Brevet FR2793938A1 — publié le 20001124

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un micro-actioneur magnétique, permettant à la tête d'enregistrement de suivre des pistes de petites dimensions enregistrées sur un disque dur. Elle trouve des applications dans le domaine des mémoires à disques durs, pour le stockage de masse d'M*formations. Etat de l'art antérieure Une mémoire à disque dur montrée schématiquement sur la figure 1 comprend essentiellement un ou plusieurs disques (100) revêtus d'une couche d'enregistrement support d'informations. La ou les têtes magnétiques d'écriture et de lecture (103) sont maintenues en position par une suspension (102). Cette suspension est montée sur un actuateur électromagnétique (101) qui par rotation positionne la tête (103) sur la piste magnétique (1 04) qui sera lue, ou enregistrée. La piste (1 04) comporte des zones portant des informations particulières destinées à fournir à la tête des signaux qui après traitement seront envoyés à l'actuateur (10 1) afin de centrer en pen-nanence la tête sur la piste (1 04). D'une façon générale, les besoins de l'informatique font que les capacités des mémoires à disques doublent en moyenne tous les 18 mois. Pour suivre cette forte croissance, il faut augmenter à la fois le nombre de bits d'informations le long de la piste ce que l'homme de l'art appelle la densité linéique, et à la fois augmenter le nombre de pistes , ce que l'homme de l'art appelle la densité radiale . Il est admis que les actuateurs ne perrnettront pas d'atteindre une densité radiale supérieure à 1000 pistes par millimètre. Il devient donc indispensable d'adjoindre à Factuateur d'aujourd'hui, un autre actuateur, permettant tin très faible déplacement de la tête, mais avec une grande précision, et une grande rapidité. C'est la raison pour laquelle il faut développer un micro-actioneur, comme montré sur la figure 2 , Plusieurs solutions ont été proposées pour réaliser ces micro- actioneur. Celles qui paraissent les plus prometteuses, consistent à placer le micro-actioneur (200) entre la tête (103) et la suspension (l 02), comme le montre la figure 2. Le micro-actioneur (200) est réalisé par les technologies souvent appelées N#M qui en terme anglo-saxon sont les initiales de Micro Electronic Machining, c'est à dire des technologies semblables à celles de circuit intégrés. On trouve 3 familles de micro- actioneur : --- les micro-actioneur électrostatiques. Un ensemble de micro-peignes entrelacés , développant une capacité de 2 à 3 pico-farads , et tenus par des poutres flexibles, permettent de déplacer la tête . la difficulté de ces dispositifs, est qu'ils sont extrêmement fragiles et délicats. La force produite par le moteur électrostatique est très faible, ce qui impose que les poutres flexibles soient très petites, donc fragiles. De plus, le vide qui sépare les peignes ne peut être protégé efficacement, ce qui impose de modifier les procédés d'assemblage de la tête sur la suspension, afin d'éviter toute pénétration de liquide , ou de poussières, qu'il ne serait pas possible de nettoyer. La fragilité de ces micro-actioneur fait que leur emploi dans la mémoire est très difficile. En effet, une mémoire à disque peut-être soumise en cas de choc à des accélérations supérieures à 500g. L'énergie se transmet du disque vers la tête, qui décolle du disque, puis qui est ramenée par la suspension avec force contre le disque, ce qui peut être fatal pour le micro-actioneur. --- les micro-actioneur piézo-électriques sont plus robustes que les précédents. Cependant, ils nécessitent des micro-assemblages de cristaux plézo-électriques, car la piézo-él e cri cité en couche mince n'offre pas les mêmes performances que les mono-cristaux plézo-électriques massifs. Une difficulté supplémentaire pour les micro-actioneur capacitifs et piézo- électriques, est qu'ils nécessitent des tensions élevées, de l'ordre d'une centaine de volts. Il faut donc un circuit intégré spécifique qui à partir de la tension d'alimentation de la mémoire à disque (3 ou 5 V), fournisse la tension nécessaire. --- les micro-actioneur magnétiques. Ils souff-rent des mêmes inconvénients que les micro-actioneur capacitifs. La partie mobile est également très fragile, les espaces libres autour de cette partie mobile présente les mêmes problèmes que les