KR19980024493A - 위치 결정 메카니즘 및 메모리 소자 - Google Patents

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KR19980024493A
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토시아키 우에노
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하드캐스틀 아이안
휴렛트-팩카드 캄파니
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Abstract

본 발명은 이동 방향으로 위치를 결정하기 위한 위치 결정 메카니즘(기구)에 관한 것이다. 위치 결정 메카니즘은 서로에 대해서 이동 가능하게 장착된 제 1 부재(101, 103, 105)와 제 2 부재(103; 101, 105; 103)를 포함하고 있으며, 부가적으로 이동 방향에 대해서 수직한 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 배치된 가늘고 긴 벤딩 소자(123, 127)를 포함하고 있다. 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 부재 소자부(155)는 제 1 부재에 결합된다. 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 2 부재에 대해서 제 1 부재를 이동 방향으로 움직이도록 인가된 구동 신호에 응답하여 세로 방향으로 구부러진다.

Description

위치 결정 메카니즘 및 메모리 소자
본 발명은 콤팩트한 고정밀의 위치 결정 메카니즘에 관한 것으로, 특히 스캐닝 프로브 마이크로스코프, 이동 매체형 메모리 소자, 마이크로조정기 등에서 물체를 위치 결정하는데 적합한 콤팩트한 고정밀의 위치 결정 메카니즘에 관한 것이다.
스캐닝 프로브 마이크로스코프는 샘플의 표면과 프로브 팁(tip) 사이에 존재하는 물리적 파라미터를 측정하여 샘플의 표면 형태(surface topology)를 결정한다. 물리적 파라미터란 예를 들어 프로브 팁과 표면 사이의 캐패시턴스(정전용량)나 접촉 전압, 혹은 프로브 팁과 표면 사이에 흐르는 터널링 전류의 크기 등이다. 이러한 스캐닝 프로브 마이크로스코프는 샘플의 표면의 극히 작은 영역 특유의 물리적 파라미터를 측정할 수 있다. 이 영역은 수십 나노미터 정도의 크기를 갖는다. 스캐닝 프로브 마이크로스코프에 의거하여 이동 매체형 메모리 소자는 약 30㎚의 직경을 갖는 영역에 1 비트를 기록할 수 있다. 스캐닝 프로브 마이크로스코프에 의거한 마이크로 조정기는 수십 나노미터의 스케일에서 동작한다.
표면 형태가 측정되는 물체가 프로브 팁에 대해서 움직여지는 스캐닝 프로브 마이크로스코프 유형에 있어서, 물체는 통상 스테이지 위에 장착되어 움직인다. 스테이지를 움직이면 물체가 동일 거리만큼 움직인다. 스캐닝 프로브 마이크로스코프는 표면 형태가 측정되는 물체의 위치와 스테이지의 위치가 마이크로스코프의 동작 스케일 보다 작은 간격으로 타겟 위치에서 벗어날 것을 요하고 있다. 이동 매체형 메모리 소자는 메모리 매체가 장착되는 스테이지의 위치가 1 비트가 기록되는 메모리 매체의 영역의 선형 규격 보다 작은 간격으로 타겟 위치에서 벗어날 것을 요한다. 이러한 유형의 위치 결정을 수행하는 종래의 위치 결정 소자는 액츄에이터(작동기)로서 압전 소자를 사용한다. 예를 들어 Tagawa 등의 미국 특허 제 5, 297, 132호를 참조하라.
상기한 미국 특허 제 5, 297, 132호에 개시된 위치 결정 소자와 같은 방금 기술한 유형의 위치 결정을 수행하는 종래의 위치 결정 소자는 액츄에이터로서 압전 소자를 사용한다. 도 1은 액츄에이터로서 스택(적층)형 압전 소자를 사용하는 종래의 위치 결정 메카니즘을 도시하고 있다. 도 1에 도시한 위치 결정 메카니즘은 직사각형 스테이지(1)와, 스테이지(1)를 에워싸는 내부 프레임(3)과, 내부 프레임(3)을 에워싸는 외부 프레임(5)으로 구성되어 있다. x 방향의 스택형 압전 소자(7, 9)는 스테이지와 내부 프레임 사이에 배치되며, y 방향의 스택형 압전 소자(11, 13)는 내부 프레임과 외부 프레임 사이에 배치되어 있다. 스테이지와 내부 프레임 사이에 배치된 내부 현수 스프링은 내부 프레임에서 스테이지를 지지하고 있다. 내부 프레임과 외부 프레임 사이에 배치된 외부 현수 스프링(19)은 외부 프레임에서 내부 프레임을 지지하고 있다. x 방향의 압전 소자(7, 9)는 x 방향과 서로 대향하는 내부 프레임 양 측면의 중앙에 위치하고 있다. y 방향의 압전 소자(11, 13)는 y 방향과 서로 대향하는 내부 프레임의 양 측면의 중앙에 위치하고 있다. y 방향의 압전 소자가 위치하고 있는 내부 프레임측은 x 방향의 압전 소자가 위치하고 있는 내부 프레임측과는 수직이다.
스테이지(1)와 내부 프레임(3) 사이에 배치된 내부 현수 스프링(15)은 x 방향의 압전 소자(7, 9)가 위치한 측과는 상이한 대향측에 위치하고 있다. 두 현수 스프링은 각각 대향측에 위치하고 있다. 내부 프레임과 외부 프레임(5) 사이에 배치된 외부 현수 스프링(19)은 y 방향의 스택형 압전 소자(11, 13)가 놓여진 대향측과는 상이한 대향측에 놓여져 있다. 다시 두 현수 스프링은 각각의 대향 측에 놓여져 있다.
x 방향의 압전 소자(7, 9)는 스테이지(1)를 도 1에 도시한 x 방향으로 이동하게 하며, y 방향의 압전 소자(11, 13)는 스테이지와 내부 프레임(3)을 도 1에 도시한 y 방향으로 함께 이동하게 한다. 일반적으로, 스택형 압전 소자는 적절히 정확하게 동작이 가능하도록 사전 로딩을 요한다. 도 1에 도시한 실시예에서, 사전 로딩은 x 방향의 스택형 압전 소자(7, 9)를 일정 압력으로 스테이지 쪽으로 누르거나, y 방향의 스택형 압전 소자(11, 13)를 일정 압력으로 내부 프레임쪽으로 누름으로써 스테이지(1) 또는 내부 프레임(3)의 이동과 동시에 생성된다. x 방향의 스택형 압전 소자(7, 9)가 스테이지(1)를 +x 방향으로 이동하게 하면, 압전 소자(7)가 구동되어 신장이 야기되며, 압전 소자(9)가 구동되어 수축이 야기된다.
상기한 종래의 위치 결정 메카니즘에서 스테이지(1)가 XY 평면의 어느 원하는 위치로 이동하려면 두 스택형 압전 소자는 각각의 이동 크기가 제공되어야 한다. 도 1에 도시한 실시예에서, 스테이지는 두 크기로 이동되므로써, 총 4개의 스택형 압전 소자(7)를 필요로 하고 있다. 스택형 압전 소자는 통상 이동 방향으로 소자의 전체 길이의 약 0.1%의 최대 신장 및 수축을 제공한다. 따라서 스테이지(1)를 약 ±50㎛ 이동하려면 약 50㎜ 길이를 가진 스택형 압전 소자가 필요하다. 또한, 스택형 압전 소자의 길이는 이동 방향과 평행하게 정렬되므로써, 스택형 압전 소자의 길이는 스테이지와 내부 프레임의 크기에 부가된다. 이 결과 액츄에이터의 스택형 압전 소자를 이용한 종래의 위치 결정 메카니즘의 전체 크기는 100㎜를 초과한다. 따라서, 전술한 종래의 위치 결정 장치는 이동 매체형 메모리 소자에서 사용하기 적합하나, 특히 소형일 것을 요한다.
현수 스프링(19)은 이동 방향으로 컴플라이언스(compliance)를 가져야만 하고 z 방향으로의 컴플라이언스는 z 방향으로 작은 편향을 갖는 내부 프레임(3), 스테이지(1), 2개의 스택형 압전 소자(7, 9)로 구성된 이동 구조체를 지지 가능하도록 충분히 낮아야 한다. 이는 현수 스프링이 z 방향으로는 큰 두께와, 이동 방향으로는 매우 작은 폭을 가질 것을 필요로 하는 것이다. 큰 종횡비를 가진 현수 스프링을 제조하기란 매우 어렵다. 또한 이러한 대형의 이동 구조체의 큰 무게는 위치 결정 메카니즘의 자기 공진 주파수를 감소시킨다. 이는 스테이지(1)의 위치를 신속히 변경하는 것을 불가능케 한다.
스택형 압전 소자들이 제공된 배열을 확대하는 레버와 힌지 구조체의 사용은 액츄에이터에 의해서 제공된 이동 범위를 증가하게 한다. 그러나 이러한 구조체는 복잡하며 이를 채용한 위치 결정 메카니즘은 낮은 자기 공진 주파수를 갖도록 저 강성(rigidity)을 갖는다. 그러므로 이러한 위치 결정 메카니즘은 고속 동작에 적합하지 않다. 게다가 이러한 위치 결정 메카니즘에서 사용된 레버는 이동 방향과는 상이한 방향으로 불필요한 각도 모멘트를 발생한다. 이는 얻어질 수 있는 위치 결정의 정확도를 떨어뜨린다.
필요한 것은 스캐닝 프로브 마이크로스코프, 이동 매체형 메모리 소자, 마이크로 조정기 등에서 사용하기 위한 적어도 수십 미크론의 이동 범위를 제공하는 위치 결정 메카니즘이다. 이러한 이동 범위는 위치 결정 메카니즘의 전체 크기를 증가함이 없이 제공되어야 만 한다. 게다가 대량 생산 비용을 줄이기 위해 이동 소자가 단일 기판의 통합 유니트로서 포함된 위치 결정 메카니즘을 형성하는 것이 가능해야 한다.
