，并指出了其 优化网标和方法。 关键词：微硬盘磁头弹性臂，固有频率，模态振型，集中质量法，假设模态法 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m 饥to ft h et e c l l l l 0 1 0 9 yi nh 砌d i s kd r i v e ( h d d ) ，t h e m i c r o d r i v eh a sb e e nw i d e l yu s e di nm ep o r t a b l ec o m p u t e ra n do m e rd i 百t a lp r o d u c t s f o rt h em i c r o d n v e ，m er e q u e s to ft h ep o s i t i o l l i n ga c c u r a c yi sf 缸r i 9 0 r o u sm a i lt h a to f m et r a d i t i o n a lh d d s t h i sm a l 【e sas p e c i a lr e q u e s to nm ev i b r a t i o np e r f o m l a n c eo fm e e l a s t i ca n l li nm i c r o d r i v e h lt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rc o m b i i l e dm em e o d ，a n a l y s i sa n dm e f i n i t ee 1 e 1 i l e n t sa n a l y s i st os t u d ym ev i b r a t i o np 幽m a n c eo ft h ee l a s t i ca n n f o u n d t l l en a “l r a l 仔e q u e n c i e sa n dm em o d a ls h a p e so ft h ee l a s t i ca n l lo f1 i n c hh d da r o u n d t h ew o r k i n g 仔e q u e n c i e s b a s e do n 锄s ，t h et h e o r e t i cm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n t s a n a l y s i sa r eu s e dt oa n a l y z et h ee l a s t i ca n t l a no r i e n t a t i o no fo p t i m i z em ee l a s t i ca r m i s p r o m o t e d f i r s t l y ，m ea u m o ra i l a l y z e d 廿l es t m c t u r ea i l do p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h eh d d ， o b t a i l l e dt 1 1 ew o r k i l l gc o n d i t i o n so ft l l ee l a s t i ca r m t h e n ，m es i m p l i f i e d3 - dm o d e lo f m ee l a s t i ca mi sb u i l tw i ms 0 1 i d w o r k s2 0 0 5 i m p o r tt h e3 一dm o d e lt oa n s y ss o f t 、) l ，a r e a r e rm e s h e dm em o d e l ，m ef i i l i t ee 1 e m e n tm o d e l i sb u i l t m a k eas t l l l 曲【l r a la n a l y s i st o m ef i i l i t ee 1 锄e n tm o d e l ，m ea u m o rf o u n dt h e 丘e q u e n c i e so ft h ee l a s t i c 锄i i l m i c r o “v e a n dt l l en 咖r a l 仔e q u e l l c i e sw l l i c ha r ea r o u n dm ew o f k i n g 行e q u e n c i e sa n d t h em o d a ls h a p e so fm ee l a s t i ca r ma r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，m ea u t h o rm a l ( e sat h e o r e t i ca l l a l y s i