ITTO20080603A1 - Micromotore elettrostatico con statore e rotore a contatto, in particolare per sistemi di memorizzazione probe storage - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“MICROMOTORE ELETTROSTATICO CON STATORE E ROTORE A CONTATTO, IN PARTICOLARE PER SISTEMI DI MEMORIZZAZIONE PROBE STORAGEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un micromotore elettrostatico con statore e rotore a contatto, in particolare per sistemi di memorizzazione a livello atomico (generalmente noti come sistemi “probe storage†), a cui la seguente trattazione farà riferimento senza per questo perdere in generalità.

Come noto, i sistemi di memorizzazione che sfruttano una tecnologia basata sul magnetismo, quali ad esempio gli hard disk, soffrono di importanti limitazioni per quanto riguarda l'incremento della capacità di immagazzinamento dati e della velocità di lettura/scrittura, e la diminuzione delle loro dimensioni. In particolare, esiste un limite fisico, cosiddetto "limite superparamagnetico", che ostacola la riduzione delle dimensioni dei domini di memorizzazione magnetici al di sotto di una soglia critica, pena la perdita delle informazioni immagazzinate.

Negli ultimi anni sono stati pertanto proposti sistemi di memorizzazione alternativi, tra cui particolare rilievo hanno assunto i sistemi cosiddetti “probe storage†. Tali sistemi consentono di raggiungere elevate capacità di immagazzinamento dati in ridotte dimensioni e con bassi costi di fabbricazione.

In sintesi, i sistemi di memorizzazione “probe storage†prevedono l'utilizzo di una matrice bidimensionale di trasduttori (o sonde) fissati ad un substrato comune e ciascuno dotato di una rispettiva testina di lettura/scrittura; la matrice bidimensionale à ̈ situata al di sopra di un supporto di memorizzazione (ad esempio di materiale polimerico, ferroelettrico, a cambiamento di fase, ecc.), ed à ̈ mobile in modo relativo rispetto ad esso. Ciascuna sonda à ̈ azionabile per interagire localmente con una porzione del supporto di memorizzazione, per scrivere, leggere o cancellare singoli bit di informazione. In particolare, il movimento relativo tra il supporto di memorizzazione e la matrice di trasduttori à ̈ generato da un micromotore accoppiato al supporto di memorizzazione.

A questo riguardo, sono noti micromotori elettrostatici generanti un movimento lineare, realizzati con tecnologie di microlavorazione di materiali semiconduttori (cosiddette tecnologie MEMS). Tali micromotori elettrostatici basano il loro funzionamento su un'interazione capacitiva tra un substrato fisso (noto come statore) ed un substrato mobile dotato di movimento relativo rispetto al substrato fisso (noto come rotore, senza che tale denominazione implichi tuttavia la presenza di un movimento rotatorio).

Il substrato di rotore à ̈ generalmente sospeso al di sopra del substrato di statore tramite elementi elastici, ad una distanza di separazione (gap) ad esempio pari a qualche Î1⁄4m. Elementi di interazione elettrostatica portati dai substrati di rotore e di statore, ad esempio elettrodi di rotore e di statore disposti in maniera opportuna su rispettive superfici di affaccio, determinano, quando polarizzati in maniera opportuna, un movimento relativo di traslazione del substrato di rotore rispetto al substrato di statore lungo una direzione di scorrimento. In particolare, gli elettrodi di statore e di rotore formano condensatori a facce plane parallele, disallineate. Quando viene applicata un'opportuna tensione di polarizzazione tra tali facce disallineate, si crea una forza di interazione elettrostatica che tende a riportarle in una posizione di reciproco allineamento.

In dettaglio, la forza di interazione elettrostatica così generata presenta una componente utile diretta lungo la direzione di scorrimento, che determina il movimento relativo tra il substrato di rotore ed il substrato di statore, ed inoltre una componente di disturbo diretta lungo una direzione ortogonale alla direzione di scorrimento, che tende ad avvicinare i due substrati generando oscillazioni indesiderate del substrato di rotore lungo la stessa direzione ortogonale.

