致動器及其製造方法
2023-04-28 08:12:56
專利名稱：致動器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種利用矽結構的臂位移的致動器以及該致動器的製造方法，該矽結構具有與其連接的壓電裝置。具體說，本發明涉及一種適合在具有高精度等的磁記錄裝置內控制磁頭位置的致動器及其製造方法。
背景技術：
近年來，磁記錄密度正以很快的速度得以改進。為增加密度，磁跡間距寬度被做成很窄，這就有必要改善根據磁軌位置調整磁頭位置的精度。然而，在單獨依靠VCM(音圈馬達)進行控制時，磁頭位置的調整受到限制。這樣，提出了一種利用VCM和執行精確控制的致動器的二級伺服控制系統。
現有已知的用於二級伺服控制系統的致動器是氧化鋯框架致動器和金屬框架致動器(例如，見日本特開2002-289936號)。
氧化鋯框架致動器是通過包括以下步驟方法獲得的即用壓電裝置通過印刷或類似工藝形成疊層氧化鋯片；燒製得到的產品；然後將燒制的產品切割成裝置尺寸。這種致動器因使用氧化鋯，具有改善衝擊阻抗的優點。
就製造金屬框架致動器而言，最初將不鏽鋼片蝕刻或衝壓，形成滑動底座，一個做成懸掛的部件，以及附加有壓電裝置的一對驅動部件(臂)。結果，各個驅動部件彎曲成與滑動底座垂直，壓電裝置則附加在各個驅動部件的外側。這就得到一種主要部件整個由金屬形成的致動器。整個形成可以減少元件的數量，同時提高生產效率。
然而，上述傳統致動器存在下列問題。第一，氧化鋯框架致動器因其硬度太高，可加工性低，因而不宜於做成小尺寸並難以跟上將磁頭滑動器做成更小的潮流，而這正是目前所期望的。陶瓷如氧化鋯容易含有氣泡，這使得高精確度控制一對驅動部件(臂)變得困難。
另一方面，整個地形成金屬框架致動器需要彎曲或類似加工，但製造它們需要花費時間和精力。
發明內容
本發明目的是提供一種致動器及其製造方法，該致動器可以高精確度地控制臂，並且製造容易，尺寸小。
上述目的可以由本發明獲得。即，本發明的致動器，包括用單晶矽整個形成的矽結構，其具有一對臂和將臂相互連接的連接部件；以及各自結合在臂上的壓電裝置。
由於致動器是由單晶矽形成的，其中晶體缺陷少，故可以對臂進行高精度的控制。
由於致動器是由矽形成的，其製造可採用用於半導體製造過程等的照相平版技術。照相平版技術能夠形成精細加工，由此致動器可以製造得更小。
由於矽結構可以整個地利用照相平版技術形成，因而致動器容易製造。也可以理解為因不像金屬框架致動器整個形成時需要將臂彎曲，故容易製造。
在本發明的致動器中，優選各個壓電裝置具有在一個方向上延伸的形式，並結合在各自臂的一個外側面，使得壓電裝置的縱方向沿著臂的縱方向延伸。
這樣的結構可以有效地將壓電裝置的位移傳遞給臂，由此使得高精確地控制臂成為可能。
在本發明的致動器中，各個壓電裝置可以是疊層壓電裝置。這可以增強壓電裝置的驅動量，由此可將臂的位移量做得更大。
所述矽結構可以摻雜不純物，以降低阻抗。這使得通過矽結構來加強壓電裝置成為可能。其結果，壓電裝置的電極數量可以減少。
本發明的致動器製造方法，包括幾個步驟，即蝕刻單晶矽基片的表面，在單晶矽基片上形成多個平行排列的片狀凸起；將單晶矽基片切成多個塊，每塊有一對片狀凸起；在每塊的一對片狀凸起各個外側面結合一個延伸的壓電裝置體；切割結合有延伸壓電裝置的塊，形成多個致動器，每一個致動器包括整個地與一對臂形成的矽結構，一個用於臂相互連接的連接部件，和各自結合在臂上的壓電裝置。由於這樣獲得的致動器由單晶矽形成，其中晶體缺陷少，從而臂可以高精確地控制。
由於將能夠精細加工的蝕刻技術用於製造，致動器可做得更小。由於矽結構通過蝕刻技術整個地形成，製造變得容易。也可以理解為因不像金屬框架致動器整個形成時需要將臂彎曲，故容易製造。
因長度而容易加工的延伸壓電裝置體，可以結合在一個塊上，然後，將塊切成多個致動器，生產效率比將壓電裝置逐個結合在矽結構的臂上時高。
附圖簡要說明