도 1은 종래의 위치 결정 메카니즘을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 따른 위치 결정 메카니즘의 일실시예도.
도 3은 도 2에 도시한 실시예의 현수 스프링(suspension spring)을 도시하는 도면.
도 4는 바이몰프(bimorph) 벤딩 소자의 사시도.
도 5는 인가된 구동 전압에 응답하여 바이몰프 벤딩 소자가 어떻게 구부러지는지를 보여주는 도 4에서 선 5-5로 표시된 평면에서 본 단면도.
도 6은 열 발생 소자와 결합된 바이메탈 소자에 의거한 가늘고 긴 벤딩 소자의 대안의 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 외부 프레임에 바이몰프 벤딩 소자를 장착하여 바이몰프 벤딩 소자와 전기적 접속을 이루게 하는 방법을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘을 포함한 이동 매체형 메모리 소자를 도시하는 도면.
도 9a와 9b는 프로브 기판이 스테이지 기판에 대해 오프셋 위치에 장착된 도 8에 도시한 이동 매체형 메모리 소자의 일실시예에서, 스테이지 기판과 프로브 기판간의 위치 관계를 도시하는 정면도 및 측면도.
도 10은 도전 트랙이 얼마나 현수 스프링의 표면을 가로 질러 루트지정되는 지를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘을 제어하도록 사용된 위치 제어기의 블록도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101, 103, 105: 제 1 부재
103; 101, 105; 103: 제 2 부재
123, 127: 가늘고 긴 벤딩 소자
본 발명은 이동 방향으로 위치를 결정하는 위치 결정 메카니즘을 제공한다. 위치 결정 메카니즘은 서로에 대해서 이동 가능하게 장착된 제 1 부재와 제 2 부재를 포함하고 있으며, 부가적으로 이동 방향에 대해서 수직한 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 배치된 가늘고 긴 벤딩 소자를 포함하고 있다. 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 부재 소자부는 제 1 부재에 결합된다. 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 2 부재에 대해서 제 1 부재를 이동 방향으로 움직이도록 인가된 구동 신호에 응답하여 길이 방향으로 구부러진다.
본 발명은 수십 미크론의 이동 범위를 가진 위치 결정 메카니즘을 제공한다. 위치 결정 메카니즘은 스캐닝 프로브 마이크로스코프, 이동 매체형 메모리 소자, 마이크로 조정기와 같은 응용 분야에서 사용 가능하다. 이러한 이동 범위는 위치 결정 메카니즘이 사용되는 장치의 전반적인 크기를 증대하지 않고도 얻어진다. 위치 결정 메카니즘의 콤팩트한 크기와 큰 이동 범위는 액츄에이터로서 이동 방향에 수직하게 배치된 가늘고 긴 벤딩 소자를 이용한 결과이다. 이러한 이점은 특히 액츄에이터로서 바이몰프 벤딩 소자를 사용하고 있는 결과이다.
위치 결정 부재의 이동 부재는 현수 스프링에 의해서 지지되는 것이 바람직하다. 이동 부재 외측에 놓인 회로에 접속될 이동 부재에서 신호의 발신이 가능하도록 현수 스프링의 표면에는 전기적 전도 트랙이 놓여질 수 있다.
위치 결정 장치는 프레임, 현수 스프링, 가동 부재를 단일 기판에서 일체형으로 형성함으로써 저렴하게 대량 생산 가능하다. 기판의 바람직한 재료는 단결정 실리콘이나 이와 유사한 재료이다.
메모리 기판이나 프로브 기판에 내장된 위치 결정 메카니즘을 가진 이동 매체형 메모리 소자는 고 비트 밀도를 갖는다. 비트 밀도는 메모리 매체에서 비트 위치에 열팽창의 영향은 단결정 실리콘과 같은 물질로 프로브 기판과 메모리 기판을 제조함으로써 최소화될 수 있다. 위치 결정 메카니즘의 이동 부분이 가볍고 소형이므로, 그리고 위치 결정 메카니즘에 사용된 가늘고 긴 벤딩 소자가 이동 방향에 수직한 방향으로 무시 가능한 힘을 발생하므로, 프로브 기판과 메모리 기판 사이의 갭은 약 2 미크론 이하로 축소 가능하다. 이러한 작은 갭은 열팽창의 영향을 줄일 수 있고 비트 밀도를 추가 증대시킨다.
하나의 기판에 내장된 위치 결정 메카니즘을 가지며, 위치 결정 메카니즘이 이동 방향의 직교 방향에 대해서 하나의 가늘고 긴 벤딩 소자를 갖는 이동 매체형 메모리 소자에서, 프로브 기판은 스테이지 기판에 장착된 가늘고 긴 벤딩 소자에 대해서 오프셋 가능하다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘은 프레임과 가동 부재를 포함한다. 가동 부재는 이동 방향으로 프레임에 대해서 이동 가능하다. 위치 결정 메카니즘은 또한 액츄에이터로서 가늘고 긴 벤딩 소자를 포함하고 있다. 가늘고 긴 벤딩 소자는 이동 방향에 수직하게 배치되며 그의 양 단부에서 프레임에 부착되어 있다. 그의 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 소자부분이 가동 부재에 결합된다. 인가된 구동 신호에 응답하여, 가늘고 긴 벤딩 소자는 가동 부재에 대해서 볼록 또는 오목한 형태를 취한다. 가동 부재에 결합된 가늘고 긴 벤딩 소자의 형태 변화는 이동 방향을 따라서 가동 부재를 이동한다.
가늘고 긴 벤딩 소자가 길이 방향으로 구부러지면, 그의 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 단부에 대해서 횡방향으로 움직인다. 즉, 단부 이외의 부분은 벤딩 소자의 길이에 수직한 이동 방향으로 움직인다. 가늘고 긴 벤딩 소자의 중앙 부분의 배치는 정상적으로는 가장 크기 때문에, 가늘고 긴 벤딩 소자의 중앙 부분은 가동 부재에 결합되는 것이 바람직하다. 그러나 가늘고 긴 벤딩 소자의 다른 부분은 대안적으로 가동 부재에 결합 가능하다.
가늘고 긴 벤딩 소자는 이를 가동 부재에 부착함으로써 가동 부재에 결합 가능하다. 이는 가늘고 긴 벤딩 소자를 포지티브와 네가티브의 양 이동 방향으로 가동 부재를 이동 가능하게 한다. 대안적으로, 가늘고 긴 벤딩 소자는 가늘고 긴 벤딩 소자를 가동 부재 반대에 대향하여 누름으로써 가동 부재에 결합 가능하다. 이 경우, 가늘고 긴 벤딩 소자는 포지티브의 이동 방향으로 가동 부재를 포지티브 이동 가능하며, 스프링 또는 다른 가늘고 긴 벤딩 소자와 같은 또다른 소자는 가동 부재를 네가티브 방향으로 움직이는 것이 필요하다.
바이몰프 벤딩 소자나, 바이메탈 벤딩 소자나, 형상 기억 합금으로 만들어진 벤딩 소자는 가늘고 긴 벤딩 소자로서 사용 가능한 소자들의 일례이다. 가늘고 긴 벤딩 소자로서 사용하기 적합한 바이몰프 벤딩 소자는 심(shim)의 대향 주면에 결합된 길고 얇은 층의 압전 소자로 구성되어 있다. 심은 스테인레스 스틸이다 도핑된 단결정 실리콘과 같은 탄성의 전도 재료의 가늘고 긴 얇은 부분이다. 압전 소자 층은 심에 대해서 반대 극 방향을 가진다. 바이몰프 벤딩 소자의 길이 방향의 편향은 심으로부터 멀리 떨어진 압전 소자 층의 표면에 위치한 전극과 심간 구동 전압을 인가함으로써 달성된다. 단부 이외의 바이몰프 벤딩 소자의 부분, 바람직하게는 중앙 부분은 가동 부재에 결합된다. 이때 가동 부재는 구동 전압을 바이몰프 벤딩 소자에 인가함으로써 이동된다. 가동 소자의 최종 이동 거리와 방향은 구동 전압의 크기와 방향에 따른다.
전술한 바와 같이, 형상 기억 합금으로 형성된 벤딩소자나 바이메탈 벤딩 소자와 같이 열적으로 액츄에이트된 벤딩 소자는 가늘고 긴 벤딩 소자로서 사용가능하며, 열적으로 액츄에이트된 벤딩 소자의 열은 전기 에너지를 벤딩 소자에 열적 결합된 적합한 가열 소자에 공급함으로써 변화된다. 대안적으로, 열적으로 액츄에이트된 벤딩 소자에 열적 결합된 펠티에 소자는 벤딩 소자의 온도를 증감하기 위해 사용 가능하다. 온도 변화의 방향은 펠티에 소자를 통해 흐르는 전류 방향에 종속한다.
위치 결정 메카니즘은 가동 부재를 단일 규격으로 위치시키기 위해 하나의 가늘고 긴 벤딩 소자를 사용할 수 있다. 가늘고 긴 벤딩 소자의 단부는 프레임에 부착되며, 프레임에 부착된 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 가동 부재에 결합된다. 대안적으로 가늘고 긴 벤딩 소자의 단부는 가동 부재에 부착 가능하고 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 소자의 부분은 프레임에 결합된다.
가늘고 긴 벤딩 소자의 상보형 쌍은 방금 설명한 단일의 가늘고 긴 벤딩 소자로 선택적으로 적합할 수 있다. 상보형 쌍을 구성하는 가늘고 긴 벤딩 소자는 이동 방향이 서로 반대 방향인 가동 부재의 사이드에 위치하며 가늘고 긴 벤딩 소자들 사이에서 가동 부재를 효과적으로 클램프한다. 상보형 쌍을 구성하는 가늘고 긴 벤딩 소자들은 하나의 소자가 가동 부재에 대해서 오목한 형태를 취할 때, 또다른 소자는 볼록한 형태를 취하도록 상보형으로 동작한다. 가동 부재에 결합된 각각의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 상보형 쌍이 포지티브 및 네가티브의 이동 방향으로 가동 부재를 포지티브 이동 가능하도록 가동 부재와 반대 방향으로 눌려지는 것이 필요하다.