espaces entre les peignes, leur assemblage avec les têtes sur la suspension est également très difficile. De plus leur structure est généralement plus complexe que celle des micro- actioneur capacitifs. Le moteur magnétique utilise souvent le prmicipe de la variation de réluctance entre un inducteur fixe excité par un bobinage, et un induit mobile. La force générée est toujours dirigée dans la direction de la réduction de réluctance du système, c'est à dire que la force est indépendante de la polarité du courant inducteur. Il faut donc deux inducteurs que l'on excite séparément, pour obtenir les deux directions de déplacement. Un autre inconvénient d'un moteur à variation de réluctance, est que la force générée, varie comme l'inverse du carré de l'entrefer entre l'inducteur et l'induit. La relation entre le courant inducteur , et le déplacement, n'est donc pas linéaire , ce qui complique le circuit d'asservissement. Un tel dispositif est décrit dans l'article Silicon micro-actioneur for rigid disk drive de Miu. D.K paru dans Data Storage, July/Aug. 1995 pp 33-40. De plus, les micro-actioneur magnétiques, selon l'art antérieur, ne donnent aucune indication de position, ce qui est un inconvénient important par rapport aux micro- actioneur capacitifs, dont la mesure de la capacité, est une bonne image du déplacement. Bien que donnant satisfaction à certains égards, nous avons vu que les micro-actioneur selon l'art antérieur induisent de nombreuses difficultés. La présente 'invention ajustement pour but de remédier à ces inconvénients. Exposé de l'invention A cette fin, l'm"vention propose un rmcro-actioneur magnétique totalement compatible avec les méthodes d'assemblage de la tête sur la suspension, c'est à dire qui accepte des nettoyages, des contraites mécaniques, des chocs, tels qu'ils peuvent arriver lors de l'assemblage, et lors du fonctionnement dans la mémoire à disques, sans risque de destruction, ou de mauvais fonctionnement. Sa structure permet d'absorber les chocs. De plus, le micro-actioneur selon l'invention, est insensible aux poussières ou particules, car il est étanche. Le micro- actioneur selon l'invention, utilise un moteur magnétique qui permet un déplacement linéaire en fonction du courant appliqué. De façon plus précise, la présente invention a pour objet, un micro- actioneur pour mémoire à disque, à moteur magnétique, constitué de deux parties : une partie inférieure montée sur la suspension, comprenant une couche mince magnétique, sur laquelle un conducteur isolé est déposé, et une partie supérieure, supportant la tête, comprenant un ensemble d'aimants en couches mince. Les deux parties supérieure et inférieure, sont maintenues en position à l'aide d'un matériau déformable ayant une grande flexibilité dans la direction du déplacement. Lorsqu'uri courant circule dans le conducteur de la partie inférieure, les forces magnétiques induites, selon les formules de Laplace, déplacent la partie supérieure qui supporte la tête, par rapport à la partie inférieure. Ces formules montrent que la force électromagnétique, est directement proportionnelle au courant qui circule dans le conducteur. Le micro-actioneur selon l'invention, présente une grande rigidité perpendiculairement au plan des électrodes. En cas de choc, le matériau déformable absorbe les chocs, évitant par la même une détérioration de la tête, du micro-actioneur lui même, ou de la surface du disque. L'ensemble des aimants en couche imince, et des conducteurs, est isolé du nuilieu. extérieur par le matériau déformable qui l'entoure. Le micro-actioneur , selon l'invention est donc insensible aux liquides, ou au particules qui pourraient apparaître au cours de l'assemblage de la tête sur la suspension. Selon l'm"vention, le déplacement de la surface supérieure du micro- actioneur par rapport à sa surface inférieure, peut-être rectiligne, ou rotatif Enfin, selon l'invention, le micro-actioneur fournit la mesure du déplacement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés. Brève description des dessins. + les figures 1, déjà décrite, montre le schéma d'une mémoire à disques # la figure 2 , déjà décrite, montre le montage du micro-actioneur, entre la tête et la suspension. # la figure 3 montre le détail de la partie infénieure du micro- actioneur selon l'invention, qui est montée