DE60311223T2 - Aktuator und dessen Herstellungsverfahren - Google Patents

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DE60311223T2
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    • H10N30/2043Cantilevers, i.e. having one fixed end connected at their free ends, e.g. parallelogram type

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, der eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen Aktuator, der zur Steuerung der Position eines Magnetkopfs in einer magnetischen Aufzeichnungsvorrichtung verwendet wird, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Hintergrundtechnik
  • In den letzten Jahren hat sich die Magnetaufzeichnungsdichte sehr schnell verbessert. Wenn die Spurabstandsbreite verringert wird, um so beispielsweise die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen, wird es notwendig, die Magnetkopfposition in Bezug auf die Spurpositionen mit hoher Genauigkeit zu steuern. Die Regelung der Magnetkopfposition ist jedoch begrenzt, wenn diese allein von der Steuerung eines VCM (Schwingspulmotors) abhängt. Daher wurde ein zweistufiges Servo-Steuerungssystem vorgeschlagen, das zusätzlich zur Kopfpositionssteuerung durch den VCM die Hochpräzisions-Kopfpositionssteuerung durch einen Aktuator vornimmt.
  • Ein solcher Aktuator ist beispielsweise in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 2002-26411 und Nr. 2002-289936 offenbart. Bei dem in diesen Schriften dargestellten Aktuator ist eine flache, laminierte piezoelektrische Vorrichtung, die eine innere Elektrode aufweist, an jeweils einem von zwei einander gegenüberliegenden flachen Schenkeln befestigt. Ein Elektrodenpaar zum Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Vorrichtung ist auf der gegenüberliegenden Fläche der Fläche, die dem Schenkel in der piezoelektrischen Vorrichtung gegenüberliegt, bereitgestellt, wobei an den beiden Elektroden jeweils Leitungen angebracht sind.
  • Beim oben genannten herkömmlichen Aktuator besteht jedoch folgendes Problem. Zur Befestigung von zwei Leitungen an einer schmalen Endfläche einer piezoelektrischen Vorrichtung ist nämlich ein hohes Maß an Lagegenauigkeit erforderlich, wodurch es schwierig ist, die Leitungen an der Vorrichtung zu befestigen. Insbesondere dann, wenn die piezoelektrische Vorrichtung kleiner gefertigt wird, um bei einem kleinen Aktuator eingesetzt zu werden, ist ein höheres Maß an Lagegenauigkeit erforderlich, was es schwieriger macht, die Leitungen anzuschließen.
  • Um das oben genannte Problem zu überwinden, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator, an dem Leitungen einfach befestigt werden können, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein isolierendes Substrat; ein Paar Silizium-Schenkel, die mit einem Dotierstoff dotiert sind und jeweilige Endteile haben, die mit beiden Abschlussflächen des isolierenden Substrats verbunden sind; einen piezoelektrischen Teil, der an einer der mit dem isolierenden Substrat verbundenen Fläche gegenüberliegenden Fläche in jedem Silizium-Schenkel ausgebildet ist; und eine erste Elektrode, die an einer Fläche, die der dem Silizium-Schenkel gegenüberliegenden Fläche gegenüberliegt, in jedem piezoelektrischen Teil ausgebildet ist.
  • Bei diesem Aktuator wird ein Paar Silizium-Schenkel, deren Widerstand durch Dotierung mit einem Dotierstoff verringert wurde, durch ein isolierendes Substrat miteinander verbunden. Jeder Silizium-Schenkel hat eine vorgegebene Fläche, die mit einem piezoelektrischen Teil versehen ist, während der piezoelektrische Teil eine vorgegebene Fläche aufweist, die mit einer ersten Elektrode versehen ist. Daher wird der piezoelektrische Teil angetrieben, wenn eine der beiden Leitungen an der ersten Elektrode angebracht ist, während die andere an dem Silizium-Schenkel angebracht ist, und eine Spannung zwischen den beiden Leitungen angelegt wird. Hierbei kann die Leitung an dem Silizium-Schenkel an jeder Stelle darauf angebracht werden. Daher kann die Leitung an angemessen ausgewählten Stellen und Flächen angebracht werden, wo die Leitung einfach angebracht werden kann. Infolgedessen können Leitungen an diesen Aktuator einfacher angebracht werden als an den herkömmlichen Aktuator.
  • Bevorzugt umfasst der Aktuator des Weiteren eine zweite Elektrode, die an der mit dem piezoelektrischen Teil versehenen Fläche in dem Silizium-Schenkel ausgebildet ist. Da die erste und die zweite Elektrode in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, wird es einfacher, in diesem Fall Leitungen an den entsprechenden Elektroden anzubringen.
  • Bevorzugt wird das isolierende Substrat durch Glas gebildet. In diesem Fall kann Anoden-Bonden, das Bonden bei relativ niedrigen Temperaturen erlaubt, eingesetzt werden, um das isolierende Substrat an den Silizium-Schenkeln anzubringen, und das isolierende Substrat kann durch Ätzen einfach ausgebildet werden.
  • Der piezoelektrische Teil kann eine einlagige piezoelektrischer Schicht sein, oder er kann eine laminierte Struktur aufweisen, die abwechselnd laminierte piezoelektrische Schichten und Elektrodenschichten umfasst. Bevorzugt wird der piezoelektrische Teil durch PZT gebildet.
