CN100476954C - 用于磁头万向悬挂支架组件的薄膜压电式微致动器 - Google Patents

Abstract

公开了一种薄膜压电(PZT)式微致动器。两片PZT薄膜片耦合至滑块支持框架。滑块支持框架具有滑块支持体，滑块支持体通过主梁被连接到基底。两片PZT薄膜片将滑块支持体连接到基底。所施加的电压导致PZT薄膜片收缩或伸展，使滑块支持体相对于基底移动。PZT薄膜片可以是单层或多层的。通过各向异性导电薄膜，薄膜PZT微致动器可耦合至悬架，并使PZT薄膜片介于T形滑块支持框架和悬架之间。另外，薄膜PZT微致动器可耦合至悬架，并使PZT薄膜片向外至T形滑块支持框架和悬架。

Description

用于磁头万向悬挂支架组件的薄膜压电式微致动器

背景技术

本发明的目的在于硬盘驱动器磁头万向悬挂支架组件中使用的微致动器。更具体地，本发明与薄膜压电式微致动器有关。

图1说明了本领域典型的硬盘驱动器设计。硬盘驱动器100是通用的信息存储器件，基本上由一系列被磁性读写元件存取的可旋转盘104组成。一般称为转换器的这些数据传送元件通常被滑块主体110所承载并被嵌入滑块主体110中，在形成于盘上的离散数据磁道上方，滑块主体110被保持在很近的位置上，以此允许读/写操作可被实施。通过悬架将滑块保持在盘上方。悬架具有负载梁和挠曲，其允许在与所述盘垂直的方向上的移动。通过音圈电机使悬架围绕枢轴旋转以此提供粗略的位置调整。微致动器使滑块耦合至悬架末端并允许进行精细的位置调整。

为了相对于盘表面适当地放置转换器，在滑块主体110上形成的空气支承表面(ABS)经受着流动的气流，该流动气流提供了足够的升力以使滑块110(和转换器)在盘数据磁道上“漂浮”。磁盘104的高速旋转产生了沿其表面以基本上平行于该盘切向速度方向的流动气流或者风。气流与滑块主体110的ABS合作，使得滑块在自旋的盘上飘浮。实际上，悬置的滑块110通过这个自激的气体支承与盘表面104物理分离。滑块110的ABS通常被配置在面对旋转盘104(参见下文)的滑块表面上，并且极大地影响了滑块在各种状态下于盘上飘浮的能力。

图2a说明了具有U-形陶瓷框架结构201的微致动器。框架201由比如氧化锆制成。框架201具有与基底203相对而置的两个臂202。滑块204被两个臂202保持在与基底203相对的末端。压电材料带205被附加到每个臂202。结合片206允许滑块204电连接到控制器。图2b说明了附加到致动器悬架挠曲207和负载梁208时的微致动器。微致动器可耦合至悬架舌簧209。沿悬架挠曲207耦合的连动杆(traces)210将压电材料带205连接到一组连接片211。施加于连接片211的电压导致带205缩短和伸长，同时移动滑块204的位置。借助于悬架铰链214，悬架挠曲207可被附加到基板212，基板210具有用于在枢轴上安装的孔213。加工孔(toolinghole)215便于在制造期间操控悬架并且悬架孔216减轻了悬架的重量。

图3说明了现有技术的、使滑块204耦合至微致动器201的方法。将两滴环氧树脂或绝缘粘合剂301加到滑块204的两侧。然后可将滑块204插入U形微致动器内。滑块204的后表面和微致动器201的后表面在整个固化过程中始终保持在相同的高度。

U形框架的制造是非常困难的。环氧树脂结合过程难以控制，导致了性能方面的问题。另外，框架本身是庞大的，并具有不良的震动性能以及粒子生成和静电损害的趋势。制造过程中滑块倾斜可产生与磁头万向悬挂支架组件静态控制有关的问题。需要大量电压来驱动微致动器。所有这些导致了U形微致动器的总的不良性能。

