CN1284183C - 具有集成传感器和驱动器的小型传动装置及其磁存储系统 - Google Patents

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Abstract

一种与驱动器和相对位置误差传感电路集成的小型传动装置形成在单个硅基片上。该集成小型传动装置/电子模块设置在悬浮和浮动块/传感器组件之间，以在磁盘驱动器的盘的数据磁迹上提供浮动块/传感器的快速、小的运动位置控制。小型传动装置电子设备与小型传动装置的集成用磁传感信号减小了寄生负载和干扰问题。电子电路建立在硅片上，随后淀积一个平面层和一个接地层，用于与建立在电路的顶部的小型传动装置隔离。

Description

具有集成传感器和驱动器的小型 传动装置及其磁存储系统
技术领域
本发明一般涉及集成记录头小型传动装置(milliactuator)，并特别涉及一种具有集成传感器和驱动器电子设备的小型传动装置及其制造方法。
背景技术
活动的磁存储器，尤其磁盘驱动器是优选的存储器。这是由于它们的扩展非易失性存储器存储容量以及较低成本的缘故。准确重现这些存储器的存储信息是重要的，要求磁传感器被设置成尽可能接近存储介质。在有些存储器中，实际上传感器可以接触介质。
磁盘驱动器是一种信息存储器，利用至少一个可旋转磁介质盘，该可旋转磁介质盘具有：为存储数据规定的同心数据磁迹，一个读/写传感器，用于从各种数据磁迹读出数据和/或将数据写到各种数据磁迹，一个浮动块，用于将邻接数据磁迹的传感器一般以浮动方式支持在存储介质上方，一个悬浮组件，用于将浮动块和传感器弹性支持在数据磁迹上，和一个连接到传感器/浮动块/悬浮件组合的位置传动装置，用于将传感器越过介质移动到所需的数据磁迹和在读或写操作期间使传感器保持在数据磁迹中心线上。该传感器连接到浮动块或与浮动块整体构成。该浮动块通过转盘产生的、称为空气轴承的气垫使传感器支持在存储盘的数据表面上。
另一方面，传感器可操作与盘的表面接触。于是，该悬浮件提供所需的浮动块负载和在浮动块和传动臂之间的尺寸稳定性，该传动臂将传感器/浮动块/悬浮件连接到传动装置。要求悬浮件用尽可能小的加载力去保持邻接盘的数据表面的传感器和浮动块。该传动装置根据在读操作时所需的数据或在写操作期间用于数据配置的正确磁迹将传感器设置在正确磁迹上。传动装置受伺服系统控制，通过以垂直于数据磁迹的方向移动组合件越过盘的表面将传感器设置在所需的数据磁迹上方。盘驱动伺服控制系统控制传动臂越过盘的表面的移动，以使磁记录头从一个数据磁迹移到另一个数据磁迹，一旦在选定磁迹上方，保持磁头在选定磁迹中心线的轨迹上，保持磁头位于磁迹中心，便于在磁迹中精确读出和记录数据。
磁盘驱动器的趋向在于，用磁记录头可靠地写入和读出的磁比特大小每年以大约50％的速率连续减小。因此，包含序列比特的磁迹宽度也必须以大约这个速率的一半递减。因此，至今具有每英寸(tpi)4000到6000磁迹的高级存储器在几年内大概具有20到25ktpi。在数据密度上的这种快速增加，对设置传动装置系统使记录头移到数据磁迹和使磁头保持在磁迹上方的精度产生了极端要求。在实际磁头位置和磁迹中心之间的偏移，称为磁迹配准不良(TMR)，按磁迹的宽度标度(大约磁迹到磁迹间距的12％)。
由于磁迹密度增加和可允许的TMR减小，磁头位置伺服系统可响应的速度或伺服带宽也必须增加以允许有效磁迹跟随。增加该带宽的一种方法是使用第二传动装置(小型传动装置)来提供记录头的快速、小运动、位置校正。在这个概念上，普通的传动装置提供粗略的位置控制，且位于单个磁头上的小型传动装置提供在选定的磁迹上方磁头位置的精细控制。为了实现高磁迹密度，这些小型传动装置必须具有大约几个磁迹间距的运动范围和能传递10到30G加速度到记录磁头的力输出。对于集成的小型传动装置/磁头设计，包含的质量是浮动块的质量加上小型传动装置的可移动部分的质量，总共几个毫克。设置在悬浮件和记录头之间的机背(piggyback)静电小型传动装置可实现在进一步的高磁迹密度应用中需要的位置精度和高速性能。这种静电小型传动装置需要高的驱动电压和电容位置传感信号，以便得到良好的伺服控制。
