專利名稱：硬盤用微致動器中的多層膜壓電元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型微致動器中的多層膜壓電元件及其制備方法，屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁存儲密度逐年提高。近年來，硬盤的最大面密度(MAD)正以每年100％的速度增長，預(yù)計5年后軌跡間距降到0.25μm以下。因此，軌跡定位精度必須小于軌跡間距的10％(0.025μm)，伺服帶寬必須＞3kHz以滿足軌跡間距的要求。顯然，這樣高的位置精度現(xiàn)存技術(shù)難以實現(xiàn)，必須依靠微致動器進行第二級控制。近年來，雙級伺服系統(tǒng)(DSA)在硬盤中的應(yīng)用引起廣泛重視，被公認(rèn)是解決磁頭定軌精度這一瓶頸的有效措施。DSA主要由兩部分組成，其中音圈電機作為初級致動器用于磁軌尋址，另在驅(qū)動臂上附加次級致動器進行軌道精確定位。建立雙級伺服機構(gòu)的關(guān)鍵是在滑塊上裝配一個壓電微致動器；圖1(a)和(b)是背置微致動器磁頭懸臂裝置(HSA)的示意圖。實踐證明，該結(jié)構(gòu)可以使磁頭在定位時實現(xiàn)更高的精度和速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服高存儲密度硬盤磁頭的精確定位和控制技術(shù)的不足之處，提出了一種新型微致動器中的多層膜壓電元件及其制備方法，該方法可制作多層膜結(jié)構(gòu)的壓電元件，并實現(xiàn)微型化，以適應(yīng)計算機硬盤驅(qū)動器磁頭懸臂尋址和定位的精確性和靈巧性及低成本的要求。
本發(fā)明提出的一種新型微致動器中的多層膜壓電元件，其特征在于，該壓電元件由多層膜結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷材料和電極材料組成，所述壓電陶瓷材料為高d31特性的壓電層，電極材料主要含有電極層，電極板；所述多層膜壓電元件位于微致動器的兩側(cè)。其中，可選用“U”型不銹鋼微致動器基體。
在上述多層膜壓電元件中，所述高d31特性的壓電陶瓷材料為PZT、PMN-PZT中的任何一種。
在上述多層膜壓電元件中，所述電極層為銀鈀漿或銀漿，所述電極層的厚度為2-10μm。
在上述多層膜壓電元件中，所述電極板為Au、Ag、Cu或Al中的任何一種。
在上述多層膜壓電元件中，所述壓電層的單層厚度為5-50μm；所述壓電層的層數(shù)為2-10層。
本發(fā)明提出的一種硬盤用微致動器中的多層膜壓電元件的制備方法，所述多層膜壓電元件的壓電層制備方法采用流延法，電極層制備方法采用絲網(wǎng)印刷工藝，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)配置壓電陶瓷流延漿料將壓電陶瓷前驅(qū)粉劑和粘結(jié)劑按比例混合均勻，其中陶瓷粉劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(60～90)/(40～10)，然后加入有機溶劑，攪拌均勻；(2)在球磨機上球磨，球磨后進行抽真空，獲得分散均勻且穩(wěn)定的漿料，將該陶瓷漿料放在流延機上的料斗里進行壓電層的流延；(3)在鋼制模板上流延一層壓電陶瓷坯膜，隨后在50～100℃下烘干；(4)采用絲網(wǎng)印刷工藝在步驟(4)制備的壓電陶瓷坯膜上制備一層中間電極層，再次在50～100℃烘干；(5)在步驟(4)制備的中間電極層上流延一層壓電陶瓷坯膜，隨后在50～100℃下烘干；(6)判斷上述壓電陶瓷坯膜是否滿足微致動器件所要求的層數(shù)若滿足要求，進入步驟(7)；若未滿足要求，則進入步驟(4)；(7)將多層陶瓷坯體按器件尺寸要求切割成若干多層陶瓷器件的坯體后，放入純Al2O3坩堝中緩慢地排塑，再進行密封燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1030℃～1190℃，850℃退火；(8)將步驟(7)獲得的坯體的兩個表面和兩個側(cè)面被上外電極后，再次密封燒結(jié)，制作電極板并極化，通過環(huán)氧膠將一對多層膜元件分別粘結(jié)在U型不銹鋼基體的懸臂兩側(cè)，得到多層片式陶瓷器件。
在上述制備方法中，步驟(1)所述有機溶劑為異丁醇和醋酸正丙酯，其質(zhì)量比為(5～20)/(95～80)。
