專利名稱：用于精定位微致動器的多層膜壓電元件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電及微控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于精定位微致動器的多層膜壓電元件及其制備方法，主要用于提高計算機磁頭的精確定位。
背景技術(shù)：
目前，發(fā)展最快的磁存儲裝置為計算機硬盤。近年來，硬盤的面密度和主軸轉(zhuǎn)速以極快的速度增長，具體數(shù)據(jù)為硬盤的最大面密度正以每年100％的速度增長，預(yù)計5年后軌跡間距降到0.25μm以下，軌跡定位精度必須小于0.025μm。因此，通過微致動器的精確控制來提高磁頭懸臂運動時的軌道定位精度勢在必行。
如今，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。該系統(tǒng)中的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(jìn)行軌道精確定位。其關(guān)鍵技術(shù)是在滑塊附近裝配一個壓電微致動器；圖1(a)和(b)是裝有壓電微致動器的磁頭懸臂裝置(HSA)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，提出了一種用于磁頭精定位微致動器的新型多層膜壓電元件及其溶膠凝膠制備方法，可制作多層薄膜結(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)明提出的用于精定位微致動器的多層膜壓電元件，其特征在于，它包括高d31特性的壓電薄膜，電極層，電極板，所述壓電元件位于微致動器基體的兩側(cè)，并采用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。
在上述多層膜壓電元件中，所述多層膜壓電元件的層數(shù)為3-7層；所述壓電薄膜的單層厚度為0.1～5μm。
本發(fā)明提出的一種用于精定位微致動器的多層膜壓電元件的制備方法，所述方法采用溶膠凝膠法制作壓電薄膜，采用濺射或蒸發(fā)工藝制備底電極層、中間電極層、頂電極層以及電極板，并采用光刻工藝制成多層膜元件，其特征在于，該方法依次包括以下步驟(1)在經(jīng)過氧化的硅晶片表面濺射一層底電極層，使用溶膠-凝膠法沉積一層PZT壓電薄膜；
(2)采用濺射工藝沉積中間電極層，并通過反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕成型；根據(jù)具體的層數(shù)要求重復(fù)該步驟；(3)分別沉積壓電薄膜和頂電極層，并刻蝕成型；隨后，SiO2保護(hù)層和Au接線端子分別沉積和成型，同時用濕法將Si片背部刻蝕減薄或全部去除，得到多層膜壓電元件；(4)通過環(huán)氧膠分別將兩只多層膜元件粘結(jié)在U型不銹鋼基體的懸臂兩側(cè)，得到多層膜壓電元件。
在上述多層膜壓電元件的制備方法中，步驟(1)所述溶膠-凝膠法沉積一層PZT壓電薄膜的具體工藝為，首先制作PZT先驅(qū)液，即選用三水醋酸鉛、硝酸鋯和鈦酸丁四脂作為原料，然后在乙二醇獨甲醚溶劑中溶解、混合及水解過程，形成穩(wěn)定、透明的PZT溶膠，并使溶膠中·Zr/Ti的摩爾比例嚴(yán)格控制在(50～60)/(50～40)，然后加入過量10～30％的三水醋酸鉛用來彌補退火時薄膜中Pb的揮發(fā)；通過旋涂法將溶膠涂于硅晶片表面形成濕膜，并在150～300℃下加熱1～10min，然后在500～700℃下加熱1～10min，最后在650℃～750℃下退火30～45min，以得到完全鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT薄膜。
在上述多層膜壓電元件的制備方法中，其特征在于，所述壓電薄膜材料為PZT，PZT分子式為Pbx(ZryTi1-y)O3，其中，x＝0.8～1.1，y＝0.4～0.7。
