KR20050090273A - 캔티레버를 구비하는 전자기기 - Google Patents

캔티레버를 구비하는 전자기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캔티레버를 구비하는 전자기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 표면에 실장되는 압전소자에서 발생하는 전계의 방향이 표면과 평행하게 구비되는 캔티레버를 구비하는 전자기기에 관한 것이다.
본 발명의 캔티레버를 구비하는 전자기기는 상기 캔티레버가 장방향의 형상으로 구비되고, 장방향을 장축으로 정의하고 이와 수직되는 방향을 단축으로 특성지어지는 표면과 표면상에 형성되는 제 1전극과 표면상에 상기 제 1전극과 소정의 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되는 제 2전극 및 제 1전극과 상기 제 2전극 사이에서 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 1 압전 소자를 구비함으로써, 상기 제 1전극에서 상기 제 1 압전 소자를 관통하여 상기 제 2전극에 도달하는 직선이 표면과 평행한 방향을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

캔티레버를 구비하는 전자기기{Electric Apparatus with Cantilever}
본 발명은 캔티레버를 구비하는 전자기기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 표면에 실장되는 압전소자에서 발생하는 전계의 방향이 표면과 평행하게 구비되는 캔티레버를 구비하는 전자기기에 관한 것이다.
마이크로 규격의 캔티레버는 미세한 움직임을 감지하거나 제어하는 다양한 응용에 사용된다. 이러한 응용 분야에는 원자 현미경, 중량 센서, 화학 센서, 피부온도측정기, 칼로리미터기, 파워소스 및 메모리 장치가 있다. 전형적으로 캔티레버의 움직임의 감지 또는 제어는 압전재(piezoelectric materials)에 의해서 이루어진다. 움직임의 감지는 압전 인자 내의 스트레인(strain)으로부터 나타나는 전계를 감지하고 증폭에 의해서 이루어지고, 움직임의 제어는 압전재를 가로지르는 전계가 인가하고 그 결과 압전 인자의 팽창 또는 수축을 통해서 캔티레버를 움직이게 된다.
도 1은 전형적인 종래의 캔티레버(100)를 도시한다. 도 1에 도시된 캔티레버(100)는 미국특허 제5,742,377호에 기술된 원자 현미경에 특히 적합한 것이지만, 그 특징은 다른 응용분야에서 사용되는 캔티레버에도 적용되는 것이다. 캔티레버(100)은 두 개의 다리(110A, 110B)를 가지고 있으며, 두 개의 다리(110A, 110B)는 각각 압전체 스택(stack, 130A, 130B)을 실장하는 표면(120)을 각각 가지고 있다. 다리(110A, 110B)는 하나의 다리로 결합된다. 표면(120)은 전형적으로 캔티레버의 길이 방향의 장축(122)과 장축(122)에 수직되는 단축(124)에 의해서 특성지어진다. 압전체 스택(130A, 130B)은 각각 양 전극(150) 사이에 수직으로 적층되는 압전소자(140)를 포함한다.
전극(150)은 각각의 압전소자(140)의 가장 짧은 거리을 가로지르며 구비되며, 전기장의 인가 또는 감지하게 된다. 전기장이 압전소자(140)을 통해서 인가될 때, 역 광전 효과(inverse photoelectric effect)가 압전소자(140)를 전계 방향으로 팽창되도록 한다. 이 방향은 표면(120)에 수직되는 방향이다. 팽창(expansion)은 장축(122)과 평행한 D31 축으로 참조되는 하나의 축을 포함하는 압전소자(140)의 다른 두 개의 축으로 수축되는 결과를 가져온다. 압전체 스택(130A, 130B)은 표면(120)에 구속되어 있기 때문에, 수축은 장축(122)을 따라 압전체 스택(130A, 130B)을 향하여 캔티레버(100)를 구부리게 된다. 전형적으로 이러한 구부림은 캔티레버(100)상 압전체 스택(130A, 130B)의 결합체로 결론지어지는 종래 존재하는 캔티레버에 가해진다. 압전체 스택 130A과 압전체 스택 130B에 독립적으로 인가되는 전계는 캔티레버(100)의 구부림뿐만 아니라 비틀림을 가져오게 된다.
압전체 스택(130A, 130B)은 때때로 다른 외부 힘에 의한 캔티레버(100)의 움직임을 감지하는데 사용된다. 예를 들어, 캔티레버(100)가 AFM 팁(160, Atomic Force Microscope)에 인가된 힘에 의해 구부러지거나 비틀어졌을 때, 이러한 움직임은 압전소자(140) 내의 스트레스(stress)로 된다. 압전효과의 결과로 이러한 스트레스는 전극(150) 사이에 전계를 생성한다. 이러한 전계는 캔티레버(100)의 움직임을 감지하는데 측정된다.
캔티레버(100)dhk 같은 종래 캔티레버 형태는 많은 제한을 가지고 있다. 예를 들어, 움직임 및/또는 출력으로 생성되는 전위 차이(potential difference)의 가능한 범위를 증가시켜야 될 것이며, 또한 압전소자(140)은 때때로 중요한 결함을 가지고 있다. 이러한 결함이 압전소자(140)의 두께의 주요 부분일 때, 동작상의 결함이 일어난다. 종래의 이러한 문제점을 개선하는 캔티레버의 구조가 필요하게 되었다.
