计算机硬盘的发展趋势及磁头磁盘表面的加工和改性研究进展

参考文献 （ 略）
如乞
但是， 时却增大了 它同 磁头载入时与 磁盘撞击的 几率． 陶瓷 动器 ＰＴ ｒａ ａｒ 压电 微驱 （ ｍｃ －ｕｏ对磁头 Ｚ ｉｏ ｃ ｔ）
的寻道精度和道密度的提高起到了很大的作用， 但前置信号芯片位于磁头支律份，改变了 其的动态 特性， 从而对磁头的飞行 特性和寻道稳定性产生了影响． 而飞行姿态的不稳定同 样将引 起磁头磁 盘 界面的摩擦和碰撞。
异常活跃 。
磁头／ 磁盘技术的发展要求磁头和磁盘的磨损在 “ 原子尺度” 。为达到此目 的，传统的磁头／ 磁盘 ／ 经向 截 （ａｕｌｄ ｏ／ ｏ ） 发展。 技术 该项 使 接触起停（ ｎ ｃ ｓｒ ｔ ， ） 近年来己 载入 出ｌｄ ｎ ａ 方式的 ｃ ｔｔ ｔｔｏ ＣＳ ｏ ａ ａ ｓｐ Ｓ 方式 磁头 盘之间 履 起停时的摩擦和磨损。 磁头不再通过与磁盘接触而在磁盘上方直接起飞，从而避免了
２ 表面亚纳米级加工 ．
２ ． １飞行特性与表面形状设计
磁头飞行特性以 及其赖以 飞行的气垫面形状的 研究是一个重要领域． 磁头在磁盘上飞行类似一 个空气轴承．随着飞行高度的降低， 使得润滑气体的稀薄效应越来越受到显著影响，并在研究磁头
浮动 特性时 不得不考虑气体分子 平均自 程 Ｍ ｌｕｒ ｎ ｅ ｈＭ Ｆ） 由 （ｏｃｌ Ｍ ａ Ｆ Ｐｔ Ｍ Ｐ ｅ ａ ｅ ｒ ａ， 的影响用努森数Ｋ ｅ ｎ
（ｉ ｒ ｓｄ ） ｌｅ组装而成。 每一种磁头特定对应于某种几何尺寸和动力学特性的悬臂． 通过悬臂在磁头／ 磁盘 之间施加一定的荷重力，该力的大小直接影响磁头／ 磁盘之间 摩擦力的大小。 组成盘片的多层膜组成从内到外为： 盘基、 底层、 衬层、 磁层、保护层和润滑层。 传统接触起 停式硬盘将盘片内 环表面处理成一定网纹结构的 起停区． 计算机硬盘在尺寸和存储量上发展很迅速． 如示，尺寸由８ 年代的 １ 时到现在的 １ 单片 ０ ４ 时， 存储量由１９ ．Ｇ ８ Ｂ到了７ Ｇ ， ５ 并逐步向１ ０ 发展。 Ｂ ０ Ｇ ０ Ｂ 显示自１ １ ９ 年开始， ９ 硬盘磁存储密度的复 合增长率以 每年６％的 ０ 速度上升， 在近三年里甚至达到 １ ％ 飞行高度随磁存储密度的升高而迅速 ０ 。 ０ 下降， 而磁头的飞行控制精度却不断提高， ０２ ２０ 年飞行高度已 降到了１ ｒ ，飞行控制精度控制在 ２ ｕ ｎ ３ 左右。可见，改进磁存储方式和降低磁头磁 盘间隙是磁存储密度迅速提高的主要因素。 ｒ ｕ ｎ 减小磁间隙的途径有两个： 一是减小保护膜和润滑膜的厚度： 二是降 低磁头 盘间的飞行高 磁 度。 前者促进了基于研究磁介质保护膜的制备技术和材料学研究：后者使磁头／ 磁盘从近接触读写 ｏａ ｒｏ ｉ） ｃ （ｏｉｉ ｒｏ ｉ） 准接触 （ｅ ｏｏｔｔ ｃｄｇ 至 接接 读写ｃ ｔｔ ｄｇ ｐ ｘ ｔ ｒｎ 向 ｒ ｍｙ ｅ ｄ ｇ ｃ 读写 ｐ ｕ －ｎｃｒｏ ｉ） 直 触 （ｎｃ ｅ ｒｎ 方向 ｓ ｄ ｃ ａ ｅ ｒｎ 乃 发展１ 也使得以 ３ １ ， 基于头 的 谧 表面与界面加工 、改性技术、控制技术和纳米摩擦学的研究变得 技术
续介质。随着磁记录的不断发展，头谧 间隙越来越小 （ 接近 １０ ／ 分子自由 １ 行程） 润滑气体的稀薄 ，
效应（ａｆｔｎ ｃ越来越显著。 是， （ ｒａｉ ｅｅ） Ｒ ｅｃｏ ｆ ｔ 于 在研究 ／ 头 盘界面润滑时需 要考虑分子平均自 程的 由 效应。 Ｂ ｒ ｏｅ首先考虑气体平均自由 ｕ ｄｒｒ ｇ ｆ 程的影响， 并基于Ｎｖ ｒｔ ｋｓ ａｉ－ｏ ｅ方程， ｅＳ ｃ 对一阶滑移边界条件进行 假设， 得出一阶修正的Ｒｙｏ ｓ ｅｎｌ 方程。 ｄ 其结果表明在低压缩数的 情形下， 承载能力的下降尤其显著。