在上述多層膜壓電元件的制備方法中，其特征在于，所述電極層材料為Pt、Ti，其中，中間電極層為Ti/Pt/Ti，且Ti和Pt交替沉積；所述底電極層和頂電極層為Ti/Pt或Pt/Ti；所述Pt電極層的厚度可為5～20nm；所述Ti電極層的厚度可為100～200nm。所述電極板為Au、Ag、Cu、Al中的任何一種；所述電極板的厚度為0.5～10μm。
本發(fā)明的多層膜壓電元件用于計算機磁頭的精確定位，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，制作完成的微致動器還具有以下特點元件電容≤5nF，元件電阻≥10Ω，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)明的用于計算機精定位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)。
用本發(fā)明的多層膜壓電元件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)明的三層膜壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-“U”型不銹鋼基體，2-硅，3、9、11-二氧化硅，4-底電極層，5-中間電極層，6-壓電薄膜，7-極化方向，8-頂電極層，10-電極板。
圖3為本發(fā)明的四層膜壓電元件的一種制備工藝流程圖，其中，(a)在Si基體表面分別制備SiO2，Ti/Pt底電極層和PZT壓電薄膜；(b)Ti/Pt/Ti中間電極層的沉積和相應(yīng)圖形的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)；(c)制備PZT壓電薄膜，以及Ti/Pt/Ti中間電極層的沉積和相應(yīng)圖形的RIE制備；(d)制備PZT壓電薄膜和Pt/Ti頂電極層；并對Pt/Ti頂電極層進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕；(e)SiO2保護(hù)層的制備；并對SiO2層和PZT壓電薄膜進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕；(f)SiO2內(nèi)孔隔離層的制備；Au電極板的沉積和刻蝕成型；(g)將Si基體用反應(yīng)離子刻蝕刻蝕方法盡可能減薄直至完全清除，并用環(huán)氧膠與不銹鋼基體粘結(jié)。
圖4為本發(fā)明的四層膜壓電元件的另一種制備工藝流程圖，其中，(a)在Si/SiO2層表面分別濺射底電極層(Ti/Pt)，并根據(jù)右側(cè)掩膜版，采用溶膠凝膠法沉積一層PZT壓電薄膜，再濺射中間電極層(Ti/Pt/Ti)；(b)根據(jù)右側(cè)掩膜版制備PZT壓電薄膜，并濺射沉積中間電極層(Ti/Pt/Ti)；(c)根據(jù)右側(cè)掩膜版再沉積一層PZT壓電薄膜和頂電極層(Pt/Ti)；(d)根據(jù)右側(cè)掩膜版將SiO2層和Au電極板分別沉積和成型，并用反應(yīng)離子刻蝕工藝將Si基片背部盡可能減薄直至全部去除；(e)連接電路，分別極化，并通過環(huán)氧膠將兩只該元件分別粘結(jié)在“U”型不銹鋼基體的兩側(cè)，其中，1、2、3、4-電極板，5-底電極層，6、7-中間電極層，8-頂電極層，9-硅，10、11-二氧化硅，12-“U”型不銹鋼基體。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明實施例一圖2是三層薄膜壓電元件的一種結(jié)構(gòu)示意圖。其中，每一層膜都沿厚度方向進(jìn)行極化。圖3是其制作工藝流程首先，在經(jīng)過氧化(氧化層SiO2的晶格取向為(100))的硅晶片表面濺射一層Ti/Pt底電極層，其中，Pt層厚5nm，Ti層厚100nm。然后使用溶膠-凝膠法沉積一層厚400nm的PZT壓電薄膜，首先制作PZT先驅(qū)液，即選用三水醋酸鉛、硝酸鋯和鈦酸丁四脂作為原料，然后在乙二醇獨甲醚溶劑中溶解、混合及水解過程，形成穩(wěn)定、透明的PZT溶膠，并使溶膠中Zr/Ti的摩爾比為52/48，然后加入過量10％的三水醋酸鉛用來彌補退火時薄膜中Pb的揮發(fā)；通過旋涂法將溶膠涂于硅晶片表面形成濕膜，并在150℃下加熱1min，然后在500℃下加熱2min，最后在650℃下退火30min。