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对称共路外差干涉磁头飞行高度测量系统的研究

作　者: 岳兆阳
导　师: 孟永钢
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 磁头滑块飞行高度飞高调制外差干涉共光路阿贝误差
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

硬盘磁头滑块飞行高度目前已低于10nm,进一步提高硬盘存储密度依赖于磁头滑块更低的稳态飞行高度和更小的动态飞行高度调制。因而,实时、准确地测量磁头滑块动态飞行高度变得非常重要而又更加困难。本论文对磁头动态飞行高度测量系统进行了研究,对本课题组的共光路双焦点磁头飞高测量系统进行了可行性实验研究,提出了对称共路差动磁头动态飞高测量系统作为改进方案,并进行了详细的理论分析、实验研究和误差分析。针对共光路双焦点磁头飞行姿态测量系统进行了可行性实验研究和理论分析。静态模拟实验结果表明,该系统测量分辨率达到0.09nm,满足磁头飞高测量高分辨率的要求,适合微小位移、微小速度的测量。同时,系统在无温控条件下一个小时之内漂移小于4nm(温度变化1℃),表明该系统的共光路双折射透镜结构对温漂具有一定抑制作用。然而动态实验发现该系统不具备磁头动态测试所需的自适应性,因而提出了对称共路外差干涉测量方案。建立对称共路外差干涉磁头动态飞高测量系统(SCHI),并进行了详细的理论分析和误差分析。该系统依然使用横向塞曼激光作为光源,使用同一渥拉斯顿分光差动干涉仪实现两路差动干涉测量光路结构,符合共光路原则,具有很高的稳定性和自适应性;并引入在线补偿原理,克服了传统磁头相对飞行高度测量方法未能补偿的由盘片稳态位置变化引入的阿贝误差;采用高速测相技术实现对磁头飞行高度0.1nm分辨率、100kHz采样频率的测量。此外,该系统适合测量商用硬盘的磁头飞行高度,也可用于研究磁头滑块相对玻璃模拟盘片飞行高度。论文对Hitachi笔记本硬盘(HTS541040g9at00)的盘片旋转运动以及磁头飞行性能进行了研究。测量结果表明,该硬盘系统盘片偏斜量约为2’,磁头飞高调制量小于10nm;测点布置对测量结果有重要影响,沿盘片径向布置测点测量非线性误差最小。论文还讨论了飞高测量不确定度的问题,对SCHI的非线性误差来源及其对测量结果的影响进行了理论仿真和实验研究,由此对系统设计、数据处理提出实施方案。本课题得到国家重点基础研究发展计划资助项目(2003CB716205)的资助。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章引言  9-29
  1.1 研究背景及意义  9-12
  1.2 国际研究现状综述  12-25
    1.2.1 绝对飞行高度测量  12-20
      1.2.1.1 白光三波长法  12-15
      1.2.1.2 圆偏振外差干涉法  15-17
      1.2.1.3 白光干涉法  17-20
    1.2.2 相对飞行高度测量  20-25
      1.2.2.1 目前方法存在的问题  20-21
      1.2.2.2 相对飞高测量与绝对飞高测量的比较  21-22
      1.2.2.3 硬盘磁头飞行性能的在线检测方法及飞高调制  22-25
  1.3 研究目标  25-27
  1.4 论文研究内容  27
  1.5 本章小结  27-29
第二章共光路双焦点外差干涉磁头飞行高度测量系统  29-47
  2.1 光学系统原理设计及实验  29-35
    2.1.1 系统原理方案  30-33
    2.1.2 静态间隙模拟实验  33-35
      2.1.2.1 稳定性实验  33-34
      2.1.2.2 比例系数标定实验  34-35
      2.1.2.3 方案及实验结果讨论  35
  2.2 系统样机建立  35-44
    2.2.1 总体方案  35-42
      2.2.1.1 光路布局  37-38
      2.2.1.2 器件选择及设计  38-42
    2.2.2 样机调试及初步实验  42-43
    2.2.3 系统样机改进  43-44
  2.3 关于原理实验和样机实验结果的讨论  44-45
  2.4 本章小结  45-47
第三章对称共路双外差干涉磁头飞高测量系统  47-59
  3.1 系统构成和基本原理  47-52
    3.1.1 总体方案  48-49
    3.1.2 测量原理及光学系统设计  49-52
  3.2 系统样机设计实现  52-58
    3.2.1 在线飞高检测系统样机设计  52-53
    3.2.2 模拟飞高检测系统样机设计  53
    3.2.3 中频差横向塞曼激光器  53-54
    3.2.4 高速相位计  54-55
    3.2.5 对称共路自适应干涉仪  55-58
  3.3 本章小结  58-59
第四章实验结果及分析  59-80
  4.1 外差光源性能研究  59-61
  4.2 高速相位卡性能实验  61-62
  4.3 干涉仪系统静态标定实验  62-63
  4.4 系统稳定性实验  63-68
    4.4.1 在线系统静态稳定性实验与自适应  63-65
    4.4.2 硬盘启动实验及盘片姿态动态补偿  65-67
    4.4.3 模拟飞高系统静态稳定性实验及可行性验证  67-68
  4.5 在线飞高瞬态调制测量实验  68-71
    4.5.1 比例系数动态标定实验  69-71
    4.5.2 飞高瞬态调制测量实验  71
  4.6 非线性误差来源实验分析  71-78
    4.6.1 测点布置的影响  72-74
    4.6.2 偏振混叠造成的非线性误差  74-75
    4.6.3 电信号混叠非线性误差--相位卡比对实验  75-78
  4.7 本章小结  78-80
第五章测量不确定度和系统误差分析  80-102
  5.1 飞高测量问题不确定度分析  81-82
    5.1.1 零飞高基准不确定度  81-82
    5.1.2 头盘静态准接触间隙不确定度  82
  5.2 对称共路外差干涉在线飞高测量系统误差分析  82-100
    5.2.1 非线性误差的机理  83-91
    5.2.2 比例系数标定实验结果的模型解释  91-96
    5.2.3 系统静态误差指标  96
    5.2.4 系统测量非线性环节引入误差指标  96-97
    5.2.5 小范围测量可忽略的误差  97-98
    5.2.6 零飞高基准动态测量不确定度合成  98-100
  5.3 本章小结  100-102
第六章工作总结和展望  102-108
  6.1 工作总结  102-103
  6.2 模拟飞高测量系统测量问题分析  103-105
  6.3 关于减少非线性误差的建议  105-106
  6.4 测量系统的应用展望  106-108
参考文献  108-111
致谢  111-112
个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文  112

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