專利名稱：一種新型近場光存儲深亞微米微飛行頭的制作方法
技術領域：
本發明設計屬于近場光存儲深亞微米近場間距控制器件，屬光存儲技術領域，用于近場光存儲主光學單元的承載，并且嵌入固體浸沒透鏡(SIL)與物鏡，保持工作過程中SIL與盤面的深亞微米近場間距，特別涉及深亞微米微飛行頭底面氣墊面設計。
背景技術：
超高密度超高速海量光存儲是一個新興的、多學科交叉的高科技領域，匯集電子、機械、材料、制造、測試等多個學科，具有廣闊的應用前景。采用了固體浸沒透鏡(SIL)的近場光存儲技術，成像分辨率突破衍射極限，將存儲密度至少提高一個數量級。在基于SIL的近場光存儲系統中，要使壓縮形成的深亞微米光斑幾乎不擴大的直接耦合到存儲介質有以下關鍵技術和難點首先必須保證SIL底面與存儲介質的間距穩定在超亞微米的近場范圍內，以獲得良好的近場耦合效率；其次為保證激光束經過物鏡后能準確聚焦于SIL底面，要求二者間距變化小于100nm。因此，必須研制適用于近場光存儲系統的承載飛行頭，搭載SIL和物鏡等光學器件，快速跟蹤工作過程中盤面高速旋轉產生軸向偏擺和自身振顫，獲得相對穩定的近場間距，并保證物鏡后工作距恒定。為克服傳統光學頭結構復雜、質量大、響應速度慢等弱點，提高系統的數據傳輸率，承載微飛行頭應基于集成化的主光學單元，尋求合理的工作機理和結構設計，使其具有集成化、微型化、高頻響、大承載及工作姿態穩定等優點。現有技術無法滿足上述要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型的深亞微米微飛行頭，以克服現有技術的不足，實現主光學單元承載，同時嵌入固體浸沒透鏡(SIL)和物鏡，在盤片高速旋轉的過程中，將SIL與盤面間距控制在100nm以內，保證SIL與盤面近場間距遠遠小于波長的工作條件，而且物鏡的后工作距保持很定，并保證在整個工作半徑范圍內，SIL中心點近場工作距相對穩定。
本發明公開了一種新型近場光存儲深亞微米微飛行頭，包括承載微工作臺、固體浸沒透鏡(SIL)和聚焦物鏡，其特征在于所述承載微工作臺底面整體上是沿長度方向和寬度方向的拋物面疊加形成的類球面，承載微工作臺前端開有用于嵌入SIL的中心槽；所述SIL的上半部分為球冠面，下半部分為用于裝卡定位的長方體基座，所述長方體基座的底面為正方形，所述SIL采用微裝配技術嵌入所述承載微工作臺前端的中心槽；所述聚焦物鏡通過底部的圓柱形平臺粘結在所述承載微工作臺上表面。
所述微飛行頭底面主要由設置在承載微工作臺上的軌道、主通氣槽和固體浸沒透鏡構成，其中根據刻蝕高度不同，軌道分布于氣墊面和淺通氣槽，在氣流引入邊布置有引入邊淺通氣槽第一軌道，在所述淺通氣槽第一軌道上布置有氣墊面引入邊主軌道，在微飛行頭引入邊兩側布置有長方體第一保護軌道和長方體第二保護軌道，在氣墊面引入邊主軌道前方布置有圓柱形第一保護軌道和圓柱形第二保護軌道；在微飛行頭中部布置有開放式主通氣槽，在主通氣槽兩側布置有圓柱形第三保護軌道和圓柱形第四保護軌道，在主通氣槽中部布置有氣流流量調整第一軌道和氣流流向調整第二軌道；在微飛行頭氣流導出邊中部設有SIL基座底面形成的正方形軌道，在SIL基座底面兩側，沿氣流導出邊分別布置有圓柱形第五保護軌道和圓柱形第六保護軌道，以及淺通氣槽第二軌道和淺通氣槽第三軌道；在淺通氣槽第二軌道上布置有耳形第一軌道，在淺通氣槽第三軌道上布置有耳形第二軌道。