第二步，濺射沉積Ti/Pt/Ti中間電極層，其中，Ti和Pt交替沉積，反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕成型。再次沉積一層PZT和Ti/Pt/Ti中間電極層后，刻蝕成型。接下來，一層PZT和Pt/Ti頂電極層分別沉積，并刻蝕成型。隨后，SiO2保護(hù)層和Au電極板分別沉積和成型，同時用反應(yīng)離子刻蝕工藝將Si基片背部盡可能減薄直至全部去除，以減少基體對薄膜驅(qū)動力的影響。最后通過環(huán)氧膠將兩只三層膜元件分別粘結(jié)在“U”型不銹鋼基體兩側(cè)，完成整個工藝過程。
驅(qū)動時，分別在相鄰兩層電極之間施加交流反向電壓(如±20V)。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(dá)到1.003μm/±20V，同時諧振頻率達(dá)到了16.67kHz，滿足了高密度硬盤對磁頭精確定位的要求。
實施例二圖4是三層薄膜壓電元件的另一種結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制作工藝流程。其中，每一層膜同樣沿厚度方向進(jìn)行極化。首先，在具有SiO2氧化層的硅晶片表面濺射底電極層(Ti/Pt)，其中，Pt層厚10nm，Ti層厚150nm。然后使用溶膠-凝膠法，并根據(jù)圖(a)右側(cè)掩膜版沉積一層厚800nm的PZT壓電薄膜，即首先制作PZT先驅(qū)液，即選用三水醋酸鉛、硝酸鋯和鈦酸丁四脂作為原料，然后在乙二醇獨甲醚溶劑中溶解、混合及水解過程，形成穩(wěn)定、透明的PZT溶膠，并使溶膠中Zr/Ti的摩爾比為58/42，然后加入過量20％的三水醋酸鉛用來彌補退火時薄膜中Pb的揮發(fā)；通過旋涂法將溶膠涂于硅晶片表面形成濕膜，并在200℃下加熱5min，然后在600℃下加熱5min，最后在700℃下退火40min。并濺射沉積中間電極層(Ti/Pt/Ti)，其中Ti和Pt交替沉積，并刻蝕成型。第二步，根據(jù)圖(b)右側(cè)掩膜版制備PZT壓電薄膜，并濺射沉積中間電極層(Ti/Pt/Ti)。根據(jù)圖(d)右側(cè)掩膜版再沉積一層PZT和頂電極層(Pt/Ti)后，刻蝕成型。隨后，根據(jù)圖(e)右側(cè)掩膜版將SiO2層和Al電極板分別沉積和成型，并用反應(yīng)離子刻蝕工藝將Si基片背部盡可能減薄直至全部去除。最后通過環(huán)氧膠將兩只該元件分別粘結(jié)在“U”型基體兩側(cè)。
該制作工藝具有結(jié)構(gòu)合理、制作方便、成本較低、微致動效果高等優(yōu)點。如采用三層結(jié)構(gòu)的壓電元件時，其微致動位移/驅(qū)動電壓靈敏度及諧振頻率仍可達(dá)到1.102μm/±20V和19.25kHz，同樣滿足高密度硬盤對磁頭精確定位的要求。
實施例三六層薄膜壓電元件的制作過程，其制作工藝流程與實施例二相同。其中，每一層膜同樣沿厚度方向進(jìn)行極化。首先，在具有SiO2氧化層的硅晶片表面濺射底電極層(Ti/Pt)，其中，Pt層厚20nm，Ti層厚200nm。然后使用溶膠-凝膠法，并根據(jù)圖(a)右側(cè)掩膜版沉積一層厚800nm的PZT壓電薄膜，即首先制作PZT先驅(qū)液，即選用三水醋酸鉛、硝酸鋯和鈦酸丁四脂作為原料，然后在乙二醇獨甲醚溶劑中溶解、混合及水解過程，形成穩(wěn)定、透明的PZT溶膠，并使溶膠中Zr/Ti的摩爾比為58/42，然后加入過量30％的三水醋酸鉛用來彌補退火時薄膜中Pb的揮發(fā)；通過旋涂法將溶膠涂于硅晶片表面形成濕膜，并在300℃下加熱10min，然后在700℃下加熱8min，最后在750℃下退火45min。并濺射沉積中間電極層(Ti/Pt/Ti)，其中Ti和Pt交替沉積，并刻蝕成型。第二步，根據(jù)圖(b)右側(cè)掩膜版制備PZT壓電薄膜，并濺射沉積中間電極層(Ti/Pt/Ti)，重復(fù)四次。根據(jù)圖(d)右側(cè)掩膜版再沉積一層PZT和頂電極層(Pt/Ti)后，刻蝕成型。隨后，根據(jù)圖(e)右側(cè)掩膜版將SiO2層和Cu電極板分別沉積和成型，并用反應(yīng)離子刻蝕工藝將Si基片背部盡可能減薄直至全部去除。最后通過環(huán)氧膠將兩只該元件分別粘結(jié)在“U”型基體兩側(cè)。
