CN1571180A - 用于精定位微致动器的多层膜压电元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于精定位微致动器的多层膜压电元件及其制备方法,属于微机电及微控制技术领域。该压电元件选用高d31特性的压电材料,由溶胶凝胶法及光刻工艺等制作多层膜元件,同时采用溅射等工艺制作中间电极层和外电极层。本发明的多层膜压电元件用于计算机磁头的精确定位,将磁头悬臂的自由端位移提高到≥0.80μm,谐振频率提高到>15kHz,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。制作的微致动器具有元件电容≤5nF,元件电阻≥10Ω,微致动器的耐冲击性能>1000g,耐高低温性能1000Hr(-40℃~125℃)。本发明的多层膜压电元件具有结构新颖、性能优异、加工方便、应用广阔等优点,为实现定位精度为0.025μm的磁头控制提供可靠技术基础。
Description
技术领域
本发明属于微机电及微控制技术领域,特别涉及用于精定位微致动器的多层膜压电元件及其制备方法,主要用于提高计算机磁头的精确定位。
背景技术
目前,发展最快的磁存储装置为计算机硬盘。近年来,硬盘的面密度和主轴转速以极快的速度增长,具体数据为:硬盘的最大面密度正以每年100%的速度增长,预计5年后轨迹间距降到0.25μm以下,轨迹定位精度必须小于0.025μm。因此,通过微致动器的精确控制来提高磁头悬臂运动时的轨道定位精度势在必行。
如今,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。该系统中的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。其关键技术是在滑块附近装配一个压电微致动器;图1(a)和(b)是装有压电微致动器的磁头悬臂装置(HSA)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,提出了一种用于磁头精定位微致动器的新型多层膜压电元件及其溶胶凝胶制备方法,可制作多层薄膜结构的压电元件,并实现微型化,以适应计算机硬盘磁头悬臂寻址和定位的精确性和灵巧性及低成本的要求。
本发明提出的用于精定位微致动器的多层膜压电元件,其特征在于,它包括高d31特性的压电薄膜,电极层,电极板,所述压电元件位于微致动器基体的两侧,并采用U型不锈钢微致动器基体,所述电极层含有底电极层、中间电极层、顶电极层。
在上述多层膜压电元件中,所述多层膜压电元件的层数为3-7层;所述压电薄膜的单层厚度为0.1~5μm。
本发明提出的一种用于精定位微致动器的多层膜压电元件的制备方法,所述方法采用溶胶凝胶法制作压电薄膜,采用溅射或蒸发工艺制备底电极层、中间电极层、顶电极层以及电极板,并采用光刻工艺制成多层膜元件,其特征在于,该方法依次包括以下步骤:
(1)在经过氧化的硅晶片表面溅射一层底电极层,使用溶胶-凝胶法沉积一层PZT压电薄膜;
(2)采用溅射工艺沉积中间电极层,并通过反应离子刻蚀工艺刻蚀成型;根据具体的层数要求重复该步骤;
(3)分别沉积压电薄膜和顶电极层,并刻蚀成型;随后,SiO2保护层和Au接线端子分别沉积和成型,同时用湿法将Si片背部刻蚀减薄或全部去除,得到多层膜压电元件;
(4)通过环氧胶分别将两只多层膜元件粘结在U型不锈钢基体的悬臂两侧,得到多层膜压电元件。
