利用第一和第二電阻式傳感器偏置電平檢測頭-盤接觸和/或間隙

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明涉及利用第一和第二電阻式傳感器偏置電平來檢測頭-盤接觸和/或間隙。在一個實施例中，將偏置信號施加至位于靠近磁傳感器的磁介質(zhì)讀取表面的電阻式熱傳感器。偏置信號在第一和第二偏置電平之間被調(diào)制。測量對應(yīng)于第一和第二偏置電平的電阻式熱傳感器的第一和第二電阻?；谟呻S著磁傳感器更靠近介質(zhì)在磁傳感器和介質(zhì)之間的熱導(dǎo)率的增加引起的第一和第二電阻之間的差異確定磁頭和介質(zhì)之間的間距和接觸中的至少一個。根據(jù)以下詳細討論和附圖，將理解各個實施例的這些和其他特征。附圖說明下面的討論參考以下附圖，其中相同的附圖標記可用于表示多個附圖中的類似/相同部件。圖1A為根據(jù)示例實施例的裝置的硬盤驅(qū)動器滑塊和介質(zhì)布置的框圖；圖1B為示出了根據(jù)示例實施例的對于不同加熱器電流的電阻式傳感器的偏置電流和電阻的曲線圖；圖2A－2C為示出了根據(jù)示例實施例的測得的設(shè)備響應(yīng)的曲線圖；圖3示出了根據(jù)示例實施例的根據(jù)利用集總參數(shù)模型的測量而確定的熱傳導(dǎo)；圖4A-4B為示出了根據(jù)示例實施例的設(shè)備的有限元建模結(jié)果的曲線圖；以及圖5為示出了根據(jù)示例實施例的程序的流程圖。詳細描述本發(fā)明一般涉及用于數(shù)據(jù)存儲的磁記錄設(shè)備。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可包括向磁記錄介質(zhì)讀和寫信息的一個或多個記錄頭。通常需要在記錄頭及其相關(guān)的介質(zhì)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“頭－介質(zhì)間距”。通過減小頭－介質(zhì)間距，記錄頭可更好地向介質(zhì)寫入數(shù)據(jù)和從介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)。減小頭－介質(zhì)間距還允許測量記錄介質(zhì)形貌，諸如用于檢測記錄介質(zhì)表面的粗糙度和其他特征?，F(xiàn)參照圖1，框圖顯示在根據(jù)示例實施例的硬盤驅(qū)動器滑塊102中采用的磁傳感器的側(cè)視圖?；瑝K102通過懸架106耦合至臂104，懸架106允許滑塊102與臂104之間的一些相對運動?；瑝K102包括在滑塊102后沿附近的在介質(zhì)讀取表面115處的讀/寫換能器108。當(dāng)對介質(zhì)進行讀取和寫入時，保持換能器108靠近磁記錄介質(zhì)（例如，磁盤111）的表面110。當(dāng)滑塊102位于磁盤111的表面110上方時，通過臂104的向下力在滑塊102和表面110之間維持飛行高度112。該向下力通過存在于表面110和滑塊102的空氣承載表面103之間的氣墊來平衡。需要在讀和寫操作期間在磁盤轉(zhuǎn)速的正常范圍上保持預(yù)定的滑塊飛行高度112，以確保一致的性能。區(qū)域114包含滑塊102的“近點（closepoint）”，近點一般可理解為滑塊102與磁記錄介質(zhì)表面110之間的最靠近的接觸點。為了解決可能影響滑塊飛行高度112的靜態(tài)和動態(tài)變化，可配置滑塊102使得可在操作期間可配置地調(diào)節(jié)靠近換能器108的滑塊102的區(qū)域114。