본 발명은 향상된 압전소자 구조를 갖는 캐티레버를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 향상된 압전소자 구조를 갖는 캔티레버는 보다 높은 구동 전압을 사용 가능하게 하고, 소자간의 불필요한 캐패시터 결합을 제거하고, 캐티레버의 무게를 감소하고, 높은 출력 전압, 보다 향상된 구동 메카니즘 및 결합 허용(fault tolerant) 생산이 가능하게 한다. 이러한 향상된 압전소자 구조를 갖는 캔티레버는 원자 현미경, 질량 센서, 열센서, 전력기 및 디지털 메모리 분야에 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 목적은 캔티레버를 구비하는 전자기기에 있어서, 상기 캔티레버는 장방향의 형상으로 구비되고, 장방향을 장축으로 정의하고 이와 수직되는 방향을 단축으로 특성지어지는 표면과 표면상에 형성되는 제 1전극과 표면상에 상기 제 1전극과 소정의 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되는 제 2전극 및 제 1전극과 상기 제 2전극 사이에서 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 1 압전 소자를 구비함으로써, 상기 제 1전극에서 상기 제 1 압전 소자를 관통하여 상기 제 2전극에 도달하는 직선이 표면과 평행한 방향을 이루는 것을 특징으로 하고, 상기 캔티레버를 구동시키는 구동부 및 캔티레버의 움직임을 감지하는 감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기에 의해서 달성 가능하다.
본 발명의 또 다른 목적은 캔티레버를 구비하는 전자기기에 있어서, 캔티레버는 장방향의 형상으로 구비되고, 장방향을 장축으로 정의하고 이와 수직되는 방향을 단축으로 특성지어지는 표면과 표면상에 형성되는 제 1전극과 표면상에 상기 제 1전극과 소정의 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되는 제 2전극 및 제 1전극과 상기 제 2전극 사이에서 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 1 압전 소자를 구비함으로써, 상기 제 1전극에서 상기 제 1 압전 소자를 관통하여 상기 제 2전극에 도달하는 직선이 표면과 평행한 방향을 이루고, 전하를 수집하는 것을 특징으로 하고, 캔티레버가 수집하는 전하를 공급하는 전하 소스 및 캔티레버에 수집된 전하를 외부 장치에 출력하는 출력기기를 구비하는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기에 의해서 달성 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 압전소자가 수평 적층 구조를 갖는 캔티레버를 도시한 것으로서, 도 2a는 평면도를 도시하며, 도 2b는 A' 방향의 절단면도, 도 2c는 B'방향에서의 측면도를 각각 도시한다.
캔티레버(200)는 장축(210)과 단축(215)로 설명되어진다. 장축(210)은 캔티레버(200)의 길이 방향과 평행한 축을 나타내며, 단축(215)은 장축(210)과 수직되는 캔티레버(200)의 표면(250)에 위치되는 축을 나타낸다. 본 발명에서 의미하는 압전소자가 수평 적층 구조를 갖는다는 것은 압전소자를 형성하는 전극판을 서로 가로지르는 방향이 캔티레버의 평면과 실질적으로 평행을 이룬다는 것이다. 도 2A에서 HRZ로 표시된 직선이 캔티레버(200)의 표면(250)의 평면과 실질적으로 평행을 이루고 있음을 알 수 있다. 반면 도 1에 도시된 종래 캔티레버에 적층되는 압전소자의 두 개의 전극판을 가로지르는 방향은 캔티레버 표면의 법선 방향과 평행함을 알 수 있다. 캔티레버에 적층되는 압전소자를 형성하는 두 개의 전극판을 가로지르는 방향은 전극에서 생성되거나 감지되는 전계의 방향과 평행한 방향을 나타내게 된다.
캔티레버(200)는 표면(250)과 표면에 기계적으로 결합되는 압전 스택(260)을 구비한다. 도면에 도시되지 않았지만, 표면(250)은 전기적인 도전체로 구성하고 표면(250)과 압전 스택(260) 사이에 비도전체를 개재시킬 수도 있다. 압전 스택(260)은 적어도 두 개의 전극을 구비하고 사이에 압전소자를 개재시켜 캐패시터를 형성한다. 압전소자(280)는 납-지르코늄-티타늄(lead-zirconium-titanium, PZT)과 같은 압전 물질로 구성된다. 압전소자(280)는 압전 효과를 이용하여 전계를 생성하거나 및/또는 역-압전 효과에 의해 제 1전극(270) 및 제 2전극(275)를 이용하여 생성되는 전계에 반응하게 된다. 제 1전극(270) 및 제 2 전극(275)은 플라티늄 합금 또는 다른 적절한 도전 물질로 구성될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1전극(270), 압전소자(280) 및 제 2전극(275)은 표면(250)과 대략 평행한 평면상에 구성된다. 이러한 배치에 따라 제 1전극(270) 및 제 2전극(275)을 이용하여 감지되거나 또는 생성되는 전계는 표면(250)에 평행한 압전소자(280) 내의 전계를 포함한다. 감지되거나 및/또는 생성된 전계와 표면(250)의 관계는 수평방향으로 배치되는 압전 스택(260)의 특성에 기인하는 것이다. 도 2A에 설명되는 실시예의 경우는 생성되거나 감지되는 전계는 단축(215)과 평행하게 된다. 또 다른 실시예의 경우 생성되거나 감지되는 전계는 장축(210)과 평행하게 될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 캔티레버의 경우 생성되거나 감지되는 전계가 표면과 실질적으로 평행하게 형성되는 것을 알 수 있다. 이를 도 1에 도시된 종래 기술과 비교해 보면, 도 1에서 생성되거나 감지되는 전계는 표면(250)과 수직인 축(285)과 대체적으로 평행함을 알 수 있다.
