用于DSA悬架的具有活性PZT约束层的多层PZT微执行器的制作方法

用于dsa悬架的具有活性pzt约束层的多层pzt微执行器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月23日提交的第16/857,133号美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用纳入本文。
3.发明的背景
1.技术领域
4.本发明涉及硬盘驱动器的悬架领域。更具体地，本发明涉及用于双级致动悬架的具有一个或多个活性压电约束层的多层压电微执行器的领域。
2.

背景技术：

5.磁性硬盘驱动器和其他类型的旋转介质驱动器如光盘驱动器是众所周知的。图1是本发明适用的一个示例性的现有技术硬盘驱动器和悬架的斜视图。现有技术的磁盘驱动单元100包括旋转的磁片101，上面含有磁性1和0的图案，从而构成了存储在磁盘驱动器上的数据。磁盘由驱动马达(未显示)驱动。磁盘驱动单元100进一步包括磁盘驱动悬架105，磁头滑块(未示出)被安装在负载梁107的远端附近。悬架或负载梁的"近端"是被支撑的那一端，即最靠近底板12的那一端，它被焊接或以其他方式安装到执行器臂上。悬架或负载梁的"远端"是与近端相对的那一端，即"远端"是悬臂端。
6.悬架105被耦合至执行器臂103，而执行器臂103又被耦合至音圈马达112，该音圈马达112弧形移动悬架105，以便将磁头(头部)滑块定位在数据磁盘101的正确数据轨道上。磁头滑块由万向节承载，该万向节允许滑块俯仰和滚动，以便在旋转的磁盘上跟随正确的数据轨道，从而允许磁盘的振动、惯性事件(如碰撞)和磁盘表面的不规则等变化。
7.单级驱动磁盘驱动器悬架和双级驱动(dsa)悬架都是已知的。在单级驱动悬架中，只有音圈马达112可以移动悬架105。
8.在dsa悬架中，例如在授予mei等人的美国专利7,459,835以及其他许多专利中，除了移动整个悬架的音圈马达112之外，至少还有一个额外的微执行器位于悬架上，以实现磁头滑块的精细运动，并使其在旋转磁盘上的数据轨道上正确对齐。与单独的音圈马达(音圈马达只使悬架和磁头滑块产生相对粗略的运动)相比，微执行器提供了更精细的控制和更高的伺服控制回路带宽。压电元件(有时简称为pzt)经常被用作微执行器马达，尽管其他类型的微执行器马达也是可能的。
9.图2是图1中的现有技术悬架105的俯视图。两个pzt微执行器14被贴在悬架105上的微执行器安装架18上，该安装架形成于底板12内，以使得pzt跨越底板12中的相应间隙。微执行器14在微执行器的两端通过环氧树脂16贴在安装架18上。正负电连接可以通过各种技术从pzt到悬架的柔性线迹和/或到板上。当微执行器14被激活时，它就会膨胀或收缩，从而改变安装架之间的间隙长度，从而产生安装在悬架105远端的读/写头的精细运动。
10.图3是图2的现有技术pzt微执行器和安装的侧截面图。微微执行器14包括pzt元件20本身以及pzt上的顶部和底部金属化层26、28，这些金属化层限定了用于驱动pzt的电极。
如图所示，pzt 14在其左右两侧通过环氧树脂或焊料16跨过间隙安装。
11.在dsa悬架中，通常希望由pzt上的每单位输入电压实现高行程距离，或者简称为"行程长度"。
12.过去的许多dsa悬架设计将pzt安装在安装板上。在这样的设计中，pzt的线性运动被pzt的旋转中心和读/写传感器头之间的臂长所放大。因此，pzt的微小线性运动会导致读/写头的相对大的径向运动。
13.其他悬架设计将pzt安装在万向节上或附近。万向节安装的pzt的一个例子是共同美国申请13/684,016中所示的dsa悬架，该申请已转让给本发明的受让人。在万向节安装的dsa悬架("gsa"悬架)中，实现高行程长度特别重要，因为这些设计在pzt和读/写传感器头之间没有几乎那么长的臂长。由于臂长较短，因此读/写头的运动量也相应较小。因此，实现大的行程长度在gsa设计中特别重要。


技术实现要素：

14.本技术的发明人已经发现，在根据现有技术安装有pzt微执行器的悬架中，存在导致pzt行程长度损失的因素，并且已经开发出一种pzt微执行器结构和生产方法，以消除该损失行程长度的因素。
15.图4a是根据现有技术图2安装在悬架上的当pzt被施加在其上的驱动电压驱动以使pzt膨胀时pzt微执行器14的侧截面图。因为pzt的底层22通过与安装它的悬架18粘合而受到部分约束，所以底层22在线性方向上的膨胀程度不如顶层24。由于顶层24比底层22膨胀得更多，因此pzt14向下弯曲并且从顶部看时呈现出略微凸起的形状。由此产生的线性行程长度损失在图中显示为δ1。
16.图4b显示了当pzt被施加在其上的驱动电压驱动以收缩pzt时图4a的pzt微执行器14。由于pzt的底层22通过与安装它的悬架18粘合而受到部分约束，因此底层22在线性方向上的收缩程度不如顶层24。由于顶层24比底层22收缩得更多，因此pzt 14向上弯曲并且从顶部看时呈现出略微凹陷的形状。由此产生的线性行程长度损失在图中显示为δ2。
17.因此，虽然希望pzt在驱动时呈现纯线性的膨胀和收缩，但在传统的安装中，pzt会经历向上或向下的弯曲，从而导致行程长度损失。
18.图5是因pzt弯曲而造成的有效线性行程增加或损失的量的图和相关方程式。当梁如图4a所示向上弯曲时，当弯曲角度较小时，底端点将在x方向上具有正的位移δ。
19.图6是三个不同厚度的pzt的弯曲导致的行程损失与弯曲角度的关系图。如图所示，对于长度为1.50mm、厚度为45μm的pzt，当弯曲角度小于5度时，弯曲引起了正x位移δ。对于这个弯曲量，也可以看出，较厚的梁比较薄的梁产生更大的x位移。同样，当pzt在施加电压下收缩时，pzt的右半部分向下弯曲，粘合至悬架的pzt的底端将经历负x位移。换句话说，在传统的将pzt安装在悬架上的方式中，由于弯曲而产生的线性位移的分量δ与pzt的驱动方向相反。因此，期望减少或消除该δ，甚至反转该δ的符号，以使得净结果是，总的线性膨胀或收缩量实际上增大了。
20.本发明是一种pzt元件，其具有一个或多个刚性约束层或约束元件，所述一个或多个刚性约束层或约束元件被粘合在至少一个与pzt安装在悬架上的侧或面相对(相反)的侧或面上，以减少、消除、改变pzt在被驱动时的弯曲方向或以其他方式控制其弯曲。预料不到
的结果是，即使pzt上增加了至少在名义上抑制了pzt的膨胀和收缩的刚性层，但实现的有效线性行程距离实际上是增加的。根据本发明，具有约束层的pzt可用作硬盘驱动器悬架中的微执行器，尽管它也可用于其他应用。
21.在一个优选的实施例中，约束层的作用是实际改变弯曲的方向。因此，对于在其底部表面粘合至悬架的pzt来说，约束层的存在具有这样的效果：当压电元件被导致压电元件膨胀的电压驱动时，压电元件向导致顶侧成为净凹形的方向弯曲；而当压电元件被导致压电元件收缩的电压驱动时，压电元件向导致顶侧成为净凸形的方向弯曲。因此，其效果是在膨胀模式下实际增加有效线性膨胀，在收缩模式下增加有效线性收缩。因此，约束层的存在实际上增加了有效行程长度。
22.带有约束层的pzt可以通过各种技术制造，其中包括将约束层层压到现有的pzt元件上，或者pzt元件和约束层中的一个可以通过添材工艺形成在另一个的顶上。这种添材工艺可以包括将pzt薄膜沉积到基底(如不锈钢(sst))上。约束层可以是不锈钢、硅、陶瓷，如基本上未极化(未活化)的陶瓷材料，或者与构成pzt元件的陶瓷材料相同的陶瓷材料，或其他相对坚硬的材料。如果约束层是不导电的，可以穿过约束层形成一个或多个含有导电材料柱的电通孔，以便将激活电压或地电位从微执行器的表面传导到内侧的pzt元件。
23.约束层可以比pzt元件大(表面积大)，与pzt元件大小相同，也可以比pzt元件小(表面积小)。在优选实施例中，约束层比pzt元件小，从而使微执行器具有台阶状结构，其中，台阶的台架没有被约束层覆盖，并且该台架是与pzt元件进行电连接的位置。这种包括进行电连接的台架的结构的一个益处是，与约束层覆盖整个pzt的情况相比，包括电连接的完整组件具有较小的轮廓。较小的轮廓是有利的，因为它意味着在给定的盘片堆叠高度内，可以将更多的硬盘驱动器盘片及其悬架堆叠在一起，从而在给定体积的磁盘驱动器组件内增加数据存储容量。
24.仿真表明，根据本发明构造的微执行器表现出加强的行程灵敏度，还表现出降低的摇摆模式增益和扭转模式增益。这些在增加磁头(头部)定位控制回路带宽方面是有利的，而这将降低数据搜索时间并降低对振动的敏感度。
25.根据本发明在pzt上添加约束层或元件的另一个优点是，在当下的硬盘驱动器中，包括pzt的悬架及其部件通常非常薄。在当下的dsa悬架设计中使用的微执行器(其中pzt安装在安装板上)的厚度约为150μm。在万向节安装的dsa悬架设计中，pzt甚至更薄，通常不到100μm厚。因此，pzt材料非常薄，而且很脆，在制造/组装期间都很容易开裂，所述制造/组装包括pzt微执行器马达本身的制造工艺以及悬架装配工艺中的自动取放操作。预计未来一代硬盘驱动器中的pzt将是75μm厚或更薄，而这将使得上述问题更加严重。预计这么薄的pzt不仅在制造/组装期间容易受到损害，而且在磁盘驱动器遇到冲击(即g-forces)时，也容易开裂或断裂。根据本发明，额外的刚性、弹性约束层为pzt提供了额外的强度和弹性，从而有助于防止pzt在制造/组装期间和冲击事件中开裂或出现其他机械故障。