  • Bevorzugt weist die erste Elektrode eine Mehrschichtstruktur auf, bei der die oberste Schicht durch Au oder Pt gebildet wird. Dadurch kann eine Erosion des piezoelektrischen Teils durch ein zur Herstellung des Aktuators verwendetes Ätzmittel signifikant vermindert werden.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte Ausbilden einer piezoelektrischen Schichtstruktur auf einer Fläche jedes von zwei Siliziumsubstraten, die mit einem Dotierstoff dotiert sind; Ausbilden einer Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schichtstruktur; Bonden der zwei Siliziumsubstrate, die jeweils mit der piezoelektrischen Schichtstruktur und der Elektrodenschicht versehen sind, jeweils an beide Seiten eines isolierenden Substrats, so dass die piezoelektrischen Schichtstrukturen nach außen gerichtet sind; Schneiden eines Blocks mit einer vorgegebnen Form aus einem laminierten Substrat, das durch die zwei Siliziumsubstrate und das isolierende Substrat gebildet wird, die zusammen laminiert sind; und Ausbilden eines Silizum-Schenkels durch Schneiden des Blocks nach teilweisem Entfernen des isolierenden Substrats in dem Block an einer Seite.
  • Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Aktuators werden zwei Siliziumsubstrate, deren Widerstand durch Dotierung mit einem Dotierstoff verringert wurde, durch ein isolierendes Substrat miteinander verbunden. Jedes Siliziumsubstrat ist mit einer piezoelektrischen Schichtstruktur versehen, während eine Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schichtstruktur ausgebildet ist. Daher wird ein piezoelektrischer Teil angetrieben, wenn eine der beiden Leitungen an einer der Elektrodenschicht entsprechenden Elektrode befestigt ist, während die andere bei dem durch dieses Verfahren hergestellten Aktuator an einem Silizium-Schenkel befestigt ist, und eine Spannung zwischen den beiden Leitungen angelegt wird. Hierbei kann die Leitung an dem Silizium-Schenkel an jeder Stelle darauf befestigt werden. Daher kann die Leitung an auf geeignete Weise ausgewählten Positionen und Flächen befestigt werden, wo die Leitung einfach befestigt werden kann. Im Ergebnis können an diesen Aktuator Leitungen einfacher angebracht werden als an den herkömmlichen Aktuator.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt Ausbilden einer Elektrodenstruktur auf dem Siliziumsubstrat. In diesem Fall sind die auf der piezoelektrischen Schicht ausgebildete Elektrode und die Elektrode mit der Elektrodenstruktur in dieselbe Richtung ausgerichtet, was das Anbringen von Leitungen an die entsprechenden Elektroden erleichtert.
  • Bevorzugt wird das isolierende Substrat aus Glas gebildet. In diesem Fall kann Anoden-Bonden eingesetzt werden, welches das Bonden bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht, um das isolierende Substrat mit den Siliziumsubstraten zu verbinden, und das isolierende Substrat kann durch Ätzen einfach gebildet werden.
  • Bevorzugt wird die piezoelektrische Schichtstruktur durch PZT gebildet.
  • Kurze Figurenbeschreibung
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die den Aktuator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Silizium-Schenkels entlang der Linie II-II der 1;
  • 3A bis 3E sind schematische Ansichten eines Verfahrens zur Herstellung des Aktuators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4A bis 4H sind schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Ausbildung einer piezoelektrischen Schichtstruktur und einer Elektrodenstruktur auf einem Siliziumsubstrat in einem einem Aktuator entsprechenden Bereich;
  • 5A bis 5F sind schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zur Ausbildung eines Schenkelantriebs auf andere Weise;
  • 6 ist eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator in einem Modus darstellt, in dem piezoelektrische Vorrichtungen verwendet werden; und
  • 7 ist eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator darstellt, der piezoelektrische Vorrichtungen in einem anderen Modus als dem aus 6 anwendet.
  • Die besten Modi zur Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Modi, die bei der Ausführung des Aktuators und des Verfahrens zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung als die Besten betrachtet werden, im Einzelnen beschrieben. Identische oder äquivalente Bestandteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen, ohne sich deckende Erklärungen dieser zu wiederholen.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht des Aktuators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, ist der Aktuator 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aktuator zur HDD-Servoregelung und versetzt einen Magnetkopfschlitten (nachfolgend als Schlitten" bezeichnet) SL. Der Schlitten SL umfasst einen Dünnschicht-Magnetkopf H, der magnetische Aufzeichnungs-Informationen von Festplatten liest, und magnetische Aufzeichnungs-Informationen auf Festplatten aufzeichnet. Der Schlitten SL weist eine im Wesentlichen rechteckige Parallelepiped-Form auf, deren obere Fläche in 1 eine Luftlager-Fläche ist, die einer Festplatte gegenüber liegt. Der Schlitten SL aus 1 ist schematisch dargestellt, wobei eine Schlittenschiene zur Einstellung der magnetischen Levitation von der Festplatte und dergleichen nicht abgebildet ist.
  • Der Aktuator 10 umfasst ein Glassubstrat (isolierendes Substrat) 12, das wie eine rechteckige Platte geformt ist; ein Paar Silizium-Schenkel 14, 14, die beide wie rechteckige Säulen geformt sind; und entsprechende Schenkelantriebe 16 und Dünnschichtelektroden (zweite Elektroden oder Elektroden für Außenanschlüsse) 18, die an den Silizium-Schenkeln 14, 14 angebracht sind. Der Aktuator 10 ist an einem Schwenkarm 30 eines Festplattenlaufwerks angebracht. Der Schwenkarm 30 weist eine mit einem Kardanring 32 versehene Vorderkante auf und wird von einem Schwingspulenmotor angetrieben. Genauer gesagt, ist der Aktuator 10 an eine Zunge 32a des Kardanrings 32 gebondet und an ihr befestigt. Da die Silizium-Schenkel 14, 14 schwingen müssen, wird ein Klebstoff zum Sichern des Aktuators 10 am Kardanring 32 nur auf dem Glassubstrat 12 angebracht.