在悬浮件和记录浮动块之间设置小型传动装置的一个问题在于，驱动信号和电容传感信号需要通过在悬浮件上布线来传送。回调信号和写电流信号也通过与小型传动装置引线靠得很近的位于悬浮件上的引线传送。在小型传动装置和驱动/传感集成电路芯片之间的布线增加了寄生负载并引入干扰到回读信号。
因此，需要有一种方法来减小或消除在小型传动装置驱动和控制信号和记录头回读信号之间的相互作用和干扰。
发明内容
为了克服上述的现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种集成的小型传动装置和一种把小型传动装置驱动电路与小型传动装置集成的方法，由此消除了对由悬浮件上的互连引起的磁回读信号的干扰。
本发明的另一个目的是提供一种使用公共小型传动装置电极把相对位置误差传感电路集成在小型传动装置上的方法。
本发明的还有另一个目的是提供一种把小型传动装置驱动器、位置误差传感电路和其它信号调节电路集成在形成小型传动装置的同一块硅基片上的方法。
本发明的又一个目的是提供一种用于把具有小型传动装置驱动器、位置误差传感电路和其它信号调节电路的小型传动装置制作在单块硅基片上的方法。
本发明的再一个目的是提供一种在小型传动装置上进一步集成包括(但不限于)伺服反馈控制器、写入头驱动器、读出头前置放大器、和静电放电(ESD)二极管的其它信号调节电路的方法。
简要地说，本发明实现上述的目的是通过把小型传动装置驱动器和RPE传感电路与小型传动装置集成，于是消除了到小型传动装置驱动器/传感器集成电路(IC)的寄生负载和由到小型传动装置的互连导线引入的对磁回读信号的干扰。根据本发明，小型传动装置驱动器电路和相对位置误差(RPE)信号传感电路集成在建立小型传动装置的同一块硅基片上。其它信号调节电路也能用驱动电路组成。
通过使用下列方法的各步骤，小型传动装置还可以直接安装在这些电路的顶部，以减小总的芯片面积。在这些电路建立，钝化和打开用于接触片的通孔后，在电路的顶部淀积平面化层、隔离层、和导电层(例如接地平面)和制作布线图案，以使电路与可能的小型传动装置干扰隔离。然后，小型传动装置集成在电路的顶部，并最后在牺牲层蚀刻工艺中释放(release)。
根据本发明，提供用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，包括：
一个电子模块；
一个形成在电子模块上的小型传动装置；和
一个与小型传动装置并置的传感器组件，该传感器组件用于读出和/或写入数据到磁存储系统。
其中电子模块包括一个小型传动装置驱动电路和一个传感器电路，两者都电连接到小型传动装置；
根据本发明，提供一种磁存储系统，包括：
一个具有同心数据磁迹的数据表面的盘；
一个支撑所述盘的主轴，所述的主轴用于围绕一般垂直于盘的轴旋转所述盘；
一个集成小型传动装置组件，当盘旋转时该组件与数据表面保持运行关系，该小型传动装置组件还包括：一个电子模块；一个形成在电子模块上的小型传动装置；和一个与小型传动装置并置的传感器组件，该传感器组件用于读出和/或写入数据在磁存储系统中；和
一个控制器，用于处理从数据表面读出的数据和写入到数据表面的数据；
其中电子模块包括一个小型传动装置驱动电路和一个传感电路，二者都电连接到小型传动装置。
通过下列所进行的详细描述，本发明的上面和附加的目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
为了更充分地理解本发明的性质和优点，以及使用的最佳模式，请参阅下面结合附图的详细描述。
图1表示根据本发明的磁存储系统；
