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一种磁盘，其在大约200微米和更高尺度下具有低表面微观波度，而在小于约为用于对盘写入的浮动块上的衬垫的长度的尺度下具有高表面粗糙度。

1、  一种磁盘，其在大约200微米和更高的尺度下具有低表面微观波度，而在小于约为承载用于对盘写入的头的浮动块上的衬垫的长度的尺度下具有高表面粗糙度。

2、  如权利要求1所述的磁盘，其中，该盘在小于约200微米的尺度下具有高表面粗糙度。

3、  如权利要求1所述的磁盘，其中，该盘在小于约100微米的尺度下具有高表面粗糙度。

4、  如权利要求1所述的磁盘，其中，该盘在约500到1000微米之间的尺度下具有低表面微观波度。

5、  如权利要求1所述的磁盘，其中，该盘在大约5微米或更小的尺度下具有低表面粗糙度。

6、  如权利要求1所述的磁盘，其中，低表面微观波度定义为盘表面形貌特征在预先规定的尺度下大约3埃或更小的平均标准偏差。

7、  如权利要求1所述的磁盘，其中，高表面粗糙度定义为盘表面形貌特征在预先规定的尺度下大约4.5埃或更多的平均标准偏差。

8、  如权利要求1所述的磁盘，其中，浮动块以距离盘表面大约5纳米或更小的飞行高度飞行。

9、  一种磁盘，在大约200微米和更高尺度下，具有以盘表面形貌特征从峰到谷测量大约3埃或更小的平均距离定义的低表面微观波度，而在小于约为承载用于对盘写入的头的浮动块上的衬垫的长度的尺度下，具有以盘表面形貌特征从峰到谷测量大约4.5埃或更大的平均距离定义的高表面粗糙度。

10、  如权利要求9所述的磁盘，其中，该盘在小于约200微米的尺度下具有高表面粗糙度。

11、  如权利要求9所述的磁盘，其中，该盘在小于约100微米的尺度下具有高表面粗糙度。

12、  如权利要求9所述的磁盘，其中，该盘在约500和1000微米之间的尺度下具有低表面微观波度。

13、  如权利要求9所述的磁盘，其中，该盘在大约5微米或更小的尺度下具有低表面粗糙度。

14、  如权利要求9所述的磁盘，其中，浮动块以距离盘表面大约5纳米或更小的飞行高度飞行。

15、  一种磁存储系统，包括：
磁盘；
至少一个头，用于从磁介质读取或对磁介质写入
用于支撑所述头的浮动块，该浮动块具有衬垫；以及
耦接到所述头的控制单元，用于控制所述头的操作；
其中，所述盘在大约500微米和更高的尺度下具有低表面微观波度，而在小于大约浮动块上的衬垫的长度的尺度下具有高表面粗糙度。

