专利名称：微致动器和使用微致动器的数据存储设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用扫描探针显微镜方法(SPM)技术的数据存储系统中使用的电磁驱动微致动器，以及一种具有可以通过改善介质平台的面积效率而增加数据存储系统的存储容量，因而减少制造成本的微致动器，背景技术一种应用扫描探针显微镜方法(SPM)技术的典型的数据存储系统包括安装在平台上的数据存储介质；用于在x和y方向上驱动所述数据存储介质的微致动器；一或多个探针，每个探针具有用于从数据存储介质读出并且向数据存储介质纪录数据的尖端；和用于处理数据信号的信号处理单元。
为了至少在两个方向上，例如x和y方向上驱动微致动器，各自在x或y方向上驱动的驱动单元被分别布置在平台的两侧。由于是具有与平台相同重量的驱动单元，所以该结构可以承受强的外部冲击。
然而，由于驱动单元与平台分开，所以增加了微致动器的整个体积。从而，当使用薄膜制造工艺制造微致动器时，在单片硅晶片上制造的器件的数量减小，并且因而其制造成本增加。另外，由于线圈安装在各个驱动单元之内，线圈的重量可以变化，所以各个器件相互间性能有差异。
发明内容
本发明提供了一种可以具有高面积效率和承受外部冲击的结构的微致动器和应用该致动器的数据存储设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种微致动器，其包括支承单元；由支承单元弹性支承的多个平台，各个平台具有安装表面，目标驱动体安装于安装表面上，并且各个平台布置得相互相邻；在多个平台之间布置的多个控制杆，各个控制杆具有分别连接到相邻平台的两端，控制杆对相邻平台施加力，从而当平台之一运动时，相邻平台在所述平台运动方向相反的方向上运动；和分别对平台提供驱动力的驱动单元。
根据本发明的另一个方面，提供了一种数据存储设备，其包括数据存储介质；其中安装了所述介质的微致动器，其中微致动器包括支承单元；由支承单元弹性支承的四个平台，这四个平台在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上以2×2的矩阵相邻布置；在四个平台之间布置的多个控制杆，各个控制杆具有分别连接到相邻平台的两端，控制杆对相邻平台施加力，从而当平台之一运动时，相邻平台在所述平台运动方向相反的方向上运动；分别对平台提供驱动力的驱动单元；和布置在所述介质的上部的悬臂尖端阵列，以在介质中存储数据或从介质读出数据。
通过参照附图详细描述本发明的典型实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更为显见，其中图1是根据本发明典型实施例的微致动器的透视图；图2是根据本发明的典型实施例的图1的微致动器的多个平台的平面图；图3是图示根据本发明实施例的图1的微致动器中控制杆的操作的示意图；图4是根据本发明典型实施例的图1的微致动器平台的仰视图；图5是根据本发明实施例的图1的微致动器的截面图；图6是图示根据本发明实施例的图1的微致动器的操作原理的示意图；图7A至7C是用于解释根据本发明实施例的微致动器20的平台的操作的平面图；图8是根据本发明另一实施例的微致动器的平面图；图9是根据本发明实施例的数据存储设备的透视图；图10、图11A至11E和图12A至12D是图示根据本发明实施例的微致动器制造方法的图。
具体实施例方式
此后，将参照附图更充分地描述本发明，其中示出了本发明的典型实施例。
图1是根据本发明一实施例的微致动器20的透视图。图2是根据本发明的实施例的图1的微致动器20的第一至第四平台32至35的平面图。
参照图1和2，微致动器20包括支承单元30；第一至第四平台32至35，平台32至35由支承单元30弹性支承，并且在其上安装了目标驱动体(未图示)；连接第一至第四平台32至35中相邻平台的多个控制杆50；驱动第一至第四平台32至35的驱动单元，驱动单元包括四对永磁体23和26和形成由永磁体23和26产生的闭环磁场的多个磁轭29。
支承单元30包括基体310；框架320，布置在基体310上并且包围第一至第四平台32至35；多个加强肋330，布置在框架320和各个第一至第四平台32至35之间并且根据后面将要描述的原理在x和y方向之一上运动；和弹性梁340，在框架320和第一至第四平台32至35之间和在加强肋330和第一至第四平台32至35之间布置并且弹性支承4个平台32至35。