附图说明

图1说明了本领域中典型的硬盘驱动器设计。

图2说明了具有U形微致动器的典型磁头万向悬挂支架组件。

图3说明了现有技术的、用于使滑块耦合至微致动器的方法。

图4a-c说明了根据本发明的、耦合至磁头万向悬挂支架组件的薄膜PZT微致动器的一个实施例。

图5a-b说明了根据本发明的薄膜PZT微致动器的一个实施例。

图6说明了多层压电材料薄膜片的一个实施例。

图7a-b说明了PZT薄膜片的操作的各种实施例。

图8a-c说明了微致动器上的激励电压的作用。

图9以流程图说明了按照本发明的、利用薄膜PZT微致动器制作磁头万向悬挂支架组件的一个实施例。

图10a-e以系列图说明了按照本发明的、利用薄膜PZT微致动器制作磁头万向悬挂支架组件的一个实施例。

图11说明了在结合过程中于PZT薄膜片与悬架舌簧之间使用各向异性导电膜的一个实施例。

图12a-e以曲线图的形式说明了将薄膜PZT微致动器和传统的U形微致动器比较的测试结果。

图13a-d说明了根据本发明的薄膜PZT微致动器的可替代实施例。

具体实施方式

公开了一种薄膜压电(PZT)式微致动器。两片PZT薄膜片耦合至金属的T形支持框架。T形滑块支持框架具有滑块支持体，滑块支持体通过主梁被连接到基底。两片PZT薄膜片将滑块支持体连接到基底。所施加的电压导致PZT薄膜片收缩或伸展，使滑块支持体相对于基底移动。PZT薄膜片可以是单层或多层的。通过各向异性导电膜，薄膜PZT微致动器可耦合至悬架，并使PZT薄膜片介于T形滑块支持框架和悬架之间。另外，薄膜PZT微致动器可耦合至悬架，并使PZT薄膜片向外至T形滑块支持框架和悬架。

图4a-c说明了耦合至磁头万向悬挂支架组件的薄膜PZT微致动器的一个实施例。图4a示出了耦合至悬架舌簧209的微致动器的一个实施例的详细说明。滑块204耦合至T型滑块支持框架401。在一个实施例中，T形滑块支持框架由金属制成。PZT薄膜片402耦合至T形滑块支持框架401的每一侧以此充当位置控制器。通过将受控制的电压施加于每片PZT薄膜片402，使PZT薄膜片402伸展或收缩，从而导致T形滑块支持框架401的前端被拉向左或拉向右。在一个实施倒中，通过各向异性导电薄膜(ACF)使滑块耦合至T型滑块支持框架，其与滑块电耦合以及物理地耦合，从而减少了静电损害的可能性。在另一个实施例中，通过UV树脂或粘合剂使滑块物理耦合至T形滑块支持框架，以及通过银胶或树脂使滑块电耦合至T形滑块支持框架。悬架外伸支架403支持T形滑块支持框架401。滑块204还被电连接到一组结合片206，该组结合片206被安装在连接板404上。通过金球焊接或焊料球焊接405，滑块204被电连接到该组结合片206上。微致动器被连接到一组连动杆(trace)406，以便带回到连接片211。沿着这些连动杆(trace)406传送的电压可用来控制微致动器。图4b示出了被连接到磁头万向悬挂支架组件的微致动器的一个实施例。在这个实施例中，该组结合片206被连接到一组连动杆(trace)210，以便通向连接片211。图4c以侧视图的形式示出了被连接到悬架的微致动器。在悬架外伸支架403和T形滑块支持框架401之间保持了平行间隙407，以使微致动器平滑移动。平行间隙可介于35和50μm之间。悬架外伸支架403和凹座407使负载力集中于滑块204的中心。