在上述制備方法中，步驟(1)所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛和酞鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)中的任何一種。
在上述制備方法中，步驟(2)所述壓電層可用絲網(wǎng)印刷工藝制備。
本發(fā)明的多層膜壓電元件用于計算機磁頭的精定位微致動器，將磁頭懸臂的自由端位移提高到≥0.80μm，諧振頻率提高到＞15kHz(在外加電壓≤40V、直流偏壓≤20V的條件下)，使該微致動器具有優(yōu)異的位移/電壓靈敏度、諧振頻率和驅(qū)動力等，以適應(yīng)于高密度硬盤的磁頭準(zhǔn)確尋址和精確定軌之用。此外，制作完成的多層膜壓電元件還具有以下特點元件電容≤2nF，元件電阻≥10Ω，裝配了該壓電元件的微致動器的耐沖擊性能＞1000g，耐高低溫性能1000Hr(-40℃～125℃)。因此，本發(fā)明的用于硬盤微致動器的多層膜壓電元件具有結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能優(yōu)異、加工方便、應(yīng)用廣闊等優(yōu)點，并為實現(xiàn)定位精度為0.025μm的磁頭控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
此外，該元件由于壓電層與中間電極層的直接結(jié)合、無粘結(jié)劑，因此可實現(xiàn)微型化，其蠕變性能也得到很大的改善。此外，采用Ag/Pd電極和PMN-PZT材料，實現(xiàn)了低溫共燒(從＞1300℃降至1030～1190℃)本發(fā)明的多層膜壓電元件可廣泛用于計算機，同樣可以用于其他微致動及位置控制技術(shù)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；其中，(a)為背置微致動器磁頭懸臂裝置，1-“U”型微致動器，2-滑塊，3-懸臂梁彈性區(qū)，4-懸臂梁剛性區(qū)，5-音圈電機；(b)為“U”型微致動器，1-壓電元件，2-壓電元件伸縮方向，3-位移方向，4-滑塊，5-“U”型不銹鋼基體，6-環(huán)氧膠；圖2為本發(fā)明的四層膜壓電元件結(jié)構(gòu)示意圖，其中，每一層膜都沿厚度方向進行極化，1-“U”型不銹鋼基體，2-壓電層，3-電極層，4-電極板，5-環(huán)氧膠，6-極化方向。
圖3為本發(fā)明的四層膜壓電元件制備工藝流程圖，其中，(a)在不銹鋼模板表面分別流延壓電層并絲網(wǎng)印刷Ag/Pd電極層；(b)重復(fù)流延壓電層并絲網(wǎng)印刷Ag/Pd電極層；(c)同理，總計制作四層膜和三層Ag/Pd中間電極層；(d)使多層膜壓電元件與鋼制模板剝離，并進行共燒處理，然后被上外電極層；(e)外電極層得到共燒后，通過環(huán)氧膠與“U”型不銹鋼基體粘結(jié)；(f)制作Au電極板，并對各壓電層進行極化。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明本發(fā)明所采用的壓電流延粉顆粒直徑平均可為0.5-5μm。
實施例一首先配置PMN-PZT流延漿料，即將Pb3O4、ZrO2、Ti3O4及MgNb2O6粉末(顆粒度為0.8～2μm)和油性粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛(PVB)粉末按比例(70∶30)混合均勻，同時加入有機溶劑異丁醇和醋酸正丙酯(其質(zhì)量比為9/90)，攪拌均勻。在行星式球磨機上球磨4h，轉(zhuǎn)速500r/min。球磨后針對其粘度可相應(yīng)進行抽真空，最終獲得分散均勻且穩(wěn)定的漿料。再將該漿料放在流延機上的料斗里進行流延，即在鋼制模板上依次流延四層厚25μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和絲網(wǎng)印刷三層厚4μm的70Ag-30Pd電極層漿料。將該多層陶瓷坯體按元件尺寸要求切割成若干多層陶瓷元件的坯體后，一齊放入純Al2O3坩堝中緩慢地排塑，再進行密封燒結(jié)(具體溫度為1030℃)低溫共燒和850℃退火，得到多層膜元件。將該元件的兩個表面和兩個側(cè)面被上外電極后；再次密封燒結(jié)(具體溫度為1030℃)后，制作Au電極板并極化(極化時間30min，電場3.5kV/mm，溫度150℃)。最后通過環(huán)氧膠將兩只四層膜元件分別粘結(jié)在“U”型基體兩側(cè)，完成整個工藝過程。用該微致動器驅(qū)動磁頭懸臂裝置時的微致動位移/驅(qū)動電壓靈敏度可達到0.9216μm/±20V，同時諧振頻率達到了19.638kHz，完全滿足高密度硬盤對磁頭精確定位的要求。具體工藝流程如圖3所示。