图2是具有设置在悬浮件和浮动块传感器组件之间的集成驱动器和传感器的小型传动装置的透视图；
图3表示本发明的小型传动装置驱动器和传感器电路相对于悬浮件的位置的方框图；
图4a是简化静电旋转小型传动装置的平面图；
图4b是具有用于对本发明的集成电子模块的旋转小型传动装置电连接的通孔的接地平面的平面图；
图5a-e表示用于把电子电路与小型传动装置集成的制作方法的一个实施例；和
图6是表示小型传动装置和磁传感器电子设备相对于悬浮件的设置的本发明的第二实施例的方框图。
具体实施方式
本发明在下列结合附图的说明中是以最佳实施例描述的，在附图中相同的标号表示相同或类似部件。虽然本发明以实现本发明的目的的最好方式予以描述，但本领域的普通技术人员将理解为，利用这些技术可进行各种变型而不脱离本发明的精神和范围。
图1表示包括外壳12的磁存储系统10，其中安装旋转传动装置14、安装在主轴22上的一个或多个有关的磁存储盘18和连接到用于旋转盘18的主轴22的驱动装置(未示出)。旋转传动装置14在横越存储盘18的表面的弧形轨迹16上移动根据本发明的浮动块小型传动装置组件20。旋转传动装置14包括一个音圈电机，该音圈电机包括一个在固定永磁组件30的磁场内可移动的线圈。具有在其一端构成的移动线圈的传动臂28旋转地安装在枢轴柱38上。悬浮组件24连接到传动臂28的另一端并横越盘18的表面伸出。悬浮组件24以悬臂形式使集成的浮动块小型传动装置组件20支持在盘18的表面。虽然仅表示一个浮动块小型传动装置，将可认出，磁存储器10对于包括在磁存储系统10内每个盘18的每一边具有一个浮动块小型传动装置组件20。
磁存储系统10还包括一个固定在旋转传动装置14上的传动装置芯片40。如现有技术所公知的，传动装置芯片40与在悬浮组件24上的浮动块小型传动装置组件20配合，以从盘18读出数据或将数据写到盘18上。支持在传动臂28上的电引线60、61在传动装置芯片40和浮动块小型传动装置组件20之间传送信号。柔性印制电路构件或传动装置弯曲电缆34在传动装置芯片40和与外部信号处理电路连接的插头组件之间传送信号。
图2表示固定到根据本发明的最佳实施例的悬浮组件24的集成浮动块小型传动装置组件20。悬浮组件24靠由盘的旋转产生的空气轴承或气垫将浮动块小型传动装置组件20支持在盘的表面上。浮动块小型传动装置组件20包括一个集成小型传动装置/电子模块50和一个集成浮动块传感器组件56。集成小型传动装置/电子模块50包括一个电子模块部分52，根据其中所述的方法，电子模块部分52与小型传动装置54整体构成。浮动块传感器组件56固定到小型传动装置54部分且电子模块部分52固定到悬浮组件24。连接到在电子模块52的接触片62和64上的电引线60、61将信号传送到传动装置芯片40和传送来自传动装置芯片40的信号。
图3表示相对于本发明的最佳实施例的悬浮组件24和传动装置芯片40设置在电子模块52的小型传动装置驱动器和传感电路的配置。在集成小型传动装置/电子模块50中小型传动装置驱动器和传感器电路的配置提供来自电子模块52被小型传动装置54所需的信号的最短路径，以控制到盘18上的所需数据磁迹的浮动块传感器装置56的精细位置。设置电子模块52与小型传动装置54靠得很近，而不在传动装置芯片40处，这消除了不需要的寄生信号损耗和与在其它情况下要求的长(2～5cm)电引线长度有关的干扰。用于浮动块传感器组件56的精细位置调节的静电小型传动装置需要高驱动电压和由来自电容传感器的相对位置误差信号(RPE)提供的伺服控制。当电子模块52设置在传动装置芯片40时，驱动电压(在2.5KHz上约80V)和传感电容(约100fF)将在悬浮组件24和传动臂28的电导线61上传送，该电导线61与传送磁写入电流信号到浮动块传感器组件56和从组件56传送回读信号的电导线60靠得很近。长引线会对电路引入大的寄生负载和对磁回读信号引入干扰。长引线产生的这些不必要的影响通过将小型传动装置驱动器和RPE传感电路设置在与小型传动装置54集成在一起的电子模块52中的本发明大大地消除。现在，在电子模块52和传动装置芯片40之间的信号用小型传动装置驱动器的DC偏压和来自位置传感电路的放大RPE信号代替。