這在圖1A中通過表示區(qū)域114的幾何形狀的變化的虛線顯示。在該示例中，可通過區(qū)域114的溫度的升高和降低來整體或部分地引起幾何形狀變化。由于溫度變化改變區(qū)域114的形狀的能力可源自例如區(qū)域114由與滑塊102的其他部分不同的材料形成。在這種情況下，溫度的變化導(dǎo)致由各種材料的不同熱膨脹性能引起的該區(qū)域114的變形。因此，選擇性地向滑塊102施加熱量可用于精細地調(diào)節(jié)換能器108的例如在換能器108和介質(zhì)表面110之間所測量的有效飛行高度112。為了提供這種類型的對有效飛行高度112的控制，滑塊102可包括（或熱耦合至）加熱元件116?？赏ㄟ^控制電路118給該加熱元件116（例如，電阻加熱器）提供可選的電流量。加熱元件116可被安裝在多個位置（例如，接近區(qū)域114）并且以使其對滑塊112的空氣動力特性影響最小的方式安裝。除加熱元件116之外或作為加熱元件的附加，滑塊102的其他元件也可提供熱量。例如，讀/寫換能器108的寫線圈可產(chǎn)生足夠的熱量以引起區(qū)域114的可配置變形。另外，代替加熱元件116或作為加熱元件116的附加，非熱設(shè)備（例如，壓電設(shè)備）也可引起區(qū)域114的一些變形/撓曲。將理解，滑塊102可包括兩個或多個獨立近點區(qū)域114和加熱器116，例如，與讀傳感器相關(guān)聯(lián)的一個區(qū)域和加熱器以及與寫換能器相關(guān)聯(lián)的另一區(qū)域和加熱器?；瑝K102還包括位于或靠近區(qū)域114的電阻式溫度傳感器120。該傳感器120具有允許高精度測量區(qū)域114處的溫度（或溫度變化）的電阻溫度系數(shù)（TCR），并因此有時被稱為TCR傳感器。TCR傳感器120耦合至與傳感器120通信的傳感器/控制電路122?？刂齐娐?22可至少包括用于與傳感器通信的模擬電路123（例如，具有用于將偏置信號施加至傳感器120的偏置電路）。模擬電路123可包括但不限于放大器、前置放大器、濾波器、電流/電壓限制器，等等。傳感器/控制電路122還包括控制器125，控制器125可包括配置成執(zhí)行本文所述的感測和控制功能的邏輯電路。可任選地，滑塊102可包括一個或多個其他TCR傳感器（如通過傳感器124所表示的），該傳感器124也耦合至傳感器電路122。傳感器124設(shè)置在與傳感器120物理分隔的位置，并且可與傳感器120分開連接或與傳感器120連接在一起（例如，串聯(lián)或并聯(lián)）。通過傳感器電路122偏置在空氣承載表面上的TCR傳感器120，并且還可通過電路122監(jiān)測響應(yīng)。例如，偏置可以是施加至傳感器120的恒定電流，并且響應(yīng)可以是傳感器120兩端所產(chǎn)生的電壓。根據(jù)歐姆定律，該電壓與傳感器的電阻成比例，并因此該電壓可被轉(zhuǎn)換成電阻值。本文所述的概念還可應(yīng)用于其他偏置信號和響應(yīng)，例如，導(dǎo)致電流根據(jù)傳感器電阻變化的恒定施加電壓。傳感器120的響應(yīng)可用于感測在操作期間與介質(zhì)表面110的接觸和/或檢測表面110上的滑塊102的飛行高度112。一些現(xiàn)有的接觸檢測技術(shù)包括向傳感器120施加DC偏壓以及當(dāng)供給加熱器116的功率變化時嘗試檢測電阻的相對變化。隨著近點區(qū)域114與介質(zhì)表面110接觸，由于溫度的升高，摩擦通?？蓪?dǎo)致傳感器電阻的增加，這可在傳感器120的DC電阻信號中被檢測到。然而，DC電阻測量經(jīng)受噪聲，并且在估計DC電阻之前可能需要大量的樣本。