가동 부재는 프레임에 이동 가능한 관계로 놓여지는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 이는 프레임과 가동 부재 사이의 복수의 위치에 현수 스프링을 배치함으로써 달성된다. 현수 스프링은 이동 방향으로 컴플라이언스되어야 하며 이동 방향 이외의 방향으로는 컴플라이언스되지 않아야 한다.
프레임과 현수 스프링은 단일 기판에서 통합 유니트로 제조될 수 있다. 가동 부재와 프레임과, 현수 스프링이 모두 단일 기판 형태에서 통합 유니트로서 제조되는 것이 바람직하다. 기판 재료는 실리콘, 실리콘 이산화물(SiO2), 사파이어, 리튬 니오베이트(LiNbO3), 갈륨 아세나이드(GaAs), 어떤 다른 적합한 물질일 수 있다. 적어도 프레임과 현수 스프링이 제조되는 기판으로서 단결정 실리콘을 사용하면 현수 스프링이 균일한 컴플라이언스와 긴 수명을 갖게 할 수 있다. 복수개의 위치 결정 메카니즘은 큰 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 동시에 제조 가능하다.
2가지 규격으로 위치 결정을 제공하는 위치 결정 메카니즘은 제 2 프레임과 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자에 부가하여 1 차원 메카니즘의 제 1 프레임과 제 1의 가늘고 긴 벤딩 소자를 포함한다. 2 차원 메카니즘은 1 차원 메카니즘의 제 1이동 방향과 직교하는 제 2의 이동 방향으로 가동 부재를 부가적으로 위치시킨다. 제 2 프레임은 제 2의 이동 방향으로 제 2 프레임에 대해서 제 1 프레임이 이동하는 것을 허용하는 방식으로 제 1프레임을 지원한다.
제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 2의 이동 방향에 수직으로 정렬되고, 그의 양 단부에서 제 2프레임이 부착된다. 단부 이외의 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 제 1프레임에 결합된다. 인가된 구동 신호에 응답하여, 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 1프레임에 대해서 볼록 또는 오목한 형태를 취하도록 길이 방향으로 구부러진다. 제 1프레임에 결합된 가늘고 긴 벤딩 소자의 형태 변화는 제 1 프레임을 움직이고 그에 따라 제 2 이동 방향으로 가동 부재를 움직인다.
전술한 상보형 쌍과 유사한 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자의 상보형 쌍은 전술한 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자의 상보형 쌍으로 선택적으로 대체 가능하다. 상보형 쌍을 구성하는 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 2의 이동 방향과 서로 대향인 제 2프레임의 측면에 장착된다. 위치 결정 메카니즘이 이동 매체형 메모리 소자등과 같은 프로브 팁을 가진 소자일 때, 이러한 배열은 프로브 팁을 포함하고 있는 위치 결정 메카니즘을 위치 결정 메카니즘에 손쉽게 설치되도록 한다.
가늘고 긴 벤딩 소자의 상보형 쌍은 제 1프레임과 제 2프레임에 장착 가능하다. 가동 부재는 제 1프레임에 장착된 상보형 쌍의 제 1의 가늘고 긴 벤딩 소자들 사이에서 클램프되고, 제 1프레임은 제 2프레임에 장착된 상보형 쌍의 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자들 사이에서 클램프된다. 가동 부재에 결합된 제 1의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 상보형 쌍이 포지티브 및 네가티브의 제 1의 이동 방향으로 가동 부재를 포지티브 이동 가능하도록 가동 부재와 대향으로 눌려질 필요가 있다. 제 1프레임에 결합된 제 2의 가늘고 긴 벤딩 소자 부분은 상보형 쌍이 포지티브 및 네가티브의 제 2의 이동 방향으로 가동 부재를 포지티브 이동 가능하도록 제 1프레임과 대향으로 눌려질 필요가 있다.
가동 부재는 제 1프레임에 이동 가능한 관계로 포지티브하게 놓여지고, 제 1프레임은 제 2프레임에 이동 가능한 관계로 포지티브하게 놓여지는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 이는 제 1프레임과 가동 부재 사이에 복수의 위치에 현수 스프링을 배치하고, 제 2프레임과 제 1프레임 사이의 복수의 위치에 현수 스프링을 배치함으로써 달성된다. 상술한 1차원 위치 결정 메카니즘으로, 프레임 및 현수 스프링이 단일 기판에서 통합 유니트로서 형성 가능하다. 바람직하게는 가동 부재 , 프레임, 현수 스프링이 모두 단일 기판에서 일체형으로 형성되는 것이 좋다. 2차원 위치 결정 메카니즘은 상술한 1 차원 위치 결정 메카니즘과 동일한 기판 재료로 제조 가능하다.
도 1에 도시한 종래의 위치 결정 메카니즘은 각각의 이동 크키에 대해서 두 스택형 압전 소자를 사용한다. 각각의 이동 크기에 대해서 하나 또는 둘의 가늘고 긴 벤딩 소자를 사용하는 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘은 큰 변위를 제공하고, 종래의 위치 결정 메카니즘보다 대량으로 보다 콤팩트하고 저렴한 큰 변위를 제공한다. 예를 들면, 바이몰프 벤딩 소자가 가늘고 긴 벤딩 소자로서 이용될 때, 바이몰프 벤딩 소자의 중앙 부분의 변위는 소자의 길이 및 두께에 따라 가변하나, 그 크기는 바이몰프 벤딩 소자의 전체 길이의 1% 정도이다. ±50㎛의 이동 범위를 갖는 2차원 위치 결정 메카니즘은 10㎜ 스퀘어 반도체 칩의 측면과 동일 길이의 바이몰프 벤딩 소자를 이용하여 손쉽게 만들 수가 있다. 바이몰프 벤딩 소자는 반도체 칩의 2개의 수직 측면에 평행하게 장착된다.
전술한 이동 범위를 제공하는 바이몰프 벤딩 소자의 폭은 약 0.3㎜로 작다. 폭은 바이몰프 벤딩 소자의 이동 방향으로의 크기이다. 바이몰프 벤딩 소자의 두께는 약 0.5㎜로, 이는 프레임과 가동 부재가 제조되는 반도체기판의 두께와 견줄 만 하다. 두께는 바이몰프 벤딩 소자의 이동 길이와 방향에 직교 방향으로 바이몰프 벤딩 소자를 이동한 크기이다. 반도체 기판의 두께와 견줄만한 바이몰프 벤딩 소자의 두께를 만들기 위해서는 가동 부재, 프레임, 현수 스프링이 전술한 바와 같이 모두 단일 실리콘 기판에서 일체형으로 형성되는 위치 결정 메카니즘을 제조하도록 마이크로 머시닝 기술을 사용하면 가능하다. 기판에 견줄만한 두께를 가진 바이몰프 벤딩 소자는 프로브 기판을 메모리 소자의 메모리 기판을 완전히 오버랩하는 것을 허용한다. 게다가 이러한 바이몰프 벤딩 소자는 전형적인 이동 매체 메모리 소자가 허용 가능한 액세스 시간을 제공하는 것이 가능하도록 충분히 고속으로 이동 매체 메모리 소자의 메모리 기판을 움직이는 충분한 힘을 발생할 수 있다. 이러한 바이몰프 벤딩 소자는 위치 결정 메카니즘 전체가 하나의 칩위에 용이하게 통합될 수 있도록 충분히 콤팩트하다.
바이몰프 벤딩 소자가 생성하는 이동량에 대한 바이몰프 벤딩 소자의 소형 크기 및 작은 무게는 위치 결정 메카니즘이 가동 부재 자체의 크기 및 무게와 견줄만한 크기와 무게를 가지게 한다. 따라서, 바이몰프 벤딩 소자를 포함하는 위치 결정 메카니즘의 자기 공진 주파수는 가동 부재 단독의 자기 공진 주파수와 견줄만하다. 게다가 2차원 위치 결정 메카니즘에 있어서, 무게는 가동 부재를 구동하는 액츄에이터의 무게를 포함하는 제 1프레임을 움직이는 y 방향의 가늘고 긴 벤딩 소자에 의해서 이동 가능하다. 바이몰프 벤딩 소자는 종래의 위치 결정 메카니즘의 스택형 압전 소자 보다 무게가 현저히 가벼우므로, y 방향의 가늘고 긴 벤딩 소자에 의해서 이동된 무게는 가동 부재와 제 1프레임의 조합된 무게보다도 가볍다. 따라서 두 규격의 자기 공진 주파수의 차이는 종래의 위치 결정 메카니즘보다 현저히 작다. 이는 두 규격의 위치 결정 메카니즘을 두 규격의 견줄만한 속도로 동작하게 한다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘은 1차원 또는 2 차원 위치 결정 장치부를 형성한다. 부가적으로 위치 결정 장치는 위치 센서와 위치 제어기를 포함한다. 위치 센서는 각 규격의 가동 부재의 위치를 결정하고 규격에 대한 위치 표시 신호를 발생한다. 위치 제어기는 가동 부재가 이동될 위치를 지정하는 위치 제어 데이터를 수신한다. 위치 제어기는 또한 위치 센서로부터 각각의 규격에 대한 위치 표시 신호를 수신한다. 위치 제어 데이터 및 위치 표시 신호에 응답하여, 위치 제어기는 가늘고 긴 벤딩 소자가 위치 제어 데이터에 의해서 지정된 위치로 가동 부재를 움직이도록 각각의 규격에 대해 가늘고 긴 벤딩 소자에 구동 신호를 공급한다.
가동 부재가 현수 스프링에 의해서 프레임내에 지지될 때, 신호 트랙이 현수 스프링의 표면에 형성된다. 신호 트랙은 위치 표시 신호가 도출되는 신호 또는 위치 표시 신호를 가동 부재상에 위치한 위치 검출 소자에서 프레임상에 위치한 위치 제어기로 전달한다.