图5a-b说明了薄膜PZT微致动器的一个实施例。图5a说明了T形滑块支持框架401和PZT薄膜片402的一个实施例。在一个实施例中，滑块支持框架具有基底501，其通过挠性主梁503耦合至滑块支持体502。基底501和挠性主梁503充当了摆动支持体。在使微致动器耦合至悬架时，基底501可用作校准用途的基准(datum)。主梁503弯曲以使滑块支持体502在水平摆动运动中通过PZT薄膜片402相对于基底501被移动。在一个实施例中，主梁503的宽度比基底501和滑块支持体502窄。滑块支持体502与侧梁504侧接以此被附加到PZT薄膜片402。PZT薄膜片各自具有电结合片505，其可使电信号被输入。在一个实施例中，PZT薄膜片具有共同的接地片506。在一个实施例中，PZT薄膜片402与T形滑块支持框架401结合以此形成图5b所说明的薄膜PZT微致动器507。与电结合片505相对的PZT薄膜片402的侧面耦合至基底501的顶部。在一个实施例中，PZT薄膜片402在每一个侧面都具有绝缘层(图中未示出)。绝缘层只暴露结合片。这些绝缘层保护PZT薄膜片402以防止在使金属T形滑块支持框架和悬架耦合期间的电短路。PZT薄膜片402的一端耦合至基底，而另一端耦合至滑块支持体502的侧梁504。

压电材料薄膜片可具有单层或多层。图6说明了多层PZT薄膜片402的一个实施例。第一层601是基底支持延性材料(如聚酰亚胺)以此保护PZT并增强震动性能。第三和第七层602是PZT。第三和第七层602被代表第二、第四、第六和第八层的PZT电气层603和604包围。这些PZT电气层603和604可由铂、金、或其它相似的金属制成。充当第五层的绝缘粘合剂(如环氧树脂)层605使第四和第六604互相耦合。外部PZT电气层603耦合至第一结合片606。内部PZT电气层604耦合至第二结合片607。

图7a-b说明了PZT薄膜片的操作的各种实施例。图7a示出了微致动器507的一个实施例，其中两片PZT薄膜片具有匹配的极性。第一PZT薄膜片701和第二PZT薄膜片702以相同方向被极化。第一PZT薄膜片701具有第一输入片703，第二PZT薄膜片702具有第二输入片704，并且两片PZT薄膜片具有共同的接地705。第一正弦电压706被输入到第一输入片703并且反相位的正弦电压707被输入到第二输入片704以此驱动微致动器。图7b示出了微致动器507的一个实施例，其中两片PZT薄膜片具有相反的极性。第一PZT薄膜片708和第二PZT薄膜片709以相反方向被极化。单正弦电压710被输入到第一输入片703和第二输入片704，以此驱动微致动器。

图8a-c说明了微致动器上的激励电压的作用。图8a示出的是未施加电压的滑块204和微致动器507。图8b示出的是施加了电压的滑块204和微致动器507的一个实施例。第一PZT薄膜片801正在接受负电压以使其收缩。第二PZT薄膜片802正在接受正电压以使其伸展。这使得T形滑块支持框架401向左弯曲。图8c示出的是施加了电压的滑块204和微致动器507的交替的实施例。第一PZT薄膜片801正在接受正电压以使其伸展。第二PZT薄膜片802正在接受负电压以使其收缩。这使得T形滑块支持框架401向右弯曲。

在图9中以流程图的形式以及在图10a-f中以系列图的形式说明了利用薄膜PZT微致动器507制作磁头万向悬挂支架组件的一个实施例。如图10a所示，过程从T形滑块支持框架401和两片PZT薄膜片402开始(块910)。每片PZT薄膜片402具有电结合片505以及两片薄膜片共同的接地片506。如图10b所示，两片PZT薄膜片402被附加到T形滑块支持框架401以此产生薄膜PZT微致动器(块920)。图10c说明了其上安装有薄膜PZT微致动器507的悬架的一个实施例。在一个实施例中，悬架的悬架舌簧209具有用于每片PZT薄膜片402的电结合片1001，以及接地片1002。悬架电结合片1001各自通过电连结到微致动器连动杆(trace)406。