在上述多层膜压电元件的制备方法中,步骤(1)所述溶胶-凝胶法沉积一层PZT压电薄膜的具体工艺为,首先制作PZT先驱液,即选用三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸丁四脂作为原料,然后在乙二醇独甲醚溶剂中溶解、混合及水解过程,形成稳定、透明的PZT溶胶,并使溶胶中·Zr/Ti的摩尔比例严格控制在(50~60)/(50~40),然后加入过量10~30%的三水醋酸铅用来弥补退火时薄膜中Pb的挥发;通过旋涂法将溶胶涂于硅晶片表面形成湿膜,并在150~300℃下加热1~10min,然后在500~700℃下加热1~10min,最后在650℃~750℃下退火30~45min,以得到完全钙钛矿结构的PZT薄膜。
在上述多层膜压电元件的制备方法中,其特征在于,所述压电薄膜材料为PZT,PZT分子式为Pbx(ZryTi1-y)O3,其中,x=0.8~1.1,y=0.4~0.7。
在上述多层膜压电元件的制备方法中,其特征在于,所述电极层材料为Pt、Ti,其中,中间电极层为Ti/Pt/Ti,且Ti和Pt交替沉积;所述底电极层和顶电极层为Ti/Pt或Pt/Ti;所述Pt电极层的厚度可为5~20nm;所述Ti电极层的厚度可为100~200nm。所述电极板为Au、Ag、Cu、Al中的任何一种;所述电极板的厚度为0.5~10μm。
本发明的多层膜压电元件用于计算机磁头的精确定位,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,制作完成的微致动器还具有以下特点:元件电容≤5nF,元件电阻≥10Ω,微致动器的耐冲击性能>1000g,耐高低温性能1000Hr(-40℃~125℃)。因此,本发明的用于计算机精定位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。
用本发明的多层膜压电元件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为本发明的三层膜压电元件的结构示意图,其中,1-“U”型不锈钢基体,2-硅,3、9、11-二氧化硅,4-底电极层,5-中间电极层,6-压电薄膜,7-极化方向,8-顶电极层,10-电极板。
图3为本发明的四层膜压电元件的一种制备工艺流程图,其中,(a)在Si基体表面分别制备SiO2,Ti/Pt底电极层和PZT压电薄膜;(b)Ti/Pt/Ti中间电极层的沉积和相应图形的反应离子刻蚀(RIE);(c)制备PZT压电薄膜,以及Ti/Pt/Ti中间电极层的沉积和相应图形的RIE制备;(d)制备PZT压电薄膜和Pt/Ti顶电极层;并对Pt/Ti顶电极层进行反应离子刻蚀;(e)SiO2保护层的制备;并对SiO2层和PZT压电薄膜进行反应离子刻蚀;(f)SiO2内孔隔离层的制备;Au电极板的沉积和刻蚀成型;(g)将Si基体用反应离子刻蚀刻蚀方法尽可能减薄直至完全清除,并用环氧胶与不锈钢基体粘结。
图4为本发明的四层膜压电元件的另一种制备工艺流程图,其中,(a)在Si/SiO2层表面分别溅射底电极层(Ti/Pt),并根据右侧掩膜版,采用溶胶凝胶法沉积一层PZT压电薄膜,再溅射中间电极层(Ti/Pt/Ti);(b)根据右侧掩膜版制备PZT压电薄膜,并溅射沉积中间电极层(Ti/Pt/Ti);(c)根据右侧掩膜版再沉积一层PZT压电薄膜和顶电极层(Pt/Ti);(d)根据右侧掩膜版将SiO2层和Au电极板分别沉积和成型,并用反应离子刻蚀工艺将Si基片背部尽可能减薄直至全部去除;(e)连接电路,分别极化,并通过环氧胶将两只该元件分别粘结在“U”型不锈钢基体的两侧,其中,1、2、3、4-电极板,5-底电极层,6、7-中间电极层,8-顶电极层,9-硅,10、11-二氧化硅,12-“U”型不锈钢基体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明:
实施例一:
图2是三层薄膜压电元件的一种结构示意图。其中,每一层膜都沿厚度方向进行极化。图3是其制作工艺流程:首先,在经过氧化(氧化层SiO2的晶格取向为(100))的硅晶片表面溅射一层Ti/Pt底电极层,其中,Pt层厚5nm,Ti层厚100nm。然后使用溶胶-凝胶法沉积一层厚400nm的PZT压电薄膜,首先制作PZT先驱液,即选用三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸丁四脂作为原料,然后在乙二醇独甲醚溶剂中溶解、混合及水解过程,形成稳定、透明的PZT溶胶,并使溶胶中Zr/Ti的摩尔比为52/48,然后加入过量10%的三水醋酸铅用来弥补退火时薄膜中Pb的挥发;通过旋涂法将溶胶涂于硅晶片表面形成湿膜,并在150℃下加热1min,然后在500℃下加热2min,最后在650℃下退火30min。第二步,溅射沉积Ti/Pt/Ti中间电极层,其中,Ti和Pt交替沉积,反应离子刻蚀工艺刻蚀成型。再次沉积一层PZT和Ti/Pt/Ti中间电极层后,刻蚀成型。接下来,一层PZT和Pt/Ti顶电极层分别沉积,并刻蚀成型。随后,SiO2保护层和Au电极板分别沉积和成型,同时用反应离子刻蚀工艺将Si基片背部尽可能减薄直至全部去除,以减少基体对薄膜驱动力的影响。最后通过环氧胶将两只三层膜元件分别粘结在“U”型不锈钢基体两侧,完成整个工艺过程。
驱动时,分别在相邻两层电极之间施加交流反向电压(如±20V)。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1.003μm/±20V,同时谐振频率达到了16.67kHz,满足了高密度硬盘对磁头精确定位的要求。
实施例二:
图4是三层薄膜压电元件的另一种结构设计及其制作工艺流程。其中,每一层膜同样沿厚度方向进行极化。首先,在具有SiO2氧化层的硅晶片表面溅射底电极层(Ti/Pt),其中,Pt层厚10nm,Ti层厚150nm。然后使用溶胶-凝胶法,并根据图(a)右侧掩膜版沉积一层厚800nm的PZT压电薄膜,即首先制作PZT先驱液,即选用三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸丁四脂作为原料,然后在乙二醇独甲醚溶剂中溶解、混合及水解过程,形成稳定、透明的PZT溶胶,并使溶胶中Zr/Ti的摩尔比为58/42,然后加入过量20%的三水醋酸铅用来弥补退火时薄膜中Pb的挥发;通过旋涂法将溶胶涂于硅晶片表面形成湿膜,并在200℃下加热5min,然后在600℃下加热5min,最后在700℃下退火40min。并溅射沉积中间电极层(Ti/Pt/Ti),其中Ti和Pt交替沉积,并刻蚀成型。第二步,根据图(b)右侧掩膜版制备PZT压电薄膜,并溅射沉积中间电极层(Ti/Pt/Ti)。根据图(d)右侧掩膜版再沉积一层PZT和顶电极层(Pt/Ti)后,刻蚀成型。随后,根据图(e)右侧掩膜版将SiO2层和Al电极板分别沉积和成型,并用反应离子刻蚀工艺将Si基片背部尽可能减薄直至全部去除。最后通过环氧胶将两只该元件分别粘结在“U”型基体两侧。
该制作工艺具有结构合理、制作方便、成本较低、微致动效果高等优点。如采用三层结构的压电元件时,其微致动位移/驱动电压灵敏度及谐振频率仍可达到1.102μm/±20V和19.25kHz,同样满足高密度硬盘对磁头精确定位的要求。
实施例三:
六层薄膜压电元件的制作过程,其制作工艺流程与实施例二相同。其中,每一层膜同样沿厚度方向进行极化。首先,在具有SiO2氧化层的硅晶片表面溅射底电极层(Ti/Pt),其中,Pt层厚20nm,Ti层厚200nm。然后使用溶胶-凝胶法,并根据图(a)右侧掩膜版沉积一层厚800nm的PZT压电薄膜,即首先制作PZT先驱液,即选用三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸丁四脂作为原料,然后在乙二醇独甲醚溶剂中溶解、混合及水解过程,形成稳定、透明的PZT溶胶,并使溶胶中Zr/Ti的摩尔比为58/42,然后加入过量30%的三水醋酸铅用来弥补退火时薄膜中Pb的挥发;通过旋涂法将溶胶涂于硅晶片表面形成湿膜,并在300℃下加热10min,然后在700℃下加热8min,最后在750℃下退火45min。