一种多磁头并行的接触式读写硬盘

摘要

本发明提出了一种多磁头硬盘的解决方案，改变现有Winchester硬盘结构，大幅提升其读写速度。具体为在磁盘盘片的径向和环向布置多个接触式读写磁头，该硬盘的读写方法为：磁头架和磁头臂与驱动元件连接固定，保持不动，磁盘盘片转动，对每个磁头采取压电驱动方式进行驱动。对于硬盘顺序读写，读写速度与总体磁头数目大致成正比。对于硬盘随机读写，径向布置的磁头可降低寻道时间，环向布置的磁头可降低旋转延迟，因而可提升硬盘的随机读写速度，进而提高内部数据的传输速度。

权利要求

1.一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备，包括磁盘盘片，其特征在于：在所述磁盘盘片的径向和环向布置多个接触式读写磁头，多个所述磁头沿径向排布在磁头臂上，所述磁头臂末端通过连接线分别连接基座以固定并连接压电控制元件，所述磁头臂和所述磁头之间通过所述压电控制元件相连接，且单个所述压电控制元件控制单个所述磁头的径向移动，所述磁头包括磁头滑块、磁头极尖部位和基底，所述基底位于所述磁头滑块的底部，所述基底的底部设有超滑材料，所述磁盘上与所述基底超滑接触，所述磁头极尖部位位于所述磁头滑块的一侧。

2.如权利要求1所述的硬盘设备，其特征在于：多个所述磁头臂组成磁头架，所述磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触。

3.如权利要求1所述的硬盘设备，其特征在于：在所述磁头表面附着一层超滑材料，所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

4.如权利要求3所述的硬盘设备，其特征在于：在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料。

5.如权利要求4所述的硬盘设备，其特征在于：所述原子级光滑材料是类金刚石碳。

6.一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备，其特征在于：包括磁盘盘片和磁头架，所述磁头架包括磁头和磁头臂，在所述磁头臂的径向布置多个并行的接触式读写磁头，所述磁头臂末端通过连接线分别连接基座以固定并连接压电控制元件，所述磁头臂和所述磁头之间通过所述压电控制元件相连接，且单个所述压电控制元件控制单个所述磁头的径向移动。

7.如权利要求6所述的硬盘设备，其特征在于：所述磁头架包括多个所述磁头臂，所述磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触。

8.如权利要求6所述的硬盘设备，其特征在于：在所述磁头表面附着一层超滑材料，所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

9.如权利要求8所述的硬盘设备，其特征在于：在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料。

10.如权利要求9所述的硬盘设备，其特征在于：所述原子级光滑材料是类金刚石碳。

11.一种硬盘多磁头并行的接触式读写方法，其特征在于：其采用权利要求1-10任一所述的磁盘设备，磁头架和磁头臂与驱动元件连接固定，保持不动，所述磁盘盘片转动，对每个所述磁头采取压电驱动方式进行驱动，单个压电控制元件控制单个所述磁头的移动。

说明书

一种多磁头并行的接触式读写硬盘

技术领域

[0001] 本发明属于存储设备领域，尤其涉及一种多磁头并行的接触式读写机械硬盘。

背景技术

[0002] 随着信息产业的发展，人类对于各式各样信息技术的需求不断上升，诸如对信息处理的速度、信息传输的速度、人机界面的速度等等的需求永远不会满足于现状。因此，人类对于信息存储量的需求也是一样，需要快速、超高密度、稳定的读写的永久存储。

[0003] 现如今，无论在读写速度还是存储密度上，硬盘的发展都面临瓶颈。固态硬盘发展迅速，其读写速度明显高于机械硬盘，但其单位存储成本过高，安全性不足，数据损坏后基本无法修补，使用寿命短等致命缺陷，使其发展受到很大限制。

