KR100245377B1

KR100245377B1 - 정전방식 마이크로 액츄에이터

Info

Publication number: KR100245377B1
Application number: KR1019970051552A
Authority: KR
Inventors: 성우경
Original assignee: 김덕중; 사단법인고등기술연구원연구조합
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2000-02-15
Also published as: KR19990031022A

Abstract

본 발명은 정전방식 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로, 현재 사용되고 있는 반도체 제조공정을 이용하면서도, 큰 정전력을 발생시켜 구동전압을 낮추기 위하여, 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거 각각의 선단을 삼각형 형상으로 하되, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 핑거가 서로 오버랩되지 않고 일정거리 떨어지는 구조를 가지는 것을 특징으로 하여, 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.

Description

정전방식 마이크로 액츄에이터

본 발명은 정전방식 마이크로 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고집적 초소형 하드디스크 드라이브(Hard disk drive : HDD)의 정밀 위치 제어를 위한 포지셔너에 사용되는 정전방식 마이크로 액츄에이터의 정전력(electrostatic force)을 증가시키도록 핑거의 형상을 변경하여 구동전압을 낮출 수 있는 정전방식 마이크로 액츄에이터에 관한 것이다.

통상적으로 마이크로 액츄에이터는 크게 전자장방식의 일렉트로마그네틱 마이크로 액츄에이터(Electromagnetic microactuator)와, 정전방식의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터(Electorstatic microactuator)로 나누어지는 바, 정전력에 의해 구동되는 초소형의 정전방식 마이크로 액츄에이터는 2개의 전극을 미소한 갭 간격으로 대향시키는 단순한 구조로서 마이크로 머시닝으로 만들기 쉽고, 치수를 작게 하면 표면에 작용하는 힘인 정전력이 중력 등에 비해 지배적인 힘이 되기 때문에 미소변위생성능력을 가지므로 초정밀위치제어를 구현할 수 있으므로 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등과 같은 극히 정밀한 위치제어가 요구되는 시스템에 가장 널리 사용되고 있다.

이러한 마이크로 액츄에이터는 예를 들어, 컴퓨터의 보조기억장치로서, 내부의 스핀들모터에 의해 고속으로 회전하는 디스크의 트랙에 기록된 데이터를 기록 또는 독출하기 위한 자기헤드(magnetic head)를 구비하는 하드디스크 드라이브의 분야에서 강력히 요망되는 것으로, 현재의 기억용량이 1 GB/in2 정도에서는 필요없지만, 향후 2000년경에 가능할 것으로 예상하는 10 GB/ in2 정도의 기억용량을 요하는 경우에는 반드시 필요한 것이 된다.

도 1은 일반적인 정전방식 마이크로 액츄에이터를 도시한 것으로써, 도시된 바와 같이, 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터는, 좌우 양측에 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지는 한쌍의 고정자(10)가 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된다. 전술한 한쌍의 고정자(10)의 복수개의 빗형상체(12)의 각각에는 복수개의 핑거(14)가 상방으로 돌출하고 있다. 이와 같은 고정자(10)의 빗형상체(12)사이에는 복수개의 핑거(24)가 하방으로 돌출되어 있는 복수개의 빗형상체(22)를 가지는 이동자(20)가 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된다. 즉, 고정자(10)의 핑거(14)와 이동자(20)의 핑거(24)는 통상 수 μm에서 수십 μm정도 오버랩되어 있다.

한편, 소정의 탄성계수를 갖는 스프링(30)이 한쌍의 이동자(20)의 좌우에 각각 부착되고, 이 스프링(30)을 지지하고 전원을 공급하는 앵커(40)가 한쌍의 이동자(20)의 상하에 부착된다.

앵커(40)로부터 이동자(20)의 상하에 각각 전압이 인가되면, 고정자(10)와 이동자(20)사이의 전위차에 의해 이동자(20)가 탄력있게 이동된다.

그러나, 이와 같이 구성된 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터의 정전력은 도 2로부터 잘 알수 있는 바와 같이, 핑거와 핑거사이에 발생하는 힘F(x)에 소위 트랜스버스 포스(transverse force)F(t)가 부가되는 것으로, 다음과 같이 계산된다.

여기서, n은 핑거의 수이고,

＆epsi;_o

는 공기중에서 8.854×10-12 인 물질상수이고, V는 전압이고, t는 핑거의 두께이고, g는 고정자의 핑거와 이동자의 핑거의 각 측면사이의 갭이고, y는 이동 변위이고, g₁는 고정자 핑거의 선단과 이동자 빗형상체의 기저면까지의 갭이고, g₂는 이동자 빗형상체의 바닥면부터 고정자 빗형상체의 바닥면까지의 갭이고, l_f는 이동자 핑거의 각각의 폭길이에 핑거의 수를 곱한값이고, l_b는 고정자 빗형상체의 폭길이이다.

