CN1305031C - 具有电绝缘可动部分的静电微致动器和相关的驱动电路 - Google Patents

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  • Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)
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Abstract

一种双向静电旋转微致动器，具有两组固定电极，一组用于逆时针驱动该微致动器，另一组用于顺时针驱动它，还具有可旋转框架，它具有连接至该可旋转框架外壁的可动电极，该可动电极在固定电极之间交错。在连接有可动电极的外壁和框架的剩余部分之间设置绝缘材料层，从而可动电极被电隔离。该框架保持为接地电位，可动电极保持在固定的非零电位上。通过给一组固定电极施加正或者负的电压而给另一组施加相反电压，同时保持可动电极在固定的非零电压上，可以驱动该微致动器。该微致动器可以用作磁盘驱动器中的辅助致动器，用于精确定位磁头。

Description

具有电绝缘可动部分的静电 微致动器和相关的驱动电路
技术领域
本发明总体上涉及静电微致动器，更具体地说涉及在磁记录磁盘驱动器中作为辅助读/写致动器的静电微致动器。
背景技术
数据记录磁盘驱动器例如磁记录驱动器将信息存储在位于可旋转磁性记录磁盘的数据表面上的数据磁道中。从数据表面读取数据并且将数据写入到其上的读取/写入头或者传感器位于空气轴承浮动块上，该浮动块由位于旋转盘上的空气轴承支撑。该浮动块在刚性臂的端部处连接在柔性悬臂上。磁盘驱动器致动器通常为旋转音圈马达(VCM)，它通常使致动器臂以及所附的悬臂和浮动块径向移动以使磁头在用来接收来自数据表面的预先记录的伺服位置信息的伺服控制系统的控制作用下定位在所要求的磁道处。随着将磁盘上的数据磁道做得越来越窄并且将它们设置得彼此更加接近以提高数据密度，现在致动器和伺服控制系统变得越来越难以迅速且精确地将磁头定位到所要求的磁道上方并且进行磁道跟踪。例如，具有VCM致动器的伺服控制系统难以实现大于2kHz的伺服环路带宽。
已经提出将静电致动器连接在悬臂上以提供磁头的辅助精确定位，而主致动器提供粗定位。一个这种辅助致动器为在IBM的US5959808和5995334以及由T.Hirano等人在“HDD TRACKINGMICROACTUATOR AND ITS INTEGRATION ISSUES”，ASMEInternational Mechanical Engineering Congress and Exposition，Orlando，FL，第449-452页，2000年12月中所描述的旋转静电微致动器(这样称呼是因为它是微机电系统(MEMS)装置)。近年来在集成电路技术中的技术进步已经导致开发出微米尺寸的MEMS装置，这可以采用静电和其它方法例如机械、电磁、流体和热的方法来激励和控制。MEMS制造技术是更多的半导体微制造技术与微加工的更新进展的组合。
支撑着读取/写入磁头并且连接在静电微致动器的可动部分上的浮动块必须总是处于接地电位(0伏特)以避免在浮动块和磁盘之间的静电放电(ESD)，静电放电会损坏读取/写入磁头。因为微致动器的可动电极接地，所以需要相对较高的电压(例如60V)来产生理想的作用力。还有，因为浮动块地线和微致动器地线连接，所以在微致动器驱动器信号和来自读取/写入磁头的磁信号之间会出现电连接，这会给磁信号增加不希望有的噪声。
当前需要一种磁盘驱动器静电微致动器和没有微致动器接地和相对高压的缺点的驱动器电路。
发明内容
本发明涉及一种双向静电旋转微致动器和装有该微致动器的用来精确定位读/写头的磁盘驱动器。该微致动器具有两组固定电极，一组用于逆时针驱动微致动器，而另一组用于顺时针驱动该微致动器，还具有一可旋转框架，它具有连接在其外壁上并且交错在固定电极之间的可动电极。在磁盘驱动器工作时框架保持在接地电位而可动电极保持在固定的非零电位。通过向一组固定电极施加正或负电压并且向另一组施加相反的电压来驱动该微致动器，同时将可动电极保持在固定的非零电压。
应该参照以下详细说明并结合附图来更全面地理解本发明的特性和优点。
附图说明
图1为具有两级磁头定位系统的现有技术磁盘驱动器的透视图；