[0004] 现有主流机械硬盘，内部数据传输速度一般20MB/s-40MB/s之间，最高的也只有50MB/s左右。想要提高硬盘内部传输速度，就必须提高机械装置的效率。对于顺序读写，硬盘的读写速度应该是与磁头的数目成正比的。然而，对于随机读写，机械硬盘存在访问时间的问题。因此，对于整体读写速度的提升，并不与磁头数目成正比。

[0005] 硬盘的访问时间是指接到读写命令到硬盘磁头正式开始读或写之间的时间，是一个准备的过程。其主要包括以下四个部分：

[0006] (1)寻道时间，即硬盘接到读写命令后，利用音圈电机带动悬臂，将磁头从当前磁道移动到目标磁道的时间。现在，大型服务器里所用专业的高配硬盘寻道时间为4ms左右，而普通的硬盘寻道时间平均约为12ms。

[0007] (2)旋转延迟时间，经过寻道时间，磁头到达目标磁道后，还尚未到达目标扇区。这时，需要硬盘转动以将目标扇区送到磁头下。这里的平均时间一般算作硬盘转动半圈所需的时间。对于7200RPM的硬盘，其转动一圈的时间为8ms。因此，平均旋转延迟为4ms。

[0008] (3)命令处理时间，这个时间为硬盘内部电路传送指令，协调读和写的时间，这个时间很短，约为3us。

[0009] (4)稳定时间。在将磁头移动到目标磁道的过程中，有一定的惯性，会出现overhead。需要做出调整，才能将磁头准确到降落到目标磁道上。这个时间<0.1ms。

[0010] 访问时间最大的两块是寻道时间和旋转延迟。他们所耗费的时间和硬盘旋转一圈(连续读取一条磁道的数据)所需的时间是相当的。在硬盘的实际使用过程中，硬盘是时时都需要调整轨道的，访问时间对于硬盘整体的读写速度而言占了非常重要的一块，甚至可以说是硬盘性能体现的最重要的一个参数。

[0011] 事实上，关于多磁头技术，国际上已经有了一些专利的申请。有专利采取了双音圈电机，由两个音圈电机来分别独立控制两个磁头，进而进行独立读写，提高硬盘的读写速度。除了在同一个盘片上布置多个磁头外，现在数据库还采用一种多个硬盘同时读写的方式。对于同一个数据流，采用多个硬盘同时读或写，其实也就相当于多磁头同时读和写，只不过这里的多磁头是分布在多个硬盘里而已。当然，这种方法不适用于个人计算机的需求。

[0012] 还有一种多读写头同时工作的情况，随着存储密度的提高，磁道越来越窄，其尺寸甚至小于读写头的尺寸，相邻磁道会造成信息干扰。TDMR技术采用两个读写头(而非磁头)。磁头工作时，这两个读写头分布在相邻磁道上同时读写，一前一后一左一右的分布，采取信息处理后，可消除来自相邻磁道的信息干扰。

[0013] 自1973年IBM发明Winchester硬盘以来，硬盘的核心机械结构基本没有发生大的变化，我们无法大幅度降低硬盘的访问时间，这是目前硬盘内部传输性能不佳的主要问题。而只是采用多磁头来提升硬盘的读写速度，效果也是不明显的。

发明内容

[0014] 本发明所要解决的技术问题是要针对现有技术的缺陷，提供一种多磁头并行的接触式读写硬盘及硬盘多磁头并行的接触式读写方法。

[0015] 本发明的一个实施例中，一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备，其特征在于：包括磁盘盘片，在所述磁盘盘片的径向和环向布置多个接触式读写磁头。

[0016] 优选的，多个所述磁头沿径向排布在磁头臂上，多个所述磁头臂组成磁头架，所述磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触。

[0017] 优选的，所述磁头臂末端通过连接线分别连接基座以固定并连接驱动元件。

[0018] 优选的，在所述磁头表面附着一层超滑材料，所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

[0019] 优选的，在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料，优选的，所述原子级光滑材料是类金刚石碳。

