DE602005002010T2 - Betätigungsvorrichtung des Mikroelektromechanischen Systems - Google Patents

Betätigungsvorrichtung des Mikroelektromechanischen Systems Download PDF

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Description

  • Hintergrund
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikromechaniksystem(MEMS)-Aktuator und insbesondere einen MEMS-Aktuator, bei dem ein piezoelektrischer Freiträger-Aktuator und ein Kamm-Aktuator kombiniert sind, um Doppelachsenantrieb durchzuführen. Der MEMS-Aktuator kann in einer Antriebsvorrichtung eines extrem schlanken optischen Plattenlaufwerks verwendet werden.
  • 2. Erörterung des Stands der Technik
  • Ein konventioneller Aktuator, der in einer Antriebsvorrichtung eines optischen Abtasters verwendet wird, ist ein Sprachspulenmotor(VCM)-Aktuator mit einem magnetischen Kreis zum Anlegen eines magnetischen Flusses an eine Spule, um eine Lorentz-Kraft zu erzeugen, einem Spulenkörper zum Befestigen der Spule und von optischen Teilen, einer Drahtaufhängung zum Stützen des Spulenkörpers und zum Dämpfen von auf den Spulenkörper übertragenden Vibrationen, und einer Leiterplatte (PCB) zur Übertragung von Eingangs- und Ausgangssignalen eines Servosystems und zur Stromversorgung der Spule. Es ist jedoch schwierig, den konventionellen VCM-Aktuator in einer extrem geringen Größe zu fertigen, wegen eines Aufbaus, bei dem der Spulenkörper zum Aufwickeln der Spule, ein Stützglied zum Stützen des Spulenkörpers und der magnetische Kreis mit einem Magneten, einer Jochplatte und so weiter erforderlich sind.
  • Ein extrem kleiner Aktuator mit Einachsensteuerung verwendet je nach Zweck hauptsächlich einen MEMS-Kamm-Aktuator oder einen freitragenden piezoelektrischen Aktuator.
  • Der Kamm-Aktuator, der eine elektrostatische Kraft verwendet, legt eine Spannung an ein Paar Kämme an, die senkrecht von einer ebenen Oberfläche vorstehen und so ineinander gefügt sind, dass die zwischen den zwei Kämmen erzeugte elektrostatische Kraft in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen den Kämmen einheitlich Leistung erzeugt. Der elektrostatische Kammantriebs-Aktuator hat den Vorteil, einheitliche Leistung in Bezug auf die Bewegung eines Kamms zu erzeugen.
  • Der piezoelektrische Freiträger-Aktuator wird meist unter Verwendung von PZT-Keramik hergestellt und auf mannigfachen Gebieten verwendet, in denen eine Mikrolokations-Steuervorrichtung benötigt wird. Dieser Aktuator hat den Vorteil, dass er leicht eine präzise Steuerung durchführen kann, da eine Verschiebung des Aktuators in Abhängigkeit von einer an ein piezoelektrisches Material angelegten Ansteuerspannung bestimmt wird. Insbesondere kann man einen extrem feinen Aktuator zusammensetzen, da seine Verschiebung um einige zehn Nanometer gesteuert werden kann. Den piezoelektrischen Freiträger-Aktuator hat man zur Erzielung und Steuerung einer extrem feinen Antriebskraft wie z.B. der Antriebskraft eines Kraftmikroskops (AFM), eines Nanoantriebs-Aktuators, eines MEMS-Aufbaus und so weiter verwendet.
  • Die konventionellen Aktuatoren haben jedoch die Nachteile, dass nur eine Einzelachse gesteuert werden kann, ihr Anwendungsbereich begrenzt ist und insbesondere der piezoelektrische Aktuator eine hohe Ansteuerspannung braucht, um unter Verwendung der PZT-Keramik große Verschiebungen zu erzielen, und daher ist es schwierig, die Aktuatoren in einer geringen Größe herzustellen.