图4a表示一个由现有技术公知的微电机工艺构成的简化静电旋转小型传动装置54。构成在基片72上的小型传动装置54包括：一个转子结构74，该转子结构74相对于基片72分开和可以自由转动小角度；多个定子结构76、78，该结构76、78设置得靠近转子结构74并刚性地固定到基片72；和多个弹簧结构82，该弹簧结构82通过连接到刚性附加到基片72的相同标号的支持柱80提供对转子结构的机械支承。弹簧结构82是通过微电机工艺形成的，当允许转子结构74围绕对称中心84相对自由旋转运动(在纸平面上)时，用于提供转子结构74相对于基片72的平移刚性。转子结构74、定子结构76、和定子结构78是由通过形成在基片72上的适当薄膜导线结构相互电隔离的导电材料构成的。加到转子和定子结构的电压在转子结构74和定子结构76、78之间感应吸引和排斥静电力，导致转子结构克服弹簧结构82的弱限定力旋转。转子结构74的旋转位移可用适当的传感器测定并以相对位置误差(RPE)信号的形式对控制器提供反馈。在转子结构74和定子结构76或定子结构78之间的电容可用于提供RPE信号。用于制作小型传动装置54的设计和工艺在现有技术中已属公知。
本发明的实施例把小型传动装置54和形成包含驱动器和RPE传感电路的电子模块52的集成电路(IC)芯片结合在一起。形成小型传动装置/电子模块50的集成是通过使用现有技术公知的方法把用于小型传动装置驱动器和RPE传感功能的适当集成电路形成在硅基片上，随后进一步处理形成驱动器和RPE传感电路与小型传动装置54的适当电连接来实现的。集成小型传动装置/电子模块50然后通过使用薄膜淀积和微电机工艺把小型传动装置54形成在电子模块52上并与电子模块52接触来完成。
图4b表示在电子模块52和小型传动装置54之间所需的接口特征的电子模块52的平面图。该接口必须提供从在电子模块52中的驱动器和RPE传感电路到转子结构74和定子结构76、78的电连接。此外，接口必须在电子模块52和小型传动装置54之间提供足够的电屏蔽，以把电子电路与偏转转子结构74所需的强电场隔离开。进入驱动器和RPE传感电路的电通孔是通过公知的光刻和蚀刻工艺形成的上孔或通孔以允许在金属淀积之后进行电接触提供的。通孔94是用于电连接到转子结构74，四个通孔96，98是用于连接到定子结构76，78，和四个其它通孔100是用于从外部信号处理设备连接输入和输出信号到小型传动装置/电子模块50。电屏蔽是通过在电子模块52和小型传动装置54之间的整个接口表面上形成在电子模块52的金属层92提供的。由金属层92提供的屏蔽是非常有效的，这由于它用电子模块52的尺寸(在一边约1～2mm)形成一个接地面，而每个通孔92-100的直径仅约100μm。
现在参照图5a-e，对根据本发明的集成小型传动装置/电子模块50的制造方法予以说明。简要地，图5a表示屏蔽的Si电路晶片；图5b表示钝化的和用PIX平面化的Si电路晶片；图5c表示金属互连/钝化层淀积和制作布线图案；图5d表示牺牲层淀积和制作布线图案和图5e表示籽晶层淀积。具有微型传动装置的集成电路的关键方面包括屏蔽电场的金属层(例如在IC中铝M3层)，使IC形貌平面化的厚层(例如PIX，聚酰亚胺的形式)、防止对IC的任何工艺影响钝化层(例如，PIX和钨(W)的组合，起扩散阻挡层的作用)，和连接在IC和微型传动装置之间的通孔。在所述的例子中，钨也用作微型传动装置的互连。