도 2c는 도 2a에 설명된 캔티레버의 측면도(B')를 도시한 것으로서, 전류 제조 기술(current manufacturing techniques)을 사용하여 압전소자(280)를 표면(250)에 결합함으로써 장축(210)을 따라 곡면 형상을 지니게 된다. 압전소자(280)가 장축(210)과 평행한 방향으로 팽창되면 캔티레버는 장축(210)을 따라 휘어져서 자유단(free end, 240)은 295 방향으로 회전하게 된다. 이러한 과정에서, 캔티레버(200)는 장축(210) 방향으로 평평하게 펴지게 된다. 이와는 반대로 압전소자(280)가 장축(210) 방향으로 수축이 되면, 캔티레버(200)는 290 방향으로 구불어지고, 점점 더 곡면을 형성하게 된다. 도 2에 도시된 실시예에서는 표면(250)에 AFM(atomic force microscopy) 팁(250)이 포함되어 있으며, 이는 선택적인 사항이다.
압전소자(280)가 수축되거나 팽창될 때 전계가 생성된다. 압전소자(280)는 수축 또는 팽창시 대략 동일한 부피를 갖는 특성으로 인하여, 한 방향으로의 주된 수축(primary compression)은 이와 수직된 방향으로는 부차적인 팽창(secondary expansion)을 일으키게 된다. 또는 그와 반대되는 현상이 발생한다. 따라서 장축(210)을 따라 압전 소자(280)가 팽창 또는 수축될 때, 전계가 생성된다. 생성된 전계는 주된 움직임(primary motion)에 평행한 필드와 부차적인 움직임(secondary motion)에 평행한 필드를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서 제 1전극(270)과 제 2전극(275)을 이용하는 압전 스택(260)을 가로질러 전계가 생성될 때, 단축(215)에 평행한 팽창(expansion)은 D33 축을 따르는 팽창이라고 명명하며, 장축(210)에 평행한 부차적인 수축은 D31 축을 따르는 수축이라고 명명한다. D33 및 D31 축은 인가되는 전계의 방향에 따라 정의된다. 따라서 도 2A에 설명된 압전 스택(260)의 이러한 실시예에 전계를 인가하면, 장축(210) 방향의 압전 소자(280)의 수축이 일어나서, 이 축을 따라 휘어져서 곡면을 이루게 되고, 290 방향으로 움직이게 된다.
캔티레버(200)의 수평적인 배치는 종래 기술과 비교할 때, 캔티레버(200)를 움직이기 위해 제 1전극(270)과 제 2전극(275) 사이에 보다 높은 정전기 전위차를 이용할 수 있게 한다. 제 1전극(270)과 제 2전극(275) 사이에 인가되는 최대 전위차는 1전극(270)과 제 2전극(275) 사이의 거리와 압전 소자의 항복 전계(즉, V/m로 표현됨)와 관련되며, 1전극(270)과 제 2전극(275) 및 압전 소자(280)의 크기와 지형적인 배치와 관계된다.
본 발명에 따른 캔티레버(200)는 종래 도 1에 도시된 캔티레버에 비해 결함에 덜 민감하다는 것이다. 이러한 결함은 압전 소자(280) 표면이 울퉁불퉁하거나 비규칙적이기 때문일 수도 있으며, 캔티레버(280) 제조시 두께 변이로 인한 것일 수 있다. 결함에 덜 민감한 특성은 압전 소자(280)의 가장 작은 차원을 제외한 다른 차원을 가로지르는 캐패시터를 형성하기 때문이다. 압전 소자(280)의 두께는 제 1전극과 제 2전극 사이의 거리에 의해서 결정이 되는데 종래 기술에 비해서 본 발명에 따라 표면과 수평으로 배치하는 경우 제 1전극과 제 2전극 사이의 거리를 크게 할 수 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 캔티레버(200)에서 압전 소자(280)의 가장 작은 차원은 285 축(표면의 법선 방향의 축)과 평행한 차원이다. 제 1전극(270)과 제 2전극(275)은 285 축과 수직을 유지하는 표면(250)과 평행한(보다 정확하게는 장축(210) 또는 단축(215)에 평행한) 평면에 배치되어 캐패시터를 형성한다. 축 285에 수직인 차원은 압전 소자(280)의 가장 작은 차원을 가로지르는 것이 아니므로 가장 작은 차원에 있을 때 보다 결함이 작아지는 것이다. 본 발명에 따른 여러가지 실시예에 의하면 가장 작원 차원의 20%, 40%, 60% 및 100% 정도의 결함에 내성이 있다. 다른 관점에서 설명하면, 250, 500 및 1000 암스트롱 크기의 결함에 내성이 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한 것으로서, 도 3a는 평면도를 도시한 것이며, 도 3b는 C'방향의 절단면도를 도시한 것이다. 도 3의 실시예에서 압전 스택(260)은 제 3전극(310)을 더 구비하여, 제 2 전극(275)와 압전소자(320)를 이용하여 하나의 캐패시터를 형성함을 알 수 있다. 제 2전극(275)은 선택적으로 배치되어 제 1전극(270)과 제 3전극(310)을 서로 차폐(shielding)함으로써 제 1전극(270)과 제 3전극(310) 사이의 캐패시터 결함을 줄이게 된다. 또 다른 응용으로는 제 1 및 제 2 캐패시터가 캔티레버(200)의 구불어짐이나 비틀림을 감지하고나 구동하는데 사용될 수 있다. 따라서 캔티레버(200)는 하나의 전위를 선택적으로 접지하는 3개의 전위 입력을 이용하여 2차원의 자유도로 움직일 수 있다. 