這可使系統(tǒng)的響應(yīng)慢得難以接受。而且，該技術(shù)的靈敏度可顯著地依賴于加熱器116的致動效率。這可使得更難以隨著空氣承載狀況的變化來一致地設(shè)置接觸閾值。例如，空氣承載設(shè)計之間的接觸響應(yīng)的差異可僅僅來自加熱器之間的效率差異。另一接觸檢測技術(shù)包括測量傳感器120的所感測的電阻（或電壓）讀數(shù)的RMS功率。由于滑塊到盤的接觸，在區(qū)域114中發(fā)生機械和熱擾動，并且這些擾動可以以傳感器輸出的RMS值的特征（例如，增加）的形式被檢測。由于通過調(diào)制產(chǎn)生的間隙變化以及增加磨損的可能性，這些檢測技術(shù)對熱和盤之間的間隙可被設(shè)置多低施加了限制。因此，降低接觸信號或加熱器效率的依賴性的接觸方法是合乎需要的。在一個示例中，通過在預(yù)定頻率下的兩個電平之間變化的時間變化信號偏置一個或多個傳感器120、124。響應(yīng)于該偏置，可檢測電阻響應(yīng)于兩個偏置電平從第一到第二電阻值的變化。電阻的這種變化不直接依賴于加熱器效率。因此，自動消除了由加熱器的加熱變化引起的電阻變化?？稍谝阎{(diào)制頻率下偏置一個或多個傳感器120、124，這允許使用窄帶濾波器（或鎖定放大器126）來消除噪聲和提高信噪比(SNR)。可在時域和/或頻域中處理傳感器120、124輸出，例如，通過可用于將時域測量轉(zhuǎn)換為頻域信息的數(shù)字信號處理器。在本文所描述的一些實施例中，對于固定的加熱器功率，經(jīng)調(diào)制的偏置可用于測量由熱傳導(dǎo)率變化導(dǎo)致的傳感器120的電阻的變化。為了本公開的目的，由于偏置電流至少在幅度上隨時間交替，并且可任選地在方向上隨時間交替，因此該偏置可被稱為交流(AC)偏置。AC電流調(diào)制參數(shù)可以是恒定的，例如，隨時間的推移具有相同最小值、最大值、頻率、形狀等等。在圖1B中，曲線圖130、140分別示出了根據(jù)示例實施例的電阻式溫度傳感器的AC偏置信號和相關(guān)的響應(yīng)的示例。曲線圖130為施加的偏置電流相對于時間的曲線圖。電流在兩個值I0和Ih之間變化。在該示例中，電流正弦地變化，但其他波形也是可能的（例如，方波、鋸齒波）。電流波形隨時間的推移保持值I0和Ih，以便極值（或在連續(xù)周期上的相同時刻的測得的任何其他值）隨時間的推移保持不變，即使電流本身是正弦變化的。注意，在該示例中，I0為正，并由于有時電流與AC波形相關(guān)聯(lián)，因此電流不改變方向。因此，在本實施例中的信號可被認為是具有正值I0和Ih的調(diào)制的DC信號。在其他實施例中，I0和Ih中的一個或兩個的值可以是負的，在這種情況下，I0可被認為是具有最低幅度的第一極值，以及Ih可被認為是具有最高幅度的第二極值。應(yīng)用于兩個曲線圖130、140的兩個時間周期在圖1B中可被標注為P1和P2。這指的是將兩個不同功率電平施加至加熱器（例如，圖1A中的加熱器116）的周期，該加熱器用于調(diào)節(jié)滑塊和介質(zhì)之間的間隙（例如，圖1A中的飛行高度112）。加熱器功率的這種變化將導(dǎo)致傳感器120的局部溫度的變化，這產(chǎn)生如曲線圖140所示的電阻的變化。當(dāng)施加P1時，最大和最小電阻之間的差異為dR1。當(dāng)施加P2時，最大和最小電阻之間的差異為dR2。如以下將說明的，dR1的幅度與dR2不同，并且可連續(xù)跟蹤這些差異以確定頭－盤接觸，以及頭－盤之間的有效間隙（例如，飛行高度112）。