在图1和2中，框架320具有包围通过控制杆50相互连接的四个平台32至35的外侧的矩形形状，但是本发明不仅限于该形状。
基体310接触框架320和固定控制杆50的多个固定单元56，并且具有预定形状的沟槽，使得第一至第四平台32至35可以被基体310可移动支承，从基体310浮置。
第一至第四平台32至35被布置在第一方向，即X方向，和第二方向，即垂直于X方向的Y方向上。即第一至第四平台32至35以2×2矩阵布置。在本实施例中使用了四个平台，但是本发明不仅限于这种平台的数量。
加强肋330布置在框架320和各个第一至第四平台32至35之间。加强肋沿第一至第四平台32至35的侧壁从框架320内部的四边向X方向和Y方向延伸以具有L形，并且具有与第一方向平行的第一区330a和与第二方向平行的第二区330b。
第一连接单元332分别在各个加强肋330内形成于第二区330b的侧壁的中心并且向第一至第四平台32至35突出。第二连接单元334形成于第一至第四平台32至35的侧壁的两端，布置在相互面对从而向各个加强肋330的第二区330b突出的位置上。形成具有X方向弹性的第一弹性梁340以连接第一连接单元332和第二连接单元334。第一弹性梁340使用永磁体23和26以及线圈37X和37Y(未在图1、2中)，根据后面将要描述的驱动原理沿X方向移动第一至第四平台32至35。
第三连接单元336在各个加强肋330内形成于第一区330a的侧壁的两端以向框架320突出。另外，第四连接单元338形成于布置在面对第三连接单元336的侧壁内的框架320的侧壁的中心以向各个加强肋330的第一区330a突出。形成第二弹性梁350以连接第三连接单元336和第四连接单元338。第二弹性梁350使用永磁体23和26以及线圈37X和37Y(未在图1、2中)，根据后面将要描述的驱动原理沿Y方向移动第一至第四平台32至35。
控制杆50布置在第一至第四平台32至35的相反侧。各个控制杆包括安装在基体310内的固定单元56；其端部连接到相邻的第一至第四平台32至35的面对侧的操作单元53；和插入在固定单元56和操作单元52之间并且可旋转地支承操作单元52的铰链单元54。
铰链单元54具有V形，其一边连接操作单元52的中心，并且安装在基底310内的两个固定单元连接到铰链单元54的两端。
具有弹性以在X和Y方向上移动操作单元52的连接梁58形成于操作单元52的第一端，延伸到相邻于操作单元的第一至第四平台32至35的侧壁，并且连接到第一至第四平台32至35。另外，连接梁58形成于操作单元52的第二端，延伸相邻于操作单元52的第一至第四平台32至35的侧壁，并且连接到第一至第四平台32至35。
即控制杆50在Y方向上布置在第一平台32和第二平台33之间以及第三平台34和第四平台35之间，以在正或负X方向移动第一至第四平台32至35，Y方向是操作单元52的纵向。
另外，控制杆50在X方向上布置在第一平台32和第二平台33之间以及第三平台34和第四平台35之间，以在正或负Y方向移动第一至第四平台32至35，X方向是操作单元52的横向。在本发明的当前实施例中，两个控制杆50布置在第一至第四平台32至35之间，但是本发明不仅限于该数量。另外，在控制杆50内，固定单元56或连接梁58与操作单元52的相对位置不仅限于此，可以有各种变化。
图3是图示连接第一至第四平台32至35的控制杆50的操作的示意图。参照图3，在控制杆50内，v形铰链54的边固定在操作单元52的中心，并且控制杆50由布置在铰链单元54两端的固定单元56支承。因而，当力被施加到操作单元52的第一端时，具有相同大小但是方向相反的力施加到操作单元52的第二端。
对于控制杆50，等效弹性系数k如下
k=Etw36L12L2...(1)]]>其中L1是从操作单元52的中心到第一端的距离，L2是从角到铰链单元54的第一端的距离，w是铰链单元54的宽度，t是控制杆50向纸面外方向的厚度，并且E是控制杆50的Young’s模数。在设计控制杆50时，可以根据弹性梁340和350之间的关系合理地确定L1、L2、w、和t的值。