예를 들어, 만약 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 제 3전극(310)에 압전소자(280)가 압전소자(320)보다 크게 수축되는 전위가 인가되면, 표면(250)은 장축(210)을 따라 비트어지게 된다. 적절한 전위를 선택함으로써 4개보다 적은 전위 입력을 이용하여 동시에 구불어짐과 비틀어짐이 가능하게 된다. 시종속 전압을 인가하여, 캔티레버의 아-공진(sub-resonant), 공진(resonant), 및 초-공진(super-resonant) 영역에서의 구불어짐과 비틀림이 독립적으로 또는 동시에 감지되거나 제어될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 슬릿(330)이 선택적으로 구비되어, 압전 스택(260)이 결합되는 영역을 제 1다리(340) 및 제 2다리(350)로 나눈다. 이때 제 2전극(275)은 슬릿(330) 상에 형성할 수도 있다. 도 3B의 단면도에 도시된 바와 같이 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 제 3전극(310)은 선택적으로 하나의 평면내에서 표면에 평행한 영역에 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한다. 슬롯(330)에 의해 구분되는 2개의 다리에 각각 압전 스택(410A, 410B)이 형성되며, 4개의 전극(420A 내지 420D)이 구비된다. 전극 (420A, 420D) 또는 (420B, 420C)는 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 경우 3개의 입력 또는 출력 신호에 의하여 장축(210)을 따른 구불어짐 및/또는 비틀림이 제어되거나 또는 감지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한다. 도 5에서 제 2전극(275)은 전기적으로 연결된 3개의 포크 형상 전극(510A, 510B, 510C)으로 나누어져 있으며, 사이에 각각 제 1 전극(270)과 제 3전극(310)이 형성되어 있다. 도 5에서는 3개의 포크 형상 전극으로 설명하였지만, 이는 예시적인 것에 불과한 것으로서 그 숫자는 임의로 조절할 수 있음은 물론이며, 포크 형상 전극 사이사이에 제 1전극(270) 및 제 3전극(310) 외의 추가적인 전극을 배치할 수 있음은 물론이다. 포크 형상 전극(510A, 510B)과 제 1전극(270) 및 압전 소자(280)에 의해서 하나의 캐패시터가 형성되고, 포크 형상 전극(510B, 510C)과 제 3전극(310) 및 압전 소자(280)에 의해서 다른 또 하나의 캐패시터가 형성된다. 포크 형상 전극(510B, 510C)과 제 3전극(310)에 의해서 A` 단면에서 보았을 때 압전 소자(280)가 이분됨을 알 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 제 3전극(310)에 의해 생성되거나 감지되는 전계는 주로 단축(215)과 평행하게 형성된다. 따라서 제 1전극(270)과 제 2 전극(276)에 인가되는 전위차에 의해 생성되는 전계는 압전 소자(280)을 단축(215)과 평행하게 팽창시킨다. 그 결과 압전 소자(280)를 D31 축 및 장축(210)에 평행하게 수축시키고, 캔티레버(200)을 290 방향(도 2에 도시됨)으로 움직이게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 캔티레버의 일 실시예이다. 도 6a는 두 개의 전극에 포크 형상 전극이 구비되는 실시예이고, 도 6b는 포크 형상 전극 사이에 삽입되는 복수 개 날개 전극을 구비하는 사이전극을 추가적으로 구비하는 실시예이며, 도 6c는 D'방향의 측면도이다. 도 6a는 제 1전극(270)과 제 2전극(275)에는 균일한 거리를 두고 포크 형상 전극(610, 620)이 각각 형성된다. 각각의 포크 형상 전극(610, 620)은 장축(210) 방향의 전계를 생성하거나 감지한다. 제 1전극(270) 및 제 2전극(275) 사이에 전위차가 인가될 때, 압전 소자(280)의 주된 움직임은 장축(210)과 평행한 방향이 된다. 이 움직임은 인가된 전계와 비교할 때 D33 축과 평행한 것이며, 따라서 주 효과를 때때로 "D33-효과"라고 칭한다. 부차적인 D31 움직임은 단축(215)과 평행한 방향이다. 주 움직임이 부차적인 움직임보다 크기가 크므로, D33 축이 장축(210)과 평행하도록 구성된 캔티레버(200)는 동일하게 주어진 전계에서 D31 축이 장축(210)과 평행하도록 구성된 캔티레버보다 자유팁(240)의 움직임이 더 크게 나타나게 된다. 더욱이 도 6a 내지 6c에서 제시된 구현예에서는 제 1전극(270)과 제 2전극(275) 사이에 인가되는 전위차는 자유팁(240)이 295 방향으로 움직이게 하여, 초기에는 장축(210)을 따라 캔티레버(200)가 수평을 되도록 한다. 자유팁(240)이 295 방향으로 움직임에 따라 AFM 팁(220)은 선택적으로 표면(250)과 반대되는 면에 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 제 1전극(270) 및 제 2전극(275) 사이에 전위차가 존재할 때 캔티레버(200)를 실질적으로 평평하게 할 수도 있다.
