KR20040047666A - 액츄에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20040047666A
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티디케이가부시기가이샤
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Abstract

도선들을 용이하게 부착할 수 있는 액츄에이터 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 액츄에이터(10)에서, 불순물들의 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 한 쌍의 실리콘 아암들(14)은 글래스 기판(12)에 의해 서로 연결된다. 각 실리콘 아암(14)의 소정 표면(24b)에 압전부(20)가 형성되는 반면에, 압전부(20)의 소정 표면(20b)에 박막 전극(22)이 형성된다. 따라서, 압전부(20)는 박막 전극(22)에 부착된 접합 와이어(22A)와 실리콘 아암(14)에 부착된 접합 와이어(18A) 사이에 전압이 인가될 때 구동된다. 접합 와이어(18A)가 임의의 위치에서 실리콘 아암(14)에 부착되므로, 와이어 접합은 접합 와이어(18A)가 용이하게 부착될 수 있는 표면과 위치를 적합하게 선택하여 실행할 수 있다.

Description

액츄에이터 및 그 제조방법{Actuator and method of making the same}
본 발명은 압전 디바이스를 활용하는 액츄에이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자기 기록 장치에서 자기 헤드의 위치를 제어하기 위해 사용되는 액츄에이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에, 자기 기록 밀도는 빠른 속도로 개량되어 왔다. 트랙 피치 폭이 기록 밀도를 증가시키기 위해 좁아질 때에, 예를 들면 트랙 위치들에 대해 자기 헤드 위치를 높은 정밀도로 제어할 필요가 있다. 그러나, VCM(voice coil motor)만의 제어에 따르면 자기 헤드 위치 조절에 한계가 있다. 그래서, VCM에 의한 헤드 위치 제어에 부가하여 액츄에이터로 고정밀도 헤드 위치 제어를 실행하는 2단 서보 제어 시스템이 제안되어 왔다.
이러한 액츄에이터는 일본 공개특허공보 제2002-26411호 및 제2002-289936호에 개시되어 있다. 이들 공보에 개시된 액츄에이터에 있어서, 내부 전극을 갖는 편평한 적층 압전 디바이스는 서로 대향하는 한 쌍의 아암들 각각에 부착되어 있다. 전압을 압전 디바이스에 인가하기 위한 한 쌍의 전극들은 압전 디바이스에서 아암과 직면하는 표면으로부터 대향하는 표면상에 제공되는 반면에, 각 도선들은 한 쌍의 전극들에 부착된다.
그러나, 상술한 종래의 액츄에이터에선 하기 문제점이 나타난다. 즉, 압전 디바이스의 좁은 단부면에 두개의 도선을 부착하기 위해 고도의 위치 정밀도가 필요하고, 이에 의해 이들 도선들은 상기 디바이스에 부착하기 어렵다. 압전 디바이스가 특히 소형 사이즈의 액츄에이터에 채용되도록 작게 만들어질 때에, 고도의 위치 정밀도가 필요하므로, 상기 도선들을 부착하기가 매우 어렵다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 도선들을 용이하게 부착하기 위한 액츄에이터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터를 도시한 개략 사시도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 실리콘 아암의 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터를 제조하는 순서를 도시한 개략도.
도 4a 내지 도 4h는 하나의 액츄에이터에 대응하는 영역에서 실리콘 기판상에 압전 필름 패턴과 전극 패턴을 형성하는 순서를 도시한 개략 단면도.
도 5a 내지 도 5f는 다른 모드로 아암 드라이버를 형성하는 순서를 도시한 개략 단면도.
도 6은 압전 디바이스들을 사용하는 모드로 액츄에이터를 도시한 개략 사시도.
도 7은 도 6과 다른 모드로 압전 디바이스들을 사용하는 액츄에이터를 도시한 개략 사시도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 액츄에이터 12 : 글래스 기판
14 : 실리콘 아암 16 : 아암 드라이버
18, 22 : 박막 전극 19A, 22A : 접합 와이어
20 : 압전부
본 발명에 따른 액츄에이터는 절연 기판과, 불순물로 도핑되고, 상기 절연 기판의 양 단부면들에 연결되는 각각 하나의 단부 부분들을 갖는 한 쌍의 실리콘 아암들과, 상기 각 실리콘 아암에서 상기 절연 기판에 연결되는 표면에 대향하는 표면상에 형성되는 압전부, 및 상기 각 압전부에서 상기 실리콘 아암과 대향하는 상기 표면에 대향된 표면상에 형성되는 제 1 전극을 포함한다.
이러한 액츄에이터에서, 불순물 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 한 쌍의 실리콘 아암들은 절연 기판에 의해 서로 연결된다. 각 실리콘 아암은 압전부가 형성된 소정 표면을 갖는 반면에, 이 압전부는 제 1 전극이 형성된 소정 표면을 갖는다. 따라서, 한 쌍의 도선들중 하나가 제 1 전극에 부착되는 반면에, 다른 하나가 실리콘 아암에 부착되고, 이들 한 쌍의 도선들 사이에 전압이 인가될 때에, 압전부는 구동된다. 여기서, 도선은 임의의 위치에서 실리콘 아암에 부착될 수 있다. 그래서, 도선은 이 도선이 용이하게 부착될 수 있는 위치와 표면을 적합하게 선택하여부착될 수 있다. 그 결과, 도선들은 종래의 액츄에이터 보다 더 용이하게 본 발명의 액츄에이터에 부착될 수 있다.
