ITTO20010519A1 - Dispositivo orientabile, in particolare dispositivo attuatore di dischi rigidi, con controllo dell'angolo di rollio e di beccheggio. - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
di STMICROELECTRONICS S.R.L.
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo orientabile, in particolare dispositivo attuatore di dischi rigidi, con controllo attivo dell'angolo di rollio e di beccheggio.
Come è noto, i dischi rigidi ("hard disk") sono il mezzo più utilizzato per la memorizzazione di dati; di conseguenza essi vengono prodotti in volumi molto grandi e la densità massima di immagazzinamento dati cresce di anno in anno. Gli hard-disk vengono letti e scritti tramite dispositivi attuatori, la cui struttura generale è mostrata nelle figure 1 e 2 ed è descritta qui di seguito.
In particolare, in figura 1 è mostrato un dispositivo attuatore 1 noto di tipo rotatorio comprendente un motore 2 (chiamato anche "voice coil motor") fissato ad un corpo di supporto 3 chiamato generalmente E-block per la sua forma ad E in vista laterale (si veda la fig. 2). Il corpo di supporto 3 presenta una pluralità di bracci 4 portanti ciascuno una sospensione 5 formata da una lamina fissata come trave a sbalzo. Ogni sospensione 5 porta, alla sua estremità non fissata al corpo di supporto 3, un trasduttore R/W 6 di lettura/scrittura disposto (in condizione operativa) affacciato ad una superficie di un disco rigido 7 e in grado di seguire la superficie del disco rigido 7 stesso. A tale scopo, il trasduttore R/W 6 (in seguito chiamato "slider" ) è fissato ad un giunto, chiamato "gimbal" o "flexure" 8, formato generalmente dalla sospensione 5 stessa e costituito ad esempio da una piastrina 8a rettangolare, ritagliata su tre lati e mezzo a partire dalla lamina della sospensione 5 e la cui porzione 8b di connessione alla sospensione 5 consente la flessione della piastrina 8a sotto effetto del peso dello slider 6.
Dato che il dispositivo attuatore 1 è un componente di tipo elettromeccanico, esso è affetto da una serie di problemi legati all'attrito, alla contaminazione e alle sollecitazioni meccaniche che ne possono compromettere il corretto funzionamento, soprattutto tenendo conto delle elevate velocità di rotazione dei dischi rigidi (attualmente, dell'ordine di 10000 rpm).
In particolare, la presente invenzione si occupa del problema delle vibrazioni della sospensione. Infatti la sospensione è, insieme con lo slider, un sistema meccanico dotato di propri modi di vibrare a ben determinate frequenze; sebbene alcuni di tali modi siano di poca importanza del sistema meccanico, ve ne sono altri che possono creare dei problemi perché disturbano le operazioni di lettura e scrittura su disco. Ad esempio, alcuni modi di vibrare causano un errore (chiamato "off-track error") che provoca l'uscita dello slider dall'asse longitudinale della traccia; in fase d scrittura, ciò può comportare una perdita di dati causa della cancellazione indesiderata delle tracc adiacenti .
Di conseguenza, quando il sistema di controllo as sociato al dispositivo attuatore 1 evidenzia vibrazion pericolose della sospensione, esso interdice le opera zioni di lettura e scrittura, per consentire il riasse stamento del sistema meccanico (sospensione e slider) Ciò causa dei tempi morti, che sono incompatibili con le elevate velocità e i bassi tempi di accesso ai dati richiesti.
Scopo della presente invenzione è realizzare un dispositivo attuatore dotato di un sistema di compensazione dei modi di vibrare pericolosi operante senza interrompere il funzionamento.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo orientabile con controllo attivo dell'angolo di rollio e di beccheggio, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione relativa ad un attuatore per dischi rigidi, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista dall'alto di un attuassero per dischi rigidi, di tipo noto;
- la figura 2 è una vista laterale ingrandita di alcune parti dell'attuatore di fig. 1;
- la figura 3 mostra una vista prospettica dell'estremità di una sospensione di un attuatore secondo l'invenzione;
- la figura 4 mostra una vista dall'alto, con porzioni rimosse, di una piattaforma di attuazione appartenente all'attuatore secondo l'invenzione;
- la figura 5 mostra una vista dall'alto della piattaforma di figura 4;
- la figura 6 mostra una sezione trasversale attraverso la piattaforma di figura 5, presa lungo le linee di sezione VI-VI;
- la figura 7 mostra una sezione trasversale attraverso la piattaforma di figura 5, presa lungo le linee di sezione VII-VII;
- la figura 8 mostra una sezione trasversale attraverso la piattaforma di figura 5, presa lungo le linee di sezione VIII-VIII;
- la figura 9 mostra un primo modo torsionale della piattaforma secondo l'invenzione; e
- la figura 10 mostra un secondo modo torsionale della piattaforma secondo l'invenzione.