本發明的有益效果為1.深亞微米微飛行頭采用氣體動壓支撐的工作方式，結構緊湊，抗擾動能力強，獲得的近場間距穩定。2.將SIL作為微飛行頭底面一個軌道的設計便于獲得更高的近場耦合效率。3.將SIL與物鏡集成于一個承載微工作臺保證了物鏡的后工作距恒定。4.微飛行頭采用了正負壓力并存的結構設計，在整個尋道過程中，對氣流速度的變化不敏感。5.微飛行頭采用了開放式主通氣槽設計，主通氣槽產生的負壓力對灰塵顆粒具有良好的吸附作用，同時，灰塵顆粒能夠從主通氣槽兩側導出，避免流入SIL底面，造成對SIL的磨損，提高了微飛行頭的耐用性。6.微飛行頭前端的兩個耳形軌道上的正壓力，提高了微飛行頭的滾動方向承載剛度。7.微飛行頭SIL兩側的立柱結構，可以在頭/盤發生接觸時保護SIL。在氣流線速度為13.2m/s時，本微飛行頭的承載力大于90mN，最小近場間距為44nm。滿足近場光存儲系統的需要。
圖1a為近場光存儲深亞微米微飛行頭的結構示意圖。
圖1b為圖1a的A-A剖視圖。
圖2為圖1中承載微工作臺的底面軌道示意圖。
圖3為圖1中聚焦物鏡的結構示意圖。
圖4為圖1中SIL的結構示意圖。
圖5a為微飛行頭工作原理圖。
圖5b為微飛行頭底面軌道的結構示意圖。
圖6為工作情況下，微飛行頭的底面壓力分布圖。
具體實施例方式
下面結合附圖來說明本發明的具體實施方式
和工作原理。
如圖1a、圖1b、圖2、圖3和圖4所示，本發明所述近場光存儲深亞微米微飛行頭，包括承載微工作臺1、固體浸沒透鏡(SIL)3和聚焦物鏡2。為提高頭/盤界面摩擦學特性，承載微工作臺1底面整體上是沿長度方向和寬度方向的拋物面疊加形成的類球面，承載微工作臺1前端開有用于嵌入SIL的中心槽。SIL 3的上半部分為球冠面，下半部分為用于裝卡定位的長方體基座，所述長方體基座的底面為正方形，所述SIL采用微裝配技術嵌入所述承載微工作臺前端的中心槽。聚焦物鏡2用于采用玻璃加工，它通過底部的圓柱形平臺粘結在承載微工作臺1上表面。
承載微工作臺1采用三氧化二鋁和碳化鈦的摻雜物加工，承載微工作臺1的整體尺寸為2.05mm×1.6mm×0.5mm，其前端開槽尺寸為0.86mm×0.86mm，其底面刻飾有16條軌道形成的復雜三維形貌。SIL 3采用鈦酸鍶材料制成，其上半部分為半徑為0.43mm的球冠面，下半部分為長方體基座，基座的底面為邊長為0.86mm的正方形，基座高度為0.1mm。
微飛行頭在工作過程中，采用動壓空氣薄膜支撐，如圖5a所示，微飛行頭通過被支撐點與近場光存儲系統相連，工作過程中，盤面高速旋轉形成附面氣流，氣流從微飛行頭氣流導入邊導入微飛行頭和盤面之間，由氣流導出邊導出。附面氣流在微飛行頭底面氣墊面(軌道)的作用下，形成厚度為幾十納米的動壓空氣潤滑薄膜，產生系統工作所需的近場間距。微飛行頭在動壓薄膜氣浮力、主光學單元加載力和自身重力作用下，達到穩定飛行狀態。微飛行頭在工作過程中，具有豎直方向的平動，沿長度方向的俯仰轉動和寬度方向的滾動轉動三個自由度，工作過程中，氣流方向與微飛行頭中心線的夾角成為巡航角。