In modo noto, uno dei principali obiettivi nello sviluppo dei micromotori elettrostatici à ̈ quello di ridurre gli effetti della componente di disturbo della forza di interazione elettrostatica; a tal fine, si cerca ad esempio di massimizzare la componente utile rispetto alla componente di disturbo, o in maniera equivalente di massimizzare il rapporto tra la componente utile e la componente di disturbo della stessa forza di interazione elettrostatica. In particolare, risulta in ogni caso necessario garantire un obiettivo minimo di stabilità del substrato di rotore per quanto riguarda le deformazioni lungo la direzione ortogonale (ad esempio, tali deformazioni devono essere inferiori a 100 nm, considerando uno spessore per il substrato di rotore pari a circa 400 Î1⁄4m). È evidente che tale obiettivo di stabilità risulta estremamente stringente, in particolar modo per quanto riguarda la rigidità (“stiffness†) degli elementi elastici, che devono contrastare il movimento indesiderato del substrato di rotore dovuto alla forza di interazione elettrostatica lungo la direzione ortogonale.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un micromotore elettrostatico che rappresenti un perfezionamento della tecnica nota, ed in particolare che permetta di ridurre un effetto indesiderato della suddetta componente di disturbo della forza di interazione elettrostatica che si genera in uso tra il substrato di statore ed il substrato di rotore.

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un micromotore elettrostatico ed un metodo di attuazione di un micromotore elettrostatico, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 20.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1a mostra una sezione trasversale di un micromotore elettrostatico secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, in una prima condizione operativa;

- la figura 1b mostra una sezione del micromotore di figura 1a, in una seconda condizione operativa;

- le figure 2 e 3 mostrano grafici relativi all'andamento di grandezze elettriche e meccaniche nel micromotore di figura 1a, 1b;

- la figura 4 mostra una sezione prospettica attraverso un micromotore elettrostatico in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 mostra una vista dall'alto semplificata di una porzione del micromotore di figura 4;

- la figura 6 mostra una vista dall'alto semplificata di una porzione di un micromotore elettrostatico secondo un'ulteriore variante della presente invenzione; e

- la figura 7 à ̈ una rappresentazione prospettica di un dispositivo di memorizzazione di tipo “probe storage†, secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione.

Come sarà descritto in dettaglio nel seguito, un aspetto principale della presente invenzione prevede che il substrato di rotore ed il substrato di statore di un micromotore elettrostatico siano posti e mantenuti a contatto reciproco durante una condizione operativa di attuazione del micromotore elettrostatico. Tale contatto rende sostanzialmente trascurabili gli effetti di una componente di disturbo della forza di interazione elettrostatica in direzione ortogonale ad una direzione di movimento relativo del substrato di rotore rispetto al substrato di statore (il substrato di statore costituendo infatti un riferimento di posizione per il substrato di rotore lungo la stessa direzione ortogonale).

In dettaglio, e come mostrato in figura 1a (la quale non à ̈ in scala, così come le figure successive), un micromotore elettrostatico 1, realizzato con le tecnologie dei semiconduttori, comprende un substrato di statore 2, ed un substrato di rotore 3 disposto al di sopra del substrato di statore 2; tipicamente, sia il substrato di rotore 3 che il substrato di statore 2 sono realizzati in materiale semiconduttore (ad esempio silicio). In una condizione di riposo (cioà ̈ a micromotore non attuato), il substrato di rotore 3 à ̈ sospeso al di sopra del substrato di statore 2 ad una distanza di separazione pari ad esempio a circa 0,5 Î1⁄4m; elementi elastici 4a (mostrati schematicamente in figura 1) collegano il substrato di rotore 3 ad una struttura di ancoraggio 4b, ancorata rigidamente al substrato di statore 2 (in modo di per sé noto e qui non descritto in dettaglio).