상술한 위치 결정 장치에서, 위치 센서는 가동 부재의 주면에 놓여진 캐패시터 전극과 가동 부재의 주면과 대면하는 표면상에 놓여진 캐패시터 전극간의 캐패시턴스(정전 용량)에서 가동 부재의 위치를 결정한다. 위치 제어기는 디지탈 대 아날로그(D/A) 변환기, 오차 증폭기, 구동 증폭기를 포함하고 있으며, 위치 결정 메카니즘의 각각의 규격에 대한 위치 제어를 발생한다. D/A 변환기는 가동 부재의 원하는 위치를 지정하는 위치 제어 데이터를 수신하여 그 데이터로부터 위치 제어 신호를 발생한다. 오차 증폭기는 D/A 변환기의 위치 제어 신호와 위치 센서에 의해서 발생된 위치 표시 신호간의 차이를 나타내는 신호를 발생한다. 구동 증폭기는 지정된 방향으로 가동 부재를 이동하는 가늘고 긴 벤딩 소자를 구동하는 전압을 발생하도록 오차 증폭기의 출력을 증폭한다. 위치 제어기는 오차 증폭기의 두 입력이 동일한 위치로 가동 부재를 이동하게 가늘고 긴 벤딩 소자를 구동하도록 동작한다.
전술한 것과 유사한 1차원 또는 2차원 위치 결정 소자는 이동 매체형 메모리 소자 부분을 형성할 수 있다. 위치 결정 소자가 이동 매체형 메모리 소자 부분을 형성할 때, 가동 부재는 메모리 매체가 놓여진 주면을 갖는 스테이지이다. 메모리 매체는 예를 들어 강자성 물질의 박막이다. 주면은 이동 방향과 평행하게 배치된다. 메모리 소자는 또한 각각의 프로브의 단부에 놓여진 프로브 팁이 메모리 매체의 표면과 접촉하거나 프로브 팁이 약 100㎚ 이하의 갭으로 메모리 매체와 분리되도록 배치된 하나 이상의 프로브를 포함하고 있다. 메모리 소자는 또한 프로브 팁을 이용하여 메모리 매체에 데이터를 판독하고 기록하기 위한 판독/기록 회로를 포함하고 있다. 접지 접속과 같은 전기적 접속이 하나 이상의 현수 스프링의 표면에 형성된 트랙에 의해서 메모리 매체에서 만들어진다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘이 이동 매체형 메모리 소자 부분을 형성하고, 위치 결정 메카니즘의 스테이지와 현수 스프링이 단일 실리콘 기판 또는 유사 물질에서 일체형으로 제조될 때, 메모리 매체에 기록된 비트의 위치는 프로브가 제조되는 기판상의 열팽창과 스테이지의 열팽창을 매칭시킴으로써 열팽창으로 인한 변화를 방지할 수 있다. 이는 이동 매체형 메모리 소자를 고 비트 밀도를 갖게 한다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘을 실시하는 대안의 메모리 소자의 일실시예에 있어서, 프로브는 프로브가 이동하는 메모리 소자를 제공하도록 위치 결정 메카니즘의 가동 부재상에 장착 가능하다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘의 예증의 실시예(100)에 대해서 설명하기로 한다. 기술될 실시예에서, 가동 부재는 이동 매체형 메모리 소자의 스테이지이며, 압전 바이몰프 벤딩 소자는 가늘고 긴 벤딩 소자로서 사용되며, 위치 결정 메카니즘은 두 규격, 즉 x 방향과 y 방향으로 스테이지의 위치를 정한다. 위치 결정 메카니즘(100)에서 내부 프레임은 U자 형이고 세 측면에서 스테이지를 에워싸고 있다. 내부 프레임은 대안적으로 네 측면에서 스테이지를 에워 쌓을 수 있다. 내부 프레임은 외부 프레임(105)에 의해서 에워싸여 진다.
긴 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)는 내부 프레임(103)의 개방측을 가로질러 연장한다. 내부 바이몰프 벤딩 소자는 측면(124) 길이내에서 길이가 수용 가능한 스테이지(101)의 측면(124)과 거의 평행한 y 방향으로 지향된다. 내부 플렉시블 빔(125)은 내부 바이몰프 벤딩 소자의 중앙을 스테이지의 측면(124)의 중앙에 결합한다. 내부 바이몰프 벤딩 소자는 x 방향, 즉 길이 방향에 수직하게 스테이지를 이동한다.
긴 외부 바이몰프 벤딩 소자(127)는 외부 프레임(105)에 형성된 리세스(129)에 놓여진다. 외부 바이몰프 벤딩 소자는 측면(128)의 길이내에 길이가 수용되도록 스테이지(101)의 측면(128)에 평행하게 x 방향으로 지향된다. 측면(128)은 내부 바이몰프 벤딩 소자(128)가 정렬되는 측면(124)을 따라 수직하다. 외부 플렉시블 빔(131)은 외부 바이몰프 벤딩 소자의 중앙을 스테이지의 측면(128) 곁에 있는 내부 프레임의 측면의 중앙에 결합한다. 외부 바이몰프 벤딩 소자는 그의 길이 방향과 수직한 y 방향으로 내부 프레임과 스테이지를 이동한다.
스테이지(101)는 내부 현수 스프링(115)에 의해서 내부 프레임(103)에 지지된다. 현수 스프링에 의해 스테이지는 x 방향으로 내부 프레임에 대해서 용이하게 이동가능하나 y 방향과 z 방향으로는 이동되지 않는다. 내부 현수 스프링은 스테이지의 네 모서리에 놓여져 있고 스테이지와 내부 프레임 사이에서 연장한다.
내부 프레임은 외부 현수 스프링(119)에 의해서 외부 프레임(105)에서 지지된다. 외부 스프링에 의해 스테이지와 함께 내부 프레임은 y 방향으로 외부 프레임에 대해서 용이하게 이동가능하나 x 방향과 z 방향으로는 이동되지 않는다. 외부 현수 스프링은 내부 프레임의 네 모서리에 놓여져 있고 스테이지와 내부 프레임 사이에서 연장한다.
도 2에 도시한 위치 결정 메카니즘이 이동 매체형 메모리 소자에서 사용될 때, 메모리 매체(133)는 스테이지(101)의 주면 부분에 형성된다.
스테이지(101), 내부 프레임(103), 외부 프레임(105), 플렉시블 빔(125, 131), 현수 스프링(115, 119)은 모두 마이크로 매칭 기술을 이용하여 단일 기판에서 일체형으로 형성된다. 기판의 실리콘은 단결정 실리콘이 바람직하다. 단결정 실리콘은 단결정 실리콘으로 형성된 현수 스프링의 컴플라이언스의 변동이 금속 스프링의 컴플라이언스에 비해 작으므로 바람직하다. 또한 이러한 스프링의 내구성이 크므로, 스프링이 복수회 편향된 후에도 컴플라이언스의 변화는 거의 없다. 따라서 단결정 실리콘으로 현수 스프링을 제조하면 이상적인 기계적 특성과 긴 사용 수명을 제공한다.
바이몰프 벤딩 소자(123, 127)는 심이라 불려지는 얇고 긴 금속판의 대향 주면 상에 놓여진 압전 재료층으로 구성된다. 전도성을 갖도록 도핑된 단결정 실리콘의 얇은 조각은 심로사 사용 가능하다. 압전 재료층은 심의 단부가 노출되도록 심 보다 짧다. 압전 재료층은 심에 대해서 상이한 분극 방향을 갖는다. 바이몰프 벤딩 소자의 구조에 대해서는 도 4와 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
바이몰프 벤딩 소자(123)는 내부 프레임(103)의 개방 측면에 의해서 제공된 리세스에 삽입되고 심이 노출된 단부는 내부 프레임에 부착된다. 바이몰프 벤딩 소자(127)는 외부 프레임(105)의 리세스(129)내에 삽입되고 심의 노출된 단부는 외부 프레임에 부착된다. 또한, 바이몰프 벤딩 소자의 중앙 부분은 플렉시블 빔(125, 131)에 의해서 스테이지와 내부 프레임에 각각 결합된다.
바이몰프 벤딩 소자(123, 127)의 압전 재료층 양단에 인가된 전위는 바이몰프 벤딩 소자를 심의 주면에 수직한 방향으로 편향시킨다. 심이 전술한 바와 같이 장착되면, 이러한 벤딩은 스테이지(101)의 표면에 평행하다. 바이몰프 벤딩 소자로 인한 최대 래터럴 변위는 바이몰프 벤딩 소자의 중앙에서 일어난다. 바이몰프 벤딩 소자의 중앙이 플렉시블 빔(125, 131)에 의해 스테이지(101)와 내부 프레임(103)의 중앙에 결합되므로써 바이몰프 벤딩 소자(123)는 x 방향으로 이동가능하고, 바이몰프 벤딩 소자(127)는 y 방향으로 내부 프레임과 스테이지를 이동 가능하다.
바이몰프 벤딩 소자(123, 127)를 구성하는 심의 양단부는 내부 프레임(103)과 외부 프레임에 부착되며, 바이몰프 벤딩 소자의 중앙 부분은 이후 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명되는 바와 같이 에폭시형 접착제에 의해서 스테이지(101)와 내부 프레임에 각각 결합된다. 그러나 바이몰프 벤딩 소자를 부착하고 결합하는 이러한 방법은 본 발명에서는 필수적인 것은 아니며, 바이몰프 벤딩 소자는 다른 방법으로도 부착, 결합 가능하다.