所述微飛行頭底面主要由設置在承載微工作臺上的軌道、主通氣槽和固體浸沒透鏡構成，其中根據刻蝕高度不同，軌道分布于氣墊面和淺通氣槽，如圖5b所示，在氣流引入邊布置有引入邊淺通氣槽第一軌道503，在所述淺通氣槽第一軌道503上布置有氣墊面引入邊主軌道502，在微飛行頭引入邊兩側布置有長方體第一保護軌道501和長方體第二保護軌道504，在氣墊面引入邊主軌道前方布置有圓柱形第一保護軌道518和圓柱形第二保護軌道505；在微飛行頭中部布置有開放式主通氣槽507，在主通氣槽507兩側布置有圓柱形第三保護軌道517和圓柱形第四保護軌道506，在主通氣槽中部布置有氣流流量調整第一軌道515和氣流流向調整第二軌道516；在微飛行頭氣流導出邊中部設有SIL基座底面形成的正方形軌道508，在SIL基座底面兩側，沿氣流導出邊分別布置有圓柱形第五保護軌道512和圓柱形第六保護軌道511，以及淺通氣槽第二軌道514和淺通氣槽第三軌道509；在淺通氣槽第二軌道514上布置有耳形第一軌道513，在淺通氣槽第三軌道509上布置有耳形第二軌道510。
微飛行頭底面按刻蝕的深度分為三層最低一層凹進去的部分為主通氣槽(main recess)507，中間為淺通氣槽(Shallow recess)，包括淺通氣槽第一軌道503、淺通氣槽第二軌道514、淺通氣槽第三軌道509和氣流流向調整第二軌道515。除主通氣槽和淺通氣槽外的其他各軌道形成位于最上方的氣墊面(ABS)。氣墊面與淺通氣槽的高度差為140nm，與主通氣槽的高度差為2.3μm。氣墊面涂有20的類金剛石薄膜(diamond-like carbon，DLC)，該結構是一層透明的絕緣鈍化膜，具有很高的硬度，可保護飛行頭氣墊面不受各種物理作用和化學作用的腐蝕，同時增強滑塊在飛行過程中的耐磨程度，極大的改善頭盤界面的摩擦學特性。微飛行頭工作過程中，氣流從圖5b中所示的左側邊導入，右側邊導出。在微飛行頭底面上，邊長0.86mm的正方形軌道508是由SIL的基座底面形成的，SIL基座底面作為滑塊氣墊面一條軌道的設計保證SIL和盤片的頭盤間距小于100nm，獲得了較高的近場耦合效率。
微飛行頭底面壓力分布如圖6所示，工作過程中，光盤高速旋轉產生附面氣流，氣流由引入邊進入飛行頭底面，首先由圖5b中淺通氣槽第一軌道503流向氣墊面引入邊主軌道502，因氣墊面和淺通氣槽的高度差極小，附面氣流受到極大的擠壓，形成引入邊的正壓力。當氣流進入主通氣槽507時，因主通氣槽和氣墊面存在相對較大的高度差，氣流此時進入一個相對開闊的區域而迅速膨脹，使被壓縮的氣流迅速釋放，此時在主通氣槽產生小于大氣壓的氣浮力，形成將飛行頭吸引向盤片表面的負壓力，即出現負壓效應。位于主通氣槽中心的氣流流量調整第一軌道515和氣流流向調整第二軌道516減小了主通氣槽的面積，提高了飛行頭的承載能力，調整了氣流的流向，減小了SIL底面的灰塵顆粒流量，同時該組合產生的正壓力對飛行頭的俯仰角有一定影響。氣流經過主通氣槽507流向SIL底面形成的正方形軌道508再次被壓縮，形成導出邊的正壓力，它和引入邊的正壓力共同支撐飛行頭，使之與盤片保持近場間距。淺通氣槽第三軌道509和耳形第二軌道510，以及淺通氣槽第二軌道514和耳形第一軌道513上的正壓力將影響飛行頭的滾動角大小，并在一定程度上提高了飛行頭的運動剛度，增強了飛行頭的抗擾動性。長方體第一保護軌道501、長方體第二保護軌道504，圓柱形第一保護軌道518、圓柱形第二保護軌道505、圓柱形第三保護軌道517、圓柱形第四保護軌道506、圓柱形第五保護軌道512和圓柱形第六保護軌道511構成飛行頭的停泊點，一旦工作過程中發生頭盤接觸，碰撞將最先發生在停泊點，避免劃傷SIL及淺通氣槽第一軌道503和氣墊面引入邊主軌道502。