图2为连接在图1的现有技术磁盘驱动器上的悬臂上的辅助致动器的视图；
图3为具有悬臂和浮动块的现有技术辅助静电微致动器的分解透视图；
图4为具有驱动器电路的现有技术静电微致动器的平面图；
图5为图4的一部分的视图，还显示出浮动块结合平台；
图6为本发明的具有驱动电路的静电微致动器的平面图；
图7为图6的一个截面的视图，显示出微致动器的两个可动部分之间的电绝缘；
图8为本发明的静电微致动器的一实施方案的平面图，并且来自两组固定电极分支中的每一个的一个固定电极分支与每个可动电极分支连接；并且
图9为根据本发明的微致动器的一部分的剖视图，显示出在两个可动部分之间的改进机械连接和电绝缘。
具体实施方式
现有技术
图1和2显示出具有用来使连接在磁头支架或浮动块30上的磁性读取/写入磁头36定位的两级伺服系统的磁盘驱动器，所述浮动块为位于磁性记录磁盘11上的选定磁道上方的空气轴承浮动块或者接触记录浮动块。两级伺服系统包括用于粗定位磁头的音圈马达(VCM)的主致动器13。主致动器13和可旋转磁盘11安装在磁盘驱动器基底10上。主致动器13包括在其端部处具有一悬臂16的致动器臂12。浮动块30连接在悬臂16的弯曲部分18上。该两级伺服系统的用于将磁头精确定位在选定磁道上的第二级为连接在弯曲部分18上的辅助致动器14。该辅助致动器14支撑着浮动块30。图2的放大分解视图显示出设置在弯曲部分18和浮动块30之间的静电旋转微致动器形式的辅助致动器14。微致动器的固定部分结合在弯曲部分18的底部上，而浮动块30结合在微致动器的可动部分上。结合平台(未示出)可以安装在微致动器14和浮动块30之间。浮动块30可以为磁头支架的连续接触类型，例如具有在读取和写入期间保持与磁盘接触的衬垫或滑板(skid)的那些类型。浮动块30还可以提供完全空气轴承支撑的非接触类型，或者为只提供部分支撑即在读取和写入期间一部分浮动块与磁盘接触或者与之接近接触的类型。
图3为现有技术旋转静电微致动器14、磁盘驱动器悬臂弯曲部分18和空气轴承浮动块30的分解视图。图4为具有驱动器电路的微致动器14的平面图，图5为图4的一个剖面的视图。浮动块30具有面对着磁盘驱动器的磁盘的空气轴承表面32和支撑着读/写磁头36的延伸表面34。微致动器14包括位于绝缘衬底51上的固定和可动部分，所述绝缘衬底通常为具有绝缘表面层例如聚氨酯层、氧化硅或氮化硅层的硅衬底。衬底51安装在位于悬臂16的端部上的弯曲部分18上(图2)。微致动器14的固定部分包括固定在衬底51上的中央立柱52和也固定在衬底51上的两组固定电极53、53′。微致动器14的可动旋转部分包括一支撑框架54、多个将框架54连接在固定立柱52上的柔性部件或弹簧55以及多个描绘成连接在框架54上的两组56、56′的可动电极。这些可动电极组56、56′分别与固定电极组53、53′交叉。可选地，框架54可以支撑其上结合着浮动块30的平台57(图5)。在图5中显示出平台的剖视图。通过在衬底51上光刻形成图案并且电沉积导电材料例如镍或铜来形成连接在衬底51上的所有元件。
当在可动和固定电极之间产生出力时，微致动器14的可动部分由于弹簧55的柔性而旋转(如由箭头59所示一样)。这使得读/写磁头36稍微移动以保持其在磁盘上的数据磁道上的位置。连接在框架54上的结合平台57上的浮动块30必须总是处于接地电位(0伏特)以避免在浮动块30和磁盘11之间出现静电放电(图1)，放电会损坏读/写磁头36。为了满足这种要求，通过施加如在图4中所示的电压来驱动微致动器14。包括框架54和电极56、56′在内的微致动器14的可动部分接地，并且驱动电压施加在固定电极53、53′上。施加给该组固定电极53的非零电压V1会在固定电极53和可动电极56之间施加静电引力，容易导致框架54(以及所连接的浮动块30)逆时针旋转。施加给该组固定电极53′的非零电压V2会在固定电极53′和可动电极56′之间施加静电引力，容易导致框架54(以及所连接的浮动块30)顺时针旋转。因此第一组固定电极53是与逆时针旋转有关的那些电极，第二组固定电极53′是那些与顺时针旋转有关的电极。