  • Jeder Silizium-Schenkel 14 besteht aus einem Einkristall-Silizium, das zur Verringerung seines Widerstandes mit Dotierstoffen dotiert ist, und weist einen spezifischen Widerstand von 1 Ω cm oder weniger auf. Einkristall-Silizium, das als Material für den Silizium-Schenkel 14 verwendet wird, ist als elastisches Material ausgezeichnet, da es sich innerhalb des Temperaturbereichs, in dem das Festplattenlaufwerk arbeitet, nicht plastisch verformt. Außerdem weist es eine hohe mechanische Festigkeit bei weniger Kristall-Fehlern auf, wodurch eine hochgenaue Positionssteuerung ermöglicht wird. Als Dotierstoffe können jegliche Donatoren, wie beispielsweise Phosphor, und jegliche Akzeptoren, wie beispielsweise Aluminium und Bor verwendet werden.
  • Die beiden Silizium-Schenkel 14, 14 erstrecken sich parallel zueinander, wobei sie jeweils Abschlussflächen 14a aufweisen, die anodisch an gegenüberliegende Abschlussflächen des Glassubstrats 12 gebondet sind. Auf diese Weise wird eine im Wesentlichen U-förmige Struktur aus einem Stück gebildet, bei der das Glassubstrat 12 ein paar Silizium-Schenkel 14, 14 stützt. Im Folgenden werden der Einfachheit halber die Richtungen, in die sich die Silizium-Schenkel 14, 14 erstrecken und ausrichten, als X-beziehungsweise Y-Richtung bezeichnet, wohingegen eine zu den Richtungen X und Y orthogonal verlaufende Richtung als Z-Richtung bezeichnet wird.
  • Jeder Schenkelantrieb 16 ist auf einer Fläche 24b gegenüber der Fläche 24a ausgebildet, die beim jeweiligen Silizium-Schenkel 14 an das Glassubstrat 12 gebondet ist. Der Schenkelantrieb 16 erstreckt sich in eine Richtung, wie eine rechteckige Platte, und ist so an dem Silizium-Schenkel 14 angebracht, dass seine Längsrichtung entlang der Längsrichtung (abgebildete X-Richtung) des Silizium-Schenkels 14 verläuft. Jede Dünnschichtelektrode 18 ist ebenso wie eine im Wesentlichen rechteckige Platte auf der Fläche 24b ausgebildet, die der im jeweiligen Schenkel 14 an das Glassubstrat 12 gebondeten Fläche 24a gegenüber liegt. Der Schlitten SL ist mit einem Klebstoff an der inneren Seitenfläche 24a (die an das Glassubstrat 12 gebondete Fläche) jedes Silizium-Schenkels 14 gesichert.
  • Mit Bezug auf 2 werden Im Folgenden die Querschnitt-Strukturen des Schenkelantriebs 16 und der Dünnschichtelektrode 18 erklärt. 2 ist eine Querschnittsansicht des Silizium-Schenkels 14, entnommen entlang der Linien II-II von 1.
  • Wie in 2 dargestellt, ist der Schenkelantrieb 16 in einem Teilgebiet der Fläche 24b des Silizium-Schenkels 14 ausgebildet, und wird durch ein piezoelektrisches Teil 20 und eine Dünnschichtelektrode (erste Elektrode) 22 gebildet. Der piezoelektrische Teil 20 ist eine einschichtige piezoelektrischer Schicht, die durch PZT gebildet wird (eine Mischung aus Bleizirkonat und Bleititanat). Die Dünnschichtelektrode 22 ist auf eine Fläche 20b gegenüber der Fläche 20a, die im piezoelektrischen Teil 20 an den Silizium-Schenkel 14 gebondet ist (ihm gegenüber liegt), laminiert. Die Dünnschichtelektrode 22 weist eine Dreischichtstruktur auf, worin eine Cr-Schicht 22a, eine Ni-Schicht 22b, und eine Au-Schicht 22a in dieser Reihenfolge, ausgehend von der dem piezoelektrischen Teil 20 näher liegenden Seite, laminiert sind.
  • Auf der anderen Seite ist die Dünnschichtelektrode 18 auf der Fläche 24b an einer Seite des Endteils 14a des Siliziumarms 14 ausgebildet, um sich nicht mit dem mit dem Schenkelantrieb 16 versehenen Bereich zu überlappen. Wie die Dünnschichtelektrode 22 weist auch die Dünnschichtelektrode 18 eine Dreischichtstruktur auf (gebildet aus einer Cr-Schicht 18a, einer Ni-Schicht 18b, und einer Au-Schicht 18c, die, ausgehend von der dem Silizium-Schenkel näher gelegenen Seite, aufeinander folgen).