图4是根据本发明实施例的图1的微致动器20的平台的仰视图。图5是根据本发明实施例的图1的微致动器20的截面图。
参照图4和5，在X方向上提供驱动力的X线圈37X和在Y方向上提供驱动力的Y线圈37Y分别布置在第一至第四平台32至35的下表面中。用于向线圈37X和37Y提供电流的电极垫未被图示，但是被合理地布置以连接框架320。
一种在X和Y方向上驱动第一至第四平台的驱动设备包括永磁体23和26以及X线圈37X和Y线圈37Y。X线圈37X和Y线圈37Y布置在永磁体23和26之间，并且这样布置永磁体23和26，使得施加磁场以影响X线圈37X和Y线圈37Y的一半。
X线圈37X和Y线圈37Y可以布置在第一至第四平台32至35的上表面。参照图4和图5，X线圈37X和Y线圈37Y可以布置在第一至第四平台32至35的下表面上，从而其中安装目标驱动体的面积更大。
图6是图示根据本发明实施例的图1的微致动器20的操作原理的示意图。参照图6，当电流i被施加到X线圈37X以在第一至第四平台32至35的厚度方向Z上产生磁场B时，产生分别垂直于电流i和磁场B的Lorentz力F。即当电流流向正Y方向时，在负Z方向的磁场B内的X线圈37X受在负X方向上的力。即当电流流向负Y方向时，X线圈37X受在正X方向上的力。
在图6中图示了在X-Z截面内的X线圈37X，但是根据电流方向，在Y-Z截面内的Y线圈37也受到在正或负Y方向上的力，并且因而第一至第四平台32至35在X和Y方向上运动。
图7A至7C是解释根据本发明的实施例的微致动器20的第一至第四平台32至35的操作的平面图。
图7A描述了在X方向上驱动第一至第四平台32至35的操作。参照图7A，当力在X方向上由于布置在平台下表面的X线圈37X而被施加到第二平台33和第三平台34上时，连接到第二平台33和第三平台34的第一弹性梁340在X方向上变形，并且因而第二平台32和第三平台33在X方向上被驱动。
如上所述，加强肋330通过具有Y方向弹性的第二弹性梁350连接到框架320。由于第二弹性梁350对于Y方向上的力是弹性的，所以第二弹性梁350不受X方向力的影响。因此，加强肋330和框架320支承第一至第四平台32至35对于X方向力的运动。
当第二平台33和第三平台34在正X方向上被驱动时，通过连接梁58连接第二平台32和第三平台33的控制杆50的操作单元的第一端受到在正X方向上的力。因而通过连接梁58连接第二平台32和第三平台33的控制杆50的操作单元的第二端受到在负X方向上的力。另外，连接到第一平台32和第四平台35的第一弹性梁340在负X方向上变形，并且第一平台32和第四平台35受到在负X方向上力而被驱动。
即当第二平台33和第三平台34在正X方向上被驱动时，第一平台32和第四平台35在负X方向上被驱动，反之亦然。当第二平台33和第三平台34在X方向上被驱动时，为了在负X方向上驱动第一平台32和第四平台35，电流可以被施加到第一和第二平台32和33内的X线圈37X上。在这种情形，驱动力加倍。
图7B描述了在Y方向上驱动第一至第四平台32至35的操作。由于Y方向驱动的原理与X方向驱动的原理类似，所以将仅主要描述其差别。由于加强肋330通过具有Y方向弹性的弹性梁350连接到框架320，所以第二弹性梁350在与Y方向上的力相同的方向上弹性变形，并且因而加强肋330被框架320支承从而运动。另外，由于连接加强肋330和第一至第四平台32至35的第一弹性梁340对于Y方向上的力不变形，所以对于加强肋330第一至第四平台32至35不受Y方向上的力而运动。即第一至第四平台32至35和加强肋330被框架320支承以对于Y方向上的力在Y方向上运动。
控制杆50的操作是相同的。因而，当第三平台34和第四平台35在正Y方向上被驱动时，第一平台32和第二平台33在负Y方向上被驱动，反之亦然。另外，当第三平台34和第三平台35在正Y方向上被驱动时，为了在负Y方向上驱动第一平台32和第二平台33，电流可以被施加到第一平台32和第二平台33内的Y线圈37Y上。在这种情形，驱动力加倍。
图7C描述了根据本发明实施例的同时在两个方向上驱动第一至第三平台32至35的操作。在该操作中，第二平台33和第三平台34受到由布置在平台33和34下表面上的X线圈37X产生的在X方向上的力，并且第三平台34和第四平台35受到由布置在平台34和35下表面上的Y线圈37Y产生的在Y方向上的力。由于第一弹性梁340、第二弹性梁350和控制杆50的反应，第一至第四平台32至35被对角线地向中心驱动。