Su una superficie di affaccio 2a del substrato di statore 2 rivolta verso il substrato di rotore 3, à ̈ presente un primo strato di isolamento 5a, ad esempio di ossido di silicio, al di sopra del quale à ̈ realizzata una pluralità di elettrodi di statore 6, di materiale conduttivo, ad esempio polisilicio o metallo; contatti elettrici (non illustrati), disposti in modo opportuno, sono collegati agli elettrodi di statore 6 per consentirne la polarizzazione a tensioni desiderate. Gli elettrodi di statore 6 sono disposti a distanza regolare ed intervallati di un primo passo P1lungo una direzione di scorrimento x, lungo la quale avviene un movimento relativo di traslazione lineare tra il substrato di statore 2 ed il substrato di rotore 3. Gli elettrodi di statore 6 presentano (come mostrato in seguito) una forma allungata lungo una direzione di estensione y, ortogonale alla direzione di scorrimento x. Un ulteriore strato di isolamento 5b ricopre il primo strato di isolamento 5a e gli elettrodi di statore 6; il primo e l'ulteriore strato di isolamento 5a, 5b sono convenientemente costituiti di uno stesso materiale dielettrico (ad esempio ossido di silicio), in modo da formare uno strato uniforme (che verrà richiamato nel seguito come strato di isolamento risultante 5), in cui gli elettrodi di statore 6 risultano inglobati. Ad esempio, l'ulteriore strato di isolamento 5b viene formato per deposizione e successivamente planarizzato (ad esempio con tecnica CMP – Chemical Mechanical Polishing) per ottenere una superficie superiore sostanzialmente piana.

Il substrato di rotore 3 presenta una pluralità di indentazioni (o cave) di rotore 8, che si aprono in corrispondenza di una rispettiva superficie di affaccio 3a rivolta verso il substrato di statore 2. Come sarà mostrato in seguito, le indentazioni di rotore 8 presentano anch'esse una forma allungata lungo la direzione di estensione y, e si estendono nel substrato di rotore 3 lungo una direzione ortogonale z, perpendicolare alla direzione di scorrimento x ed alla direzione di estensione y. Le indentazioni di rotore 8 sono realizzate ad esempio mediante attacco chimico anisotropo, hanno pareti laterali affacciate e sostanzialmente verticali rettilinee, e definiscono tra di loro sporgenze (o denti) di rotore 9, affacciate verso il substrato di statore 2 ed i corrispondenti elettrodi di statore 6. Le sporgenze di rotore 9 sono disposte a distanza regolare, intervallate di un secondo passo P2, maggiore del primo passo P1, lungo la direzione di scorrimento x. Regioni dielettriche 10, ad esempio di ossido di silicio, sono formate (ad esempio per deposizione, o per crescita termica) sulle superfici delle sporgenze di rotore 9 affacciate agli elettrodi di statore 6.

In particolare, la disposizione degli elettrodi di statore 6 rispetto alle sporgenze di rotore 9 à ̈ periodica (pertanto, elettrodi di statore 6, separati da un determinato intervallo lungo la direzione di scorrimento x, si trovano in una stessa posizione rispetto ad una sovrastante indentazione di rotore 8 o sporgenza di rotore 9). Nella forma di realizzazione illustrata in figura 1, il primo passo P1à ̈ pari a 1 Î1⁄4m, e la larghezza (lungo la direzione di scorrimento x) degli elettrodi di statore 6 à ̈ pari a 2 Î1⁄4m; il secondo passo P2à ̈ invece pari a 12 Î1⁄4m, e la larghezza delle sporgenze di rotore 9, che si estendono lungo la direzione ortogonale z per una profondità di 20 Î1⁄4m, à ̈ pari a 3 Î1⁄4m. Gli elettrodi di statore 6 risultano sfalsati rispetto alle sporgenze di rotore 9 lungo la direzione di scorrimento x, e la disposizione degli elettrodi si ripete in maniera periodica ogni cinque elettrodi di statore 6.