적합하게는, 상기 액츄에이터는 실리콘 아암에서 압전부가 형성된 표면상에 형성되는 제 2 전극을 부가로 포함한다. 제 1 및 제 2 전극들이 동일한 방향으로 배향되므로, 본 발명에선 각 전극들에 도선들을 더 용이하게 부착할 수 있다.
적합하게는, 절연 기판은 글래스로 구성된다. 이 경우에, 비교적 저온에서 접합되는 애노드 접합은 절연 기판을 실리콘 아암들에 연결하기 위해 사용되고, 이 절연 기판은 에칭에 의해 용이하게 형성될 수 있다.
압전부는 단일층 압전 필름일 수 있거나, 또는 압전 및 전극 필름들이 교대로 적층되는 적층 구조를 갖는다. 적합하게는, 압전 필름은 PZT로 구성된다.
적합하게는, 제 1 전극은 다층 구조를 갖고, 이 구조에서 최상부층은 Au 또는 Pt로 구성된다. 이것은 압전부가 액츄에이터를 제조하기 위해 활용되는 에칭제에 의해 부식되는 것을 충분히 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 액츄에이터를 제조하기 위한 방법은 불순물로 도핑되는 두개의 실리콘 기판들의 각각의 일 표면상에 압전 필름 패턴을 형성하는 단계와, 상기 압전 필름 패턴상에 전극 필름을 형성하는 단계와, 상기 압전 필름 패턴과 전극 필름이 각각 형성된 상기 두개의 실리콘 기판들을 상기 압전 필름 패턴들이 외향으로 배향되도록 절연 기판의 양 측면 각각에 접합하는 단계와, 함께 적층된 상기 두개의 실리콘 기판들과 상기 절연 기판으로 구성된 적층 기판으로부터 소정 형태를 갖는 블록을 절단하는 단계와, 상기 블록의 일 측면상에서 상기 절연 기판을 부분적으로 제거한 후에 상기 블록을 절단함으로써 실리콘 아암을 형성하는 단계를 포함한다.
액츄에이터를 제조하기 위한 이러한 방법에서, 불순물의 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 두개의 실리콘 기판들은 절연 기판에 의해 서로 연결된다. 각 실리콘 기판에 압전 필름 패턴이 형성되는 반면에, 전극 필름은 압전 필름 패턴상에 형성된다. 따라서, 이러한 방법을 사용함으로써 만들어지는 액츄에이터에서 한 쌍의 도선들중 하나가 전극 필름에 대응하는 전극에 부착되는 한편, 다른 하나가 실리콘 아암에 부착되고, 한 쌍의 도선들 사이에 전압이 인가될 때에, 압전부는 구동된다. 여기서, 도선은 임의의 위치에 부착될 수 있다. 그래서, 도선은 이 도선이 용이하게 부착될 수 있는 위치 및 표면을 적합하게 선택하여 부착될 수 있다. 그 결과, 도선들은 종래의 액츄에이터 보다 더 용이하게 본 발명의 액츄에이터에 부착될 수 있다.
적합하게는, 상기 방법은 실리콘 기판상에 전극 패턴을 형성하는 단계를 부가로 포함한다. 이 경우에, 압전 필름상에 형성된 전극과 전극 패턴의 전극은 동일한 방향으로 배향되어 각 전극들에 도선들을 용이하게 부착할 수 있다.
적합하게는, 절연 기판은 글래스로 구성된다. 이 경우에, 비교적 저온에서 접합되는 애노드 접합은 절연 기판을 실리콘 기판들에 연결하기 위해 사용되고, 이 절연 기판은 에칭에 의해 용이하게 형성할 수 있다.
적합하게는, 압전 필름 패턴은 PZT로 구성된다.
이하에서, 본 발명에 따른 액츄에이터 및 그 제조방법을 채용할 시에 가장양호한 모드를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 서로 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 중복 설명을 반복함 없이 서로 동일한 참조 부호를 사용한다.
제 1 실시예
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터를 도시한 개략 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액츄에이터(10)는 HDD 서보 제어용 액츄에이터이고, 헤드 슬라이더(이하, "슬라이더"라 함)(SL)를 변위시킨다. 슬라이더(SL)는 자기 기록 정보를 하드 디스크로부터 판독하고 자기 기록 정보를 하드 디스크상에 기록하는 박막 자기 헤드(H)를 포함한다. 슬라이더(SL)는 실질적으로 직육면체 형태를 갖고, 도 1에선 그 상부면이 하드 디스크와 직면하는 공기 운반면이다. 도 1에서 슬라이더(SL)는 하드 디스크 등으로부터 부양 정도를 조절하기 위한 슬라이더 레일을 생략하여 개략적으로 도시되어 있다.