Nella figura 3, un dispositivo attuatore 10 ha la struttura generale descritta con riferimento alle figure 1 e 2, e comprende inoltre una piattaforma 12 integrata in una struttura di controllo assetto 11 interposta fra la gimbal 8 e lo slider 6. La struttura di controllo assetto 11 è formata da una piastrina microlavorata secondo le tecniche del micromachining utilizzate nell'industria microelettronica.
La piattaforma 12 è sospesa, tramite bracci di sospensione (chiamati anche elementi a molla 13a, 13b), ad una struttura portante 14 ed è fatta ruotare intorno a due assi ortogonali X e Y per eseguire movimenti di rollio e di beccheggio ("roll" e "pitch"). La piattaforma 12, di materiale elettricamente conduttore o per lo meno dotata di regioni conduttive, viene comandata tramite elettrodi 15 (figura 4) posti al di sotto della piattaforma 14 stessa e polarizzati selettivamente tramite un circuito di controllo 16 facente parte di un dispositivo di elaborazione del segnale (non mostrato) fissato alla scheda madre del calcolatore personale o altro apparecchio comprendente dischi rigidi di immagazzinamento dati o direttamente alla scheda del disco rigido. Il circuito di controllo 16, agente in anello chiuso sulla base di informazioni di posizione e/o movimento della sospensione 5 e rappresentato solo schematicamente in figura 3, comanda l'attrazione o l'allentamente della piattaforma 14 stessa verso o da un elettrodo 15 o due elettrodi 15 adiacenti e quindi la rotazione desiderata, come in seguito descritto.
Come mostrato in dettaglio nelle figure 4-8, la piattaforma 12 è formata in uno strato strutturale 18 di silicio policristallino drogato estendentesi al di sopra di un substrato 19 di materiale semiconduttore, ad esempio dis ilicio monocristallino, e isolato rispetto a questo da una regione intermedia 20, di materiale isolante.
In dettaglio, come meglio visibile dalle sezioni delle figure 6-8, la regione intermedia 20 è formata da uno strato isolante 21, ad esempio di ossido di silicio, che copre completamente il substrato 19, isolandolo elettricamente dalle strutture sovrastanti; e da una regione isolante 22, anch'essa ad esempio di ossido di silicio. La regione isolante 22 si estende solo sulla periferia della struttura di controllo assetto 11 al di sopra dello strato isolante 21 e circonda una isola d'aria ("air gap") 29, ottenuta per rimozione di uno strato sacrificale (che forma anche la regione isolante 22) in modo da consentire la liberazione delle strutture mobili e la realizzazione di connessioni elettriche passanti .
La piattaforma 12 (si vedano in particolare le figure 3-5) ha forma rettangolare circondata da una prima trincea 24 ed è collegata ad una cornice intermedia 25 tramite una prima coppia di elementi a molla 13a attraversanti la prima trincea 24 ed estendentisi lungo l'asse X (asse di roll). La cornice intermedia 25 è circondata da una seconda trincea 27 ed è collegata ad una cornice esterna 28 (appartenente alla struttura portante 14) tramite una seconda coppia di elementi a molla 13b, attraversanti la seconda trincea 27 ed estendentisi lungo l'asse Y (asse di pitch) perpendicolare all'asse X. La seconda coppia di elementi a molla 13b è disposta quindi in quadratura rispetto alla prima coppia di elementi a molla 13a.
Come evidente dalle figure 6-8, la piattaforma 12, la prima e la seconda coppia di elementi a molla 13a, 13b, la cornice intermedia 25 e la cornice esterna 28 sono tutti formati nello stesso strato strutturale 18. Inoltre, come mostrato nelle figure 6, 7, l'isola d'aria 29 si estende al di sotto della piattaforma 12, della prima e della seconda coppia di elementi a molla 13a, 13b, nonché della cornice intermedia 25.
