具有用於頭-介質間距和接觸檢測的多個電阻溫度傳感器的頭換能器的製作方法

2023-04-25 19:53:46

專利名稱：具有用於頭-介質間距和接觸檢測的多個電阻溫度傳感器的頭換能器的製作方法
具有用於頭-介質間距和接觸檢測的多個電阻溫度傳感器的頭換能器

發明內容
本公開的實施例涉及ー種裝置，包括:頭換能器，配置成與磁性記錄介質交互；第ー傳感器，具有電阻溫度係數(TCR)且配置成產生第一傳感器信號；以及第ニ傳感器，具有TCR且配置成產生第二傳感器信號。第一和第二傳感器之一位於頭換能器上的與磁性記錄介質有關的接近點處或附近，且第一和第二傳感器中的另ー個遠離接近點。電路配置成組合第一和第二傳感器信號並產生指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者的組合傳感器信號。第一傳感器可包括正TCR和負TCR之一，且第二傳感器可包括正TCR和負TCR中的另ー個。根據其它實施例，第一和第二傳感器被布置成限定差分電阻溫度傳感器。電路被配置成組合第一和第二傳感器信號以產生指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者的差分信號。檢測器被配置成利用差分信號檢測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者。各種方法實施例包括在頭換能器相對於磁性記錄介質移動的情況下，利用具有電阻係數(TCR)的第一傳感器感測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者。方法還包括利用具有TCR的第二傳感器感測由於除頭-介質間距變化和頭-介質接觸以外的因素引起的溫度變化。由第一傳感器產生第一傳感器信號並且由第二傳感器產生第二傳感器信號。方法還包括利用第一和第二傳感器信號生成指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者的組合傳感器信號，以及利用組合傳感器信號檢測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者。在一些實施例中，第一傳感器可包括正TCR和負TCR之一,且第二傳感器可包括正TCR和負TCR中的另ー個。根據其它實施例，第一和第二傳感器被布置成限定差分電阻溫度傳感器。根據各實施例，裝置包括被配置成與磁性記錄介質交互的頭換能器以及由頭換能器支承的差分電阻溫度傳感器。該差分電阻溫度傳感器包括:第一傳感器，具有電阻溫度係數並且位於頭換能器的與磁性記錄介質有關的接近點處或附近；以及遠離第一傳感器的頭換能器的寫入元件。檢測器配置成利用由差分電阻溫度傳感器生成的差分信號檢測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者。根據其它實施例，裝置包括頭換能器，配置成與磁性記錄介質交互；以及加熱器，配置成致動頭換能器。傳感器位於頭換能器上且具有電阻溫度係數。傳感器配置成感測頭換能器和介質之間的接觸。檢測器耦合到所述傳感器和加熱器，且配置成基於傳感器的電阻變化和加熱器功率的變化利用檢測度量來檢測頭-介質接觸。檢測器度量可基於傳感器的電阻變化率和加熱器功率的變化率。例如，檢測度量可由AR/AP比來限定，其中AR是傳感器的電阻變化率，AP是加熱器功率的變化率。在一些實施例中，檢測器被配置成進行對A R/A P的就地直接測量。可鑑於下面的詳細描述和附圖來理解各實施例的這些和其它的特徵和方面。


圖1是根據各實施例包含TCR傳感器的加熱器致動的頭換能器布置的簡化側視圖；圖2是圖1中示出的加熱器致動的頭換能器布置的前視圖；圖3示出處於預致動配置和致動配置下的圖1和圖2的加熱器致動的頭換能器布置；圖4A示出圖1-3所示類型的加熱器致動的記錄頭換能器在頭換能器與磁性記錄盤的表面之間接觸之前、之中和之後的代表性溫度曲線；圖4B示出非熱致動的記錄頭換能器在頭換能器與磁性記錄盤表面之間接觸之前、之中和之後的代表性溫度曲線；圖5A和5B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖；圖6A和6B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖；圖7是根據各實施例的滑塊的一部分的示意圖，該滑塊在盤界面處相對於磁性存儲介質的表面支承頭換能器；圖8和9分別是示出因變於圖7所示的兩個TCR傳感器位置處的加熱器功率的溫度升高的圖；圖10是根據各實施例描繪串聯布置在頭換能器上用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的兩個TCR傳感器的等效電路的圖；圖11是示出圖10電路的電連接柱兩端的電壓因變於加熱器元件功率的代表曲線，具有顯然的接觸特徵；圖12示出根據各實施例的記錄頭換能器中兩個TCR傳感器的布局的代表示例；圖13是根據各實施例描繪並聯布置在頭換能器上用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的兩個TCR傳感器的等效電路的圖；圖14是根據各實施例示出圖13所示的等效電路的柱A和柱B兩端的電壓因變於加熱器元件功率的代表曲線；圖15示出根據各實施例的記錄頭換能器中並聯連接的電阻溫度傳感器的代表布局;圖16A和16B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖；圖17A是根據各實施例的布置在頭換能器上用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的兩個TCR傳感器的圖示；圖17B是根據各實施例描繪布置為差分電阻溫度傳感器的兩個TCR傳感器的等效電路圖；圖17C是根據各實施例支承記錄頭換能器和電阻溫度傳感器組件的滑塊的後截面的橫截面圖；圖18