實施例二首先配置PMN-PZT流延漿料，即將Pb3O4、ZrO2、Ti3O4及MgNb2O6粉末(顆粒度為0.8～2μm)和油性粘結(jié)劑酞鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)粉末按質(zhì)量比(100∶14.5)混合均勻，同時加入有機溶劑異丁醇和醋酸正丙酯，攪拌均勻，其中溶質(zhì)粉末、粘結(jié)劑粉末及溶劑的質(zhì)量比為(100∶14.5∶99)，而異丁醇和醋酸正丙酯的質(zhì)量比為(9/90)。然后在行星式球磨機上球磨4h，轉(zhuǎn)速500r/min。球磨后針對其粘度可相應(yīng)進行抽真空，最終獲得分散均勻且穩(wěn)定的漿料。再將該漿料放在絲網(wǎng)印刷機上進行刷鍍，即在鋼制模板上依次刷鍍八層厚5μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和刷鍍七層厚2μm的Ag電極層漿料。將該多層陶瓷坯體按元件尺寸要求切割成若干多層陶瓷元件的坯體后，一齊放入純Al2O3坩堝中緩慢地排塑，再進行密封燒結(jié)(具體溫度為1190℃)低溫共燒和850℃退火，得到多層膜元件。將該元件的兩個表面和兩個側(cè)面被上外電極后；再次密封燒結(jié)(具體溫度為1190℃)后，制作Cu電極板并極化(極化時間30min，電場3.5kV/mm，溫度150℃)。最后通過環(huán)氧膠將兩只壓電元件分別粘結(jié)在“U”型基體兩側(cè)，完成整個工藝過程。用裝有該元件的微致動器驅(qū)動磁頭懸臂裝置時的微致動位移/驅(qū)動電壓靈敏度可達到1.116μm/±20V，同時諧振頻率達到了16.538kHz，完全滿足高密度硬盤對磁頭精確定位的要求。
實施例三首先配置PMN-PZT流延漿料，然后在行星式球磨機上球磨4h，轉(zhuǎn)速500r/min。球磨后針對其粘度可相應(yīng)進行抽真空，最終獲得分散均勻且穩(wěn)定的漿料。再將該漿料放在流延機上的料斗里進行流延，即在鋼制模板上依次流延二層厚50μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和絲網(wǎng)印刷一層厚8μm的45Ag-55Pd電極層漿料。將該多層陶瓷坯體按元件尺寸要求切割成若干多層陶瓷元件的坯體后，一齊放入純Al2O3坩堝中緩慢地排塑，再進行密封燒結(jié)(具體溫度為1130℃)低溫共燒和850℃退火，得到多層膜元件。將該元件的兩個表面和兩個側(cè)面被上外電極后；再次密封燒結(jié)(具體溫度為1130℃)后，制作Al電極板并極化(極化時間30min，電場3.5kV/mm，溫度150℃)。最后通過環(huán)氧膠將兩只二層膜元件分別粘結(jié)在“U”型基體兩側(cè)，完成整個工藝過程。用該微致動器驅(qū)動磁頭懸臂裝置時的微致動位移/驅(qū)動電壓靈敏度可達到0.8032μm/±20V，同時諧振頻率達到了21.026kHz，完全滿足高密度硬盤對磁頭精確定位的要求。
權(quán)利要求
1.硬盤用精定位微致動器的多層膜壓電元件，其特征在于，該壓電元件由多層膜結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷材料和電極材料組成，所述壓電陶瓷材料為高d31特性的壓電層，電極材料主要含有電極層，電極板；所述多層膜壓電元件位于微致動器的兩側(cè)，采用U型不銹鋼微致動器基體，所述電極層含有底電極層、中間電極層、頂電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜壓電元件，其特征在于，所述高d31特性的壓電陶瓷材料為PZT、PMN-PZT中的任何一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜壓電元件，其特征在于，所述電極層為銀鈀漿或銀漿，所述電極層的厚度為2-10μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜壓電元件，其特征在于，所述電極板為Au、Ag、Cu或Al中的任何一種；所述電極板的厚度為5-20μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜壓電元件，其特征在于，所述壓電層的單層厚度為5-50μm；所述壓電層的層數(shù)為2-10層。