액츄에이터(10)는 직사각형 플레이트로 형성된 글래스 기판(절연 기판)(12)과, 직사각형 칼럼으로 각각 형성된 한 쌍의 실리콘 아암들(14), 및 상기 실리콘 아암들(14)에 부착되는 각 아암 드라이버들(16)과 박막 전극들(제 2 전극들 또는 외부 연결부용 전극들)(18)을 포함한다. 액츄에이터(10)는 하드 디스크 드라이브의 서스펜션 아암(30)에 장착된다. 이 서스펜션 아암(30)은 짐벌(gimbal)(32)에 제공된 선단부를 갖고, 음성 코일 모터에 의해 구동된다. 특히, 액츄에이터(10)는 짐벌(32)의 텅(tongue)(32a)에 접합되어 고정된다. 실리콘 아암들(14)이 요동될 필요가 있으므로, 액츄에이터(10)를 짐벌(32)에 고정하기 위한 접착제는 글래스 기판(12)에만 적용된다.
각 실리콘 아암(14)은 그 저항을 저하시키기 위해 불순물들로 도핑된 단결정 실리콘으로 구성되고, 1 Ω㎝ 미만의 비저항을 갖는다. 실리콘 아암(14)을 위한 재료로서 사용되는 단결정 실리콘은 하드 디스크 드라이브가 사용되는 온도 범위내에서 소성적으로 변형하지 않기 때문에 탄성 재료로서 우수하다. 또한, 낮은 결정 결점들을 갖는 높은 기계적 강도를 갖고, 이에 의해 높은 정밀도의 위치 제어가 가능하다. 불순물들에 대해, 인과 같은 도너(donor)와 알루미늄 및 붕소와 같은 억셉터(accepter) 중 임의의 것이 사용될 수 있다.
두개의 실리콘 아암들(14)은 서로 평행하게 연장하는 한편, 글래스 기판(12)의 대향 단부면에 양극적으로 접합되는 각 단부면들(14a)을 갖는다. 즉, 글래스 기판(12)이 한 쌍의 실리콘 아암들(14)을 지지하는 실질적으로 일체식의 U형 구조가 형성된다. 하기에서 설명의 편의를 위해, 실리콘 아암들(14)이 연장되고 정렬되는 방향을 각각 X 방향 및 Y 방향이라 하는 반면에, 이 X 방향과 Y 방향에 직교하는 방향을 Z 방향이라 한다.
각 아암 드라이버(16)는 각 실리콘 아암(14)에서 글래스 기판(12)에 접합되는 표면(24a)에 대향하는 표면(24b)에 형성된다. 아암 드라이버(16)는 직사각형 플레이트처럼 일 방향으로 연장하고, 그 길이 방향이 실리콘 아암(14)의 길이 방향(X 방향으로 지시됨)을 따라 연장하도록 실리콘 아암(14)에 부착된다. 각 박막 전극(18)은 각 아암(14)에서 글래스 기판(12)에 접합되는 표면(24a)에 대향하는 표면(24b)상에 실질적으로 직사각형 플레이트처럼 형성된다. 슬라이더(SL)는 각실리콘 아암(14)의 내부 측면(24a)(글래스 기판(12)에 접합되는 표면)에 접착제로 고정된다.
도 2를 참조하여, 아암 드라이버(16)와 박막 전극(18)의 단면 구조를 설명한다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 취한 실리콘 아암(14)의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 아암 드라이버(16)는 실리콘 아암(14)의 표면(24b)의 일부 영역에 형성되고, 압전부(20)와 박막 전극(제 1 전극)(22)으로 구성된다. 압전부(20)는 PZT(납 지르콘산염과 납 티탄산염의 혼합물)로 구성되는 단층 압전 필름이다. 박막 전극(22)은 압전부(20)에서 실리콘 아암(14)에 접합된(대향된) 표면(20a)에 대향하는 표면(20b)에 적층된다. 박막 전극(22)은 Cr 층(22a), Ni 층(22b), 및 Au 층(22c)이 압전부(20)에 밀접한 측으로부터 이러한 순서로 적층되는 3층 구조를 갖는다.
다른 한편, 박막 전극(18)은 아암 드라이버(16)에 형성된 영역과 겹치지 않도록 실리콘 아암(14)의 일 단부 부분(14a) 측에 형성된다. 박막 전극(22)과 같이, 박막 전극(18)도 3층 구조를 갖는다(실리콘 아암(14)에 밀접한 측으로부터 연속적으로 Cr 층(18a), Ni 층(18b), 및 Au 층(18c)으로 구성됨).
