具有极化但无源的PZT约束层的多层PZT微致动器的制作方法

具有极化但无源的pzt约束层的多层pzt微致动器
1.本技术是申请日为2017年08月03日、申请号为201710654540.5、名 为“具有极化但无源的pzt约束层的多层pzt微致动器”的中国中国专利 申请的分案申请
2.相关申请的交叉引用
3.本技术是于2016年2月28日提交的美国专利申请no.15/055,618的部 分继续申请，该美国申请是于2015年3月28日提交的美国专利申请no.14/ 672,122(现为专利no.9,330,698)的继续，该后一美国专利申请是于2014 年3月14日提交的美国专利申请no.14/214,525(现为专利no.9,117,468) 的部分继续申请，其要求于2013年3月18日提交的美国临时专利申请no. 61/802,972和于2013年9月14日提交的美国临时专利申请no.61/877,957 的优先权。申请no.14/672,122也是于2014年12月10日提交的美国专利 申请no.14/566,666(现为专利no.9,330,694)的部分继续申请，其要求于 2014年10月17日提交的美国临时专利申请no.62/061,074的权益。申请 no.14/672,122也要求于2014年11月28日提交的美国临时专利申请no.62/ 085,471的权益。所有这些申请都被通过引用并入，如同在本文中被充分地 阐述一样。
技术领域
4.本发明涉及用于硬盘驱动器的悬架的领域。更具体地，本发明涉及用 于在双级致动悬架中使用的具有一个或多个有源压电约束层的多层压电微 致动器的领域。


背景技术：

5.磁硬盘驱动器以及诸如光盘驱动器之类的其它类型的旋转介质驱动器 是众所周知的。图1为本发明所适用的示例性现有技术硬盘驱动器和悬架 的斜视图。现有技术盘驱动器单元100包括旋转磁盘101，该旋转磁盘101 上包含有构成存储在该盘驱动器上的数据的由磁性1和0构成的图案。磁 盘由驱动马达(未示出)驱动。盘驱动器单元100进一步包括盘驱动器悬 架105，磁头滑块(未示出)被靠近负载梁107的远端安装于该盘驱动器悬 架105。悬架或负载梁的“近”端是受到支撑的端部，即与被锻造或以其它 方式安装于致动器臂的基板12最为接近的端部。悬架或负载梁的“远”端 是与近端相反的端部，即，该“远”端是悬臂端。
6.悬架105被联接到致动器臂103，该致动器臂103进而被联接到音圈马 达112，该音圈马达112使悬架105弧形地移动，以便将头滑块定位在数据 盘101上的正确的数据道上。头滑块被承载在常平架(gimbal)上，该常 平架允许滑块俯仰(pitch)和滚动，使得它沿旋转盘上的适当数据道而行， 从而允许诸如盘振动之类的这种变化、诸如碰撞之类的惯性事件以及盘表 面中的不规则性。
7.单级致动的盘驱动悬架和双级致动(dsa)的悬架都是已知的。在单 级致动悬架中，仅音圈马达112移动悬架105。
8.在dsa悬架中，例如在授予mei等及许多其他人的美国专利no.7,459, 835中的das悬架中，除了移动整个悬架的音圈马达112之外，至少一个 附加微致动器位于该悬架上，以
便实现磁头滑块的微动并使其在旋转盘的 数据道上保持适当地对准。与音圈马达单独作用相比，微致动器提供了更 为精密的控制以及伺服控制回路的大得多的带宽，该音圈马达的单独作用 仅实现了悬架以及因此磁头滑块的相对粗的移动。有时简称为pzt的压电 元件通常被用作微致动器马达，尽管其它类型的微致动器马达是可能的。
9.图2是图1中的现有技术悬架105的俯视平面图。两个pzt微致动器 14被粘附于形成在基板12内的微致动器安装架18上的悬架105，使得pzt 跨越基板12中的相应间隙。微致动器14被通过环氧树脂16于微致动器的 每一端粘附于安装架18。可通过多种技术从pzt到悬架的柔性线路迹线 (wiring trace)和/或到板进行正负电气连接。当致动微致动器14时，它扩 展或收缩并且由此改变安装架之间的间隙的长度，从而产生被安装于悬架 105的远端的读/写头的微动。
10.图3是现有技术pzt微致动器及图2的安装的侧视剖视图。微致动器 14包括pzt元件20本身以及位于pzt上的限定用于致动pzt的电极的顶 部金属层26和底部金属层28。pzt 14被通过环氧树脂或焊料16在其左右 两侧上被跨过间隙安装，如图所示。
11.在dsa悬架中，通常需要获得每单位输入电压的与pzt相距的高冲 程距离，或简称为“冲程长度”。
12.过去的许多dsa悬架设计已经在安装板上安装了pzt。在这种设计中， 通过pzt的旋转中心和读/写换能器头之间的臂的长度放大了pzt的线性 移动。pzt的小线性运动因此导致了读/写头的相对大的径向运动。
13.其它悬架设计在常平架处或其附近安装pzt。常平架安装的pzt的一 个示例是在被转让给本发明的受让人的专利no.8,879,210中示出的dsa悬 架。在常平架安装的dsa悬架(“gsa”悬架)中，特别重要的是获得高 冲程长度，这是因为那些设计几乎不具有与在pzt和读/写换能器头之间的 臂长一样的臂长。对于较短的臂长，读/写头的合成运动是相应较小的。因 此，在gsa设计中获得大冲程长度是特别重要的。


技术实现要素：

14.本技术的发明人已经在根据现有技术的在其上安装有pzt微致动器的 悬架中识别出了损失pzt冲程长度的根源，并已经研发了一种消除损失冲 程长度的根源的pzt微致动器结构及其生产方法。
15.图4a是一种根据现有技术图2的安装在悬架中的pzt微致动器14的 当通过在其上施加驱动电压来致动pzt以使该pzt扩展时的侧视剖视图。 由于pzt的底层22通过被结合到它安装于其上的悬架18而部分地受到约 束，因此底层22并不在线性方向中与顶层24扩展得一样多。由于顶层24 比底层22扩展得多，因此pzt 14向下弯曲并且当从顶部观察时呈现略微 凸起的形状。线性冲程长度方面的合成损失在该图中被示出为δ1。
16.图4b示出了当通过在其上施加驱动电压来致动pzt时的图4a的pzt 微致动器14。由于pzt的底层22通过被结合到它安装于其上的悬架18而 部分地受到约束，因此底层22并不在线性方向中与顶层24收缩得一样多。 由于顶层24比底层22收缩地多，因此pzt 14向上弯曲并且当从顶部观察 时呈现略微凹入的形状。线性冲程长度方面的合成损失在该图中被示出为 δ2。
17.因此，尽管在需要致动时pzt纯线性地扩展和收缩，但在常规安装中， pzt经历了
或向上或向下弯曲，这导致冲程长度损失。
18.图5是用于由于pzt的弯曲所导致的增加或损失的有效线性冲程的大 小的图表和相关公式。当梁如图4a中所示向上弯曲时，底部尖点在该弯曲 角度很小时将在x方向中具有正位移δ。
19.图6为针对三种不同厚度的pzt的弯曲角度的由于弯曲所导致的冲程 损失的曲线。如图中所示，对于具有1.50mm长度和45μm厚度的pzt， 当弯曲角度小于5度时，该弯曲引起正x位移δ。对于该弯曲量，也可以看 到的是，较厚梁与较薄梁相比产生更大的x位移。同样，当pzt在所施加 的电压作用下收缩时，pzt的右半部分向下弯曲，并且pzt的被结合到悬 架的底部末端将经历负x位移δ。换句话说，在pzt到悬架的常规安装中， 由于弯曲所导致的线性位移的分量δ处于与pzt的致动相反的方向中。因 此会期望减少或消除该增量，乃至消除该增量的征兆，使得最终结果是， 线性扩展或收缩的总量实际被增大。
