雷射都卜勒振動儀系統簡介及其在產品檢測之應用

1. 雷射都卜勒振動儀系統簡介及其在產品檢測之應用

2. White Light Interferometry

3. Newton’s Color Scale

4. Newton’s Color Scale

5. White Light Interferometry

6. White Light Interferometry

7. White Light Interferometry Reference :[10]

8. Mechanical Fixtures Design of Differential LDV/LDI (IBM) 1.XY-translation stage 2.Right angle prism mirror 3.Polarization beam splitter 1.XY-translation stage 2.Right angle prism mirror 3.Polarization beam splitter 4.Optical head 5.Tilt-rotation stage 6.Platform

9. AVIDTM Optical Configurations Three-In-One Optical Configurations Rotatable Aperature Mount PBS 1 Mirror mirror Laser Fiber B E A M 1 Microscope Observing lens B E A M 2 port 4 % N P B S C C D Q W ( 4 5 ) Corner cube P B S 3 L1 C1 P D 1 P B S 2 P D 4 P B S 4 Mirror (with P D 2 calibration PZT) P D 3 Long-distance interferometer configuration Single-beam configuration Dual-beam configuration

10. AVIDTM Mechanical Configuration Built-In Stages

11. 磁碟機的重要元件 • HDA (Head Disk Assembly) • 主軸馬達(spindle motor) • 滑行體(slider) • 產生空氣浮力(air bearing)磁頭位於其上 • Load/Unload技術 • 讀寫時才將磁頭動態載入磁碟片上方 • 減少磁頭與碟片表面間的磨耗 • 磁碟機受撞擊時可以即時將磁頭拉回避免磁頭撞毀 • HDI (head disk interface)仍為當前重要考量 • MAGNUS可於完成之磁碟機中進行磁頭飛行高度量測，空氣軸承動力行為及HDI量測為磁碟機領域重要技術

12. Magnetic Nanometer Universal measurement System • Purpose: Clearance measurement tool • Vertical clearance磁頭的垂直飛行高度, spin-down, spin up. • Lateral clearance (TMR) • Velocity Jitter • Characteristics: • Use Wallace spacing loss theory to measure disk head flying clearance • Use ratios and differences to obtain absolute values • Has extremely wide application arena and has the following advantages • Applicable to all type of heads i.e. MIG-Ferrite, inductive, MR, GMR etc. • Immune from magnetic medium problem • Usable in non uniform magnetized media

13. 硬式磁碟機讀寫頭飛行高度量測技術 • 白光干涉術（white light interferometry） • 必須要使用透光的碟片以及滑行體（slider） • 可經由觀察顯現的明暗條紋來判斷滑行體與碟片之間的距離 • 以白光干涉術量測的極限在商品化的產品是100nm至125nm左右 • 目前的硬碟機磁頭飛行高度大約為20nm

14. 雷射都普勒干涉儀量測硬式磁碟機讀寫頭飛行高度雷射都普勒干涉儀量測硬式磁碟機讀寫頭飛行高度 • 雷射都普勒干涉儀以聲光調變(acousto-optical modulation)的光束，打在振動的反射面上，其會被反射面產生頻率調變。此頻率調變與移動平面在與光束平行方向的速度分量成正比。

15. Theory of Operation • 華勒士空間磁損耗（Wallace spacing loss）理論 • 磁頭與磁軌之間產生的磁化強度在x方向為Mx(x),令磁頭的磁場函數為Hx(x,y)且x’=vt: • 同樣的在y方向為 • 總合的磁通量為 • 磁頭讀取出的電壓訊號為 • 以下為了簡化問題只考慮一個方向的磁通量貢獻值（例如 ），對其取傅利葉轉換則可得 for MR, GMR head for inductive head

16. Theory of Operation • 對讀出的電壓值取傅利葉轉換可得 • 其中x, z平面選擇在讀取頭的磁極之下方。更進一步假設在此平面之下無磁場作用（沒有磁軌）。因此純量磁勢能的拉普拉斯方程式為 • 對 取傅利葉轉換可得 • 令 可得磁頭磁場的一般性空間相關性傅利葉方程式 • 將上式代入 磁頭讀取電壓方程式而得 for MR, GMR head for inductive head for inductive head for MR, GMR head

17. Theory of Operation • 將上式對於整個實體磁軌的寬度與深度做積分，可以當作每個磁軌i的磁場總和。可以將共同的參數 提出，而y0則是磁介質表面的y座標值。 • yi是指第i個磁軌到磁介質表面的內部距離。現在我們偵測讀回訊號e(x’)的第一個共振頻率（k1=2π/λ1），以及第三個共振頻率（k1=6π/λ1）的大小。我們可以寫出下式: • 在MAGNUS系統中這個共振頻的比例以如下的方式處理： • 現在我們將 代入上式，則上式變為 • 不需考慮磁頭磁碟之頻率轉移函數 for inductive head for MR, GMR head

18. Theory of Operation • 令磁頭讀取同一軌，改變其飛行高度為y0+△y可以得到敏感度S • S=4πK/λ1 • 選擇第一及第三基頻而不選擇偶數項倍頻的原因 • 高頻鎖相放大的特性 • 產生方波較正弦波為易 • 僅具奇數項基頻 • 可以利用磁訊號的擷取以及探討第一及第三基頻訊號的比值，得到相對變動的磁訊號大小與飛行高度的關係。惟此法必須確定所得訊號中之某一點為訊號基準點，而所有其他高度的資料均可經由與此基準訊號比對得知。