應(yīng)當(dāng)注意，曲線圖130和140中的波形大體上在相同頻率（通過波長132、142推理地表示），該頻率被從控制電路122施加至傳感器120?？蓛H在該頻率142下檢查曲線圖140中的傳感器120的輸出，從而降低噪聲對測量的影響。例如，傳感器電路122可利用針對施加至傳感器120的相同頻率132被調(diào)諧的鎖定放大器126（也被稱為相敏檢測器）。圖1B所示的示例僅是測量傳感器120的時變電阻的一種方法。例如，還可通過將不同的第一和第二偏置電平分別施加至傳感器120、124、從傳感器120、124測量兩個單獨的電阻測量、以及獲取差異以確定接觸和/或間隙，來確定在或靠近接觸處的熱傳遞的變化。第一和第二偏置電平可具有AC分量。AC分量便于在頻域上分析電阻，從而降低噪聲的影響。使用AC偏置也不需要在響應(yīng)接觸檢測水平下對DC偏置水平的敏感測量，而是查看對偏置變化的響應(yīng)。注意，該技術(shù)不依賴于頭到介質(zhì)界面中的接觸調(diào)制來產(chǎn)生接觸特征，而是使用熱導(dǎo)率的變化。因此，這些測量可被用于在觀測到接觸之前通過監(jiān)測熱導(dǎo)率變化來確定脫離接觸的間隙。在圖2A-2C的曲線圖200、210和220中示出了根據(jù)示例實施例的設(shè)備的一組測得的響應(yīng)。曲線圖200為滑塊的RMS聲發(fā)射(AE)相對于加熱器功率的曲線圖。該曲線圖200顯示在大約85mW的加熱器功率下發(fā)生頭－盤接觸。曲線圖210顯示針對根據(jù)加熱器功率而變化的兩個不同傳感器偏置功率（分別是100uW和600uW）的電阻測量結(jié)果214、216。產(chǎn)生曲線214、216的傳感器偏置功率大約對應(yīng)于圖1B所示的施加的電流I0和Ih的不同電平。曲線214、216在接觸點處都呈現(xiàn)斜率的顯著變化，該斜率顯著變化通常歸因于接觸點處的熱量的增加。然而，曲線216在接觸處的變化增加比曲線214少得多。這可通常歸因于由在這個更高輸入功率下傳感器本身引起的溫度增加。由于接觸點和其周圍環(huán)境（例如，空氣、介質(zhì)表面）之間更高的溫度差異，被傳導(dǎo)離開接觸點的熱量增加。因此，曲線216在接觸處的電阻變化較少，因為其周圍環(huán)境也處于更高溫度下，而曲線214的電阻變化更多，因為其傳感器和周圍環(huán)境之間溫度差異增加。因此，盡管施加至熱傳感器的凈偏壓功率在整個加熱器掃描內(nèi)是相同的，但在接觸期間和接觸后由于熱傳感器所經(jīng)歷的熱導(dǎo)率的增加，熱傳感器的電阻變化更小。圖2C中的曲線圖220示出對于圖2B所示的相同范圍的加熱器功率的兩個偏置測量之間的電阻差異。該曲線圖220示出在接觸點處（例如，大約85mW的加熱器功率）的急劇下降，以及導(dǎo)致接觸的值的穩(wěn)步下降，例如，在加熱器功率的50mW到85mW之間的大致區(qū)域中。可在設(shè)備中利用該曲線圖中所示的結(jié)果來檢測頭－介質(zhì)間距和/或頭－介質(zhì)接觸。簡單的集總參數(shù)模型示出雙端TCR(DETCR)電阻變化的逆可用于確定間隙中的熱導(dǎo)率變化?？山Y(jié)合電阻隨溫度的變化R=Ra+αRa△T和熱通量與溫度之間的關(guān)系q=h△T來確定導(dǎo)線的電阻相對于熱通量和傳導(dǎo)的變化。在方程1中，R為TCR傳感器電阻，Ra為TCR傳感器的冷電阻，α為熱電阻系數(shù)，h(Ph)為界面中的熱傳導(dǎo)，以及q(Pbias,Ph)為TCR傳感器所經(jīng)歷的能量通量。測量顯示，使來自TCR傳感器的能量通量與傳感器偏置成比例是合理的假設(shè)。