硬盘用微致动器中的多层膜压电元件及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种新型微致动器中的多层膜压电元件及其制备方法，属于微机电技术领域。
背景技术
随着信息技术的迅猛发展，磁存储密度逐年提高。近年来，硬盘的最大面密度(MAD)正以每年100％的速度增长，预计5年后轨迹间距降到0.25μm以下。因此，轨迹定位精度必须小于轨迹间距的10％(0.025μm)，伺服带宽必须＞3kHz以满足轨迹间距的要求。显然，这样高的位置精度现存技术难以实现，必须依靠微致动器进行第二级控制。近年来，双级伺服系统(DSA)在硬盘中的应用引起广泛重视，被公认是解决磁头定轨精度这一瓶颈的有效措施。DSA主要由两部分组成，其中音圈电机作为初级致动器用于磁轨寻址，另在驱动臂上附加次级致动器进行轨道精确定位。建立双级伺服机构的关键是在滑块上装配一个压电微致动器；图1(a)和(b)是背置微致动器磁头悬臂装置(HSA)的示意图。实践证明，该结构可以使磁头在定位时实现更高的精度和速度。
【发明内容】
本发明的目的是为克服高存储密度硬盘磁头的精确定位和控制技术的不足之处，提出了一种新型微致动器中的多层膜压电元件及其制备方法，该方法可制作多层膜结构的压电元件，并实现微型化，以适应计算机硬盘驱动器磁头悬臂寻址和定位地精确性和灵巧性及低成本的要求。
本发明提出的一种新型微致动器中的多层膜压电元件，其特征在于，该压电元件由多层膜结构的压电陶瓷材料和电极材料组成，所述压电陶瓷材料为高d31特性的压电层，电极材料主要含有电极层，电极板；所述多层膜压电元件位于微致动器的两侧。其中，可选用“U”型不锈钢微致动器基体。
在上述多层膜压电元件中，所述高d31特性的压电陶瓷材料为PZT、PMN-PZT中的任何一种。
在上述多层膜压电元件中，所述电极层为银钯浆或银浆，所述电极层的厚度为2-10μm。
在上述多层膜压电元件中，所述电极板为Au、Ag、Cu或Al中的任何一种。
在上述多层膜压电元件中，所述压电层的单层厚度为5-50μm；所述压电层的层数为2-10层。
本发明提出的一种硬盘用微致动器中的多层膜压电元件的制备方法，所述多层膜压电元件的压电层制备方法采用流延法，电极层制备方法采用丝网印刷工艺，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)配置压电陶瓷流延浆料：将压电陶瓷前驱粉剂和粘结剂按比例混合均匀，其中陶瓷粉剂和粘结剂的质量比为(60～90)/(40～10)，然后加入有机溶剂，搅拌均匀；
(2)在球磨机上球磨，球磨后进行抽真空，获得分散均匀且稳定的浆料，将该陶瓷浆料放在流延机上的料斗里进行压电层的流延；
(3)在钢制模板上流延一层压电陶瓷坯膜，随后在50～100℃下烘干；
(4)采用丝网印刷工艺在步骤(4)制备的压电陶瓷坯膜上制备一层中间电极层，再次在50～100℃烘干；
(5)在步骤(4)制备的中间电极层上流延一层压电陶瓷坯膜，随后在50～100℃下烘干；
(6)判断上述压电陶瓷坯膜是否满足微致动器件所要求的层数：若满足要求，进入步骤(7)；若未满足要求，则进入步骤(4)；
(7)将多层陶瓷坯体按器件尺寸要求切割成若干多层陶瓷器件的坯体后，放入纯Al2O3坩埚中缓慢地排塑，再进行密封烧结，烧结温度为1030℃～1190℃，850℃退火；
(8)将步骤(7)获得的坯体的两个表面和两个侧面被上外电极后，再次密封烧结，制作电极板并极化，通过环氧胶将一对多层膜元件分别粘结在U型不锈钢基体的悬臂两侧，得到多层片式陶瓷器件。
在上述制备方法中，步骤(1)所述有机溶剂为异丁醇和醋酸正丙酯，其质量比为(5～20)/(95～80)。
在上述制备方法中，步骤(1)所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛和酞邻苯二甲酸二辛酯(DOP)中的任何一种。
在上述制备方法中，步骤(2)所述压电层可用丝网印刷工艺制备。
本发明的多层膜压电元件用于计算机磁头的精定位微致动器，将磁头悬臂的自由端位移提高到≥0.80μm，谐振频率提高到＞15kHz(在外加电压≤40V、直流偏压≤20V的条件下)，使该微致动器具有优异的位移/电压灵敏度、谐振频率和驱动力等，以适应于高密度硬盘的磁头准确寻址和精确定轨之用。此外，制作完成的多层膜压电元件还具有以下特点：元件电容≤2nF，元件电阻≥10Ω，装配了该压电元件的微致动器的耐冲击性能＞1000g，耐高低温性能1000Hr(-40℃～125℃)。因此，本发明的用于硬盘微致动器的多层膜压电元件具有结构创新、性能优异、加工方便、应用广阔等优点，并为实现定位精度为0.025μm的磁头控制提供技术基础。
此外，该元件由于压电层与中间电极层的直接结合、无粘结剂，因此可实现微型化，其蠕变性能也得到很大的改善。此外，采用Ag/Pd电极和PMN-PZT材料，实现了低温共烧(从＞1300℃降至1030～1190℃)
本发明的多层膜压电元件可广泛用于计算机，同样可以用于其他微致动及位置控制技术领域。
【附图说明】