  • So ein Aktuator ist z.B. aus dem Dokument JP-A-05 147762 bekannt.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen extrem kleinen MEMS-Aktuator mit Doppelachsensteuerung gerichtet, der in einer extrem kleinen mobilen Antriebsvorrichtung verwendet werden kann, die Doppelachsensteuerung benötigt.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen extrem kleinen MEMS-Aktuator gerichtet, der – anders als ein konventioneller VCM-Aktuator – einen Halbleiterherstellungsprozess adaptieren kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Aktuator gerichtet, der gleichzeitig Nachführ- und Fokussierantrieb durchführen kann, indem ein piezoelektrischer Freiträger-Einkristall-Aktuator als ein Antriebsteil einer Kammaktuators adaptiert wird, der einen Schritt vor dem piezoelektrischen Aktuator liegt, der sich in einem Mittelteil eines kon ventionellen Kopfes befindet, um nur den Nachführantrieb durchzuführen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Aktuator gerichtet, der auch bei niedriger Spannung einen Fokussierantrieb mit großer Verschiebung durchführen kann.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikromechaniksystem(MEMS)-Aktuators mit einem stationären Kamm, der auf einem Substrat befestigt ist; einem beweglichen Kamm, der getrennt von dem Substrat angeordnet ist; und einer Feder, die mit dem beweglichen Kamm und dem Substrat verbunden ist, um den beweglichen Kamm elastisch zu stützen, wobei der bewegliche Kamm eine Schicht aus piezoelektrischem Material auf eine geschichtete Weise enthält, um durch ein piezoelektrisches Phänomen senkrecht und durch eine elektrostatische Kraft seitlich zum stationären Kamm bewegt zu werden.
  • Vorzugsweise enthält der bewegliche Kamm Metallüberzugschichten und ist die Schicht aus piezoelektrischem Material zwischen die Metallüberzugschichten gelegt, und der MEMS-Aktuator kann weiterhin einen Ständer zum Befestigen des stationären Kamms auf dem Substrat enthalten.
  • Außerdem haben der stationäre Kamm und der bewegliche Kamm mit der Schicht aus piezoelektrischem Material den Vorteil, dass der MEMS-Aktuator durch einen einfacheren Prozess gefertigt werden kann. Vorzugsweise kann die Schicht aus piezoelektrischem Material eine piezoelektrische Keramikschicht oder eine piezoelektrische Einkristallschicht verwenden, kann die Schicht aus piezoelektrischem Material eines der Materialien PZT-Keramik, PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik und PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik verwenden und kann die piezoelektrische Einkristallschicht einen PMN-PT-Einkristall oder einen PZN-PT-Einkristall verwenden.
  • Indessen kann die Feder, die den beweglichen Kamm stützt, nur an einem Ende des beweglichen Kamms ausgebildet sein, um das andere Ende des beweglichen Kamms mittels der Feder als Achse zu bewegen, um dadurch die Beweglichkeit des beweglichen Kamms zu erhöhen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann noch deutlicher aus der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen dafür unter Bezugnahme auf beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein schematischer Grundriss eines MEMS-Aktuators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 und 3 Querschnittsansichten entlang der Linien AA' bzw. BB' des in 1 gezeigten MEMS-Aktuators sind; und
  • 4 ein Graph ist, der ein Simulationsergebnis des Aktuators von 2 zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Es folgt eine vollständigere Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen verkörpert sein und ist nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt aufzufassen. Vielmehr werden diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist, und sie werden dem Fachmann den Schutzbereich der Erfindung vollständig vermitteln.
  • 1 ist ein schematischer Grundriss eines MEMS-Aktuators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 und 3 sind Querschnittsansichten entlang der Linien AA' bzw. BB' des in 1 gezeigten MEMS-Aktuators.
  • Unter Bezugnahme auf 1 enthält der MEMS-Aktuator einen stationären Kamm 10, der auf einem Substrat (nicht gezeigt) befestigt ist, einen beweglichen Kamm 11, der getrennt von dem Substrat angeordnet ist; und eine Feder 12, die mit dem beweglichen Kamm 11 und dem Substrat verbunden ist, um den beweglichen Kamm 11 beweglich zu stützen. Der bewegliche Kamm 11 enthält eine Schicht aus piezoelektrischem Material, die auf eine geschichtete Weise ausgebildet ist, um durch ein piezoelektrisches Phänomen senkrecht und durch eine elektrostatische Kraft seitlich zum stationären Kamm bewegt zu werden. Die Schicht aus piezoelektrischem Material eine piezoelektrische Keramikschicht oder eine piezoelektrische Einkristallschicht verwenden. Die Schicht aus piezoelektrischem Material kann eines der Materialien PZT-Keramik, PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik und PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik verwenden, und die piezoelektrische Einkristallschicht kann einen PMN-PT-Einkristall oder einen PZN-PT-Einkristall verwenden.
  • Spezieller beschrieben, ist der stationäre Kamm 10 auf beiden Seiten des von dem Substrat getrennten beweglichen Kamms 11 angeordnet und abwechselnd eingefügt, so dass er von dem beweglichen Kamm 11 beabstandet ist. Außerdem kann ein Ständer 13 zusätzlich installiert werden, um die Feder 12 und das Substrat zu befestigen. Das heißt, die von dem Substrat beabstandete Feder 12 ist mit dem Ständer 13 verbunden, um den beweglichen Kamm 11 beweglich und elastisch zu stützen.