20.本发明是一种具有一个或多个刚性抑制层或抑制元件的pzt元件，这 些抑制层或抑制元件被结合到与将pzt安装于悬架所在的侧面或表面相反 的至少一个侧面或表面，以便在致动它时，减少、消除、pzt的弯曲或改 变pzt的弯曲方向或以其它方式控制pzt的弯曲。违反直觉的结果是，即 使pzt具有添加到其上的至少名义上抑制pzt的扩展和收缩的刚性层，所 获得的有效线性冲程距离实际上也增大了。一种根据本发明的具有抑制层 的pzt可被用作硬盘驱动器悬架中的微驱动器，尽管它也可以被用在其它 应用中。
21.在一个优选实施例中，抑制层的作用是实际上改变弯曲的方向。因此， 对于在其底面上结合到悬架的pzt，抑制层的存在具有如下效果：当压电 元件由致使该压电元件扩展的电压致动时，压电元件在致使顶面变成纯凹 入形状的方向中弯曲；并且当压电元件由致使压电元件收缩的电压致动时， 压电元件在致使顶面变成纯凸起形状的方向中弯曲。该效果因此实际上增 大了扩展模式中的有效线性扩展，以及增大了收缩模式中的有效线性收缩。 抑制层的存在因此实际上增大了有效冲程长度。
22.pzt与其约束层一起可通过多种技术加以制造，这些技术包括将约束 层层压到现有pzt元件，或pzt元件和约束层中的一个可被通过增材过程 形成在另一个的顶部上。这种增材过程可包括将薄膜pzt沉积在诸如不锈 钢(sst)之类的基片上。约束层可以是不锈钢、硅、陶瓷(诸如基本上未 极化(未活化)的陶瓷材料或与构成pzt元件的陶瓷材料相同的其它陶瓷 材料)或另一种相对刚性的材料。如果抑制层是不导电的，则包括导电材 料柱的一个或多个电气通路可被穿过抑制层形成，以便将致动电压或接地 电势从微致动器的表面承载到pzt元件内侧。
23.约束层可比pzt元件大(具有更大的表面积)、与pzt元件具有相同 的尺寸或比pzt元件小(具有更小的表面积)。在优选实施例中，约束层 比pzt元件小，从而给予微致动器一个台阶状结构，其中，台阶的搁板未 被抑制层覆盖住，并且隔板处于电气连接到pzt元件的位置处。在进行电 气连接的搁板的这种结构的一个益处是，与抑制层覆盖整个pzt的情况相 比，包括该电气连接的已完成组件具有低剖面。低剖面是有利的，这是因 为它意味着更多的硬驱动盘片及其悬架可在给定的盘片堆叠高度内被堆叠 在一起，从而在盘驱动器组件的给定体积内增大了数据存储容量。
24.模拟已经示出了，根据本发明构建的微致动器呈现出了增强的冲程灵 敏度，并且也呈现出了减少的摇摆模式增益和扭力模式增益。这些在增大 头部定位控制回路带宽方
面是有利的，其转换为低数据寻道时间和低振动 易感性。
25.根据本发明，将约束层或元件添加到pzt的附加益处是，在当今的硬 盘驱动器中，悬架及其包括pzt的部件通常是非常薄的。其中pzt被安装 于安装板的在当今dsa悬架设计中使用的微致动器约150μm厚。在常平 架安装的dsa悬架设计中，pzt甚至更薄，通常少于100μm厚。pzt材 料因此是非常薄且脆弱的，并且在制造/装配过程中会容易开裂，该过程包 括制造pzt微致动器马达本身的过程以及在悬架装配过程中的自动取放操 作。所预期的是，在未来一代硬驱动器中的pzt将是75μm厚或更薄，这 将加剧该问题。所预期的是，pzt的这种薄层不仅在制造/装配过程中易于 受损，而且当该硬驱动器经历震动(即，重力)时也容易开裂或断裂。根 据本发明的附加刚性、弹性约束层为pzt提供了附加强度和弹性，从而在 制造/装配过程中以及在震动事件过程中有助于防止pzt开裂或以其它方 式发生机械故障。
26.在本发明的另一方面中，微致动器组件是一种具有多个有源pzt层的 多层pzt装置，这多个有源pzt层包括用作趋向于抵消主有源pzt层的 作用的抑制层的一个或多个有源pzt层。
27.下列想法是违反直觉的，即通过添加抵抗主pzt层的运动的一个或多 个层可增加总净冲程长度。更为违反直觉的是认为，通过增加在与主pzt 层相反的方向中有源地作用的一个或多个有源层可增加总净冲程长度。然 而，这就是本发明人已经证实的结果。
28.在另一实施例中，本发明是一种多层pzt微致动器组件，其中约束层 包括极化但无源的压电材料。发明人已经发现的是，由于使压电材料极化 改变了其尺寸，因此使多层装置的仅一层极化在该装置中引入了可使该装 置更容易开裂并且因此发生故障的拉力。因此通过不仅使最为接近悬架组 件的表面或该组件所结合的其它环境的主或有源pzt层极化，而且还使背 向该组件所结合到的环境的无源层极化，提高了该装置的可靠性。
29.下文中将参照附图进一步描述本发明的示例性实施例，其中相同的附 图标记表示相同的零件。附图可能未按比例绘制，并且出于清楚和简洁的 目的，某些部件可被以概括或示意的形式示出且由商业名称加以识别。
附图说明
30.图1是现有技术磁硬盘驱动器的俯视透视图。
31.图2是图1的盘驱动器的悬架的俯视平面图。
32.图3是现有技术pzt微致动器及图2的安装的侧视剖视图。
33.图4a是安装在根据现有技术图2的悬架中的pzt微致动器的当将电 压施加到pzt以使其扩展时的侧视剖视图。
34.图4b是安装在根据现有技术图2的悬架中的pzt微致动器的当将电 压施加到pzt以使其收缩时的侧视剖视图。
35.图5是用于由于pzt的弯曲而导致增大或损失的线性冲程的大小的示 图和相关公式。
36.图6是针对pzt的三种不同厚度的由于弯曲所导致的冲程损失对弯曲 角度的曲线。
37.图7是根据本发明的其上结合有约束层的pzt的侧视剖视图。
38.图8a是图8的pzt微致动器的当将电压施加到pzt以使其扩展时的 侧视剖视图。
39.图8b是图8的pzt微致动器的当将电压施加到pzt以使其收缩时的 侧视剖视图。
40.图9是示出了对于厚度为130μm的pzt的每单位输入电压的冲程长 度(单位为nm/v)对约束层厚度的曲线图。
41.图10是根据本发明的其上结合有约束层的pzt的侧视图。
42.图11是针对图10的pzt的冲程长度堆pzt厚度的图表，其中pzt 和抑制层的组合厚度保持恒定于130μm。
43.图12是针对针对悬架的gda冲程灵敏度对约束层厚度的图表，该悬 架具有一种带有不同厚度的不锈钢约束层的pzt。
44.图13(a)
‑
13(h)示出了一种制造过程，通过该制造过程可以生产一种根 据本发明的具有约束层的pzt。
45.图14(a)和图14(b)是根据本发明的与薄膜pzt微致动器马达组装在一 起的gsa悬架的斜视图。
46.图15为沿剖面线b
‑
b’获取的图14(b)的微致动器区域的横截面视图。
47.图16是根据模拟的针对图15的微致动器的冲程灵敏度对sst基片厚 度的曲线图。
48.图17(a)
‑
17(f)示出了根据本发明的一种用于制造具有不锈钢基片的薄 膜pzt结构的过程。
49.图18是根据本发明的具有硅基片的薄膜pzt结构的俯视平面图。
50.图19是沿剖面线a
‑
a’获取的图18的薄膜pzt结构的侧视剖视图。
51.图20是根据模拟的针对图19的微致动器的冲程灵敏度对硅基片厚度 的曲线图。
52.图21(a)
‑
21(e)示出了一种用于制造图18的薄膜pzt结构的过程。
53.图22是根据本发明的实施例的具有基片并具有侧向通路的薄膜pzt 的俯视平面图。
54.图23是沿剖面线a
‑
a’获取的图22的微致动器的剖视图。
55.图24是根据本发明的附加实施例的pzt微致动器的剖视图。
56.图25是具有一对图24的pzt微致动器的gsa悬架的斜视图。
57.图26是沿剖面线a
‑
a’获取的图25的gsa悬架的剖视图。
58.图27是根据模拟的图25的悬架的pzt频率响应函数的曲线图。
59.图28(a)
‑
28(j)示出了一种用于制造图24的pzt微致动器组件的示例 性过程。