26.在本发明的另一个方面，微执行器组件是多层pzt装置，其中，包括一个或多个活性pzt层的多个活性pzt层作为倾向于抵消主活性pzt层的作用的约束层。
27.通过添加一个或多个抵抗主pzt层运动的层，可以增加整体净行程长度，这种想法是不可预见的。更为不可预见的是，通过增加一个或多个与主pzt层沿相反方向起作用的活性层，可以进一步增加整体净行程长度。然而，这就是本发明人所证明的结果。
28.下面将参照附图进一步描述本发明的示例性实施例，在附图中，类似的附图标记是指类似的部分。附图可能不是按比例绘制的，某些部件可能以概括或示意的形式显示，并以商业名称标识，以利于清晰和简明。
附图说明
29.图1是现有技术的磁性硬盘驱动器的顶部立体图；
30.图2是图1的磁盘驱动器的悬架的俯视图；
31.图3是图2的现有技术pzt微执行器和安装的侧截面图；
32.图4a是安装在根据现有技术图2的悬架上的当对pzt施加电压以使其膨胀时pzt微执行器的侧截面图；
33.图4b是安装在根据现有技术图2的悬架上的当对pzt施加电压以使其收缩时pzt微执行器的侧截面图；
34.图5是因pzt弯曲而增加或损失的线性行程量的示意图和相关方程式；
35.图6是三个不同厚度的pzt的弯曲导致的行程损失与弯曲角度的关系图；
36.图7是根据本发明的具有粘合在它上面的约束层的pzt的侧截面图；
37.图8a是当对pzt施加电压以使其膨胀时的图8的pzt微执行器的侧截面图；
38.图8b是当对pzt施加电压以使其收缩时的图8的pzt微执行器的侧截面图；
39.图9是显示单位为nm/v的每单位输入电压的行程长度与约束层厚度的曲线图，其中，pzt为130μm厚；
40.图10是根据本发明的具有粘合在它上面的约束层的pzt的侧视图；
41.图11是图10的pzt的行程长度与pzt厚度的曲线图，其中pzt和约束层的组合厚度保持130μm不变；
42.图12是具有不同厚度的不锈钢约束层的pzt的悬架的gda行程灵敏度与约束层厚度的曲线图；
43.图13(a)-13(h)说明了一种制造工艺，通过该工艺可以生产根据本发明的具有约束层的pzt；
44.图14(a)和14(b)是根据本发明的组装有薄膜pzt微执行器马达的gsa悬架的斜视图；
45.图15是沿截面线b-b’截取的图14(b)的微执行器区域的截面图；
46.图16是根据模拟得到的图15的微执行器的行程灵敏度与sst基底厚度的曲线图；
47.图17(a)-17(f)说明了制造根据本发明的具有不锈钢基底的薄膜pzt结构的工艺；
48.图18是根据本发明的具有硅基底的薄膜pzt结构的俯视图；
49.图19是沿截面线a-a’截取的图18的薄膜pzt结构的侧截面图；
50.图20是根据模拟得到的图19的微执行器的行程灵敏度与硅基底厚度的曲线图；
51.图21(a)-21(e)说明了制造图18的薄膜pzt结构的工艺；
52.图22是根据本发明的一个实施例的具有基底和侧孔的薄膜pzt的俯视图；
53.图23是沿截面线a-a’截取的图22的微执行器的截面图；
54.图24是根据本发明的另一个实施例的pzt微执行器的截面图；
55.图25是具有一对图24的pzt微执行器的gsa悬架的斜视图；
56.图26是沿截面线a-a’截取的图25的gsa悬架的截面图；
57.图27是根据模拟得到的图25的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
58.图28(a)-28(j)说明了制造图24的pzt微执行器组件的示例性工艺；
59.图29是根据本发明的另一个实施例的多层pzt微执行器组件的侧截面图，其中pzt是多层pzt；
60.图30是根据本发明的另一个实施例的多层pzt微执行器组件的侧截面图，其中超厚电极充当约束层；
61.图31是一个实施例的截面图，其中，微执行器组件的约束层包括一个或多个趋向于与主活性pzt层沿相反方向起作用的活性pzt层；
62.图32显示了图31的微执行器组件的极化，其中包括由此产生的各层活性pzt材料的极化方向；
63.图33是图31的微执行器组件的分解图，其从概念性地显示了电连接；
64.图34是显示对于多种构造根据模拟得到的具有一个或多个活性约束层的微执行器的行程灵敏度(单位：nm/v)的曲线图；
65.图35是另一个实施例的截面图，其中微执行器组件包括多个活性pzt层，并概念性地显示了极化工艺和由此产生的极化方向；
66.图36是根据本公开的一个实施例的单层微执行器pzt组件的一个实施例的等轴视图；
67.图37是沿截面线c-c’截取的图36的截面图；
68.图38a是根据本公开的一个实施例的包括图36的单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
69.图38b是根据本公开的一个实施例的沿截面线d-d’截取的图38a的截面图；
70.图39是根据模拟得到的图38的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
71.图40是根据本公开的备选实施例的包括图36的单层微执行器pzt组件的万向节安装的双级驱动(gsa)悬架的平面图；
72.图41是根据模拟得到的图40的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
73.图42是根据本公开的备选实施例的包括单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
74.图43是根据本公开的一个实施例的沿截面线e-e’截取的图42的截面图；
75.图44a是悬架的万向节的斜视图，其中图37的单层微执行器pzt组件在该万向节处被旋转；
76.图44b是根据本公开的一个实施例的沿截面线f-f’截取的图44a的截面图；
77.图44c是根据本公开的一个实施例的沿截面线g-g’截取的图44a的截面图；
78.图45a是根据本公开的备选实施例的组装有单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
79.图45b是根据本公开的一个实施例的沿截面线h-h’截取的图45a的截面图；
80.图45c是根据模拟得到的图45a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
81.图46a是根据本公开的备选实施例的包括单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
82.图46b是根据本公开的一个实施例的沿截面线j-j’截取的图46a的截面图；
83.图46c是根据模拟得到的图46a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
84.图47a是根据本公开的备选实施例的组装有单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
85.图47b是根据本公开的一个实施例的沿截面线k-k’截取的图47a的截面图；
86.图47c是根据模拟得到的图47a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
87.图48a是根据本公开的备选实施例的组装有单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
88.图48b是根据本公开的一个实施例的沿截面线l-l’截取的图48a的截面图；
89.图48c是根据模拟得到的图48a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
90.图49a是根据本公开的备选实施例的组装有单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
91.图49b是根据本公开的一个实施例的沿截面线m-m’截取的图49a的截面图；
92.图49c是根据模拟得到的图49a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
93.图50a是根据本公开的备选实施例的组装有单层微执行器pzt组件的悬架的万向节的平面图；
94.图50b是根据本公开的一个实施例的沿截面线n-n’截取的图50a的截面图；
95.图50c是根据模拟得到的图50a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图；
96.图51是根据本公开的一个实施例的单层微执行器pzt组件的一个实施例的截面图。
具体实施方式
97.图7是根据本发明的一个实施例的具有与其粘合的约束层130的pzt微执行器(微致动器)组件114的侧截面图。为了与图中所示的方向保持一致，pzt与悬架粘合的一侧将被称为pzt 114的底侧129，而远离pzt与悬架粘合的一侧的pzt的一侧将被称为顶侧127。根据本发明，一个或多个约束层或约束元件130被粘合到微执行器pzt元件120的顶侧127。约束层130优选包括坚硬和弹性的材料(如不锈钢)，并且优选直接粘合在pzt元件120的顶部表面127上，pzt元件120在顶部表面127上包括其顶部电极126，或者sst材料本身可以作为顶部电极，从而使顶部表面不必单独金属化。约束层130有足够的硬度，以便在被致动(激活)时大大减少、消除或甚至逆转pzt的弯曲。sst层130优选具有一层金或其他接触金属131，以确保与sst的良好电连接。