19. 量測物理量

20. Lock-in Amplifier原理 • Phase sensitive detection • If wr=wLand pass through a low-pass filter, only DC pass • Vpsd will show its maximum when θsig= θref

21. 訊號處理方法 • 對於一個頻率為f1=ω1/2π，與磁頭讀回的訊號同步的方波訊號取傅利葉級數Vf1。此方波訊號的3倍頻其傅利葉級數為Vf3。 • 若以上述訊號對原訊號作鎖相放大，得到的是原訊號中的奇數項component • 若進行以下處理 ，則第一個高頻的訊號是五倍頻，其大小也被除了五倍，對原來訊號的影響較小

22. 以Lock-in方式測出原訊號之第一與第三共振頻之大小 • 利用PLL(phase lock loop) ，鎖定原來的magnetic transition訊號的頻率，產生同步的方波訊號。 • 再利用鎖相原理以一個同頻率的方波去lock-in原有的訊號，取出其一倍頻的component。 • 利用三倍頻的電路，產生原訊號三倍頻的方波，再以三倍頻的方波去lock-in原來的訊號，取出其三倍頻的component。

23. 鎖相放大器之硬體架構 • Stanford Research System出品的SR844 RF Lock-in Amplifier • 符合系統頻寬需求(10MHz) • 其頻寬為200MHz • 以數位方式做鎖相放大與濾波 • 提高波形精確度 • 增加其可用動態範圍

24. 輸入電路阻抗匹配 • 由磁碟機讀寫頭感應回來的電壓訊號，其電壓值非常低，磁碟機內部以前置放大器（pre-amplifier）將其放大，再送入後端數位訊號處理。因此本論文採用的訊號源為經過磁碟機內部類比放大器放大的訊號（RDX, RDY）。 • （RDX, RDY）為微小電流源訊號 • 必須先串聯一電阻，轉換成為電壓訊號。 • 使用差動主動式高阻抗的探針(active differential probe) • 在高頻的範圍內，維持高阻抗，使硬碟機內部電路不致有過大的負載。 • 以三至五顆的運算放大器，組成儀器放大器（instrumentation amplifier），則電路可以保持在高頻時仍有高阻抗。 • 被動式探針的主要問題在於其輸入阻抗會隨著頻率增高而降低 • 其等效電路為1~10M的電阻並聯15pF的電容。

25. 鎖相迴路 （Phase-Lock Loop, PLL） • 鎖相迴路（Phase-Lock Loop）常被用來作頻率的控制 • 可以當作倍頻器（frequency multipliers） • 解調器（demodulators） • 軌跡追蹤產生器（tracking generators） • 時脈回復電路（clock recovery circuits） • 倍頻電路（frequency multiplier） • 其做法為在基本的PLL上加上除以n的記數器（counter）作回授

26. MAGNUS系統架構

27. 磁頭飛行高度的量測(訊號擷取) • 3吋磁碟機（代號BullFrog） • 台灣英銳股份有限公司提供 • 單片雙磁頭架構，容量為6GB（6 Giga Bytes） • 磁碟機測試控制英銳公司88C3120介面卡 • 控制磁頭的讀寫動作 • 其介面為AT16bit，non-plug and play形式 • 配合MISTY軟體（ver0.810）來作人機介面控制。 • 訊號線接在磁碟機的電路板（PCB）上的RDX, RDY接點 • 使用細同軸電纜（BNC），並將其外覆細網互相連接，以降低雜訊。 • 串接上10kΩ的電阻，作為匹配電路，將RDX, RDY訊號轉換成電壓訊號。

28. Load / Unload 技術對於實驗上的影響 • 以load/unload技術作成的硬碟停機時會將磁頭移到磁片外，造成z方向(軸向)的磁場分量，對於理論分析將有未分析到的z分量，且由於降落點在磁片外，讀寫頭降落時無法感應磁場，因此無法利用正常的關機方式(如spin down法)量測降落過程。 • 必須採取一種稱為pumpdown的實驗方法來驗證理論。

29. 硬碟飛行高度的pump down量測法 • 一種測量飛行高度的方法，稱之為Pump down法。是將磁碟內的空氣慢慢抽掉，直到磁碟機內部空氣不足以支持滑行體為止。將內部空氣抽乾會造成磁碟片表面的薄膜蒸發掉，而使得碟片產生污染。而Pump down的好處是磁頭飛行速度維持固定，因此量測時的頻率可維持固定，且可保持平常運轉時的馬達伺服狀態。此法可用於量測在不同半徑的磁軌的磁頭飛行高度，而不僅止於在spin-down法中的起飛點與降落點。

30. AVID Interferometer reference Lecroy AM574 oscilloscope Active differential probe Trigger Source 抽氣 真空腔體 實驗方法 Key Solve: Lock-in Amp. 以Labview處理資料

31. 磁頭飛行高度的量測(雷射都普勒干涉儀架設 ) • AVIDTM（Advanced Vibrometer/Interferometer Device）系統 振動量測頻寬為DC~20MHz • 量測訊號之解析度為0.5nm • 單光束 • 絕對振動量測（Absolute displacement measurement） • 雙光束 • 相對振動量測（Differential displacement measurement） • 第一束光打在裝置磁頭的滑行體（slider）上，另一束光打在磁碟片表面上

32. 實驗方法

33. 【實驗結果】磁間隙訊號相當的飛行高度與雷射都普勒干涉儀量測的飛行高度比較圖