通常使用这种类型的双向静电微致动器，这是因为静电力能够仅产生一个方向的力，即引力。因为引力与电压差的平方成比例，因此同样大小的正电压差和负电压差会正好产生同样方向的同样力。因为静电微致动器的输出力与固定电极和可动电极之间的电压差的平方成比例，因此希望将电压与力之间的关系线性化。图4显示了通常的差动传动方法。在这种方法中，模拟控制电压x是系统的输入。按照两种方法对该电压进行处理，并施加给微致动器的两个输入端子。在一个路径中，加入固定偏压A，然后是高电压放大器的固定增益放大G，得到电压G*(A+x)，它连接至微致动器的用于固定电极53的V1端子。在另一条路径中，使模拟输入信号x反向，加上同样的固定偏压A，并按照同样的固定增益G放大，得到电压G*(A-x)，它连接至微致动器的用于固定电极53′的V2端子。由于电压V1产生逆时针转矩，并且电压V2产生顺时针转矩，因此净转矩会是这两个转矩的差，它与下式成比例，
(G*(A+x))2-(G*(A-x))2＝4G2Ax
其结果是转矩与输入控制电压x成线性关系。
优选实施方案
图6表示本发明的微致动器114和其驱动电路。微致动器114具有可动框架140，它包括通常为矩形的由导电金属(一般为镍)形成的内部141和外部142。这两个框架部分141和142连接在一起，但是彼此通过电绝缘材料143而电隔离。框架140具有两个相对的侧壁145，147，它们的每一个分别面对在衬底151上隔开的各组固定电极分支153，153′。框架140的外部142也具有侧壁161，163，它们分别支撑着各组可动电极分支156，156′。壁161，145，以及壁163，147由绝缘材料143连接。图7是图6的部分视图(没有连接至框架140的内部141的可选的结合平台)，它更清楚的显示了浮动块是如何与可动电极分支156，156′电隔离的。
尽管图6所示的实施方案显示的是双向静电旋转微致动器，其中可动框架通常为矩形，电极分支从框架壁垂直延伸，但是本发明可以用于各种双向静电微致动器。例如，电极分支不必精确地平行，而是可以呈现为略微倾斜，以提高在MEMS器件上的组装密度，如T.Hirano等的论文中图10所示。另一个示例是具有通常为圆形框架的旋转微致动器，它带有圆形的外壁，该外壁具有通常径向延伸的电极分支，例如前述的′334专利的图3中现有技术所示。也已经知道，可动分支和其相关的固定分支可以具有多个横向延伸的指状物，这些指状物彼此交错，如前述的′334专利的图13以及T.Hirano等的论文中图10所示。
图6所示的实施方案为了进行简化，显示了每个可动电极分支仅与一个对应的固定电极分支相关联，从而一组可动分支156与用于逆时针旋转的第一组固定分支153相关联，而另一组可动分支156′与用于顺时针旋转的第二组固定分支153′相关联。但是已经知道，使两组固定电极分支与每个可动电极分支相关联，每个可动分支位于两个固定分支之间，每个固定分支来自每一组，从而每个可动电极可以产生顺时针和逆时针转矩。该实施方案显示在图8中，其中第一组固定分支253提供逆时针旋转，而第二组固定分支253′提供顺时针旋转。框架240具有与外部242通过绝缘材料243电隔离的内部241，可动电极256连接至外部框架部分242。来自每一组的一个固定电极分支253，253′与每个可动电极分支256相关联。图8也显示出可动电极分支和相关联的固定电极分支在矩形框架240上可以略微倾斜的方式。
微致动器114的制造过程基本与例如图1-5所示的现有技术的微致动器所采用的方法一致，但是还有其它的一系列步骤来形成连接两个部分141，142的绝缘材料143。图6所示的结构没有绝缘材料，它按照传统方式形成，其光刻图案被改进为限定部分141和142之间的要形成绝缘材料143的间隙。绝缘材料143可以是任何介电材料，例如金属氧化物和聚合物材料。优选的材料是感光聚合物，例如聚酰亚胺和SU-8。
因此在下一个步骤，在结构上旋涂SU-8。SU-8是基于EPON SU-8(来自Shell Chemical)环氧树脂的负性环氧类型的近紫外光刻胶，它最初是由IBM开发的(见US4882245)。SU-8可以从Newton，MA的MicroChem公司获得。该光刻胶可以厚至2mm，利用标准的接触型光刻设备，可以显示出大于20的纵横比。因为在旋涂过程中SU-8是粘性液体，因此它填充了要被连接的两个部分141，142之间的间隙。然后通过施加紫外光来使SU-8环氧树脂选择性交联。这可以通过典型的光掩膜过程来实现。通过这个步骤，两个部分之间的SU-8材料交联。通过制造商指定的其自身的显影剂来显影SU-8。该过程除去任何没有交联的SU-8，仅留下交联的SU-8，得到两个部分141，142之间的SU-8的绝缘连接。固化的SU-8高度耐溶剂、酸和碱，并具有优异的热稳定性，使其非常适合于这种用途，在这种用途中该固化的结构是微致动器的一个永久的部分。