在上述结构中，当第一至第四平台32至35被驱动时，对应的相邻平台由于控制杆50的操作而受到相反方向上的力，由此提供了外部冲击情形时的稳定性。例如，当在正X方向上的外力被施加到第一至第四平台32至35时，该力被平均地施加到第一至第四平台32至35。因而对于施加到第二平台33和第三平台上的正X方向上的力，第二平台33和第三平台34分别受到在负X方向上的力。因而相反方向的力同时施加到第一至第四平台32至35上，并且因而外力的影响被最小化。
图8是根据本发明另一实施例的微致动器的平台的平面图。在图8中，平台132和133在单方向上被驱动。参照图8，平台132和133被布置得在X方向上相互平行，并且线圈137分别布置在平台132和133的下表面上。具有上述结构的控制杆150在平台132和133之间连接。在X方向上弹性变形的第一弹性梁1340在具有矩形形状并且包围平台132和133的框架1320之间连接。在这样的单轴驱动中，无需两轴驱动所必须的加强肋。
另外，根据本发明当前实施例的微致动器可以应用于数据存储设备。图9是根据本发明的数据存储设备的透视图。参照图9，数据存储设备200包括数据存储介质240；微致动器220，具有多个平台231至234，介质240安装在平台231至234内；悬臂尖端阵列，布置在平台231至234的上部，向介质240中存储数据或从介质240读出数据。微致动器220的配置和操作与根据本发明上述实施例的微致动器20相同。
此后将描述一种具有分离的平台以及其中线圈形成于平台的下表面上的结构的微致动器的制造方法。
图10至12是图示根据本发明实施例的微致动器制造方法的图。
参照图10，第一电极单元12形成于玻璃基底10上，并且在玻璃基底10中形成具有预定深度和形状的凹槽14。
图11A至11E是图示根据本发明实施例的在硅基底60上形成线圈62和第二电极单元64的制造工艺的图。硅基底60可以是具有例如氧化层66的绝缘层的硅上绝缘体(SOI)。
参照图11A，在硅基底60上使用光刻工艺形成将在其中形成线圈62的沟槽图案，并且随后使用感应耦合等离子体-反应离子蚀刻(ICP-RIE)工艺形成沟槽68。
参照图11B，使用热氧化工艺形成钝化层70。
参照图11C和11D，沟槽68使用电镀方法填充以金属74，并且随后使用化学机械抛光(CMP)工艺抛光从沟槽68上部被暴露的镀层以形成线圈62。
参照图11E，在形成绝缘层76之后，使用金属沉积工艺形成第二电极单元64，电流通过第二电极单元64被施加到线圈62上。
图12A至12E图示了根据本发明实施例的接合硅基底60和玻璃基底10以形成平台的工艺。
参照图12A，硅基底60的上表面60a与玻璃基底10的上表面10a接合。这里，第一电极单元12(见图10)和第二电极单元(见图11E)相互接触从而形成电极垫65。电极垫65通过后面将要描述的蚀刻工艺而被暴露，并且因而电流通过电极垫65被施加到线圈62上。
使用阳极键合工艺进行接合，在接合工艺中几百伏特的电压被施加在硅基底60和玻璃基底10之间，从而将温度升高到几百度。因此，玻璃/硅界面的势被显著减小，并且硅基底60和玻璃基底10通过电场接合。
参照图12B，在阳极键合之后，硅基底60被全部蚀刻。平台的厚度根据蚀刻深度确定。当SOI基底被用作硅基底60时，蚀刻SOI基底以暴露内氧化层66(见图12A)，并且随后蚀刻内氧化层66。在这种情形，制备了具有对应于将要形成的平台厚度的内氧化层66的厚度的SOI基底。
参照图12C，所述工艺是一种蚀刻工艺，其中形成框架、弹性梁、加强肋、分离的平台和连接平台的控制杆结构，以在整个蚀刻后移动平台，并且暴露对线圈62施加电流的电极垫65。蚀刻掩膜69可以具有图2的平面图。
参照图12D，在蚀刻工艺之后，去除蚀刻掩膜69。完成具有分离的平台73、框架75、加强肋71、弹性梁(未图示)、控制杆结构，和其中线圈62形成于平台的下表面上的微致动器。
根据本发明实施例的微致动器包括具有质量平衡的多个平台，且具有其中平台通过控制杆连接的结构和布置在平台下表面的驱动线圈，根据本发明实施例的微致动器以及采用该微致动器的数据存储设备具有下列优点。