更详细地描述，本方法按图5a所示的开始，图5a表示其上已建立驱动器和RPE传感电路的硅晶片108，使用现有技术公知的方法钝化和打开通孔。大约1-2微米厚的硅氧化物平面化和隔离层110通过化学气相淀积或等离子增强淀积方法淀积在钝化的硅晶片108上。大约1μm厚度的Al-Si-Cu或Cu层112通过溅射淀积方法淀积在平面层110上，以形成接地平面92(图4b)。Al-Si-Cu层112使用光致抗蚀剂和化学腐蚀剂或反应离子刻蚀制作布线图案，以规定通过通孔电连接到驱动器和RPE传感电路的隔离接触片。在硅二氧化物隔离层110中开的通孔内侧用于连接Al-Si-Cu接触片和电子电路的钨(W)通过化学气相淀积方法淀积。大约5μm厚度的介质PIQ(或PIX)聚酰亚胺层114通过旋涂淀积。PIQ(或PIX)层114使用掩蔽和化学溶剂制作布线图案，以打开在Al-Si-Cu层112中规定的隔离接触片的通孔。所得的结构示于图5b。
小型传动装置72结构，首先使用溅射方法在PIQ(或PIX)层114上淀积大约0.2μm厚的钨(W)或其它金属层116。W层116是使用光致抗蚀剂和化学腐蚀剂制作布线图案的，以规定隔离的电连接到通过在PIQ(或PIX)层116中打开的通孔限定在Al-Si-Cu层112中的接触片的互连片。所得到的互连结构示于图5c。在W层116上淀积的大约3μm厚的Al2O3或Cu层118使用光致抗蚀剂和化学蚀刻方法制作布线图案，以留下牺牲层120，在其上小型传动装置高的宽高比的转子和定子结构将被构成。所得的结构示于图5d。大约1000A厚度的铬(Cr)和铜(Cu)籽晶层122的叠层使用溅射方法淀积在包括制作布线图案的牺牲层120和W层116的整个表面上。所得的结构示于图5e。籽晶层122用Ni-Fe电镀方法提供适当的结构，以形成小型传动装置。小型传动装置制造是通过现有技术已知的方法，使用Ni-Fe电镀，光致抗蚀剂和光刻技术方法来完成的。小型传动装置最后在保护层蚀刻处理中释放(release)以除去Al2O3或Cu保护层。
完成后的集成小型传动装置/电子模块50具有固定到小型传动装置54的转子结构的连接平台。浮动块传感器组件56使用粘合剂或其它适当的方法粘接到连接平台。小型动动装置/电子模块和浮动块传感器的整个组件现在使用现有技术已知的方法连接到悬浮件24。固定集成小型传动装置/电子模块到悬浮件24和浮动块传感器组件56到小型传动装置转子结构是最佳的方法，因为在盘18的数据磁迹上调节传感器的位置期间该构形可使由小型传动装置移动的质量减到最小。现在使用现有技术公知的方法，引线61连接到在电子模块52上的垫片62和引线60连接到在浮动块传感器组件56的垫片64。
图6表示本发明的第二实施例，其中电子电路的进一步集成是通过把用于浮动块传感器组件56的磁信号传感器的写电流驱动器和读前置放大器引入到电子模块52中实现的。在该实施例中，在现有技术中包括传动装置芯片40的写电流驱动器和读前置放大器电路，现在在形成用于小型传动装置54的驱动器和RPE传感电路的工艺期间构成在电子模块56集成电路芯片上。写电流驱动器和读前置放大器现在使用比以前使用的更短引线长度在浮动块传感器组件56上分别电连接到写磁头和读磁头。这种配置的磁传感器电路的优点包括：减少来自大幅度写电流信号的干扰和改进磁回读信号的信噪比。到写电流驱动器的控制信号和来自读磁头的放大回读信号是通过从电子模块52到传动装置芯片40的引线60传送的。对于这个第二实施例把电子模块52和小型传动装置54集成的工艺步骤与使用图5a-e对最佳实施例的前面的描述是相同的。
尽管本发明的实施例已结合旋转小型传动装置予以描述，但本领域的普通技术人员明白，线性小型传动装置也可用于本发明。
本领域的普通技术人员也明白，但不受其限制的，将包括伺服反馈控制器和静电放电(ESD)二极管的其它信号调节电路集成进入小型传动装置/电子模块50也可用于本发明。
