Mikromechanik und Aufbautechnik zur Realisierung eines MEMS Aktuators für Festplattenspeicher-Schreib/Leseköpfe

Die vorliegende Forschung war Teil eines gemeinsamen Projekts in Zusammenarbeit mit drei europäischen Partnern aus Deutschland, Portugal und England und wurde von der Europäischen Kommission finanziert. Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines SLIMs (SLider with an Integrated Mikroactuator) für Anwendungen in zukünftigen Festplattenspeichern. Der MEMS Aktuator, dessen Größe der eines herkömmlichen Piko-Sliders von 1240 µm x 990 µm x 300 µm (Länge, Breite, Dicke) entspricht, setzt sich aus einer elektromagnetischen, einer mikromechanischen Komponente sowie einem Distanzelement und einem Chiplet mit S/L-Element zusammen.
Schwerpunkte der vorliegenden Dissertation sind die Entwicklung der mikromechanischen Komponente und der Aufbau der Aktuatorkomponenten. Die mikromechanische Komponente hat die Gestalt eines Feder/Masse-Systems, das aus zwei Mikroblattfedern und einer am freien Ende der Blattfedern befindlichen Plattform gebildet wird. Basierend auf den FEM-Analysen wurden zwei Designvarianten mit unterschiedlichen Blattfederdimensionen von 500 µm x 100 µm bzw. 500 µm x 150 µm und einer Dicke von 5 µm realisiert. Die Federkonstante beträgt 4,56 µN/µm bzw. 6,53 µN/µm für eine Federbreite von 100 µm bzw. 150 µm. Die 1. Resonanzfrequenz liegt bei 1,26 kHz bzw. 1,50 kHz, die 2. Resonanzfrequenz bei 6,01 kHz bzw. 6,85 kHz.
Die Realisierung der mikromechanischen Komponente stellt sich als eine technologische Herausforderung dar, weil ihre Dicke auf 100 µm festgelegt ist und vertikale Bondpads erforderlich sind, um die Kontaktierung des Chiplets zu ermöglichen. Zusätzlich zum ursprünglichen Design wurden zwei Redesigns vorgenommen, die sich der Prozessoptimierung und der Realisierung einer mikromechanischen Komponente mit einer ersten Resonanzfrequenz von größer 5 kHz widmet. Letzterer wurde sowohl durch eine größere Dicke der Mikroblattfedern (10 µm) als auch durch eine Reduzierung der Plattformmasse um 50 % erreicht.
Das dynamische Verhalten der mikromechanischen Komponente wurde mittels LDV- Messungen charakterisiert. Unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen lieferten die Messund Simulationenergebnisse eine gute Übereinstimmung.
Der Luftspalt von 28 ± 2 µm zwischen den elektromagnetischen und den mikromechanischen Komponenten wird durch die Dicke des Si-Distanzelements definiert. Dieser Luftspalt ist extrem wichtig für die Funktion des MEMS Aktuators. Der Aufbau der Aktuatorkomponenten erfolgte mittels Niedertemperatur-Bondprozess durch Kleben auf einem Streifenniveau. Die entwickelte mikromechanische Komponente und die angewandte Aufbautechnik erfüllen schließlich alle Anforderungen, die von Projektpartnern gestellt sind.