따라서, 정전력은 이동자와 고정자의 핑거사이의 갭에 반비례하며, 이동자와 고정자의 두께에 비례하므로, 큰 정전력을 발생시키기 위해서는 갭을 작게하고 두께를 크게하여야 한다. 하지만, 일반적인 MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems) 에 사용되는 마이크로 액츄에이터는 반도체 제조공정을 사용하여 제작되기 때문에, 그 갭과 두께는 사용되는 제조공정에 의해서 결정되는 것이므로, 현재 일반적으로 사용되는 UV 리쏘그라피와, CVD, 건식식각 등을 사용하는 경우에 대략 3μm의 두께와 2μm의 갭을 가지는 제조공정 기술상의 한계를 극복해야 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 최근에는 새로운 방식이 개발되고 있다. 예를 들면, 갭을 1μm이하로 하기 위하여 X선(X-ray)를 이용하는 새로운 리쏘그라피 방식이 개발되고 있고, 두께를 크게하기 위하여 딥(deep) RIE(reactive ion etching) 기술등이 개발되고 있지만, 이러한 방식들은 현재 제조 비용이 너무 커서 사용되기 어렵다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 현재 사용되고 있는 반도체 제조공정을 이용하면서도, 큰 정전력을 발생시켜 구동전압을 낮출 수 있는 정전방식 마이크로 액츄에이터를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 빗형상체의 사이에서 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 스프링을 지지하면서 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하는 수단으로 이루어진 빗형상의 일렉트로스테틱 마이크로 액츄에이터에 있어서, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거 각각의 선단을 삼각형 형상으로 하되, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 핑거가 서로 오버랩되지 않고 일정거리 떨어지는 구조을 가지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 정전방식 마이크로 액츄에이터를 도시하는 구성도이고,

도 2는 도 1의 고정자 및 이동자에 형성된 스트레이트형 핑거를 확대하여 나타낸 상세도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 고정자 및 이동자의 각각의 핑거 선단이 삼각형으로 형성된 정전방식 마이크로 액츄에이터를 도시하는 구성도이고,

도 4는 고정자와 이동자의 각각의 핑거가 서로 오버랩된 길이에 따른 힘을 측정하는 유한요소법에 의한 시물레이션의 결과를 나타내는 그래프이고,

도 5는 본 발명에 따른 핑거사이의 갭과 종래의 핑거사이의 갭에 의한 전압-변위 곡선을 비교하는 그래프이다.

＆lt; 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＆gt;

10 ; 고정자 12,22 ; 빗형상체

14,24 ; 스트레이트형 핑거 20 ; 이동자

30 ; 스프링 34,44 ; 선단이 삼각형인 핑거

40 ; 앵커

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 본 발명에 따른 정전방식 마이크로 액츄에이터를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3는 본 발명의 일실시예에 따라 고정자 및 이동자의 각각의 핑거 선단이 삼각형으로 형성된 정전방식 마이크로 액츄에이터를 나타내는 구성도이고, 도 4는 고정자와 이동자의 각각의 핑거가 서로 오버랩된 길이에 따른 힘을 측정하는 유한요소법에 의한 시물레이션의 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 핑거로서 그 사이의 갭이 변화됨에 따른 전압-변위 곡선과 종래의 핑거사이의 갭에 의한 전압-변위 곡선을 비교하는 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정전방식 마이크로 액츄에이터는 핑거의 형상과 핑거사이의 오버랩길이가 다른 것이외에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 마찬가지로, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자(10)가 각각 복수개의 빗형상체(12)를 가지고, 각 빗형상체(12)마다 n 개의 핑거(34)가, 이동자(20)는 복수개의 빗형상체(22)를 가지고, 각 빗형상체(22)마다 n + 1 개의 핑거(44)가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자(10)의 핑거(34)사이에서 선형적으로 왕복운동이 가능하게 설치되어 있고, 소정의 탄성계수를 가진 스프링(30)이 상기 이동자(20)에 부착되며, 이 스프링(30)은 상기 고정자(10) 및 이동자(20)에 전원을 공급하는 앵커(40)에 지지되어 있다.

본 발명의 정전방식 마이크로 액츄에이터는 고정자(10) 및 이동자(20)의 각각의 핑거(34)(44)의 선단이 서로 미세하게 오버랩되므로, 발생하는 정전력이 감소하게 된다. 좀더 상세히 설명하면, 도 4의 유한요소법에 의한 시물레이션의 결과로부터 잘 알 수 있는 바와 같이, 핑거의 끝이 사각형인 경우에 있어서 오버랩을 0, 즉 고정자(10)의 핑거(34)와 이동자(20)의 핑거(44)의 단부사이의 간격이 없는 경우에는 10%의 힘의 감소가 발생되고, 오버랩이 -1, 즉 양 핑거(34)(44)의 단부사이의 간격이 1μm 인 경우에는 30%의 힘의 감소가 발생되고, 오버랩이 -2, 즉 간격이 1μm 인 경우에는 50%의 힘이 감소하므로, 본발명은 고정자(10) 및 이동자(20)의 각각의 핑거(34)(44)의 선단을 삼각형 형상으로하고, 삼각형 부위를 제외하였을 때의 오버랩을 -1에서 -2로 함으로서, 고정자와 이동자사이의 갭을 2μm보다 작게하여, 바람직하기로는 0.2에서 1μm정도로 하여, 현재 일반적으로 사용되는 UV 리쏘그라피와, CVD, 건식식각 등을 사용하는 반도체 제조공정으로 제작하되, 두 핑거사이의 전기장 분포를 개선함으로서 오버랩에 의한 힘의 감소를 보상하고, 전체적으로는 힘을 증가시켰다. 이때, 리쏘그라피 분해능을 고려하여 삼각형의 형상을 결정하는 것으로, UV를 사용하는 리쏘그라피의 경우에는 30°에서 60°의 꼭지각을 이루는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 정전방식 마이크로 액츄에이터의 작동원리는 다음과 같다.