A-18D是根據各實施例說明電阻溫度傳感器組件的功效的多個圖，該電阻溫度傳感器組件利用差分電阻溫度傳感器提供改進的頭-介質接觸檢測和熱粗糙度檢測的信噪比；圖19和20示出根據各實施例的來自實驗的數據圖，其說明使用包括記錄頭換能器的一個電阻溫度傳感器和寫入器線圈的差分電阻溫度傳感器組件的功效；圖21是根據各實施例對於低調製或非調製頭-介質界面，用於檢測頭-介質接觸的方法的各過程的流程圖；圖22A是根據各實施例電阻溫度傳感器電阻與用於電阻溫度傳感器的加熱器元件功率的關係圖，該電阻溫度傳感器配置成提供基於非調製的度量，以供評估頭-介質間距並執行頭-介質接觸檢測；圖22B是根據各實施例用於評估頭-介質間距並執行頭-介質接觸檢測的基於非調製的度量的圖；以及圖23是根據各實施例基於TCR傳感器的電阻的變化率和硬碟驅動的該位置處的加熱器功率的變化率，測量檢測度量的ー種方法的電路圖。
具體實施例方式數據存儲系統一般包括對記錄介質讀取及寫入信息的ー個或多個記錄頭。經常希望使記錄頭與其相關聯的介質之間具有相對小的距離或間距。該距離或間距被稱為「飛行高度」或「磁頭-介質間距」。通過減小磁頭-介質間距，記錄磁頭通常更能夠將數據寫至介質和從介質讀出數據。減小磁頭-介質間距也允許勘察記錄介質形貌，例如檢測記錄介質表面的凹凸構造和其它特徵。根據各個實施例，並參見圖1-3，滑塊100被示為由懸置件101支承成緊靠在旋轉磁性存儲介質160的位置。滑塊100支承記錄頭換能器103和熱耦合至頭換能器103的加熱器102。加熱器102可以是電阻性加熱器，當電流流過加熱器102時該電阻性加熱器生熱。加熱器102不局限於電阻性加熱器，而是可包括任何類型的加熱源。由加熱器102產生的熱能導致頭換能器103的熱膨脹。該熱膨脹能用來減小數據存儲系統中的頭-介質間距107。要注意，在一些實施例中，可使用非熱致動器來減小頭-介質間距107。TCR傳感器105被示為位於頭換能器103上對磁性記錄介質160的接近點處。接近點一般被理解為頭換能器103與磁性記錄介質160之間最接近的接觸點。如前面描述地，頭換能器103的致動可通過熱致動器(諸如加熱器102)或其它致動器(例如寫入器)來實現。偏置功率被施加於TCR傳感器105以使傳感器105和磁頭換能器103的毗鄰部分的表面溫度上升為顯著高於磁記錄介質160的溫度。TCR傳感器105較佳地被配置成感測熱流的變化，以便檢測介質160的粗糙度以及磁頭-介質接觸。在2010年11月8日提交的共同享有的美國專利申請S/N12/941，461中給出了根據本公開各實施例的有關頭-介質間距和接觸確定的細節，該文獻通過引用納入於此。如圖3中繪出的那樣，在頭-介質接觸前，存在界定於熱磁頭表面和相對冷的盤160之間的氣隙107。頭換能器103、氣隙107和磁性記錄盤160界定了熱傳遞速率的ー個層面。當頭換能器103與盤160接觸時，例如在熱致動器或加熱器102的作用之後，頭換能器103和盤160的高導熱性材料之間的直接接觸顯著地增大了熱傳遞速率。如此，頭換能器103上的TCR傳感器105感測到溫度下降或溫度軌跡漂移，由此允許頭-介質接觸的檢測。圖4A示出在頭換能器103和磁性記錄盤160的表面之間接觸之前、之中和之後圖1-3所示類型的記錄頭換能器103的代表性溫度分布曲線。在此說明性示例中，溫度曲線被表示為穩態DC信號。當通過熱致動器102致動頭換能器103吋，頭換能器表面溫度將隨著源自熱致動器102產生的熱量的致動而增加。頭換能器溫度將高於盤160的溫度。由此，在此情景中，盤160充當散熱器。當頭換能器103接觸盤160吋，由於源自接觸的熱傳遞速率的變化，頭換能器表面溫度將下降。由於熱致動器發熱和摩擦發熱，頭換能器表面溫度將持續増加。溫度變化或溫度軌跡的漂移可用來宣告頭-介質接觸。圖4B示出由非熱致動器致動的記錄頭換能器103的代表性溫度分布曲線。在此示例性示例中，TCR傳感器105偏置功率將TCR傳感器自加熱至顯著高於盤160溫度的溫度。在此情景中，盤160充當散熱器。當頭換能器103朝向盤160向下致動時，熱傳遞速率逐漸増大，這導致TCR傳感器溫度的逐漸降低。當頭換能器103與盤160形成接觸時，熱傳遞速率將會改變，這造成頭換能器表面溫度漂移。頭換能器表面上的TCR傳感器105測量該溫度漂移以檢測頭-介質接觸。如果頭-介質接觸進ー步發生，則因摩擦生熱，溫度將最終升高。本公開的實施例涉及基於具有不同的電阻溫度係數(TCR)符號的兩個電阻性溫度傳感器來確定頭-介質間距並檢測頭-盤界面處的接觸的方法和裝置。本公開的實施例包括利用位於滑塊內的不同位置處的具有不同的電阻溫度係數符號的多個電阻溫度傳感器，分析傳感器的輸出並利用該輸出提供驅動操作條件的反饋。頭-介質接觸檢測和/或頭-介質間距感測技術對於硬碟驅動器的性能和可靠性是關鍵的。較高的接觸檢測可重複性實現較低的有效間隙，由此實現較高的記錄密度。較高的接觸檢測靈敏度減少磨損並提高可靠性。本公開的實施例利用兩個傳感器提供頭-介質接觸檢測和間距感測，其中一個傳感器具有正TCR，另ー個傳感器具有負TCR，這有利地消除了對任何額外電連接墊的需要。根據各實施例，方法包括利用兩個電阻溫度傳感器檢測頭-介質接觸，一個傳感器具有正TCR，另ー個傳感器具有負TCR。這些傳感器優選地嵌入在滑塊的不同位置中。例如，一個傳感器可定位在接近點附近，使得其響應對頭-介質間距的變化、頭至盤的接觸以及諸如加熱器引發的溫度升高和/或環境溫度波動之類的其它事件敏感。另ー個傳感器可定位成遠離接近點，使得其響應僅對諸如加熱器引發的溫度升高和/或環境溫度波動之類的事件敏感。由於兩個傳感器具有不同的TCR符號，具有電阻和TCR值的特定組合的兩個傳感器的組合輸出將僅包含頭-介質間距和/或頭至盤的接觸貢獻。因此，組合輸出可用於感測頭-介質間距變化和/或接觸事件而不需要額外的電連接墊。該技術不需要額外的電連接墊的事實對於簡化頭設計、降低成本和提高可靠性是有意義的。