Il micromotore elettrostatico 1 comprende inoltre un'unità elettronica di polarizzazione 11, mostrata schematicamente in figura 1, atta a generare segnali elettrici per la polarizzazione degli elettrodi di statore 6 e/o delle sporgenze di rotore 9, in modo da controllare l'azionamento del micromotore elettrostatico 1. In particolare, il substrato di rotore 3 (e di conseguenza le sporgenze di rotore 9) sono generalmente mantenuti ad un potenziale di riferimento (potenziale di massa), mentre opportune tensioni di polarizzazione vengono applicate agli elettrodi di statore 6 (in particolare, una stessa tensione di polarizzazione viene applicata ad elettrodi di statore 6 che si trovano nella stessa posizione relativa nei confronti di rispettive indentazioni di rotore 8 o sporgenze di rotore 9).

Secondo un aspetto della presente invenzione, l'unità elettronica di polarizzazione 11 comprende un primo ed un secondo stadio di polarizzazione 11a, 11b, atti ad operare in maniera distinta e disaccoppiata per la polarizzazione degli elettrodi di statore 6.

In particolare, durante l'attuazione del micromotore elettrostatico 1, il primo stadio di polarizzazione 11a agisce su un primo gruppo di elettrodi di statore 6, in modo da generare una forza di contatto Fcdiretta sostanzialmente lungo la direzione ortogonale z, tale da avvicinare il substrato di statore 2 ed il substrato di rotore 3 fino a portarli in una condizione di reciproco contatto. Come mostrato in figura 1b, che illustra una condizione operativa di attuazione del micromotore elettrostatico 1, gli elementi elastici 4a vengono deformati in modo tale da annullare il gap tra le sporgenze di rotore 9 ed il sottostante strato di isolamento risultante 5. La forza di contatto Fcà ̈ maggiore di una forza di reazione elastica degli elementi elastici 4a (in modo da causarne la deformazione) ed à ̈ inoltre tale da compensare eventuali forze esterne, quali la forza peso o shock di vario tipo, che tendano ad allontanare il substrato di rotore 3 dal substrato di statore 2 e a modificare la condizione di contatto reciproco. Per mantenere durante l'attuazione l'accoppiamento tra i substrati in qualsiasi condizione (ad esempio con qualsiasi orientamento spaziale del micromotore elettrostatico 1, o in presenza di forti vibrazioni esterne), la forza di contatto Fcdeve soddisfare la seguente relazione:

Fc>Kz×g Fext

in cui Kzà ̈ la costante elastica degli elementi elastici 4a lungo la direzione ortogonale z (ad esempio pari a 5,6 kN/m), g à ̈ il gap tra il substrato di rotore 3 ed il substrato di statore 2 in condizione di riposo, e Fextà ̈ la risultante lungo la direzione ortogonale z di forze esterne agenti sul micromotore elettrostatico 1.

Durante l'attuazione del micromotore elettrostatico 1, il secondo stadio di polarizzazione 11b agisce su un secondo gruppo di elettrodi di statore 6, distinto in ogni determinato istante temporale dal suddetto primo gruppo di elettrodi, per generare una forza di attuazione diretta sostanzialmente lungo la direzione di scorrimento x, e tale da generare il movimento di traslazione desiderato del substrato di rotore 3 rispetto al substrato di statore 2.

Convenientemente, il micromotore elettrostatico 1 comprende un sistema di commutatori (non illustrati) atti a collegare selettivamente il primo ed il secondo stadio di polarizzazione 11a, 11b ai singoli elettrodi di statore 6, in maniera indipendente l'uno dall'altro, e temporizzati secondo una logica prefissata.