도 6b에 도시된 캔티레버는 도 6a에 도시된 캔티레버에 비해서 복수개 날개 전극(620)이 부착된 사이전극(275)을 구비하는 차이점이 있다. 포크 형상 전극(610, 630)과 날개 전극(620)은 장축(210)과 평행한 전계를 생성하거나 감지한다.
예를 들어, 캔티레버(200)가 외력에 의해 장축(210)을 따라 구불어지면, 자유팁(240)은 290 방향 또는 295 방향으로 움직이고, 압전 효과에 의하여 압전 소자(280)은 전계를 생성한다. 이러한 전계의 주 성분(D33)은 장축(210)과 평행하며, 도 6a - 6c에 도시된 캔티레버(200)의 구현예에서, 이 전계는 포크 형상 전극610, 620 및/또는 630에 의해 감지된다. 압전 소자(280)를 장축(210)과 평행하게 팽창시키는 것은 압전 소자(280)을 단축(215)에 평행하게 압축하는 부수적인 효과를 가져와서, 주 전계보다 약하지만 단축(215)에 평행한 부수적인 전계가 생성된다.
도 7은 본 발명에 따른 캔티레버를 사용하는 원자 현미경의 블록도이다. 원자현미경(700, Atomic Force Microscope, 이하 "AFM"이라고 함)은 표면의 지형도를 감지하는 것으로서, 캔티레버(200), 감지부(710), 구동부(720), 샘플지원부(730) 및 산술장치(740)로 구성된다.
감지부(710)는 캔티레버(200)로부터의 신호를 수신하고 처리하는 증폭기, 아날로그/디지털 변환기, 귀환 광감지기(feedback photodetector) 등으로 구성된다. 이러한 신호는 캔티레버의 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 선택적으로 부가되는 제 3전극(310) 사이의 전압차이일 수 있다. 전형적으로 이러한 신호는 캔티레버(200)의 위치에 대한 응답신호이며, AFM 팁(220)을 통해 감지되는 전류, 캔티레버(200)와 상호작용하는 광(光), 캔티레버(200)의 진동폭 등이다.
구동부(730)은 캔티레버(200)를 구동하는 기능을 한다. 구동부(730)는 공명 주파수로 캔티레버(200)를 진동시키는 진동자를 포함할 수도 있다. 선택적으로 진동자는 고정단(230)이 고정된 지지대를 움직이도록 설계될 수도 있다. 또는 진동자는 표면(250) 또는 표면(640)에 결합된 압전 스택일 수도 있다. 구동부(730)는 선택적으로 AFM 팁(220)을 통하는 전류를 생성하는 전류원을 포함할 수도 있다.
샘플 지지부(730)는 AFM(700)에 의해 분석된 샘플을 지지하는 기능을 한다. 산술부(740)는 구동부(720), 감지부(710)를 제어하거나 또는 AFM(700)을 이용하여 생성되는 데이터를 저장하는 기능을 한다. 선택적으로 AFM(700)은 캔티레버를 이용하는 원자 터너링 현미경(atomic tunneling microscope) 또는 다른 원자 현미경에 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 캔티레버(200)를 구비하는 센서 시스템의 블록도이다. 센서 시스템(800)은 캔티레버(200), 감지부(810), 구동부(820) 및 산술부(830)으로 구성된다. 센서 시스템(800)에서 사용될 때, 캔티레버(200)의 표면(250, 650)은 선택적으로 감지되는 분자와 전자쌍의 공유 결합, 흡수, 부착 또는 다른 상호 작용에 의해 결합되는 흡수재(805)를 포함한다. 전형적으로 감지되려는 분자가 흡수재(805)와 결합될 때 감지가 일어나고, 캔티레버(200)의 질량이 변하게 된다. 질량 변화는 캔티레베(200)의 움직임의 변화를 통하여 관찰된다. 센서 시스템(800)은 선택적으로 캔티레버(200)에 적용되는 힘을 감지하거나 또는 캔티레버(200)와 다른 물체와의 거리를 감지하도록 설계될 수 있다.
감지부(810)는 캔티레버(200)의 움직임의 특성을 감지하는 것이다. 예를 들어, 감지부(810)는 제 1 전극(270), 제 2 전극(275) 및 선택적으로 부가될 수 있는 제 3 전극(310) 사이의 전위차를 감지한다. 감지부(810)는 응용예에 따라 구속이 없는 팁(220, free tip)의 움직임 진폭 및/또는 주파수를 감지한다. 여러가지 실시예에서 감지부는 캔티레버(100)로부터 반사되는 광을 감지하는 광학 소자(예를 들어 광학 변환기)를 포함한다.
구동부(820)는 캔티레버(200)를 구동하는 기능을 한다. 구동부(820)는 캔티레버(200)를 진동시키는 진동자를 포함할 수도 있다. 선택적으로 진동자는 고정단(230)이 고정된 지지대를 움직이도록 설계될 수도 있다. 또는 진동자는 표면(250, 640)에 결합된 수직 또는 수평의 구조를 갖는 압전 스택일 수도 있다. 구동부(820)는 제 1 전극(270) 및 제 2 전극(275)에 전압을 공급하는 전압원을 포함할 수도 있다.
