具有极化但无源的PZT约束层的多层PZT微致动器制造技术

一种多层压电微致动器组件具有至少一个极化且有源的压电层以及一个极化但无源的压电层。该极化但无源层用作抵抗第一压电层的扩展或收缩的约束层，从而减少或消除了安装在环境中的组件的弯曲，从而增大了该组件的有效冲程长度。仅使单一层极化会在该装置中感生应力；因此，即使仅一层将在使用中是有源的也使两个压电层极化减小了该装置中的应力并且因此增大了可靠性。

Multi-layer PZT micro actuator with polarization and passive PZT constraint layer

A multi-layer piezoelectric micro actuator assembly has at least one polarized and active piezoelectric layer and a polarization but passive piezoelectric layer. The polarization layer is used as a restraint layer to resist the expansion or contraction of the first piezoelectric layer, thereby reducing or eliminating the bending of the components installed in the environment, thereby increasing the effective stroke length of the component. Only the single layer polarization will induce stress in the device. Therefore, even if only one layer will be active in use, it will also make the two piezoelectric layers polarization reduce the stress in the device, and therefore increase the reliability.

【技术实现步骤摘要】
具有极化但无源的PZT约束层的多层PZT微致动器相关申请的交叉引用本申请是于2016年2月28日提交的美国专利申请No.15/055,618的部分继续申请，该美国申请是于2015年3月28日提交的美国专利申请No.14/672,122(现为专利No.9,330,698)的继续，该后一美国专利申请是于2014年3月14日提交的美国专利申请No.14/214,525(现为专利No.9,117,468)的部分继续申请，其要求于2013年3月18日提交的美国临时专利申请No.61/802,972和于2013年9月14日提交的美国临时专利申请No.61/877,957的优先权。申请No.14/672,122也是于2014年12月10日提交的美国专利申请No.14/566,666(现为专利No.9,330,694)的部分继续申请，其要求于2014年10月17日提交的美国临时专利申请No.62/061,074的权益。申请No.14/672,122也要求于2014年11月28日提交的美国临时专利申请No.62/085,471的权益。所有这些申请都被通过引用并入，如同在本文中被充分地阐述一样。
本专利技术涉及用于硬盘驱动器的悬架的领域。更具体地，本专利技术涉及用于在双级致动悬架中使用的具有一个或多个有源压电约束层的多层压电微致动器的领域。
技术介绍
磁硬盘驱动器以及诸如光盘驱动器之类的其它类型的旋转介质驱动器是众所周知的。图1为本专利技术所适用的示例性现有技术硬盘驱动器和悬架的斜视图。现有技术盘驱动器单元100包括旋转磁盘101，该旋转磁盘101上包含有构成存储在该盘驱动器上的数据的由磁性1和0构成的图案。磁盘由驱动马达(未示出)驱动。盘驱动器单元100进一步包括盘驱动器悬架105，磁头滑块(未示出)被靠近负载梁107的远端安装于该盘驱动器悬架105。悬架或负载梁的“近”端是受到支撑的端部，即与被锻造或以其它方式安装于致动器臂的基板12最为接近的端部。悬架或负载梁的“远”端是与近端相反的端部，即，该“远”端是悬臂端。悬架105被联接到致动器臂103，该致动器臂103进而被联接到音圈马达112，该音圈马达112使悬架105弧形地移动，以便将头滑块定位在数据盘101上的正确的数据道上。头滑块被承载在常平架(gimbal)上，该常平架允许滑块俯仰(pitch)和滚动，使得它沿旋转盘上的适当数据道而行，从而允许诸如盘振动之类的这种变化、诸如碰撞之类的惯性事件以及盘表面中的不规则性。单级致动的盘驱动悬架和双级致动(DSA)的悬架都是已知的。在单级致动悬架中，仅音圈马达112移动悬架105。在DSA悬架中，例如在授予Mei等及许多其他人的美国专利No.7,459,835中的DAS悬架中，除了移动整个悬架的音圈马达112之外，至少一个附加微致动器位于该悬架上，以便实现磁头滑块的微动并使其在旋转盘的数据道上保持适当地对准。与音圈马达单独作用相比，微致动器提供了更为精密的控制以及伺服控制回路的大得多的带宽，该音圈马达的单独作用仅实现了悬架以及因此磁头滑块的相对粗的移动。