圖5A是根據本公開的實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖。在頭換能器包括相對於磁性記錄介質移動140的滑塊的情況下，方法包括利用第一 TCR傳感器感測142頭-介質間距和/或頭-介質接觸的變化，並產生第一傳感器信號。該方法還包括利用第二 TCR傳感器感測144由於除頭-介質間距和/或頭-介質接觸以外的因素引起的溫度變化。圖5A所示的方法還包括生成146指示頭-介質間距和/或頭-介質接觸的組合傳感器信號，並且利用組合傳感器信號檢測148頭-介質間距和/或頭-介質接觸。圖5B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖。在頭換能器包括相對於磁性記錄介質移動180的滑塊的情況下，ー種方法包括利用第一 TCR傳感器產生182指示頭換能器的接近點處的熱邊界條件的第一傳感器信號。該方法還包括利用第二 TCR傳感器產生指示由於除受熱邊界條件影響的因素以外的因素引起的溫度變化的第二傳感器信號。圖5A所示的方法還包括生成186指示頭-介質間距和/或頭-介質接觸的組合傳感器信號，並且利用組合傳感器信號檢測188頭-介質間距和/或頭-介質接觸。圖6A是根據本公開的實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖。在頭換能器包括相對於磁性記錄介質移動202的滑塊的情況下，利用第一 TCR傳感器感測204指示頭-介質間距變化的溫度變化。第一 TCR傳感器由頭換能器支承並經由固定數量的電連接墊(例如，2)連接206。該方法還包括利用第二 TCR傳感器感測208由於除頭-介質間距變化和接觸以外的因素引起的溫度變化，該第二 TCR傳感器也是經由固定數量的電連接墊(例如，2)連接的210。第一和第二 TCR傳感器具有不同的TCR符號，ー個為正且另ー個為負。該方法還包括組合212由第一和第二 TCR傳感器輸出的信號，以產生指示頭-介質間距變化和/或頭-介質接觸的組合輸出信號。利用組合輸出信號測量216頭-介質間距變化和/或頭-介質接觸。注意，在不增加214額外電連接墊的情況下實現基於溫度的頭-介質接觸和頭-介質間距變化測量。圖6B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖。在頭換能器包括相對於磁性記錄介質移動302的滑塊的情況下，該方法包括利用具有固定數量的電連接墊的第一 TCR傳感器優先地感測304頭換能器的接近點處的熱邊界處的溫度變化。該方法還包括利用第二 TCR傳感器優先地感測306除熱邊界外的溫度變化，該第二 TCR傳感器具有固定數量的電連接墊和與第一 TCR傳感器不同符號的TCR0由第一和第二傳感器輸出的信號用於產生308指示頭-介質間距變化和/或頭-介質接觸的組合輸出信號。如在以上圖6A所示的實施例中，在不增加310額外電連接墊的情況下實現基於溫度的頭-介質接觸和頭-介質間距變化測量312。圖7是根據本公開的實施例的滑塊100的一部分的示意圖，該滑塊100在盤界面處相對於磁性存儲介質160的表面支承頭換能器。圖7所示的示意圖可限定例如磁記錄硬驅動中的盤界面。在圖7中，假設盤以高RPM旋轉，並且記錄頭103離開盤160的表面幾納米飛行，且該間距由空氣軸承來控制。為了進一步使頭103更加接近盤160的表面，嵌入在頭103中的加熱器元件102被致動以在頭103中產生熱膨脹並減小頭-介質間距。由加熱器元件102和/或寫入器線圈生成的熱在頭換能器103中產生溫度升高。在接觸之前，熱量主要通過盤160和換能器頭103之間的空氣間隙107從頭換能器103傳導到盤160。隨著頭-介質間距減小且空氣壓カ增加，空氣間隙107的熱傳導增加。當頭換能器103接觸盤160時，熱傳導急劇增加。在頭換能器103接觸盤160之後，所導致的摩擦加熱將生成額外熱源。諸如加熱器元件加熱、寫入器線圈加熱、空氣軸承冷卻、盤冷卻和摩擦加熱之類的不同熱能傳遞機制的組合效應例如導致在頭換能器103的不同位置處因變於加熱器元件功率、寫入器電路、間隙和/或接觸事件的特徵溫度升高。通過測量因變於加熱器功率的溫度，可監控頭-介質間距和/或接觸事件。根據各實施例，並且繼續參考圖7，ー個TCR傳感器R1 (105)定位在接近點附近，且另ー個TCR傳感器R2 (106)定位成遠離接近點。使TCR傳感器R1 (105)定位在接近點處或其附近提供了對頭換能器103的接近點處的熱邊界處生成的溫度/溫度變化的優先感測。使TCR傳感器R2 (106)定位成遠離接近點(例如，頭換能器103/滑塊100的其它位置)提供了對從除接近點處或其附近以外的熱源生成的溫度/溫度變化的優先感測。在圖7所描繪的兩個TCR傳感器位置處的溫度升高的代表示例分別在圖8和9中示出。在因變於加熱器元件功率繪製的溫度曲線402中示出TCR傳感器R1 (105)的溫度升高A T10如在圖8中看到的，TCR傳感器も(105)的溫度升高在整個加熱器元件功率範圍內因變於加熱器元件功率而增加。當加熱器元件功率從20mW増加到80mW吋，由於空氣間隙107的熱傳導增加，該增加速率逐漸變慢。溫度曲線402示出在80mW至IOOmW之間的肩部403 (在由箭頭401指示的溫度曲線402上位置處開始)，這是因為由於接近和/或接觸效應引起的冷卻進ー步増加。在IOOmW之後，由於摩擦加熱而略微增加溫度升高速率。在圖9中示出TCR傳感器R2 (106)的溫度升高A T 2也因變於加熱器元件功率而增加，但不具有肩部(圖8中示出的403)，因為TCR傳感器R2 (106)對接近點處的熱邊界較不敏感。應理解，圖8和9中示出的溫度曲線僅用於說明目的。因為可從熱機模型精確地獲得頭換能器103中的溫度分布，所以可確定並優化兩個TCR傳感器凡(105)和R2(106)的位置。TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)的溫度變化A T丄和A T 2產生這些TCR傳感器的電阻變化，這可被表徵如下:R1=R1jO+RijOq iA Ti(I)其中aiiTCR傳感器R1 (105)的電阻溫度係數，且R1,。是TCR傳感器R1 (105)在環境溫度下的電阻。通過旋轉具有不同TCR符號的傳感器材料並且串聯或並聯地組合它們，可在不增加額外電連接墊的情況下產生接觸檢測信號。圖10是根據各實施例描繪布置在頭換能器上用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2(106)的等效電路500的圖。根據圖10所示的代表實施例，串聯連接具有不同的電阻溫度係數符號(即，一個傳感器為正且另ー個為負)的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)。給定電流I，兩個TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)兩端的電壓降給出為:V=I (RfR2) =I (R1。+ル Qa1AT j+R2 0+R2 0 a 2 A T2) (2)其中A T1和A T1分別是TCR傳感器R1 (105) R2 (106)的溫度變化，Q1和a2分別是TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)的電阻溫度係數，R1，。和R2,0分別是TCR傳感器R1 (105)和R2(106)在環境溫度下的電阻。通過選擇R1,。、a:、R2，。和a 2的適當組合,使得
R1Ja 丨 A TVR2ciCi2A T2=常數⑶對於接觸前的所有加熱器元件功率，即，對於在圖8和9中示出的說明性示例中小於60mW的加熱器元件功率，可放大由接近點附近的熱邊界條件變化形成的電阻變化。圖11是示出因變於加熱器元件功率Pms的圖10的電路500的柱A和B兩端的電壓V的代表曲線510，具有顯然的接觸特徵。電壓曲線510在約80mW開始的突然變化表示頭-介質接觸的開始。圖12根據各實施例示出記錄頭換能器103中的TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)的布局600的代表示例。在圖12所示的布局600中，TCR傳感器R1 (105)定位在接近點處Pc，且TCR傳感器R2 (106)定位成遠離接近點CP。在此說明書實施例中，兩個TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)經由線614和610串聯連接在電連接墊或柱602 (柱A)和606 (柱B)之間。示出線604和608分別連接到電連接墊602和606。圖12所示的布局600示出TCR傳感器R1(IOS)和R2(106)利用現有的線合併到記錄頭換能器，而不增加額外電連接墊。根據另ー個實施例，並且如圖13所示的等效電路700，並聯連接具有不同的電阻溫度係數符號(即，一個傳感器為正且另ー個為負)的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)。組合TCR傳感器R1 (105)和R2(106)兩端的電壓降給出為:V=IR=I (R1；0+Rlj0 O1AT1) (R2』0+R2』0 a 2 A T2)/ (R1； 0+R1； 0 O1AT !+R2j 0+^2,0 a 2 A T 2) (4)通過選擇も,。、aいR2，。和a 2的組合，使得Ct1A T j+ a 2 A T^a1A T1Ct2A T2=常數(5)並且 R1, Qa 丨 A TVR2ciCi2A T2=常數 (6)對於接觸前的所有加熱器元件功率級別，即，對於在圖13和14中示出的說明性示例中小於60mW的加熱器元件功率，可放大由接近點附近的熱邊界條件變化形成的電阻變化。可通過省略高階項hA T1Ci2A T2來釋放以上等式(5)限定的條件，因為大多數材料的TCR遠小於I。圖14是示出因變於加熱器元件功率的圖13的電路700的柱A和B兩端的電壓V的代表曲線720。在該代表示例中，Rlj0たR2j0且a I ^ a 2。圖15示出根據各實施例的在記錄頭換能器中並聯連接的電阻溫度傳感器的代表布局750。在圖15所示的布局750中，TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)並聯連接，且TCR傳感器も(105)定位在接近點Pc處，且TCR傳感器R2 (106)定位成遠離接近點CP。在此說明書實施例中，兩個TCR傳感器R1 (105)和R2(106)經由線764和760並聯連接在電連接墊或柱752 (柱A)和756 (柱B)之間。示出線754和758分別連接到電連接墊752和756。圖15所示的布局750示出TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)利用現有的線合併到記錄頭換能器，而不增加額外電連接墊。注意，串聯連接的電阻溫度傳感器布置性能略微好於並聯連接的電阻溫度傳感器布置。可用於根據本公開的實施例的TCR傳感器的構造的具有正電阻溫度係數的各種材料包括但不限於Cr、FeNi合金、Ni和W及其它。可用於根據本公開的實施例的TCR傳感器的構造的具有負電阻溫度係數的各種材料包括但不限於TaN、VO和VO2及其它。本公開的實施例涉及由於校準頭換能器溫度變化而提供增強的信噪比(SNR)的電阻溫度傳感器組件。本公開的實施例涉及由於利用現有的頭換能器電元件校準頭換能器溫度變化而具有增強的SNR的電阻溫度傳感器組件。例如，各實施例利用差分電阻溫度傳感器組件，包括記錄頭傳感器的電阻溫度傳感器和寫入器線圈，諸如用於BCR (超過接觸記錄Beyond Contact Recording)頭的寫入器線圈。與常規換能頭相比,BCR換能頭具有較小的空氣軸承特徵，以在後沿產生集中較高的空氣壓力。BCR換能頭具有低接觸調製。