s t on l ec a j l t i l e v 瓯 t l l r o u 曲 n e v v t o n sl a wo fm o t i o n ，t l l ec o n t i n u o u sm o d e lo ft l l ec a l l t i l e v e ri sb u i l t t h ea u t h o r d i s c r e t i z e st h em o d e lm r o u 曲l u m p e dm a s sm e t h o da i l ds u p p o s e dm o d a lm e t h o d ， a 1 1 a l y z e sm ed i s c r e t i z e dm o d e l 廿l r o u 曲i n n u e n c ec o e 伍c i e n t sm e m o d c o m p a r et h e r e s u l t so fm et w om o d e l s ；m eg e n e r a la 1 1 a l y s i sm e t h o do fn o n u n i f o mb e 锄si s o b t a i n e d t h e l lm ea u m o r 百v e se m p h a s i st ot h ea 1 1 a l y s i so ft l l ee l a s t i ca r r ni nm i c r o d i l i v e ， b u i l t st l l es i m p l i f i e dc o n t i 伽0 u sm o d e l ，a 1 1 a l y z e sm em o d e lw i mv i b r a t i o nt h e o t l l e n a t u r a l 丘e q u e n c i e sa n dm o d a ls h 印e sa r ed e d u c e d t h ea u t h o r b u i l t sd i s c r “z e dm o d e l s o faf e ws 讯l c t u r e so ft h ee l a s t i ca m l ，s i n m l a t e st h ei n n u e n c e so ft h es t n l c m r ew i t l l a n s y ss o f t w a r e t h ei n n u 饥c eo ft h e s es t r u c t u r e st om ew h o l ei sa i l a l y z e d i i a 黔s 下r a c t o nt h eb a s i so ft h e s ea n a l y s e s ，m ea u t h o rf i n dt h e m b i n e dd e s i g nm e t h o do f o d 或e db y 瓜i n u o 璐s y s t 锄氨s 饿l e 甜b yl 翻】p 舒撒a s s 燃o d e l 一缄睨d e db y f i l l i t ee l e m e n tm e t h o d ”t h e s et h r e es u b m e m o d sc o m p l e m e n te a c ho m e r t h u 曲t h e m e 饿o d ，像e 黼凌。r 擞a l y z 司s 氇es 锻l c & o f 搬ee l a s 畦ca 隧i 毅m i c 约巷是v e ，黢d p r o p o s e dm eo p t i m i z a t i o no b je c t sa i l dm e t l l o do f t h ee l a s t i ca mi nm i c r o d r i v e k e y w o r d s ：t h ee l a s t i ca m li nm i c r o d r i v e ，n a n 】r a l 行e q u e n c y ，m o d a ls h a p e ，1 瑚1 p e dm a s s m e t h o d ， s u p p o s e dm o d a lm e t h o d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型垂垒日期：加口，年3 月巧日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：缮 导师虢一日期：少口f 年j 月q 日 第一章绪言 第一章绪言弟一早三百。西 人类文明史的高速发展，把当今世界带入了一个信息化时代。无论是在科学 技术领域，还是在商场上，还是在现代化的战场上，信息无可置疑的重要性都越 来越明显。而和信息的处理、存储和传播直接相关的计算机技术，更是一日千里， 令人应接不暇。