sur la suspension. + les figures 4 montre le détail de la partie supérieure sur la quelle la tête est montée * les figure 5 montre la coupe du micro-actioneur les deux parties supérieure et inférieure, étant assemblées. # la figure 6 montre en perspective, la fonne du matériau déformable constituant le corps du rmicro-actioneur selon l'invention. + la figure 7 montre les schéma électrique du conducteur isolé, ainsi que la direction des forces induites . Exposé détaillé de modes de réalisation La figure 3 montre le détail de la partie inférieure du micro- actioneur, qui sera assemblée sur la suspension (102). A partir d'un substrat (301) qui peut avantageusement être une tranche de silicium, on dépose une couche sacrificielle (302) comme du S102 par exemple. Sur cette couche sacrificielle on dépose une couche (303) de matériau magnétique à forte perméabilité, tel que du FeNi (20% Fe, 80% Ni) dit Permalloy. L'épaisseur de la couche de FeNi est de l'ordre de 10 à 15 gm. Sur la couche (303), on dépose un isolant (304) comme du S102 par exemple, puis un conducteur (305) , selon les procédés bien connus e l'homme de l'art. Ce conducteur sera recouvert par une seconde couche d'isolant. On dépose ensuite une couche très mince d'un matériau conducteur (308) et 309), que l'on grave pour former des électrodes, puis que l'on recouvre d'une dernière couche isolante. La surface sera ensuite planarisée, afin pour terrniner que le conducteur (305) , et les couches minces (308), (309),soient encapsulés dans l'isolant (304) comme le montre la figure 3 . Une fois cette structure terminée, dont les procédés sont connus de l'homme de l'art, on dépose le matériau déformable, que l'on traite par photolithographie et gravure, afin d'obtenir des poutres verticales (306), comme montré sur la figure 3. La hauteur de ces poutres est de l'ordre de 45 à 50#tm, et leur largeur de l'ordre de 5 à 10 [lm. Le déplacement relatif des deux surfaces supérieure et inférieure, du micro-actioneur, doit être de l'ordre de plus ou moins un à deux microns. Si la hauteur des poutres déformables (306) est de 50 #im , la déformation du matériau qui les constitue, ne sera que de quelques pour- cent. Selon l'invention, le matériau déformable est un élastomère du type caoutchouc, latex, silicone, présentant un module d'Young de 0, 1 Nwa (0,1 Méga Pascal) à quelques dizaines de MPa, en tous les cas inférieur à 100 MPa. Si on compare ces matériaux à du silicium par exemple, souvent utilisé pour faire des poutres défonnables, on trouve je module d'Young du silicium étant supérieur à 100 Gpa, (100 Giga Pascal) que ces matériaux, ont un module d'Young qui peut être plus de 1 million de fois plus petit que celui du silicium par exemple. Les matériaux déformables selon l'invention peuvent accepter des déformations élastiques de l'ordre de 700 pour-cent. Les déformations du micro- actioneur selon l'invention, sont tellement petites par rapport à ce que le matériau pourrait encaisser, qu'elles ne s'accompagnent mi d'hystérésis, ni de fatigue. Sur un autre substrat (401) de la figure 4, qui peut avantageusement être du silicium, on réalise, comme décrit précédemment, une première couche de S102 (402) sachificielle, suivie d'une couche (403) de silicium polycristallin, sur laquelle on dépose une première couche magnétique à fort champ coercitif (404). La nature de cette couche, peut-être du Platine-Cobalt, ou du Chrome -Cobalt, ou tout autre alliage permettant de déposer des aimants en couches mmices. L'épaisseur de cette couche est de l'ordre de 20 à 30#im. On grave ensuite cette couche, pour réaliser des petits aimants que l'on induit dans un champ magnétique uniforme, afin obtenir une orientation magnétique homogène (405). Sur ces aimants, on dépose des plots (406) de matériau à forte perméabilité comme du FeNi (Permalloy) par exemple. L'épaisseur des plots (406) est de l'ordre de 1011M. En utilisant une machine d'alignement, double face, connue de l'homme de l'art, on rapporte le substrat (401) sur le substrat (301), comme montré sur la figure 5. Le haut (307) des poutres déformables (306), a été enduit de colle, qui assurera la liaison mécanique entre la couche de silicium polycristallin (403), et le haut des poutres déformables (307). Les dimensions des divers éléments constituant la structure, sont tels qu'après