圖1示出了根據本發明第一實施方案的致動器的透視圖；圖2是圖1所示的致動器的分解透視圖；圖3A到圖3F示出了根據第一實施方案的製造致動器的方法；圖4是根據本發明第二實施方案所示的致動器的透視圖；圖5是根據第二實施方案，用於致動器的壓電裝置的改變例所示的透視圖；圖6是根據本發明的第三實施方案的所示致動器的透視圖；以及圖7是根據本發明第四實施方案的所示致動器的透視圖。
具體實施例方式
以下，參考附圖對本發明的優選實施方案進行詳細說明。相同的構成採用相同的符號，不做重複說明。
第一實施方案圖1示出了根據本發明第一實施方案的致動器的透視圖。圖2是圖1所示致動器的分解透視圖。本實施例的致動器1是用於HDD伺服控制的致動器，該致動器用於在附圖中箭頭X的方向移動磁滑動頭(以下簡稱「滑動頭」)SL。致動器1由矽結構10、和一對壓電裝置30，30組成。
矽結構10整個地由單晶矽形成基本上呈U型的形狀，由在其間支持滑動頭SL的一對臂12，12和用於相互連接所述一對臂12，12的連接部件15組成。連接部件15具有長方形的平行六面體形狀，從其兩邊平行凸起一對臂12，12。作為矽結構10使用的是摻雜有不純物的低阻抗結構。電阻率優選為1Ωcm或更小。矽結構10可以通過摻雜作為不純物的供體如磷而成為n-型半導體，或通過摻雜作為不純物的受體如鋁而成為p-型半導體。
壓電裝置30各通過一種如環氧樹脂、矽氧烷和丙烯酸類的導電粘合劑結合在各自臂部件12的外側面12a上。壓電裝置30各具有單片結構，其中壓電陶瓷體31(如PZT)的前面和後面用各自的電極32形成。壓電裝置30各沿著一個方向延伸，以得到一個長方形的片狀的形態，並連接在其相應的臂12上，這樣，壓電裝置30的縱方向沿著臂12的縱方向延伸。其結果，壓電裝置30的位移可以有效地傳遞給臂12，從而使臂12可以得到高精確度的控制。
滑動頭SL包括一個薄膜磁頭H，用於從硬碟讀取磁記錄信息，並在硬碟上記錄磁記錄信息。滑動頭SL具有基本上是長型的平行六面體的形狀，在附圖中，其上表面是與硬碟相對的空氣支承面。這裡，僅示意性描述了滑動頭SL，而沒有示出用於調節從硬碟的浮起置的滑動軌。滑動頭SL粘接固定在每個臂12的內側面。
致動器1安裝在硬碟驅動裝置的懸臂40上。懸臂40有一個前端，用於支持萬向架42，並由語音線圈馬達驅動。致動器1與萬向架42的舌片42a結合併固定。由於臂12需要擺動，故將致動器1固定在萬向架42上的粘合劑僅僅塗布在連接件15上。
在這樣形成的致動器，當通過具有低阻抗的矽結構10在電極32，32之間施加電壓時，壓電陶瓷體31各沿著其極化方向延伸或收縮。壓電陶瓷體31的這種變形可以在箭頭x方向上使臂12，12移動(在安置兩個臂12平面內，方向基本上與各個臂12的縱方向正交)，從而控制滑動頭SL的位置。即，所述兩個臂12作為驅動臂工作。致動器1可以導致滑動頭SL在通過語音線圈馬達和懸臂的配合不能實現的水平下作精確擺動。
本實施方案的致動器1可以獲得以下效果。由於所述致動器1由單晶矽形成，其中晶體缺陷少，從而臂12可以高精確地控制。並且，由於單晶矽在使用硬碟驅動時的溫度範圍內不會發生塑性變形，而會發生彈性變形，可以實現具有高可控性的致動器。
因致動器1由矽形成，故可以通過利用用於半導體製造過程等的照相平版和微加工技術製成。照相平版技術能夠獲得精加工，因此可以使致動器1製造得更小，使得致動器1可以完全用作皮-滑動頭、飛-滑動頭等。
當用機加工如切削和研磨生產致動器時，可能損傷它的表面，且表面上會產生裂縫等。另一方面，乾式或溼式蝕刻可以防止上述問題的發生，所以致動器可以充分作為HDD伺服控制致動器使用。
進一步，由於矽結構10可通過照相平版技術整個地形成，因而可以容易地製造。也可以理解為是因為不像金屬框架致動器整個形成時需要將臂彎曲，故容易製造。
以下，參照附圖3A到3F，對本實施方案的致動器的製造方法進行詳細說明。
首先，如圖3A所示，準備一個單晶矽基片60。單晶矽基片60有意不摻雜，這樣具有高阻抗。
接著，如圖3B所示，將單晶矽基片60的一個表面蝕刻，以形成多個平行排列在其上的片狀凸起61。片狀凸起61各形成帶狀，相互平行。片狀凸起61在後續步驟成為臂12。位於臂12下面的未蝕刻基片區域在後續步驟成為連接部件15。片狀凸起61的間隔可以通過蝕刻時形成的光掩膜圖案調節。各個片狀凸起61的高度(相應於各自臂的長度)通過蝕刻時間調節。