98.备选地，约束层130不是不锈钢，而可以是陶瓷，例如与压电层120相同的陶瓷材料的未激活(无极性或未极化)层，并且可以通过粘合或沉积方式集成到组件中。该陶瓷材料是未极化的，这意味着该陶瓷材料表现出的压电特性大大低于限定压电层120的极化陶瓷的压电特性，例如低于其10％。限定了自下而上由电极/极性pzt/电极/无极性pzt组成的堆栈的这样的组件比电极/pzt/电极/sst的堆栈更容易制造。
99.在接下来的讨论中，为了简化讨论，有时在图中和讨论中省略了顶部和底部电极126、128，可以理解为，pzt微执行器几乎总是至少具有某种类型的顶部和底部电极。
100.在施加金层131之前，可以在sst层130上沉积一层铜或镍，以增加金对sst的附着
力，正如schreiber等人的美国专利8,395,866所讨论的那样，该专利由本技术的受让人拥有，在此通过引用将其关于将其他金属电沉积到不锈钢上的教导结合于此。同样地，电极126、128可以包括镍和/或铬以及金(nicr/au)的组合。
101.124-167(图5)。在一个根据模拟的说明性实施例中，各层的厚度为：
102.130pzt 3μm
103.126、128、131nicr/au 0.5μm
104.该薄膜pzt的长度为1.20mm，pzt粘结的两端宽度为0.15mm，压电系数d31为250pm/v。在一些实施例中，sst层可以是至少12微米厚，以提供足够的支撑。
105.在上述例子中，根据模拟，dsa悬架表现出26.1nm/v的行程灵敏度。相比之下，具有相同几何结构的45μm厚的块状pzt(d31＝320pm/v)通常会表现出只有7.2nm/v的行程灵敏度。
106.sst层与pzt层的厚度比可高达1:1，甚至1.25:1，甚至更高。当约束层与pzt的厚度比达到约1:25时，由于约束层带来的行程灵敏度提升可能开始为负值，这表明了pzt约束层的厚度限制。
107.图8a是图7的pzt微执行器114的当对pzt施加电压以便使其膨胀时的侧截面图。pzt的行程由两个矢量组成，一个矢量是纯伸展行程δe，另一个矢量是由于约束层导致pzt的右端向上弯曲(而不是像没有约束层的情况那样向下弯曲)而产生的伸展贡献δ1。总行程长度为δe δ1。因此，在膨胀模式下，从顶部看时，pzt呈现出略微凹陷的形状，即pzt的顶部表面呈现出略微凹陷的形状，其弯曲方向与图4的现有技术pzt的弯曲相反。因此，根据本发明的弯曲增加了有效行程的长度，而不是减小了有效行程的长度。
108.图8b是图7的pzt微执行器的当对pzt 114施加电压以便使其收缩时的侧截面图。pzt的行程由两个矢量组成，一个矢量是纯收缩行程-|δc|，另一个矢量是由于约束层导致pzt的右端向下弯曲(而不是像没有约束层的情况那样向上弯曲)而产生的收缩贡献δ2。总行程长度为-[δc δ2]。因此，在收缩模式下，从顶部看时，pzt呈现出略微凸起的形状，即pzt顶部表面呈现出略微凸起的形状，其弯曲方向与图4的现有技术pzt的弯曲相反。因此，根据本发明的这种弯曲增加了有效行程的长度，而不是减小了有效行程的长度。
[0109]
将约束层130添加到pzt微执行器114上对在其他位置无约束和无粘合的pzt 114的行程长度没有明显的影响。然而，当pzt 114在其底端粘合至悬架18时(如图4所示)，约束层的作用实际上稍微增加了行程长度。不锈钢的杨氏模量约为190-210gpa。优选地，约束层的材料具有大于50gpa(更优选大于100gpa，更优选大于150gpa)的杨氏模量。
[0110]
图9是根据模拟得到的单位为nm/v的每单位输入电压的行程长度与约束层厚度的曲线图，其中，pzt 114的厚度为130μm，并具有粘合在上面的不锈钢的约束层130。在pzt顶部表面添加20μm、40μm和60μm厚的sst约束层，每个约束层都会导致总行程长度增加。因此，添加约束层实际上增加了总行程长度。
[0111]
还可以保持pzt和约束层的总组合厚度不变，并确定约束层的最佳厚度。图10是根据本发明的组合起来的pzt和粘合在其上的约束层的侧截面图，其中总厚度保持恒定在130μm。图11是根据模拟得到的图10的pzt的行程长度与pzt厚度的曲线图，其中，pzt和约束层的组合厚度保持恒定在130μm。在没有约束层的情况下，130μm厚的pzt的行程长度约为14.5nm/v。在约束层130厚度为65μm并且pzt厚度为65μm的情况下，pzt的行程长度约为
20nm/v。因此，添加约束层实际上使有效行程长度增加了大约35％。
[0112]
图12是根据模拟得到的gda行程灵敏度与约束层厚度的曲线图，其中，gda悬架具有图7的微执行器，其pzt元件的厚度为45μm，其顶上有不同厚度的不锈钢约束层。从图中可以看出，厚度为30μm的约束层将gda的行程灵敏度从9nm/v增加到略高于14.5nm/v(μm)，这意味着行程长度的增加大于50％。
[0113]
图13(a)-13(h)说明了一种制造工艺，通过该工艺可以生产根据本发明的具有约束层的pzt微执行器组件。该方法是添材方法的一个例子，其中pzt材料被沉积到将成为约束层的基底上。如图13(a)所示，该工艺从第一基底140开始。在图13(b)中，第一uv(紫外光)/热载带142被施加到基底上。在图13(c)中，预先形成的sst层130被添加到载带上。在图13(d)中，电极层126例如通过溅射或其他众所周知的沉积工艺被沉积到sst上。在图13(e)中，通过溶胶-凝胶法或其他已知方法在电极层上形成pzt层120。在图13(f)中，第二电极128例如通过溅射被沉积到pzt的暴露侧。在图13(g)中，sst层130与载带分离，产品被翻转到第二载带143和第二基底141上。在图13(h)中，产品例如通过机械锯或激光切割来切割，以便将各个微执行器114分开。这个工艺产生了其中包括其电极的pzt元件120被直接粘合到sst约束层130上而中间没有任何其他材料(例如，将导致约束层的约束效果降低的有机材料，如聚酰亚胺)的微执行器114。电极层的材料可以是金、镍、铬和/或铜。金的杨氏模量约为79gpa，铜的杨氏模量约为117gpa，镍的杨氏模量约为200gpa，而铬的杨氏模量约为278gpa。优选地，在sst约束层130和pzt元件120之间没有中间层，pzt元件120的杨氏模量小于20gpa，或其杨氏模量显著小于约束层的杨氏模量，或其杨氏模量小于约束层杨氏模量的一半。
[0114]
尽管可以使用其他方法来生产该产品，如通过粘合剂(如环氧树脂)将约束层直接粘合到pzt表面，但目前预计图13(a)-13(g)所示的方法是优选方法。
[0115]
sst约束层130在添材制造工艺中以及在成品中都作为pzt层120的基底。因此，约束层130有时被称为基底。
[0116]
图14(a)和14(b)是装配有根据本发明的薄膜pzt微执行器马达114的万向节支撑的双级致动(gsa)悬架150的斜视图。在gsa悬架中，pzt被安装在包括万向节组件的迹线万向节上，并直接作用于悬架的保持读/写磁头(头部)滑块164的万向节区域。图14(a)显示了在连接pzt微执行器组件114之前的悬架150。两个微执行器114中的每一个都将被粘合在舌片154和迹线万向节的部分156上并且将跨过舌片154和部分156之间的间隙170，其中，微执行器114的远端被粘合在舌片154上，微执行器114的近端被粘合在部分156上。图14(b)显示了在pzt微执行器114被连接之后的悬架150。当微执行器组件114被激活时，它就会膨胀或收缩，从而改变舌片154和迹线万向节的部分156之间的间隙170的长度，从而影响携带读/写传感器的磁头滑块164的精细定位运动。
[0117]
图15是沿截面线b-b’截取的图14(b)的截面图。gsa悬架150包括迹线万向节152，该迹线万向节152包括多层不锈钢、绝缘体157(如聚酰亚胺)和由保护性金属159(如金或镍/金的组合)覆盖的一层信号传导迹线158(如铜)。微执行器114的远端通过导电粘合剂162(如含有ag颗粒从而使其具有导电性的环氧树脂)连接在从万向节区域延伸出来的不锈钢舌片154上，其近端通过非导电粘合剂161(如非导电环氧树脂)连接在不锈钢的安装区域156上。驱动电压的电连接是由从镀金的铜接触垫158延伸到pzt微执行器114的顶部表面
(在这种情况下更具体地是延伸到sst层130，其构成了微执行器的顶部电极)的点状导电粘合剂160来实现的。在不影响所公开的薄膜pzt结构的优点的情况下，sst基底的厚度可以在一定程度上变化。图16是根据模拟得到的图15的微执行器的行程灵敏度与sst约束层厚度的曲线图。根据模拟，具有40μm厚sst约束层的薄膜pzt表现出20nm/v的行程灵敏度，这几乎是上述45μm厚块状pzt的行程灵敏度的3倍。然而，45μm厚的sst约束层将为薄膜pzt微执行器提供更好的保护。
[0118]