图9显示了在框架内部141和外部142的侧壁(例如壁147，163)之间的改进的互连。每个壁例如壁147和163分别具有多个肋190，192，它们延伸出来，并通常平行于壁而对准。肋190，192设置成彼此互锁，但是仍然没有接触，从而通过绝缘材料143而使得壁彼此电隔离。在图9的实施方案中，两个部分的连接表面因此具有相互啮合的之字形形状，它增加了结合表面面积。而且，即使两个移动部分和绝缘材料之间的粘合力不够，它也可以非常好地支持面内力。通过在其上沉积有导电材料(例如镍)的微致动器所使用的光刻图案的设计，容易形成肋。因此该特征不会增加过程的复杂性，因为衬底151上的所有元件是采用一个光刻步骤来形成图案的。
图6显示了静电微致动器连接至盘驱动器中的驱动电路的方法。可动框架140的内部141保持在接地电位(零电压)。DC/DC转换器170将+5V盘驱动电源输入转换为+/-V3(在该实施方案中V3被选为30V)电源，它输入给微致动器驱动电路180。来自DC/DC转换器170线的-V3输出线也直接连接至可动框架140的输出部分142。外部框架部分142包括可动电极分支156，156′组，它因此保持在-30V的固定电位。驱动电路180具有用于模拟控制信号x的输入。控制信号x的大小和方向由盘驱动伺服控制系统(未图示)产生，以使得微致动器按照正确的方向和量旋转，从而维持读/写头在所选择的数据磁迹的中央之上。
在本发明中，给微致动器114施加三个电压。模拟控制电压x输入到驱动器电路180，并经过固定增益G放大器181，它连接至固定电极分支153上的端子V1。因此电压G*x施加给分支153。控制电压x也经过反向器182，然后是具有固定增益G的第二放大器183，它连接至固定电极分支153′上的端子V2。因此电压-G*x施加给分支153′。微致动器114的可动部分142上的可动电极分支156，156′连接至固定电压源(电压-V3)。因此微致动器上的净转矩与下式成比例：
(-V3+G*x)2-(-V3-G*x)2＝4*G*V3x
它与控制输入电压x成线性关系。现在通过两个电压的差确定微致动器的输出。例如，来自右手侧(电极分支153′，156′)的输出力由V2-(-V3)(等于V2+V3)确定，来自左手侧(电极分支153，156)的输出力由V1-(-V3)(等于V1+V3)确定。因此本发明采用低很多的驱动电压。例如，代替现有技术中的0V-60V的是，使用-30V至+30V系统，它是更容易和更安全的。由于V2的最大值是+30V，-V3＝-30V，因此电极分支153′和156′之间的最大差仍然是60V，与采用0V和60V的现有技术相同。
本发明的另一个优点是在来自驱动器电路180的信号和来自读/写头的磁信号之间没有电耦合，因为有电绝缘材料。因此驱动信号不会给磁信号形成噪音。
尽管已经参考优选实施方案具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员可以理解，可以在形式和细节上有各种变化而不会脱离本发明的精神和范围。因此，所披露的本发明仅是示例性的，其范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (23)

1.一种磁盘驱动器，包括
磁记录盘，具有多个数据磁道；
读/写头，用于从磁记录盘中读出数据和向其中写入数据；
主致动器，用于将该读/写头粗定位在所选择的磁道上；以及
静电辅助致动器，连接至读/写头以及主致动器，用于在所选择的磁道上精定位该读/写头，该辅助致动器包括：
连接在主致动器上的衬底；
多个导电固定电极，在衬底上形成；以及
可动部件，由导电材料形成，并且具有(a)连接至衬底并且支撑该读/写头的框架，以及(b)多个导电可动电极，框架和所支撑的读/写头连接至该可动电极，但是与其电隔离。
2.如权利要求1的磁盘驱动器，其中该磁盘驱动器包括空气轴承浮动块，其中读/写头位于浮动块上，其中浮动块结合在框架上。