La figura 2 mostra una porzione dell'andamento teorico della forza di interazione elettrostatica agente su un singolo elettrodo di statore 6, quando polarizzato costantemente ad una determinata tensione (ad esempio pari a 100 V), in funzione della posizione relativa rispetto al substrato di rotore 3 lungo la direzione di scorrimento x (ed in particolare rispetto a sovrastanti indentazioni di rotore 8 e sporgenze di rotore 9); l'origine O à ̈ posta in corrispondenza dell'inizio di una determinata indentazione di rotore 8. In particolare, vengono mostrate con linea continua e con linea tratteggiata rispettivamente una componente longitudinale Fxdella forza di interazione elettrostatica diretta lungo la direzione di scorrimento x, ed una componente trasversale Fzdella stessa forza di interazione elettrostatica diretta lungo la direzione ortogonale z. Come si può notare, esiste una prima area, indicata con A (in particolare situata al di sotto di un'indentazione di rotore 8, in prossimità di una successiva sporgenza di rotore 9), in cui la componente longitudinale Fxrisulta maggiore della componente trasversale Fz(la quale risulta inoltre sensibilmente inferiore alla forza di reazione elastica degli elementi elastici 4a); ed una seconda area, indicata con B (in particolare situata al di sotto della successiva sporgenza di rotore 9), in cui la componente trasversale Fzà ̈ massima e la componente longitudinale Fxrisulta sostanzialmente trascurabile.

Il primo ed il secondo stadio di polarizzazione 11a, 11b sono configurati in modo da polarizzare gli elettrodi di statore 6 in maniera discontinua in funzione della loro posizione rispetto al substrato di rotore 3, ed in particolare solamente quando si trovano in una determinata posizione relativa rispetto al substrato di rotore 3.

In dettaglio, il primo stadio di polarizzazione 11a à ̈ configurato in modo da polarizzare con un primo segnale di polarizzazione Vz, in qualsiasi istante dell'attuazione del micromotore elettrostatico 1, elettrodi di statore 6 che si trovano al di sotto delle sporgenze di rotore 9, in corrispondenza della suddetta area B. Il primo stadio di polarizzazione 11a origina pertanto una forza risultante lungo la direzione ortogonale z (la forza di contatto Fc) senza sostanzialmente generare una forza apprezzabile nella direzione di scorrimento x, e quindi senza contribuire sostanzialmente al movimento del substrato di rotore 3 in tale direzione. In particolare, si noti che, vantaggiosamente, nella suddetta area B à ̈ sufficiente una tensione di polarizzazione di valore non elevato per generare un'elevata forza di attrazione per portare e mantenere a contatto il substrato di statore 2 ed il substrato di rotore 3.

Al contrario, il secondo stadio di polarizzazione 11b à ̈ configurato in modo da polarizzare con un secondo segnale di polarizzazione Vx(ad esempio un segnale di tensione di valore costante, ad esempio compreso tra 10 e 20 V) di volta in volta elettrodi di statore 6 che si trovano al di sotto delle indentazioni di rotore 8, ed in particolare in corrispondenza dell'area A suddetta; in tal modo, il secondo stadio di polarizzazione 11b origina una forza di attuazione lungo la direzione di scorrimento x, controllando il movimento di traslazione del substrato di rotore 3, senza risentire di disturbi apprezzabili lungo la direzione ortogonale z.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, l'unità elettronica di polarizzazione 11 à ̈ inoltre configurata in modo da ridurre una forza di attrito che si genera durante il movimento di traslazione, a causa del contatto tra i substrati di statore e di rotore 2, 3. A tal fine, la forza di reazione degli elementi elastici 4a viene sfruttata per generare una “modulazione†ad alta frequenza della forza di contatto Fc, e quindi generare vibrazioni a livello microscopico del substrato di rotore 3 lungo la direzione ortogonale z (cosiddetta modulazione “Super lube†). Infatti, basandosi in parte su studi effettuati per differenti applicazioni, si veda ad esempio “Justification of a Novel Mechanism for the Efficient Suppression of Atomic-Scale Friction†, A. Baratoff, A. Socoliuc, E. Gnecco, E. Meyer, International Conference on Nanoscience and Technology 2006 Basel (CH), 30.07.2006 -04.08.2006, o “The effect of friction reduction in the presence of in-plane vibrations†, C. C. Tsai, C. H. Tseng, Arch. Appl. Mech.(2006) 75: 164-175, la presente richiedente ha verificato che una modulazione della forza di contatto Fctra i substrati di statore e di rotore 2, 3 permette di ridurre considerevolmente l'attrito di scorrimento, ed in particolare di ottenere una forza di attrito avente un valor medio ridotto anche fino a due ordini di grandezza rispetto al caso in cui la stessa forza di contatto sia costante nel tempo.