60.图29是根据本发明的附加实施例的多层pzt微致动器组件的侧视剖 视图，其中pzt是多层pzt。
61.图30是根据本发明的附加实施例的多层pzt微致动器组件的侧视剖 视图，其中额外的厚电极用作抑制层。
62.图31是一种实施例的横截面视图，其中，微致动器组件的抑制层包括 倾向于沿与主有源pzt层相反的方向中起作用的一个或多个有源pzt层。
63.图32示出了图31的微致动器组件的极化，其包括多层有源pzt材料 的合成极化方向。
64.图33是图31的微致动器组件的分解视图，其从概念上示出了电气连 接。
65.图34是一种示出了用于多种结构的根据模拟具有一个或多个有源抑制 层的微致
动器的冲程灵敏度(单位nm/v)的曲线图。
66.图35是另一实施例的横截面视图，其中，微致动器组件包括多个有源 pzt层，并且在概念上示出了极化过程和合成极化方向。
67.图36是根据另一实施例的多层pzt微致动器组件的侧视剖视图，其 中，pzt是一种共同极化的多层pzt，并且其中顶层比底层厚。
68.图37是图36的pzt微致动器组件的侧视剖视图，其示出了被安装在 悬架内的组件。
69.图38是根据另一实施例的多层pzt微致动器组件的侧视剖视图，其 中pzt是一种具有三个单独极的多层pzt，并且pzt被反向极化。
70.图39是图38的pzt微致动器组件的侧视剖视图，其示出了被安装在 悬架内的组件。
71.图40是示出了根据模拟的作为pzt顶层的厚度的函数的图37和图39 的pzt微致动器组件的冲程灵敏度与标准单层pzt的冲程灵敏度相比的曲 线图。
72.图41是图36的pzt微致动器组件的侧视剖视图，其示出了根据替代 组装方法被安装在悬架内的组件。
73.图42是根据另一实施例的具有极化但无源约束层的pzt微致动器的 侧视剖视图。
74.图43是图42的pzt微致动器组件的侧视剖视图，其示出了被安装在 悬架内的组件。
具体实施方式
75.图7是根据本发明的一个实施例的其上结合有约束层130的pzt微致 动器组件114的侧视剖视图。在与图中所示的取向一致的情况下，pzt的 被结合于悬架的侧面将被称为pzt 114的底侧129，并且pzt的远离pzt 被结合于悬架的侧面的侧面将被称为顶侧127。根据本发明，一个或多个约 束层或约束元件130被结合于微致动器pzt元件120的顶侧127。约束层 130优选地包括刚性且弹性材料，例如不锈钢，并且优选地被直接结合于 pzt元件120的包括其顶电极126的顶面127，或sst材料可本身用作顶 电极，因此无需单独地使顶面金属化。约束层130是足够刚性的，以便在 被致动时明显地减少、消除乃至反转pzt的弯曲。sst层130优选地具有 由金或其它接触金属构成的层131，以便确保与sst的良好电气连接。
76.作为选择，除了约束层130是不锈钢之外，该约束层可以是陶瓷，例 如由与形成压电层120的陶瓷材料相同的陶瓷材料形成的未活化(未接入 或未极化)层，并且可通过结合或通过沉积而被集成到该组件中。陶瓷材 料是未极化的意味着与限定压电层120的极化陶瓷相比，它呈现出基本较 少的压电行为，例如少于10％的压电行为。限定自下而上包括电极/极化 pzt/电极/未极化pzt的叠堆的这种组件与由电极/pzt/电极/sst构成的叠 堆相比可能是更容易制造的。
77.在接下来的讨论中，为了简化讨论，顶电极126和底电极128有时被 从图中以及从讨论中省略掉，需要明白的是，pzt微致动器将几乎总是具 有至少一些类型的顶电极和底电极。
78.在施加金层131之前，可将一层铜或镍沉积到sst层130上，以便增 大金与sst的附着力，如在授予schreiber等人的美国专利no.8,395,866 中所讨论的那样，该专利为本申
请的受让人所拥有并且在此通过引用并入 本文，用于给出其将其它金属电镀到不锈钢上的教导。同样，电极126、128 可包括镍和/或铬以及金(nicr/au)的组合。
79.124
‑
167(图5)。在根据模拟的一个说明性实施例中，多个层的厚度为：
80.130
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pzt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3μm
81.126、128、131
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
nicr/au
ꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5μm
82.薄膜pzt具有1.20mm的长度，pzt结合在两端具有0.15mm的宽度， 并且压电系数d31为250μm/v。在一些实施例中，sst层可以是至少12 微米厚，以提供适当的支撑。
83.在上述示例中，dsa悬架根据模拟呈现出26.1nm/v的冲程灵敏度。 相比之下，具有相同几何形状的45μm厚的大体积pzt(d31＝320μm/v) 会通常仅呈现出7.2nm/v的冲程敏感度。
84.sst层与pzt层的厚度比可高达1:1、乃至1.25:1、乃至更高。当约束 层与pzt的厚度比达到约为1:25时，由于约束层所导致的冲程灵敏度改进 会开始为负值，从而表明了pzt约束层的厚度限制。
85.图8a是当将电压施加到pzt以使其扩展时，图7的pzt微致动器114 的侧视剖视图。pzt冲程包括两个向量，一个是纯扩展冲程δe，另一个是 由于约束层致使pzt的右侧末端向上弯曲而非向下弯曲(如在没有抑制层 的情况一所出现的情况)所导致的扩展作用δ1。总冲程长度为δe+δ1。因 此，在扩展模式下，pzt在被从顶部观察时呈现略为凹入的形状，即pzt 顶面呈现略凹形状，其处于与图4的现有技术pzt的弯曲相反的弯曲方向 中。根据本发明的弯曲因此增大了有效冲程长度，而非减少它。
86.图8b是当将电压施加到pzt 114以使其收缩时，图7的pzt微致动 器的侧视剖视图。pzt冲程包括两个向量，一个是纯收缩冲程
‑
|δc|，另一个 是由于约束层致使pzt的右侧末端向下弯曲而非向上弯曲(如在没有抑制 层的情况下会出现的情况)所导致的收缩作用δ2。总冲程长度为
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[δc+δ2]。 因此，在收缩模式下，pzt当被从顶部观察时呈现略为凸起的形状，即pzt 顶面呈现略凸形状，其处于与图4的现有技术pzt的弯曲相反的弯曲方向 中。根据本发明的弯曲因此可增大有效冲程长度，而非减少它。
[0087]
将约束层130添加到pzt微致动器114对于其它未经抑制且未结合的 pzt 114的冲程长度没有增值影响(appreciate affect)。然而，当将那个pzt114在其底端结合于悬架18(如图4中所示)时，约束层的作用实际上略 微增大了冲程长度。不锈钢具有约190
‑
210gpa的杨氏模量。优选地，用 于约束层的材料具有大于50gpa的杨氏模量，并且更为优选地大于100 gpa的杨氏模量，且还要更为优选地大于150gpa的杨氏模量。
[0088]
图9是根据模拟的针对130μm厚且其上结合有不锈钢的约束层130的 pzt 114的每单位输入电压的冲程长度(单位为nm/v)对约束层厚度的曲 线图。在pzt顶面上添加20μm、40μm和60μm厚的sst抑制层均导致 总冲程长度增大。添加约束层因此实际上增大了总冲程长度。
[0089]