并溅射沉积中间电极层(Ti/Pt/Ti),其中Ti和Pt交替沉积,并刻蚀成型。第二步,根据图(b)右侧掩膜版制备PZT压电薄膜,并溅射沉积中间电极层(Ti/Pt/Ti),重复四次。根据图(d)右侧掩膜版再沉积一层PZT和顶电极层(Pt/Ti)后,刻蚀成型。随后,根据图(e)右侧掩膜版将SiO2层和Cu电极板分别沉积和成型,并用反应离子刻蚀工艺将Si基片背部尽可能减薄直至全部去除。最后通过环氧胶将两只该元件分别粘结在“U”型基体两侧。
采用六层结构的压电元件时,其微致动位移/驱动电压灵敏度及谐振频率明显提高,达到1.398μm/±20V和21.25kHz,满足计算机磁头精确定位的要求。
Claims (6)
1、用于精定位微致动器的多层膜压电元件,其特征在于,它包括高d31特性的压电薄膜,电极层,电极板,所述压电元件位于微致动器基体的两侧,并采用U型不锈钢微致动器基体,所述电极层含有底电极层、中间电极层、顶电极层。
2、根据权利要求1所述的多层膜压电元件,其特征在于,所述多层膜压电元件的层数为3-7层;所述压电薄膜的单层厚度为0.1~5μm。
3、一种制备如权利要求1所述的用于精定位微致动器的多层膜压电元件的方法,所述方法采用溶胶凝胶法制作压电薄膜,采用溅射或蒸发工艺制备底电极层、中间电极层、顶电极层以及电极板,并采用光刻工艺制成多层膜元件,其特征在于,该方法依次包括以下步骤:
(1)在经过氧化的硅晶片表面溅射一层底电极层,使用溶胶-凝胶法沉积一层PZT压电薄膜;
(2)采用溅射工艺沉积中间电极层,并通过反应离子刻蚀工艺刻蚀成型;根据具体的层数要求重复该步骤;
(3)分别沉积压电薄膜和顶电极层,并刻蚀成型;随后,SiO2保护层和Au电极板分别沉积和成型,同时用湿法将Si片背部刻蚀减薄或全部去除,得到多层膜压电元件;
(4)通过环氧胶分别将两只多层膜元件粘结在U型不锈钢基体的悬臂两侧,得到多层膜压电元件。
4、根据权利要求3所述的多层膜压电元件的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述溶胶-凝胶法沉积一层PZT压电薄膜的具体工艺为,首先制作PZT先驱液,即选用三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸丁四脂作为原料,然后在乙二醇独甲醚溶剂中溶解、混合及水解过程,形成稳定、透明的PZT溶胶,并使溶胶中Zr/Ti的摩尔比例严格控制在(50~60)/(50~40),然后加入过量10~30%的三水醋酸铅用来弥补退火时薄膜中Pb的挥发;通过旋涂法将溶胶涂于硅晶片表面形成湿膜,并在150~300℃下加热1~10min,然后在500~700℃下加热1~10min,最后在650℃~750℃下退火30~45min,以得到完全钙钛矿结构的PZT薄膜。
5、根据权利要求4或者所述的多层膜压电微致动器的制备方法,其特征在于,所述压电薄膜材料为PZT,PZT分子式为Pbx(ZryTi1-y)O3,其中,x=0.8~1.1,y=0.4~0.7。
6、根据权利要求1所述的多层膜压电元件,其特征在于,所述电极层材料为Pt、Ti,其中,中间电极层为Ti/Pt/Ti,且Ti和Pt交替沉积;所述底电极层和顶电极层为Ti/Pt或Pt/Ti;所述Pt电极层的厚度可为5~20nm;所述Ti电极层的厚度可为100~200nm。所述电极板为Au、Ag、Cu、Al中的任何一种;所述电极板的厚度为0.5~10μm。
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