산술부(830)는 캔티레버(200)의 움직임 특성에 대응하는 감지부(810)로부터의 신호를 수신하도록 구성되며, 수신된 신호를 이용하여 흡수재(805)와 결합된 물질의 존재를 표시하는 출력을 생성한다. 센서 시스템(800)은 피부온도측정기 또는 칼로리 측정기로 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 캔티레버를 구비하는 데이터 저장 시스템의 블록도이다. 데이터 저장 시스템(900)은 하나 이상의 캔티레버(200), 저장 미디어(910), 구동부(920) 및 감지부(930)를 포함한다. 저장 미디어(910)는 캔티레버(200)를 사용하여 수정 가능한 저장 장치를 의미한다. 일 예로서, 저장 미디어(910)는 IBM에서 밀리페데 AFM-기반의 데이터 저장 시스템 프로젝터에 의해 사용되는 저장 매체이다. 구동부(920)는 읽기 모드 또는 쓰기 모드에서 캔티레버(200)를 구동시키는 기능을 한다. 읽기 모드에서는 저장 미디어(910)의 특성을 감지하도록 동작되고, 쓰기 모드에서는 이러한 특성을 수정함으로써 저장 미디어(910)에 데이터를 저장한다. 감지부(930)는 읽기 모드에서 저장 미디어(910)의 특성에 따라 캔티레버(200)의 응답을 감지하고, 이러한 응답에 따라 저장된 데이터를 판독한다. 데이터 저장 시스템(900)과 함께 사용될 경우에는 캔티레버(200)는 선택적으로 저장 미디어(910)를 가열하기 위한 가열 수단을 포함한다.
도 10은 본 발명에 따른 캔티레버(200)을 구비하는 전원 장치(1000)의 블록도이다. 전원 장치(1000)에서, 캔티레버는 전하 소스(1010, charge source)로부터 전하를 모으는 기능을 한다. 수집된 전하는 캔티레버(200)를 전하 소스(1010) 쪽으로 구부리는 정전계를 일으키게 된다. 이러한 구부림은 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 선택적으로 부가되는 제 3전극(310) 사이에서 전위차를 가져오게 된다. 출력부(1020)는 생성된 전위차를 다른 장치의 전원 장치로 사용될 수 있도록 출력 전압을 제공하도록 출력한다. 전형적인 예로서, 전하 소스(1010)는 니켈-63과 같은 베타 입자 어드미터(admitter)를 들 수 있다. 네가티브하게 충전된 베타 입자는 캔티레버(200)를 때리게 되므로 전하 소스(1010)에 비하여 네가티브하게 충전되는 결과를 가져오게 된다. 이러한 전하 차이는 인력을 생성하여 캔티레버(200)이 전하 소스(10101)로 구부러지게 한다. 제 1 전극(270) 및 제 2 전극(275) 사이의 전위 차이는 출력 전압을 생성하는 출력부(1020)에서 사용하게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 캔티레버(200)을 생성하는 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 캔티레버를 제조하는 방법은 표면을 준비하는 단계(1110), 압전체를 준비하는 단계(1120) 및 다중 전극을 준비하는 단계(1130)로 구성된다. 표면을 준비하는 단계(1110)는 압전체(280)가 부착되는 표면을 준비하는 단계로서, 이 단계에서는 프리 팁(240), 부착단(230) 및/또는 슬롯(330)을 생성할 수 있다.
압전체를 준비하는 단계(1120)는 표면에 압전체9280)을 준비하는 단계로서, 표면에 압전체를 형성하고 결합시키는 단계이다. 제 1전극과 제 2전극 외의 제 3전극을 갖는 도 3과 같은 실시예에서 압전체를 준비하는 단계는 하나의 압전체를 형성한 후, 에칭을 통해서 압전체를 분리함으로써 2개의 압전체(280, 320)를 형성할 수도 있다.
적어도 2개의 전극을 형성하는 다중 전극을 형성하는 단계(1130)는 각 압전체(280)의 마주보는 전극을 형성하여 캐패시터를 형성하는 단계이다. 도 3에 도시된 바와 같이 한 개 이상의 캐패시터를 형성하기 위해 제 3전극(275) 등을 갖는 경우가 있다. 전극은 하나씩 형성하는 대신 복수 개를 동시에 형성할 수 있음은 물론이다.
도 11에서는 압전체를 준비하는 단계(1120)가 다중 전극을 준비하는 단계(1130)보다 먼저 실시되는 것으로 설명하였으나, 두 단계간의 실시 순서가 바뀌어도 무관하다. 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 경우는 전극을 먼저 형성한 후에 스핀코팅 또는 스퍼터링 방법을 이용하여 압전 소자를 형성하기 때문에 압전소자가 형성되는 표면의 고정밀화가 필요하였을 뿐만아니라 형성되는 압전 소자의 두께를 균일하게 일치시키는 것에 어려움이 있었다. 하지만 본 발명의 경우는 압전 소자를 형성할 때 포토리소그래피 공정을 사용할 수 있으므로 종래기술에 비해 표면을 고정밀화가 덜 필요하게 되며, 다중 전극을 먼저 형성한 후에 압전체를 형성하는 것도 가능하게 되는 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 캔티레버를 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 캔티레버(200)을 제어하는 단계는 전위차를 인가하는 단계(1210) 및 캔티레버의 평행을 유지하는 특성을 감지하는 단계(1220)으로 이루어진다. 전위차를 인가하는 단계(1210)는 제 1전극, 제 2전극 및 선택적으로 제 3전극에 전위차를 적용하는 단계이다. 인가되는 전위차는 전위차가 인가되지 않을 때의 중립 상태에 비해 캔티레버의 평행을 유지하는 특성(straightening)에 영향을 주게 된다. 전위차는 직류 형태, 교류 형태 또는 기타 형상의 주기파로 인가될 수 있으며, 전위차는 제 1 전극과 제 2전극 사이 또는 제 2전극과 제 3전극 사이 등에 의해서 인가할 수 있다.