按照著名的“摩尔定律”，芯片上集成的晶体管数目每十八个月翻 一番，尽管没有理论上的依据，但至今为止摩尔定律还未被打破过，可见计算机 技术的发展已经超出了我们的想象，以惊人的速度发展着! 计算机的发展带动了一系列产业的发展，不止是集成芯片的发展速度很快， 和计算机相关的其他技术的发展速度也很惊人。尤其是作为信息的存储载体的外 部存储器的发展，更是令人眼花缭乱，数据存储领域从最开始的以穿孔纸带为介 质，发展到现在的以磁记录存储技术和光记录存储技术为主，其它各种存储介质 为补充的局面。磁记录存储技术从1 8 9 8 年诞生以来，已经跨越了一个世纪。作为 一门传统的存储记录技术，磁记录设备在消费电子领域和专业应用领域均有着广 泛，的应用。 1 1 硬盘技术的发展现状 信息革命的到来，各种信息的爆炸式增长，对硬盘存储技术提出了越来越高 的要求。使硬盘存储技术向着存储容量更高、数据存取速度更快、高性能价格比 的方向发展，大大推进了硬盘存储技术的发展。计算机硬盘是计算机系统中的重 要部件，是计算机系统中信息永久存储或半永久存储的海量存储设备之一，硬盘 担负着与内存互通信息的任务，在计算机的存储设备中使用率最高。因此，计算 机硬盘的质量好坏和功能强弱，直接影响着计算机系统运行速度的快慢和执行软 件的能力乜1 。硬盘作为计算机系统中唯一的机械部件，是一个高精密的机电一体化 产品，其性能好坏直接影响着计算机的整体性能，因此硬盘技术的发展成为推动 计算机发展的主要动力之一。近年来，传统硬盘技术的性能越来越高，新型硬盘 存储技术不断涌现。硬盘存储技术已经成为当前信息技术中最活跃的领域之一。 1 9 5 6 年9 月，i b m 公司的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统 i b m 3 5 0 ra m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t l l o do f a c c o 吼t i n ga n d c o n 仃0 1 ) 。这套系统的总 电了科技大学硕士学位论文 容量只有5 m b 共使用了5 0 个直径为2 4 英寸的磁盘。这些盘片表面涂有层磁 性物质，它们被晷起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。其磁头可以直接移动到 盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现r 随机存储。此款产品在那时主要 用于飞机预约、自动银行、医学诊断及太空领域”“1 。 硬盘的发展史可以由下罔1l “1 来说明： 图1 一l 硬盘发展史简图 1 9 6 8 年i b m 公司首次提出“w j n c h e s t e r ( 温彻斯特) ”技术，探讨对硬盘技术 做重大改革的可能性。1 9 7 3 年，i b m 公司发明并制造出第一台采用“n c h e s t e ， 技术的硬盘( 亦称温盘) i b m 3 3 4 0 。这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片盘片r 涂 有磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在个盒子罩面，磁头能从旋转的 盘片上读出磁信号的变化，这种技术就是现今硬盘的结构基础，i b m 公司叫它做 温彻斯特硬盘，今天高端硬盘容量虽然高达上百g b ，但它却仍然没有脱离“温彻 斯特”的动作模式“7 。 温彻斯特硬盘采用了一个了不起的技术，其精髓是：“密封、固定并高速旋转 的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘 第一章绪言 片直接接触”。可以想象，如果要提高存取数据的速度，硬盘的盘片就应该越转越 快。而这种使磁头在盘片上方“飞行”的非接触结构，使得盘片在提高速度的时 候，不必担心摩擦带来的灾难。但由于飞行速度极低，即使是灰尘大小的障碍物 也会造成存取信息的失败，甚至是磁盘系统硬件的损坏，所以就要考虑把盘片和 磁头密封在“干净”的环境里，以防止灰尘对硬盘的破坏。 1 9 7 9 年，i b m 公司发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提 高读写速度提供了可能田儿1 0 1 。 1 9 8 0 年，希捷( s e a g a t e ) 公司制造出了个人电脑上的第一块温彻斯特硬盘， 这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量5 m b ( 好在当时的操作系统体积相当小! ) 。 8 0 年代末期m m 对硬盘的发展做出了又一项重大贡献，即发明了磁阻磁头 m r ( m a 鲷e t or e s i s t i v e ) ，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片 的存储密度能够比以往2 0 m b 每平方英寸提高了数十倍。 