Gli elettrodi 15 sono costituiti da regioni di silicio policristallino drogato, formate al di sopra dello strato isolante 21, inferiormente alla piattaforma 12, sotto l'isola d'aria 29. In particolare, come visibile dalla figura 4 che mostra una vista dall'alto sulla struttura di controllo assetto 11 dalla quale sono stati rimossi lo slider 6 e le regioni formate al di sopra dello strato strutturale 18 (e descritte in seguito), gli elettrodi 15 sono quattro, hanno forma rettangolare e sono disposti adiacenti a due a due, come quattro quadranti di un quadrato, in modo da coprire quasi completamente l'area definita dalla piattaforma^ 12, dalla prima trincea 24, dalla cornice intermedia 25 e buona parte della seconda trincea 27. Ciascun elettrodo 15 è inoltre collegato ad una rispettiva linea di polarizzazione 30, formata pure di silicio policristallino ed estendentesi al di sopra dello strato isolante 21 (figure 7 e 8) al di sotto della regione isolante 22 e della cornice esterna 28. Le linee di polarizzazione 30 sono collegate a regioni passanti 31 (che si estendono nella cornice esterna 28 su un lato 28a di questa, rivolto verso il lato 8b della piastrina 8, figura 4) attraverso porzioni di raccordo 32 attraversanti la regione isolante 22, come mostrato in dettaglio in figura 7. Le regioni passanti 31 sono isolate elettricamente dal resto della cornice esterna 28 tramite isolamento a trincea.
Al di sopra della piattaforma 12, delle coppie di elementi a molla 13a, 13b, delle cornici intermedia 25 ed esterna 28 si estende uno strato protettivo 36, ad esempio di ossido di silicio, e al di sopra di questo sono formate linee di metallizzazione 37 e piazzole di contatto ("pad") 38a, 38b, 38c, 38d. In dettaglio, sulla piattaforma 12, in prossimità dello slider 6, sono formate quattro prime piazzole di contatto 38a destinate ad essere collegate a corrispondenti piazzole di contatto 39 (figura 3) presenti sullo slider 6 e collegate elettricamente con una testina 44 (magneto/resistiva o induttiva, non illustrata) che costituisce il dispositivo di scrittura e lettura vero e proprio; dalle quattro prime piazzole 38a si estendono quattro linee di metallizzazione 37 che, a due a due, si estendono al di sopra dei primi elementi a molla 13a, al di sopra della cornice intermedia 25, al di sopra dei secondi elementi a molla 13b e al di sopra della cornice esterna 28 fino al lato 28a di questa, dove le linee di metallizzazione 37 sono collegate a rispettive quattro seconde piazzole 38b.
Sul lato 28a della cornice esterna 28 sono presen-5 ti inoltre quattro terze piazzole di contatto 38c estendentisi al di sopra e in contatto elettrico diretto con le regioni passanti 31; a tale scopo, lo strato protettivo 36 è qui rimosso (figura 7). Infine, sul lato 28a della cornice esterna 28 è presente una quarta 10 piazzola di contatto 38d a contatto elettrico diretto con la cornice esterna 28, per la polarizzazione della piattaforma 12 attraverso la cornice esterna 28; naturalmente, lo strato protettivo 36 è rimosso anche sotto la quarta piazzola di contatto, analogamente a quanto 15 mostrato per le terze piazzole di contatto 38c.
Le seconde, terze e quarta piazzole di contatto 38b-38d sono collegate, tramite filo, a corrispondenti piazzole 40 formate sulla piastrina 8a (figura 3) da cui si estendono linee di connessione elettrica 41 pas-20 santi lungo la sospensione 5 fino al circuito di controllo 16.
In pratica, applicando una differenza di potenziale fra uno o due elettrodi 15 adiacenti e alla piattaforma 12, è possibile fare ruotare la piattaforma 12 25 stessa intorno agli assi X e Y. Ciò è mostrato esemplificamente nelle figure 9 e 10, nelle quali la piattaforma esegue rispettivamente una semplice rotazione intorno all'asse X (passante per i primi elementi a molla 13a) e intorno all'asse Y (passante per i secondi elementi a molla 13b). Ovviamente è possibile anche una rotazione complessa intorno ad entrambi gli assi.