用于附加薄膜PZT微致动器的一种选项是使用各向异性导电膜。在图10d所示的一个实施例中，ACF层1003横跨悬架舌簧被放置。在图11所示的一个实施例中，通过在PZT薄膜片402和悬架舌簧209之间构成层，在结合过程中使用各向异性导电膜1101。微致动器电结合片505与悬架电结合片1001对准。微致动器接地片506与悬架接地片1002对准。施加30-200MPa的压力和60-400摄氏度的温度以形成结合。各向异性导电膜中的金属颗粒产生电连接，而绝缘粘合剂(如环氧树脂)产生物理结合。

返回到图9，薄膜PZT微致动器接着通过两片PZT薄膜片402被附加到悬架舌簧209(块930)，如图10e所示。薄膜PZT微致动器507的静态和动态性能被测试以此筛选出缺陷(块940)。如图10f所示，在滑块支持体502处，滑块204被附加到薄膜PZT微致动器507(块950)。在一个实施例中，利用各向异性导电膜，滑块204被结合到滑块支持体502。滑块204被电结合到悬架的结合片206(块960)。在一个实施例中，利用金球焊接或焊料球焊接405将滑块电结合。滑块的静态和动态性能接着被测试(块970)。如果没有发现缺陷，则过程完成(块980)。

图12a-e以曲线图的形式说明了在与传统的U形微致动器比较时这些测试的某些结果。图12a示出的是随所施加的电压发生的以微米计的位移。第一测试1201是在利用薄膜PZT微致动器的情况下进行的，第二测试1202是在利用传统微致动器的情况下进行的。图12b示出的是本发明的、在各种频率(单位为千赫)下的谐振增益(单位为分贝)。通过激励基板进行第一测量1203。通过激励PZT进行第二测量1204。图12c示出的是现有技术的、在各种频率(单位为千赫)下的谐振增益(单位为分贝)。通过激励基板进行第一测量1205。通过激励PZT进行第二测量1206。由于质量影响，比起现有技术，本发明表现为在谐振中的较小的增益(从6至10dB)。图12d示出的是本发明的、在各种频率(单位为千赫)下的谐振相位(单位为度)。通过激励基板进行第一测量1207。通过激励PZT进行第二测量1208。图12e示出的是现有技术的、在各种频率(单位为千赫)下的谐振增益(单位为分贝)。通过激励基板进行第一测量1209。通过激励PZT进行第二测量1210。再次，比起现有技术，本发明表现为在谐振中只有较小的增益(从6至10dB)。

图13a-f说明了薄膜PZT微致动器的一个可替代实施例。如图13a所示，T形滑块支持框架401和两片PZT薄膜片402被装配在一起。如图13b所示，两片PZT薄膜片402耦合到T形滑块支持框架401以此形成薄膜PZT微致动器507。图13c说明了其上安装有薄膜PZT微致动器507的悬架的一个实施例。在一个实施例中，悬架的悬架舌簧209具有用于每片PZT薄膜片402的电结片1001，以及接地片1002。悬架电结合片1001各自通过电连结到微致动器连动杆(trace)406。在图13d所示的一个实施例中，ACF层1003横跨悬架舌簧被放置。如图13e所示，通过T形滑块支持框架401的基底501使薄膜PZT微致动器507耦合至悬架舌簧209。在这个实施例中，PZT薄膜片402向外至T型滑块支持框架401和悬架。可将支持层(图中未示出)插在基底501和悬架舌簧209之间以此维持平行间隙。如图13f所示，导线1301使每个微致动器电结合片505与相应的悬架电结合片1001耦合。通过金球焊接或银球焊接1302可使导线1301耦合至电结合片。同样地，如图13c所示，通过导线1303可使微致动器接地片506耦合至悬架接地片1002。

Claims (34)