1 9 9 1 年i b m 生产的3 5 英寸的硬盘使用了m r 磁头，使硬盘的容量首次达到 了1 g b ，从此硬盘容量开始进入了g b 数量级n 们n 。 1 9 9 9 年9 月7 日，m a ) 【t o r 宣布了首块单碟容量高达1 0 2 g b 的a t a 硬盘，从 而把硬盘的容量引入了一个新的里程碑。 2 0 0 0 年2 月2 3 日，希捷发布了转速高达1 5 0 0 0 r p m 的c h e e t a hx 1 5 系列硬盘， 其平均寻道时间只有3 9 m s ，此系列产品的内部数据传输率高达4 8 m b s ，数据缓存 为4 1 6 m b ，支持u 1 t r a l 6 0 ms c s i 及f i b r ec h a n n e l ( 光纤通道) ，硬盘外部数据传 输率提高到了1 6 0 m b 2 0 0 m b s 。希捷的此款c h e e t a l l x l 5 系列将硬盘的性能提高 到了一个新的里程碑。 2 0 0 0 年3 月1 6 日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，玻璃盘片 能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固性。另外玻璃材料在高转速时具有更高 的稳定性。此外d e s l ( s t a r 7 5 g x p 系列产品的最高容量达7 5 g b ，而d e s k s t a “o g v 的数据存储密度则高达1 4 3 亿数据位平方英寸，再次刷新了世界纪录口1 。 2 0 0 1 年，此时的全部硬盘几乎均采用g m r 磁头，该技术目前最新的为第四 代g m r 磁头技术。另外还有一种叫做t m r ( t u n n e l i n gm a 盟e t or e s i s t i v e ) 的磁 头技术，该技术是由t d k 公司采用t m r 薄膜试制成功的，并制造出了硬盘设备。 据悉，该t m r 磁头的再生输出以及面密度均与g m r 磁头相同。 2 0 0 2 年是真正意义上的伟大技术革命，i b m 的a f c 技术( 俗称“仙尘”) 真正 走向实用，打破了每平方米英寸1 0 0 g b 的存储密度极限。这也就意味着未来1 0 年内硬盘容量的提升不会再遇到什么大麻烦；串行a t a ( s 耐a la t a ) 技术走向实用， 电子科技大学硕士学位论文 各硬盘厂商纷纷推出同类产品。到2 0 0 3 年，s e r i a l a l a 已取代传统硬盘成为主流， 容量超过i o o g b 的硬盘迅速地走进了普通的p c 中“。 现在的硬盘1 竽储密度更是达到了每平方英寸一百个g b 以上的存储密度，主轴 转速也在不断的提高，硬盘的尺寸也向着微型化的方向发展，微硬盘的需求量明 显增大，同时，微硬盘技术的发展也是日新月异，微硬盘被称为是存储行业新的 春天。 1 2 硬盘的结构和工作原理 l2 l 硬盘的结构 虽然各个厂家生产的硬盘驱动器在型号、尺寸、存储容量以及工作效率和稳 定性上各有千秋，但是所有硬盘的结构都是相近的。硬盘由印刷电路板组件p c b a ( p n n t e dc l r 印1 tb o a r da s s c i n b l y ) 和头盘组件h a d ( h e a dd i s ka s s e m b l y ) 两大部 分组成，头盘组件主要包括：盘片、主轴组件、磁头驱动机构、磁头组件、。卜轴 驱动装霄及前置读写控制电路几个部分；印刷电路板组件则以控制电路为主，包 括磁头控制器、数据转换器、接口电路、以及对读写数据比较重要的缓存等几个 部分“，再加上外部的金属外壳与机体架就构成了整个硬盘驱动器，硬盘驱动器 的结构如图12 所示： 盘片主轴组件磁头组件 硬盘外壳磁头驱动机构 图l2 硬盘的内部结构 第一章绪言 1 2 2 硬盘的王作原理 概括地说，硬盘的工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据的。磁头 在读取数据时，将磁粒子的不屈极性转换成不同的电脉冲信号，蒋利用数据转换 器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据，写的操作正好与此相反。另外，硬 盘中还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而 设的。由于硬盘的结构比软盘复杂得多，所以它的格式化工作也比软盘要复杂， 分为低级格式化，硬盘分区，高级格式化并建立文件管理系统。 硬盘驱动器加电正常工作蜃，利用控制电路中的单片极初始化模块进行初始 化工作，此时磁头置于盘片中心位置，初始化完成后主轴电机将启动并以离速旋 转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片表面的0 0 道，处于等待指令 的肩动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号，通过前置放大控制电 路，驱动音圈电机发出磁信号，根据感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正 确定位，并将接收后的数据信息解码，通过放大控制电路传输到接口电路，反馈 给主机系统完成指令操作。