【毕业学位论文】硬盘磁头多元复合表面的超精密抛光机理研究-机械设计及理论博士论文

博士学位论文 硬盘磁头多元复合表面的超精密抛光机理研究 作者姓名：申儒林 学 科 专 业：机械设计及理论 学院（系、所） ：机电工程学院 指导教师：钟 掘 院士 中 南 大 学 2007 年 11 月 分类号 密级 博士学位论文 硬盘磁头多元复合表面的超精密抛光机理研究 of in of 作者姓名：申儒林 学 科 专 业：机械设计及理论 学院（系、所） ：机电工程学院 指导教师：钟 掘 院士 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2007 年 11 月 博士学位论文 摘要 I 摘 要 盘磁头基体部分是硬脆的 料，读写部分由很薄的多种金属 材料组成，其中最薄的金属层只有 1体结构复杂。磁头表面质量 如表面粗糙度、极尖凹陷（ ，是影响磁头面密度提高的重要因素。目前，硬盘磁头抛光技术为少数国外企业所掌握， 关于磁头抛光的可查文献资料很少。 掌握硬盘磁头抛光技术并且突破磁头抛光 技术的瓶颈在于对磁头抛光机理的深刻认识。因此，本文针对磁头表面粗 糙度、极尖凹陷等的形成与控制进行研究，开展的主要工作和获得的主要认识有： 1建立了 盘磁头抛光的实验系统，研究了磁头与抛光盘的相对运动轨迹，通过仿真计算，获得 优化参数的磁头运动轨迹。磁头和抛光盘的角速度关系应该满足： 12110 n. n=0， 1， 2， 否则磨粒运动轨迹重复或奇异，不利 于形成超光滑表面。研究了磁头与抛光盘的转速比同抛光均匀性的关系以及抛光机各运行参数对转速比的影响。 2磁头抛光是一种机械加工，在加工过程中，工件和抛光盘是一对相对运动关系复杂的摩擦副。运用摩擦学理论 ，分析了磁头抛光中工件与抛光盘之间的接触关系；研究了抛光液流场的 分布及其对“工件抛光盘面”接触应力场的影响；分析了抛 光中自由磨粒的运动规律和磨粒嵌入抛光盘的机理，发现抛光盘和工件的 转速比影响接触面速度场的分布，从而影响局部抛光液膜厚度的变化和粗糙峰承载力的变化， 并进一步影响磨粒在抛光盘表面的嵌入。 3研究了抛光压力、盘面形貌、抛光液中金刚石磨粒的粒径等参数对材料去除率的影响。针对自由磨粒抛光中的 单晶金刚石，建立了菱形磨粒抛光的材料去除统计模型，与抛光实验结果基本吻合。 博士学位论文 摘要 研究了纳米研磨的材料去除过程和亚纳米级光滑表面的形成机理。根据接触力学理论，嵌入盘面的金刚石磨粒与 抛光盘构成“球空腔”协调接触类型，不同于一般的赫兹接触， 由此建立了金刚石磨粒与抛光盘的“球空腔”协调接触模型，研 究表明抛光过程中磨粒在盘表面空腔中由弹性退让发展到塑性陷入， 其转变的临界值点决定磨粒对磁头表面材料的去除能力；提出纳米尺度研磨是以磁头表面非连续凸峰的去除为主体，不同于自由磨粒抛光和磨削是对整体表面层的去除。 5研究了 形成机理。发现自由磨粒抛光阶段 形成与抛光盘表面形貌参数、抛光压力、磨粒粒径、抛光盘转速等有关，合适的抛光盘表面粗糙度和微凸峰密度以及微凸峰曲率半径可以减小 采用中等粒度纳米金刚石抛光磁头表面，使磁头表面粗糙度 右下降到 原来的 10右下降到 除了表面黑点和划痕。 6研究了超声波在磁头抛光中的应用。在自由磨粒抛光阶段加入超声波，获得了更光滑的磁头表面，极 尖沉降明显降低，基体部分去除率由原来的 10nm/m 提高到 16nm/m。研究了超声波在抛光中的宏观和微观作用机理。 7在磁头机械抛光中引入化学作用，获得了亚纳米级的 除了抛光盘材料转移引起的磁头表面黑点，并保护极尖和 堆未受腐蚀。 关键词 硬盘磁头，抛光，纳米研磨，复合表面，极尖凹陷 (博士学位论文 he of of is or of of of it is nm or of MR is of as of of Up to of of by is To it is to of TR of in as 1. MR of in of to of of is to as 12110 n. n=0， 1， 2， a t be of be or of of of of of on 士学位论文 V 2. is a in to of of of it on of of in It is of of of of of of of of be in is 3. of of of on is On of in 4. of of to of a in is A At in in as of in in is by of It is of is in in is in a 博士学位论文 5. of TR in is to of of of TR be of of of of is ms is TR is 0nm or so by of 6. is TR of is 0nm/m 6nm/m. of 7. TR by MR 博士学位论文 目录 摘 要 . 