  • Die Schicht aus piezoelektrischem Material des beweglichen Kamms 11 besteht aus einem piezoelektrischen Einkristallmaterial oder einem piezoelektrischen Keramikmaterial, um ein piezoelektrisches Phänomen zu erzeugen. Zur Erleichterung des Fertigungsprozesses können der stationäre Kamm 10, der Ständer 13 und die Feder 12 auch ein isolierendes Material enthalten, das auf eine geschichtete Weise ausgebildet ist und piezoelektrische Eigenschaften hat. In diesem Fall werden der stationäre Kamm 10, der Ständer 13 und die Feder 12 so gestaltet, dass sie das piezoelektrische Phänomen nicht erzeugen, da zwischen oberen und unteren Teilen der Schicht aus isolierenden Material keine Spannungsdifferenz angelegt wird. Der stationäre Kamm 10, der bewegliche Kamm 11, der Ständer 13 und die Feder 12 können eine Schicht aus isolierenden Material (nicht gezeigt) enthalten, die auf eine geschichtete Weise auf dem Substrat ausgebildet ist.
  • Der Ständer 13 ist von dem beweglichen Kamm 11 beabstandet, so dass er auf einer Seite des beweglichen Kamms 11 angeordnet und an einem Siliziumsubstrat befestigt ist. Die andere Seite des beweglichen Kamms 11, an welcher der Ständer 13 nicht angeordnet ist, kann leicht bewegt werden.
  • Der stationäre Kamm 10 enthält zum Beispiel einen stationären Abschnitt 101, der an dem Siliziumsubstrat befestigt ist, und eine Vielzahl von stationären Fingern 102, die in einer Kammform von einer Seite des stationären Abschnitts 101 vorstehen. Der bewegliche Kamm 11 ist von dem Siliziumsubstrat beabstandet, um direkt bewegt zu werden, und enthält eine Vielzahl von beweglichen Fingern 112, die in einer Kammform von bei den Seiten eines beweglichen Abschnitts 111 vorstehen. Der bewegliche Abschnitt 111 liegt hier der Vielzahl von stationären Fingern 102 gegenüber.
  • Der stationäre Kamm 10 und der bewegliche Kamm 11 sind physisch und elektrisch voneinander getrennt, und die stationären Finger 102 und die beweglichen Finger 112 sind abwechselnd eingefügt, so dass sie voneinander beabstandet sind. Zwischen dem Paar abwechselnd ineinander gefügte Kämme wird eine Spannung angelegt, damit die zwischen den zwei Kämmen erzeugte elektrostatische Kraft einheitlich Leistung in Bezug auf Relativbewegung zwischen den beiden Kämmen erzeugen kann.
  • Die Feder 12 ist zwischen dem Ständer 13 und dem beweglichen Kamm 11 angeordnet und von dem Siliziumsubstrat getrennt. Das heißt, ein Ende der Feder 12 ist mit dem Ständer 13 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Ende des beweglichen Kamms 11 verbunden, wodurch der bewegliche Kamm 11 elastisch gestützt wird.
  • 2 und 3 sind Querschnittsansichten entlang der Linien AA' bzw. BB' des in 1 gezeigten MEMS-Aktuators.
  • Der bewegliche Kamm 11 ist auf eine schwebende Weise auf einem Substrat 14 ausgebildet und enthält eine elastische Schicht 111a, eine untere Elektrode 111b, ein isolierendes Material 111d mit piezoelektrischen Eigenschaften und eine obere Elektrode 111c. Die unteren und oberen Elektroden 111b und 111c bilden leitende Metallüberzugschichten aus. Vorzugsweise besteht die Metallüberzugschicht aus Al oder Au. Der bewegliche Kamm 11, der Ständer 13 zum Befestigen des Substrats 14 und die Feder 12 zum elastischen Stützen des Ständers 13 und des beweglichen Kamms 11 können aus einem Siliziummaterial bestehen.