有时简称为PZT的压电元件通常被用作微致动器马达，尽管其它类型的微致动器马达是可能的。图2是图1中的现有技术悬架105的俯视平面图。两个PZT微致动器14被粘附于形成在基板12内的微致动器安装架18上的悬架105，使得PZT跨越基板12中的相应间隙。微致动器14被通过环氧树脂16于微致动器的每一端粘附于安装架18。可通过多种技术从PZT到悬架的柔性线路迹线(wiringtrace)和/或到板进行正负电气连接。当致动微致动器14时，它扩展或收缩并且由此改变安装架之间的间隙的长度，从而产生被安装于悬架105的远端的读/写头的微动。图3是现有技术PZT微致动器及图2的安装的侧视剖视图。微致动器14包括PZT元件20本身以及位于PZT上的限定用于致动PZT的电极的顶部金属层26和底部金属层28。PZT14被通过环氧树脂或焊料16在其左右两侧上被跨过间隙安装，如图所示。在DSA悬架中，通常需要获得每单位输入电压的与PZT相距的高冲程距离，或简称为“冲程长度”。过去的许多DSA悬架设计已经在安装板上安装了PZT。在这种设计中，通过PZT的旋转中心和读/写换能器头之间的臂的长度放大了PZT的线性移动。PZT的小线性运动因此导致了读/写头的相对大的径向运动。其它悬架设计在常平架处或其附近安装PZT。常平架安装的PZT的一个示例是在被转让给本专利技术的受让人的专利No.8,879,210中示出的DSA悬架。在常平架安装的DSA悬架(“GSA”悬架)中，特别重要的是获得高冲程长度，这是因为那些设计几乎不具有与在PZT和读/写换能器头之间的臂长一样的臂长。对于较短的臂长，读/写头的合成运动是相应较小的。因此，在GSA设计中获得大冲程长度是特别重要的。
技术实现思路
本申请的专利技术人已经在根据现有技术的在其上安装有PZT微致动器的悬架中识别出了损失PZT冲程长度的根源，并已经研发了一种消除损失冲程长度的根源的PZT微致动器结构及其生产方法。图4A是一种根据现有技术图2的安装在悬架中的PZT微致动器14的当通过在其上施加驱动电压来致动PZT以使该PZT扩展时的侧视剖视图。由于PZT的底层22通过被结合到它安装于其上的悬架18而部分地受到约束，因此底层22并不在线性方向中与顶层24扩展得一样多。由于顶层24比底层22扩展得多，因此PZT14向下弯曲并且当从顶部观察时呈现略微凸起的形状。线性冲程长度方面的合成损失在该图中被示出为δ1。图4B示出了当通过在其上施加驱动电压来致动PZT时的图4A的PZT微致动器14。由于PZT的底层22通过被结合到它安装于其上的悬架18而部分地受到约束，因此底层22并不在线性方向中与顶层24收缩得一样多。由于顶层24比底层22收缩地多，因此PZT14向上弯曲并且当从顶部观察时呈现略微凹入的形状。线性冲程长度方面的合成损失在该图中被示出为δ2。因此，尽管在需要致动时PZT纯线性地扩展和收缩，但在常规安装中，PZT经历了或向上或向下弯曲，这导致冲程长度损失。图5是用于由于PZT的弯曲所导致的增加或损失的有效线性冲程的大小的图表和相关公式。当梁如图4A中所示向上弯曲时，底部尖点在该弯曲角度很小时将在x方向中具有正位移δ。图6为针对三种不同厚度的PZT的弯曲角度的由于弯曲所导致的冲程损失的曲线。如图中所示，对于具有1.50mm长度和45μm厚度的PZT，当弯曲角度小于5度时，该弯曲引起正x位移δ。对于该弯曲量，也可以看到的是，较厚梁与较薄梁相比产生更大的x位移。同样，当PZT在所施加的电压作用下收缩时，PZT的右半部分向下弯曲，并且PZT的被结合到悬架的底部末端将经历负x位移δ。换句话说，在PZT到悬架的常规安装中，由于弯曲所导致的线性位移的分量δ处于与PZT的致动相反的方向中。因此会期望减少或消除该增量，乃至消除该增量的征兆，使得最终结果是，线性扩展或收缩的总量实际被增大。本专利技术是一种具有一个或多个刚性抑制层或抑制元件的PZT元件，这些抑制层或抑制元件被结合到与将PZT安装于悬架所在的侧面或表面相反的至少一个侧面或表面，以便在致动它时，减少、消除、PZT的弯曲或改变PZT的弯曲方向或以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层压电微致动器组件，包括：第一压电层和第二压电层，所述第一压电层和所述第二压电层中的每一个都包括极化压电材料，与所述第二压电层的情况相比，所述第一压电层更为靠近结合有所述微致动器组件的表面；位于所述第一压电层的底侧上的第一电极；以及位于所述第一压电层的顶侧上并被设置在所述第二压电层的下方的第二电极，使得被越过所述第一电极和所述第二电极施加的第一电压差越过所述第一压电层感生出电场；其中：所述第一电极被操作性地连接于第一电压并且所述第二电极被操作性地连接于不同于所述第一电压的第二电压，从而限定越过所述第一压电层施加的第一电压差，所述第一电压差越过所述第一压电层感生出第一电场，从而致使所述第一压电层扩展或收缩；以及越过所述第二压电层基本上未施加电压差；由此：所述第二压电层为基本无源的压电层并且用作约束层，以抵抗所述第一压电层的扩展或收缩；并且与不存在所述第二压电层的情况相比，所述微致动器组件的整体扩展或收缩被制成为响应于被越过所述第一压电层施加的所述第一电压差是较大的。