人们也可以将pzt和约束层的总组合厚度保持恒定，并且确定用于约 束层的最佳厚度。图10是组合的pzt和根据本发明结合于其上的约束层 的侧视图，其中，总厚度保持恒定于130μm。图11是针对图10的pzt的 冲程长度对pzt厚度的曲线图，其中，pzt和抑制层的组合厚度被保持恒 定于130μm。在没有约束层的情况下，130μm厚的pzt具有约14.5nm/v 的冲程长度。在约束层130的厚度为65μm以及pzt厚度为65μm的情况 下，pzt具有约20nm/v的
粘剂161附接于不锈钢的安装区域156。通过从镀金铜接触垫158延伸到 pzt微致动器114的顶面并且在该情况下更具体地延伸到构成微致动器的 顶电极的sst层130的导电胶粘剂160的点进行驱动电压电气连接。
[0096]
sst基片厚度可在一定程度上变化，而并不损害所公开的薄膜pzt结 构的利益。图16是根据模拟的针对图15的微致动器的冲程灵敏度对sst 约束层厚度的图表。根据模拟，具有40μm厚的sst约束层的薄膜pzt呈 现出20nm/v的冲程敏感度，这几乎是上述45μm厚的大体积pzt的冲程 敏感度的3倍。然而，45μm厚的sst约束层会为薄膜pzt微致动器提供 更好的保护。
[0097]
图17(a)
‑
17(f)示出了用于制造根据本发明的具有sst约束层的薄膜 pzt结构的替代过程。在图17(a)中，该过程始于硅基片144而非图17(b) 中的基片140和带142。在图17(b)中，将sst层130结合于硅。该过程另 外以与图13(c)
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13(h)的过程基本相同的方式进行，包括在图17(e)中翻转 该组件以及移除硅基片。此外，这些附图明确地示出了最中nicr/au层131 的添加，其在图13(e)中并未予以明确地示出。
[0098]
如上所述，不同类型的约束层可在不同的实施方案中使用。其它刚性 材料(或导电的或不导电的)也可被用作约束层或基片。例如，硅可被用 作约束层材料。图18是根据本发明的实施例的具有硅约束层的薄膜pzt 结构的俯视平面图。图19是沿剖面线a
‑
a’获取的图18的微致动器的横截 面视图。由于硅约束层230是不导电的，因此提供了通路232以将pzt驱 动电压从导电顶层234(例如覆金硅230)贯穿引导到pzt元件120上的 金属化电极126。该通路可被形成并填充有导电金属，如在授予schreiber 等人的美国专利no.7,781,679中所公开的那样，该专利由本发明的受让人 所拥有并且被通过引用并入本文用于给出其关于导电通路及形成导电通路 的方法的教导。
[0099]
图20是根据模拟的针对图19的微致动器的冲程灵敏度对硅基片厚度 的曲线图。如该曲线图中所示，具有3μm厚度的薄膜pzt和20μm厚的 硅基片可呈现出31.5nm/v的冲程灵敏度。这是具有45μm厚的大体积pzt 的设计的冲程灵敏度的不止4倍。硅基片还有助于提高薄膜pzt的可靠性。
[0100]
图21(a)
‑
21(e)示出了一种用于制造图18的薄膜pzt结构的过程。该 过程在图21(a)和图21(b)中始于硅基片，该硅基片具有已经被例如通过激 光钻孔在其中形成的孔或通路232。在图21(c)中，将nicr/au层添加到硅 基片230以形成顶电极126。nicr/au也填充该孔，以使其成为电气通路232。 更为通常地，可将其它导电材料用于填充该通路。在图21(d)中，pzt薄膜 120被例如通过溶胶
‑
凝胶法沉积，并且添加另一层nicr/au以形成底电极 128。在图21(e)中，该材料被翻转，并添加最终nicr/au层131。层131 和126被通过通路232电气连接，使得被施加到导电金层131的电压(或 地电位)将被传输到pzt元件126。用于具有硅基片的薄膜pzt微致动器 的该制造过程与用于具有sst基片的薄膜pzt的制造过程相比可能是较为 简单的。
[0101]
在替代实施例中，硅基片上的中间通路可被在硅的末端处的一个或多 个通路所代替。因此，在最终切割之后，将在硅的每一端处形成一个半圆。 图22是薄膜pzt微致动器的俯视平面图，该薄膜pzt微致动器具有其上 带有诸如金属化层之类的导电顶层231之类的硅或其它不导电的约束层 330，并具有将顶层231电气连接到顶电极126的侧向通路234、236。图 23是沿剖面线a
‑
a’获取的图22的pzt的剖视图。用于该实施例的制造过 程可另外
与图21(a)
‑
21(e)的制造过程相同。
[0102]
约束层可比pzt单元大(具有更大的表面积)，与pzt元件具有相同 的尺寸，或者可比pzt元件小(具有更小的表面积)。图24是pzt微致动 器组件414的侧视剖视图，其中，约束层430小于pzt元件420，从而为 微致动器基于一种台阶状结构，该结构具有台阶434和未被抑制层430覆 盖住的裸露搁板422，并且搁板422是电气连接到pzt元件420的地方。 包括进行电气连接的台阶的这种结构的一个益处是，与抑制层430覆盖整 个pzt 420的情况相比，包括该电气连接的完成组件具有较低的轮廓。低 轮廓是有利的，这是因为它意味着更多的硬驱动盘片及其悬架可在给定的 盘片堆叠高度中堆叠在一起，从而在盘驱动器组件的给定体积内增大了数 据存储容量。所预计到的是，约束层430会覆盖超过pzt元件420的顶面 的50％，但小于95％，以便适应搁板422上的电气连接。
[0103]
模拟已经表明，根据本发明所构建的微致动器呈现出了增强的冲程灵 敏度，也呈现出了减少的摇摆模式增益和扭力模式增益。这些在增大头部 定位控制回路带宽的方面是有利的，其转换为低数据寻道时间和低振动易 感性。
[0104]
图25是具有一对图24的pzt微致动器414的gsa悬架的斜视图。
[0105]
图26是沿剖面线a
‑
a’获取的图25的gsa悬架的剖视图。在该实施例 中，诸如导电环氧树脂之类的导电胶粘剂460并不在抑制层430上延伸。 相反，导电环氧树脂460延伸到位于pzt元件420的顶部上的搁板422上， 并通过该表面建立了与pzt 420以及与整个微致动器组件414的电气连接。 如所描绘的那样，由导电环氧树脂460限定的电气连接具有与sst抑制层 430的顶面相比较低的最高范围。更为通常地，无论是否通过导电胶粘剂进 行电气连接，被例如通过超声波热焊、软焊或其它技术而将电气连接461 结合于微致动器组件414的电线可不高于，乃至低于微致动器414的最高 范围。这允许包括其电气连接的微致动器组件414是尽可能薄的，这进而 允许在盘驱动器组件的盘片叠堆内存在更为密集的数据存储盘片。
[0106]
图中还明确地示出了在安装有微致动器414的迹线常平架的不锈钢部 分154上的金层469。金层469为sst提供了耐蚀性和增强的导电性。
[0107]
在本实施例中，与所有其它实施例一样，约束层及更为通常地pzt微 致动器组件的顶面将通常除了电气连接之外不具有结合到其上的任何事 物。
[0108]
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的曲 线图。与没有约束层430的模拟相比，悬架呈现出了减少的摇摆模式增益 和扭力模式增益。这些在增大头部定位控制回路带宽的方面是有利的，其 转换为低数据寻道时间和低振动易感性。
[0109]
图28(a)
‑