图17(a)-17(f)说明了根据本发明的制造具有sst约束层的薄膜pzt结构的备选工艺。在图17(a)中，该工艺从硅基底144开始，而不是像图18(b)中从基底140和载带142开始。在图17(b)中，sst层(130)被粘合到硅上。该工艺除此之外以与图13(c)-13(h)的工艺基本相同的方式进行，其中包括在图17(e)中翻转组件和移除硅基底。此外，这些图明确显示了最后的nicr/au层131的添加，这在图13(e)中没有明确示出。
[0119]
如上所述，不同类型的约束层可用于不同的实施例中。其他刚性材料(无论是导电的还是不导电的)也可以作为约束层或基底使用。例如，硅可以用作约束层材料。图18是根据本发明的一个实施例的具有硅约束层的薄膜pzt结构的俯视图。图19是沿截面线a-a’截取的图18的微执行器的截面图。因为硅约束层230是不导电的，所以提供了通孔232，以便将pzt驱动电压从硅230上的导电顶层234(如au)传导到pzt元件120上的金属化电极126。该通孔可以按照schreiber等人的美国专利7,781,679所公开的那样形成并用导电金属来填充，该专利由本发明的受让人拥有，其关于导电通孔和形成导电通孔的方法的教导通过引用结合于此。
[0120]
图20是根据模拟得到的图19的微执行器的行程灵敏度与硅基底厚度的曲线图。如图所示，厚度为3μm的薄膜pzt和厚度为20μm的硅基底可表现出31.5nm/v的行程灵敏度。这比采用45μm厚的块状pzt的设计的行程灵敏度的4倍还高。硅基底也有助于提高薄膜pzt的可靠性。
[0121]
图21(a)-21(e)说明了制造图18的薄膜pzt结构的工艺。在图21(a)和21(b)中，该工艺从具有孔或通孔232的硅基底开始，该孔或通孔232已经例如通过激光钻孔在其中形成。在图21(c)中，nicr/au层被添加到硅基底230上，以形成顶部电极126。nicr/au还填充了所述孔，以使其成为电通孔232。更一般地说，可以用其他导电材料来填充所述通孔。在图22(d)中，pzt薄膜120例如通过溶胶-凝胶法被沉积，并且另一层nicr/au被添加以形成底部电极128。在图22(e)中，材料被翻转过来，并且最后的nicr/au层131被添加。层131和126通过通孔232电连接，以使得施加在导电金层131上的电压(或地电位)将被传递到pzt元件126上。这种具有硅基底的薄膜pzt微执行器的制造工艺可能没有具有sst基底的薄膜pzt的制造工艺复杂。
[0122]
在备选实施例中，硅基底上的中间通孔可以被硅基底端部处的一个或多个通孔所取代。因此，在最后的切割之后，将在硅基底的每个端部处形成半圆。图22是薄膜pzt微执行器的俯视图，该薄膜pzt微执行器具有硅或其他非导电约束层330，该约束层330在其上具有导电顶层231(如金属化层)，并具有侧通孔234、236，该侧通孔234、236将顶层231与顶部电极126电连接。图23是沿截面线a-a’截取的图22的pzt的截面图。本实施例的制造工艺可以与图21(a)-21(e)的制造工艺相同。
[0123]
约束层可以比pzt元件大(表面积大)，与pzt元件大小相同，或者可以比pzt元件小
(表面积小)。图24是pzt微执行器组件414的侧截面图，其中约束层430比pzt元件420小，从而使微执行器具有台阶状结构，其具有台阶434和未被约束层430覆盖的暴露台架422，该台架422是与pzt元件420进行电连接的地方。这种包括进行电连接的台阶的结构的一个优点是，与约束层430覆盖整个pzt 420相比，包括电连接的完整组件具有较小的轮廓。较小的轮廓是有利的，因为它意味着在给定的盘片堆叠高度内可以将更多的硬盘驱动器盘片及其悬架堆叠在一起，从而在给定体积的磁盘驱动组件内增加数据存储容量。预计约束层430将覆盖pzt元件420顶部表面的超过50％但小于95％，以适应台架422上的电连接。
[0124]
仿真表明，根据本发明构造的微执行器表现出增强的行程灵敏度，还表现出降低的摇摆模式增益和扭转模式增益。这些在增加磁头定位控制回路带宽方面是有利的，这将降低数据搜索时间并降低对振动的敏感度。
[0125]
图25是具有一对图24的pzt微执行器414的gsa悬架的斜视图。
[0126]
图26是沿截面线a-a’截取的图25的gsa悬架的截面图。在这个实施例中，导电粘合剂460(如导电环氧树脂)并没有延伸到约束层430上。相反，导电环氧树脂460延伸到pzt元件420顶部的台架422上，并通过该表面与pzt 420和整个微执行器组件414建立电连接。如描述的那样，由导电环氧树脂460限定的电连接件的最上部低于sst约束层430的顶部表面。更一般地说，无论电连接件是由导电粘合剂还是由例如通过热声粘合、焊接或其他技术粘合的导线实现的，与微执行器组件414的电连接件461可以不高于或甚至低于微执行器414的最上部。这使得微执行器组件414的电连接件尽可能地薄，而这又使得磁盘驱动组件的盘片堆栈中的数据存储盘片堆栈更加密集。
[0127]
图中还明确显示了安装微执行器414的迹线万向节的不锈钢部分154上的金层469。金层469为sst提供了抗腐蚀性和增强的导电性。
[0128]
在这个实施例中，与所有其他实施例一样，约束层并且更一般地说pzt微执行器组件的顶部表面除了电连接件外通常没有任何东西粘结在上面。
[0129]
图27是根据模拟的图26的悬架的pzt频率响应函数的频率响应图。与没有约束层430的模拟相比，悬架表现出降低的摇摆模式增益和扭转模式增益。这些在增加磁头定位控制回路带宽方面是有利的，这降低了数据搜索时间并降低了对振动的敏感度。
[0130]
图28(a)-28(j)说明了制造图24的薄膜pzt组件114的工艺。在图28(a)中，将块状pzt晶圆420放置在转移载带422上。在图28(b)中，例如通过溅射和/或电沉积形成顶部电极层426。在图28(c)中，将掩模436放置在顶部电极426的部分上。在图28(d)中，施加导电环氧树脂432。在图28(e)中，将作为约束层430的不锈钢层施加到环氧树脂上，然后将其固化。在图27(f)中，移除掩模436。在图27(g)中，将组件翻转过来并将其放倒在第二转移载带443上。在图27(h)中，例如通过溅射和/或电沉积形成底部电极层428。然后将pzt元件420极化。在图27(i)中，然后将该组件再一次翻转到第三转移载带444上。在图28(j)中，然后通过切割将组件分开，以产生成品的pzt微执行器组件414。
[0131]
图29是根据本发明的另一个实施例的多层pzt组件514的侧截面图。该组件包括多层pzt元件520、包裹该装置的第一电极526、第二电极528、以及通过导电环氧树脂532粘合到pzt元件520的约束层530。图中显示了二层的pzt装置。更一般地说，该装置可以是n层的pzt装置。
[0132]
图30是根据本发明的另一个实施例的多层pzt微执行器组件614的侧截面图，其
中，特厚电极作为约束层。在这个实施例中，pzt元件620具有顶部电极626和底部电极628。顶部电极626包括较薄的第一部分622和较厚的第二部分630，该第一部分622限定了台架，该第二部分630执行大部分的约束功能。台阶634位于从较薄的第一部分622到较厚的第二部分630的过渡处。第二电极626可以通过包括掩模以形成台阶634的沉积工艺施加到pzt元件620上，或者通过其中选择性地去除材料以形成台阶的沉积工艺施加到pzt元件620上。备选地，第二电极626可以是单独形成然后粘合到pzt元件620上的一块导电材料(如sst)。因此，顶部电极626的材料可以与底部电极628的材料相同或不同。较厚的第二部分630可以比较薄的部分622和/或第二电极628厚至少50％，或者较厚的第二部分630可以是较薄的部分622和/或第二电极628的至少两倍厚。与图24-26的实施例一样，电连接件可以设置在由较薄部分622限定的台架上，电连接件并未延伸到与限定约束层的较厚部分630的顶部表面一样高或高于限定约束层的较厚部分630的顶部表面。
[0133]
本发明的范围并不限于所示的确切实施例。对于本领域的技术人员来说，在接受本文的教导后，各种变化将是显而易见的。例如，约束层不需要是不锈钢，而是可以是某种其他相对坚硬和有弹性的材料。约束层不需要是单层一种材料，而是可以由不同层的不同材料组成。尽管约束层可以覆盖整个表面或基本覆盖整个顶部表面，但约束层可以覆盖少于整个表面，例如，覆盖超过90％的顶部表面面积，覆盖超过75％的顶部表面面积，超过50％的顶部表面面积，或甚至超过25％的顶部表面面积。在具有台阶特征的实施例中，预计约束层将覆盖少于微执行器顶部表面的95％。约束层不必是单一的整体层，而是可以包括多个件，例如多个并排布置在pzt顶部表面上的约束条，其中，约束条沿着膨胀/收缩方向延伸或沿着垂直于膨胀/收缩方向的方向延伸。在一个实施例中，约束层可以包括两个不锈钢或其他材料的约束件，这两个约束件被粘合在pzt的顶部表面上，这两个约束件的大小和位置以及它们的粘合大体使pzt粘合在其底部表面上的两个安装台架的安装区域镜像。当装置顶部的约束层所增加的整体刚度与因装置底部粘合至悬架而增加的整体刚度大体匹配(一致)，并且粘合区域大体上相互成镜像时，产生的净弯曲应该是零或接近零。其结果将是在安装和部署在悬架上时受到驱动几乎不呈现弯曲的pzt微执行器。
[0134]