在结束硬盘操作的断电状态，在反力矩弹簧的作用下 浮动磁头驻蟹到盘面中心潮，现在有些硬盘的磁头停靠在硬盘的枫架上专f 1 设计的 机构中，这样有利于硬盘驱动器的防震。 1 3 硬盘的关键技术 硬盘的发展已经历了三十凡个春秋，两真正超速发展还是进入九十年代之霜， 这十几年来硬盘容量从几十m b 跃至几百m b ，再到几g b 、十几g b ；到现在的几 十g b 、几百g 8 ；数据健输速率从1 0 m b p s 延 枣到几十m 印s ，现在更有上吾鹾晒s 和高达几百m b p s 的，这些性能的提高完全依靠近几年发展起来的各项新技术。 近几年发展起来的计算枫硬盘新技术主要有：磁头技术、p 戳涯薹技术、新型平 滑磁头加载卸载技术、窄磁道薄膜感应写入头技术、n o ，i d 磁道格式技术、循环 冗余校验( c r c ) 误差检测技术、精密伺服定位系统技术、s e a s h i e l d 电路保护设 计、s m a r t ( 自动监测分析报告) 技术、超低噪声磁介质技术、可编程多数据缓 存技术以及各种先进的接口技术等u 劓。这里我们仅简单介绍其中部分技术： 1 3 1 读写磁头技术 最早的磁头是采用铁磁性物质，磁头的感应敏感程度和精密度均不理想，因 5 电子科技大学硕士学位论文 此早期的硬盘单碟容量均非常低，硬盘的总容量就受到非常大的限制；1 9 7 9 年， i b m 发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可 能。传统的硬盘磁头是感应式的，读磁头和写磁头是一体的，感应式磁头对所感 应的磁场强度要求较大，限制了硬盘存储密度的进一步提高。 8 0 年代i b m 又发明了m r 磁头，m r 磁头是基于磁致电阻效应而工作来读取 数据的，写磁头还是用感应式磁头，读磁头则采用m r 磁头，m r 磁头能以更高的 实际密度记录数据，从而大大增加了硬盘容量、提高了数据吞吐率。 硬盘厂商在m r 磁头的基础上进一步研制出了g m r 磁头，其记录密度比m r 磁头更高，读取原理和m r 磁头一样，都是基于磁致电阻效应而工作的，只是g m r 磁头采用了巨磁阻材料，对磁场强度的要求更低，因此可以进步提高硬盘的存 储密度m 。 l - 3 2s m a r t 技术 s m a r t 盼全称是s e l f m o i l i t o r i n ga n a l y s i s 锄dr 印o r t i n gt e c h n 0 1 0 9 y ， 即“自监测、分析及报告技术”。s m a r t 监测的对象包括磁头、磁盘、 马达、电路等，由硬盘的监测电路和主机上的监测软件对被监测对象的运行情况 与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时， 会自动向用户发出警告，而更先进的技术还可以提醒网络管理员注意，自动降低 硬盘的运行速度，并把重要数据文件转存到其它安全扇区，甚至把文件备份到其 它硬盘或存储设备。通过s m a r t 技术，可以对硬盘潜在故障进行有效 预测，提高数据的安全性n 2 k 1 4 】。 1 3 3 滑行磁头技术 滑行磁头即指磁头组件中的s l i d e r ，以往大家的注意力大都放在存储密度或速 度两方面，对磁头结构关注不多。其实，在过去的二十几年间，磁头一直都随着 存储密度的提升而变小。1 9 8 0 年，硬盘使用m i n is l i d e r 磁头，其尺寸为4 o o 毫米 3 2 0 毫米o 8 6 毫米，重量5 5 o 毫克。19 8 6 年，业界开始使用体积减小到m i n is l i d e r 磁头7 0 的m i c r os l i d e r 磁头，它的重量大幅度减小至1 6 2 毫克。而1 9 9 1 年和1 9 9 4 年，所引入的两种n a i l os 1 i d e r 磁头再次将体积减小6 2 和5 0 ，重量最低只有 5 9 毫克。前一次结构变革发生在l9 9 7 年，引入的p i c os l i d e r 磁头将体积进一步缩 小到m i l l is l i d e r 的3 0 ，重量仅为1 6 毫克，今天我们所见到的各种硬盘大都是 6 第一章绪言 使用这种磁头。现在，日立带来的f e i l l t os l i d e r ( 毫微米级滑行读写磁头) 将磁头 技术引领到又一高峰。f e m t os l i d e r 的长宽高仅为o 8 5 毫米o 7 0 毫米0 2 3 毫米， 体积不到m i n is l i d e r 的2 0 ，重量更只有惊人的o 6 毫克。形象点说，f e m t os l i d e r 看起来就像一颗微小的盐粒。 毫无疑问，更小的体积有助于提高存储密度。