  • Das Substrat ist zwar vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, man kann aber ein aus einem anderen Material bestehendes Substrat, zum Beispiel ein Glassubstrat, mit guten Bearbeitungseigenschaften, statt der oberen Siliziumsubstrat-Elektroden 111c und 101c verwenden, die auf dem isolierenden Material des stationären Kamms 10 und des beweglichen Kamms 11 ausgebildet sind, um eine Spannung anzulegen. Wird in diesem Fall keine Spannung an eine untere Elektrode 101b des stationären Kamms 10 angelegt, wird an eine Schicht aus piezoelektrischem Material 101d keine Spannungsdifferenz angelegt. Da die untere Elektrode 101b des stationären Kamms 10 zur Erleichte rung des Fertigungsprozesses eingefügt wird, kann die untere Elektrode 101b weggelassen werden.
  • Speziell wird die untere Elektrode 111b einer Metallüberzugschicht auf der elastischen Schicht 111a ausgebildet, und die obere Elektrode 111c wird auf einer Schicht aus piezoelektrischem Material einer Schicht aus piezoelektrischen Einkristallmaterial oder einer Schicht aus piezoelektrischen Keramikmaterial ausgebildet, und die Metallüberzugschicht kann aus Al oder Au ausgebildet werden und unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheidungs(CVD)-Verfahrens oder eines Sputterverfahrens in einer Dicke von ungefähr 0,5 μm ausgebildet werden.
  • Indessen können die elastischen Schichten 12, 13, 111a und 101a unter Verwendung von einem Teil der Siliziumoberfläche oder blankem Kohlenstoffstahl gefertigt werden.
  • Als Nächstes wird der Betrieb des MEMS-Aktuators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 eine Gleichspannung (zum Beispiel 5 V) einheitlich an die Metallüberzugschicht des beweglichen Kamms 11 angelegt und wird eine Spannung (z.B. 10 V) mit einer zeitlich veränderlichen Polarität an die Metallschicht eines linken stationären Kamms 10 angelegt, so wird eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen den Metallüberzugschichten erzeugt, so dass der bewegliche Kamm 11 in Richtung auf den linken stationären Kamm 10 gezogen werden kann. Dabei können die Elastizität der Feder 12 und die Stärke der an die Metallüberzugschicht angelegten Spannung eingestellt werden, um eine Bewegungsstrecke des beweglichen Kamms 11 zu steuern.
  • Wird die an die Elektroden angelegte Spannung abgeschaltet, wird der bewegliche Kamm 11 durch eine Rückstellkraft der Feder in seinen Ursprungszustand zurückgebracht. Wird dabei eine Spannung mit gleicher Stärke und entgegengesetzter Polarität wie die an die Elektrode des linken stationären Kamms 10 angelegte Spannung an einen rechten stationären Kamms 10 angelegt, so wird eine abstoßende elektrostatische Kraft zwischen dem beweglichen Kamm 11 und dem rechten stationären Kamm 10 erzeugt, so dass der bewegliche Kamm 11 noch mehr in Richtung auf die linke Seite gedrückt werden kann.
  • Wie oben beschrieben, ist der stationäre Kamm 10 symmetrisch auf beiden Seiten des beweglichen Kamms 11 angeordnet, und es werden Spannungen mit einander entgegengesetzter Polarität an die Kämme 10 und 11 angelegt, um die elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden des beweglichen Kamms 11 und des stationären Kamms 10 größer zu machen, wodurch der bewegliche Kamm 11 seitlich angetrieben wird, um den Nachführantrieb unter Verwendung der elektrostatischen Kraft zwischen den Kämmen durchzuführen.
  • Indessen kann ein beweglicher Abschnitt 111 des beweglichen Kamms 11 durch einen piezoelektrischen Freiträger-Aktuator betätigt werden. Wie in 3 gezeigt, können das Substrat 14 und die Schicht aus isolierendem Material 111d mit piezoelektrischen Eigenschaften direkt abgeschieden oder mit Epoxid angeklebt werden. Außerdem haben die Elektroden eine leitende Metallschicht, mit der Unter- und Oberseiten der piezoelektrischen Keramikschicht oder der piezoelektrischen Einkristallschicht überzogen sind, um den piezoelektrischen Freiträger-Aktuator bereitzustellen. Vorzugsweise besteht die Metallüberzugschicht aus Al oder Au, das in einem Halbleiterfertigungsprozess weithin verwendet wird.