在本文讨论的或由此建议的任何及所有实施例中，可以选择约束层，以减少在致动期间发生的pzt弯曲，或者可以选择约束层，以尽可能消除任何pzt弯曲，或者可以选择约束层，以反转(颠倒)pzt弯曲的符号(正负，方向)。在pzt将被用作硬盘驱动器微执行器的应用中，可以设想，在大多数情况下，使用约束层来反转上述说明性实例中所显示和描述的弯曲的符号是可取的，因为这增加了有效的行程长度。然而，在pzt的其他应用中，反转符号可能是不可取的。因此，本发明一般可用于控制pzt的弯曲方向和弯曲量，无论pzt在任何特定应用中如何安装或以其他方式贴在其他部件上。根据选择的应用和参数，约束层可以用来减少pzt的弯曲，以使其小于原来的50％，或小于原来的25％，或反转弯曲的符号。当符号被反转时，在其底部表面两端或附近被粘合并且在其顶上具有约束层的pzt将在该pzt处于膨胀或伸展模式时弯曲，以使其顶部表面呈现出凹形，而不是像没有约束层的类似pzt那样呈现出凸形。同样地，当pzt处于收缩模式时，pzt将呈现出凸形，而不是像没有约束层的类似pzt那样呈现出凹形。
[0135]
由于各种原因，pzt元件有时在应用中被预加应力，以使得当pzt没有被任何电压致动时，pzt已经在一个方向或另一个方向上弯曲，即pzt已经是凹形或凸形。当然，这样的
预应力pzt可以在本发明中用作微执行器。在这种情况下，pzt可能不会弯曲成净或绝对的凹形或者净或绝对的凸形。例如，如果pzt被预加应力以使其已经具有凹形，在用正的激活电压激活时，装置可能会弯曲成更凹的形状，而在用负的激活电压激活时，装置可能会弯曲成不太凹的形状，该不太凹的形状可能是名义上的平面形状，也可能是凸形。因此，除非特别说明，术语"凹"和"凸"应被理解为相对术语，而不是绝对术语。
[0136]
图31是多层微执行器pzt组件3100的一个实施例的截面图，其中微执行器组件的约束层包括一个或多个活性(有源，主动)pzt层3130、3140，该一个或多个活性pzt层3130、3140倾向于与主活性pzt层3120以相反的方向起作用，该主活性pzt层3120与微执行器3100所粘合的悬架的表面相邻。因此，pzt约束层3130、3140约束并主动抵抗主pzt层3120的作用，因此可以称为"约束层"或"抵抗层"。
[0137]
pzt层3120、3130和3140彼此以堆叠的平面关系布置。主pzt层3120包括活性pzt区域3121，该活性pzt区域3121在极化期间受到电场作用并因此被极化，并且在装置激活期间受到电场作用并因此会膨胀或收缩，主pzt层3120还包括非活性(无源，被动)pzt区域3122和3123，该非活性pzt区域3122和3123在极化或激活期间都没有受到显著的电场作用，因此没有明显的压电活性。该装置包括：第一或底部电极3124；用于活性pzt区域的第二和顶部电极3126；第三电极3132，该第三电极3132包括端部3128，以使得电极3132既在第一活性约束层3130和第二活性约束层3140之间延伸，又包裹pzt的端部；以及第四电极3142，该第四电极3142位于第二活性约束层3140的顶部，并且包括包裹部分3143，该包裹部分3143包裹装置的侧面和底部。该装置可使用诸如导电环氧树脂3160和导电环氧树脂3162的导电粘合剂粘合到悬架上，该导电环氧树脂3160将电极3142机械地和电地粘合到提供微执行器驱动电压的驱动电压电接触垫158上，该导电环氧树脂3162将该装置的电极3124和3128机械地和电地粘合到悬架的接地部分154上。
[0138]
要了解该装置的操作，必须了解该装置是如何被极化的。图32显示了图31的装置的极化情况，并且包括由此产生的各层活性pzt材料的极化方向。施加三个电压：将正电压(vp )施加到电极3124；将负电压(vp-)施加到电极3128；将接地施加到电极3142。图中的箭头显示了由此产生的活性pzt层3120、3130和3140的极化方向。
[0139]
回到图31，该图显示了在这个说明性的实施例中装置3100是如何连接的。导电环氧树脂3162在电极3124和3132之间进行了桥接，从而在电上将其连接起来，由此将极化期间的3极装置转变为操作(运行)中的2极装置。电极的连接可以通过其他众所周知的除导电环氧树脂3162以外的方式来进行电连接，但使用相同的导电环氧树脂3162来将装置粘合到悬架组件上可以完成连接功能，而不需要单独的连接步骤。
[0140]
当对电极3142施加电压从而使主pzt层3120由于活性区域3121的膨胀而在x方向上(从左到右)膨胀(如图中所见)时，活性pzt约束层3130和3140将在x方向上收缩。也就是说，这两个约束层3130、3140倾向于与主pzt层3120相抗衡，或以相反的方向作用。
[0141]
更详细地解释，当该装置如图32所示被极化并且该装置如图31所示被电连接时，该装置操作如下。在电接触垫158和电极3142上施加正的装置激活电压同时使电极3124接地会引起以下反应。施加到主pzt层3120的激活电压与极化期间的电压极性相反。因此，主pzt层3120在z方向上收缩，并因此在x方向上膨胀。同时，激活电压的极性与极化期间施加在两个约束层3130、3140上的电压极性相同。因此，这些pzt层在z方向上膨胀，并因此在x方
向上收缩。因此，两个约束层3130、3140趋于收缩，而主pzt层3120则趋于在相关方向上膨胀。
[0142]
约束层以与主pzt层相反的方向起作用的效果类似于前面描述的关于被动(无源，非活性)约束层(例如，图10中的约束层130以及上面讨论的其他实施例中的类似约束层230、330、430、530和630)的效果。活性pzt约束层的作用减少了由于主pzt层以及主pzt层安装(粘合)至悬架而产生的弯曲，甚至可以反转弯曲的符号，在任何一种情况下都会增加微执行器安装时引起的净位移。
[0143]
图33是图31的微执行器组件的分解图，其中概念性地显示了电连接。在图31和图32中不可见但在图33中可见的可选特征包括电极3132上的图案3133和与电极3142相关的降压器3144，其功能将在下面描述。
[0144]
希望有较薄的微执行器组件的原因包括：(1)在悬架上的质量更少，特别是在基于万向节的dsa悬架中的万向节处或其附近的质量更少，该基于万向节的dsa悬架有时被称为gsa悬架，而这则意味着沿重力方向测得的更大的升力，即更大的抗冲击能力；(2)风阻减小；以及(3)在磁头堆栈组件内的堆栈密度更大，这意味着在相同体积的磁盘驱动器堆栈组件空间中可以存储更多数据。因此，期望使pzt约束层相当薄。然而，pzt约束层越薄，在操作期间这些层上的电场强度就越高，因此在操作期间由于电场强度太高，pzt约束层容易被退极。因此，在名义上，主pzt层和约束pzt层应该有相同的厚度。
[0145]
使约束pzt层变薄而不使其受到退极的一个解决方案是使用一种或多种可能的措施减小约束层上的电场强度，但不显著减小主pzt层上的电场。实现该目标的第一种措施是对在操作上与活性pzt约束层之一相关但在操作上与主pzt层无关的一个或多个电极进行图案化，例如在电极3132中添加孔3133或其他电空隙。图案化也可以采取网状图案的形式，如平行或相交的在彼此之间有电空隙的导体网格。通过减少平面电极3132内电导体的面积百分比，有效地减小了约束层3130和3140上的电场强度，而不减小主pzt层3120上的电场强度。
[0146]
第二种解决方案是增加约束层的矫顽电场强度，以便使约束层更耐退极。矫顽电场强度(或在提及压电材料时被简单地称为"矫顽力")用于衡量为了使压电材料退极需要多大的电场强度。使约束层3130、3140具有比主pzt层3120更高的矫顽力可以使这些约束层更薄，而在受到与主pzt层相同的激活电压时不会有退极的风险。通过使用不同的或稍有不同的压电材料，或通过其他工艺，可以使约束层3130、3140具有更高的矫顽力，但可能要以损失一些d31行程长度或其他理想特性为代价。
[0147]
另一个解决方案是通过使用某种降压器(例如分压电阻网络、二极管、电压调节器或本领域技术人员会想到的各种功能类似的装置中的任何一个)来降低施加在与约束层相关的驱动电极上的有效电压。在图中，通用的降压器3144降低了电极3142所接受的电压，从而减小了约束层3140所承受的电场强度，但没有减小主pzt层3120所承受的电场强度。分压器可以整体形成从而设置在相邻的压电层之间，例如通过应用形成电极层的金属化以便在pzt材料的表面上形成分压电阻网络。简单的电阻分压器需要地线，这可以在同一层上实现。许多结构都是可能的，这对此类装置的设计者来说是显而易见的。
[0148]
图案3133和降压器3144都降低了约束层3140上的电场强度，从而允许约束层3140被做得更薄，而不会使其在操作期间发生不可接受的退极。可以使用电极图案和/或降压
器，和/或其他一些措施来减小约束层3130和/或3140上的电场强度。图案3133与电极3132一体形成，因此与微执行器组件一体形成并集成在一起。用于电极之一的降压器可以与组件一体形成并集成到组件中，如果相关电极有自己的电引线并且未与其他电极连接，那么降压器也可以在组件外部设置。
[0149]
上面讨论的所有这些解决方案都可以应用于具有单个活性约束层、两个活性约束层(如图31-33所示)或更一般的n个活性约束层(如图35所示)的压电微执行器。
[0150]