이상적으로, 바이몰프 벤딩 소자(123,127)는 소자의 각각의 심의 주면에 수직한 방향으로 구부리므로써 간단히 부착되는 부재들을 움직이며, 바이몰프 벤딩 소자가 구부러짐으로써 바이몰프 벤딩 소자의 중앙의 각도 이동은 없다. 즉 바이몰프 벤딩 소자가 구부러짐으로써 바이몰프 벤딩 소자의 길이 방향의 비틀림은 없다. 그러나, 실제의 바이몰프 벤딩 소자의 중앙의 다소의 각도 이동이 바이몰프 벤딩 소자가 구부러짐에 따라 일어날 수 있다. 이러한 원인은 심의 단부에서 부착력의 강성의 차이와 압전 재료의 비균일성을 포함한다. 결과적으로 바이몰프 벤딩 소자(123, 127)의 중앙 부분은 플렉시블 빔(125, 131)에 의해서 스테이지(101)와 내부 프레임(103)에 결합된다. 플렉시블 빔은 스테이지와 내부 프레임을 바이몰프 벤딩 소자의 중앙의 어느 회전 운동으로부터 분리한다. 플렉시블 빔에 대해서는 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 도 2에 도시한 현수 스프링(115, 119)의 일례로서 현수 스프링(115)을 보다 상세히 도시한다. 내부 현수 스프링(115)은 x 방향으로 큰 컴플라이언스를 가지나 스테이지(101)의 이동을 y 방향과 z 방향으로는 저지한다. 현수 스프링(119)은 y 방향으로는 큰 컴플라이언스를 가지나 내부 프레임의 이동을 x 방향과 z 방향으로는 저지한다. 도 2의 실시예에서는 4개의 내부 현수 스프링(115)과 4개의 외부 현수 스프링(119)이 사용된다. 그러나 보다 많은 현수 스프링이 사용 가능하다.
바이몰프 벤딩 소자가 부하없이 동작되면, 소정의 구동 전압에 응답하여 바이몰프 벤딩 소자의 비적재된 래터럴 이동은 이동 방향으로의 바이몰프 벤딩 소자의 컴플라이언스에 따른다. 내부 현수 스프링(115)에 의해서 현수된 스테이지(101)가 바이몰프 벤딩 소자(123)에 부착되면, 내부 현수 스프링은 바이몰프 벤딩 소자의 중앙 부분의 이동을 저지한다. 이는 바이몰프 벤딩 소자의 레터럴 이동을 감소시킨다. 내부 현수 스프링의 집합적인 컴플라이언스는 스테이지의 레터럴 이동으로 변환된 바이몰프 벤딩 소자의 비적재된 래터럴 이동량을 결정한다. 예를 들면, 내부 현수 스프링의 집합 현수 스프링이 바이몰프 벤딩 소자의 컴플라이언스와 동일하다면, 소정의 구동 전압에 응답하여 스테이지의 레터럴 이동은 스테이지가 부착되는 바이몰프 벤딩 소자 부분의 비적재된 래터럴 이동의 절반과 같게 될 것이다. 현수 스프링(115)의 집합 컴플라이언스는 바이몰프 벤딩 소자(123)의 가능한 비적재된 래터럴 이동량 만큼 스테이지를 레터럴 이동으로 변환 설정된다. 또한 외부 현수 스프링(119)의 집합 컴플라이언스는 바이몰프 벤딩 소자(127)의 가능한 비적재된 래터럴 이동량 만큼 제 1프레임(123)을 레터럴 이동으로 변환 설정된다.
내부 현수 스프링(115)은 스테이지(101)를 외부 바이몰프 벤딩 소자(127)가 내부 프레임을 y 방향으로 움직일 때 내부 프레임(103)에 대해서 y 방향으로는 움직여 지지 않게 하여야 한다. 또한 외부 현수 스프링(119)은 내부 프레임을 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)가 스테이지를 x 방향으로 움직일 때 외부 프레임(105)에 대해서 x 방향으로는 움직져 지지 않게 하여야 한다. 따라서 내부 현수 스프링(115)의 컴플라이언스는 y 방향과 z 방향으로 낮아야 하며, 외부 현수 스프링(119)의 컴플라이언스는 x 방향과 z 방향으로 낮아야 한다. 이러한 특성들은 스프링이 z 방향으로의 두께 보다 의도하는 방향 이동이 훨씬 좁은 단면 형태를 갖는 현수 스프링(115, 119)을 형성함으로써 얻어진다. 게다가 현수 스프링은 긴 스프링 길이를 갖도록 형성된다.
현수 스프링(115, 119)은 I 자 형태의 단일 빔이다. 그러나 스테이지(101)나 내부 프레임(103)의 규격 내에서 수용될 수 있는 현수 스프링의 전체 길이를 증대하기 위해서는, 현수 스프링이 도 2와 도 3에 도시한 U 자 형으로 접혀지는 것이 바람직하다. V 자형의 다른 접혀진 형태나 이중 접혀진 W자 형태가 대안적으로 사용 가능하다. 다른 스프링 형태가 사용가능하나. 다른 방향으로의 부가 이동 방향으로 의도하는 이동 방향이 변환되지 않아야 한다.
현수 스프링(115, 119)은 실리콘 마이크로 매칭 기술을 이용하여 전술한 특성으로 형성 가능하다. 이러한 실리콘 마이크로 매칭 기술은 고속의 반응성 이온 에칭을 포함하며, 여기서 실리콘은 카본 테트라플루오라이드(CF4)나 CF2Cl2과 같은 플루오르 타입 가스의 반응성 이온을 이용하여 에칭된다. 에칭되지 않는 기판 부분은 실리콘 이산화물(SiO2)나 다른 적절한 물질의 마스크를 이용하여 보호된다. 또한 마스크리스 전기 방전 매칭 기술이 이용될 수 있다. 여기서, 실리콘은 마이크로 액츄에이터에 의해서 수 미크론 떨어져 위치한 미세 전극과 실리콘 사이에서 전기 방전에 의해서 에칭된다. 상술한 에칭 방법은 스테이지(101), 내부 프레임(103), 외부 프레임(105)을 한정하는 기판 부분을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘의 기판 재료는 실리콘에 한정되지 않는다. 예를 들면, 실리콘 이산화물(SiO2), 사파이어, 리튬 니오베이트(LiNbO3), 갈륨 아세나이드(GaAs), 어떤 다른 적합한 물질과 같은 반도체 물질이 사용 가능하다.
다음에 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)에 대해서 도 4와 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 외부 바이몰프 벤딩 소자(127)는 동일하므로 그에 대한 설명은 생략하기로 한다. 바이몰프 벤딩 소자(123)에서 심(141)은 압전 재료 층(143, 145) 사이에 샌드위치된다. 압전 재료층을 압전 층이라고도 한다. 심은 스테인레스 스틸이나 전도성 단결정 실리콘과 같은 적절한 금속의 얇고 긴 판이다. 압전 층은 또한 길고 얇으며, 바람직한 실시예에서 심에 결합된다. 압전 층의 두께, 즉 z 방향의 규격은 심의 규격과 동일하나, 압전층은 심의 단부(147, 149)가 압전 층으로부터 길이 방향으로 돌출하도록 심 보다 짧다. 전극(144, 146)은 압전 층(143, 145)의 표면(148, 150)에 놓여진다. 표면(148, 150)은 심(141)과 접촉하는 압전 층(143, 145)의 표면과 대향한다.
심(141)에 대해 압전 층(143, 145)의 분극 방향은 화살표(151, 153)로 표시한 바와 같이 반대 방향으로 대면한다. 그 결과, 도 5에 도시한 바와 같이 압전층(143, 145)의 표면상에 있는 전극(144, 146)과 심 사이에 인가된 포지티브 전압이 분극(151) 방향과 반대 방향인 압전층(143) 양단간 전압 그래디언트를 설정하고, 분극(153) 방향과 동일 방향인 분극 층(145) 양단간 전압 그래디언트를 설정한다. 이에 의해 압전 층(143)은 수축하고, 압전 층(145)은 신장하게 된다. 그에 따라 바이몰프 벤딩 소자(123)는 그의 중앙 부분(155)이 심의 주면에 수직한 방향으로 양 단부(147, 149)에 대해서 횡방향으로 배치되도록 구부러진다. 유사하게, 심(141)과 전극(144, 146) 사이에 인가된 전압이 도 5에 도시한 전압과 극성이 반대이면, 바이몰프 벤딩 소자(123)는 도시한 것과 반대 방향으로 구부러질 것이다.
단부(147, 149)에 대한 중앙 부분(155)의 측면 변위는 바이몰프 벤딩 소자에 비해 크며, 동일 길이의 스택형 압전 소자에 의해서 생성된 길이 방향의 변위 보다 현저히 크다. 예를 들면, 압전층이 10㎜의 길이(도 2에 도시한 y 방향으로)와, 약 0.3㎜의 폭(x 방향으로)과, 1㎜의 두께(z 방향으로)를 갖는 바이몰프 벤딩 소자는 약±50㎛의 측면 변위와 약±50 V의 구동 전압에 응답하여 약 30mN의 구동력을 발생한다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘의 대안의 실시예에서, 다른 가늘고 긴 벤딩 소자는 바이몰프 벤딩 소자(123, 127)로 대체 가능하다. 스테이지(101)가 빠르게 움직이지 않는 응용 분야에서 사용하기 위한 위치 결정 메카니즘에서, 열 변화로 야기된 기계적 형상 변형에 응답하여 구부러진 열적으로 액츄에이트된 벤딩 소자들이 사용 가능하다. 온도 변화에 의해 야기된 형상 변형에 응답하여 구부러진 소자들은 상이한 금속을 함께 결합시켜 형성한 바이메탈 소자나 형상 기억 합금을 포함한다. 열적으로 액츄에이트된 벤딩 소자들을 구체화하는 실시예에서, 스테이지(101)의 이동량은 소자의 온도를 가변하는 소자에 저항과 같은 전기적 가열 소자를 결합시켜 제어 가능하다. 펠티에 소자는 가열 또는 냉각이 행해질 수 있도록 저항 대신에 사용 가능하다.