我们知道，磁头接触面与磁颗 粒的大小和磁道间距成正比，以p i c os 1 i d e r 代替n a n o s l i d e r 为例，磁盘密度增加 了1 0 5 。而以f 锄t os l i d e r 代替p i c os l i d e r ，磁盘密度又可以获得6 5 的提升。 不过，f 锄t os l i d e r 最直接的优点还是其低功耗和可靠性，磁头的体积更小、重量 更轻，在寻道移动时耗费的电量更小，在总体功耗不变的前提下，实现更高的转 速就成为可能。再者，磁头的重量越轻，抗震性能就越强，可有效提升硬盘的可 靠性n 5 】。 1 3 4 磁记录垂直读写技术 目前主轴电机的转速已经达到了每分钟万转以上，再想提高已经不是太容易， 而在传统工艺的基础上，磁记录密度的提高也几乎到了极限。所以要增大硬盘的 容量，只有依靠新技术出现。在这种形势下，各厂商都加大研发的投入，使得新 技术的应用如雨后春笋般层出不穷，对垂直读写技术的研究已经取得了突破性进 展，此技术可大大提高硬盘的存储密度n 6 1 。 容量指标主要受限于磁盘的存储密度，更高的存储密度同样会让硬盘的持续 传输速率得到提升。目前在市场上竞争的多家硬盘制造商均是借助i b m 开发的 a f c 技术实现高容量的，但该技术目前也开始遇到瓶颈。s e a g a t e ( 希捷) 带来的“垂 直记录”技术通过对磁层、磁头的优化设计解决了此问题，一举将硬盘的存储密度 提高到每平方英寸1 t b 的水平，相当于单碟1 2 t b 的超高存储容量，满足未来5 年的实际需求不成问题。 磁记录垂直读写技术p m r ( p e 印e i l d i c u l a rm a 朗e t i c r e c o r d i n g ) ：目前硬盘所使 用的记录技术都是纵向或称水平磁记录l m r ( l o n 酉t l j d i n a lm a 盟e t i cr e c o r d i n g ) ， 每个存储位的磁极粒子平辅在一个平面上。虽然磁记录材料的不断进步支撑着硬 盘存储密度的前进，但极限已经越来越近，在相同的面积上加入更多的磁极粒子 虽然有助于提高存储密度，但也加大了平面排列的磁粒子之间的互斥干扰。因此 到最近，虽然容量可以进一步提高，但记录的质量则不能得到有效的保证。而采 用p m r 技术时，粒子的磁化方向是垂直( 相对于记录层) 的，通过一个新增的软 7 电子科技大学硕士学竹论文 磁底层以加大相邻粒子的磁耦合，从而有助于在保证记录质量的同时进一步提高 存储密度如图5 1 所示。 垂直磁记录技术改良了磁记录的整体结构。首先，不再采用环状磁头，而是 将其改造为“n ”型的单开头式样，磁头的n 极与s 极不再是直接发生作_ i j ，而是借 助一个额外的“软磁底层”进行。该软磁层位于磁盘磁介质层的下方，起到中介辅助 的作用，这样磁头的两个磁极和软磁层就构成了闭合的磁回路。此时，磁力线从 先前的水平分布变为垂直分布，与之对应，磁层磁颗粒的方向也必须朝垂直的方 向旋转9 0 度，好比是将长方体的磁颗粒“竖立”在盘片表面上。 这样，一个碰极位于磁盘表面，与磁头起读写作用的磁极交互。另一个磁极 则位十磁层的深处，与软磁底层交互。从结构上不难看出，磁颗粒的磁体部分实 际上都被埋藏起来了，这种结构产生了二个方向的增益。首先，裸露在表面的磁 极占据的面积非常小，无形之中磁颗粒密度将大大提高，存储密度自然随之增加； 其次，因磁体位于深处，表面热量很难影响整个磁体，受热升温速度大大减缓， 进一步缩小磁颗粒尺寸在技术上就成为可能；第三，磁颗粒分布的改变也将使磁 道的距离缩小。现有纵向记录技术的磁道间距般为5 0 0 纳米，改用垂直记录技 术后可将其缩小到1 0 0 纳米的水甲，无论哪个方向的增益都可大大提高存储密度， 更何况这三者是同时芨挥效h j 的。 存储数据酌碰颢粒层毽赫琏 敬磁底层 现有纵向记录技术 垂直记录拄丰 图5l 垂直读写技术示意图 这项技术由s e a g 砒e 主导，但首先将其应用在产品上的是东芝( t o s h i b a ) 2 0 0 4 年底发布的两款最新18 英寸硬盘，分别为m k 4 0 0 7 0 a l ( 4 0 g b ) 与m k 8 0 0 7 g a h ( 8 0 g b ) ，它们的单碟容量达到了4 0 g b ，磁记录密度达1 3 3 g b ，平方英寸；此外东 芝还计划在08 5 英寸硬盘上采用p m r 技术，从而将单碟容量提升到6 g b 至8 g b 。 第一章绪言 1 3 5 磁头二级定位技术 在磁头定位技术上，已经有人在进行双级控制技术的研究。双级控制的主要 思想是在磁头弹性臂上安装一个位移驱动装置，在音圈电机一级粗定位的基础上， 再加上一个二级定位，以实现磁头更精确的定位，二级定位技术不但需要更先进 的控制技术，更需要有支持二级定位的磁头弹性臂结构，以及合适的二级驱动器 件的设计制造，现在这项技术基本上还处在实验阶段，还没有成熟应用。 硬盘驱动器的音圈电机( v c m ) 的工作原理是根据通过它的电流的大小使线 圈移近或远离永久磁铁，它的移动量取决于通过它的电流的大小，这种方法的精 度很高，可以达到微米级的控制量，但是由于盘片引起的风扰，使驱动臂产生微 幅振动，读写磁头会偏离磁道轨迹，所以微硬盘磁头弹性臂的结构响应模式是目 前影响读写精度的主要因素口引。