전원을 공급하기 위한 한 쌍의 접합 와이어들(한 쌍의 도선들)(18A, 22A)이 실리콘 아암(14)상의 박막 전극(18)과 압전부(20)상의 박만 전극(22)에 각각 연결될 때에, 상기 액츄에이터(10)에서 낮은 저항을 갖는 실리콘 아암(14)을 통하여 두께 방향(도 1 및 도 2에서 Y 방향)으로 아암 드라이버(16)의 압전부(20)에 전압이 인가된다. 상기와 같이 압전부(20)에 전압이 인가될 때에, 아암 드라이버(16)의압전부(20)는 편광 방향을 따라 팽창하고 수축하며, 이에 의해 실리콘 아암(14)의 다른 단부 부분(14b)의 측면상에서 압전부(20)에 의해 유지되는 슬라이더(SL)는 Y 방향을 따라 변위된다.
즉, 액츄에이터(10)는 슬라이더(SL)의 위치를 제어할 수 있고, 음성 코일 모터와 서스펜션 아암들의 협동에 의해 실현되지 않는 레벨에서 슬라이더(SL)를 미세하게 변동시킨다. 직사각형 플레이트처럼 형성된 아암 드라이버(16)가 실리콘 아암(14)의 길이 방향을 따라 연장하는 길이 방향을 갖도록 실리콘 아암(14)에 부착되므로, 아암 드라이버(16)의 변위는 실리콘 아암(14)에 효과적으로 전달될 수 있고, 이에 의해 실리콘 아암은 높은 정밀도로 제어될 수 있다.
상세히 상술한 바와 같이, 불순물들의 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 각 실리콘 아암(14)은 압전부(20)에 전압을 인가함으로써 도전 통로로써 활용된다. 한 쌍의 실리콘 아암들(14)이 절연 글래스 기판에 의해 서로 연결되므로, 각 실리콘 아암(14)은 다른 실리콘 아암(14)이 여자 되는지에 관계없이 여자될 수 있다.
압전부(20)의 상부면(20b) 상에는, 압전부(20)에 전압을 인가하기 위해 한 쌍의 접합 와이어들(18A, 22A) 중에 하나의 접합 와이어(22A)가 부착되는 박막 전극(22)이 형성되어 있다. 그 결과, 전압은 한 쌍의 접합 와이어들(18A, 22A) 중에 다른 접합 와이어(18A)가 실리콘 아암(14)에 부착되는 위치에 관계없이 압전부(20)에 인가된다. 즉, 접합 와이어(18A)가 용이하게 부착되는 위치와 표면은 접합 와이어(18A)를 실리콘 아암(14)에 부착하기 위해 적합하게 선택될 것이다. 따라서, 접합 와이어(18A)의 결합은 종래의 액츄에이터에 부착하는 것 보다 본 발명의 액츄에이터에 더 용이하게 부착할 수 있다. 또한, 도전성 실리콘 아암(14)이 압전부(20)가 일 측면과 접촉하는 컨덕터로서 사용되므로, 압전부(20)에 전력을 공급하기 위한 배선 구조는 간단하다.
박막 전극(18)에 의해 실리콘 아암(14)에 접합 와이어(18A)를 부착할 때에, 박막 전극은 상술한 바와 같이 아암 드라이버(16)로 형성된 표면(20a)상에 형성된다. 박막 전극들(18, 22)이 동일 방향(도 1 및 도 2에서 Y 방향)으로 배향되므로, 접합 와이어들(18A, 22A)은 Y 방향을 따라 이에 용이하게 부착된다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하여 액츄에이터(10)를 제조하는 순서를 하기에 설명한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 액츄에이터(10)를 제조하는 순서를 도시한 개략도이다.
먼저, 액츄에이터(10)를 제조하기 위해, 글래스 기판(12)으로 되는 디스크형 글래스 기판(절연 기판)(40)이 준비되고, 그 전후면이 연마된다(도 3a 참조). 계속해서, 글래스 기판(40)과 동일한 직경을 갖는 디스크형으로 각각 형성된 두개의 단결정 기판들(42)은 각각 연마된 전후면에 접합되어 적층된 기판(44)을 형성한다(도 3b 참조). 이들 실리콘 기판들(42) 각각은 불순물들의 도핑결과 1 Ω㎝ 미만의 비저항을 갖는다. 글래스 기판(40)과 실리콘 기판들(42)은 서로 양극적으로 접합된다. 이것은 비교적 고온에서 양호한 치수 정밀도로 서로 글래스 기판(40)과 실리콘 기판들(42)을 접합할 수 있다. 또한, 애노드 접합은 높은 신뢰성이 있고 접합 계면에 아무것도 남기지 않는다. 이와 대조하여 접착제가 접합을 위해 사용될 때에, 글래스 에칭 시에 잔류물이 발생하고, 이것은 액츄에이터(10)를 제조하기 위해 유동하는 잔류물을 제거하는 공정을 부가할 필요가 있다. 실리콘 기판(42)에서 글래스 기판(40)에 접합된 표면(42a)에 대향하는 표면(42b)은 전극 필름들이 적층되는 압전 필름 패턴과 전극 패턴으로 이미 형성되어 있다.