28(j)示出了一种用于制造图24的薄膜pzt组件114的过程。 在图28(a)中，大体积pzt晶片420被放置到传输带422上。在图28(b) 中，顶电极层426被例如通过溅射和/或电沉积而形成。在图28(c)中，掩 膜436被放置在顶电极426的多个部分上。在图28(d)中，施加了导电环氧 树脂432。在图28(e)中，将即将作为约束层430的不锈钢层施加到环氧树 脂，然后使环氧树脂固化。在图28(f)中，移除掩膜436。在图28(g)中， 将该组件翻转并向下放置到第二传输带443上。在图28(h)中，例如通过溅 射和/或电沉积形成底电极层428。然后，使pzt元件420极化。在图28(i) 中，随后将该组件再次翻转到第三传输带444上。在图28(j)中，通过切割 使该组件单一化，以便产生精加工的pzt微致动器组件414。
[0110]
图29是根据本发明的附加实施例的多层pzt组件514的侧视剖视图。 该组件包括
多层pzt元件520、环绕在该装置周围的第一电极526、第二 电极528以及通过导电环氧树脂532结合到pzt元件520的约束层530。 该图示出了一种2层pzt装置。更为通常地，该装置可以是n层pzt装置。
[0111]
图30是根据本发明的附加实施例的多层pzt微致动器组件614的侧 视剖视图，其中，额外的厚电极用作抑制层。在该实施例中，pzt元件620 具有顶电极626和底电极628。顶电极626包括限定搁板的较薄的第一部分 622以及执行大部分抑制功能的较厚的第二部分630。台阶634位于从较薄 的第一部分622到较厚的第二部分630的过渡部。第二电极626可被通过 包括掩饰处理的沉积过程施加于pzt元件620，以形成台阶634，或通过 沉积过程，选择性地移除材料以形成该台阶。作为选择，第二电极626可 以是一片导电材料，例如单独地形成并且随后被结合到pzt元件620的 sst。因此，顶电极626可以由与底电极628相同的材料或与底电极628 不同的材料构成。较厚的第二部分630可以比较薄部分622和/或第二电极 628厚至少50％，或较厚的第二部分630可以是较薄部分622和/或第二电 极628的至少两倍。与图24
‑
26的实施例一样，可进行到由较薄部分622 所限定的搁板的电气连接，其中，该电气连接并未延伸与限定该抑制层的 较厚部分630的顶面一样高或高于该顶面。
[0112]
本发明的范围并不限于所示出的精确实施例。在接受本文的教导之后， 变化对于本领域技术人员来说是明显的。例如，抑制层无需是不锈钢的， 而是可以是其它一些相对刚性且弹性的材料。抑制层无需是单一层的一种 材料，而是可以由不同层的不同材料组成。尽管抑制层可覆盖整个表面或 基本覆盖整个顶面，但该抑制层可覆盖小于整个表面，例如顶表面积的90％ 以上、顶表面积的75％以上、顶表面积的50％以上、乃至顶表面积的25％ 以上。在具有步骤特征的实施例中，抑制层被预想覆盖微致动器的顶面的 不到95％。约束层无需是单一集成层，而是可包括多个部件，例如并排布 置在pzt的顶面上的多个约束条，这些条在扩展/收缩的方向中或与该方向 垂直地延伸。在一个实施例中，约束层可包括被结合到pzt的顶面上的由 不锈钢或其它材料构成的两个约束部件，这两个约束部件的尺寸和位置及 其结合通常使两个安装搁板的安装区域成镜像，pzt在其底面上被结合到 该安装区域。当由抑制层在装置的顶部增大的整体硬度与通过被结合到悬 架而增加到装置的底部的整体刚度大致匹配并且结合区域大致彼此成镜像 时，所产生的纯弯曲应该为零或接近于零。该结果将是一种如在悬架中安 装和布设的那样，在致动时实际上并不呈现出弯曲的pzt微致动器。
[0113]
在本文讨论或由此建议的任一和所有实施例中，可对约束层进行选择， 以减少会在致动过程中另外发生的pzt弯曲，或可对它进行选择以尽可能 多地消除任何pzt弯曲，或可对它进行选择以消除pzt弯曲的征兆。在将 pzt用作硬盘驱动器微致动器的应用中，所设想到的是，如在上述说明性 示例中所示及所描述的那样，使用约束层以消除弯曲的征兆在大多数的情 况下都将是合乎需要的，这是因为这增大了有效冲程长度。然而，在pzt 的其它应用中，可能并不需要消除征兆。因此，无论如何将pzt安装或以 其它方式粘附于任何具体应用中的其它部件，本发明都通常可被用于控制 pzt的弯曲的方向和大小。根据所选择的应用和参数，约束层可被用于将 pzt弯曲减少到小于它另外会发生的50％，或小于它另外会发生的25％， 或者消除该弯曲的征兆。当消除该征兆时，被于或接近其端部结合在其底 面上并且在顶部上具有抑制层的pzt将弯曲，使得其顶面在pzt处于扩展 或延伸模式中时呈现凹入形状，而非呈现如不具有抑制层的类似pzt那样 呈现凸起形状。同样，当pzt处
于收缩模式中时，pzt将呈现凸起形状， 而非如不具有抑制层的类似pzt那样呈现凹入形状。
[0114]
出于多种原因，pzt元件有时在应用中被预加应力，使得当pzt未被 任何电压致动时，它已经在一个方向或另一方向中弯曲，即，它已经是凹 入的或凸起的。当然，这种预加应力的pzt可在本发明中被用作微致动器。 在这种情况下，pzt可能并不弯曲成一种纯或绝对凹入的形状或一种纯或 绝对凸起的形状。例如，如果pzt被预加应力，使得它已经具有凹入形状， 则在利用正致动电压致动时，该装置可能弯曲成更为凹入的形状，并且在 利用负致动电压致动时，该装置可能弯曲成更小的凹入形状，这可能是标 称的平坦形状或它可能是凸入形状。除非对此特别地予以描述，术语“凹 入”和“凸起”应该被理解为是相对术语，而非绝对术语。
[0115]
图31是多层微致动器pzt组件3100的实施例的横截面视图，其中， 微致动器组件的抑制层包括趋向于在与主有源pzt层3120相反的方向中 起作用的一个或多个有源pzt层3130、3140，该主有源pzt层3120邻近 于悬架的其上结合有微致动器3100的表面。pzt抑制层3130、3140由此 约束和有源地对抗主pzt层3120的作用，并且因此可被称为“约束层
”ꢀ
或“反作用(opposing)层”。
[0116]
pzt层3120、3130和3140被布置为彼此成堆叠的平面关系。主pzt 层3120包括有源pzt区域3121，该有源pzt区域3121在极化过程中受 到电场的影响并且因此被极化，并且在装置致动过程中受到电场的影响并 且因此扩展或收缩，并且主pzt层3120也包括无源pzt区域3122和3123， 这些无源pzt区域3122和3123在极化或致动过程中并未受到有效电场的 影响并且因此并不是明显压电有源的。该装置包括：第一或底电极3124； 用于有源pzt区域的第二和顶电极3126；第三电极3132，其包括端部3128， 使得电极3132在第一有源约束层3130和第二有源约束层3140之间延伸并 环绕在pzt的该端部周围；以及位于第二有源约束层3140上的第四电极 3142，该第四电极3142包括环绕在该装置的侧面和底部的环绕部分3143。 该装置可被利用诸如导电环氧树脂3160之类的导电胶粘剂以及利用导电环 氧树脂3162结合于该悬架，该导电环氧树脂3160将电极3142机械地且电 气地结合于提供微致动器驱动电压的驱动电压电接触垫158，该导电环氧树 脂3162将该装置的电极3124和3128机械地且电气地结合于该悬架的接地 部分154。
[0117]
为了理解该装置的操作，人们必须明白该装置如何已被极化。图32示 出了图31的该装置的极化，其包括多层有源pzt材料的合成极化方向。 施加了三个电压：被施加到电极3124的正电压(vp+)；被施加到电极3128 的负电压(vp
‑
)；以及被施加到电极3142的接地。图中的箭头示出了用于 有源pzt层3120、3130和3140的合成极化方向。