从9 0 年代开始，国外一些生产硬盘的大公司如 i b m ，迈拓，希捷等就开始了在现有的音圈电机一级定位的基础上，再设计一个驱 动器对磁头进行二级定位的研究，实际上就是另外设计一个回路对驱动臂的微幅 振动进行控制。 目前对二级定位用的微驱动器的研究主要有三个方案：第一，在弯曲梁或是 加载梁的部位粘贴以压电材料为主的驱动器，这样驱动器会带动整个驱动臂一起 运动，需要的功率比较大，且精度不是很高n 8 1 ；第二，利用半导体技术在读写磁 头和加载梁之间添加驱动器，这种方法精度比较高，美国希捷公司的m a g m a 微 驱动器就是基于这个技术n 引；第三，利用m e m s 技术在读写磁头内部设计一个微 驱动器旧0 1 ，但是由于驱动器的制作很困难，目前对它研究已经不是很多。考虑到 成本和可实现的难易程度，目前国外学者还是以研究压电微驱动器为主。 1 4 硬盘技术展望 硬盘被提到的最多的需求就是增大容量，在技术层面分析，典型的提高硬盘 性能的两个手段就是提高磁记录密度和提高主轴电机转速；微型硬盘的流行，朋r a 硬盘引入c q 技术，广泛的r a d 技术应用，以及桌面平台、企业平台两方面的新 接口制定进程一s a t a 2 及s a s 等技术的发展也为硬盘的广泛应用奠定了基础u 引。 硬盘的发展趋势是十分明显的： 2 5 英寸硬盘高速化移动设备硬盘要求低功耗、低振动、低噪音运行而这显 然与增加转速是一对矛盾。为此，小型硬盘的速度一直停滞不前，4 2 0 0 转长 9 电子科技大学硕士学位论文 期占据主流地位。不过，随着时间的推移，情况慢慢起了变化，首先，5 4 0 0 转的产品逐步被认可并成为主流，4 2 0 0 转虽然还有市场但已明显萎缩，而在 高端领域。使用更微小级别的滑行读写磁头( f e m t os l i d e r ) 技术代替p i c o s 1 i d e r ，磁头的体积更小、重量更轻，在寻道移动时耗费的电量更小，在总体 功耗不变的前提下可实现更高的转速，并有效提升了硬盘的可靠性嵋。 更小l 更大!这里说的是体积更小，容量更大。近年来，微型硬盘的确得到 了长足发展。在数字录影机、数字音乐播放器，以及便携式视频播放器等产品 中均可以找到它的身影。i b m 在1 9 9 9 年发布了容量为3 4 0 m b 的首个1 英寸 微型硬盘，到2 0 0 0 年容量增加到1 g b ，到目前为止，产品化的1 英寸微型硬 盘已经可以提供超过4 g b 的存储空间，而其盘体仅有5 分钱人民币硬币大小， 足以在各种小巧玲珑的消费电子产品上安家落户。与此同时，目前已经基本成 为移动硬盘标准配置的2 5 英寸笔记本硬盘的最大容量也达到了1 0 0 g b ，几乎 等同于目前主流台式机硬盘的容量。1 8 英寸硬盘虽然进入移动存储市场的时 间较晚，但却完美地调和了体积与容量之间的矛盾。1 8 英寸硬盘的容量约为 2 5 英寸硬盘的5 0 7 5 ，但是与2 5 英寸硬盘相比，厚度更薄、体积更小、 重量更轻。 1 5 微硬盘技术简介 在人们追求大容量和小体积的新时代中，闪存和传统硬盘均无法满足市场需 求，由超小型笔记本和数码相机领域发展过来的微硬盘，顺理成章地成为了最受 欢迎的角色，现在微硬盘除了在超小型笔记本和数码相机领域具有绝对优势以外， 在电子书、个人计算器、p d a 产品、m p 3 、数码摄录机、个人电脑、车载导航以 及一些电子教学设备中都有很大的应用潜力珏别。 尽管d v d 刻录机不断降价，但市场对之的接受度却不怎么高。至于闪存盘的 容量又太小，笔记本硬盘+ 硬盘盒体积又太大，因此，无论在移动存储、数码影音 还是数码摄录领域，微硬盘都有很大的发展空间。微硬盘还属于技术较高的产品， 没有一定的技术实力是没法制造出来的，价格相对也比较昂贵，所以直到现在各 硬盘厂商才来开发这块市场。 拥有种种优点的微硬盘，不仅能用于普通商业和家庭领域，甚至能为o e m 及 o d m 应用产品提供合作开发平台，未来的市场价值不可估量。凭借着高新科技而 1 0 第一章绪言 诞生的微硬盘，在多年发展后已经成熟，价格正在迅速地下跌，再也不是一种曲 高和寡的奢侈品，一定可以为存储科技开创更美好的未来。 1 5 1 微硬盘技术的优势 和其他存储设备相比，微硬盘的优点是非常显著的，这些优势也正是现在微 硬盘发展的动力，其优点主要有曙： 超大容量：微硬盘的盘片面积只有1 英寸，主流容量却达到了1 4 g b 级水平， 1 5 g b ( 1 英寸) 和6 0 g b ( 1 8 英寸) 的产品也已面世，无论是用作相机拍摄， 还是数据存储，都是绰绰有余的。 使用寿命长：采用比硬盘更高的技术来制作，保证了它的使用寿命，可反复擦 写3 0 万次以上，通常能稳定工作五年。 带有缓存：为提高数据传输率提供了重要的保证，一般产品都配有1 2 8 k b 容 量数据缓存。 无须外置电源：微硬盘的功耗极小，连接u s b 就可以用了，如果一个接口电 量不够，连接两个接口肯定o k ，直接解决了硬盘盒外加电源的麻烦。 