montage, il existe un entrefer (504) entre le base des plots (406), et la couche isolante (304). Cet entrefer, est bien contrôlé car de chaque coté des aimants, on trouve les poutres verticales (306). Le flux magnétique fourni par les aimants (404) va se refermer dans la couche magnétique (303), en créant un flux (503) très "intense, de l'ordre de 0,5 Tesla, autour du conducteur (305). Le flux généré par des aimants est de polarité opposée d'un plot par rapport à son voisin. Comme le courant dans les deux parties adjacentes du conducteur sera également opposé, la force générée dans les deux parties de conducteur adjacents sera de même direction. Le flux de fuite extérieur des aimants, est très réduit, car pratiquement tout le flux produit par les aimants, se referme dans la couche (303). Après l'assemblage des deux substrats (301) et (401), on grave les couches sacnificielles (302) et (402), afin d'éliminer les substrats (301) et (401). Le micro-actioneur selon l'invention, apparaît donc comme deux surfaces rigides, la surface (501) qui repose sur la suspension, et la surface (502) sur laquelle la tête est montée. Ces deux surface rigides sont maitenues par une structure souple constituée par le matériau déformable. La figure 6 montre une vue en perspective des formes du matériau déformable, selon l'invention. On trouve les poutres (306) , toutes alignées dans la même direction, afin qu'elle puissent se déformer lorsque soumise à une faible force perpendiculairement à leur grande longueur. Un périmètre (600), toujours en matériau déformable, entoure l'ensemble du micro-actioneur, et en assure l'étanchéité. Le micro-actioneur apparaît comme un ensemble homogène, sans rru"cro-cavités. Il est mierte chimiquement, notamment aux agents liquides de nettoyage. Il est très robuste mécaniquement, surtout dans les directions perpendiculaires au plan des surfaces (501) et (502). Comme il est constitué de matériau déformable, et comme il est situé entre la suspension et la tête, il constitue un parfait amortisseur de chocs. La figure 7 montre en plan la forme du conducteur (305). On trouve les deux plots de sortie (701) et (702) du conducteur qui sont sur la partie fixe du rm"cro-actioneur constitué par la couche (303) , facilitant leur connexion au générateur de courant. Le conducteur a la forme de deux serpentins (705 et (706). En regard du conducteur, on trouve les plots (406). Si sur le premier plot, le vecteur champ magnétique sort vers le haut du plan de la figure 7, le vecteur champ magnétique sera pomité vers le bas, pour le plot adjacent. Comme le conducteur (305) a la forme d'un serpentin, le sens du courant sera opposé dans les deux conducteurs adjacents, ce qui en résumé, va créer une force de même direction (703) pour l'ensemble du premier serpentin (705) de la figure 7. Il en sera de même pour le second serpentin (706). Selon la forme du second serpentin par rapport au premier, le sens du courant s'en trouve inversé. Aussi, la force (704) du second serpentin, qui est égale à celle du premier serpentin en intensité, sera opposée en direction, à celle (703) du premJer serpentin, donnant un mouvement de rotation de la surface (502) collée à la tête, par rapport à la surface (501) collée à la suspension. On constate que les forces (703) et (704) sont dirigées dans des directions perpendiculaires à la grande longueur des poutres déformables (3 10), qui représentent la direction de plus grande flexibilité du rnicro-actioneur selon l'invention. Si un courant de 60mA traverse le conducteur, que les aimants produisent un champ de 0,5T dans l'environnement du conducteur(503), que la longueur développée du conducteur est de 60mm, alors le couple induit sera de 1,8 mNmm (1,8 milli Newton millimètre). Le couple moteur sera précisément proportionnel au courant inducteur. Le micro-actioneur, selon l'm"Vention permet aussi de mesurer le déplacement de la surface (502) par rapport à la surface (501). Pour cela, on a réalisé un condensateur variable constitué de deux électrodes (308) et (309) représentées sur la figure 3, qui peuvent avantageusement être une couche mince de chrome de 300A' d'épaisseur. Ces électrodes ont les mêmes dimensions que la surface des plots (406). Toute les électrodes (308), situées sous les premiers plots de chaque aimant sont reliées entre