  • Wenn ein Paar Bonddrähte (ein Paar Leitungen) 18A, 22A zur Leistungsversorgung an die Dünnschichtelektrode 18 auf dem Silizium-Schenkel 14, beziehungsweise an die Dünnschichtelektrode 22 auf dem piezoelektrischen Teil 20, angeschlossen werden, wird in dem Aktuator 10 eine Spannung an den piezoelektrischen Teil 20 des Schenkelantriebs 16 in Richtung Dicke (Y-Richtung in 1 und 2) durch den Silizium-Schenkel 14 angelegt, der seinen Widerstand verringert hat. Wenn eine Spannung an den piezoelektrischen Teil 20 an sich angelegt wird, dehnt sich der piezoelektrische Teil 20 des Schenkel-Antriebs 16 seiner Polarisationsrichtung entsprechend aus oder zieht sich zusammen, wodurch der Schlitten SL, der auf der Seite des anderen Endteils 14b des Silizium-Schenkels 14 vom piezoelektrischen Teil 20 gehalten wird, entlang der Y-Richtung verschoben wird.
  • Das bedeutete, der Aktuator kann die Lage des Schlittens SL steuern, und den Schlitten SL mit einem Genauigkeitsgrad schwingen, der durch das Zusammenwirken eines Schwingspulen-Motors und Schwenkarmen nicht realisierbar ist. Da der wie eine rechteckige Platte ausgebildete Schenkelantrieb 16 am Silizium-Schenkel 14 so angebracht ist, um eine Längsrichtung zu haben, die sich entlang der Längsrichtung des Silizium-Schenkels 14 erstreckt, können Auslenkungen des Schenkelantriebs 16 wirkungsvoll auf den Silizium-Schenkel 14 übertragen werden, wodurch der Silizium-Schenkel 14 mit hoher Präzision gesteuert werden kann.
  • Wie zuvor eingehend beschrieben, wird jeder Silizium-Schenkel 14, der durch Dotieren mit Dotierstoffen seinen Widerstand verringert hat, als Leitungsweg zum Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Teil 20 verwendet. Da ein Paar Silizium-Schenkel 14, 14 durch ein isolierendes Glassubstrat miteinander verbunden ist, kann jeder Silizium-Schenkel unabhängig davon, ob der andere Silizium-Schenkel mit Energie versorgt ist, oder nicht, mit Energie versorgt werden.
  • Auf der Oberfläche 20b des piezoelektrischen Teils 20 ist die Dünnschichtelektrode 22 ausgebildet, an der ein Bonddraht 22A des Bonddraht-Paars 18A, 22A zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Teil 20 angebracht ist. Dadurch kann eine Spannung an das piezoelektrische Teil 20 angelegt werden, unabhängig davon, wo der andere Bonddraht 18A des Bonddraht-Paares 18A, 22A an dem Silizium-Schenkel 14 angebracht ist. Das heißt, dass die Positionen und Flächen, an denen der Bonddraht einfach angebracht werden kann, wie erforderlich gewählt werden können, um den Bonddraht 18A am Silizium-Schenkel 14 anzubringen. Daher kann das Bonddraht-Paar 18A, 22A einfacher an diesem Aktuator angebracht werden als an einem herkömmlichen Aktuator. Außerdem wird eine Verdrahtungs-Struktur zur Leistungsversorgung für das piezoelektrische Teil 20 vereinfacht, da der elektrisch leitende Silizium-Schenkel 14 in Kontakt mit einer Seite des piezoelektrischen Teils 20 als ein Leiter verwendet wird.
  • Beim Anbringen des Bonddrahtes 18A an den Silizium-Schenkel 14 mittels Dünnschichtelektrode 18 wird die Dünnschichtelektrode 18 auf der wie oben erwähnt mit dem Schenkelantrieb 16 versehenen Fläche 20a ausgebildet. Da die Dünnschichtelektroden 18 und 22 in dieselbe Richtung (Y-Richtung aus 1 und 2) ausgerichtet sind, können die Bonddrähte 18A, 22A einfach entlang der Y-Richtung daran befestigt werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 3A bis 3E wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Aktuators 10 beschrieben. Die 3A bis 3E sind schematische Darstellungen, die ein Verfahren zur Herstellung des Aktuators 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Zunächst wird zur Herstellung des Aktuators 10 ein scheibenförmiges Glassubstrat (isolierendes Substrat) 40 vorbereitet, das ein Glassubstrat 12 werden soll, und seine Vorder- und Rückseiten werden geschliffen (siehe 3A). Danach werden zwei Einkristall-Siliziumsubstrate 42, die jeweils die Form einer Scheibe mit demselben Durchmesser wie der des Glassubstrats 40 aufweisen, jeweils an die geschliffene Vorder- und Rückseite gebondet, so dass sie ein laminiertes Substrat 44 bilden (siehe 3B). Jedes dieser Siliziumsubstrate 42 hat auf Grund des Dotierens mit Dotierstoffen einen spezifischen Widerstand von 1 Ω cm oder weniger. Das Glassubstrat 40 und das Siliziumsubstrat 42 werden anodisch aneinander gebondet. Dadurch können das Glassubstrat 40 und das Silizumsubstrat 42 bei relativ niedrigen Temperaturen mit günstiger Maßgenauigkeit aneinander gebondet werden. Außerdem ist das Anoden-Bonden sehr zuverlässig und hinterlässt nichts an der Bonding-Schnittstelle. Wenn hingegen zum Bonden ein Klebstoff verwendet wird, verbleibt zum Zeitpunkt des Glas-Ätzens ein Rückstand, der dem Herstellungsablauf des Aktuators 10 einen Prozess zur Beseitigung des Rückstands hinzufügt. Die Fläche 42b gegenüber der an das Glassubstrat 42a im Siliziumsubstrat 42 gebondeten Fläche 42a wurde bereits mit einer piezoelektrischen Schichtstruktur, in die die Elektrodenschichten laminiert sind, und mit einer Elektroden-Struktur gebildet.