3.如权利要求1的磁盘驱动器，其中所述主致动器包括臂和连接至该臂的悬臂，其中辅助致动器的衬底连接至该悬臂。
4.如权利要求1的磁盘驱动器，其中所述辅助致动器是旋转致动器，还包括固定至衬底的立柱，其中可动部件的框架通过多个柔性弹簧连接至该立柱，所述弹簧允许所述框架围绕所述立柱旋转。
5.如权利要求1的磁盘驱动器，其中辅助致动器的可动部件还包括(c)将可动电极与框架连接的电绝缘材料。
6.如权利要求5的磁盘驱动器，其中电绝缘材料包括固化的感光聚合材料。
7.如权利要求1的磁盘驱动器，其中还包括与可动电极耦合的电器件，用于在磁盘驱动器操作时给可动电极维持固定的非零电压。
8.如权利要求1的磁盘驱动器，其中固定电极包括第一和第二组相互间隔一定距离的固定分支，其中可动电极包括在固定分支之间的间隔中交错的彼此间隔一定距离的可动分支。
9.如权利要求8的磁盘驱动器，其中每个可动电极在第一组的固定电极和第二组的固定电极之间交错。
10.如权利要求8的磁盘驱动器，其中还包括与静电辅助致动器耦合的驱动电路，所述驱动电路给第一组固定分支提供+V和-V伏特之间的电压，给第二组固定分支提供+V和-V伏特之间的电压。
11.如权利要求10的磁盘驱动器，其中在磁盘驱动器操作时所述框架保持为接地电位，所述可动电极保持在固定的非零电位。
12.如权利要求11的磁盘驱动器，其中可动电极保持在-V伏的固定非零电位上。
13.如权利要求12的磁盘驱动器，其中V大致是30伏。
14.一种磁盘驱动器，包括：
基底；
可旋转磁记录盘，它安装在基底上，并且具有多个数据磁道；
读/写头，用于从磁记录盘中读出数据和向其中写入数据；
读/写头支架，用于在磁记录盘表面附近支撑该读/写头；
主旋转致动器，安装在基底上；
臂，其一端连接至主旋转致动器；
静电辅助旋转致动器，连接至所述臂的另一端，并支撑读/写头支架，该辅助旋转致动器包括(a)衬底，连接至所述臂的所述另一端；(b)第一和第二组间隔一定距离的导电固定电极分支，它们固定在所述衬底上；(c)固定在衬底上的中央柱；(d)多个柔性弹簧元件，从该柱横向延伸；(e)连接至弹簧元件的端部并可关于所述柱旋转的导电框架，所述框架支撑所述读/写头支架，并具有分别面朝第一组和第二组固定电极分支的第一和第二侧壁；(f)连接到所述第一和第二侧壁的电绝缘材料；以及(g)多个导电可动电极分支，连接至在所述第一侧壁上的电绝缘材料，并在第一和第二组的固定电极分支之间的间隔中交错；以及
电驱动电路，响应于控制信号，并与所述静电辅助旋转致动器耦合，用于给第一组和第二组固定电极分支中的每一组提供+V至-V伏范围内的电压，并用于将可动电极分支保持在固定的非零电位上，作为该导电框架由所述电绝缘材料电隔离的结果，该导电框架维持在接地电位上，
15.如权利要求14的磁盘驱动器，其中所述V大致是30伏，其中固定的非零电位大致是-30伏。
16.如权利要求14的磁盘驱动器，其中电绝缘材料包括固化的感光聚合物材料层。
17.如权利要求14的磁盘驱动器，其中读/写头支架是空气轴承浮动块。
18.如权利要求14的磁盘驱动器，其中还包括连接至框架并且支撑读/写头支架的结合平台。
19.如权利要求14的磁盘驱动器，其中可动电极分支连接至一外壁，其中电绝缘材料将所述外壁与所述第一和第二侧壁互连。
20.如权利要求19的磁盘驱动器，其中所述外壁和所述第一和第二侧壁包括延伸的肋，其中每个侧壁上的肋与所述外壁上的肋互锁，所述互锁的肋彼此由电绝缘材料电隔离。
21.一种旋转静电微致动器，包括：
衬底，具有电绝缘表面；
第一和第二组间隔一定距离的导电固定电极分支，固定在所述绝缘衬底表面上；
中央立柱，固定在所述绝缘衬底表面上；
多个柔性弹簧元件，从该立柱横向延伸；
导电框架，连接至弹簧元件的端部，并且可围绕该立柱旋转，所述框架具有内壁和外壁；
电绝缘材料，连接至所述内壁和外壁，并且将内壁与外壁电隔离；
多个间隔一定距离的导电可动电极分支，连接至外壁，并且在固定电极分支之间的间隔中交错；由此可动电极分支连接至导电可旋转框架，但是与其电隔离。
22.如权利要求21的微致动器，其中电绝缘材料包括固化的感光聚合物材料层。
23.如权利要求21的微致动器，其中每个可动电极分支在第一组的固定电极分支和第二组的固定电极分支之间交错。
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