高速传输：现在的微硬盘都有3 6 0 0 一4 2 0 0r p m 的转速，最快的已经达到4 5 0 0 r p m 。它们都拥有自动省电模式，能主动降低发热量，让微硬盘的高速可以更 持久，因此其数据传输率比普通硬盘低不了多少。 接口的广泛兼容性：微硬盘与普通硬盘一样，都兼容c f 卡、p c m c 执、u s b2 o 、 a 1 除并口等工业标准的多种硬盘接口，使其适用于多种手持装置。 u s b2 o 高速外部传输：u s b2 o 是现在兼容性最广的外部接口标准，能实现 4 8 0 m b p s 的传输速度，约为6 0 m b 秒的速度。 高防震性：由于微硬盘的特殊设计，它的防震能力比一般笔记本硬盘强许多， 其特殊的磁头载入载出技术，使抗冲击能力高达1 5 0 0 g ( 非工作状态) 和1 7 5 g ( 工作状态) 。不仅作为微硬盘m p 3 ，还可以为数码相机、手提电脑、掌上电 脑、g p s 及其它便携式设备提供可靠的存储性能。 1 5 2 微硬盘的结构分析 从外观上看，微硬盘很简单，可是打开微硬盘外盖，就会发现它的复杂程度 与硬盘不相上下，只是变成了缩微版。从产品的设计剖面图( 如图1 3 所示) 可 电子科技大学硕士学位论立 以看到，丽积大约一英、j ，高度只有5 毫米的微型硬盘中，具备了普通硬盘内部 的所有零什”。 微型硬盘是多层超薄漫计( 包括：底座、盖、电路板、防震层等) ，磁头 载入载技术，可以做到抗冲击能力高达1 5 0 0 g ( 非工作状态) 。底鹰和盖了经过 特别的防静电设计，值得注意的是，由于微茸_ ! 硬盘比较薄，防静电层只能阻隔一 定量的静电，我们在使_ 【； j 的时候也尽量消除手上的静电一去接触微型硬盘，小能 像拿普通硬盘_ j j | j 样。 153 微硬盘的发展现状 圉1 3 微硬盘的内部结构 微硬鼎有许多种英文名称，无论是m l c r o d n v e 还是m 姑l c s t o r ，只要是18 英 寸以下，拥有硬盘结构的存储设备，部可以称为微硬盘。不过，对于移动存储而 青，1 英寸以下的微崾盘，才具有真正的市场意义。 微硬盘的发展可以用图1 4 来表示，从图中我们可以看出从2 0 0 0 年以来， 微硬箍的存储容量稳步增加的趋势非常明显。微硬糯般都是单碟片的，说明微 硬盘的存储密度也在稳步增加。存储密度的增加同时带动了微硬盘其他技术的发 展，像何服控制技术、微硬盘磁头定位技术、通道技术、磁头读写技术等都得到 了充分发展。“。 现在角逐于微硬盘市场的厂家以及主要产品有： 第章绪言 i 、l b m 2 0 世纪6 0 年代m m 发明硬盘和相应技术以来，它一直就足磁存储领域的佼 佼者。t b m 决定以c f 标准为半台，研制以磁汜录为原理的移动存储介质产品，它 就足微硬盘( m l c r o d n v e ) 的束源。 受c f 托、准体襁和电气性能影响的关系，c f 标准并不适合儆硬甜。但随后c f a 发布了c f i i 标准，增人了c f 的体积空间，进一步改进丁c f 的电气性能，微硬 盘成功地搭载r 了c f i i 标准。 在微硬盘身上凝策了i b m 存储器技术方面的全部精华，其体秘与c f i i 型卡的 外形一模一样，却拥柏相当多的硬盘零什。川推出时，微硬盘仅有1 7 0 m b 的容量， 经过研制人员的不懈努力，现已将微硬盘的容量提高到4 g b 。 2 、h i t a c h i 日立 h 赢环球储存刊技公司( h 1 t a c h lg s t ) 收购f b m 硬 i f 部门后，白然也获得了 微硬盘技术，所以日立的砸衙也称为m 1 c r o d n v e ，并且继续在i b m 原有基础上继 续研发新产品。 2 0 0 32 0 0 42 0 0 5 剀1 4 微硬啦的发展过程 3 、t 0 s h i b a 东芝 尔芝是虽甲推m 小型硬盘的商，在微慢稿方面，当人们还在竟争1 英、j 微 硬盘市场时，东芝已经抢先一步过渡到o8 5 英寸领域e 。08 5 英、j 只相当于普通 电子科技大学硕士学位论文 邮票的大小。这款超微硬盘已正式获得英国吉尼斯世界纪录( g u i n n e s sw o r l d r e c o r d s ) 总部的认可，将以“世界最小的硬盘”称号载入目前正在编撰中的2 0 0 5 年 版吉尼斯世界纪录大全o 4 、希捷 老牌的硬盘厂商，推出了一款容量高达5 g b 的微型硬盘( 5 g bh d d ) ，不过 希捷并没有采用“m i c r o “v e ”来称呼这款产品。这款新产品的转速为3 6 0 0 转秒， 容量有2 5 g b 和5 g b 两种规格，采用了c f i i 接口，可以兼容市面上销售的大部分 数码相机，以及少部分p d a 掌上电脑等消费电子产品。 5 、c o r n i c e c o m i c e 是一间新兴公司，由前m a x t o r 首席技术宫k e v i nm a g e n j s 成立，其l 英寸微硬盘称为s e ( s t o r a g ee 1 e i l l e n