一章 绪论 . 1 盘磁头及其特点 . 1 盘存储技术及磁头的发展历程 . 1 盘磁头多元复合表面的特点 . 4 盘磁头抛光机理的研究现状 . 6 盘磁头加工制造的基本过程 . 6 盘磁头抛光的研究现状 . 8 精密抛光普遍机理的研究现状 . 14 精密抛光技术概述 . 14 械抛光金属等延性材料去除机理的研究 . 14 械抛光陶瓷等硬脆材料去除机理 . 16 子动力学在机械抛光机理研究中的应用及其局限性 . 18 它能量用于超精密抛光的研究 . 19 题来源与研究目的及意义 . 21 文主要研究内容 . 22 第二章 磁头抛光实验机的运动学特性与各主要抛光要素的几何力学性能研究 . 24 光实验机的运动学分析 . 24 头相对于抛光盘的运动轨迹 . 25 头表面的均匀性抛光 . 28 盘磁头表面形貌及力学性能 . 37 光盘表面形貌及力学性能 . 39 光液及磨粒的特性 . 41 章小结 . 42 第三章 四个主要抛光要素相互作用关系的研究 . 44 盘磁头抛光的工艺过程 . 44 由磨粒抛光 (. 44 米研磨 (. 44 光盘磨粒的嵌入 . 45 光盘和工件的接触关系研究 . 45 博士学位论文 目录 光盘盘面粗糙峰的变形形式 . 45 件和盘面真实接触面积的估算 . 46 头抛光过程合适的膜厚比范围 . 48 光液流场和承载力的研究 . 49 计盘面粗糙度的抛光液流场分析 . 49 入盘面粗糙度的抛光液流场分析 . 53 光液膜的承载力分析 . 57 粒的运动模式和受载分析 . 58 由磨粒的运动模式 . 58 磨盘的磨粒嵌入工艺 . 61 粒嵌入机理 . 65 章小结 . 67 第四章 亚纳米级光滑表面的形成及 形成与控制 . 69 头自由磨粒抛光材料去除的研究 . 69 由磨粒抛光的材料去除方式 . 69 形磨粒抛光的材料去除模型 . 70 形磨粒材料去除模型的分析 . 74 米研磨材料去除的研究 . 76 米研磨的力学特点 . 76 米研磨的材料去除模型 . 79 头表面的极尖沉降 . 82 头抛光中的极尖沉降 . 82 尖沉降的形成机理 . 82 尖沉降的控制 . 84 由磨粒抛光中抛光参数对 影响 . 84 控制和消除 . 86 章小结 . 87 第五章 超声能和化学能在磁头抛光中的应用研究 . 89 械抛光的局限性 . 89 声波在硬盘磁头抛光中的应用研究 . 91 声波对磁头表面 响的实验研究 . 91 声波抛光的作用机理研究 . 92 盘磁头化学机械抛光的研究 . 96 学机械抛光机理 . 96 学机械抛光的实验研究 . 98 博士学位论文 目录 头抛光化学机械交互作用的研究 . 100 章小结 . 102 第六章 结论与展望 . 104 文总结 . 104 文具有创新意义的工作 . 106 究展望 . 106 参考文献 .定义书签。 致 谢 .定义书签。 攻读博士学位期间主要的研究成果（发表学术论文情况） .定义书签。 博士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 盘磁头及其特点 盘存储技术及磁头的发展历程 1956年9月50 其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域，从而成功地实现了信息的随机存储。容量只有 5盘片表面涂有一层磁性物质，叠放起来固定在一起绕着轴旋转。随后研究人员一直致力于提高该存储系统实用性的研究，1968年彻斯特/硬盘技术，温彻斯特技术的核心是：1、磁盘片密封固定并高速旋转；2、磁头沿盘片径向来回移动；3、磁头悬浮在高速转动的盘片上方而不与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。 1973年公司制造出第一台采用温彻斯特技术的硬盘， 为硬盘技术的发展奠定了正确的结构基础。 1979年进一步减小硬盘体积，增大容量，提高读写速度，提供了可能。20世纪80年代末期明了阻，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 图1盘存储面密度的增长趋势和磁头技术的发展历程1度比以往 991年硬盘的容量首次达到了1此硬盘容量开始进入了此硬盘容量进入了一个崭新阶段。图 1。 博士学位论文 第一章 绪论 2随着第一块硬盘的诞生，硬盘很快就以其稳定性高、存储容量大、读写速度快和价格合适等优势，受到人们的青睐。