对称共路外差干涉法测量硬盘磁头飞行高度瞬态调制

　　1　引　言

　　目前高性能硬盘的磁头滑块飞行高度(FH)已降低到10 nm以下,由于不同盘片的表面粗糙度以及波纹度处于纳米量级。实际上,当飞行高度进一步降低时,飞行高度调制(FHM)有增加的趋势。由于需要将这一调制量控制在平均飞行高度的20%以内,才能确保磁头的可靠读写[1],这就对磁头滑块的设计和瞬态飞行高度测试提出了很高要求。针对磁头飞行高度的测试,在产品研制和生产中应用的主要有两类测试系统,一类是模拟盘片测量,如已成为工业标准的动态飞行高度测量仪(DFHT)[2],采用空气静压轴承和超光滑透明玻璃盘片模拟磁盘,适用于测量稳态工况下磁头滑块与模拟盘片间的气膜厚度(绝对间隙),校核磁头滑块的设计。由于测试仪轴承和盘片与真实硬盘的情况不同,这类测试系统所得的结果未必能反映真实情况的实际飞行高度;另一类属于在线磁头飞行高度测量,主要有外差干涉法、偏振干涉法、激光多普勒法等[3~5]。其中外差干涉法和偏振干涉法在原理上既可测量真实硬盘也可测量透明模拟盘片情况下的磁头飞行高度,而激光多普勒法一般多见于在线飞行高度测试研究。对于飞行高度小于10 nm的滑块飞行性能研究,上述方法的瞬态测量分辨率均已显不足。

　　在线检测真实硬盘的磁头飞行高度属于相对飞行高度测量,因为磁头不透明,不可能构成串联式光路,只能采用两束光并行方式测量头盘差分位移变化,因此必然引入阿贝误差[3,6]。传统的补偿办法是假定盘片极低速转动下头盘接触,通过测量此时头盘差分位移为盘片倾斜阿贝补偿量,之后加速至正常转速所得测量结果减去该补偿量得到飞行高度。T. C. McMillan等[6]给出盘片不同转速下磁头相对飞行高度和工业标准仪器动态飞行高度测量仪绝对飞行高度的比对,发现盘片低速段和高速段旋转时两者具有较好的一致线性,然而在中速段的速度变化对两者影响存在几十纳米的差异。这一原因在于传统阿贝误差补偿方法的原理缺陷:硬盘流体动压轴承系统在不同转速下盘片运动轴心轨迹存在差异[7],由于相对飞行高度测点间距在毫米量级,将对相对飞行高度测量结果产生数十纳米量级影响(本文实验证实了这一影响在20 nm以上)。因此,对于磁头相对飞行高度测量,忽略了飞行高度测试时盘片姿态变化引入的阿贝误差是传统测量方法准确度难以提高的重要原因。

　　本文提出的对称共路双频外差干涉在线测量商品硬盘磁头飞行高度的方法,融合双频激光干涉法和高速相位测量技术,采用两路对称布局的双差动干涉仪结构,具有高稳定性、结构简单的特点。同时,该方法还可兼容透明玻璃盘片模拟条件下的硬盘磁头飞行高度研究。