如上所述的蝕刻，在用光阻材料形成圖案後，利用鹼性水溶液如KOH和TMAH(四甲基銨氫氧化物)作為蝕刻劑進行溼蝕刻，或使用如SF6/CF4的ICP-RIE(感應耦合等離子反應離子蝕刻)進行幹蝕刻。這裡，在進行溼蝕刻時，矽基片的表面定向優選其表面(110)，而在幹蝕刻時沒有特殊限制。儘管將(110)表面—定向基片(110)用於溼蝕刻，但在幹蝕刻情況下沒有特別限制。片狀凸起61，通過在中途停止蝕刻而成為臂12。片狀凸起61的高度通過調節蝕刻時間來控制。
接著，如圖3C所示，具有多個片狀凸起61的蝕刻矽基片，被切割成多個塊68，每塊有一對片狀凸起61。切割方向與每個片狀凸起61延伸的方向平行。切割基片技術可以採用任何切塊機、切片機、線鋸、和雷射，沒有特別限制。所述矽基片切割後，對斷面進行研磨。
接下來，如圖3D所示，準備延伸(條狀)的壓電裝置體70。形成在前部和後部具有各自電極的長方形壓電陶瓷體，然後將其切薄，由此得到所述延伸的壓電裝置體70。
接著，如圖3E所示，所述延伸的壓電裝置體70各自結合在塊68的兩邊。這種結合，使用如環氧樹脂、矽氧烷和丙烯酸的導電粘合劑。結合在一對片狀凸起61，61上的各個延伸的壓電裝置體70，可以在同方向或相反方向極化。
然後，如圖3F所示，將結合有延伸壓電裝置體70的塊68切割成多個致動器1，各致動器1具有如圖1所示的矽結構10和壓電裝置30。切割方向(由圖3F的虛線所示)垂直於各個片狀凸起61的延伸方向。切割技術可以採用任何切塊機、切片機、線鋸、和雷射，沒有特別限制。致動器1中的矽結構10由片狀凸起61形成的臂12和從單晶矽基片60的剩餘部分獲得的連接部件15組成。延伸的壓電裝置體70成為壓電裝置30。
以上是一種根據本實施方案製造致動器的方法。由於如此獲得的致動器1由單晶矽形成，其中晶體缺陷少，故可以實現臂12高精確度控制。並且，由於單晶矽在使用硬碟驅動時的溫度範圍內不會發生塑性變形，而會發生彈性變形，可以實現具有高可控性的致動器。
由於製造中採用能夠精加工的蝕刻技術，致動器1可以製造得很小。而且，由於矽結構10通過採用蝕刻技術整個地形成，因而製造容易。也可以認為是因為不像金屬框架致動器整個形成時需要將臂彎曲，故容易製造。
由於使用蝕刻技術，對矽表面損傷很小，故致動器不會降低強度。由於使用蝕刻技術，可以形成高縱橫比的結構，這使得在寬範圍內設置臂12的長度成為可能，並使產品具有良好重複再生產性。
由於其長度而容易處理的延伸壓電裝置體70，結合在塊68上，然後塊68被切割成多個致動器1，生產效率遠遠高於壓電裝置30逐個地結合在矽結構10的臂12時的情形。故此，根據該實施方案的方法，對大規模生產而言非常優異。特別是，這種方法可以減少調整壓電裝置位置的操作次數，以及結合操作的次數，並降低成本。由於延伸的壓電裝置體70可以單獨與模具一起結合在足夠適當的位置，故這種方法具有不需要使用昂貴安裝設備的優點。
第二實施方案圖4是根據本發明第二實施方案所示的致動器的透視圖。第二實施方案的致動器1與第一實施方案的致動器不同的是，用疊層壓電裝置50替換單片壓電裝置。在各個疊層壓電裝置50的壓電陶瓷體51內，內電極52a，52b交替地疊層。內電極52a的端部暴露在壓電陶瓷體51的一個端面，並與外電極53a連接。另一方面，內電極52b的端部暴露在壓電陶瓷體51的另一端面，並與外電極53b相連接。
外電極53a，53b從壓電陶瓷體51各自的端面區域延伸到它們相應的外側面(與臂12所在側面相對的表面)，從而線操作(如線結合)可在相同表面上進行。這裡，外電極53a覆蓋在壓電陶瓷體51內矽結構10一側的表面。外電極53a和53b不相互連接，且在其間形成一個間隙。
作為驅動壓電裝置，本實施方案硬用疊層的裝置，由此可以增加每個臂12的前端側的位移量。
作為條狀的延伸壓電裝置體，致動器可以用類似第一實施方案的方法生產，在製造時使用包括上述多個內電極和外電極的元件。