In tal modo, misurando o rilevando in modo noto le torsioni della sospensione 5 (si veda ad esempio Data Storage, Ottobre 1999, "Design head positioning servos: Changes ahead"), è possibile comandare un movimento contrario e in controfase della piattaforma 12 in modo da mantenere lo slider 6 sempre nella corretta posizione di lettura/scrittura. Le figure 9 e 10 mostrano due possibili modi torsionali della piattaforma 12 e quindi dello slider 6. In questo modo, la testina R/W 44 può operare in modo continuo, senza che sia necessario interdire operazioni di lettura/scrittura per il riassestamento del sistema.
La struttura di controllo assetto 11 viene realizzata nel modo seguente.
Inizialmente, al di sopra del substrato 19, viene deposto lo strato isolante 21, ad esempio di un ossido sottile; quindi viene deposto uno strato di silicio policristallino per uno spessore di ad esempio 450 nm; lo strato di silicio policristallino viene definito, per formare gli elettrodi 15 e le linee di polarizzazione 30; viene deposto uno strato sacrificale (destinato a formare la regione isolante 22), ad esempio di ossido con uno spessore di 2 μιη; lo strato sacrificale viene aperto per formare le vie ("vias") per la connessione elettrica delle linee di polarizzazione 30; viene cresciuto uno strato epitassiale (strato strutturale 18) di silicio, eventualmente dopo la deposizione di uno strato di silicio di germe; lo strato epitassiale, con uno spessore di ad esempio 35 μιη, riempie inoltre le vie, formando le porzioni di raccordo 32.
Quindi viene deposto lo strato protettivo 36, che viene aperto al di sopra delle regioni passanti 31 e dove deve essere realizzata la quarta piazzola di contatto 38d; viene depositato e definito uno strato di metallo, in modo da formare le piazzole di contatto 38a-38d e le linee di metallizzazione. 37; quindi viene effettuato un attacco trincee, per la definizione della piattaforma 12, degli elementi a molla 13a, 13b e delle cornici intermedia ed esterna 25, 28; infine, passando attraverso le trincee 24, 27 appena realizzate, viene rimosso il secondo strato isolante, dove accessibile, liberando le strutture mobili e formando l'isola d'aria 29.
Dopo la separazione della struttura di controllo assetto 11 dalle analoghe strutture nella stessa fetta, viene incollato lo elider 6, la struttura di controllo assetto 11 viene incollata alla piastrina 8a e vengono effettuate le saldature a filo per la connessione elettrica fra le parti, in modo noto.
Nella struttura di controllo assetto 11, la forza che causa la torsione della piattaforma 12 ed è generata dagli elettrodi 15 può essere calcolata in base alla formula:
F = 0,5 dC/dX V<2 (1)>
in cui V è la differenze di potenziale applicata fra gli elettrodi selezionati e la piattaforma e dC/dX è la variazione della capacità in funzione della variazione del gap (distanza elettrodi-piattaforma).
Gli elementi a molla 13a, 13b subiscono una torsione data dall'equazione:
0,5 TL/GJ (2) in cui T = FB; F è la forza applicata, data dalla (1); B è il braccio medio su cui è esercitata la forza F, pari alla distanza fra il centro dell'elettrodo o il baricentro degli elettrodi 15 polarizzati e l'elemento a molla 13a, 13b considerato; L è la lunghezza dell'elemento a molla 13a, 13b; G è il modulo di elasticità a torsione del silicio policristallino; e J è il secondo momento polare di inerzia.
In questo modo, tramite la struttura di controllo assetto 11 e la relativa circuiteria di controllo 16, è possibile aggiustare la posizione dello slider 6 (e quindi della testina di lettura/scrittura) in modo semplice ed accurato, compensando i movimenti dovuti ai modi vibrazionali della sospensione 5 e riducendo quindi gli errori di traccia, senza la necessità di tempi morti .
La soluzione descritta è semplice ed economica, realizzabile tramite usuali tecniche di micromachining.
Risulta infine evidente che al dispositivo descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione. Ad esempio, benché l'invenzione sia stata descritta con particolare riferimento alla problematica delle sospensioni negli attuatori per dischi rigidi, essa è applicabile anche ad altre situazioni in cui debba essere controllato elettrostaticamente l'assetto di un corpo portato da una sospensione soggetta a vibrazioni indesiderate. Inoltre, essa è applicabile anche a dispositivi di commutazione ottica, in cui la piattaforma 12 è rivestita da uno strato metallico che agisce come superficie riflettente (specchio) per fasci luminosi e raggi laser.