  • Unter Bezugnahme auf die 4A bis 4H wird nun ein Verfahren zum Aufbringen einer piezoelektrischen Schichtstruktur und einer Elektrodenstruktur auf ein Siliziumsubstrat beschrieben. 4A bis 4H sind schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Aufbringen der piezoelektrischen Schichtstruktur und Elektrodenstruktur auf ein Siliziumsubstrat in einem Bereich darstellen, der einem Aktuator entspricht.
  • Zunächst wird ein mit Dotierstoffen dotiertes Siliziumsubstrat 42 hergestellt (siehe 4A), und eine Fläche 42b davon wird mit einer Maskenschicht 46 aus einer Schicht aus SiO2 oder PSG (mit Phospor dotiertes Glas) versehen, um eine Opferschicht zu werden (siehe 4B). Danach wird, wie in 4C gezeigt, der Teil der Maskenschicht 46, der dem mit dem piezoelektrischen Teil 20 zu bildenden Bereich entspricht, mit HF oder gepuffertem HF weggeätzt. Dann wird, wie in 4D gezeigt, eine piezoelektrische Schicht 48 aus PZT ausgebildet. Zum Ausbilden dieser Schicht können das Sol-Gel-Verfahren, Ionenstrahl-Sputtern, RF-Magnetron-Sputtern, DC-Magnetron-Sputtern, metallorganische CVD, PLD, hydrothermale Synthese, Elektrophorese und dergleichen verwendet werden. Obwohl die piezoelektrische Schicht 48 auch auf der Maskenschicht 46 gebildet wird, wird die letztere abgehoben, wobei nur die direkt auf der oberen Fläche 42b des Siliziumsubstrats 42 ausgebildete piezoelektrische Schicht (die piezoelektrische Schichtstruktur) 49 verbleibt, wie in 4E abgebildet. Um die piezoelektrische Schicht 48 mit einer günstigen Kristallinität zu erhalten, kann bei Bedarf vor Ausbilden der piezoelektrischen Schicht 48 auf dem Siliziumsubstrat 42 eine <100>-ausgerichteter Pt-Schicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 42 ausgebildet werden.
  • Wie in 4F gezeigt, wird eine Abhebe-Schutzschicht 50, die höher ist als die piezoelektrische Schicht 48, in einem Bereich zwischen den jeweiligen mit den Dünnschichtelektroden 18 und 22 zu versehenen Bereichen gebildet (strukturiert). Danach werden, wie in 4G dargestellt, eine Cr-Schicht 52, eine Ni-Schicht 54 und eine Au-Schicht 56 nacheinander durch ein Dünnschicht-Bildungsverfahren wie beispielsweise Sputtern ausgebildet, wodurch eine Elektrodenschicht 58 hervorgebracht wird, die eine Dreischichtstruktur aufweist. Schließlich wird die Abhebe-Schutzschicht 50 abgehoben, wodurch eine Elektrodenschicht (eine Elektrodenstruktur) 58A gebildet wird, aus der die auf dem Siliziumsubstrat 42 laminierte Dünnschichtelektrode wird, sowie eine Elektrodenschicht 58B, aus der die auf der piezoelektrischen Schichtstruktur 49 laminierte Dünnschichtelektrode 22 wird (siehe 4H).
  • Jedes der beiden in der 3B gezeigten Siliziumsubstrate 42 ist mit der piezoelektrischen Schichtstruktur 49, in die die Elektrodenschichten 58B laminiert sind, und mit der Elektrodenstruktur 58 in jedem Bereich, der ein Silizium-Schenkel 14 werden soll, gebildet. Die auf diese Weise gebildeten Strukturen sind wie Gitter angeordnet. Die beiden Siliziumsubstrate 42 sind jeweils an beide Seiten des Glassubstrats 40 gebondet, so dass die mit der piezoelektrischen Schichtstruktur 49 und der Elektrodenstruktur 58A versehenen Flächen 42b nach außen ausgerichtet sind, so dass sich ein scheibenförmiges laminiertes Substrat 44 ergibt.
  • Wie in 3C gezeigt, wird ein Block 60, in dem eine Anzahl Silizium-Schenkel parallel zueinander angeordnet sind, aus dem laminierten Substrat 44 ausgeschnitten. Der Block 60 umfasst einen Glasblock 62 und ein Paar Siliziumblöcke 64, 64, die jeweils an beiden Seiten des Glasblocks 62 angeordnet sind. Dann wird der Glasblock 62 im Block 60 mit HF oder gepuffertem HF geätzt, während eine Glasblock-Seitenfläche maskiert wird, so dass auf beiden Seiten des verkürzten Glasblocks 62 jeweils längere Siliziumblöcke 64 (eine Reihe von parallel angeordneten Silizium-Schenkeln) zurückbleiben, wie in der 3D gezeigt.
  • Danach wird, wie in 3E dargestellt, der geätzte Block 60 in gleich beabstandeten Abständen in der Längsrichtung davon in senkrechte Flächen geschnitten, wodurch die Aktuatoren 10 erhalten werden. Der durch Einsatz einer Technik zum Bonden einer Vielzahl von Substraten und einer Technik zum Ausbilden dünner Schichten hergestellte Aktuator 10 kann einfach kleiner gemacht werden, und kann auf weitere Verkleinerungen der Größe des Schlittens SL reagieren.
  • Da das Glassubstrat 40 durch Ätzen einfach geformt werden kann, kann das Glassubstrat 12 des Aktuators 10 einfach ausgebildet werden. Das Anpassen der Ätzzeit für das Glassubstrat 40 kann die Länge der Silizium-Schenkel einfach regeln.
