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高密度硬盘磁头滑块气浮润滑面优化设计及实验研究

作 者: 林晶
导 师: 孟永钢
学 校: 清华大学
专 业: 机械工程
关键词: 硬盘 磁头 飞高 遗传算法 结构优化
分类号: TP333.35
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
下 载: 96次
引 用: 1次
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内容摘要


磁头滑块的承载面结构优化设计是磁存储技术中的关键问题,是提高磁存储密度的主要手段之一。本文针对高密度硬盘磁头的气体润滑设计的相关问题进行了理论和实验研究。本文首先对磁头磁盘界面的气体润滑的理论模型和数值分析方法进了研究,采用有限差分法求解了修正气体润滑雷诺方程,并对数值解的精度进行了理论验证,同时采用多重网格法提高了计算效率,并计算了分子间力对头盘界面相互作用的影响。在建立了气体润滑分析方法的基础上,采用遗传算法对磁头滑块承载面进行了结构优化设计。采用新的编码方法,将台阶深度的信息计入了编码中,扩大了解空间。优化设计时,根据磁头的工作特性并借鉴已有的设计经验,对磁头的预设结构进行了改变,提高了优化设计的效率,将结构优化和尺寸优化两种方法有机地结合起来弥补了两种方法的缺点。利用微加工工艺在硅片上加工出了飞高测试用的磁头,研究了掩膜版的设计和硅刻蚀方法对加工质量的影响,提出了适合可行的硅磁头加工工艺路线和方法。加工得到的替代磁头可以满足实际使用的要求。对磁头磁盘界面的声发射信号的特性进行了测试和分析。通过对磁头在不同飞行状态下测得的声发射信号的时域和频域特性进行分析,说明了磁头磁盘间的接触碰撞与磁头悬臂的振动紧密相关。利用课题组自行研制的对称共路双频外差干涉仪测量了硅磁头的飞高,实验测试和理论分析的结果有良好的一致性,说明了所使用的理论模型和计算方法的正确性以及所提出的优化设计方法的有效性,并表明硅磁头可以用于磁头飞高的测试中。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-12
第1章 引言  12-28
  1.1 磁存储技术的发展概况  12-14
  1.2 磁头磁盘界面摩擦学问题  14-15
  1.3 磁头磁盘气体润滑理论发展历史和现状  15-18
    1.3.1 理论模型  15-17
    1.3.2 气体润滑方程的计算方法  17-18
  1.4 磁头滑块承载面形貌设计  18-24
    1.4.1 磁头滑块形貌设计的优化方法  20-22
    1.4.2 磁头滑块形貌设计的优化目标  22
    1.4.3 磁头设计需要考虑的其它因素  22-23
    1.4.4 热飞高控制磁头的研究  23-24
  1.5 实验研究  24-26
    1.5.1 飞高测量  24-25
    1.5.2 磁头动态性能实验研究  25-26
    1.5.3 声发射测量  26
  1.6 本文研究内容  26-28
第2章 磁头/磁盘界面气体润滑的分析计算  28-53
  2.1 本章引论  28
  2.2 气体润滑雷诺方程  28-31
  2.3 气体润滑雷诺方程的求解  31-35
    2.3.1 网格划分  31
    2.3.2 差分原理  31-34
    2.3.3 差分方程组求解  34
    2.3.4 差分方程组求解的收敛准则  34-35
  2.4 承载力和承载力矩的计算  35-36
  2.5 差分方法的理论验证  36-41
    2.5.1 与解析解的比较  37-39
    2.5.2 与直接模拟蒙特卡洛方法(DSMC)的解比较  39-41
  2.6 多重网格法  41-48
    2.6.1 多重网格法的网格划分  42-43
    2.6.2 多重网格法求解过程  43-44
    2.6.3 各层之间的数值传递  44-45
    2.6.4 算法的验证  45-48
  2.7 分子间力的影响  48-52
  2.8 小结  52-53
第3章 磁头滑块承载面结构优化遗传算法研究  53-84
  3.1 本章引论  53
  3.2 磁头滑块优化设计的主要过程  53-54
  3.3 遗传算法简介  54-56
  3.4 用遗传算法进行磁头滑块承载面的结构优化设计  56-62
    3.4.1 编码  56-58
    3.4.2 新编码方法  58-60
    3.4.3 选择  60
    3.4.4 交叉  60-61
    3.4.5 变异  61-62
    3.4.6 惩罚函数  62
  3.5 遗传算法的收敛性验证  62-66
  3.6 飞高稳态解的求解  66-68
  3.7 优化设计程序的计算效率  68
  3.8 磁头滑块承载面结构优化设计  68-83
    3.8.1 对称结构磁头滑块的设计  68-75
    3.8.2 部分结构磁头滑块的设计  75-79
    3.8.3 结构优化方法与尺寸优化方法相结合  79-83
  3.9 小结  83-84
第4章 硅磁头的加工  84-103
  4.1 本章引论  84-85
  4.2 掩膜版的设计与加工  85-88
    4.2.1 磁头结构及参数  85-86
    4.2.2 掩膜版的设计和加工  86-88
  4.3 离子束刻蚀(IBE)方法加工硅磁头  88-90
    4.3.1 IBE 方法简介  88
    4.3.2 采用IBE 方法进行磁头的刻蚀  88-90
  4.4 两种掩膜版设计方法的比较  90-93
    4.4.1 磁头加工质量比较  90-91
    4.4.2 原因分析  91-93
  4.5 硅磁头的表面粗糙度  93-95
  4.6 IBE 方法的再沉积现象  95-98
  4.7 电感耦合等离子体(ICP)方法加工硅磁头  98-101
  4.8 划片  101-102
  4.9 小结  102-103
第5章 磁头磁盘界面的声发射信号特性研究  103-118
  5.1 本章引论  103
  5.2 声发射技术简介  103-104
  5.3 声发射测量系统  104-105
  5.4 磁头磁盘界面声发射测量装置  105-108
  5.5 磁头磁盘界面声发射信号测量  108-111
    5.5.1 起飞降落过程的声发射信号实验过程  108-109
    5.5.2 实验结果  109-111
    5.5.3 实验结果分析  111
  5.6 磁头磁盘界面声发射信号的来源  111-117
    5.6.1 实验过程  111-112
    5.6.2 实验结果  112-113
    5.6.3 分析与讨论  113-117
  5.7 小结  117-118
第6章 磁头飞高的实验研究  118-134
  6.1 本章引论  118
  6.2 磁头飞高综合测试台  118-120
  6.3 对称共路双频外差干涉仪  120-126
    6.3.1 干涉仪原理  120-122
    6.3.2 盘片偏摆补偿原理  122-123
    6.3.3 干涉仪重复性测量  123-124
    6.3.4 干涉仪静态标定  124-126
  6.4 磁头飞高测量1  126-131
    6.4.1 理论分析  126-127
    6.4.2 加载力测量  127-129
    6.4.3 实验过程  129-130
    6.4.4 实验结果  130-131
  6.5 磁头飞高测量2  131-133
  6.6 小结  133-134
第7章 结论与展望  134-137
  7.1 论文完成的主要工作及结论  134-135
  7.2 主要创新点  135-136
  7.3 展望与设想  136-137
参考文献  137-146
致谢  146-147
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  147

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机(不连续作用电子计算机) > 存贮器 > 磁存贮器及其驱动器 > 磁盘存贮器
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