圖16A和16B是根據各實施例示出用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的方法的各過程的流程圖。根據圖16A，方法實施例包括相對於磁性記錄介質移動的頭換能器和利用差分電阻溫度傳感器832。圖16A所示的方法包括利用第一 TCR傳感器感測834頭-介質間距和/或頭-介質接觸的變化，並產生第一傳感器信號。該方法還包括利用第二 TCR傳感器感測836由於除頭-介質間距和/或頭-介質接觸以外的因素引起的溫度變化，並產生第二傳感器信號。圖16A所示的方法還包括利用第一和第二傳感器信號生成837差分傳感器信號，並且利用差分傳感器信號檢測838頭-介質間距和/或頭-介質接觸。根據圖16B，方法實施例包括相對於磁性記錄介質移動的頭換能器和利用差分電阻溫度傳感器842。圖16B所示的方法包括利用TCR傳感器感測844頭-介質間距和/或頭-介質接觸的變化，並產生第一傳感器信號。該方法還包括利用頭換能器的寫入元件感測846由於除頭-介質間距和/或頭-介質接觸以外的因素引起的溫度變化，並產生第二傳感器信號。圖16B所示的方法還包括利用第一和第二傳感器信號生成847差分傳感器信號，並且利用差分傳感器信號檢測848頭-介質間距和/或頭-介質接觸。根據各實施例，並且參考圖17A-17C，電阻溫度傳感器組件808利用差分電阻溫度傳感器提供頭-介質接觸檢測和熱粗糙檢測的改進SNR。圖17A是根據各實施例的布置在頭換能器103上用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2(106)的圖示。更具體地，根據各實施例，在圖17A中示出的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2(106)優選地布置為頭換能器103上的差分電阻溫度傳感器組件808，用於檢測頭-介質接觸和/或頭-介質間距變化。在圖17A中，TCR傳感器R1 (105)定位在頭換能器103的接近點Cp附近，第二 TCR傳感器R2(106)定位成遠離接近點CP。如以上討論的，使TCR傳感器R1 (105)定位在接近點處或其附近提供了對接近點Cp處的熱邊界處生成的溫度/溫度變化的優先感測，而使TCR傳感器R2 (106)定位成遠離接近點提供了對從除接近點Cp處或其附近以外的熱源生成的溫度/溫度變化的優先感測。圖17B是描繪布置為差分電阻溫度傳感器組件808的兩個TCR傳感器R1 (105)和R2 (106)的等效電路850的圖。在圖17B所示的代表實施例中，兩個TCR傳感器R1 (105)和R2(IOG)優選地具有相同的電阻溫度係數符號(即，均為正或均為負)。在一些實施例中，圖17B所示的差分電阻溫度傳感器組件808可具有作為活端子的中心抽頭，而不是耦合到地。差分電阻溫度傳感器組件808提供對接近點Cp處的熱邊界條件中(利用TCR傳感器R1 (105)測量的)和遠離接近點Cp的位置處(利用TCR傳感器R2 (106)測量的)的差的感測。由圖17A-17C所示的差分電阻溫度傳感器組件808產生的差分信號通過去除由加熱器元件和環境產生的背景來改進接觸檢測SNR。注意，在差分信號放大之前應消除共模噪聲。進行實驗，以證明差分電阻溫度傳感器組件808的功效。在一個實施例中，且參考圖18A-18D，遠離接近點Cp定位的一個電阻溫度傳感器R2 (例如，TCR傳感器R2 (106))的電阻關於加熱器元件功率線性改變。在圖18C中能看到傳感器R2的線性電阻響應。定位在接近點Cp的另ー個電阻溫度傳感器R1 (例如，TCR傳感器R1 (105))的電阻關於加熱器元件功率非線性改變。在圖18B的圖中能夠看到傳感器R1的非線性電阻響應。利用來自傳感器R1和R2的輸出生成的差分信號在圖18C的圖中示出，其清楚地顯示頭-介質接觸特徵。能夠看到，如果在80mW下宣告頭-介質接觸事件，則摩擦力相對較低(例如 IOmgf),如圖18A的圖中看到的。根據ー些實施例，並且繼續參考圖17A-17C，差分電阻溫度傳感器組件808包括一個電阻溫度傳感器和包含TCR材料的頭換能器的另ー個組件，諸如頭換能器(例如，BCR頭換能器)的寫入器線圈、讀取器或不活動的加熱器。諸如TCR傳感器R1 (105)之類的電阻溫度傳感器定位在接近點Cp上，ニ寫入器線圈、讀取器或不使用的加熱器(由傳感器R2 (106)表示)位於遠離接近點的典型位置。在證明該差分電阻溫度傳感器配置的功效的實驗中，在180Hz下調製電阻溫度傳感器的加熱器元件，並且鎖定放大器用於讀取電阻溫度傳感器和寫入器線圈兩端的電壓降的差。電阻溫度傳感器被偏置在164 y A，且寫入器線圈被偏置在Iii A，以確保在頭-介質接觸前差分響應平坦(即，在該示例中，對於50mW和80mW之間的加熱器元件功率是平坦的)。圖19和20示出來自實驗的數據圖，其說明使用包括記錄頭換能器的一個電阻溫度傳感器和寫入器線圈的差分電阻溫度傳感器組件的功效。圖20中的曲線880是電阻溫度傳感器和寫入器線圈之間的電壓降變化差因變於加熱器元件功率。圖19中的曲線870是同時測量的摩擦カ曲線。包括記錄頭換能器的電阻溫度傳感器和寫入器線圈的差分電阻溫度傳感器布置的實施例有利地提供提高的頭-介質接觸檢測SNR，而不需要増加任何額外的結構或墊。圖17C是根據各實施例支承記錄頭換能器和電阻溫度傳感器組件的滑塊800的後截面的橫截面圖。在圖17C中，滑塊800包括空氣軸承表面801，其面向相鄰的磁性記錄介質(未示出)的表面。滑塊800支承記錄頭換能器805，該記錄頭換能器805包括讀取器810和寫入器820。用於讀取器810的加熱器812可被致動以致使讀取器810朝向記錄介質的表面突出，從而在讀取操作期間減少其間的分離。寫入器820包括電感耦合到ー組或多組線圈821的寫入磁極824。用於寫入器820的加熱器822可被致動以致使寫入器820朝向記錄介質的表面伸出，從而在寫入操作期間減少其間的分離。