  • Die auf der obersten Schicht der Elektrodenschicht 58 gebildete Au-Schicht dient beim Ätzen des Glassubstrats 40 als Schutzschicht. Dies kann die Dünnschichtelektroden 18, 22 und den piezoelektrischen Teil 20 signifikant davon abhalten, durch das Ätzmittel erodiert zu werden, ohne eigens einen Erosionsschutz auszubilden. Des Weiteren ist die Wirkung auch dann, wenn die Pt-Schicht die oberste Schicht der Elektrodenschicht 58 ist, gleichartig jener, wenn Au die oberste Schicht bildet.
  • Da das laminierte Substrat, in dem das Glassubstrat 40 zwischen den Siliziumsubstraten 42 gehalten wird, in einen Block 60 geschnitten wird (Siliziumblock 64/Glasblock 62/Siliziumblock 64), in dem eine Anzahl von Aktuatoren 10 parallel zueinander angeordnet sind, und der dem Glassubstrat 12 entsprechende Glasblock 62 geätzt wird, während er sich im Blockzustand befindet, wird das Glassubstrat effizient geformt, wodurch die Kosten reduziert werden.
  • Zum Ausschneiden und Abtrennen des Blocks 60 können Plättchenschneidemaschinen, Schneidemaschinen, Drahtsägen, Laser und dergleichen verwendet werden.
  • Jede piezoelektrische Schicht 20 zum Antreiben des jeweiligen Silizium-Schenkels 14 ist eine piezoelektrischer Schicht und kann unter Verwendung einer herkömmlichen Dünnschicht-Bildungstechnik direkt auf dem Siliziumsubstrat 42 ausgebildet werden, um zu dem Silizium-Schenkel 14 zu werden, wie oben erwähnt, wodurch Arbeitsschritte des Bondens der piezoelektrischen Vorrichtung und dergleichen entbehrlich werden und sich die Massenproduzierbarkeit der Aktuatoren verbessert. Durch das Abheben einer Opferschicht kann eine solche piezoelektrische Schicht als eine Struktur ausgebildet werden.
  • Im Prozess der Herstellung des Aktuators 10 erhält man einen Block 60, der eine Sandwich-Struktur aus Siliziumblock 64/Glasblock 62/Siliziumblock 64 aufweist. Eine Veränderung der Dicke des Siliziumblocks 64 (also des Siliziumsubstrats 42) verändert die Steifigkeit des Silizium-Schenkels 14, wodurch Aktuatoren mit erwünschter Auslenkung hergestellt werden können.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Obwohl das oben genannte erste Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung den Schenkelantrieb 16 mit einer einlagigen piezoelektrischen Schicht zeigt, kann der Schenkelantrieb 16 eine laminierte Struktur aufweisen, in der abwechselnd piezoelektrische Schichten und innere Elektrodenschichten laminiert sind. Ein solcher Schenkelantrieb mit einer laminierten Struktur kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, die bekannte Dünnschichtstapelungstechniken verwenden. Unter Bezugnahme auf die 5A bis 5F wird im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines Schenkelantriebs mit einer solchen laminierten Struktur erläutert. Die 5A bis 5F sind schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Ausbildung eines Schenkelantriebs in einem anderen Ausführungsbeispiel darstellen.
  • Zunächst wird, wie beim oben genannten Verfahren zur Herstellung des Schenkelantriebs 16 (siehe 4A bis 4E), eine rechteckige piezoelektrische Schichtstruktur 49A aus PZT auf einer Fläche 42b eines mit Dotierstoffen dotierten Siliziumsubstrats 42 ausgebildet (siehe 5A). In dem oberen Flächenbereich der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A wird der Bereich, der einen Endbereich 49a in den Abschlussteilen, die sich längs in der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A gegenüberliegen, ausschließt, mittels Aufdampfen, Sputtern oder dergleichen mit einer Elektrodenschicht 70 ausgebildet (siehe 5B). Im Anschluss daran wird eine piezoelektrische Schichtstruktur 49B, die dieselbe kristalline Ausrichtung hat wie die piezoelektrische Schichtstruktur 49A, auf den oberen Flächenbereichen der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A und der Elektrodenschicht 70 so ausgebildet, dass der Teil der Elektrodenschicht 70 freiliegt, der im anderen Endbereich in den sich längs in der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A gegenüberliegenden Abschlussbereichen ausgebildet ist (siehe 5C). Das heißt, dass in einem Endbereich 49a in den längs in der piezoelektrischen Schichtstruktur 49A gegenüberliegenden Abschlussbereichen die piezoelektrische Schichtstruktur 49B auf die piezoelektrische Schichtstruktur 49A laminiert wird, um die Kristallinität zu erhalten.
