一种新型微致动元件的制作及特性研究

　　0　引言

　　硬盘驱动器(HDDs)是最为流行的数据存储装置[1,2],其市场需求量巨大。硬盘驱动器的最大存储密度(MAD)正以每年60%~100%的速率增长。目前,硬盘驱动器的轨迹间距为0·3μm,轨迹定位精度小于0·03μm。预计2008年,轨迹间距为0·15μm,轨迹定位精度小于0·015μm。因此,研制压电微致动器以替代现有音圈电机(VCM)进行磁头精确定位成为国际上研究的焦点。最新研究显示,压电微致动器是通过偏离轨道误差而产生的控制信号进行精确定位的[3]。

　　锆钛酸铅(PZT)三元陶瓷材料具有优异的压电、铁电性能,大量用于微机电系统(MEMS)。随着功能陶瓷的快速发展,许多新型压电材料被开发并应用于各种场合。其中, Pbg1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0·52Ti0·48)O3(PMN-PZT)是具有高压电系数和机电藕合系数的代表性材料[4]。此外,多层膜结构的陶瓷微致动器(MCA)具有反应快、驱动力强、功耗低等优点而成为硬盘用压电微致动器的首选[5]。

　　本文重点介绍制作MCA元件的具体流延工艺,并将前期研制的矩形微致动器[6]改进为U形结构。通过SEM、XRD及TGA/DTA等对压电元件的成膜特性及微致动性能等进行分析。

　　1　压电微致动器的设计与制作

　　1·1　结构设计

　　双级伺服系统及其悬臂的设计曾有报道[7]。本文中,音圈电机(VCM)作为粗致动器用于磁轨的寻址,U形微致动器则实现轨道的精确定位。图1a为U形微致动器的实物照片,其中基体为不锈钢材料;图1b为U形微致动器及压电元件的位置和结构设计。具体尺寸如表1所示。其中,共烧前后压电材料的收缩比为1·2∶1,而Ag/Pd电极层不会产生明显的收缩。该致动器由一枚U形基体及其两侧的一对PMN-PZT多层膜元件粘结而成,并利用PMN-PZT材料的高d31特性,在每一单层上施加一定电压,使其中一侧的压电元件沿长度方向伸长,而另一侧则收缩,从而使磁头沿基点作水平偏转,实现精确寻轨。其极化方向和外加电压情况如图2所示。

　　1.2　制作工艺

　　PMN-PZT多层膜元件由流延及丝网印刷工艺共同完成。较之Ag电极,目前采用的70Ag-30Pd电极材料可使烧结温度从高于1300℃降至1100℃以下。其优点是压电材料结晶性好,不易开裂,减缓电极元素向压电材料中的扩散,从而减少了压电层的损耗。我们采用110℃、350℃和1070℃(或1090℃)三步烧结工艺制作新鲜的多层膜元件,烧结时间分别为0·5h、0·5h和1h。

　　PMN-PZT陶瓷粉末采用分析纯的Pb3O4、ZrO2、TiO2和MgNb2O6(颗粒度为0·8~2μm)原材料来制备。其中,在1000℃下将MgCO3和Nb2O5的湿的混合物煅烧6h,从而合成MgNb2O6前驱粉末。随后通过传统的氧化物煅烧工艺制作PMN-PZT陶瓷粉末。在高温烧结过程中,为防止PbO的过量流失,在密闭的Al2O3坩埚内弥漫PbZrO3和ZrO2的混合物。