在圖17C的圖示中，示出三個電阻組件。電阻組件105和106定位在ABS801上，並且電阻組件809定位成遠離ABS801。儘管在圖17C中示出這些三個電阻組件，但並不需要全部三個，而是出於各實施例的說明而包括。根據ー些實施例，電阻組件105和106是TCR傳感器，且基準電阻器809可能不存在。在這種情況下，當使用讀取器810的加熱器812吋，TCR傳感器105比TCR傳感器106更接近該接近點。結果，TCR傳感器105是活動的，且TCR傳感器106距離接近點更遠並充當基準。當使用寫入器820的加熱器822吋，TCR傳感器106比TCR傳感器105更接近該接近點，並且在使用寫入器加熱器822期間是活動的。在這種情況下，TCR傳感器105更遠離接近點並且充當基準。根據包括利用遠離ABS定位的基準電阻器809的實施例，僅ー個ABSTCR傳感器可能存在。在圖17C所示的配置中，TCR傳感器105優選地存在(而TCR傳感器106可能不存在)，因為在該示意圖中TCR傳感器105與基準電阻器809共面並且可在相同的沉積和蝕刻步驟中形成，意味著TCR傳感器105是兩個TCR傳感器105和106中更實用的。本文描述的各實施例包括基於冷卻事件的接觸檢測，其中該介質比頭換能器更冷。這一般適用於較高的TCR傳感器偏置值和傳導的介質襯底，使得TCR傳感器比介質更熱。根據其它實施例，界面處的頭換能器表面溫度可通過降低TCR傳感器的偏置功率並且根據需要使用頭換能器中的非熱致動器而下降為顯著低於介質溫度。該方法提供改進的摩擦發熱檢測，這可用來宣告頭-介質接觸。這ー方法尤其適用於傳導較差的介質襯底，諸如玻璃。用於檢測頭-介質接觸的常規方法通常包括測量來自電阻溫度傳感器的AC信號，認為該信號是有頭調製引起的。濾掉DC信號，因為認為它不具有足以用於檢測頭-介質接觸事件的信噪比。對於大多數(如果不是全部的話)當前先進的空氣軸承(AAB)實現，已經證明該常規方法在檢測頭-介質接觸方面是有效的。然而，目前很大努力被用在開發用於接觸的界面或超越接觸記錄(BCR)以滿足不斷減小頭-介質間距以實現較高的面密度的目標。這些界面的關鍵特徵是在頭-介質接觸處非常微小的調製。這種頭-判界面對當前的接觸檢測方法(包括採用電阻溫度傳感器的那些方法)造成很大挑戰。因為目前在用於熱粗糙檢測的頭上使用電阻溫度傳感器，非常期望下一代驅動能使現有的配備有電阻溫度傳感器的頭適用於低調製界面。本公開的各實施例涉及基於非調製的頭-介質接觸檢測裝置和方法。基於與電阻溫度傳感器相關聯的電阻和功率的關係的變化評估根據各實施例的頭-介質接觸檢測，而不是檢測基於空氣軸承或基於頭的調製。出於之前討論的原因，已經發現電阻溫度傳感器是特別有用的頭-介質接觸檢測傳感器。電阻溫度傳感器本質上是極尖上的熱敏電阻器。電阻溫度傳感器測量由來自空氣壓力、間隙和接觸的所有熱條件變化及其它變化引起的溫度變化。圖21是根據各實施例對於低調製或非調製頭-介質界面，用於檢測頭-介質接觸的方法的各過程的流程圖。利用相對於磁性記錄介質移動並且限定其間的低調製或非調製頭至介質界面的頭換能器900，方法實施例包括利用加熱器致動903頭換能器並且利用TCR傳感器感測904頭換能器和介質之間的接觸。該方法還包括基於TCR傳感器的電阻變化和加熱器功率變化產生906檢測度量，並且利用檢測度量來檢測908頭-介質接觸。根據各說明性實施例，電阻變化(AR)與功率變化(AP)之比AR/AP提供了用於評估頭-介質間距並執行頭-介質接觸檢測的基於非調製的度量。度量AR/AP隨著減小頭至介質的間隙而線性減小。檢測到與AR/AP線性度和最小值的背離致使頭-介質接觸和頭-介質導致的冷卻和摩擦加熱。這ー方法不依賴於用於接觸檢測的AAB調製。實驗已經證明根據本公開的實施例的頭-介質間距和接觸檢測對於使用先進空氣軸承和超越接觸記錄AAB的實現非常有效。對於空氣軸承，頭換能器冷卻效率隨著由於熱傳遞效率増加引起的間隙減小而改迸。當頭換能器接觸介質時，頭換能器冷卻效率達到最大值，因為介質提供對頭換能器的有效熱吸收。根據本公開的實施例，可通過監控不是由頭調製引起的界面冷卻效率來檢測頭-介質接觸。來自電阻溫度傳感器的DC信號受基於加熱器元件的加熱支配。由界面冷卻-加熱導致的電阻變化僅表示由電阻溫度傳感器的加熱器元件導致的一部分。一般難以基於電阻測量確定地知曉哪裡發生頭-介質接觸，正如圖22A所示的圖中看到的。圖22A是電阻溫度傳感器電阻與加熱器元件功率的關係的圖902。頭至盤界面(HDI)冷卻條件的一個測量是對於加熱器功率的溫度升高率，或AR/A P。AR/AP隨著較好的冷卻條件而減小。A R/A P在頭-介質接觸時達到最小值。AR/A P在頭-介質接觸後由於摩擦加熱而再次増加。可通過監控度量AR/AP而不是頭調製來檢測頭-介質接觸。進行實驗以驗證將A R/ A P用於頭-介質接觸檢測的功效。該實驗包括利用合併了電阻溫度傳感器的BCR AAB頭。利用來自源計量表的固定電流偏置電阻溫度傳感器。通過相同的計量表測量傳感器電阻。利用源自第二源計量表的電壓施加加熱器元件功率。同時利用相同的計量表測量功率。與電阻溫度傳感器測量同時進行臂電子(Arm electronics)RMS0在圖22B中示出用於實驗的度量AR/AP的圖。在圖22B中能夠看到AR/AP(圖912)的值線性向下直到它達到最小值，在圖22B中示為最小值，然後開始增加。A R/AP在其達到最小值Min之前首先背離(下降)線性趨勢910。該特徵指示由開始頭-介質接觸導致的冷卻。最小值點Min指示完全頭-介質接觸，並且通過摩擦生成熱量。應意識到，利用DC電流執行精確的直接電阻測量對於驅動電子而言是有挑戰的。例如，由接ロ加熱和冷卻條件變化導致的傳感器電阻變化通常小於其平均電阻的約10%。考慮到典型驅動中的模數轉換器(ADC)的解析度是8位，將難以直接以小於0.01歐姆精確度測量電阻。參考圖23，根據各實施例的ー種方法包括直接在硬碟驅動中測量AR/AP。