图34是显示具有一个或多个活性约束层的微执行器的行程灵敏度(单位为nm/v)的曲线图，该曲线图根据对各种约束层结构(clc)的模拟得到，其中，主pzt层为45μm厚，没有任何图案3133或降压器3144来降低电场强度，并且具有三种不同的结构：
[0151]
a)一个非活性约束层("被动clc"，菱形数据点)；
[0152]
b)一个活性约束层("单层"，方形数据点)；以及
[0153]
c)两个活性约束层("双层"，三角形数据点)。
[0154]
数据表明，至少对于所研究的参数，具有一个与主pzt层以相反方向起作用的活性约束层的pzt微执行器总是比约束层为非活性材料的微执行器产生更高的行程灵敏度。使用多个活性薄pzt层作为约束层(即，与主pzt层沿相反方向起作用)，可以获得最高的行程灵敏度。具体地，使用两个约束层(其中每个约束层的厚度为5μm，或者大约是主pzt层厚度的11％)，可以获得最高的行程灵敏度。因此，约束层的厚度优选小于主pzt层厚度的50％，或更优选小于主pzt层厚度的20％，或更优选在主pzt层厚度的5-15％的范围内。
[0155]
对于两个活性约束层，行程灵敏度随着约束层厚度的增加而急剧下降，对于两个活性约束层各约5μm厚的情况，行程灵敏度最高。因此，微执行器优选具有两个或更多个约束层，其组合厚度小于主pzt层的厚度，更优选它们的组合厚度小于主pzt层的厚度的50％，更优选地每个约束层的厚度小于主pzt层厚度的一半，更优选地每个约束层的厚度小于主pzt层厚度的20％，更优选地每个约束层的厚度在主pzt层厚度的5-15％的范围内。
[0156]
对于具有单一活性约束层的微执行器组件而言，随着约束层厚度的增加而造成的行程灵敏度的损失不像两个活性约束层的情况那样剧烈。对于单一活性约束层而言，局部最大值(行程灵敏度的最大值)出现在大约10μm的厚度上。因此，对于具有单一活性约束层的微执行器组件，该层的厚度优选在主pzt层厚度的10-40％的范围内，更优选在主pzt层厚度的约10-20％的范围内。
[0157]
图35是另一个实施例的截面图，其中微执行器组件包括多个活性pzt层，并概念性地显示了极化工艺和所产生的极化方向。当图35的装置被电和机械地粘合到如图31所示的悬架上时(其中电极3524和3528通过导电环氧树脂相连接)，其结果是一个主活性pzt层和作为约束层的三个活性pzt层，因为这三个活性pzt层倾向于与主活性pzt层沿相反方向起作用。也就是说，底部的pzt层膨胀，而顶部的三个pzt层收缩，或者反之。
[0158]
微执行器组件的结构可以很容易地从具有图31-33所示的一个活性主pzt层和两个活性pzt约束层的装置以及图35所示的一个活性主pzt层和三个活性pzt约束层延伸到具有任何数量的活性主层和活性约束层。一个或多个约束层上的电场强度可以通过各种措施减小，其中包括电极图案和/或降压器。实验将揭示约束层的最佳数量和不同应用的最佳厚度。
[0159]
本文所公开的pzt微执行器可用作磁盘驱动器悬架以外的领域的执行器。因此，这
样的微执行器及其结构细节构成了创造性的装置，无论它们在什么环境下使用，无论是磁盘驱动器悬架环境还是任何其他环境。
[0160]
图36是单层微执行器pzt组件4000的一个实施例的等轴视图。图37是单层微执行器pzt组件4000的沿pzt宽度方向的截面线c-c’截取的截面图。单层微执行器pzt组件4000还包括顶部电极4042、pzt元件4040和底部电极4032。顶部电极4042被安装在pzt元件4040的顶部表面4048上。底部电极4032被安装在pzt元件4040的底部表面4034上。
[0161]
顶部电极4042的宽度w1比底部电极4032的宽度w2窄。顶部电极4042包括台阶4044，顶部电极4042终止于该台阶4044。pzt元件4040包括顶部表面4048的未被顶部电极4042覆盖的暴露部分4046。在一些实施例中，顶部电极4042与pzt结合表面相对地定位在pzt元件4040上。
[0162]
顶部电极4042可以通过包括掩模以形成台阶4044的沉积工艺施加到pzt元件4040上，或者通过其中选择性去除材料以形成台阶4044的沉积工艺施加到pzt元件4040上。备选地，顶部电极4042可以是单独形成然后粘合到pzt元件4040上的一块导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极4042的材料可以与底部电极4032的材料相同或不同。
[0163]
图38a是根据本公开的一个实施例的包括单层微执行器pzt组件4000的悬架4050的万向节的平面图。暴露部分4046(即电极死区)位于pzt的内侧，pzt顶部表面的其余部分是顶部电极4042。pzt安装在万向节上，该万向节包括万向节组件，并直接作用于悬架的保持读/写磁头滑块的万向节区域。两个微执行器pzt组件4000中的每一个都将被粘合在舌片4054和迹线万向节的部分4056之间并且跨越舌片4054和部分4056之间的间隙，其中，微执行器4000的近端被粘合在舌片4054上，微执行器4000的远端被粘合在部分4056上。
[0164]
图38b是根据本公开的一个实施例的沿截面线d-d’截取的图38a的悬架4050的截面图。pzt底部电极4032在近端和远端分别由非导电粘合剂502和导电粘合剂504粘合。导电粘合剂504也被施加在顶部电极4042的近端上，以形成pzt电连接。当微执行器组件4000被激活时，它就会膨胀或收缩，从而改变舌片4054和迹线万向节的部分4056(图38a)之间的间隙长度，从而实现携带读/写传感器的磁头滑块的精细定位运动。
[0165]
顶部电极4042较窄的宽度尺寸产生了人为约束，以抵消粘合在近端非导电粘合剂502和远端导电粘合剂504处的粘合剂对底部电极4032施加的约束。通过适当地选择顶部电极4042的宽度，悬架pzt激励频率响应函数(frf)在整个频段的几个主要模式下可以有较低的增益。
[0166]
图39是根据模拟得到的图38的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。顶部电极4042的宽度比底部电极4032窄0.05mm。结果，第一万向节扭转模式(gt1)、电路扭转模式和负载梁摇摆模式得到增益改善。特别是，负载梁摇摆模式的增益减少了3db，这有助于提高磁头定位伺服控制带宽，从而降低数据搜索时间并降低对振动的敏感度。
[0167]
图40是根据本公开的备选实施例的包括单层微执行器pzt组件4000的悬架4150的万向节的平面图。在图40中，暴露部分4047(电极死区)被定位在pzt顶部表面4048的外侧，而pzt顶部表面4048的其余部分是顶部电极4042。
[0168]
图41是根据模拟得到的图40的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。该悬架表现出第一万向节扭转模式、电路扭转模式和负载梁摇摆模式的增益变化。本文所述的单层微执行器pzt组件的这一实施例可用于调整具有相反增益峰值的一个悬架的pzt frf，以优化这
些模式下的pzt frf。
[0169]
图42是根据本公开的备选实施例的包括单层微执行器pzt组件4100的悬架4250的万向节的平面图。在图42中，暴露部分4146(电极死区)位于pzt顶部表面4148的内侧和外侧，pzt顶部表面4148的其余部分是顶部电极4142。图43是单层微执行器pzt组件4100的沿宽度方向的截面线e-e’穿过pzt截取的截面图。单层微执行器pzt组件4100包括顶部电极4142、ptz元件4140和底部电极4132。顶部电极4142被安装在pzt元件4140的顶部表面4148上。底部电极4132被安装在pzt元件4140的底部表面4134上。顶部电极4142的宽度w3比底部电极4132的宽度w4更窄。顶部电极4142包括台阶4144，顶部电极4142终止于该台阶4144。pzt元件4140包括顶部表面4148的不被顶部电极4142覆盖的两个暴露部分4146。在一些实施例中，顶部电极4142与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4140上。
[0170]
顶部电极和底部电极可以通过包括掩模以形成台阶4144的沉积工艺施加到pzt元件4140上，或者通过其中选择性去除材料以形成顶部电极的沉积工艺施加到pzt元件4140上。备选地，顶部电极可以是单独形成然后粘合到pzt元件4140上的多块单独的导电材料，如sst。因此，顶部电极的材料可以与底部电极4132的材料相同或不同。
[0171]
顶部电极4142较窄的尺寸产生了人为约束，以抵消因pzt粘合在底部电极的近端和远端上而施加在底部电极4132上的约束。通过适当地选择顶部电极的宽度，悬架pzt激励frf在整个频段的几个主要模式下可以有较低的增益。
[0172]
图44a是旋转单层微执行器pzt组件4000的悬架4250的万向节的斜视图。单层微执行器pzt组件4000被旋转，以使得顶部电极4042现在是第一侧电极5042，并且暴露部分4046也在侧表面。底部电极4032现在是第二侧电极5032。在这种配置下，第一侧电极5042和第二侧电极5032从其两个侧表面与铜焊垫电连接。
[0173]