虽然用有关实施例具体表示和说明了本发明，但本领域的普通技术人员明白，可以在形式和细节上进行各种变化，而都不脱离本发明的精神、范围和教导。因此，公开的本发明仅作为例证考虑和仅受附加权利要求所规定的范围限制。

Claims (12)

1.用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，包括：
一个电子模块；
一个形成在电子模块上的小型传动装置；和
一个与小型传动装置并置的传感器组件，该传感器组件用于读出和/或写入数据到磁存储系统；
其中电子模块包括一个小型传动装置驱动电路和一个传感器电路，两者都电连接到小型传动装置。
2.根据权利要求1所述的用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，还包括在电子模块和小型传动装置之间的电屏蔽。
3.根据权利要求2所述的用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，其中所述的屏蔽是一个构成在电子模块和小型传动装置之间整个接口表面上的电子模块上的金属层。
4.根据权利要求2所述的用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，其中小型传动装置还包括：
一个基片；
一个相对于基片隔离和可自由地转过角度的转子结构；
多个定子结构，它邻接转子结构设置并刚性地固定到基片；和
至少一个弹簧结构，通过连接至少一个刚性地连接到基片的支持柱，提供转子结构的机械支撑。
5.根据权利要求4所述的用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，其中转子结构和定子结构是用导电材料制成的，通过形成在基片上的薄膜引线结构相互电隔离。
6.根据权利要求5所述的用于磁存储系统的集成小型传动装置组件，其中加到转子结构和定子结构的电压在转子结构和定子结构之间感应吸引和排斥静电力，由此，导致转子结构克服弹簧结构的约束力旋转。
7.一种磁存储系统，包括：
一个具有同心数据磁迹的数据表面的盘；
一个支撑所述盘的主轴，所述的主轴用于围绕一般垂直于盘的轴旋转所述盘；
一个集成小型传动装置组件，当盘旋转时该组件与数据表面保持运行关系，该小型传动装置组件还包括：一个电子模块；一个形成在电子模块上的小型传动装置；和一个与小型传动装置并置的传感器组件，该传感器组件用于读出和/或写入数据在磁存储系统中；和
一个控制器，用于处理从数据表面读出的数据和写入到数据表面的数据；
其中电子模块包括一个小型传动装置驱动电路和一个传感电路，二者都电连接到小型传动装置。
8.根据权利要求7所述的磁存储系统，还包括在电子模块和小型传动装置之间的电屏蔽。
9.根据权利要求8所述的磁存储系统，其中所述的屏蔽是构成在电子模块和小型传动装置之间整个接口表面上的电子模块上的金属层。
10.根据权利要求8所述的磁存储系统，其中小型传动装置还包括：
一个基片
一个相对于基片隔离的和可以自由地转过角度的转子结构；
多个定子结构，它邻接转子结构设置并刚性地固定到基片；和
至少一个弹簧结构，通过连接到至少一个刚性地连接到基片的支持柱提供转子结构的机械支撑。
11.根据权利要求10所述的磁存储系统，其中转子结构和定子结构都用导电材料制成的，通过形成在基片上的薄膜引线结构相互电隔离。
12.根据权利要求11所述的磁存储系统，其中加到转子结构和定子结构的电压在转子结构和定子结构之间感应吸引和排斥静电力，由此，导致转子结构克服弹簧结构的约束力旋转。
CNB991049845A 1998-05-11 1999-04-09 具有集成传感器和驱动器的小型传动装置及其磁存储系统 Expired - Fee Related CN1284183C (zh)

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