[0118]
返回图31，该图示出了该装置3100在该说明性实施例中是如何被连接 的。导电环氧树脂3162桥接并且因此使电极3124和3132电气成组(gang)， 从而本质上在极化过程中采用了3极装置并在操作中将其改变为2极装置。 可通过除了导电环氧树脂3162之外的用于进行电气连接的其它众所周知的 方式来实现电极的成组，但使用与用于将该装置结合到悬架组件相同的导 电环氧树脂3162实现了成组功能，而无需单独的成组步骤。
[0119]
当将电压施加到电极3142(这由于有源区域3121的扩展而导致主pzt 层3120在如图中所见的x方向中(从左到右)扩展)时，有源pzt约束 层3130和3140将在x方向中收缩。也就是说，这两个约束层3130、3140 倾向于抵消主pzt层3120的作用或者在与主pzt层3120相
反的方向中起 作用。
[0120]
更详细地解释，当该装置被如图32中所示极化并且该装置被如图31 中所示电气连接时，该装置操作如下。施加于电接触垫158和电极3142的 正装置致动电压在将电极3124接地的情况下引起下列反应。被施加到主 pzt层3120的致动电压是与极化过程中的极性相反的。主pzt层3120因 此在z方向中收缩并且由此在x方向中扩展。同时，致动电压与在极化过 程中被施加到两个约束层3130、3140的电压具有相同的极性。那些pzt 层因此在z方向中扩展并且由此在x方向中收缩。这两个约束层3130、3140 因此趋向于收缩，而主pzt层3120趋向于在相关方向中扩展。
[0121]
在与主pzt层相反的方向中起作用的约束层的效应类似于早前关于无 源约束层(例如图10中的约束层130以及在上文中讨论的其它实施例中的 类似抑制层230、330、430、530和630)所描述的那样。有源pzt抑制层 的作用减少了由于主pzt层及其到悬架的安装(粘合)而会另外发生的弯 曲，并且可甚至消除该弯曲的征兆，从而在这两种情况下都增大了由所安 装的微致动器所引起的纯位移。
[0122]
图33是图31的微致动器组件的分解视图，其在概念上示出了该电气 连接。图31和图32中不可见但在图33中可见的可选特征包括位于电极 3132上的图案结构3133以及与电极3142相关联的减压器3144，其功能在 下文中予以描述。
[0123]
出于以下多种原因需要更薄的微致动器组件，原因包括：(1)悬架上 的更少质量，特别是在基于常平架的dsa悬架(其有时被称为gsa悬架) 中位于常平架处或其附近的更少质量，这进而意味着以重力测量的更大的 剥离力(lift
‑
off force)，即，更大的抗震性；(2)减少的游隙(windage)； (3)头堆叠组件内的更大的堆叠密度，其意味着可将更多的数据存储在相 同的盘驱动器堆叠组件空间体积中。因此，使pzt约束层非常薄会是合乎 需要的。然而，pzt约束层越薄，在操作中越过那些层的电场强度就越高， 并且因此就越容易在操作过程中由于电场强度过高而导致将它们去极性。 因此，主pzt层和约束pzt层在标称上应该具有相同的厚度。
[0124]
一种用以使约束pzt层更薄而不使其受到去极化的影响的解决方案是 使用多种可能方式中的一种或多种来降低越过约束层的电场强度，而并不 显著地减少越过主pzt层的电场。用于实现该目的的第一方式是例如通过 在电极3132增加孔3133或增加其它电气空隙而将与有源pzt约束层中的 一个可操作地相关联但并不与主pzt层操作性地相关联的电极中的一个或 多个图案化。该图案结构也可呈网格图案(例如由平行或交叉导体构成的 其间带有电气空隙的网格)的形式。通过减少平面电极3132内的电导体的 面积百分比，有效地减少了越过约束层3130和3140的电场强度，而并不 降低越过主pzt层3120的电场强度。
[0125]
第二解决方案是增大约束层的矫顽(coercive)电场强度，使得约束层 对去极化更具有抗力。矫顽电场强度或当涉及压电材料时简称为“矫顽力
”ꢀ
是需要多大的电场强度以使压电材料去极化的一种量度。使约束层3130、 3140具有比主pzt层3120更高的矫顽力允许那些约束层被制成得更薄， 而不存在在受到与主pzt层相同的致动电压时去极化的风险。通过使用不 同或略微不同的压电材料或通过其它处理，可将约束层3130、3140制成为 具有更高的矫顽力，可能地以d31冲程强度或其它所需特性的某些损失为 代价。
[0126]
另一解决方案是通过使用诸如分压器电阻网络、二极管、调压器或本 领域技术人
员将会想到的多种功能类似的装置中的任一种之类的某一种减 压器，减少被施加到与约束层相关联的受驱电极的有效电压。在该视图中， 通用减压器3144降低了由电极3142接收到的电压，从而降低了由约束层 3140但并未由主pzt层3120所经历的电场强度。分压器可被整体地形成 并因此例如通过施加金属化而被设置在相邻的压电层之间，该金属化以在 pzt材料的表面上形成分压器电阻网络的方式形成电极层。一种简单的电 阻式分压器会需要可在同一层上获得的接地。对于这种装置的设计者来说 是明显的许多结构都是可能的。
[0127]
图案结构3133和减压器3144都降低了越过约束层3140的电场强度， 从而允许约束层3140被制成得更薄，而在操作过程中并未使它不可接受地 受到去极化的影响。可以使用电极图案结构和/或减压器和/或用于降低越过 约束层3130和/或3140的电场强度的某些其它方式。图案结构3133与电 极3132整体地形成，并因此与微致动器组件整体地形成并被集成到该微致 动器组件中。用于电极中的一个的减压器可与该组件整体地形成并且被集 成到该组件中，或可能地被设置在该组件的外部，只要相关联的电极具有 其自身的电气导线并且并未与其它电极成组即可。
[0128]
上文中讨论的所有三种解决方案都可被应用于具有单个有源约束层、 如图31
‑
33中所示的两个有源约束层或更通常地如图35中所示的n个有源 抑制层的压电微致动器。
[0129]
图34是示出了针对三种不同结构的根据用于多种约束层结构(clc) 的模拟的具有一个或多个有源抑制层的微致动器的冲程敏感度(单位 nm/v)的图表，这些clc具有45μm厚的主pzt层，而并没有用以降低 电场强度的任何图案结构3133或减压器3144：
[0130]
a)一个无源抑制层(“无源clc”，菱形数据点)；
[0131]
b)一个有源抑制层(“单层”，方形数据点)；以及
[0132]
c)两个有源抑制层(“双层”，三角形数据点)。
[0133]
数据表明，至少对于所研究的参数，一种具有在与主pzt层相反的方 向中起作用的一个有源抑制层的pzt微致动器与其中抑制层是无源材料的 一个相比总是产生更高的冲程灵敏度。使用用作抑制层(即，在与主pzt 层相反的方向中起作用)的多个有源pzt薄层实现了最高冲程灵敏度。具 体地，使用均为5μm厚或为主pzt层的厚度的约11％的两个抑制层实现 了最高冲程灵敏度。因此，约束层优选地小于主pzt层的厚度的50％或更 为优选地小于主pzt层的厚度的20％或还要更为优选地处于主pzt层的厚 度的5
‑
15％的范围内。
[0134]
对于两个有源抑制层，随着抑制层的厚度的增加，冲程敏感度显著降 低，对于每个均为约5μm厚的两个有源约束层的情况，获得了最高冲程灵 敏度。因此，微致动器优选地具有组合厚度小于主pzt层的厚度的两个或 更多个抑制层，并且更为优选地，其组合厚度小于主pzt层的厚度的50％， 并且还要更为优选地，每个约束层小于主pzt层的厚度的一半，并且还要 更优选地，每个约束层仍小于主pzt层厚度的20％，并且更优选地每个约 束层均处于主pzt层的厚度的5