[0020] 此外，本发明还公开了，一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备，其特征在于：包括磁盘盘片和磁头架，所述磁头架包括磁头和磁头臂，在所述磁头臂的径向布置多个并行的接触式读写磁头。

[0021] 优选的，所述磁头架包括多个所述磁头臂，所述磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触。

[0022] 优选的，所述磁头臂末端通过连接线分别连接基座以固定并连接驱动元件。

[0023] 优选的，在所述磁头表面附着一层超滑材料，所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。

[0024] 优选的，在所述磁盘上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料，优选的，所述原子级光滑材料是类金刚石碳。

[0025] 同时，本发明还公开了，一种硬盘多磁头并行的接触式读写方法，其采用上述的磁盘设备，磁头架和磁头臂与驱动系统连接固定，保持不动，硬盘盘片转动，对每个磁头采取压电驱动方式进行驱动，以微纳米尺寸调整磁头位置对数据进行读写。

[0026] 采用上述结构的多磁头并行的接触式读写硬盘及硬盘多磁头并行的接触式读写方法，可以获得以下有益效果：

[0027] 本发明基于超滑材料形成的接触式读写多磁头硬盘，通过微加工技术集成磁头臂，避免了结构设计的复杂性，也降低了多磁头的整体结构成本。

[0028] 本发明采用压电的方式对每个磁头进行驱动，有效减小多磁头运动带来的能耗增加。

[0029] 本发明显著减少寻道时间及旋转延迟，硬盘读写速度随并行磁头数目成倍增加。

[0030] 本发明接触式读写有效减少传统硬盘飞高，从而提高读写分辨率，可大幅度提高硬盘存储密度。

[0031] 本发明磁头与磁盘直接接触，可提高硬盘使用稳定性及数据安全性。

附图说明

[0032] 图1：根据本发明中一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备的俯视图；

[0033] 图2：根据本发明中一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备的侧视图；

[0034] 图3：根据本发明中一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备的实物照片；

[0035] 图4：根据本发明中一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备的磁头架实物照片的局部放大图；

[0036] 图5：根据本发明的实施例的接触式磁头部件的侧视图与仰视图；

[0037] 图6：根据本发明的另一实施例的接触式磁头部件的侧视图与仰视图。

[0038] 附图标记：1为磁盘盘片，2为包括磁头及磁头臂的磁头架，3为连接磁头臂的固定及驱动系统。21为磁头，22为超滑材料，23为压电器件，24为磁头臂，25为磁头架中心，31为连接控制压电信号连接线，211为磁头滑块，212为磁头极尖部位，213为基底，214为弹性粘胶。

具体实施方式

[0039] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

[0040] 如图1所示，一种多磁头并行的接触式读写硬盘设备，该磁盘设备包括磁盘盘片1，在所述磁盘盘片1的径向和环向布置多个接触式读写磁头，在所述磁头表面附着一层超滑材料，所述超滑材料为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母，在所述磁盘盘片1上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料，优选的，所述原子级光滑材料是类金刚石碳。所述多个磁头可以布置在磁头架2之下，磁头架2的一端连接到固定及驱动系统3，驱动系统3可以是压电控制元件。

[0041] 图2示出了一种多磁头并行的接触式读写硬盘的侧视图，其中采用微加工的方式将多个读写磁头21并列排布于磁头臂24上，磁头臂24上含有用于控制磁头的压电陶瓷材料，在每个磁头21的下表面附着一层超滑材料22，所述超滑材料22为石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母，在所述磁盘盘片1上设置相应的薄膜涂层，所述薄膜涂层为具有原子级光滑的材料，优选的，所述原子级光滑材料是类金刚石碳，磁头架置于磁盘中心且不与磁盘轴承接触，磁头臂24沿磁盘径向排布，磁头臂24上磁头数目即为径向磁头数目，多个磁头臂24平均分布于磁头架上，磁头臂24末端通过连接线31分别连接基座以固定并连接压电控制元件23以驱动磁头臂24进而控制磁头21，磁头臂24数目即为环向上的多个磁头21数目，图3、4示出了多磁头并行的接触式读写硬盘设备的实物照片和磁头架的局部放大图。对于磁盘盘片1上的多个扇区，沿磁头架2径向上分布的一个或者多个磁头21，同时，对于磁盘盘片1的环向，则磁头架2上沿每个不同半径的圆周上都设置有磁头21，通过增加环向和径向布置的磁头21的数量，从而进一步减少磁盘盘片1的旋转延迟。