图44b是根据本公开的一个实施例的沿截面线f-f’截取的图44a的截面图。pzt第一侧电极5042通过导电粘合剂604粘合在远端铜垫606处。非导电粘合剂602也被施加在第一侧电极5042上。图44c是根据本公开的一个实施例的沿截面线g-g’截取的图44a的截面图。pzt第二侧电极5032通过导电粘合剂604粘合在近端铜垫608处。当微执行器组件4000被激活时，它就会膨胀或收缩，从而实现携带读/写传感器的磁头滑块的精细定位运动。
[0174]
第一侧电极5042较窄的宽度尺寸产生了人为约束，以抵消粘合在近端非导电粘合剂602和远端导电粘合剂604处的粘合剂对第二侧电极5032施加的约束。通过适当地选择第一侧电极5042的宽度，悬架pzt激励频率响应函数(frf)在整个频段的几个主要模式下可以有较低的增益。
[0175]
图45a是根据本公开的备选实施例的与单层微执行器pzt组件4200组装的悬架4350的万向节的平面图。在图45a中，暴露部分4246(电极死区)位于pzt顶部表面4248的内侧和外侧，而pzt顶部表面4248的其余部分是顶部电极4242。暴露部分4246(电极死区)被配置成向内弯曲，从而在pzt顶部表面4246的中心或附近减少顶部电极4242的表面积。顶部电极4242的横截面积向单层微执行器pzt组件4200的远端和近端增大。
[0176]
图45b是单层微执行器pzt组件4200的截面图，该截面图沿截面线h-h’穿过单层微执行器pzt组件4200的中心pzt宽度方向截取。顶部电极4242被安装在pzt元件4240的顶部表面4248上。底部电极4232被安装在pzt元件4240的底部表面4234上。顶部电极4242具有向近端和远端增大的可变宽度w5。顶部电极4242的可变宽度w5比底部电极4232的宽度w6窄。
顶部电极4242包括台阶4244，顶部电极4242终止于该台阶4244。pzt元件4240包括顶部表面4248的不被顶部电极4242覆盖的两个暴露部分4246。在一些实施例中，顶部电极4242与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4240上。
[0177]
顶部电极和底部电极可以通过包括掩模以形成台阶4244的沉积工艺施加到pzt元件4240上，或者通过其中选择性去除材料以形成顶部电极的沉积工艺施加到pzt元件4240上。备选地，顶部电极4242可以是单独形成然后粘合到pzt元件4240上的多块单独的导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极4242的材料可以与底部电极4232的材料相同或不同。
[0178]
顶部电极4242的可变截面形成了人为约束，以抵消由于pzt粘合在底部电极的近端和远端上而施加在底部电极4232上的约束。通过改变顶部电极4242的宽度，悬架pzt激励frf可以在整个频段的几个主要模式下具有较低的增益。
[0179]
图45c是根据模拟得到的图45a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。电极两侧的弯曲暴露部分(电极死区)可用于优化第二万向节扭转模式(gt2)的增益。
[0180]
图46a是包括根据本公开的备选实施例的单层微执行器pzt组件4300的悬架4450的万向节的平面图。在图46a中，暴露部分4346(电极死区)被定位在pzt顶部表面4348的内侧，而pzt顶部表面4348的其余部分是顶部电极4342。暴露部分4346(电极死区)被配置为向内弯曲，从而在pzt顶部表面4348的中心或附近减小顶部电极4342的表面面积。顶部电极4342的横截面积向单层微执行器pzt组件4300的远端和近端增大。
[0181]
图46b是单层微执行器pzt组件4300的截面图，该截面图沿截面线j-j’穿过单层微执行器pzt组件4300的中心pzt宽度方向截取。顶部电极4342被安装在pzt元件4340的顶部表面4348上。底部电极4332被安装在pzt元件4340的底部表面4334上。顶部电极4342具有向近端和远端增大的可变宽度w7。顶部电极4242的可变宽度w7比底部电极4332的宽度w8窄。顶部电极4342包括台阶4344，顶部电极4342终止于该台阶4344。pzt元件4340包括顶部表面4348的没有被顶部电极4342覆盖的一个暴露部分4346。在一些实施例中，顶部电极4342与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4340上。
[0182]
顶部电极和底部电极可以通过包括掩模以形成台阶4344的沉积工艺施加到pzt元件4340上，或者通过其中选择性去除材料以形成顶部电极的沉积工艺施加到pzt元件4340上。备选地，顶部电极4342可以是单独形成然后粘合到pzt元件4340上的多块单独的导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极4342的材料可以与底部电极4332的材料相同或不同。
[0183]
顶部电极4342的可变截面形成了人为约束，以抵消由于pzt粘合到底部电极的近端和远端上而施加在底部电极4332上的约束。通过改变顶部电极4342的宽度，悬架pzt激励frf可以在整个频段的几个主要模式下具有较低的增益。
[0184]
图46c是根据模拟得到的图46a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。电极内侧的弯曲暴露部分(电极死区)可用于优化第一万向节扭转模式(gt1)增益(增加gt1相位滞后)和摇摆增益(增加摇摆模式相位领先)。
[0185]
图47a是包括根据本公开的备选实施例的单层微执行器pzt组件4400的悬架4550的万向节的平面图。在图47a中，暴露部分4446(电极死区)被定位在pzt顶部表面4448的外侧，而pzt顶部表面4448的其余部分是顶部电极4442。暴露部分4446(电极死区)被配置成向
内弯曲，从而在pzt顶部表面4448的中心或附近减小顶部电极4442的表面面积。顶部电极4442的横截面积向单层微执行器pzt组件4400的远端和近端增大。
[0186]
图47b是单层微执行器pzt组件4400的截面图，该截面图沿截面线k-k’穿过单层微执行器pzt组件4400的中心pzt宽度方向截取。顶部电极4442被安装在pzt元件4440的顶部表面4448上。底部电极4432被安装在pzt元件4440的底部表面4334上。顶部电极4442具有向近端和远端增大的可变宽度w9。顶部电极4442的可变宽度w9比底部电极4432的宽度w10窄。顶部电极4442包括台阶4444，顶部电极4442终止于该台阶4444。pzt元件4440包括顶部表面4448的没有被顶部电极4442覆盖的一个暴露部分4446。在一些实施例中，顶部电极4442与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4440上。
[0187]
顶部电极和底部电极可以通过包括掩模以形成台阶4444的沉积工艺施加到pzt元件4440上，或者通过其中选择性去除材料以形成顶部电极的沉积工艺施加到pzt元件4440上。备选地，顶部电极4442可以是单独形成然后粘合到pzt元件4440上的多块单独的导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极4442的材料可以与底部电极4432的材料相同或不同。
[0188]
顶部电极4442的可变截面形成了人为约束，以抵消由于pzt粘合到底部电极的近端和远端上而施加在底部电极4432上的约束。通过改变顶部电极4442的宽度，悬架pzt激励frf可以在整个频段的几个主要模式下具有较低的增益。
[0189]
图47c是根据模拟得到的图47a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。电极外侧的弯曲暴露部分(电极死区)可用于优化第一万向节扭转模式(gt1)增益(增加gt1相位滞后)和摇摆增益(增加摇摆模式相位领先)。
[0190]
图48a是包括根据本公开的一个实施例的单层微执行器pzt组件4500的悬架4650的万向节的平面图。暴露部分4546(即电极死区)位于pzt的远端，并且是弯曲的，以使得外侧的暴露部分大于内侧的暴露部分。pzt顶部表面的其余部分是顶部电极4542。两个微执行器pzt组件4500中的每一个都将被粘合在舌片4554和迹线万向节的部分4556上，并将跨过舌片4554和迹线万向节的部分4556之间的间隙，其中，微执行器4500的近端将被粘合在舌片4554上，微执行器4500的远端将被粘合在迹线万向节的部分4556上。
[0191]
图48b是根据本公开的一个实施例的沿截面线l-l’截取的图48a的悬架4650的截面图。pzt底部电极4532在近端和远端分别由非导电粘合剂502和导电粘合剂504粘合。导电粘合剂504也被施加在顶部电极4542的近端上，以形成pzt电连接。当微执行器组件4500被激活时，它就会膨胀或收缩，从而改变舌片4554和迹线万向节的部分4556(图48a)之间的间隙长度，从而实现携带读/写传感器的磁头滑块的精细定位运动。