  • Des Weiteren wird auf der piezoelektrischen Schichtstruktur 49B eine Elektrodenschicht 72 so ausgebildet, dass der Teilbereich 49b der piezoelektrischen Schichtstruktur 49B freigelegt wird, ohne den freiliegenden Teil der Elektrodenschicht 70 zu bedecken (siehe 5D). Die Elektrodenschicht 72 wird auch auf der Seitenfläche der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A, 49B gegenüber der Seite gebildet, wo die Elekt rodenschicht 70 freiliegt, und wird elektrisch mit dem Siliziumsubstrat 42 verbunden. Dann wird eine piezoelektrische Schichtstruktur 49C mit derselben kristallinen Ausrichtung wie die der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A und 49B gebildet, um die obere Fläche der Elektrodenschicht 72 und den freiliegenden Teil der piezoelektrischen Schichtstruktur 49B zu bedecken (siehe 5E). Das heißt, dass die piezoelektrische Schichtstruktur 49C auf die piezoelektrische Schichtstruktur 49B laminiert wird, um die Kristallinität zu erhalten. Schließlich wird eine Elektrodenschicht 74 laminiert, um die piezoelektrische Schichtstruktur 49C und den freiliegenden Teil der Elektrodenschicht 70 zu bedecken (siehe 5F). In der auf diese Weise gebildeten laminierten Struktur, die ein Schenkelantrieb werden soll, ist die oberste Elektrodenschicht 74 eine Dünnschichtelektrode, die im Wesentlichen dieselbe ist wie die Dünnschichtelektrode 22 im ersten Ausführungsbeispiel, wohingegen die drei Schichten der piezoelektrischen Schichtstrukturen 49A, 49B, 49C und die zwei abwechselnd dazwischen eingefügten Schichten, Elektrodenschichten 70, 72 ein piezoelektrischer Teil werden, der im Wesentlichen derselbe ist wie der piezoelektrische Teil 20 im ersten Ausführungsbeispiel.
  • Unter Verwendung des Siliziumsubstrats 42 mit einer derartigen laminierten Struktur wird ein Aktuator ausgebildet, der Schenkelantriebe mit einer laminierten Struktur aufweist. Da der piezoelektrische Teil eine laminierte Struktur aufweist, kann der so ausgebildete Aktuator für jeden Silizium-Schenkel 14 eine größere Auslenkung erzielen als der Aktuator 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Obwohl das oben genannte erste und zweite Ausführungsbeispiel die Aktuatoren mit Schenkelantrieben 16 zeigen, die unter Verwendung von Laminiertechniken hergestellt werden, kann ein Aktuator durch den Einsatz eines eigenständig hergestellten Schenkelantriebs hergestellt werden. Das heißt, dass, wie in 6 gezeigt, eine wie eine rechteckige Säule geformte piezoelektrische Vorrichtung 76, in der eine durch ein piezoelektrisches Material gebildete piezoelektrische Platte 76A (piezoelektrisches Teil) auf beiden Seiten zwischen einem Elektrodenplatten-Paar 76B, 76C gehalten wird, als ein Schenkelantrieb verwendet wird. 6 ist eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator in einem Modus darstellt, in dem er piezoelektrische Vorrichtungen verwendet.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung dieses Aktuators 10A erläutert. Zunächst wird in einem Verfahren, das im Wesentlichen mit dem Verfahren zur Herstellung des im oben genannten ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Aktuators 10 identisch ist, eine Struktur 78 hergestellt, die nur aus Silizium-Schenkeln 14, einem Glassubstrat 12 und den Dünnschichtelektroden 18 besteht. Im Anschluss daran wird die piezoelektrische Vorrichtung 76 so an jeden Sillizium-Schenkel 14 gebondet und an diesem gesichert, dass sich eine Elektrodenplatte 76B jeder piezoelektrischen Vorrichtung 76 und eine der zwischen dem Silizium-Schenkel 14 und dem Glassubstrat 12 liegenden Bonding-Fläche 24a gegenüberliegende Fläche 24b gegenüberliegen, und so, dass die Längsrichtung des Silizium-Schenkels 14 und die Längsrichtung der piezoelektrischen Vorrichtung 76 miteinander gefluchtet sind. Es können nicht nur elektrisch leitende Klebstoffe wie Epoxid, Silikon und Acrylarten verwendet werden, sondern es können auch isolierende Klebstoffe verwendet werden, solange sie nur teilweise aufgetragen werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Silizium-Schenkel 14 und der Elektrodenplatte 76B sicherzustellen.
  • Bei dem zuvor erklärten Aktuator 10A wird jeder Silizium-Schenkel mit durch Dotieren mit Dotierstoffen verringertem Widerstand als ein Leitungsweg zum Anlegen einer Spannung an die jeweilige piezoelektrische Platte 76A verwendet. Eine der dem Silizium-Schenkel 14 in der piezoelektrischen Platte 76 gegenüberliegenden Fläche 76a gegenüber liegende Fläche 76b ist mit einer Elektrodenplatte (erste Elektrode, die der oben genannten Dünnschichtelektrode 22 entspricht) 76C versehen, an der ein Bonddraht 22A eines Bonddraht-Paares 18A, 22A zum Anlegen einer Spannung an die piezoelektrische Platte 76A angebracht ist. Daher kann an die piezoelektrische Platte 76A eine Spannung angelegt werden, unabhängig davon, wo der andere Bonddraht des Bonddraht-Paares 18A, 22A am Silizium-Schenkel angebracht ist. Das heißt, dass der Bonddraht 18A am Silizium-Schenkel 14 befestigt werden kann, indem Positionen und Flächen angemessen ausgewählt werden, an denen der Bonddraht 18A einfach angebracht werden kann. Infolgedessen kann ein Bonddraht-Paar 18A, 22A an dieser Struktur einfacher angebracht werden als an einem herkömmlichen Aktuator.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Die am Silizium-Schenkel 14 angebrachte piezoelektrische Vorrichtung ist nicht auf die piezoelektrische Vorrichtung 76 beschränkt, die eine einzige Schicht einer piezoelektrischen Platte aufweist, wie im dritten Ausführungsbeispiel gezeigt, sondern kann eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung 80 sein, bei der eine Vielzahl piezoelektrischer Schichten und innerer Elektroden laminiert sind, wie in 7 gezeigt. 7 ist eine schematische Perspektivansicht, die einen Aktuator zeigt, der piezoelektrische Vorrichtungen in einem anderen Modus als dem in der 6 gezeigten verwendet. Das heißt, dass der Aktuator 10B gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische Vorrichtung 80 verwendet, bei der ein Paar von äußeren Elektrodenplatten 82A, 82B, jede mit einem L-förmigen Querschnitt, einen laminierten piezoelektrischen Körper (ein piezoelektrisches Teil) 84 dazwischen als Schenkelantrieb hält. Der laminierte piezoelektrische Körper 84 wird durch piezoelektrische Schichten 86 und innere Elektroden 88a, 88b gebildet, die abwechselnd laminiert sind. Ein Endabschnitt jeder inneren Elektrode 88a liegt an einer Abschlussfläche des laminierten piezoelektrischen Körpers 84 frei und ist mit der äußeren Elektrode 82B verbunden. Auf der anderen Seite liegt an der anderen Abschlussfläche des laminierten piezoelektrischen Körpers 84 ein Endabschnitt jeder inneren Elektrode 88b frei und ist mit der äußeren Elektrodenplatte 82A verbunden.