用于低飞行高度的设计界面
技术领域
本发明涉及盘驱动器系统的制造，并更具体地，此发明涉及在低飞行高度下提供增强性能的新盘表面属性。
背景技术
磁盘驱动器存储设备通常包括一个或多个薄膜磁盘，其各自具有：至少一个包括多个磁存储数据的同心轨道的数据记录表面；主轴马达和主轴马达控制器，用于支撑和以所选的RPM来旋转盘；浮动块上形成的每记录表面至少一个读/写换能器(transducer)或“头”，用于从记录表面读取信息，以及将信息写入到记录表面；数据通道，用于处理读/写的数据；可定位致动器组件，用于在期望数据轨道的邻近处支撑换能器；以及伺服系统，用于控制致动器组件的移动，以将换能器定位在期望轨道之上。
每个浮动块的一个表面通过挠性悬架(suspension)附接到致动器臂上，并且，在相对边上包括期望配置的气承(air bearing)表面(ABS)，以提供令人满意的飞行高度特性。随着盘的旋转，气流进入浮动块的前沿，并向其后沿的方向流动。气流对ABS生成正压力，将浮动块抬升到记录表面之上。通过气垫(cushion of air)，浮动块在记录表面之上保持标称飞行高度。
随着在过去几年中记录密度和数据传送速率的增加，诸如轨道宽度读取和写入间隙、以及线圈尺寸的记录设备中的临界尺寸相应减小。并且，气承表面(ABS)和介质之间的飞行高度已变得越来越小。作为参考，有40gb/in²容积(product)的记录头通常具有大约12纳米的飞行高度。当前的头具有甚至更低的飞行高度，并且，期望飞行高度继续减小。头临界尺寸和飞行高度的这种减小尽管对磁性能有好处，但也带来了热和机械可靠性方面的成本。具体地说，由于在盘驱动器的操作期间头和磁盘之间的低飞行高度，头和盘之间断续接触率增加，导致盘表面的损坏以及头元件的磨损。
为了帮助避免由断续的头-盘接触引起的问题，在驱动器制造期间对盘加了润滑剂。尽管盘在制造期间被润滑剂覆盖，以保护其不受这样地断续接触的影响，但在驱动器的操作期间，润滑剂最终会从盘表面耗尽。由于与来自盘的润滑剂副产品相关的问题的缘故，已公开了汽相润滑剂储备系统(vaporphase lubricant reservoir system)，作为用于在盘上持续保持均匀润滑膜的装置。然而，随着飞行高度的减小，浮动块将易于接触盘表面，并从而接触润滑剂。已经观察到，浮动块后沿和自由润滑剂之间的相互作用可引起严重的不稳定性，导致浮动块以其第二纵摇(pitch)固有频率(对于当前测试的浮动块而言大约300kHz)及大于5nm的幅度振荡。对于可靠性目标而言，这是严重的问题。因此，期望通过改进并稳定浮动块和盘表面之间的间隙(clearance)以减小盘和浮动块之间显著的润滑剂转移，来减少润滑剂引起的浮动块振荡。
同样，盘粗糙度在较低的浮动块飞行高度下更成问题。在具有更易于伸入到正常的浮动块操作范围的最高隆起的情况下，无意的破坏性浮动块/盘接触的可能性增加。浮动块飞行高度越低，来自这些不连续的损坏的风险越大。由此，要将盘制造为具有非常平滑的表面。当前的盘沿着盘表面在10-100μm范围内测量具有大约2-4的表面粗糙度(标准偏差Rq)，而在100-1000μm范围内通常具有5或更大的微观波度(microwaviness)(标准偏差Wq)。
发明人发现这样的平滑表面造成另一个问题，即浮动块在盘表面上的静态阻力(stiction)。静态阻力是平滑表面粘到一起的趋势。随着盘的旋转，在浮动块-盘接触期间，静态阻力效应使得浮动块跳动(bounce)，导致读和写不稳定。发明人发现，当使用具有低Rq和低Wq的盘时，静态阻力问题更为普遍。
因此，需要能够减小飞行高度，同时避免上文中提到的问题的方法。
发明内容
本发明通过提供一种在大约200微米和更高的尺度下具有低表面微观波度(Wq)、而在小于约为承载用于写入到盘的头的浮动块上的衬垫(pad)的长度的尺度下具有高表面粗糙度(Rq)的磁盘，克服了上面描述的缺点和限制。
在一个实施例中，盘在小于约200微米的尺度下具有高表面粗糙度。在另一个实施例中，盘在小于约100微米的尺度下具有高表面粗糙度。
在另一个实施例中，盘在约500到1000微米之间的尺度下具有低表面微观波度。
在另一个实施例中，盘在大约5微米或更小的尺度下具有低表面粗糙度。
优选地，低表面微观波度定义为盘表面形貌(topographical)特征在预先规定的尺度下大约3埃或更小的平均标准偏差。同样优选地，高表面粗糙度定义为盘表面形貌特征在预先规定的尺度下大约4.5埃或更多的平均标准偏差。
盘表面的独特设计对于以距离盘表面大约5纳米或更小的飞行高度飞行的浮动块的使用而言，是非常有优势的。