图1为本发明的总体结构示意图；其中，(a)为背置微致动器磁头悬臂装置，1-“U”型微致动器，2-滑块，3-悬臂梁弹性区，4-悬臂梁刚性区，5-音圈电机；(b)为“U”型微致动器，1-压电元件，2-压电元件伸缩方向，3-位移方向，4-滑块，5-“U”型不锈钢基体，6-环氧胶；
图2为本发明的四层膜压电元件结构示意图，其中，每一层膜都沿厚度方向进行极化，1-“U”型不锈钢基体，2-压电层，3-电极层，4-电极板，5-环氧胶，6-极化方向。
图3为本发明的四层膜压电元件制备工艺流程图，其中，(a)在不锈钢模板表面分别流延压电层并丝网印刷Ag/Pd电极层；(b)重复流延压电层并丝网印刷Ag/Pd电极层；(c)同理，总计制作四层膜和三层Ag/Pd中间电极层；(d)使多层膜压电元件与钢制模板剥离，并进行共烧处理，然后被上外电极层；(e)外电极层得到共烧后，通过环氧胶与“U”型不锈钢基体粘结；(f)制作Au电极板，并对各压电层进行极化。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
本发明所采用的压电流延粉颗粒直径平均可为0.5-5μm。
实施例一：
首先配置PMN-PZT流延浆料，即将Pb3O4、ZrO2、Ti3O4及MgNb2O6粉末(颗粒度为0.8～2μm)和油性粘结剂聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末按比例(70∶30)混合均匀，同时加入有机溶剂异丁醇和醋酸正丙酯(其质量比为9/90)，搅拌均匀。在行星式球磨机上球磨4h，转速500r/min。球磨后针对其粘度可相应进行抽真空，最终获得分散均匀且稳定的浆料。再将该浆料放在流延机上的料斗里进行流延，即在钢制模板上依次流延四层厚25μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和丝网印刷三层厚4μm的70Ag-30Pd电极层浆料。将该多层陶瓷坯体按元件尺寸要求切割成若干多层陶瓷元件的坯体后，一齐放入纯Al2O3坩埚中缓慢地排塑，再进行密封烧结(具体温度为1030℃)低温共烧和850℃退火，得到多层膜元件。将该元件的两个表面和两个侧面被上外电极后；再次密封烧结(具体温度为1030℃)后，制作Au电极板并极化(极化时间30min，电场3.5kV/mm，温度150℃)。最后通过环氧胶将两只四层膜元件分别粘结在“U”型基体两侧，完成整个工艺过程。用该微致动器驱动磁头悬臂装置时的微致动位移/驱动电压灵敏度可达到0.9216μm/±20V，同时谐振频率达到了19.638kHz，完全满足高密度硬盘对磁头精确定位的要求。具体工艺流程如图3所示。
实施例二：
首先配置PMN-PZT流延浆料，即将Pb3O4、ZrO2、Ti3O4及MgNb2O6粉末(颗粒度为0.8～2μm)和油性粘结剂酞邻苯二甲酸二辛酯(DOP)粉末按质量比(100∶14.5)混合均匀，同时加入有机溶剂异丁醇和醋酸正丙酯，搅拌均匀，其中溶质粉末、粘结剂粉末及溶剂的质量比为(100∶14.5∶99)，而异丁醇和醋酸正丙酯的质量比为(9/90)。然后在行星式球磨机上球磨4h，转速500r/min。球磨后针对其粘度可相应进行抽真空，最终获得分散均匀且稳定的浆料。再将该浆料放在丝网印刷机上进行刷镀，即在钢制模板上依次刷镀八层厚5μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和刷镀七层厚2μm的Ag电极层浆料。将该多层陶瓷坯体按元件尺寸要求切割成若干多层陶瓷元件的坯体后，一齐放入纯Al2O3坩埚中缓慢地排塑，再进行密封烧结(具体温度为1190℃)低温共烧和850℃退火，得到多层膜元件。将该元件的两个表面和两个侧面被上外电极后；再次密封烧结(具体温度为1190℃)后，制作Cu电极板并极化(极化时间30min，电场3.5kV/mm，温度150℃)。最后通过环氧胶将两只压电元件分别粘结在“U”型基体两侧，完成整个工艺过程。用装有该元件的微致动器驱动磁头悬臂装置时的微致动位移/驱动电压灵敏度可达到1.116μm/±20V，同时谐振频率达到了16.538kHz，完全满足高密度硬盘对磁头精确定位的要求。
实施例三：
首先配置PMN-PZT流延浆料，然后在行星式球磨机上球磨4h，转速500r/min。球磨后针对其粘度可相应进行抽真空，最终获得分散均匀且稳定的浆料。再将该浆料放在流延机上的料斗里进行流延，即在钢制模板上依次流延二层厚50μm的PMN-PZT陶瓷坯膜和丝网印刷一层厚8μm的45Ag-55Pd电极层浆料。将该多层陶瓷坯体按元件尺寸要求切割成若干多层陶瓷元件的坯体后，一齐放入纯Al2O3坩埚中缓慢地排塑，再进行密封烧结(具体温度为1130℃)低温共烧和850℃退火，得到多层膜元件。将该元件的两个表面和两个侧面被上外电极后；再次密封烧结(具体温度为1130℃)后，制作Al电极板并极化(极化时间30min，电场3.5kV/mm，温度150℃)。最后通过环氧胶将两只二层膜元件分别粘结在“U”型基体两侧，完成整个工艺过程。用该微致动器驱动磁头悬臂装置时的微致动位移/驱动电压灵敏度可达到0.8032μm/±20V，同时谐振频率达到了21.026kHz，完全满足高密度硬盘对磁头精确定位的要求。