1.一种微致动器，包含：

滑块支持框架，其具有滑块支持体以此支持所述滑块并具有T形摆动支持体以此至少允许所述滑块支持体水平摆动移动；以及

位置控制器，可连接所述滑块支持框架以控制所述滑块的位置。

2.如权利要求1所述的微致动器，其中所述滑块支持体还包含：

第一侧梁和第二侧梁，其分别被设置在所述滑块支持体的每一侧，以此使所述位置控制器与所述滑块支持框架耦合。

3.如权利要求1所述的微致动器，其中所述摆动支持体包括：

基底，与悬架耦合；以及

主梁，在所述滑块支持体和所述基底之间连接，以此支持所述滑块支持体的水平摆动移动。

4.如权利要求3所述的微致动器，其中所述主梁具有比所述滑块支持体或所述基底更窄的宽度。

5.如权利要求1所述的微致动器，其中所述位置控制器包括：

第一压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持框架的第一侧；以及

第二压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持框架的第二侧。

6.如权利要求2所述的微致动器，其中所述位置控制器包括：

第一压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持体的第一侧梁；以及

第二压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持体的第二侧梁。

7.如权利要求5所述的微致动器，还包含：

第一电结合片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片；

第二电结合片，电耦合至所述第二压电材料薄膜片；以及

接地片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片。

8.如权利要求5所述的微致动器，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有一层或多层。

9.如权利要求5所述的微致动器，其中所述第一薄膜片和所述第二薄膜片具有：

第一层延性材料；

在所述第一层上方的第三和第七层压电材料；

包围所述第三和第七层的第二、第四、第六和第八层薄电气材料；以及

使所述第四层与所述第六层耦合的第五层绝缘粘合材料。

10.一种磁头万向悬挂支架组件，包含：

滑块，具有用于在磁盘上读取和写入数据的磁头；

悬架，用于提供所述滑块，其邻近部分被附加到粗略调整致动器的致动器臂，以供将所述滑块定位在所述磁盘上；

微致动器，被设置在所述悬架上用于所述滑块的精细调整；

挠性电路，电耦合至所述滑块和所述微致动器；

其中所述微制动器具有耦合至所述悬架的滑块支持框架，其具有滑块支持体以此支持所述滑块并具有T形摆动支持体以此至少允许所述滑块支持体的水平摆动移动；以及

位置控制器，可连接所述滑块支持框架以控制所述滑块的位置。

11.如权利要求10所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述滑块支持体还包含：

第一侧梁和第二侧梁，其分别被设置在所述滑块支持体的每一侧，以此使所述位置控制器与所述滑块支持框架耦合。

12.如权利要求10所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述摆动支持体包括：

基底，与所述悬架耦合；以及

主梁，在所述滑块支持体和所述基底之间连接，以此支持所述滑块支持体的水平摆动移动。

13.如权利要求12所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述主梁具有比所述滑块支持体或所述基底更窄的宽度。

14.如权利要求10所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述位置控制器包括：

第一压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持框架的第一侧；以及

第二压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持框架的第二侧。

15.如权利要求11所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述位置控制器包括：

第一压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持体的第一侧梁；以及

第二压电材料薄膜片，耦合至所述滑块支持体的第二侧梁。

16.如权利要求14所述的磁头万向悬挂支架组件，还包含：

第一微致动器电结合片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片；

第二微致动器电结合片，电耦合至所述第二压电材料薄膜片；以及

微致动器接地片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片，以及

所述悬架包括：

第一悬架电结合片，耦合至第一微致动器连动杆；

第二悬架电结合片，耦合至第二微致动器连动杆；以及

悬架接地片。

17.如权利要求16所述的磁头万向悬挂支架组件，还包含：

各向异性导电膜，使所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片与所述悬架物理耦合，并且使所述第一微致动器电结合片电耦合至所述第一悬架电结合片、使所述第二微致动器电结合片电耦合至所述第二悬架结合片、以及使所述微致动器接地片电耦合至所述悬架接地片。

18.如权利要求16所述的磁头万向悬挂支架组件，还包含：

绝缘粘合材料，使所述摆动支持体与所述悬架物理耦合；

结合导线，使所述第一微致动器电结合片电耦合至所述第一悬架电结合片、使所述第二微致动器电结合片电耦合至所述第二悬架结合片、以及使所述微致动器接地片电耦合至所述悬架接地片。