도 6은 전기 히터에 부착된 긴 바이메탈 소자로 구성된 가늘고 긴 벤딩 소자(161)의 일례를 도시한다. 바이메탈 소자는 얇고 긴 층(163, 165)을 전기 히터에 결합시켜 형성된다. 이러한 층들의 재료는 상이한 열팽창 계수를 갖는다. 저항(167)은 층(165)과 멀리 떨어진 층(163)에 결합된다. 바이메탈 소자에 가해진 열의 양과 그에 따른 바이메탈 소자의 온도는 저항(167)에 인가된 전압 또는 저항을 통해 전달된 전류를 가변하여 변화된다. 이에 의해 스테이지(101)는 바이몰프 벤딩 소자(123, 127)에 스테이지가 전압을 인가함으로써 이동될 때와 동일하게 움직인다.
도 7은 외부 바이몰프 벤딩 소자(127)가 외부 프레임(105)에 장착되고, 바이몰프 벤딩 소자의 중앙 부분이 외부 플렉시블 빔(131)에 의해서 내부 프레임(103)에 결합되며, 구동 전압은 바이몰프 벤딩 소자에 연결되는 방식의 일례를 도시한다. 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)는 내부 프레임(103)에 장착되고, 내부 플렉시블 빔(125)에 의해서 스테이지(101)에 결합되며, 구동 전압은 동일 방식으로 소자에 결합되므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 7은 리세스(129)의 단부 벽에 형성된 슬롯(171, 173)을 도시한다. 슬롯(171, 173)은 바이몰프 벤딩 소자(127)의 부분을 형성하는 심(141)의 단부(147, 149)를 수용하도록 규격화된다. 슬롯 핼프는 외부 프레임에서 바이몰프 벤딩 소자의 위치를 한정하며, 외부 프레임에서 바이몰프 벤딩 소자를 설치하기 위한 제조 공정을 가속화한다.
슬롯(171, 173)은 단일 기판을 에칭하여 스테이지, 내부 프레임, 외부 프레임, 현수 스프링의 형태를 한정하는 과정에서 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 소자를 한정하기 위해 제거된 기판 영역을 한정하는 마스크는 또한 슬롯을 한정하기 위해 제거되는 기판 영역을 한정한다.
바이몰프 벤딩 소자(127)의 부분을 형성하는 심(141)의 단부(147, 149)는 슬롯에 놓여진 (175, 177)로 도시한 적절한 접착제에 의해 슬롯(1171, 173)의 위치에서 고정된다. 예를 들면, UV 경화 수지가 접착제로서 사용 가능하다.
도 7에 도시한 실시예에서, 바이몰프 벤딩 소자(127)는 플렉시블 빔(131)과 접착 필레(179)에 의해서 내부 프레임(103)에 결합된다. 내부 프레임이 바이몰프 벤딩 소자의 상보형 쌍 사이에서 클램프된 일실시예에서, 접착 필레는 생략 가능하다. 플렉시블 빔은 단일 기판을 에칭하여 스테이지, 내부 프레임, 외부 프레임, 현수 스프링의 형태를 한정하는 과정에서 내부 프레임(103)과 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 소자들을 한정하기 위해 제거된 기판 영역을 한정하는 마스크는 또한 플렉시블 빔을 한정하기 위해 제거되는 기판 영역을 한정할 수 있다.
바이몰프 벤딩 소자(127)의 중앙의 y 방향의 변위를 내부 프레임(103)으로 전달하는 플렉시블 빔(131)은 얇고 긴 빔으로서 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 형태는 다른 두 방향으로보다는 y 방향으로 낮은 컴플라이언스를 갖도록 제공된다. y 방향으로의 플렉시블 빔(131)의 컴플라이언스는 y 방향으로의 외부 현수 스프링(119)의 컴플라이언스와 비교하여 작아야 한다. 이러한 특성에 의해 플렉시블 빔은 바이몰프 벤딩 소자의 변위를 내부 프레임에 효과적으로 결합시킨다. 플렉시블 빔의 x 방향과 z 방향으로의 컴플라이언스는 현수 스프링(119)의 컴플라이언스 보다 이들 방향으로 커야만 한다. 이러한 특성에 의해 플렉시블 빔은 바이몰프 벤딩 소자의 회전 운동을 흡수할 수가 있어 이 회전 운동이 내부 프레임에 결합되는 것이 방지된다.
외부 프레임(105)의 전체 규격내에서 플렉시블 빔(131)의 긴 형태를 수용하기 위해, 플렉시블 빔을 형성하기 위한 상기 언급한 과정은 내부 프레임(103)의 리세스(132)를 부가적으로 한정할 수 있으며, 도 7에 도시한 바와 같이 리세스의 바닥에서부터 연장하는 플렉시블 빔을 한정할 수 있다. 플렉시블 빔(125)의 바람직한 구조 및 특성은 전술한 것과 유사하므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.
내부 프레임(103)과 멀리 떨어진 플렉시블 빔(131)의 단부는 접착 필레(179)에 의해서 바이몰프 벤딩 소자(127)의 중앙 부분(155)에 부착된다. 바이몰프 벤딩 소자와 플렉시블 빔 사이의 포지티브 부착에 의해서 바이몰프 벤딩 소자는 +y 방향과 -y 방향으로 내부 프레임(103)을 이동시킨다. 접착 필레는 바이몰프 벤딩 소자와 인접한 플렉시블 빔의 단부를 에워싸는 적절한 접착제 덩어리이다. 예를 들면 UV 경화 수지는 접착제로서 사용 가능하다.
도 7은 또한 구동 전압의 전기적 접속이 바이몰프 벤딩 소자(127)에서 이루어지는 방식의 일례를 도시한다. 구동 전압은 도 11에 도시한 위치 제어기에 의해서 생성되며, 전도 트랙(181, 183)에 의해서 위치 제어기로부터 공급된다. 전도 트랙은 스테이지, 내부 프레임, 외부 프레임, 현수 스프링이 일체형으로서 기판에서 한정되기 전 또는 후 종래의 금속화에 의해 외부 프레임의 표면상에 형성된다. 트랙은 돌출부(185, 187) 단부에 종단 연결된다. 돌출부는 리세스(129)에서 바이몰프 벤딩 소자(127)쪽으로 돌출한다. 돌출부(185, 187)는 심(141)이 노출되는 바이몰프 벤딩 소자(127)의 단부(147)와 단부(147) 부근의 압전 소자(145) 부분에 인접하여 놓여진다. 바이몰프 벤딩 소자의 이 부분은 바이몰프 벤딩 소자가 결합할 때 측면 변위량이 최소가 되는 부분이다. 돌출부의 단부는 바이몰프 벤딩 소자로 인해 측면 변위를 수용하는 작은 갭에 의해서 바이몰프 벤딩 소자의 부분과 분리된다.
전도 접착 필레(189, 191)는 돌출부(185, 187)를 바이몰프 벤딩 소자(127)의 심(141)과 압전 소자(145)에 접속한다. 접착 필레는 돌출부의 단부를 에워싸고 압전 소자와 심으로 연장하는 적절한 전도 접착제의 덩어리이다. 예를 들면 UV 경화 수지는 접착제로서 사용 가능하다. 바이몰프 벤딩 소자에서의 국부적 접속(도시 안됨)은 구동 전압을 압전 소자(145)상의 전극에서 압전 소자(143)상의 전극으로 결합한다.
전술한 위치 결정 메카니즘은 이후 도 11을 참조하여 보다 상세히 설명되는 위치 센서와 위치 제어기를 부가적으로 포함하는 위치 결정 소자부를 형성한다. 이러한 위치 결정 소자는 이동 매체형 메모리 소자에 대해서 메모리 매체를 위치 결정하는데 이용된다. 예를 들면, 본 출원의 양수인에게 양도된 국제 공개 출원 공보 WO95/12932호를 참조하라.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘을 구체화하는 이동 매체형 메모리 소자의 일실시예에 대해서 도 8 내지 10을 참조하여 설명하기로 한다. 이동 매체형 메모리 소자의 위치 결정 소자에서 사용된 위치 제어기에 대해서는 도 11을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 8은 메모리 매체 소자(202)와 프로브 소자(204)로 구성된 이동 매체형 메모리 소자(200)의 일례의 부분 단면도이다. 도 8에 도시한 예는 메모리 매체 소자 부분을 형성하는 위치 결정 메카니즘(100)이 x 방향으로 스테이지(101)를 이동하고, 도 1에 도시한 외부 프레임(105)이 생략되어 단순화 되었다. 메모리 매체 소자(202)는 위치 결정 메카니즘의 내부 프레임(103)을 다수의 땜납 범프를 이용하여 프로브 소자에 부착시켜 프로브 소자(204)와 대향 배치된다. 도 8에는 일례의 납땜 범프가 (218)로 도시되었다. 이후 납땜 범프에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 메모리 매체(133)는 스테이지(101)의 주면에 놓여진다. 위치 결정 메카니즘(100)을 포함하는 메모리 매체 소자(202)는 메모리 기판(214)에서 일체형으로 형성된다.
프로브 소자(204)는 프로브 기판(206)과 프로브(208)를 포함한다. 프로브는 프로브 기판의 표면(210)에 형성된다. 전도 프로브 팁(216)은 프로브와 프로브 기판 사이의 접착점에서 멀리 떨어진 프로브의 단부에 놓여진다. 위치 결정 소자(100)가 프로브 소자(204)에 대해서 스테이지를 이동할 때, 프로브의 단부상의 전도 팁은 메모리 매체에 데이터를 기록하거나 메모리 매체에서 데이터를 판독하기 위해 메모리 매체(133)의 표면을 따라 이동한다. 도 8에 도시한 예에서, 메모리 매체는 프로브가 메모리 매체의 표면에서 2차원 어레이로 비트를 기록 및 판독하도록 x 방향과 y 방향으로 이동한다.
데이터를 기록할 수 있는 각종 유형의 재료들이 메모리 매체(133)로서 사용 가능하다. 예를 들면, 강유전성 물질, 강자성 물질, 기능성 유기 박막 등이 메모리 매체로서 사용 가능하다.