도 4a 내지 도 4h를 참조하여 실리콘 기판상에 압전 필름 패턴과 전극 패턴을 형성하는 순서를 하기에 설명한다. 도 4a 내지 도 4h는 하나의 액츄에이터에 대응하는 영역에서 실리콘 기판상에 압전 필름 패턴과 전극 패턴을 형성하는 순서를 도시한 개략 단면도이다.
먼저, 불순물들로 도핑된 실리콘 기판(42)이 준비되고(도 4a 참조), 그 일 표면(42b)에는 희생층으로되는 SiO2또는 PSG(인 도핑 글래스)의 필름으로 이루어지는 마스크층(46)이 형성된다(도 4b 참조). 그런 후에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 압전부(20)에 형성되는 영역에 대응하는 마스크층(46)의 일부가 HF 또는 완충된 HF로 떨어져서 에칭된다. 그런 다음에, 도 4d에 도시된 바와 같이, PZT로 이루어진 압전 필름이 형성된다. 이러한 필름을 형성하기 위해, 솔-겔법, 이온 비임 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, DC 마그네트론 스퍼터링법, MOCVD법, PLD법, 열수 합성법, 전기영동법 등이 사용될 수 있다. 압전 필름(48)이 마스크층(46)에 또한 형성될지라도, 이 마스크층(46)이 상승하여 실리콘 기판(42)의 표면(42b)에 직접 형성된 압전 필름(압전 필름 패턴)(49)만이 도 4e에 도시된 바와 같이 남게된다. 양호한 결정성을 갖는 압전 필름(48)을 양산하기 위해, <100> 배향된 Pt 필름은 압전 필름(48)을 실리콘 기판(42)상에 형성하기 전에 적합한 실리콘 기판(42)의표면상에 형성될 것이다.
도 4f에 도시된 바와 같이, 압전 필름(48) 보다 더 높이 상승된 저항층(50)은 박막 전극들(18, 22)로 형성되는 각 영역들 사이의 영역에 형성(패턴)된다. 그런 후에, 도 4g에 도시된 바와 같이, Cr 층(52), Ni 층(54), 및 Au 층(56)이 스퍼터링법과 같은 박막 형성 기술에 의해 연속적으로 형성되고, 따라서 3층 구조를 갖는 전극 필름(58)을 양산한다. 마지막으로, 상승된 저항층(50)이 상승되므로, 실리콘 기판(42)상에 적층된 박막 전극(18)으로 되는 전극 필름(전극 패턴)(58A)과 압전 필름 패턴(49)상에 적층된 박막 전극(22)으로 되는 전극 필름(58B)이 형성된다(도 4h 참조).
도 3b에 도시된 두개의 실리콘 기판들(42) 각각은 전극 필름들(58B)이 적층되어 압전 필름 패턴(49)에 그리고 실리콘 아암(14)으로 되는 각 영역에서 전극 패턴(58A)에 형성된다. 이렇게 형성된 패턴들은 그리드들 처럼 정렬된다. 두개의 실리콘 기판들(42)은 각각 글래스 기판(40)의 양 측면에 접합되므로, 압전 필름 패턴(49)과 전극 패턴(58A)에 형성된 표면(42b)은 외향으로 배향되어 디스크형 적층 기판(44)을 양산한다.
그런 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 다수의 실리콘 아암들이 서로 평행하게 정렬되는 블록(60)은 적층된 기판(44)으로부터 절단된다. 이 블록(60)은 글래스 블록(62)과 이 글래스 블록(62)의 양 측면들상에 각각 배치된 한 쌍의 실리콘 블록들(64)을 포함한다. 그런 다음, 블록(60)내의 글래스 블록(62)은 HF 또는 완충된 HF로 에칭되는 한편, 하나의 글래스 블록 측면이 마스크되어, 도 3d에 도시된바와 같이 각각 짧은 글래스 블록(62)의 양 측면상에서 긴 실리콘 블록들(64)(평행하게 정렬된 일련의 실린콘 아암들)을 남긴다.
그런 후에, 도 3e에 도시된 바와 같이, 에칭된 블록(60)은 그 길이 방향에 수직한 표면에서 동일하게 이격된 간극으로 절단되고, 이에 의해 액츄에이터(10)가 얻어진다. 복수의 기판들을 접합하기 위한 기술과 박막 필름들을 형성하기 위한 기술을 사용함으로써 만들어지는 액츄에이터(10)는 작고 용이하게 만들 수 있고, 슬라이더(SL)의 사이즈를 더 감소시키기 위해 반응한다.
글래스 기판(40)이 에칭에 의해 용이하게 형성되므로, 액츄에이터(10)의 글래스 기판(12)은 용이하게 형성될 수 있다. 글래스 기판(40)을 위한 에칭 시간을 조절함으로써 실리콘 아암들의 길이를 용이하게 조절할 수 있다.
전극 필름(58)의 최상부층으로서 형성된 Au층은 글래스 기판(40)을 에칭할 때에 저항층으로서 작용한다. 이것은 에칭을 위한 저항을 별도로 형성함 없이 에칭제에 의해 부식되는 압전부(20)와 박막 전극들(18, 22)을 충분히 억제할 수 있다. 더욱이, 전극 필름(58)의 최상부층이 Pt층일 경우에, 그 효과는 Au가 최상부층을 형성할 때와 유사하다.