从下面结合附图，作为示例说明本发明的原理的详细描述中，本发明的其它方面和优点将变得清楚。
附图说明
为了更全面地理解本发明的性质和优点，以及使用的优选模式，应当参考下面与附图相结合阅读的详细描述。
图1是磁记录盘驱动器系统的简化图。
图2是根据本发明的一个实施例的图1的盘驱动器系统的部分顶视图。
图3是根据一个实施例的浮动块未按比例的简化侧视图。
图4是图示测量头-盘相互作用的出现的起飞压强测试的测试结果的图表。
图5是图示波长范围内的几个盘的粗糙度谱的特性的图表。
具体实施方式
下面的描述是当前设想实施本发明的最佳实施例。此描述是为说明本发明的一般原理的目的而作出的，而不意味着限制这里要求保护的创造性概念。
现在参照图1，其中示出了实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112被支撑在主轴114上，并通过盘驱动器马达118旋转。每个盘上的磁记录呈盘112上的同心数据轨道(未示出)的环状图案的形式。
至少一个浮动块113定位于盘112附近，每个浮动块113支撑一个或多个磁读/写头121。当盘旋转时，浮动块113在盘表面122上径向移入和移出，以便头121可访问盘上记录有期望数据的不同轨道。每个浮动块113通过悬架115附接到致动器臂119。悬架115提供微小的弹力，使浮动块113偏向盘表面122。每个致动器臂119附接到致动器装置127。图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括可在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度受由控制器129提供的马达电流信号控制。
在盘存储系统操作期间，盘112的旋转在浮动块113和盘表面122之间产生气承，其对浮动块施加向上的力或升力。由此，在正常操作期间，气承抗衡悬架115的轻微弹力，并支撑浮动块113以基本上恒定的较小间隔脱离并且略高于盘表面。
通过由控制单元129生成的诸如访问控制信号和内部时钟信号的控制信号，在操作中控制盘存储系统的各种组件。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129生成控制信号来控制各种系统操作，如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头位置和搜寻控制信号。线128上的控制信号提供期望的电流配置(profile)，以最优地将浮动块113移动并定位到盘112上的期望的数据轨道。通过记录通道125，将读和写信号传送到读/写头121，并从读/写头121传送读和写信号。
参照图2，其中示出了图1的盘驱动器100的顶视图。盘驱动器100具有盘组(disk pack)，其包括附在装入外壳(housing)204中的主轴114上的多个堆叠的薄膜磁记录盘112。装载/卸载结构206在盘组的外周处稳定地固定到盘驱动器的外壳204的基板508上。旋转致动器组件包括多个致动器臂210，其分别支撑邻近盘112的浮动块113。每个致动器臂210适当地在其末端具有突出(protrusion)或接头(tab)212，用于在装载/卸载操作期间啮合装载/卸载结构206的斜面(ramp)214。汽相润滑剂储备系统131放置在外壳204内。可实施诸如在美国专利第4,789,913号和/或美国专利第6,580,585号中描述的系统的汽相润滑剂储备系统131。通过引用将这些专利合并于此。
图3示出了根据一个实施例的浮动块113。如图所示，突出衬垫302定位在读/写元件304之上。在整个结构之上形成碳、SiN_x等的涂层(overcoat)306。
上面对典型磁盘存储系统的描述，以及图1-3的附加图示仅用于表示的目的。显然，盘存储系统可包含大量盘和致动器，并且，每个致动器可支撑多个浮动块。
发明人已描绘了为低飞行高度而设计的几种磁记录盘表面，并且发现，“混合”特性——较小波长下的较高粗糙度和较低微观波度提供最优性能。相反，并且违反直觉的是，在具有较小波长下的较低粗糙度和较低的微观波度(即，较平滑的盘表面)的盘提供最差性能。
图4图解了测量头-盘相互作用的出现的起飞压强测试的结果，以及由此而引起的这种相互作用导致有关伺服难题的问题、可重复偏出(RRO)问题等的可能性。在图4中，所有测量都通过以相同的浮动块在具有不同表面属性的四个盘上大约5nm处飞行而进行的，所述不同表面属性是：1)高Rq、低Wq；2)高Rq、低Wq；3)高Rq、高Wq；4)低Rq，低Wq。Rq是在小于大约200微米的尺度(scale)下测量的，而200微米大约是所使用的浮动块上的衬垫的尺寸。Wq是在大约200-1000微米的尺度下测量的。较低的Rq和Wq值对应于较平滑的表面属性。