[0192]
图48c是根据模拟得到的图48a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。电极远端的弯曲暴露部分(电极死区)可用于优化第一扭转模式(t1)的增益和第一万向节扭转模式(gt1)。
[0193]
图49a是根据本公开的备选实施例的包括单层微执行器pzt组件4600的悬架4750的万向节的平面图。在图49a中，暴露部分4646(电极死区)被定位在pzt顶部表面4648的外侧的一部分上，而pzt顶部表面4446的其余部分是顶部电极4642。具体来说，顶部电极4642可以包括远端部分、近端部分以及将远端部分和近端部分相连接的耦合部分。如图所示，近端部分可以具有比顶部电极4642的远端部分大的表面积。备选地，远端部分可以具有比顶
部电极4642的近端部分大的表面积。在其他实施例中，近端部分和远端部分可以具有相同或基本相同的表面积。暴露部分4646(电极死区)由顶部电极4642的远端部分、近端部分和耦合部分限定。远端部分和近端部分的横截面积比顶部电极4642的耦合部分大。
[0194]
图49b是单层微执行器pzt组件4400的截面图，该截面图沿截面线m-m’穿过单层微执行器pzt组件4600的中心pzt宽度方向截取。顶部电极4642被安装在pzt元件4640的顶部表面4648上。底部电极4632被安装在pzt元件4640的底部表面4634上。顶部电极4642的耦合部分具有比近端部分和远端部分(未示出)窄的宽度w11。顶部电极4642的宽度w11比底部电极4632的宽度w12窄。顶部电极4642包括台阶4644，顶部电极4642终止于该台阶4644。pzt元件4640包括顶部表面4648的不被顶部电极4642覆盖的一个暴露部分4646。在一些实施例中，顶部电极4642与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4640上。
[0195]
顶部电极和底部电极可以通过包括掩模以形成台阶4644的沉积工艺施加到pzt元件4640上，或者通过其中选择性去除材料以形成顶部电极的沉积工艺施加到pzt元件4640上。备选地，顶部电极4642可以是单独形成然后粘合到pzt元件4640上的多块单独的导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极4642的材料可以与底部电极4632的材料相同或不同。
[0196]
顶部电极4642的多个横截面产生了人为约束，以抵消由于pzt粘合在底部电极的近端和远端上而施加在底部电极4632上的约束。通过改变顶部电极4642的宽度，悬架pzt激励frf可以在整个频段的几个主要模式下具有较低的增益。
[0197]
图49c是根据模拟得到的图49a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。电极外侧的弯曲暴露部分(电极死区)可用于优化第一万向节扭转模式(gt1)增益(增加gt1相位滞后)和摇摆增益(增加摇摆模式相位领先)。
[0198]
图50a是包括根据本公开的一个实施例的单层微执行器pzt组件4700的悬架4850的万向节的平面图。微执行器pzt组件4700包括多个暴露部分4746(即电极死区)，每个暴露部分4746都位于pzt顶部表面4748的外侧的一部分上，而pzt顶部表面4748的其余部分是顶部电极4742。具体来说，顶部电极4742可以包括远端部分、近端部分、位于远端部分和近端部分之间的一个或多个中间部分、以及沿pzt顶部表面4748的内侧将上述部分相连接的耦合部分。在备选实施例中，图案化死区可以沿pzt顶部表面4748的内侧定位。在其他实施例中，图案化死区可以被定位为在pzt顶部表面4748的内侧和pzt顶部表面4748的外侧之间交替。
[0199]
顶部电极4742的上述部分可以具有相同或基本相同的表面积。暴露部分4746(电极死区)由顶部电极4742的远端部分、近端部分、中间部分和耦合部分限定。远端部分、近端部分和中间部分的横截面积比顶部电极4742的耦合部分大。
[0200]
图50b是根据本公开的一个实施例的沿截面线n-n’截取的图50a的悬架4750的截面图。pzt底部电极4732在近端和远端分别由非导电粘合剂502和导电粘合剂504粘合。顶部电极4742沿着pzt顶部表面4748的内侧包括远端部分4742c、近端部分4742a、位于远端部分和近端部分之间的一个或多个中间部分4742b。导电粘合剂504也被施加在近端部分4742a上，以形成pzt电连接。当微执行器组件4700被激活时，它就会膨胀或收缩，从而改变舌片4754和迹线万向节的部分4756(图50a)之间的间隙长度，从而实现携带读/写传感器的磁头滑块的精细定位运动。
[0201]
图50c是根据模拟得到的图50a的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。pzt顶部电极4742中的图案化死区可用于第一扭转模式(t1)(增加t1相位滞后)、第一万向节扭转模式(gt1)(增加gt1相位领先)和摇摆(增加摇摆相位滞后)的谐振(响应)优化。正如本文所说明的，对行程3.7nm/v与3.4nm/v的影响很小。
[0202]
图51是根据本公开的一个实施例的单层微执行器pzt组件的一个实施例的截面图。单层微执行器pzt组件5000还包括顶部电极5042、pzt元件5040和底部电极5032。顶部电极5042被安装在pzt元件5040的顶部表面5048上。底部电极5032被安装在pzt元件5040的底部表面5034上。
[0203]
顶部电极5042的宽度w1比pzt元件5040窄。顶部电极5042包括台阶5044，顶部电极5042终止于该台阶5044。pzt元件5040包括顶部表面5048的未被顶部电极5042覆盖的暴露部分5046。在一些实施例中，顶部电极5042与pzt粘合表面相对地定位在pzt元件4040上。一些实施例的顶部电极根据本文描述的技术具有可变宽度或者被配置成暴露pzt元件的若干部分。
[0204]
底部电极5032的宽度w2比pzt元件5040窄。底部电极5032包括台阶，底部电极5032终止于该台阶。pzt元件5040包括底部表面的未被底部电极5032覆盖的暴露部分。一些实施例的底部电极根据本文描述的技术具有可变宽度或者被配置成暴露pzt元件的若干部分。一些实施例包括顶部电极和底部电极，它们被配置为在pzt元件的顶部表面和底部表面上具有类似的暴露表面。其他实施例包括顶部电极和底部电极，以使得pzt元件的顶部表面和底部表面具有不同的暴露表面。因此，顶部电极可以不覆盖pzt元件的整个表面，可以具有相同形状和大小或不同形状和大小但位于pzt元件的外部尺寸内的第二电极。
[0205]
顶部电极5042和底部电极5032可以通过包括掩模以形成台阶的沉积工艺施加到pzt元件5040上，或者通过其中选择性去除材料以形成台阶的沉积工艺施加到pzt元件5040上。备选地，顶部电极5042和/或底部电极5032可以是单独形成然后粘合到pzt元件5040上的一块导电材料，如sst或本文描述的其他材料。因此，顶部电极5042的材料可以与底部电极5032的材料相同或不同。
[0206]
虽然本文说明的是单一pzt层，但所披露的实施例适用于使用本文所述的类似技术的具有多个pzt元件的多层pzt微执行器组件。通过适当地选择顶部电极的宽度，可以有效地调整使用一组多层pzt的拼装微执行器悬架的pzt frf。
[0207]
可以理解的是，在说明书和权利要求书中使用的术语"一般"、"大约"、"大致"和"共面"允许与任何精确的尺寸、测量和布置有一定的差异，并且这些术语应在本文公开的发明的描述和操作的背景下理解。
[0208]
将进一步理解，在本说明书和权利要求书中使用的诸如"顶部"、"底部"、"上方"和"下方"等术语是方便的术语，表示部件相对于彼此的空间关系而不是任何特定的空间方向或重力方向。因此，这些术语意在包括部件的装配，而不管该装配是否以图中所示和说明书中描述的特定方向、从该方向颠倒过来或具有任何其他旋转变化。
[0209]
本说明书中公开的所有特征，包括权利要求书、摘要和附图，以及公开的任何方法或期间的所有步骤，可以以任何方式组合，但至少一些这样的特征和/或步骤是相互排斥的组合除外。说明书中披露的每个特征，包括权利要求书、摘要和附图，都可以被服务于相同、等同或类似目的的替代特征所取代，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，所披露
的每个特征只是一系列通用的等同或类似特征中的一个例子。
[0210]
可以理解的是，本文使用的术语"本发明"不应理解为仅提出具有单一基本要素或要素组的单一发明。同样地，还将理解到，术语"本发明"包括一些单独的创新，它们各自可被视为单独的发明。尽管本发明已就其优选实施例和附图进行了详细描述，但对于本领域的技术人员来说，显然可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下完成本发明的各种调整和修改。因此，应当理解的是，上文的详细描述和附图并不是为了限制本发明的广度，本发明的广度只应从以下权利要求及其适当解释的法律等同物中推断出。