Inoltre, la struttura di controllo assetto può essere applicata anche ad attuatori per dischi rigidi con due stadi di attuazione, dotati di un microattuatore interposto fra la piattaforma 12 e lo slider 6 oppure realizzato all'interno della piattaforma 12 stessa e ottenuto scavando lo strato strutturale 18 in modo da definire le regioni statoriche e rotoriche del microattuatore.
Inoltre, la piattaforma 12 può essere realizzata, invece che di materiale elettricamente conduttivo, di materiale isolante e portare regioni conduttive sulla superficie inferiore o sui lati, ad esempio regioni di metallo interagenti con gli elettrodi 15.
Claims (11)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo orientabile, comprendente una piattaforma orientabile supportata da un corpo (5) soggetto a vibrazioni indesiderate originanti movimenti di rollio e beccheggio rispetto ad una posizione nominale, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura di controllo assetto (11) interposta fra detto corpo (5) e detta piattaforma (12) e comandata in modo attivo in modo da generare torsioni di detta piattaforma opposte a dette rotazioni.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, appartenente ad un attuatore (10) per dischi rigidi includente un elemento di sospensione (5) avente una porzione di fissaggio ed una porzione portante (8a), detta porzione di fissaggio essendo fissata ad un elemento di supporto e detta porzione portante portando uno slider (6) attraverso— detta struttura di controllo assetto (11).
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta struttura di controllo assetto è comandata elettrostaticamente .
- 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detta piattaforma comprende almeno una porzione di materiale conduttore ed è collegata ad una struttura portante (14) tramite elementi a molla (13a, 13b) che consentono movimenti di rollio e beccheggio a detta piattaforma, detti elettrodi di comando essendo disposti affacciati a detta porzione di materiale conduttore ed essendo polarizzabili selettivamente per generare forze elettriche agenti su detta piattaforma.
- 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta piattaforma è integrata in detta struttura di controllo assetto (11) ed è di materiale semiconduttore drogato.
- 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente inoltre un circuito di controllo (16) e connessioni elettriche (41) estendentisi da detto circuito di controllo a detti elettrodi di comando (15) e a detta piattaforma (12) per applicare una differenza di potenziale fra detta piattaforma e uno o più di detti elettrodi di comando.
- 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, in cui detti elettrodi di comando (15) comprendono quattro regioni conduttive disposte adiacenti a due a due ma a distanza reciproca, al di sotto di detta piattaforma (12).
- 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-7, in cui detti elettrodi di comando (15) sono realizzati di materiale semiconduttore drogato.
- 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-8, in cui detta piattaforma (12) ha forma poligonale circondata da una prima trincea (24) e portata da una prima coppia di bracci di sospensione (13a) fra loro allineati lungo una prima direzione (X) ed estendentisi fra detta piattaforma ed una regione di cornice intermedia (25); detta regione di cornice intermedia essendo circondata da una seconda trincea (27) ed essendo portata da una seconda coppia di bracci di sospensione (13b) fra loro allineati lungo una seconda direzione (Y), perpendicolare alla prima direzione, ed estendentisi fra detta regione di cornice intermedia ed una regione di cornice esterna (28), detta piattaforma e detta regione di cornice intermedia essendo separata rispetto a detti elettrodi di comando tramite una regione di aria (29).
- 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-9, in cui detta struttura di controllo assetto (11) comprende una piastrina microlavorata avente un substrato (19) di materiale semiconduttore, una regione intermedia (20) di materiale isolante al di sopra di detto substrato, ed uno strato strutturale (18) estendentesi al di sopra di detta regione intermedia e definente detta piattaforma (12) e dette cornici intermedia ed esterna (25, 28), detta regione intermedia comprendendo uno strato isolante (21) ricoprente detto substrato e una regione isolante (22) estendentesi al di sopra di detto strato isolante lungo la periferia di detta piastrina e circondante lateralmente una isola d'aria (29), detti elettrodi di comando estendendosi al di sopra di detto strato isolante, al di sotto di detta isola d'aria.
- 11. Dispositivo orientabile, sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure annesse.
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