用于探针存储系统的硅微静电驱动器的分析

    　静电驱动的微型XY平台一直以来都应用于微光学系统。它们对大机械系统的微型化及高精度系统的实现都有影响。一些研究成果已表明,微型XY平台在诸如扫描探针显微镜(SPM)[1]和光学连接器^[2]等光学系统中应用是有前途的。最近的研究主要集中在基于微XY平台的纳米数据存储装置方面。一些研究报道了结合微XY平台和微探针阵列的高密度数据存储技术^[3-4]。SPM和近场光学显微镜( NSOM)的原理显示了一种实现超过15.5 Gb/cm2的记录密度。具有超高密度存储功能的记录介质一直得以开发,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PZT、硫系薄膜、氧化物薄膜、钛膜及磁光膜等。硫系相变薄膜利用加电脉冲或激光产生相变的两种状态(晶态和非晶态)来存储二进制信息(1和0)。最大行程、存取速度及精度是微XY平台应用于数据存储时的普遍要素。要同时实现大位移和高速度不容易,因为大的行程需要弹性吊架,但因这种吊架的固有频率低,限制了存取速度的提高;而一种并行存取^[3,5]的方法可有效解决这一矛盾。此法可弥补驱动器的小行程问题,因为装置的实际行程将等于标准位移和微探针数量的乘积;而大的存储面积和快速的存取时间是可用小行程的驱动器同时实现的。本文提出并设计了用于相变探针存储系统的微型静电驱动器,具有面积为12 mm×12 mm的中央XY平台和100μm的静态位移,平台上相变存储介质的面积定为6.4 mm×6.4 mm,并考虑分析了该驱动器的可靠性及机械干涉问题。微型静电驱动器与其他MEMS组件及CMOS电子电路集成在一起就可组成数据存储系统^[6]。

    1　静电微型驱动器的设计

    微驱动器最基本的工作原理是将其他能量(一般是电能)转换为机械能。实现这一转换的执行机制有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、电热驱动、磁致伸缩式驱动、光致动、凝胶致动、电液致动、超声波致动和形状记忆合金膜片驱动等。目前,常见的驱动有静电式^[7-8]、电磁式^[9-10]、电热式^[11]和压电式^[12]等。

    静电式微驱动器是应用较广泛的微驱动器,这类驱动器具有结构简单,控制方便,动作范围大,功耗小,响应频率高,适于集成化制造等优点。与压电、压阻、热膨胀和电磁等驱动方式相比,静电作用虽然驱动力较小,但其工艺兼容好,可用体硅和表面微机械加工,便于实现系统集成,是微机械执行器的发展趋势。静电驱动器广泛使用在微机电系统中,包括光通信的开关微镜[13]及数字光学处理器^[14]、射频微开关^[15]、压力传感器[16]等。

    1.1　驱动器的结构设计