19.如权利要求14所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有匹配的极性或者相反的极性。

20.如权利要求14所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有一层或多层。

21.如权利要求20所述的磁头万向悬挂支架组件，其中所述第一薄膜片和所述第二薄膜片包括：

第一层延性材料；

在所述第一层上方的第三和第七层压电材料；

包围所述第三和第七层的第二、第四、第六和第八层薄电气材料；以及

使所述第四层与所述第六层耦合的第五层绝缘粘合材料。

22.一种磁盘装置，包含：

盘，用来存储信息；

磁头，用来从所述盘读取和写入信息；

悬架，用来支持所述磁头，所述悬架包括在基本垂直所述盘的方向上可弯曲的负载梁；

粗略调整致动器，用来驱动所述悬架；

微致动器，用于细微移动，其被安装于在所述悬架上提供的微致动器安装部；以及

其中所述微制动器具有设置在所述悬架上的滑块支持框架，其具有滑块支持体以此支持所述滑块并具有T形摆动支持体以此至少支持所述滑块支持体的水平摆动移动；以及

位置控制器，可连接所述滑块支持框架以控制所述滑块的位置。

23.如权利要求22所述的磁盘装置，其中所述滑块支持体还包含：

第一和第二侧梁，其分别被设置在所述滑块支持体的两侧，以此使所述位置控制器与所述滑块支持框架耦合。

24.如权利要求22所述的磁盘装置，其中所述摆动支持体具有：

基底，与所述悬架耦合；以及

主梁，将所述滑块支持体耦合到所述基底，以此支持所述滑块支持体的水平摆动移动。

25.如权利要求24所述的磁盘装置，其中所述主梁的宽度比所述滑块支持体和所述基底的宽度窄。

26.如权利要求22所述的磁盘装置，其中所述位置控制器具有：

第一压电材料薄膜片，连接到所述滑块支持框架的第一侧；以及

第二压电材料薄膜片，连接到所述滑块支持框架的第二侧。

27.如权利要求23所述的磁盘装置，其中所述位置控制器包含：

第一压电材料薄膜片，连接到所述滑块支持体的第一侧梁；以及

第二压电材料薄膜片，连接到所述滑块支持体的第二侧梁。

28.如权利要求26所述的磁盘装置，还包含：

第一微致动器电结合片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片；

第二微致动器电结合片，电耦合至所述第二压电材料薄膜片；以及

微致动器接地片，电耦合至所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片，以及

所述悬架包括：

第一悬架电结合片，耦合至第一微致动器连动杆；

第二悬架电结合片，耦合至第二微致动器连动杆；以及

悬架接地片。

29.如权利要求28所述的磁盘装置，还包含：

各向异性导电膜，使所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片与所述悬架物理耦合，并且使所述第一微致动器电结合片电耦合至所述第一悬架电结合片、使所述第二微致动器电结合片电耦合至所述第二悬架结合片、以及使所述微致动器接地片电耦合至所述悬架接地片。

30.如权利要求28所述的磁盘装置，还包含：

绝缘粘合材料，使所述摆动支持体与所述悬架物理耦合；

结合导线，使所述第一微致动器电结合片电耦合至所述第一悬架电结合片、使所述第二微致动器电结合片电耦合至所述第二悬架结合片、以及使所述微致动器接地片电耦合至所述悬架接地片。

31.如权利要求28所述的磁盘装置，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有匹配的极性，并且所述第一微致动器电结合片和所述第二微致动器结合片通过所述第一和第二悬架电结合片接收反向的电信号。

32.如权利要求28所述的磁盘装置，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有相反的极性，并且所述第一微致动器电结合片和所述第二微致动器结合片通过所述第一和第二悬架电结合片接收同步的电信号

33.如权利要求26所述的磁盘装置，其中所述第一压电材料薄膜片和所述第二压电材料薄膜片具有一层或多层。

34.如权利要求26所述的磁盘装置，其中所述第一薄膜片和所述第二薄膜片包括：

第一层延性材料；

在所述第一层上方的第三和第七层压电材料；

包围所述第三和第七层的第二、第四、第六和第八层薄电气材料；以及

使所述第四层与所述第六层耦合的第五层绝缘粘合材料。

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