In dettaglio, e come mostrato in figura 3, il primo stadio di polarizzazione 11a, una volta portati a contatto i substrati di statore e di rotore 2, 3, à ̈ configurato in modo da applicare agli elettrodi di statore 6 un primo segnale di polarizzazione Vzavente un andamento intermittente, in particolare a treno di impulsi. La forza di contatto Fcassume pertanto un andamento sostanzialmente sinusoidale, con un alternarsi di una forza di attrazione (dovuta alla forza di interazione elettrostatica), in presenza della tensione di polarizzazione, e di una forza di repulsione (dovuta alla forza di reazione degli elementi elastici 4a), con tensione di polarizzazione nulla. In particolare, quando la tensione di polarizzazione assume valore nullo, si verifica un rilassamento della forza di contatto tra i substrati di statore e di rotore 2, 3 che permette di ottenere una riduzione della forza di attrito. Il primo segnale di polarizzazione Vzha una frequenza maggiore di una frequenza di taglio meccanica propria del sistema meccanico costituito dal substrato di rotore 3 e dagli associati elementi elastici 4a, in modo tale da non causare uno spostamento macroscopico del substrato di rotore 3 stesso, ed un suo allontanamento dal substrato di statore 2. Ad esempio, nel caso in cui il suddetto sistema meccanico abbia una frequenza propria lungo la direzione ortogonale z inferiore ai 500 Hz, frequenze intorno ai 25 kHz producono spostamenti infinitesimali del substrato di rotore 3. Si genera tuttavia una vibrazione in direzione trasversale alla direzione di scorrimento x, che à ̈ stato dimostrato ridurre la forza di attrito che si oppone al movimento.

Una diversa forma di realizzazione della presente invenzione, figura 4, prevede l'interposizione tra il substrato di statore 2 ed il substrato di rotore 3 di elementi distanziatori di sostegno 14 (nel seguito definiti come “pattini†), costituiti di materiale a basso coefficiente di attrito (ad esempio di valore pari a 0,1), ad esempio DLC (Diamond Like Carbon), oppure altro materiale con analoghe proprietà, quale carburo di Silicio (SiC), disposti in maniera distribuita tra gli elettrodi di statore 6 e le sporgenze di rotore 9. Vantaggiosamente, la presenza dei pattini 14, che durante l'attuazione del micromotore elettrostatico 1 realizzano un contatto localizzato e distribuito tra il substrato di rotore 3 ed il substrato di statore 2, permette di ottenere un'ulteriore riduzione della forza di attrito.

I pattini 14 vengono ad esempio deposti sullo strato di isolamento risultante 5 tramite tecnica CVD, e sagomati attraverso un'opportuna mascheratura, in modo da assumere forma genericamente parallelepipeda con lunghezza (lungo la direzione di scorrimento x) pari a circa 15 Î1⁄4m, larghezza (lungo la direzione di estensione y) pari a circa 2 Î1⁄4m, e spessore (lungo la direzione ortogonale z) inferiore a 0,5 Î1⁄4m.