這種方法使用模擬開關作為調製器來調製加熱器元件功率，並使用相敏檢測器(PSD)鎖定頻率以檢測來自電阻溫度傳感器的電阻變化。可通過圖23所示的代表電流1000實現的方案來實現A R/A P的直接測量。在圖23所示的實施例中，模擬開關1004耦合到加熱器元件1008的功率電路1006。硬碟驅動中的加熱器元件功率與DAC計數成比例，示為對模擬開關1004的輸入1001。如果加熱器元件功率電路1006的輸入1005以固定頻率在輸入1001上的直接DAC輸入和第二輸入1002上自DAC輸出1001的偏移A V之間切換(例如，經調製)，則加熱器元件功率將在P和P-DP之間調製。經由前置放大器1022耦合到電阻溫度傳感器1020的相敏檢測電路1024可用於測量調製頻率下的電阻溫度傳感器響應，它可以是由該A P導致的AR。通過脈衝調製加熱器元件1008並使用PSD裝置1024測量電阻溫度傳感器響應顯著降低A R/ A P上的噪聲。因此，通過監控電阻溫度傳感器1020 (優選地是位於接近點上或其附近的TCR傳感器)的A R響應來檢測頭-介質接觸。調至頻率可高達超過IOkHz，並且對A R的測量可非常快地以高精確度完成，因為它不受加熱器元件時間常數的限制。其它實施例涉及利用交流驅動加熱器元件1008。例如，可通過適當地配置加熱器元件功率電路1006的DAC，諸如通過編程DAC的軟體，在期望的頻率(例如， 50kHz至 80kHz)下利用交流驅動加熱器元件1008。檢測電路1024可被配置成在驅動加熱器元件1008的交流頻率下測量電阻溫度傳感器響應。加熱器振蕩的軟體控制提供増加的靈活性以指定施加到加熱器元件1008的波形。這允許使用各種波形來驅動加熱器元件1008，包括能夠增強接觸檢測信號的方波、正弦波、三角波或其它波形。最後，將理解，儘管在前述的描述中與各實施例的結構和功能的細節一起闡述了各實施例的很多特徵，但是，此詳細描述只是說明性的，並且可以在細節上作出更改，特別是在表達所附權利要求的術語的廣泛的一般含義所指出的完整範圍內在各部分的結構和布局方面作出更改。
權利要求
1.一種裝置，包括: 頭換能器，配置成與磁性記錄介質交互； 第一傳感器，具有電阻溫度係數(TCR)且配置成產生第一傳感器信號； 第二傳感器，具有TCR且配置成產生第二傳感器信號； 所述第一和第二傳感器之一位於所述頭換能器上的與磁性記錄介質有關的接近點處或附近，且所述第一和第二傳感器中的另ー個遠離所述接近點；以及 配置成組合所述第一和第二傳感器信號並產生指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者的組合傳感器信號的電路。
2.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於: 位於所述接近點處或附近的傳感器被配置成生成具有指示所述接近點處的熱邊界條件的主要信號分量的傳感器信號；以及 遠離所述接近點的傳感器被配置成生成具有指示由於除受熱邊界條件影響的因素外的因素引起的溫度變化的主要信號分量的信號。
3.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於: 位於所述接近點處或附近的傳感器被配置成生成具有指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸的主要信號分量的傳感器信號；以及 遠離所述接近點的傳感器被配置成生成具有指示由於除頭-介質間距變化和頭-介質接觸外的因素引起的溫度變 化的主要信號分量的信號。
4.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於，包括配置成致動頭換能器以使位於所述接近點處或附近的傳感器朝向介質移動的加熱器。
5.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於: 所述第一傳感器包括正TCR和負TCR之一；以及 所述第二傳感器具有正TCR和負TCR中的另ー個。
6.按權利要求5所述的裝置，其特徵在於: 所述第一和第二傳感器中的每ー個耦合到固定數量的電連接墊；以及所述電路被配置成測量頭-介質間距變化和檢測頭-介質接觸中的一者或兩者，而不增加額外電連接墊。
7.按權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述第一和第二傳感器串聯連接。
8.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述第一和第二傳感器被布置成限定差分電阻溫度傳感器。
9.按權利要求1所述的裝置，其特徵在於: 所述第一和第二傳感器被布置成限定差分電阻溫度傳感器；以及所述電路被配置成組合所述第一和第二傳感器信號以產生指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者的差分信號。
10.按權利要求9所述的裝置，其特徵在幹，還包括檢測器，配置成利用差分信號檢測所述頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者。
11.按權利要求8所述的裝置，其特徵在於，還包括: 加熱器，配置成致動頭換能器以使位於所述接近點處或附近的傳感器朝向介質移動； 其中所述電路被配置成減去所述組合傳感器信號中指示所述加熱器對所述組合傳感器信號的影響的分量。
12.按權利要求8所述的裝置，其特徵在幹: 位於所述接近點處或附近的傳感器響應於所述接近點處或附近的溫度變化產生非線性傳感器信號；以及 遠離所述接近點 的傳感器響應於遠離位置處的溫度變化產生線性傳感器信號。