  • Jede piezoelektrische Vorrichtung 80 ist an den entsprechenden Silizium-Schenkel 14 gebondet und daran gesichert, um eine Längsrichtung zu erhalten, die mit der der piezoelektrischen Vorrichtung 76 gefluchtet ist, so dass eine äußere Elektrodenplatte 82 der Fläche 24b gegenüberliegt, die der an das Glassubstrat 12 im Silizium-Schenkel 14 gebondeten Fläche 24a gegenüberliegt. Hierbei ist die äußere Elektrodenplatte 82A (erste Elektrode) nicht in Kontakt mit dem Silizium-Schenkel 14, sondern bildet dazwischen einen Spalt.
  • Bei dem zuvor erklärten Aktuator 10B wie auch bei dem Aktuator 10A gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann der Bonddraht 18A an jedem Silizium-Schenkel 14 angebracht werden, indem Positionen und Flächen, wo der Bonddraht 18A einfach angebracht werden kann, angemessen ausgewählt werden. Infolgedessen kann ein Bonddraht-Paar 18A, 22A an diesem Aktuator einfacher angebracht werden, als an einem herkömmlichen Aktuator. Darüber hinaus kann, da die piezoelektrische Vorrichtung 80 von laminiertem Typ ist, eine größere Auslenkung jedes Silizium-Schenkels 14 erzielt werden als beim Aktuator 10A mit der piezoelektrischen Vorrichtung 76. Als piezoelektrische Vorrichtung können nicht nur solche vom einplattigen und laminierten Typ, sondern auch solche bimorphen Typs verwendet werden.

Claims (11)

  1. Aktuator (10), der umfasst: ein isolierendes Substrat (12); ein Paar Silizium-Schenkel (14), die mit einem Dotierstoff dotiert sind und jeweils Endteile (14a) haben, die mit beiden Abschlussflächen des isolierenden Substrats verbunden sind; einen piezoelektrischen Teil (20), der an einer der mit dem isolierenden Substrat verbundenen Fläche gegenüberliegenden Fläche in jedem Silizium-Schenkel ausgebildet ist; und eine erste Elektrode (22), die an einer Fläche, die der dem Silizium-Schenkel gegenüberliegenden Fläche gegenüberliegt, in jedem piezoelektrischen Teil ausgebildet ist.
  2. Aktuator nach Anspruch 1, der des Weiteren eine zweite Elektrode (18) umfasst, die an der mit dem piezoelektrischen Teil versehenen Fläche in dem Silizium-Schenkel ausgebildet ist.
  3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das isolierende Substrat durch Glas gebildet wird.
  4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Teil ein einschichtiger piezoelektrischer Film ist.
  5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Teil eine Laminatstruktur aufweist, die abwechselnd laminierte piezoelektrische Filme und Elektrodenfilme umfasst.
  6. Aktuator nach Anspruch 4 oder 5, wobei der piezoelektrische Film durch PZT gebildet wird.
  7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Elektrode eine mehrschichtige Struktur umfasst, die eine oberste Schicht enthält, die durch Au oder Pt gebildet wird.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Aktuators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer piezoelektrischen Filmstruktur auf einer Fläche jedes von zwei Silizium-Substraten, die mit einem Dotierstoff dotiert sind; Ausbilden eines Elektrodenfilms auf der piezoelektrischen Filmstruktur; Bonden der zwei Silizium-Substrate, die jeweils mit der piezoelektrischen Filmstruktur und dem Elektrodenfilm versehen ist, jeweils an beide Seiten eines isolierenden Substrats, so dass die piezoelektrischen Filmstrukturen nach außen gerichtet sind; Schneiden eines Blocks mit einer vorgegebenen Form aus einem laminierten Substrat, das durch die zwei Silizium-Substrate und das isolierende Substrat gebildet wird, die zusammen laminiert sind; und Ausbilden eines Silizium-Schenkels durch Schneiden des Blocks nach teilweisem Entfernen des isolierenden Substrats in dem Block an einer Seite.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Aktuators nach Anspruch 8, das des Weiteren den Schritt des Ausbildens einer Elektrodenstruktur auf dem Silizium-Substrat umfasst.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Aktuators nach Anspruch 8 oder 9, wobei das isolierende Substrat durch Glas gebildet wird.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Aktuators nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die piezoelektrische Filmstruktur durch PZT gebildet wird.
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