elles, et toutes les électrodes (309) situées sous les deuxièmes plots de chaque aimant sont également reliées entre elles. Le condensateur variable est constitué par les couches (308) formant la première électrode, les couches (309) formant la seconde électrode, et les plots (406) électriquement reliés aux aimants individuels (404), qui sont conducteurs, formant une électrode 'intermédiaire déplaçable. Ainsi, lorsque la surface (502) se déplace par rapport à la surface (501), les plots (406) se décalent par rapport aux électrodes (308) et (309), faisant varier linéairement la capacité entre ces électrodes (308) et (309). Les électrodes (308) et (309) sont reliés à des plots de sortie, déposés et isolés , sur la couche (303). La mesure de la capacité entre les électrodes (308) et (309) donne directement la mesure du déplacement entre les surfaces (502) et (501). REVENDICATIONS 1. Nficro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, installé entre la tête (l 03) et la suspension (1 02) utilisant un moteur magnétique, caractérisé en ce que le fluicro-actioneur magnétique, est constitué de deux surfaces rigides (501) et (502) parallèles entre elles , entre lesquelles se trouve le moteur magnétique, les deux surfaces rigides (501) et (502) étant reliées et maintenues par une structure déformable (600) et (306), constituant le corps du micro-actioneur. 2. Nficro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau déformable (600) et (306) constituant le corps du nùcro-actioneur est un élastomère du type caoutchouc, latex, silicone, ayant un module d` Young compris entre 0, 1 et 100 MPa. 3. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant le corps du micro-actioneur comprend des poutres verticales (306), ayant une largeur faible par rapport à leur hauteur, entouré d'une paroi périnétrique (600) assurant l'étanchéité du micro-actioneur, la structure ainsi formée, présentant une forte rigidité dans la direction perpendiculaire aux surfaces (501) et 502), et une grande flexibilité dans les directions des forces (703) et (704). 4. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 1 caractérisé en -ce que le moteur magnétique est constitué d'une pluralité d'aninants en couche mince, en ce que l'aimantation de ces aimants est orientée dans la même direction, en ce que les aimants sont couplés par des pièces polaires douces,(406) à une couche magnétique continue (303) , afin de former une pluralité de circuits magnétiques fermés, entre coupés de deux entrefers comprenant un conducteur en forme de serpentin. 5. Nficro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 4, caractérisé, en ce que le couple moteur est proportionnel au courant inducteur. 6. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur magnétique est réalisé en deux parties séparées élaborées respectivement sur les surfaces rigides (501) et (502), puis assemblées et maintenues par les poutres déformables (306), et la paroi périphérique (600) 7. Nficro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur magnétique, comprend deux ensembles de serpentins (705) et (706), générant des forces (703) et (704) d'égale intensité. 8. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des électrodes fixes (308) et (309) isolées, les électrodes en regard des plots conducteurs (406), forment une capacité vaniable en fonction des déplacements de la surface (502) par rapport à la surface (501). 9. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon la revendication 8, caractérisé en ce que les déplacements de la surface (502) par rapport à la surface (501) sont connus par la mesure de la variation de capacité entre les électrodes (308) et (309). 10. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disques, selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la partie mobile mamitenue par la couche rigide (403) ne comporte pas de connexion électrique la reliant à la partie fixe maintenue par la couche rigide (303) 11. Micro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce quil est constitué d'un matériau élastique qui absorbe les chocs mécaniques, entre la tête (103) et la suspension (102) 12. Nficro-actioneur magnétique pour mémoire à disque, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il constitue un volurne fermé ce qui le rend étanche par rapport à l'exténieur.