硬盘 Ｈ Ｄ 信息的 （Ｄ ） 读写由 磁头和磁盘之间 速旋转运动实 磁头和磁盘构成一对运动副， 的高 现．
涉及高精度、高速度运动控制和定位、 微摩擦与磨损、 表面加工与改性等问 题． 硬盘的关键部分是
头Ａ 件 ｈ ｄｉ ａｅｂ， ） 它由 片 和头 （ａｓｃａｅｂ， ） 成。 Ｓ 若 ／ 组 （ ａｄｋ ｍｌＨ Ａ， 盘 组 堆ｈ ｄ ｋ ｍｌＨＡ构 ＨＡ由 ｅ ／ｓ ｓ ｙ Ｄ ｓ ｅ ｔ ｓ ｙＳ ａ ｓ 干组的磁头折片组 ｈ ｄ ｂ ａｅｂ， ） Ｈ Ａ则由 特性的 合（ ａｇ ａ ｓ ｍｌＨ Ａ组成，Ｇ ｅ ｉ ｌ ｙ Ｇ ｍ ｓ 一定 悬臂（ｓ ｎｏ） ｓ ｐ ｓｎ ｕ ｅ ｉ 和磁头
术的 迅速发展． 本文从摩擦学的角 度讨论了 硬盘系统相关的 与 基于磁头／ 盘表面与界面的微／ 纳米设计、 加工和改 性
技术与理论等领域的理论研究进展，并分讨论了飞行特性与表面形状设计的研究、非均质多组元表面纳米级抛光技 术、表面化学一机械抛光技术等的研究发展状况和目 前仍然存在的问 题。
１ ．硬盘系统的发展状况
当头／ 盘间隙降到 １ ｎ ０ ｍ以下时，努森数提高，有很多学者从气体分子运动论中的Ｂ ｌｍ ｎ 方 ｏｚ ａｎ ｔ 程出发， 推导出一个新的润滑方程来。 ｏｚ ａｎ Ｂ ｌｍ ｎ 方程作为稀薄气体动力学的基本方程， ｔ 描述了气体 分子的速度分布函 数， 但它是一个从统计力学出发的复杂的 积分方程， 不少学者对它进行各种简化 假设。
大致将气体润滑分为几个区域，当。 １ ＜．时，为滑流领域：当０ ＜ ｎ １ 时，为过渡领域； ． ＜ ｎ０ ＯＫ １ ． Ｋ ＜０ １ 当Ｋ ＞０ ｎ １ 时，为分子自由 流。由 于早期的 气膜较厚， 努森数较小， 故可将气流视为在滑流领域的 连
加 Fra Baidu bibliotekＩ
１ ２
多七汤全．心路常大全伦文盛
璧洲
２０ ０ ２年 ｅ刀
郊 七石全 ． 虑路 ，大全 论 克住
釜州
２ ２ 年 ａ月 ０ ０
一 邀谙叔告
计算机硬盘的发展趋势及磁头／ 磁盘表面的加工和改性研究进展
雄建斌 杨明楚 王亮亮
（ 华大 摩 清 学 擦学国 重 脸， 京１ ０ ） 家 点实 北 ０ ８ ０４
摘要：硬盘以其种种优势在科学领域和生活上越来越得到广泛地应用，同时也不断地促进了与其相关领域的科学技
现。
３ 磁存储、半导体的发展对机械学的新挑战 ．
硬盘和芯片技术的飞 速发展给相关研究领域都带来了层出 不穷的问题． 对材料学、 机械学、 摩
擦学 分子 力学 提出 强烈 挑 当 存储 度 到１ Ｇ／＇ 磁间 应 下降 和 动 等 了 的 战。 磁 密 达 ０ ｂｎ时， 隙 该 到８ ０ ｉ ｎ ｍ
左右， 那时， 磁盘保护层的厚度应降到２ 极尖缩进应从３ 下降到 １ ｒ， ｕ ｎ ｎ ｎ ，因此， ｍ 势必带来磁盘 ／ 磁的更多摩擦和磨损， 磁盘润滑分子的 流失加剧， 磁头飞行姿态的稳定， 磁介质的化学腐蚀问 题， 磁头、 磁盘的表面超精加工，分子尺度间隙的空气动力学模拟， 磁盘的高精度旋转控制与定位， 表 面微污染的危害等问 题。因此， 从表面改性技术与理论和表面纳米级加工与设计技术和理论两个方 面研究， 将对计算机磁头、芯片等半导体制造领域有重要的 价值和推动作用．
２ 非均质多组元表面纳米级抛光技术 ． ２ 计算机磁头是一个结构复杂的三维纳米结构。 每一层的厚度只有几个到几十纳米，要保证均匀 研磨是一个非常困难的问 题。如果加工不当就会使层与层之间发生短路， 使读头失去功能。若表面 粗糙度过大 （ａ０ ｎ ） 一方面划痕会破坏读头的结构， Ｒ？． ｍ ８ ， 使其丧失功能； 另外由 于飞行高度很低， 大的表面粗糙度或表面黑点会引 起划碟的现象， 破坏磁盘； 再之，由于磁头表面保护膜厚度已 薄到 ３ ，较大的表面粗糙度会造成部分区域的保护膜太薄或不能覆盖而导致腐蚀、元素扩散等问题出 ｎ ｍ