[0042] 本发明的实施例中所采用的接触式磁头部件可以采用如图5所示的结构，其包括：磁头滑块211、磁头极尖部位212、基底213、超滑材料22，在使用过程中接触式磁头部件的超滑材料22接触磁盘盘片1的上表面。

[0043] 本发明的另一实施例中也可以采用如图6所示的接触式磁头部件，其包括：磁头滑块211，磁头极尖部位212，超滑材料22，弹性粘胶214。与图5的不同之处主要在于，超滑材料22通过弹性粘胶214固定于磁头滑块211底部的凹槽中。

[0044] 下面将详细阐述制造超滑材料22的方法。包括如下步骤：

[0045] 步骤1，提供基底，所述基底可以是石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)基底或者天然石墨，或者基底材料的内部原子有局部存在层间非公度接触的可能，或者所述超滑材料为在下表面铺有石墨或石墨烯等具有超滑性质的材料。

[0046] 步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态。具体来说，可以包括如下步骤：步骤2-1，在所述基底上依次覆盖保护层和光刻胶，所述保护层可以是SiO2，厚度可以是例如50nm～500nm，可以利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO2保护层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。而后在步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛平均直径可以是1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。此后在步骤2-3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。

[0047] 当然也可以不覆盖所述保护层，而直接在基底上覆盖光刻胶并进行岛状结构的刻蚀，从而形成不带保护层的岛状结构。

[0048] 步骤3，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑解理面，将岛状结构推开后形成的下表面具有超滑解理面的超滑结构即为所述超滑材料。

[0049] 硬盘在具体运作时，磁头架2和磁头臂24与驱动系统连接固定，保持不动，磁盘盘片1转动，磁头21通过压电驱动方式对磁头21的径向进行控制，以微纳米尺寸调整磁头21的位置对数据进行读写，对于硬盘顺序读写，读写速度与总体磁头数目大致成正比；由于在径向和环向都设置有磁头21，且磁头21在微纳米尺寸内对数据进行读写，每个磁头21在径向上对应一个或者多个扇区。对于硬盘随机读写，径向布置的磁头21可降低寻道时间，环向布置的磁头可降低旋转延迟，环向磁道上的磁头21的数目与旋转延迟的时间成反比，对于7200RPM的硬盘，现在的旋转延迟为4ms，如果布置40个磁头臂24，即一个轨道上布置40个磁头21，可将旋转延迟降低为0.1ms。

[0050] 本发明基于超滑材料形成的接触式读写多磁头硬盘，通过微加工技术集成磁头臂，避免了结构设计的复杂性，也降低了多磁头的整体结构成本；采用压电的方式对每个磁头进行驱动，有效减小多磁头运动带来的能耗增加；同时，显著减少寻道时间及旋转延迟，硬盘读写速度随并行磁头数目成倍增加；接触式读写有效减少传统硬盘飞高，从而提高读写分辨率，可大幅度提高硬盘存储密度；磁头与磁盘直接接触，可提高硬盘使用稳定性及数据安全性。

[0051] 以上所述实施例仅为本发明的较优化的实施例，本发明不局限于上述实施例，还应允许其它的变化。凡在本发明独立权要求范围内变化的，或本领域一般技术人员可以依据本发明轻易想到的变化，均属于本发明的保护范围。

[0052] 此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。