‑
15％的范围内。
[0135]
对于具有单个有源抑制层的微致动器组件，随着抑制层厚度增加，冲 程灵敏度的损失几乎不像两个有源抑制层的情况那样显著。对于单个有源 抑制层，局部最大值出现在约10μm厚处。因此，对于具有单个有源抑制 层的微致动器组件，该层的厚度优选地处于主pzt层的厚度的10
‑
40％的范 围中，并且优选地处于主pzt层的厚度的约10
‑
20％的范围中。
[0136]
图35是另一实施例的横截面视图，其中微致动器组件包括多个有源 pzt层，并且该图在概念上示出了极化过程以及合成极化方向。当将图35 的装置利用被通过导电环氧
树脂成组的电极3524和3528而电气地以及机 械地结合于悬架时，结果是一个主有源pzt层和三个用作抑制层的有源 pzt层，因为它们趋向于在与主有源pzt层相反的方向中起作用。也就是 说，在顶部三个pzt层收缩时，底部pzt层扩展，反之亦然。
[0137]
微致动器组件的结构可以被容易地从一种具有如图31
‑
33中所示的一 个有源主pzt层和两个有源pzt抑制层以及如图35中所示的一个有源主 pzt层和3个有源pzt抑制层的装置延伸到任意数量的有源主层和有源抑 制层。可通过包括电极图案结构和/或减压器的多种方式来降低越过约束层 中的一个或多个的电场强度。实验将揭示用于不同应用的最佳数量的约束 层和最佳厚度。
[0138]
通过使用多层pzt装置，也可实现约束层对pzt的用以增强其冲程强 度的影响，在该多层pzt装置中，顶部pzt层响应于驱动电压以与底层不 同的方式起作用，并且因此用作约束层，例如在图36
‑
39的实施例中那样。
[0139]
图36是根据另一实施例的多层pzt微致动器组件714的侧视剖视图， 其中组件714是具有多个压电层的多层pzt装置。该装置被共同极化，这 意味着被施加到该装置的电压致使这两个装置扩展或致使这两者收缩。顶 压电层730被附连在底压电层720上，该是底压电层720是与该组件以堆 叠的方式结合于其上的悬架表面最为接近的层。顶压电层730比底压电层 720厚。该图示出了该装置的结构以及在极化过程中所施加的电压。该极化 方法使用了被施加到第一电极726的正电压(vp+)以及利用在相反方向 上取向的极化电场施加到电极728的接地(gnd)，并且这两个电极在顶电 极和底电极中的每一个上都通过不导电区域的带或间隙(例如金属化中的 间隙)彼此电气绝缘。这是被用于多层pzt极化的当前最为常用的方法。 该多层pzt 714被称为被“共同极化”。
[0140]
图37是图36的pzt微致动器组件714的侧视剖视图，其示出了该组 件可能如何被电气地以及机械地结合到悬架的示例。在该图中，包括其电 路的悬架与图26所示的相同，尽管该实施例的结合仅使用了导电环氧树脂 460和162，而并未使用不导电环氧树脂。在操作中，当越过电极726/728 施加致动电压时，两个压电层720、730在纵向方向上扩展，或者两者根据 所施加的致动电压的极性在纵向方向上收缩。
[0141]
由于顶pzt层730比底pzt层720厚，因此当越过这两层施加相同的 致动电压时，顶pzt层730越过其经历较小的电场，并且因此顶层并不与 底层一样多地扩展(或收缩)。由于这两个压电层之间的扩展的差异导致该 顶压电层因此用作约束层。净效应可能是，与不存在顶压电层的情况相比， 增大了该装置的有效冲程长度。
[0142]
图41是图36的pzt微致动器的侧视剖视图，其示出了被安装在悬架 内的组件，这次使用了与图26中所示的相同的结合技术。
[0143]
图38是根据另一实施例的多层pzt微致动器组件814的侧视剖视图， 其中，pzt是多层pzt，并且顶pzt层830是一种趋向于在与将被称为主 pzt层820的底pzt层820相反的方向中扩展的有源层。组件814具有三 个单独的电极826/827/828并且在极化过程中具有相应的极性。该装置被称 为被反向极化。该图示出了该装置的结构以及在极化过程中所施加的电压。 该极化方法使用三个单独的电极826/827/828以及三个不同电压：被施加到 底电极827的vp+、被施加到顶电极826的vp
‑
以及被施加到中间或共用 电极828的gnd。
[0144]
在操作中，在将相同的电压施加于顶电极和底电极，同时将接地施加 到共用中心电极的情况下，顶pzt层830或抑制层在纵向方向中扩展(或 根据所施加的致动电压的极性
在纵向方向中收缩)，而位于底部上的主pzt 层820在纵向方向中收缩(或在纵向方向中扩展)，反之亦然。也就是说， pzt层820和830在相反方向中起作用或趋向于在相反方向中起作用，顶 压电层的作用至少部分地抵消了底压电层的作用。因此，该pzt被称为被
ꢀ“
反向极化”。
[0145]
图39是图38的pzt微致动器组件814的侧视剖视图，其示出了该组 件可能如何被电气地以及机械地结合到悬架的示例。在右手侧上施加导电 胶粘剂162以桥接不导电带或间隙829，由此将接地施加到顶电极826和底 电极827。在操作中，当越过顶电极和底电极施加致动电压时，顶pzt层 830扩展而底层820收缩(反之亦然)。顶pzt层由此在与底pzt层相反 的方向中起作用。顶pzt层由此并不仅仅用作无源抑制层，而且用作一种 在与底层相反的方向中有源地推动或拉伸的有源层。
[0146]
图40是示出了作为顶pzt层的厚度的函数、与基准装置的冲程灵敏 度对比的图37和图39的pzt微致动器组件的冲程灵敏度的曲线图，对于 该曲线图上的所有迹线，底pzt层的厚度为45μm。基准装置(由虚线迹 线表示)是45μm厚的标准单层pzt。该基准装置呈现出9.0nm/v的冲程 灵敏度。数据是根据建模模拟得出的。
[0147]
如可从曲线图可所见，对于具有反向极化的图39的3极构造，数据由 三角形数据点表示，与基准装置相比，被反向极化的定pzt层830的存在 显著增大了冲程灵敏度。例如，当顶pzt层为15μm厚时，悬架冲程灵敏 度为24.5nm/v，其表示与9.0nm/v的基准相比的172％的增量。对于该装 置，具有约10
‑
15μm厚或为底pzt层的厚度的约22
‑
33％的薄顶约束层的 反向极化构造导致了最高的冲程敏感度。冲程灵敏度通常随着顶pzt层的 厚度的增加而降低。具有薄反向极化约束层的图39的3极构造因此通常是 最有效且合乎要求的构造。所预料到的是，顶pzt层优选地为底pzt层的 厚度的5
‑
50％，并且更为优选地为底pzt层的厚度的约10
‑
40％，并且还要 更为优选地为底pzt层的厚度的约20
‑
35％。
[0148]
如可进一步所见，其中顶层为无源pzt材料、数据由方形数据点表示 的构造产生了下一个最佳冲程灵敏度。顶层可通过不使其极化和/或通过布 置电极而被制成为是无源的，使得当致动整个微致动器装置时，顶层并不 受到电场的影响。那些中的任一个都可被通过切断电极726来实现，使得 该电极并不环绕在该装置714的顶部，并且因此并未致动clc部分730。 该构造的冲程灵敏度高于图36
‑
37的共同极化构造，但小于图38
‑
39的反向 极化构造，在该共同极化构造中，致动电压被施加到顶pzt层730(以圆 形数据点表示)。冲程灵敏度以比用于基准装置的高开始，随后随厚度增加 而增加到约25μm或为主pzt层的厚度的约55％，随后保持相当恒定，直 到约55μm厚或为主pzt层的厚度的约122％为止，随后随抑制层的厚度 的进一步增加而略微下降。因此，无源抑制层可具有大于0的厚度，但优 选地具有处于25
‑