6.一種制備如權(quán)利要求1所述的硬盤用精定位微致動器的多層膜壓電元件的方法，所述壓電層制備方法為流延法或絲網(wǎng)印刷工藝，電極層制備方法為絲網(wǎng)印刷工藝，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)配置壓電陶瓷流延漿料將壓電陶瓷前驅(qū)粉劑和粘結(jié)劑按比例混合均勻，其中陶瓷前驅(qū)粉劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(60～90)/(40～10)，然后加入有機溶劑，攪拌均勻；(2)在球磨機上球磨，球磨后進行抽真空，獲得分散均勻且穩(wěn)定的漿料，將該陶瓷漿料放在流延機上的料斗里進行流延；(3)在鋼制模板上流延一層壓電陶瓷坯膜，隨后在50～100℃下烘干；(4)采用絲網(wǎng)印刷工藝在步驟(4)制備的壓電陶瓷坯膜上制備一層中間電極層，再次在50～100℃烘干；(5)在步驟(4)制備的中間電極層上流延一層壓電陶瓷坯膜，隨后在50～100℃下烘干；(6)判斷上述壓電陶瓷坯膜是否滿足微致動器件所要求的層數(shù)若滿足要求，進入步驟(7)；若未滿足要求，則進入步驟(4)；(7)將多層陶瓷坯體按器件尺寸要求切割成若干多層陶瓷器件的坯體后，放入純Al2O3坩堝中緩慢地排塑，再進行密封燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1030℃～1190℃，850℃退火；(8)將步驟(7)獲得的坯體的兩個表面和兩個側(cè)面被上外電極后，再次密封燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1030℃～1190℃，制作電極板并極化，通過環(huán)氧膠將一對多層膜元件分別粘結(jié)在一枚U型不銹鋼基體的兩側(cè)，得到多層膜壓電元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多層膜壓電元件的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述有機溶劑為異丁醇和醋酸正丙酯，其質(zhì)量比為(5～20)/(95～80)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多層膜壓電元件的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛和酞鄰苯二甲酸二辛酯中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及硬盤用微致動器中的多層膜壓電元件及其制備方法，屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域。該致動器的多層膜壓電元件由流延法或絲網(wǎng)印刷工藝等制作壓電陶瓷膜，采用絲網(wǎng)印刷工藝等制作中間電極層。采用Ag/Pd電極和PMN－PZT材料，實現(xiàn)了低溫共燒(從＞1300℃降至1030～1190℃)。本發(fā)明將裝有壓電微致動器的磁頭懸臂的自由端位移提高到≥0.80μm，諧振頻率提高到＞15kHz(在外加電壓≤40V的條件下)，使該微致動器具有優(yōu)異的位移/電壓靈敏度、諧振頻率和驅(qū)動力等特點，以適應(yīng)于計算機硬盤雙級伺服系統(tǒng)次級精致動器的尋址和精確定軌之用。本發(fā)明的多層膜壓電元件可廣泛用于計算機，同樣可以用于其他微致動及位置控制技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號H01L41/187GK1571181SQ20041000909
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者荊陽, 雒建斌, 路新春 申請人:清華大學(xué)