首先，由于微致动器的元件使用相同工艺制造得具有相同的形状，所以可以提供更精确的质量平衡。
第二，由于驱动单元无需与平台分开，所以线圈不是在组装工艺中制造而是在批次工艺中制造，因而制造成本低。
第三，驱动线圈形成于平台的下表面上，因此具有高的面积效率。
尽管参照典型实施例具体示出了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解在不偏离在权利要求中所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种形式和细节上的变化。
权利要求
1.一种微致动器，包括支承单元；多个平台，由所述支承单元弹性支承，各个平台具有安装表面，目标驱动体安装于所述安装表面上，并且各个平台布置得相互相邻；多个控制杆，布置在多个平台之间，各个控制杆具有分别连接到相邻平台的两端，所述控制杆对相邻平台施加力，从而当平台之一运动时，相邻平台在所述平台运动方向相反的方向上运动；和驱动单元，分别对所述平台提供驱动力。
2.根据权利要求1的微致动器，其中各个所述控制杆包括固定单元，安装在所述支承单元内；操作单元，具有分别连接到相邻平台对侧的两端；和铰链单元，夹置在所述固定单元和所述操作单元之间并且可旋转地支承所述操作单元。
3.根据权利要求2的微致动器，其中有两个固定单元，所述固定单元分别被安装在所述支承单元内，并且所述铰链单元的一边连接到所述操作单元的中心并且具有连接所述两个固定单元的V形结构。
4.根据权利要求2的微致动器，还包括在所述操作单元的两端和平台之间布置并且弹性连接所述操作单元和所述平台的连接梁。
5.根据权利要求1的微致动器，其中所述支承单元包括基体；布置在所述基体上并且包围多个所述平台的框架；和在所述框架和所述平台之间布置并且弹性支承所述平台的弹性梁。
6.根据权利要求1的微致动器，其中所述驱动单元包括分别在所述平台中形成的线圈；和分别在面对所述线圈的位置上布置的多个永磁体。
7.根据权利要求6的微致动器，其中所述线圈布置在所述平台安装表面的背面。
8.根据权利要求1的微致动器，其中所述多个平台是四个平台，这四个平台在第一方向和垂直于第一方向的第二方向上以2×2的矩阵布置。
9.根据权利要求8的微致动器，其中所述支承单元包括基体；布置在所述基体上并且包围所述多个平台的框架；和分别布置在所述框架和平台之间的加强肋，包括布置得平行于所述第一方向的第一区和布置得平行于所述第二方向的第二区；分别在所述第二区和所述平台的对侧之间连接、并且在所述第一方向上弹性变形的第一弹性加强肋；和分别连接所述第一区和面对所述第一区的框架内表面、并且在所述第二方向上弹性变形的第二弹性加强肋。
10.根据权利要求8的微致动器，其中所述驱动单元包括分别在所述平台中形成的线圈；和在分别面对所述线圈的位置上布置的多个永磁体。
11.根据权利要求10的微致动器，其中所述线圈包括布置得用来分别在第一方向上对所述平台提供动力的第一线圈；和布置得用来分别在第二方向上对所述平台提供动力的第二线圈。
12.根据权利要求10的微致动器，其中所述线圈布置在所述平台的安装表面的背面。
13.一种数据存储设备，包括数据存储介质；权利要求8的微致动器，其中安装了所述介质；和布置在所述介质的上部、用于在介质中存储数据或从介质读出数据的悬臂尖端阵列。
14.根据权利要求13的数据存储设备，其中所述驱动单元包括分别在所述平台的安装表面上形成的线圈；和在分别面对所述线圈的位置上布置的多个永磁体。
全文摘要
本发明公开了一种具有分离的平台的微致动器以及一种采用该微致动器的数据存储设备。所述微致动器包括支承单元；由所述支承单元弹性支承的多个平台，各个平台具有目标驱动体安装于其上的安装表面，并且各个平台布置得相互相邻；布置在多个平台之间的多个控制杆，各个控制杆具有分别连接相邻平台的两端，并且控制杆对相邻平台施加力，从而当平台之一运动时，相邻的平台在所述平台的运动方向的相反方向上运动；和分别对所述平台提供驱动力的驱动单元。
文档编号G12B21/20GK1996470SQ20061012148
公开日2007年7月11日 申请日期2006年8月24日 优先权日2006年1月4日
发明者朴弘植, 洪承范, 闵桐基, 沈钟烨 申请人:三星电子株式会社