55μm的范围中的厚度或为有源pzt层的厚度的约 55
‑
125％。
[0149]
最后，图37的共同极化构造是整体表现最差的设计，其中顶pzt层 比底pzt层厚，数据由斜方形数据点表示。对于该构造，只有在顶pzt层 大于约37μm厚或为主pzt层的厚度的约82％时，冲程灵敏度才优于用于 基准单层pzt的冲程敏感度。有效冲程长度随着顶层的厚度的增加而增加。 当顶pzt的厚度为65μm时，悬架冲程灵敏度比9.0nm/v的基准高29％。 冲程敏感度优于基准的29％的增量表示针对该构造所获得的最佳结果。对 于共同极化的情况，该厚度因此优选地为主pzt层的厚度的至少80％，并 且更为优选地大于主pzt层的厚度，并且还要更为优选地大于主pzt层的 厚度的约125％。
[0150]
例用如图36
‑
39中所示的利用了被用作约束层的定pzt层的多层pzt 微致动器的设计方法可更为通常地被延伸为具有3、4、5或更多层的pzt， 其分别具有用作约束层的2、3、4或更多有源层。
[0151]
由本技术人所拥有并被通过引用并入本文的授予hahn等人的美国专 利no.9,070,394在图31
‑
35中公开了一种多层压电装置，其中约束层包括 由压电材料构成的未极化的无源层。发明人已经发现，因为使压电材料极 化致使其尺寸发生永久变化，因此使多层压电装置的并非所有层极化引起 了不等的尺寸变化，并且因此在装置中感生应力。所相信的是，这种应力 会致使装置开裂及过早故障。
[0152]
其中约束层是一层无源pzt材料的多层压电装置中的这种应力可通过 使约束层极化得以减小。以这种方式，有源pzt层和无源层在极化过程中 在尺寸上都经历类似的永久变化，从而消除了由仅使一层极化或更通常地 通过并未使所有层极化所导致的机械应力。
[0153]
图42是根据这种实施例的具有极化但无源约束层930的pzt微致动 器914的侧视剖视图，并且该图示出了该装置的极化。在该实施例中，pzt 微致动器914包括成堆叠关系布置并例如通过参照先前实施例所述的被整 体地形成在一起而被附连在一起的两个pzt层920、930。底部压电材料层 920将变为主或有源pzt层。顶部压电材料层930将变为极化但无源的约 束层。
[0154]
使该装置极化的第一方法是分别越过顶电极926和底电极927施加电 压差，并允许中间电极928浮动。例如，+vp被施加到顶电极926，
‑
vp被 施加到底电极927，并且允许中间电极928浮动。该接地方法将导致被越过 压电层920/930施加的均匀电场，并且因此同时使这两个压电层极化到同 一程度。
[0155]
第二方法是越过那些电极施加+vp和
‑
vp，并且将中间电极928连接到 接地，如图中所示。
[0156]
更为通常地，可通过将三个或多个不同的电压施加到这三个或多个终 端而使该装置极化。
[0157]
在大多数但无需是全部的情况下，等同极化(即使用等同的电场强度 且同时进行极化)将是优选的。对于厚度不等的两个pzt层和三个极化电 压电势的情况下，会要求越过不同的pzt层施加不等同的电压差，从而产 生相同的电场强度以及因而越过那些不同的pzt层产生相同的极化程度。 例如，如果两个pzt层具有不等的厚度，则+15v、gnd和
‑
10v的极化电 压可能是越过这两层产生相等的电场强度以及使这两层等同极化所需的电 压。
[0158]
图43是图42的pzt微致动器组件的侧视剖视图，其示出了被安装在 悬架内的组件。在操作中，致动电压被施加到中间电极928；并且底电极 927被通过导电环氧树脂162、金结合垫469和悬架挠曲件的不锈钢154接 地。顶电极926并不被电气连接到任何事物，并且因此浮动。这产生了一 种越过主pzt层920、致使其扩展或收缩的致动电场，顶pzt层930是无 源的并且由此用作约束层。如早先参照其它实施例所描述的那样，与部存 在约束层930的情况相比，极化但无源的约束层930的存在用于增大该装 置的有效冲程长度。
[0159]
在示例性实施例中，装置914总共具有三个电极，但仅第一电极和第 二电极可从该组件的底部触及到。因为第三电极是一种未被连接到驱动电 压或接地的浮动电极，因此无论从装置的底部还是其它地方，均无需将其 制成为是可电气触及的。
[0160]
与其它实施例一样，图42和图43的实施例并不限于两层。相反，更 为通常地，这种多层压电致动器可包括多个极化且有源的pzt层以及多个 极化但无源的pzt层。
[0161]
尽管在大多数情况下等同极化将是优选的，但约束层无需被与有源压 电层精确等同地极化。所相信的是，对于这两层而言，基本等同地极化通 常将是足够的。这两层可被极化成处于彼此相差10％以内，或极化成处于 彼此相差25％以内。同样，约束层是完全和全部无源的并不是严格必需的。 相反，约束层可具有在操作中被越过它施加的电压差，该电压差小于被越 过第一或有源pzt层施加的致动电压或致动电场的10％，或小于该致动电 压或电场的25％，乃至小于该致动电压或电场的50％。此外，尽管发明人 当前相信通常需要使pzt层具有相同的厚度，但应该足够的是，pzt层具 有基本相等的厚度，例如在厚度上处于彼此相差10％以内，或彼此相差25％ 以内。
[0162]
尽管第三电极926可在操作中浮动，如图43中所示，但确保越过极化 但无源的约束层930没有电场或基本上没有电场存在的替代方式会将第三 电极926与第二电极928电气成组，从而确保越过约束层930不存在电压 差。
[0163]
本文所公开的pzt微致动器可被在除盘驱动器悬架之外的领域中用作 致动器。这种微致动器及其结构细节因此构成了具有创造性的装置，而无 论使用它们的环境是盘驱动悬架环境或任何其它环境。
[0164]
将会理解的是，在本专利说明书和权利要求书中所使用的术语“通常”、
ꢀ“
大致”、“约”、“基本“和“共面”考虑到了相对于任何精确尺寸、测量 值和布置结构的一定量的差异，并且应在如于此所公开的本说明书和本发 明的操作的上下文中理解那些术语。
[0165]
将进一步明白的是，如在本专利说明书和权利要求书中所使用的诸如
ꢀ“
顶”、“底”、“上”和“下”之类的术语都是表示部件彼此之间而非相对 于任何特定空间或重力取向的空间关系的便利术语。因此，这些术语旨在 涵盖零部件的组件，而不管该组件是否被定向在如图中所示或如专利说明 书中所述的特定取向中，是否被相对于该取向上下颠倒，或是否处于任何 其它旋转变化中。
[0166]
在包括权利要求书、摘要和附图的专利说明书中所公开的所有特征以 及在所公开的任何方法或过程中的所有步骤均可以任何组合方式组合在一 起，除了这种特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合之外。在包括 权利要求书、摘要和附图的专利说明书中公开的每个特征都可被提供相同、 等同或类似目的的其它特征替换掉，除非另有明确地说明。因此，除非另 有明确地说明，所公开的每个特征都仅是一种通用系列的等同或类似特征 的示例。
[0167]
将了解到的是，本文中所使用的术语“本发明”不应被解释为意味着 仅呈现出具有单一基本要素或要素组的单一发明。同样，同样将了解到的 是，术语“本发明”涵盖了许多单独的创新，其每个都可被视为是独立发 明。尽管已经由此参照优选实施例及其附图详细描述了本发明，但本领域 技术人员应该明白的是，可实现本发明的多种改变和修改，而并不背离本 发明的精神和范围。因此，将会明白的是，如上所提出的详细描述和附图 并不旨在限制本发明的范围，其应仅从所附权利要求及其被适当解释的法 律等效方案推断出。