캔티레버 평행을 유지하는 특성을 감지하는 단계(1220)는 캔티레버의 평행을 유지하는 특성(straightening)에 대한 영향을 감지하는 것이다. 예를 들어, 이러한 영향은 AFM 팁(220)을 통한 전류의 변화량, 저장 미디어(910)으로부터 데이터를 읽는 것, 저장 미디어(910)에 데이터를 쓰는 것, 캔티레버로부터 반사되는 광을 감지하는 것, 전위차 생성, 표면 변형 등등을 포함하는 것이다.
도 13은 캔티레버에 적용되는 외력을 감지하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 외력을 감지하는 방법은 외력을 인가하는 단계(1310), 주 전계(primary electric)를 생성하는 단계(1320) 및 전계를 감지하는 단계(1330)로 구성된다. 외력을 인가하는 단계(1310)는 외력을 캔티레버에 인가하는 단계이다. 통상적으로 외력은 캔티레버의 질량을 변화시키거나 저장 미디어를 이용하거나, 캔티레버에 전하를 위치시커거나 캔티레버와 다른 물체와의 거리를 변화시키는 등에 의해서 AFM 팁(220)을 이용하여 인가한다.
주 전계(primary electric field)를 생성하는 단계(1320)는 캔티레버가 외력을 인가하는 단계(1310)에서 구부림, 비틀림, 진동 폭의 변화, 진동 주파수 변화 또는 주된 움직임(primary motion)으로 압전체가 수축되거나 또는 팽창되는 다른 처리에 의한 인가된 외력에 반응하는 단계이다. 주된 전계를 생성하는 단계(1320)에서는 이러한 반응에 의해 압전 효과의 결과로서 압전체 내에서 주 전계를 생성한다. 주 전계는 수축 또는 팽창의 주 축(primary axis)에 따른다. 즉, 캔티레버의 장축을 따라 구부리는데 따른 응답으로 생성되는 전계는 캔티레버의 장축과 평행하게 된다.
전계를 감지하는 단계(1330)는 주 전계를 생성하는 단계(1320)에서 생성된 주 전계를 압전체와 결합된 전극을 이용하여 감지한다. 예를 들어, 몇 가지 구현예에서 주 전계가 압전 소자(280)에서 생성되고, 제 1전극(270), 제 2전극(275) 및 선택적으로 제 3전극이 생성된 전계가 전계를 감지하는 단계(1330)에서 감지된다.
도 14는 3개의 입력 전위에 반응하여 독립적으로 캔티레버를 구부리거나 비틀리는 방법을 기술하는 흐름도이다. 제 1전위를 인가하는 단계(1410)는 캔티레버의 제 1전극, 예를 들어 캔티레버(200)의 제 1전극(270),에 제 1전위를 인가하는 단계이다. 제 2전위를 인가하는 단계(1420)는 제 2전극, 예를 들어 캔티레버(200)의 제 3전극(310),에 제 2전위를 인가하는 단계이다. 제 1전위와 제 2전위의 차이값은 장축을 따라 비틀어지는 캔터레버의 비틀림을 결정하기 위한 것이다. 제 3전위차를 인가하는 단계(1430)는 제 3전극, 예를 들어 캔티레버(200)의 제 2전극(275),에 전위차를 인가하는 단계이다. 제 3전극은 제 1전극을 갖는 제 1압전체에 의한 캐패시터 및 제 2전극을 갖는 제 2압전체에 의한 캐패시터를 형성하도록 위치된다. 제 3전극에 인가되는 전위차는 캔티레버를 장축을 따라 구부리게 된다.
종래 기술에서는 압전체를 형성하기 위해 스핀코팅 방법이나 스퍼터링 방법을 이용하여야 하였기 때문에 압전체가 실장되는 표면이 정밀하게 가공될 필요가 있었으나, 본 발명의 경우는 압전체가 포토리소그래피 등의 식각 공정을 통해서도 형성할 수 있으므로 표면을 종래 기술에 비해 정밀하게 가공하지 않아도 되는 장점이 있다. 이를 달리 표현하면, 동일한 표면에서 종래 기술에 의해 압전체를 형성하는 경우에 비해서 본 발명에 따라 압전체를 형성할 경우 결함에 대한 내성이 커진다는 것을 나타내므로, 본 발명에 의해서 결함에 대한 내성이 향상된 캔티레버를 제조할 수 있게 되었다.
또한 캔티레버 양 전극 사이에 인가할 수 있는 전압의 범위를 크게 할 수 있는 장점이 있다. 이 부분은 이사님의 본문 중의 답변을 받은 후 수정하도록 하겠습니다.