继续参照图4，随着驱动器中的环境压强(ambient pressure)减小(X轴)，浮动块以越来越低的飞行高度飞行。在此情况下，通过放置于浮动块上或其附近的声发射(AE)测量设备，使用声发射(AE)来测量浮动块-盘接触。理想的AE数小于大约0.02，以避免稳定性问题。例如，如果出现了过多浮动块-盘接触，则浮动块趋向于弹起，而这会导致不稳定。
直观地，较平滑的盘表面应当允许浮动块更接近盘表面而不受干扰地飞行。然而发现，一旦已达到某个平滑度，则盘和浮动块之间的吸引力开始起作用，从而导致静态阻力问题。如图所示，在较低的表面粗糙度和微观波度下，一旦环境压强下降，浮动块便非常迅速地接触盘表面。发明人发现，在典型的小于大约5nm的机械间隔的低飞行高度的领域中，低飞行盘表面的优良属性的指标是：(a)较高的粗糙度以及(b)较低的微观波度。
当前的盘具有大约2-4的Rq，以及5或更大的Wq。发明人发现，对于总长大约500μm而衬垫长度大约200μm的浮动块而言，最理想的盘表面属性是：4.5及更高的Rq，以及减小到大约3或更小的Wq。这些值通常适用于所有盘衬底，例如，玻璃、Al-Mg、聚合物等。同时注意，衬垫尺寸也减小，以帮助减小浮动块和盘的接触面积。因此，理想的盘表面属性可用衬垫尺寸标度(scale)。
根据一个优选实施例，盘表面在用于飞行高度调制的200μm-500μm及更大尺度(以浮动块全长来定义此长度尺度)下具有低微观波度；在用于表面完整性如腐蚀和缺陷的5μm或更小尺度(以磁畴TPI和BPI来定义此长度尺度)下具有低粗糙度；而在10到100μm的尺度(以ABS衬垫尺寸来定义此长度尺度)下具有高粗糙度，以在偶然接触期间，最小化浮动块ABS衬垫和盘之间的摩擦。
图5中示出了波长范围内的粗糙度谱的特性。通过由Candela Instruments制造的光学表面分析器(OSA)模型TS5100来测量粗糙度谱。OSA使用光偏转技术来测量盘表面上的形貌特征。通过FFT算法获得的傅立叶变换是对盘表面属性的度量(measure)。
图5的粗糙度谱是对如下四个盘表面的傅立叶变换：1)高Rq、低Wq；2)高Rq、低Wq；3)高Rq、高Wq；4)低Rq、低Wq。波长越小，则表面特征的幅度越小。如图所示，在1000微米波长处，可以看出，就波度(waviness)偏差而言，几乎所有盘都具有相同的幅度。然而，在100微米下(大约衬垫的尺寸)，可以在各种表面之间看出差异。理想的盘表面属性在较高波长下具有低幅度，而在较小波长下具有较高幅度，以避免静态阻力问题。
发明人还定义了ABS衬垫尺寸的尺度。这个10-100μm的ABS衬垫尺度和500μm-1000μm的飞行高度调制尺度均可在OSA上测量出。轨迹分析给出了下面的数(这是与图5中的曲线相同的信息)：
                        表1
类型AFMRqmicroXAm Wq降落高度(来自压强)
低  低     0.13nm    0.3nm          4.3nm(-14kPa＝0.86atm)
高  高     0.16nm    0.4nm          3.9nm(-22kPa＝0.78atm)
高  低     0.18nm    0.35nm         2.75nm(-45kPa＝0.55atm)
为创建具有高Rq和低Wq的理想组合的盘表面，设计人可调整制造参数来获得理想的属性。本领域中的技术人员应当理解，如何获得这里定义的表面属性，因而将不提供对盘制造的进一步的讨论。
这里描述的新结构提供下面的实际好处：
(a)提高的成品率(yield)：对于具有5nm以下的机械飞行高度并近似接触记录的浮动块而言，由于减少了浮动块-盘接触的可能性，所以可显著地提高成品率。
(b)更好的间隙：新盘表面应当基于具有本公开中概述的属性的盘的TOP信息而提供改进大约2nm的间隙。当多个界面(interface)以5-6nm左右飞行时，这很重要。
(c)显著减小接触界面的浮动块弹起(由平滑表面造成的静态阻力)。该优点差不多可以是具有低Rq和低Wq、和/或高Rq和高Wq的盘的50％或更好。
尽管上面已描述了各种实施例，但是应当理解，它们仅作为示例给出，而不是限制性的。因此，优选实施例的宽度和范围不应受上述任何示范实施例的限制，而应当仅根据所附权利要求及其等价物来限定。