采用六層結(jié)構(gòu)的壓電元件時，其微致動位移/驅(qū)動電壓靈敏度及諧振頻率明顯提高，達(dá)到1.398μm/±20V和21.25kHz，滿足計算機磁頭精確定位的要求。
權(quán)利要求
1.用于精定位微致動器的多層膜壓電元件，其特征在于，它包括高d31特性的壓電薄膜，電極層，電極板，所述壓電元件位于微致動器基體的兩側(cè)，并采用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，所述多層膜壓電元件的層數(shù)為3-7層；所述壓電薄膜的單層厚度為0.1～5μm。
3.一種制備如權(quán)利要求1所述的用于精定位微致動器的多層膜壓電元件的方法，所述方法采用溶膠凝膠法制作壓電薄膜，采用濺射或蒸發(fā)工藝制備底電極層、中間電極層、頂電極層以及電極板，并采用光刻工藝制成多層膜元件，其特征在于，該方法依次包括以下步驟(1)在經(jīng)過氧化的硅晶片表面濺射一層底電極層，使用溶膠-凝膠法沉積一層PZT壓電薄膜；(2)采用濺射工藝沉積中間電極層，并通過反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕成型；根據(jù)具體的層數(shù)要求重復(fù)該步驟；(3)分別沉積壓電薄膜和頂電極層，并刻蝕成型；隨后，SiO2保護(hù)層和Au電極板分別沉積和成型，同時用濕法將Si片背部刻蝕減薄或全部去除，得到多層膜壓電元件；(4)通過環(huán)氧膠分別將兩只多層膜元件粘結(jié)在U型不銹鋼基體的懸臂兩側(cè)，得到多層膜壓電元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層膜壓電元件的制備方法，其特征在于，步驟(1)所述溶膠-凝膠法沉積一層PZT壓電薄膜的具體工藝為，首先制作PZT先驅(qū)液，即選用三水醋酸鉛、硝酸鋯和鈦酸丁四脂作為原料，然后在乙二醇獨甲醚溶劑中溶解、混合及水解過程，形成穩(wěn)定、透明的PZT溶膠，并使溶膠中Zr/Ti的摩爾比例嚴(yán)格控制在(50～60)/(50～40)，然后加入過量10～30％的三水醋酸鉛用來彌補退火時薄膜中Pb的揮發(fā)；通過旋涂法將溶膠涂于硅晶片表面形成濕膜，并在150～300℃下加熱1～10min，然后在500～700℃下加熱1～10min，最后在650℃～750℃下退火30～45min，以得到完全鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4或者所述的多層膜壓電微致動器的制備方法，其特征在于，所述壓電薄膜材料為PZT，PZT分子式為Pbx(ZryTi1-y)O3，其中，x＝0.8～1.1，y＝0.4～0.7。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層膜壓電元件，其特征在于，所述電極層材料為Pt、Ti，其中，中間電極層為Ti/Pt/Ti，且Ti和Pt交替沉積；所述底電極層和頂電極層為Ti/Pt或Pt/Ti；所述Pt電極層的厚度可為5～20nm；所述Ti電極層的厚度可為100～200nm。所述電極板為Au、Ag、Cu、Al中的任何一種；所述電極板的厚度為0.5～10μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于精定位微致動器的多層膜壓電元件及其制備方法，屬于微機電及微控制技術(shù)領(lǐng)域。該壓電元件選用高d
文檔編號B81B7/00GK1571180SQ200410009090
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)