본 발명은 오버랩됨이 없이 일정거리 떨어져 있는 고정자(10)의 핑거(34)와 이동자(20)의 핑거(44)의 선단을 삼각형의 형상으로하여 서로 마주보고 있는 캐패시터를 형성하고 있으므로, 고정자(10) 및 이동자(20)에 일정 전압을 인가하면, 캐패시터의 정전용량이 증가하는 방향으로 서로 끌어당기는 정전력이 발생하여 움직이게 된다. 인가한 전압이 증가함에 따라서 오버랩이 발생하고, 이후는 고정자(10)와 이동자(20)사이의 갭이 종래보다 작기 때문에, 종래에 비해 훨씬 큰 힘을 갖게 되어서 저전압 구동이 가능하게 된다.

또한, 부가적으로 본 발명의 정전방식 마이크로 액츄에이터는 갭이 작기 때문에 종래의 방식보다 훨씬 더 많은 핑거의 개수를 가지게 되며, 정전 방식의 마이크로 액츄에이터의 힘은 핑거의 개수에 비례하므로 같은 크기에서 더 큰 정전력을 발생하게 된다.

도 5에 도시된 전압-변위 곡선으로 부터 잘 알 수는 바와 같이, 본 발명에 따라 고정자(10) 및 이동자(20)의 각각의 핑거(34)(44)의 선단이 삼각형이고, 핑거 사이의 갭이 0.2μm인 곡선 I과, 핑거사이의 갭이 0.4μm인 곡선 II 및 핑거사이의 갭이 0.6μm인 곡선 III을 2μm의핑거사이의 갭을 갖고 오버랩이 3μm인 종래의 방식에 비교해 보면 본 발명의 빗살형 정전방식 마이크로 액츄에이터는 매우 낮은 전압에서 1μm이상의 변위를 구현하는 효과를 가지게 된다.

이상과 같이 개시된 실시예는 단지 예시적 의미일 뿐 제한적 의미를 갖는 것은 아니며 청구범위와 균등한 의미를 갖는 모든 변형예들 또한 본 발명의 범주내에 포함될 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 정전방식 마이크로 액츄에이터에 의하면, 핑거의 선단의 형상을 변형하되 오버랩 없이 소정거리 떨어뜨려 놓으므로써, 현재 사용되고 있는 반도체 제조공정을 이용하면서도, 큰 정전력을 발생시켜 구동전압을 낮출 수 있는 하드디스크 드라이버(hard disk drive)의 헤드, 마이크로 포지셔너(micro positioner)등에서 극히 정밀한 위치제어를 행하는 효과를 제공한다.

Claims

각각 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n 개의 핑거가 형성되어, 상호 소정 이격된 거리를 두고 대향되게 고정설치된 한쌍의 고정자와, 복수개의 빗형상체를 가지고, 각 빗형상체마다 n + 1 개의 핑거가 형성되어, 상기 한쌍의 고정자의 핑거사이에서 선형적으로 상하 왕복운동이 가능하게 설치된 이동자와, 소정의 탄성계수를 가지고, 상기 이동자에 부착된 스프링과, 상기 고정자 및 이동자에 전원을 공급하고, 상기 스프링을 지지하는 앵커로 이루어진 정전방식 마이크로 액츄에이터에 있어서,

상기 고정자 및 이동자의 각각의 빗형상체에 형성되는 핑거의 각각의 선단을 삼각형 형상으로 하되, 상기 고정자 및 이동자의 각각의 핑거가 서로 오버랩되지 않고 일정거리 떨어지는 구조을 가지는 것을 특징으로 하는 정전방식 마이크로 액츄에이터.
제 1 항에 있어서,

상기 고정자 및 이동자의 각각의 핑거 선단은 오버랩됨이 없이 삼각형부위를 제외하여 1-2μm정도 일정거리 떨어져 있어, 상기 고정자와 이동자사이의 갭을 2μm보다 작도록 UV 리쏘그라피, CVD, 또는 건식식각 방식을 사용하는 반도체 제조공정으로 제작한 것을 특징으로 하는 정전방식 마이크로 액츄에이터.
제 2 항에 있어서,

상기 고정자 및 이동자사이의 갭은 0.2에서 1μm인 것을 특징으로 하는 정전방식 마이크로 액츄에이터.
제 2 항에 있어서,

상기 고정자 및 이동자는 UV를 사용하는 리쏘그라피의 경우에는 30°에서 60°의 꼭지각을 이루는 것을 특징으로 하는 정전방식 마이크로 액츄에이터.