글래스 기판(40)이 실리콘 기판들(42) 사이에 유지되는 적층된 기판이 블록(60)으로 절단되고(실리콘 블록(64)/글래스 블록(62)/실리콘 블록(64)), 이 블록내에 다수의 액츄에이터들(10)이 평행하게 정렬되며, 글래스 기판(12)에 대응하는 글래스 블록(62)이 에칭되는 동안, 블록 상태에서 글래스 기판은 효과적으로 형성됨으로 그 비용은 절감된다.
다이서, 슬라이서, 와이어 톱, 레이저 등이 블록(60)을 절단하기 위해 사용된다.
각 실리콘 아암(14)을 구동하기 위한 각 압전 필름(20)은 압전 필름이고, 상술한 바와 같이 실리콘 아암(14)으로 되는 실리콘 기판(42)상에 종래의 박막 형성 기술을 사용하여 직접 형성할 수 있으며, 이에 의해 압전 디바이스를 접합하는 작동은 필요 없게되어 액츄에이터들의 대량 생산성이 향상된다. 이러한 압전 필름은 희생층을 상승시킴으로써 패턴으로서 형성된다.
액츄에이터(10)를 제조하기 위한 방법에서, 실리콘 블록(64)/글래스 블록(62)/실리콘 블록(64)의 샌드위치 구조를 갖는 블록(60)이 얻어진다. 실리콘 블록(즉, 실리콘 기판(42))의 두께 변경은 실리콘 아암(14)의 강성을 변경함으로, 소정량의 변위를 갖는 액츄에이터들이 만들어진다.
제 2 실시예
상술한 제 1 실시예가 본 발명에 따른 단층 압전 필름을 갖는 아암 드라이버(16)를 예시하였지만, 아암 드라이버(16)는 압전 필름들과 내부 전극 필름들이 교대로 적층된 적층 구조를 가질 수 있다. 이런 적층 구조를 가지는 아암 드라이버는 공지된 박막 적층 기술을 사용하는 다양한 순서에 의해 형성될 수 있다. 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 이런 적층 구조를 가지는 아암 드라이버를 제조하는 순서를 하기에서 설명한다. 도 5a 내지 도 5f는 다른 실시예의 아암 드라이버를 형성하기 위한 순서를 도시한 개략 단면도이다.
먼저, 상술한 아암 드라이버(16)를 제조하는 순서(도 4a 내지 도 4e 참조)에서와 같이, PZT로 이루어진 직사각형 압전 필름 패턴(49A)은 불순물로 도핑된 실리콘 기판(42)의 일 표면(42b)상에 형성된다(도 5a 참조). 압전 필름 패턴(49A)의 상부면 영역에서, 압전 필름 패턴(49A)내에 종방향으로 서로 대향된 단부 부분에서 일 단부 영역(49a)을 제외한 영역이 기상 증착, 스퍼터링 등에 의해 전극 필름(70)으로 형성된다(도 5b 참조). 이어서, 압전 필름 패턴(49A)내에서 종방향으로 서로 대향된 단부 부분의 다른 단부 영역에 형성된 전극 필름(70)의 일부를 노출시키도록, 압전 필름 패턴(49A)과 동일한 결정 배향을 가지는 압전 필름 패턴(49B)이 압전 필름 패턴(49A) 및 전극 필름(70)의 상부면 영역상에 형성된다(도 5c 참조). 즉, 압전 필름 패턴(49A)내의 종방향으로 서로 대향된 단부 부분내의 일 단부 영역(49a)에서, 압전 필름 패턴(49B)은 결정성을 유지하도록 압전 필름 패턴(49A)상에 적층된다.
또한, 전극 필름(70)의 노출부를 커버하지 않고 압전 필름 패턴(49B)의 부분적 영역을 노출시키도록 압전 필름 패턴(49B)상에 전극 필름(72)이 형성된다(도 5d 참조). 또한, 전극 필름(72)은 전극 필름(70)이 노출되어 있는 측면에 대향한 압전 필름 패턴(49A, 49B)의 측면상에도 형성되며, 실리콘 기판(42)에 전기적으로 연결된다. 이때, 압전 필름 패턴(49A 및 49B)의 것과 동일한 결정 배향을 가지는 압전 필름 패턴(49C)이 전극 필름(72)의 상부면 및 압전 필름 패턴(49B)의 노출부를 커버하도록 형성된다(도 5e 참조). 즉, 압전 필름 패턴(49C)은 결정성을 유지하도록 압전 필름 패턴(49B)상에 적층된다. 마지막으로, 전극 필름(74)이 전극 필름(70)의 노출부와 압전 필름 패턴(49C)을 커버하도록 적층된다(도 5f 참조).이렇게 형성된 적층 구조에서, 아암 드라이버를 형성하기 위해, 최상부 전극 필름(74)은 제 1 실시예의 박막 전극(22)과 실질적으로 동일한 박막 전극인 반면에, 3 층의 압전 필름 패턴들(49A, 49B, 49C)과 그 사이에 교대로 개재되어 있는 2 층의 전극 필름들(70, 72)은 제 1 실시예의 압전부(20)와 실질적으로 동일한 압전부가 된다.