  • Vorzugsweise ist eine durch die Schicht aus piezoelektrischem Material 111d ausgebildete Polungsrichtung senkrecht zu einer Oberfläche des beweglichen Abschnitts 111 gerichtet. Wird daher die Spannung an die Unter- und Oberseiten der Schicht aus piezoelektrischem Material angelegt, dehnt sich das Volumen der Schicht aus piezoelektrischem Material in Abhängigkeit von jeder piezoelektrischen Ladungskonstante in Seiten- und Längsrichtungen aus. Dabei ist die Unterseite der Schicht aus piezoelektrischem Material am Siliziumsubstrat befestigt, damit sich das Volumen nicht ausdehnen kann. Als Folge wird der Freiträger auf und ab gebogen, um den Fokussierantrieb durchzuführen. Dabei wirkt das Siliziumsubstrat als eine elastische Schicht und kann durch ein Material mit hervorragenden Bearbeitungseigenschaften und hohem Elastizitätskoeffizienten ersetzt werden.
  • <Beispiel>
  • 4 ist ein Graph, der ein Simulationsergebnis des Aktuators von 2 zeigt.
  • Der Graph ist ein Analyseergebnis von PZT-8-Keramik, PMN-33%PT-Einkristallen und PZN-8%PT-Einkristallen in Bezug auf einen Aktuator mit einem Freiträger mit einer Länge von 12 mm und einer Breite von 2 mm, einer piezoelektrischen Schicht mit einer Dicke von 150 μm und einem Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 40 μm unter Verwendung eines Verfahrens mit finiten Elementen (FEM).
  • Die Spitzenverschiebung des Freiträgers in Bezug auf die an die Unter- und Oberseiten der Schicht aus piezoelektrischem Material angelegte Spannung von 10 V betrug 49,7 μm im Falle der PZN-8%PT-Einkristalle, 46,0 μm im Falle der PMN-33%PT-Einkristalle und 2,99 μm im Falle der PZT-8-Keramik.
  • Wie man aus dem Vorhergehenden erkennt, adaptiert der piezoelektrische Freiträger-Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung den piezoelektrischen Einkristall, um große Verschiebung bei niedriger Ansteuerspannung zu ermöglichen, und adaptiert den beweglichen Kammabschnitt, um gleichzeitig sowohl den Fokussierantrieb als auch den Nachführantrieb durchzuführen.
  • Der Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Kernteil einer extrem kleinen mobilen Antriebsvorrichtung verwendet werden, die Doppelachsensteuerung benötigt.
  • Der Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung ist dafür geeignet, in einer extrem kleinen Antriebsvorrichtung eines mobilen optischen Plattenlaufwerks mit einer Dicke von nicht mehr als ungefähr 5 mm verwendet zu werden, da der in dem extrem kleinen mobilen optischen Plattenlaufwerk verwendete Aktuator leistungsarmen Antriebsbedingungen genügen sollte und der Aktuator ein geringes Volumen haben sollte.
  • Außerdem kann der Aktuator an eine beliebige Vorrichtung adaptiert werden, die eine ultrakleine leistungsarme Doppelachsen-Positionssteuerung benötigt.

Claims (7)

  1. Mikroelektromechaniksystem(MEMS)-Aktuator mit einem stationären Kamm (10), der auf einem Substrat befestigt ist; einem beweglichen Kamm (11), der getrennt von dem Substrat angeordnet ist; und einer Feder (12), die mit dem beweglichen Kamm (11) und dem Substrat verbunden ist, um den beweglichen Kamm elastisch zu stützen, wobei der bewegliche Kamm (11) eine Schicht aus piezoelektrischem Material auf eine geschichtete Weise enthält und dafür eingerichtet ist, durch ein piezoelektrisches Phänomen senkrecht und durch eine elektrostatische Kraft seitlich zum stationären Kamm bewegt zu werden.
  2. MEMS-Aktuator nach Anspruch 1, wobei der bewegliche Kamm (11) Metallüberzugschichten aufweist und die Schicht aus piezoelektrischem Material zwischen die Metallüberzugschichten gelegt ist.
  3. MEMS-Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin einen Ständer (13) zum Befestigen des stationären Kamms (10) auf dem Substrat aufweist.
  4. MEMS-Aktuator nach Anspruch 3, wobei der stationäre Kamm (10) und der bewegliche Kamm (11) die Schicht aus piezoelektrischem Material aufweisen.
  5. MEMS-Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schicht aus piezoelektrischem Material eine piezoelektrische Keramikschicht oder eine piezoelektrische Einkristallschicht ist.
  6. MEMS-Aktuator nach Anspruch 5, wobei die Schicht aus piezoelektrischem Material aus einem der Materialien PZT-Keramik, PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik und PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)-Keramik besteht und die piezoelektrische Einkristallschicht aus einem PMN-PT-Einkristall oder einem PZN-PT-Einkristall besteht.
  7. MEMS-Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Feder (12), die den beweglichen Kamm (11) stützt, nur an einem Ende des beweglichen Kamms ausgebildet ist.
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