제조 방법의 편리성에 대해서 언급할 것.
포토레지스터 공법이용.
(1) D33를 이용하여 캔티레버를 구불리거나 비틈으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
(2) 인가되는 전압의 범위를 넓힐 수 있다.
(3) 결함에 대한 내성을 향상시킬 수 있게 되었다.
전술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해 되어져야 한다.
도 1은 전형적인 종래의 캔티레버를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 압전소자가 수평 적층 구조를 갖는 캔티레버를 도시한 것으로서, 도 2a는 평면도를 도시하며, 도 2b는 A' 방향의 절단면도, 도 2c는 B'방향에서의 측면도를 각각 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한 것으로서, 도 3a는 평면도를 도시한 것이며, 도 3b는 C'방향의 절단면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 캔티레버를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 캔티레버의 일 실시예이다. 도 6a는 두 개의 전극에 포크 형상 전극이 구비되는 실시예이고, 도 6b는 포크 형상 전극 사이에 삽입되는 복수 개 날개 전극을 구비하는 사이전극을 추가적으로 구비하는 실시예이며, 도 6c는 D'방향의 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 캔티레버를 사용하는 원자 현미경의 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 캔티레버(200)를 구비하는 센서 시스템의 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 캔티레버를 구비하는 데이터 저장 시스템의 블록도이다.
도 10은 본 발명에 따른 캔티레버(200)을 구비하는 전원 장치(1000)의 블록도이다.
도 11은 본 발명에 따른 캔티레버(200)을 생성하는 방법을 설명한다.
도 12는 본 발명에 따른 캔티레버를 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13은 캔티레버에 적용되는 외력을 감지하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 14는 3개의 입력 전위에 반응하여 독립적으로 캔티레버를 구부리거나 비틀리는 방법을 기술하는 흐름도이다.

Claims (10)

  1. 캔티레버를 구비하는 전자기기에 있어서,
    상기 캔티레버는
    (1) 장방향의 형상으로 구비되고, 장방향을 장축으로 정의하고 이와 수직되는 방향을 단축으로 특성지어지는 표면;
    (2) 상기 표면상에 형성되는 제 1전극;
    (3) 상기 표면상에 상기 제 1전극과 소정의 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되는 제 2전극; 및
    (4) 상기 제 1전극과 상기 제 2전극 사이에서 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 1 압전 소자를 구비함으로써, 상기 제 1전극에서 상기 제 1 압전 소자를 관통하여 상기 제 2전극에 도달하는 직선이 표면과 평행한 방향을 이루는 것을 특징으로 하고,
    상기 캔티레버를 구동시키는 구동부; 및
    상기 캔티레버의 움직임을 감지하는 감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2전극은 포크 형상의 전극으로 구비되고, 상기 제 1 전극은 포크 형상 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 표면상에 상기 제 2전극과 소정의 거리를 두고 상기 제 1전극과 대향되는 반대편으로 형성되는 제 3전극; 및
    상기 제 2전극과 상기 제 3전극 상이에 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 2 압전 소자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극 및 상기 제 2전극은 복수 개 포크 형상의 전극을 구비하고, 상기 제 1전극에 형성된 포크 형상 전극과 상기 제 2전극에 형성된 포크 형상 전극이 서로 엇갈리면서 배치되는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1전극 및 상기 제 3전극은 복수 개 포크 형상의 전극을 구비하고, 상기 제 1전극에 형성된 포크 형상 전극과 상기 제 3전극에 형성된 포크 형상 전극이 서로 마주 보도록 배치되고, 상기 제 2전극에는 상기 제 1전극 및 상기 제 3전극의 포크 형상 전극 사이 사이에 구비되는 복수 개 날개 전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  6. 제 1항에 있어서,
    샘플을 지지하는 샘플 지지부 및
    상기 감지부로부터 출력되는 신호를 이용하여 움직임을 산술하는 산술부를 더 구비하고, 상기 전자기기가 원자 현미경인 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 감지부로부터 출력되는 신호를 이용하여 움직임을 산술하는 산술부를 더 구비하고, 상기 전자기기가 센서 시스템인 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  8. 제 1항에 있어서,
    데이터를 저장하기 위한 저장 매체를 더 구비하고, 상기 전자기기가 데이터 저장 시스템인 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  9. 캔티레버를 구비하는 전자기기에 있어서,
    상기 캔티레버는
    (1) 장방향의 형상으로 구비되고, 장방향을 장축으로 정의하고 이와 수직되는 방향을 단축으로 특성지어지는 표면;
    (2) 상기 표면상에 형성되는 제 1전극;
    (3) 상기 표면상에 상기 제 1전극과 소정의 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되는 제 2전극; 및
    (4) 상기 제 1전극과 상기 제 2전극 사이에서 상기 표면과 결합하면서 형성되는 제 1 압전 소자를 구비함으로써, 상기 제 1전극에서 상기 제 1 압전 소자를 관통하여 상기 제 2전극에 도달하는 직선이 표면과 평행한 방향을 이루고, 전하를 수집하는 것을 특징으로 하고,
    상기 캔티레버가 수집하는 전하를 공급하는 전하 소스; 및
    상기 캔티레버에 수집된 전하를 외부 장치에 출력하는 출력기기를 구비하는 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전자기기가 파워 소스인 것을 특징으로 하는 캔티레버를 구비하는 전자기기.
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