【技术特征摘要】
2016.08.03 US 15/227,7801.一种多层压电微致动器组件，包括：第一压电层和第二压电层，所述第一压电层和所述第二压电层中的每一个都包括极化压电材料，与所述第二压电层的情况相比，所述第一压电层更为靠近结合有所述微致动器组件的表面；位于所述第一压电层的底侧上的第一电极；以及位于所述第一压电层的顶侧上并被设置在所述第二压电层的下方的第二电极，使得被越过所述第一电极和所述第二电极施加的第一电压差越过所述第一压电层感生出电场；其中：所述第一电极被操作性地连接于第一电压并且所述第二电极被操作性地连接于不同于所述第一电压的第二电压，从而限定越过所述第一压电层施加的第一电压差，所述第一电压差越过所述第一压电层感生出第一电场，从而致使所述第一压电层扩展或收缩；以及越过所述第二压电层基本上未施加电压差；由此：所述第二压电层为基本无源的压电层并且用作约束层，以抵抗所述第一压电层的扩展或收缩；并且与不存在所述第二压电层的情况相比，所述微致动器组件的整体扩展或收缩被制成为响应于被越过所述第一压电层施加的所述第一电压差是较大的。2.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中，所述微致动器组件进一步包括：在所述第二压电层上延伸的第三电极，使得所述第二压电层被设置在所述第二电极和所述第三电极之间，并且所述第三电极是浮动电极。3.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中：所述第一压电层和所述第二压电层具有等同的厚度；以及所述第一压电层和所述第二压电层被使用等同强度的电场极化。4.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中：所述第一压电层和所述第二压电层具有差别小于10％的厚度；并且所述第一压电层和所述第二压电层被使用差别小于10％的相应的电场强度极化。5.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中：所述第一压电层和所述第二压电层具有差别小于25％的厚度；并且所述第一压电层和所述第二压电层被使用差别小于25％的相应的电场强度极化。6.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中：所述第一压电层和所述第二压电层具有不同的厚度；并且所述第一压电层和所述第二压电层被使用被分别越过它们施加的不同电压差极化。7.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中，所述第二压电层具有被越过它施加的第二电场，所述第二电场小于被越过所述第一压电层施加的所述第一电场的10％。8.根据权利要求1所述的微致动器组件，其中，所述第二压电层具有被越过它施加的第二电场，所述第二电场小于被越过所述第一压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：余坤祺，D·格莱斯，张泷，P·哈恩，
申请(专利权)人：马格内康普公司，
类型：发明
国别省市：美国,US