在本實施方案中，矽結構10可以摻雜不純物產生低阻抗或在沒有摻雜時產生高阻抗。由於可以節省摻雜不純物所需的時間和精力，這種實施方案具有比第一實施方案更容易製造的優點。
圖5示出了用於本實施方案的致動器壓電裝置的改變例的透視圖。在改變實施方案中，儘管壓電裝置50的外電極53a具有如圖4所示的結構，但另一外電極53b不覆蓋壓電陶瓷體51的端面。在壓電陶瓷體51內部，形成一個電連接到單個內電極52b的穿孔54，並連接到外電極53b。如此的構造也可以在將電壓施加於外電極53a和53b之間時使壓電裝置位移。
第三實施方案圖6是根據本發明第三實施方案所示致動器的透視圖。在本實施方案中，矽結構10是摻雜有不純物的單晶矽，用以降低其阻抗。電阻率優選為1Ωcm或更小。矽結構10可以通過摻雜供體如磷作為不純物而轉換成n—型半導體，或通過摻雜受體如鋁作為不純物而轉換成p—型半導體。
本實施方案使用的各個壓電裝置90屬於第一實施方案的單片型，但它是用壓電陶瓷體91和位於其外側面上的單電極92構成的。換言之，它不像第一實施方案，電極僅形成在壓電陶瓷體91的一側。壓電裝置90用導電粘合劑結合在矽結構10的臂12上。
當電流在任一電極92和矽結構10之間流動時，電壓可以施加於一對電極裝置90，90的任一個上。即，矽結構10還可用作電壓裝置90，90的公共終端。由於僅僅在各個壓電裝置90的一個面上形成電極，因而製造時間和成本可以減少。
第四實施方案圖7示出了根據本發明致動器的第四實施方案的透視圖。
本實施方案的致動器1與第一實施方案的壓電裝置結構不同。即，儘管各個壓電陶瓷體81具有如第一實施方案的單片結構，但電極82，83的構造與第一實施方案的構造不同。電極83覆蓋壓電陶瓷體81的矽結構10側的表面、側端面和外側面的一部分。另一方面，當從電極83分離一個預定間隙時，電極82形成在陶瓷體81的外側面上。這種構造具有線操作(如線結合)可以在同一個表面上進行的優點。
在本實施方案中，所述矽結構10可以通過摻雜不純物而獲得低阻抗，或在沒有摻雜時獲得高阻抗。由於可以節省摻雜不純物的時間和精力，這種實施方案具有比第一實施方案更容易製造的優點。
以上，儘管對發明人獲得的本發明參照上述實施方案作了詳細說明，但本發明不受上述實施方案的限制。例如，儘管就壓電裝置例舉了單片型和疊層型，但也可以採用雙壓電晶片型元件。
如上述所述，本發明可以高精度地控制臂，獲得更小尺寸，並有利於製造。
基礎日本申請(2002年11月28日提交的申請號2002-345815和同日提交的申請號2002-346476)作為參考引入本文。
權利要求
1.一種致動器，其特徵在於，包括矽結構，整個地由單晶矽形成，具有一對臂和一個將所述臂相互連接的連接部件；以及結合在所述臂上的各自的壓電裝置。
2.如權利要求1所述的致動器，其特徵在於，各個壓電裝置具有在一個方向上延伸的形狀；各個壓電裝置結合在所述各自臂外側面上，使得所述壓電裝置的縱方向沿著所述臂的縱方向延伸。
3.如權利要求1或2所述的致動器，其特徵在於，其所述壓電裝置是疊層的壓電裝置。
4.如權利要求1至3任一項所述的致動器，其特徵在於，所述矽結構摻雜不純物，以得到低阻抗。
5.一種致動器的製造方法，所述方法包括以下步驟蝕刻單晶矽基片的一個表面，在所述單晶矽基片上形成多個平行排列的片狀凸起；將所述單晶矽基片切割成多個塊，各個塊均具有一對片狀凸起；將延伸的壓電裝置體結合在各個塊中一對片狀凸起的每一個的外側面；以及將結合有所述具有延伸壓電裝置的所述塊切割成多個致動器，每個致動器包括整個地與一對臂和一個用於將臂相互連接的連接部件形成的矽結構，以及各自結合在所述臂上的壓電裝置。
全文摘要
本發明提供一種致動器(1)，其具有一對臂(12)和一個將臂相互連接的連接部件(15)。臂(12)和連接部件(15)整個地由單晶矽形成。各自的壓電裝置(30)結合在臂(12)上。
文檔編號H01L41/39GK1504998SQ200310115769
公開日2004年6月16日 申請日期2003年11月28日 優先權日2002年11月28日
發明者宮野雅一, 尚, 本間光尚 申請人:Tdk株式會社