이런 적층 구조를 가지는 실리콘 기판(42)을 사용하여, 적층 구조를 가지는 아암 드라이버를 포함하는 액츄에이터가 형성된다. 압전부가 적층 구조를 가지기 때문에, 이렇게 형성된 액츄에이터는 제 1 실시예에 따른 액츄에이터(10)에서 보다 각 실리콘 아암(14)에 대하여 보다 큰 변위량을 달성할 수 있다.
제 3 실시예
상술한 제 1 및 제 2 실시예가 적층 기술을 사용하여 형성된 아암 드라이버(16)를 가지는 액츄에이터를 예시하였지만, 액츄에이터는 별도로 제조된 아암 드라이버를 사용하여 제조될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 압전 재료로 구성된 압전 플레이트(압전부)(76A)가 양 측면상에서 한 쌍의 전극 플레이트(76B, 76C) 사이에 유지되어 있는 직사각형 컬럼 형상으로 형성된 압전 디바이스(76)가 아암 드라이버로서 사용될 수 있다. 도 6은 압전 디바이스를 사용하는 모드에서 액츄에이터를 도시하는 개략적인 사시도이다.
이제, 이 액츄에이터(10A)를 제조하는 순서를 설명한다. 먼저, 상술한 제 1 실시예에 도시된 액츄에이터(10)를 제조하는 것과 실질적으로 동일한 순서로, 실리콘 아암(14), 글래스 기판(12) 및 박막 전극(18)만으로 구성된 구조(78)가 제조된다. 이어서, 압전 디바이스(76)가 각 실리콘 아암(14)에 접합되어 고정되고, 그래서, 각 압전 디바이스(76)의 일 전극 플레이트(76B) 및 글래스 기판(12)과 실리콘 기판(14) 사이의 접합면(24a)에 대향하는 표면(24b)이 서로 대향되고, 실리콘 아암(14)의 길이 방향과 압전 디바이스(76)의 길이 방향이 서로 정렬한다. 에폭시, 실리콘 및 아크릴 테이프로 이루어진 것들과 같은 도전성 접착제 뿐만 아니라, 전극 플레이트(76B)와 실리콘 아암(14) 사이의 전기 연결을 보장하도록 부분적으로 적용될 수 있다면, 절연 접착제도 사용될 수 있다.
상술한 액츄에이터(10A)에서, 불순물들의 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 각 실리콘 아암(14)이 각 압전 플레이트(76A)에 전압을 인가하기 위한 도전 경로로서 활용된다. 압전 플레이트(76A)내의 실리콘 아암(14)에 대면한 표면(76a)으로부터 대향한 표면(76b)은 전극 플레이트(상술한 박막 전극(22)에 대응하는 제 1 전극)(76A)로 형성되며, 이에는 압전 플레이트(76A)에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 접합 와이어(18A, 22A) 중 하나의 접합 와이어(22A)가 부착된다. 따라서, 접합 와이어(18A, 22A) 쌍 중 다른 접합 와이어(18A)가 실리콘 아암(14)에 부착되는 위치에 무관하게 압전 플레이트(76A)에 전압이 인가될 수 있다. 즉, 접합 와이어(18A)는 접합 와이어(18A)가 쉽게 부착될 수 있는 위치 및 표면을 적절히 선택하여 실리콘 아암(14)에 부착될 수 있다. 결과적으로, 한 쌍의 접합 와이어(18A, 22A)는 종래의 액츄에이터에서 보다 쉽게 이 액츄에이터에 부착될 수 있다.
제 4 실시예
실리콘 아암(14)에 부착된 압전 디바이스는 제 3 실시예에 예시된 단층 압전 플레이트를 갖는 압전 디바이스(76)에 한정되지 않으며, 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 압전층들과 내부 전극들이 적층되어 있는 적층형 압전 디바이스(80)일 수도 있다. 도 7은 도 6과는 다른 모드에서 압전 디바이스를 사용하는 액츄에이터를 도시하는 개략적인 사시도이다. 즉, 제 4 실시예에 따른 액츄에이터(10B)는 각각 L형 단면을 갖는 한 쌍의 외부 전극 플레이트들(82A, 82B)이 그 사이에 적층된 압전 본체(압전부)(84)를 유지하고 있는 압전 디바이스(80)를 아암 드라이버로서 사용한다. 적층형 압전 본체(84)는 교대로 적층되어 있는 압전층들(86)과 내부 전극들(88a 및 88b)에 의해 구성된다. 각 내부 전극(88a)의 단부 부분은 적층형 압전 본체(84)의 일 단부면에서 노출되며, 외부 전극(82B)에 연결된다. 다른 한편, 각 내부 전극(88b)의 단부 부분은 적층형 압전 본체(84)의 다른 단부면에서 노출되며, 외부 전극 플레이트(82A)에 연결된다.