這些測量還顯示，該增加可以被添加至來自加熱器的電阻的頂部。如以下等式2所示，對R關(guān)于Pbias求導(dǎo)給出具有偏置的R的變化與界面中的熱傳導(dǎo)之間的關(guān)系。因為給定設(shè)備的TCR和冷電阻可被認為是常量，所以可導(dǎo)出相對于零加熱器功率情況的熱傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)變化。結(jié)果是與傳感器的TCR和冷電阻無關(guān)的熱傳導(dǎo)變化的確定。這消除了當(dāng)用于設(shè)置間隙和聲明接觸時的熱傳導(dǎo)測量中的過程變化影響。為了進一步簡化實現(xiàn)，利用固定的偏置變化，dPbias允許單獨根據(jù)電阻變化確定熱傳導(dǎo)的相對變化，如以下等式3中所示。在圖2C中，曲線圖220顯示對于固定的dPbias的這種dR測量的示例。這些測量可與集總模型一起使用以計算與在零加熱器功率下的相比TCR傳感器電阻和熱導(dǎo)率的變化，如圖3所示。在圖3中，曲線圖302示出利用集總參數(shù)模型確定的、相對于零加熱器功率下的熱導(dǎo)率、相對于根據(jù)圖2C中的曲線確定的加熱器功率的熱導(dǎo)率變化。如圖3所示，在該示例中，在85mW處接觸，在85mW處可以看到熱導(dǎo)率增加7%。在接觸前的較低功率下，由于界面中的壓力隨間隙變窄而變化，熱導(dǎo)率增加5%。這提供可用于確定在脫離與盤接觸時的間隙變化的信號。在圖4A和4B中，曲線圖400、410示出在類似于用于圖2B-2C中的測量的配置中對于不同的偏置功率的TCR傳感器電阻變化的有限元（FE）分析的結(jié)果。在曲線圖400中，曲線402和404分別表示對于100mW和50mW的偏置功率的TCR電阻。在圖4B的曲線圖410中示出了這些曲線402、404之間的差異。這些結(jié)果類似于圖2B-2C所示的測量?？衫眉倕?shù)來計算FEM結(jié)果的熱導(dǎo)率，以與測量結(jié)果直接比較。包括脫離接觸和接觸冷卻的有限元模型結(jié)果還顯示如圖2C所示類似的DETCR電阻變化相對于偏置的關(guān)系。這顯示FE模型預(yù)測設(shè)計性能和允許執(zhí)行靈敏度分析的潛力?，F(xiàn)參照圖5，流程圖示出了根據(jù)示例實施例的程序。方法包括將偏置信號施加至靠近磁頭的磁介質(zhì)讀取表面定位的電阻式熱傳感器。偏置信號在第一和第二偏置電平之間被調(diào)制（502）。測量對應(yīng)于第一和第二偏置電平的電阻式熱傳感器的第一和第二電阻（504）。第一和第二電阻可在頻域中，和/或在與偏置信號被調(diào)制的頻率對應(yīng)的頻率下測量第一和第二電阻。例如，可通過鎖定放大器和/或窄帶濾波器測量第一和第二電阻?？扇芜x地通過將功率施加至加熱器來調(diào)節(jié)磁傳感器與介質(zhì)之間的間距（506）?；诘谝缓偷诙娮柚g的差異確定磁頭與介質(zhì)之間的間距和接觸中的至少一個（508）。隨著磁頭更靠近介質(zhì)，磁頭與介質(zhì)之間的熱導(dǎo)率的增加導(dǎo)致電阻差異?？苫诘谝缓偷诙娮柚钕鄬τ谑┘又良訜崞鞯墓β实淖兓瘉泶_定間距/接觸。示例實施例的上述描述已被呈現(xiàn)用于說明和描述的目的。它們不旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，許多修改和變化是可能的。所公開的實施例的任何或所有特征可單獨或以任何組合應(yīng)用，不旨在限制，而僅是說明性的。本發(fā)明的范圍不旨在受詳細描述限制，而是由所附權(quán)利要求書確定。