但其发展的历程也并不是一帆风顺，竞争对手如光存储器、半导体存储器发展迅速，使人们对磁记录的极限也数度产生悲观的预测，曾经人们预测磁记录的最大密度为 00在却已经能达到大约 近当时预测的100倍；而我们现在的预测是155 MB/近 ，3。鉴于对传统磁头抛光技术以及近场磁记录技术等的极限估计， 开始研发新型的“千足虫芯片”( 储技术，该芯片借鉴原子力显微镜探针 扫描的技术。原子力显微镜（ 探针针尖只有纳米级大小，当针尖在物体表面划过时，表面纳米级的凹凸不平可以通过针尖的上下起伏反映到数据处理终端，实现对表面形貌的纳米级评价；还可以操纵针尖，在物体表面刻出图案；甚至可以实现表面原子的移动。如果利用 针在一种介质上有规律的打上凹坑，形成特定图案的表面形貌，这就相当于数据的写入；然后再利用探针的扫描读出表面形貌的信息，这就实现了信息的读出。 早在原子力显微镜被发明后不久的上世纪 90 年代初， 尔玛登 （ 究中心的 在研究用 针在物体表面打出特定的表面形貌图案，探索其作为数据存取的可能性。他们开始使用单个的 针在旋转的聚碳酸酯（ 上写入信息，用这种方式，实现了当时划时代的 过进一步的 改进，把写入速度提高到 10MB/s，并实现寻道功能4，5。图 1 盘磁头读写原理3和一个 64*64（ 4096 枚针头）的千足虫芯片阵列读写原理4,5的对比示意图，前者依靠磁头感应硬盘片上的磁信息排列组合，而后者依靠悬臂探针生成和感应介质上的微凹坑排列组合。尽管 观地认为 远超过硬盘 155MB/是由于受材料、稳定性和其它关键技术的制约，仍然无法走出实验室，因此，硬盘存储技术在可以预见的未来仍然是不可替代的信息存储的主流技术。 图 1盘存储3和千足虫芯片读写原理示意图4,5作为主要高密度存储器件的硬盘，其体积迅速减小而容量按摩尔定律的方式稳步增长，进入90年代后，随着存储密度甚至以每年翻番a 第一章 绪论 3的方式增长，到目前为止，硬盘的 容量已经达到其最初容量的 1700万倍1。硬盘技术的发展使其应用领域不断扩大，已经从计算机发展到广泛应用于手机、摄像机、 盘、 透消费电子领域6,7。这一切得益于硬盘存储面密度的不断提高和单位存储价格的迅速降低，图 1，其价格直线下降。 图1盘单位存储价格的变化3图1在硬盘上，信息的存储和读写是通过飞行在硬盘片表面上的磁头，改变或感应盘片上磁畴的极性排列来实现的。写入信息时，需要通过写电流改变磁畴的极性排列；读取信息时，需要通过读电流感知磁畴的极性排列（图 1a） ）3。为提高信息的交换速度和信息容量，要求硬盘磁头响应速度要越快越好；存储容量越大越好。因此硬盘的头对运动速度极快（已到一万多转/分钟）的博士学位论文 第一章 绪论 4系统，由此带来的问题相继出现：速度如果太快，磁介质可能来不及翻转。要解决这一问题，要采用更高响应速度的磁介质，这就是 进步；要尽可能的提高磁介质的密度，要求磁畴越细越好，并且使其垂直排列，这就是垂直磁记录技术的发展3。而这些技术要求磁头和磁盘的相对高度 要足够小，以获得足够的磁力。飞行高度的降低和运行速度的提高带来的问题是：对头大划痕、黑点、平面度、磁头读写部位内陷深度（即极尖沉降或 要求也提高。图 1 ， 存储面密度超过 间距已经在 10右，要达到 155MB/间距只能在纳米量级，则极尖凹陷要尽可能消除，为防止头盘刮擦、相撞，磁头表面粗糙度则要求达到原子的维数，而原子维数的精度将成为传统磁头抛光技术的极限。 盘磁头多元复合表面的特点 （1）多元复合表面的定义 多元复合表面有两种概念，一是指两种或多种物质的晶体结构互相穿插，构成同一种物质， 比如 相陶瓷， 两种晶粒互相穿插， 可以起到细化 强韧性的作用，但是其表面的摩擦学特性会同时受到两相性质的影响。另一种情况是两种或多种物质通过溅射、蒸镀等技术合在一起，在纵向形成层状结构，各种材料同时露在表面，构成复合表面。该表面的摩擦学特性由于组成物质特性的差别而变得复杂。对于硬盘磁头，同一抛光平面上既有硬脆的 瓷材料，也有延性的软金属材料，因此两种概念的复合表面都存在。只有由于 硬度、弹性模量相近，在考虑机械抛光时可以忽略 同相的复合，而仅考虑通过溅射、蒸镀等技术合在一起的不同物质的区别， 但是， 如果考虑化学作用， 则不能忽略 图1头磁盘系统实物图 博士学位论文 第一章 绪论 5（2）头 横截面形貌及其工作状态示意图如图1，读写头与硬盘片信号记录区的感应高度包括磁头极尖凹陷(气垫面飞行 图1头结构及工作状态示意图8高度、以及盘片上润滑层和覆盖层的厚度，还要考虑盘片表面的粗糙度。盘片表面的粗糙度、覆盖层和润滑层厚度另有专门的研究，须控制在一极限范围之内。在研究磁头抛光时，我们将包括