13.一種方法,包括: 在頭換能器相對於磁性記錄介質移動的情況下: 利用具有電阻係數(TCR)的頭換能器的第一傳感器感測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者； 利用具有TCR的第二傳感器感測由於除頭-介質間距變化和頭-介質接觸以外的因素引起的溫度變化； 由所述第一傳感器產生第一傳感器信號並且由第二傳感器產生第二傳感器信號； 利用所述第一和第二傳感器信號生成指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者的組合傳感器信號；以及 利用組合傳感器信號檢測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者。
14.按權利要求13所述的方法，其特徵在幹: 感測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者包括在頭換能器的與磁性記錄介質有關的接近點處感測熱邊界條件；以及 感測由於其它因素引起的溫度變化包括在遠離所述接近點的位置感測溫度。
15.按權利要求14所述的方法，其特徵在於: 所述第一傳感器信號包括指示所述接近點處的熱邊界條件的主要信號分量；以及所述第二傳感器信號包括指示由於除受熱邊界條件影響的因素外的因素引起的溫度變化的主要信號分量。
16.按權利要求13所述的方法，其特徵在於，還包括致動所述頭換能器以使所述第一傳感器朝向所述介質移動。
17.按權利要求13所述的方法，其特徵在於: 所述第一傳感器包括正TCR和負TCR之一；以及 所述第二傳感器具有正TCR和負TCR中的另ー個。
18.按權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述第一和第二傳感器被布置成限定差分電阻溫度傳感器。
19.一種裝置,包括: 頭換能器，配置成與磁性記錄介質交互； 由所述頭換能器支承的差分電阻溫度傳感器，且包括: 第一傳感器，具有電阻溫度係數並且位於頭換能器的與磁性記錄介質有關的接近點處或附近；以及 具有電阻溫度係數並且遠離第一傳感器的頭換能器的組件；以及檢測器，配置成利用由差分電阻溫度傳感器生成的差分信號檢測頭-介質間距變化和頭-介質接觸之ー或兩者。
20.按權利要求19所述的裝置，其特徵在於，所述頭換能器組件包括頭換能器的寫入元件、頭換能器的讀取元件和不活動加熱器中的ー個。
21.一種裝置，包括: 頭換能器，配置成與磁性記錄介質交互； 加熱器，配置成致動所述頭換能器； 位於所述頭換能器上且具有電阻溫度係數的傳感器，所述傳感器配置成感測頭換能器和介質之間的接觸；以及 耦合到所述傳感器和加熱器的檢測器，所述檢測器配置成基於傳感器的電阻變化和加熱器功率的變化利用檢測度量來檢測頭-介質接觸。
22.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述檢測度量基於傳感器的電阻變化率和加熱器功率的變化率。
23.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述檢測度量由AR/AP比來限定，其中A R是傳感器的電阻變化率，A P是加熱器功率的變化率。
24.按權利要求23所述的裝置，其特徵在於，所述檢測器被配置成進行對AR/AP的就地直接測量。
25.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述檢測器被配置成通過檢測檢測度量的最小值來檢測頭-介質接觸。
26.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述檢測器被配置成通過在檢測度量達到最小值之前檢測與所述檢測度量的線性減小的背離來檢測頭-介質接觸的開始。
27.按權利要求21所述的裝置 ，其特徵在於，所述傳感器被配置成接收DC電流，並且所述檢測器被配置成利用DC傳感器電流測量傳感器電阻變化。
28.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述檢測器包括: 調製器，其耦合到加熱器並且配置成生成經調製的加熱器功率參數；以及 相敏檢測器，其耦合到所述調製器和傳感器，所述相敏檢測器配置成測量在所述調製器的調製頻率下的傳感器響應。
29.按權利要求28所述的裝置，其特徵在幹，所述檢測器被配置成將檢測度量計算為傳感器響應中的變化率與經調製的加熱器功率參數的變化率的比。
30.按權利要求21所述的裝置，其特徵在幹: 所述加熱器包括加熱器元件和具有數模轉換器(DAC)的功率電路，所述功率電路配置成利用由DAC控制的特定頻率下的交流驅動加熱器元件；以及 所述檢測器配置成在特定頻率下測量傳感器響應。
31.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述頭換能器配置成限定相對於介質的低調製或非調製頭至介質界面。
32.按權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述頭換能器配置成限定相對於介質的超越接觸記錄頭至介質界面。
全文摘要
配置成與磁性記錄介質(160)交互的頭換能器(103)包括第一傳感器(105)，具有電阻溫度係數(TCR)且配置成產生第一傳感器信號；以及第二傳感器(106)，具有TCR且配置成產生第二傳感器信號。第一和第二傳感器之一位於頭換能器上的與磁性記錄介質有關的接近點處或附近，且第一和第二傳感器中的另一個遠離接近點。電路配置成組合第一和第二傳感器信號並產生指示頭-介質間距變化和頭-介質接觸之一或兩者的組合傳感器信號。每個傳感器可具有相同符號(正或負)的TCR，或者每個傳感器可具有不同符號的TCR。
文檔編號G11B5/60GK103098133SQ201180038318
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月17日 優先權日2010年11月17日
發明者M·T·詹森, D·劉, H·樓, G·J·肯克爾, D·麥肯, T·W·施特伯, X·鄭 申請人:希捷科技有限公司