납땜 범프(218)는 메모리 매체의 표면(212)의 평면에서 프로브 소자(204)와 메모리 매체 소자의 상대 위치 결정을 한정하고 메모리 매체의 표면(212)과 프로브 기판의 표면(210)을 분리하는 좁은 갭을 한정하는 유사 재료나 납땜으로 제조된 드럼 형태의 전도 금속 칼럼이다. 갭은 프로브 소자와 메모리 매체 소자 사이의 프로브(208)의 이동 범위를 한정한다. 납땜 범프는 또한 위치 결정 메카니즘(100)이 제조되는 메모리 기판(214)과 프로브 기판(206) 사이에서 기계적, 전기적 접속을 제공한다.
데이터 비트가 저장되는 메모리 매체(133)의 영역이 약 30㎚의 전형적인 직경으로 너무 작으므로, 스테이지(101)의 열팽창은 비트 크기에 비해 큰 비트의 위치 이동을 야기한다. 실리콘의 열팽창 계수는 약 2.33ppm/℃ 이다. 따라서, 10㎜ 스퀘어 실리콘 스테이지의 온도가 40℃씩 변화함으로써 생기는 열팽창은 약 30비트와 등가인 약 930㎚이다. 그러나 열팽창의 영향은 메모리 기판(214)과 프로브 기판(206)과 동일 재료, 바람직하게는 단결정 실리콘을 이용함으로써 축소된다. 이는 프로브 기판과 메모리 기판의 열팽창 계수를 정합한다.
비트의 위치에서 열팽창 영향은 프로브 기판(206)과 메모리 기판(214) 사이의 온도차를 1℃ 이하로 제한함으로써 추가로 감소된다. 온도차는 기판 사이의 갭을 약 2㎛ 이하로 만들어서 에어 또는 헬륨과 같은 가스로 갭을 채워서 감소시킨다. 이것은 열팽창의 차이로 야기된 비트의 위치 이동을 수 ㎚ 보다 작게 감소시킨다. 비트의 위치 이동이 작으면 비트 크기는 최소화되며, 이는 비트의 밀도를 최대화시킨다. 따라서 비트가 메모리 매체에 저장될 수 있는 밀도를 최대로 하기 위한 관점에서 볼 때, 고 밀도 메모리 매체가 형성되는 스테이지(101)를 가진 도 2에 도시한 위치 결정 메카니즘은 특히 이동 매체형 메모리 소자로 사용하기 적합하다.
본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘은 z 방향에서 스테이지(101)와 내부 프레임(103)의 위치가 일정하며 반복 가능하므로 메모리 기판(214)과 프로브 기판(206) 사이에서 2㎛ 이하의 갭을 유지한다. 바이몰프 벤딩 소자(123)의 콤팩트 크기와 가벼운 중량으로 인해 현수 스프링(119)의 z 방향으로의 구부러짐은 위치 결정 소자의 공간 방향에 무시할 수 있을 정도로 종속하도록 작고 가볍게 만들어지고, 바이몰프 벤딩 소자가 z 방향으로 무시할 수 있을 정도의 힘을 발생하므로 스테이지와 내부 프레임의 위치는 일정하게 반복 가능하다.
도 9a와 9b는 바이몰프 벤딩 소자(123, 127)가 위치 결정 메카니즘(100)을 구성하는 스테이지 및 내부 프레임(도시 안됨)이 외부 프레임(105)이 제조되는 메모리 기판(214)의 두께 보다 작은 두께(즉, z 방향의 규격)를 가지는 도 8에 도시한 이동 매체형 메모리 소자(200)의 일실시예의 정면도 및 측면도이다. 이러한 두꺼운 바이몰프 벤딩 소자를 수용하기 위해서 프로브 기판(206)은 프로브 기판이 바이몰프 벤딩 소자에 의해서 결합된 영역 외부로 연장하지 않도록 메모리 기판과 측면적으로 오프셋된다. 대안적으로 프로브 기판은 바이몰프 벤딩 소자가 메모리 기판(214)의 두께와 동일한 두께를 가지면 메모리 기판을 완전히 오버랩 하도록 장착 가능하다.
종래의 위치 결정 메카니즘을 이용하는 도 1에 도시한 종래의 이동 매체형 메모리 소자에 있어서, 스택형 압전 소자(7 내지 13)는 길고 두꺼우며, 위치 결정 메카니즘의 네 측면상에 설치되어야 한다. 이는 도 9a와 9b에 도시된 것과 유사한 오버래핑 배열이 종래의 메모리 소자에 채용되지 못하게 한다. 이처럼 고밀도 메모리 매체(133)가 부가적으로 스테이지(101)상에 놓여진 도 2에 도시한 위치 결정 메카니즘은 이동 매체형 메모리 소자에서 사용될 때 콤팩트를 제공하는 이점을 가진다.
이동 매체형 메모리 소자에서, 프로브의 단부상의 프로브 팁은 비트가 저장되는 메모리 매체의 영역과 정확하게 정렬되어야 한다. 수 나노미터 정도의 정확도가 필요하다. 필요로 하는 정확도를 달성하기 위해 바이몰프 벤딩 소자(123, 127)는 스테이지(101)의 실제 위치를 결정하는 위치 센서를 사용하고 스테이지의 위치에 응답하여 바이몰프 벤딩 소자에 인가된 전압을 제어하는 서보형 위치 제어기에 의해서 구동되어야 한다.
도 10은 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘을 포함하며 서보형 위치 제어기에 의해서 제어 가능한 이동 매체형 메모리 소자부의 일례를 도시한다. 서보형 위치 제어기는 x 방향에서 스테이지(101)의 위치를 나타내는 신호가 스테이지에서 프레임 또는 프로브 구조체(도시 안됨)상에 놓여진 위치 센서로 공급될 것을 요한다. 이 신호는 내부 프레임의 스테이지를 지지하는 현수 스프링의 표면상에 형성된 전도 부재에 의해 위치 센서 회로에 전달된다.
도 10에 도시한 예는 위치 결정 메카니즘(100)이 x 방향으로 만 스테이지(101)를 이동하고 외부 프레임이 삭제되었다는 점에서 다시 단순화된다. 따라서 내부 프레임(103)은 외부 프레임을 거치는 대신에 프로브 소자(도시 안됨)에 바로 부착된다.
도 10에 도시한 예에서, 긴 캐패시터 전극(220)이 메모리 기판(214)의 표면 부분에 놓여진다. 유사한 유형의 부가 캐패시터 전극(도시 안됨)과 함께 캐패시터 전극(220)은 x 방향에서 스테이지의 위치를 검출하는 위치 센서부를 형성한다. 부가 캐패시터 전극은 캐패시터 전극(220)이 놓여진 메모리 기판(214)의 표면 부분과 대면하는 프로브 기판(도 8에 도시한 206)의 주면 부분에서 캐패시터 전극(220)과 대향하여 위치하고 있다. 캐패시터 전극(220)과 부가 캐패시터 전극은 좁은 갭에 의해서 분리되며 집합적으로 평행판 캐패시터를 형성한다. 평행판 캐패시터의 캐패시턴스를 변경하는 x 방향으로의 스테이지의 이동에 의해 캐패시터 전극간 오버랩이 변경된다. 평행판 캐패시터에 접속된 위치 센서 회로는 x 방향에서 스테이지의 위치를 나타내는 위치 표시 신호를 발생한다.
전술한 평행판 캐패시터와 유사한 4개의 평행판 캐패시터가 브릿지 회로를 형성하기 위해 상호 접속되는 캐패시턴스를 근거로 한 위치 센서가 본 출원의 양수인에게 양도된 유럽 특허 출원 97305425.7호에 기술되어 있다. 이러한 위치 센서는 콤팩트하며, 고감도를 가졌으며, 부가 공정없이 위치 결정 메카니즘과 일체형으로 제조 가능하다. 스테이지가 x 방향과 y 방향으로 이동하는 위치 결정 메카니즘에서 x 방향으로 가늘고 긴 캐패시터 전극을 가진 제 2 위치 센서는 y 방향에서 스테이지의 위치를 검출하기 위해 스테이지(101)상에 놓여진다.
전술한 위치 센서는 스테이지(101)에 장착된 캐패시터 전극(220)과 프로브 기판에 놓여진 위치 센서 회로 사이에서 전기적 접속이 이루어질 것을 요한다. 이는 현수 스프링(115)의 표면에 트랙(222)을 형성함으로써 달성 가능하다. 트랙(222)은 스테이지(101)상에 장착된 캐패시터 전극에 한 단부를 또다른 단부를 패드(224)에 전기적으로 접속된다. 패드(224)상에 형성된 트랙(222)과 납땜 범프는 캐패시터 전극을 프로브 기판(도시 안됨)상에 형성된 위치 센서 회로에 전기적으로 접속한다. 패드, 트랙, 전극은 전술한 실리콘 마이크로 머시닝 전에 수행된 종래의 반도체 공정들을 이용하여 형성된다.
도 10은 스테이지(101)의 주면에 위치한 메모리 매체(133)에 전기적으로 접속된다. 트랙(226)은 내부 현수 스프링(115)의 표면을 가로질러 연장하고 내부 프레임(103)에 놓여진 패드(228)에 접속된다. 패드(228)에 형성된 납땜 범프와 트랙(226)은 메모리 매체를 프로브 소자(도시 안됨)상에 놓여진 판독 및 기록 회로(도시 안됨)에 전기적으로 연결한다.
2차원으로 스테이지를 이동하는 위치 결정 메카니즘의 일실시예에서, 트랙(222)은 또한 외부 현수 스프링(119)(도 2)의 표면을 가로질러 연장하고, 패드(224)는 외부 프레임(105)상에 놓여진다. 이러한 일실시예에서, 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)의 구동 전압은 하나 이상의 외부 현수 스프링(119)의 표면을 가로질러 연장하는 트랙에 의해서 공급 가능하다.
도 11은 도 8 내지 10에 도시한 이동 매체형 메모리 소자의 스테이지(101)의 x 방향에서 위치를 제어하기 위해 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)에 인가된 구동 전압을 발생하는 위치 제어기의 일례의 블록도이다. 유사한 위치 제어기가 y 방향에서 스테이지의 위치를 제어하기 위해 외부 바이몰프 벤딩 소자(127)에 인가된 구동 전압을 발생하기 위해 사용된다.