각 압전 디바이스(80)는 일 외부 전극 플레이트(82B)가 실리콘 아암(14)내의 글래스 기판(12)에 접합된 표면(24a)으로부터 대향한 표면(24b)에 대항하도록 그 길이 방향이 압전 디바이스(76)의 길이 방향과 정렬하도록 각 실리콘 아암(14)에 접합되어 고정된다. 여기서, 다른 외부 전극 플레이트(82A)(제 1 전극)는 실리콘 아암(14)과 접촉하지 않고 그 사이에 간극을 형성한다.
상술한 액츄에이터(10B)에서, 제 3 실시예에 따른 액츄에이터(10A)에서와 같이, 접합 와이어(18A)는 접합 와이어(18A)가 쉽게 부착될 수 있는 표면 및 위치를 적절히 선택하여 각 실리콘 아암(14)에 부착될 수 있다. 결과적으로, 한 쌍의 접합 와이어들(18A, 22A)은 종래의 액츄에이터에서 보다 쉽게 이 액츄에이터에 부착될 수 있다. 부가적으로, 압전 디바이스(80)가 적층형으로 이루어지기 때문에, 각 실리콘 아암(14)의 변위량은 압전 디바이스(76)를 가지는 액츄에이터(10A)의 변위량 보다 커질 수 있다. 압전 디바이스로서, 단판 및 적층형 뿐만 아니라, 바이모프(bimorp)형으로 이루어진 것도 사용될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 불순물 도핑에 의해 낮은 저항을 갖는 한 쌍의 실리콘 아암들은 절연 기판에 의해 서로 연결된다. 각 실리콘 아암은 압전부로 형성된 소정 표면을 갖는 반면에, 이 압전부는 제 1 전극에 형성된 소정 표면을 갖는다. 따라서, 한 쌍의 도선들중 하나가 제 1 전극에 부착되는 반면에, 다른 하나가 실리콘 아암에 부착되고, 이들 한 쌍의 도선들 사이에 전압이 인가될 때에, 압전부는 구동된다. 여기서, 도선은 임의의 위치에서 실리콘 아암에 부착될 수 있다. 그래서, 도선은 이 도선이 용이하게 부착될 수 있는 위치와 표면을 적합하게 선택하여 부착될 수 있다. 그 결과, 도선들은 종래의 액츄에이터 보다 더 용이하게 본 발명의 액츄에이터에 부착될 수 있다.
본 명세서는 2002년 11월 28일자로 출원된 기초 일본 출원 제 2002-345815 호 및 2002년 11월 28일자로 출원된 일본 특허 출원 제 2002-346476 호를 참조하여 그 내용을 통합하고 있다.

Claims (11)

  1. 절연 기판과,
    불순물로 도핑되고, 상기 절연 기판의 양 단부면들에 연결되는 각각 하나의 단부 부분들을 갖는 한 쌍의 실리콘 아암들과,
    상기 각 실리콘 아암에서 상기 절연 기판에 연결되는 표면에 대향하는 표면상에 형성되는 압전부, 및
    상기 각 압전부에서 상기 실리콘 아암과 대향하는 상기 표면에 대향된 표면상에 형성되는 제 1 전극을 포함하는 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 아암에서 상기 압전부가 형성된 표면상에 형성되는 제 2 전극을 부가로 포함하는 액츄에이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절연 기판은 글래스로 구성되는 액츄에이터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전부는 단일층 압전 필름인 액츄에이터.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전부는 교대로 적층된압전 및 전극 필름들을 포함하는 적층 구조를 갖는 액츄에이터.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 압전 필름은 PZT로 구성되는 액츄에이터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전극은 Au 또는 Pt로 구성되는 최상부층을 구비하는 다층 구조를 포함하는 액츄에이터.
  8. 불순물로 도핑되는 두개의 실리콘 기판들의 각각의 일 표면상에 압전 필름 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 압전 필름 패턴상에 전극 필름을 형성하는 단계와,
    상기 압전 필름 패턴과 전극 필름이 각각 형성된 상기 두개의 실리콘 기판들을 상기 압전 필름 패턴들이 외향으로 배향되도록 절연 기판의 양 측면 각각에 접합하는 단계와,
    함께 적층된 상기 두개의 실리콘 기판들과 상기 절연 기판으로 구성된 적층 기판으로부터 소정 형태를 갖는 블록을 절단하는 단계와,
    상기 블록의 일 측면상에서 상기 절연 기판을 부분적으로 제거한 후에 상기 블록을 절단함으로써 실리콘 아암을 형성하는 단계를 포함하는 액츄에이터 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 실리콘 기판상에 전극 패턴을 형성하는 단계를 부가로 포함하는 액츄에이터 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 절연 기판은 글래스로 구성되는 액츄에이터 제조 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 필름 패턴은 PZT로 구성되는 액츄에이터 제조 방법.
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