通過計算可知，飛行過程中的附面氣流改變將引起正壓力和負壓力同步變化，保證了凈壓力相對恒定，從而使飛行頭在不同轉速、不同半徑、不同海拔高度具有更加恒定的飛行高度。因此負壓力的存在極大提高了飛行頭的承載剛度，使其具有更強的抗擾動性和更好的自適應性。這種正負壓力并存的結構極大提高了飛行頭的性能，并有效的減小了加工誤差對飛行頭飛行高度的影響。
權利要求
1.一種新型近場光存儲深亞微米微飛行頭，包括承載微工作臺、固體浸沒透鏡和聚焦物鏡，其特征在于所述承載微工作臺底面整體上是沿長度方向和寬度方向的拋物面疊加形成的類球面，承載微工作臺前端開有用于嵌入固體浸沒透鏡的中心槽；所述固體浸沒透鏡的上半部分為球冠面，下半部分為用于裝卡定位的長方體基座，所述長方體基座的底面為正方形，所述固體浸沒透鏡采用微裝配技術嵌入所述承載微工作臺前端的中心槽；所述聚焦物鏡通過底部的圓柱形平臺粘結在所述承載微工作臺上表面。
2.根據權利要求1所述的微飛行頭，其特征在于所述微飛行頭底面主要由設置在承載微工作臺上的軌道、主通氣槽和固體浸沒透鏡構成，其中根據刻蝕高度不同，軌道分布于氣墊面和淺通氣槽，在氣流引入邊布置有引入邊淺通氣槽第一軌道(503)，在所述淺通氣槽第一軌道(503)上布置有氣墊面引入邊主軌道(502)，在微飛行頭引入邊兩側布置有長方體第一保護軌道(501)和長方體第二保護軌道(504)，在氣墊面引入邊主軌道前方布置有圓柱形第一保護軌道(518)和圓柱形第二保護軌道(505)；在微飛行頭中部布置有開放式主通氣槽(507)，在主通氣槽(507)兩側布置有圓柱形第三保護軌道(517)和圓柱形第四保護軌道(506)，在主通氣槽中部布置有氣流流量調整第一軌道(515)和氣流流向調整第二軌道(516)；在微飛行頭氣流導出邊中部設有固體浸沒透鏡基座底面形成的正方形軌道(508)，在固體浸沒透鏡基座底面兩側，沿氣流導出邊分別布置有圓柱形第五保護軌道(512)和圓柱形第六保護軌道(511)，以及淺通氣槽第二軌道(514)和淺通氣槽第三軌道(509)；在淺通氣槽第二軌道(514)上布置有耳形第一軌道(513)，在淺通氣槽第三軌道(509)上布置有耳形第二軌道(510)。
3.根據權利要求1所述的微飛行頭，其特征在于所述承載微工作臺是采用三氧化二鋁和碳化鈦的摻雜物加工制成的。
全文摘要
一種新型近場光存儲深亞微米微飛行頭，屬光存儲技術領域。為了克服現有技術三不足，本發明公開了一種近場光存儲深亞微米微飛行頭，包括承載微工作臺、SIL和聚焦物鏡，承載微工作臺底面整體上是沿長度方向和寬度方向的拋物面疊加形成的類球面，承載微工作臺前端開有中心槽；SIL上半部分為球冠面，下半部分為用于裝卡定位的長方體基座，長方體基座的底面為正方形，SIL采用微裝配技術嵌入所述承載微工作臺前端的中心槽；聚焦物鏡通過底部的圓柱形平臺粘結在承載微工作臺上表面。本發明采用了集成SIL與物鏡于一體的結構設計，保證在工作過程中物鏡后工作距恒定，提高了飛行頭的近場耦合效率、飛行穩定性和抗擾動能力。
文檔編號G11B21/21GK1564250SQ20041000347
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月30日 優先權日2004年3月30日
發明者李慶祥, 趙大鵬, 訾艷陽, 李玉和, 郭陽寬, 王亮 申請人:清華大學