도 11에 도시한 위치 제어기(230)는 x 방향에서 스테이지(101)의 원하는 위치를 표시하는 위치 제어 데이터를 수신하고, 또한 위치 센서(240)에 의해서 발생된 위치 표시 신호를 수신한다. 위치 표시 신호는 x 방향에서 스테이지의 실제 위치를 나타낸다. 위치 제어기는 내부 바이몰프 벤딩 소자(123)를 구동하는 구동 신호 VD를 발생한다. 위치 제어기는 D/A 변환기(232), 오차 증폭기(234), 선택 위상 보상 회로(236), 구동 증폭기(238)의 일련의 구성으로 이루어져 있다.
내부 바이몰프 벤딩 소자(123)는 x 방향에서 스테이지(101)를 내부 바이몰프 벤딩 소자에 인가된 구동 전압의 크기에 따르는 위치로 이동한다. 도 10에 도시한 캐패시터 전극(220)을 포함하는 위치 센서(240)는 x 방향에서 스테이지(101)의 실제 위치를 나타내는 DC 전압을 발생한다. D/A 변환기(232)는 위치 제어 데이터를 수신하고 이 위치 제어 데이터로부터 원하는 스테이지 위치에 대응하는 DC 전압을 발생한다. A/D 변환기의 출력 전압은 오차 증폭기(234)의 한 입력에 공급된다. 오차 증폭기의 다른 출력은 위치 센서(240)에 의해서 발생된 위치 표시 신호와 D/A 변환기(232)의 출력 전압간의 차이에 비례하는 출력 전압을 발생한다. 오차 증폭기는 그의 출력 전압을 구동 증폭기(238)에 공급한다. 위상 보상 회로(236)는 오차 증폭기의 출력과 구동 증폭기간의 경로에 포함되어 제어 루프의 안정도를 증대한다. 구동 증폭기는 오차 증폭기의 위상 보상된 출력에 응답하여 바이몰프 벤딩 소자(123)의 구동 전압을 발생한다.
도 11에 도시한 위치 제어기에 의해 본 발명에 따른 위치 결정 메카니즘은 위치 제어 데이터에 의해 지정된 위치로 스테이지(101)를 이동한다. 위치 제어기는 오차 증폭기(234)에 의해서 수신된 전압간 차이를 제로로 감소시키도록 동작하는 부궤환형 서보 회로이다. 즉, 위치 제어기는 위치 센서(240)의 출력 전압이 D/A 변환기(232)의 출력과 동일한 위치로 내부 바이몰프 벤딩 소자를 이동시키는 레벨에서 구동 신호를 발생한다.
전술한 바와 같이, 도 11에 도시한 위치 제어기(230)의 예는 한 방향 즉, 이 예에서는 z 방향으로 스테이지의 위치를 제어한다. 제 2위치 제어기가 y 방향으로 스테이지의 위치를 제어하기 위해 부가적으로 사용 가능하다. 통상적으로, 위치 제어기는 마이크로컴퓨터나 이와 유사한 장치에 의해서 발생된 위치 제어 데이터에 응답하여 도 8 내지 10에 도시한 이동 매체형 메모리 소자에서 스테이지의 위치를 제어한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 스캐닝 프로브 마이크로스코프, 이동 매체형 정보 기록 장치, 조정기 등에 사용되는 위치 결정 장치에 있어서, 장치 전체를 대형화하지 않고도 수십 ㎛ 이상의 큰 가동 범위를 갖는 위치 결정 메카니즘을 제공할 수 있다.
또한, 액츄에이터로서 양단 지지 바이몰프 소자를 사용함으로써 소형인 동시에 위치 결정 대상이 큰 위치 결정 메카니즘을 제공할 수 있다.
개시된 명세서에서는 본 발명의 예증의 실시예들이 보다 상세히 기술되었지만, 당업자라면 본 발명은 기술된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위가 한정하는 본 발명의 범위내에서 각종 수정이 실시될 수 있음을 인지할 것이다.

Claims (13)

  1. 이동 방향의 위치를 결정하기 위한 메카니즘에 있어서,
    제 1 부재(101, 103, 105)와,
    상기 제 1 부재에 대해 서로 이동 가능하게 장착되는 제 2 부재(103; 101, 105; 103)와,
    두 단부(147, 149)를 포함한 가늘고 긴 벤딩 소자(123, 127)를 포함하며,
    상기 벤딩 소자는 상기 제 1 부재와 제 2 부재 사이에서 이동 방향에 수직하게 배치되고, 상기 가늘고 긴 벤딩 소자의 단부는 상기 제 2 부재에 부착되며, 상기 단부 이외의 가늘고 긴 벤딩 부재 소자부(155)는 상기 제 1 부재에 결합되고, 상기 가늘고 긴 벤딩 소자는 제 2 부재에 대해서 제 1 부재를 이동 방향으로 움직이도록 인가된 구동 신호에 응답하여 길이 방향으로 구부러지는 위치 결정 메카니즘.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가늘고 긴 벤딩 소자는 바이몰프 벤딩 소자(123, 127), 바이메탈 소자(161), 형상 기억 합금중 하나를 포함하는 위치 결정 메카니즘.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가늘고 긴 벤딩 소자는 압전 재료(143, 145)의 2개의 긴 조각 사이에 샌드위치된 심(141)을 포함하며, 상기 압전 재료의 긴 조각은 심(shim)에 대해서 분극의 대향의 분극 방향을 가지는 위치 결정 메카니즘.
  4. 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 결정 메카니즘은 상기 가늘고 긴 벤딩 소자와 추가의 가늘고 긴 벤딩 소자 사이에서 상기 제 1 부재를 클램프하기 위해 가늘고 긴 벤딩 소자로부터 상기 제 1부재의 대향측상에서 상기 제 1 부재와 제 2 부재 사이에서 이동 방향에 수직하게 배치된 추가의 가늘고 긴 벤딩 소자를 부가적으로 포함하며,
    상기 가늘고 긴 벤딩 소자와 추가의 가늘고 긴 벤딩 소자는 상기 제 2 부재에 대해서 상기 제 1 부재를 이동 방향으로 이동하기 위해 상보형 쌍으로서 동작하는 위치 결정 메카니즘.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재를 상기 가늘고 긴 벤딩 소자에 결합하기 위해 제 1 부재와 가늘고 긴 벤딩 소자 사이에서 연장하는 플렉시블 빔(125, 131)을 추가로 포함하며, 상기 플렉시블 빔은 이동 방향으로는 저 컴플라이언스를, 이동 방향과 직교 방향으로는 고 컴플라이언스를 가지는 위치 결정 메카니즘.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재중 하나의 위치를 표시하는 위치 표시 신호를 발생하는 위치 센서 수단(240)과,
    상기 위치 센서 수단에 의해서 발생된 위치 표시 신호와 위치 제어 신호에 응답하여 가늘고 긴 벤딩 소자에 인가된 구동 신호 VD를 발생하는 위치 제어 수단(230)을 추가로 포함하는 위치 결정 메카니즘.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위치 제어 수단은,
    위치 제어 데이터를 수신하고 이에 응답하여 아날로그 위치 제어 신호를 발생하는 D/A 변환기(232)와,
    상기 D/A 변환기에 의해서 발생된 위치 제어 신호와 위치 센서 수단에 의해서 발생된 위치 표시 신호간 차이에 비례하는 차분 신호를 발생하는 오차 증폭기(234)와,
    가늘고 긴 벤딩 소자에 인가된 구동 전압을 발생하도록 오차 증폭기에 의해서 발생된 차분 전압을 증폭하는 구동 증폭기(238)를 포함하며,
    상기 위치 제어 수단은 오차 증폭기에 의해서 발생된 차분 신호가 제로로 유지되도록 상기 제 1 부재 및 제 2 부재중 하나의 위치를 제어하는 위치 결정 메카니즘.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재중 하나는 고정 부재(예, 103)이며,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재중 다른 하나는 가동 부재(예, 101)이고,
    가늘고 긴 벤딩 소자(예, 123)는 고정 부재에 대해서 가동 부재를 이동 방향으로 이동하며,
    가동 부재는 이동 방향과 평행하게 배치된 평탄한 주면(212)을 포함하고 있고,
    위치 결정 메카니즘은,
    고정 부재에 부착되며 가동 부재의 주면에 대향 배치된 주면(210)을 가진 기판(206)과,
    가동 부재와 고정 사이에서 연장하며, 2 미크론 이하의 갭으로 상기 기판의 주면과 분리된 주면으로 가동 부재를 지지하기 위한 수단(예, 115)을 추가로 구비하는 위치 결정 메카니즘.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 부재와 제 2 부재는 단일 기판에서 일체형으로 제조되는 위치 결정 메카니즘.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 배치된 현수 스프링(115, 119)을 복수의 위치에서 추가로 포함하는 위치 결정 메카니즘.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 부재에서 상기 제 2 부재로 위치 검출 신호를 전도하기 위해 현수 스프링의 표면에 형성된 전도 트랙(222, 226)을 추가로 포함하는 위치 결정 메카니즘.
  12. 메모리 소자에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재 중 하나(예, 101)가 이동 방향과 평행한 평탄한 주면을 포함하는, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 위치 결정 메카니즘과,
    상기 평탄한 주면에 놓여진 메모리 매체(133)와,
    상기 메모리 매체에 대향 배치된 프로브 기판(206)으로, 프로브 팁이 0 내지 100㎚ 범위의 간격으로 메모리 매체로부터 분리되도록 배치된 프로브 팁(216)을 포함하는 프로브 기판(206)과,
    상기 프로브 팁을 이용하여 메모리 매체로부터 데이터를 판독하고 메모리 매체에 데이터를 기록하기 위한 판독/기록 회로 수단을 포함하는 메모리 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 메모리 매체는 강유전체 재료, 강자성 재료, 기능적 유기 재료중 하나의 박막을 포함하는 메모리 소자.
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