In particolare, si faccia anche riferimento alla figura 5, i pattini 14 sono sfalsati gli uni rispetto agli altri lungo la direzione di scorrimento x e lungo la direzione di estensione y, e sono complessivamente disposti sulla superficie superiore dello strato di isolamento risultante 5 secondo un andamento “a zigzag†(in particolare, tale andamento si estende tra lati opposti di tale superficie); inoltre, i pattini 14 sono distanziati di un intervallo pari a circa 50 Î1⁄4m lungo la direzione di estensione y, e sovrapposti di circa 5 Î1⁄4m lungo la direzione di scorrimento x, l'uno rispetto al successivo.

Durante l'attuazione del micromotore elettrostatico 1, le sporgenze di rotore 9 (e le associate regioni dielettriche 10) sono direttamente a contatto dei sottostanti pattini 14 (nelle figure 4 e 5 sono evidenziate le porzioni a contatto delle superfici affacciate dei pattini 14 e delle sporgenze di rotore 9). In particolare, i pattini 14 sono disposti in modo tale che ciascuna sporgenza di rotore 9 sia disposta a contatto di almeno uno dei pattini 14, così da realizzare un sostegno uniformemente distribuito per il substrato di rotore 3. Inoltre, ciascun pattino 14 à ̈ disposto a contatto di almeno due sporgenze di rotore 9. In uso, la forza di interazione elettrostatica tra gli elettrodi di statore 6 e le sporgenze di rotore 9 provoca lo scorrimento lungo la direzione di scorrimento x delle sporgenze di rotore 9 sui pattini 14 (i quali sono fissi e collegati rigidamente al substrato di statore 2).

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, figura 6, gli elettrodi di statore 6 presentano lungo la direzione di estensione y un'estensione inferiore ad una corrispondente estensione delle sporgenze di rotore 9 (che invece si estendono attraverso l'intero substrato di rotore 3), ad esempio inferiore ad un terzo di tale estensione (così che in totale tre elettrodi di statore 6 si susseguono lungo la direzione di estensione y). Inoltre, elettrodi di statore 6 adiacenti lungo la direzione di estensione y presentano un intervallo di sovrapposizione, ad esempio pari a 1 Î1⁄4m, nella direzione di scorrimento x. Questa disposizione degli elettrodi di statore 6 fa sì che non ci siano complessivamente intervalli privi di elettrodi lungo la direzione di scorrimento x, e consente all'unità elettronica di polarizzazione 11 di ottimizzare il controllo della forza di interazione elettrostatica, avendo a disposizione un numero maggiore di elettrodi di statore 6, ciascuno da polarizzare in una porzione ottimale della curva dell'andamento della forza in funzione della posizione lungo la direzione di scorrimento x (suddetta area A, si veda nuovamente la figura 2). In particolare, risulta possibile generare una forza di attuazione lungo la direzione di scorrimento x sostanzialmente costante e priva di interruzioni (o “vuoti†). Ad esempio, nel caso in cui l'area A della curva della forza di interazione elettrostatica, in cui il secondo stadio di polarizzazione 11b polarizza gli elettrodi di statore 6, presenti un'estensione di 3 Î1⁄4m lungo la direzione di scorrimento x, il secondo stadio di polarizzazione 11b può essere configurato in modo da polarizzare in qualsiasi istante due degli elettrodi di statore 6 (e gli elettrodi a loro corrispondenti nella ripetizione periodica degli elettrodi di statore 6) che si trovino parzialmente sovrapposti lungo la stessa direzione di scorrimento x, ciascun elettrodo rimanendo “acceso†per un intervallo corrispondente complessivamente ad una traslazione di 2 Î1⁄4m del substrato di rotore 3.

Il micromotore elettrostatico 1 descritto può essere inoltre vantaggiosamente impiegato in un dispositivo elettronico di memorizzazione 20 di tipo “probe storage†, come illustrato in figura 7.

In dettaglio, il dispositivo di memorizzazione 20 comprende una matrice bidimensionale 21 di trasduttori (o sonde) 22 fissati ad un substrato comune 23, ad esempio di silicio, realizzato in tecnologia CMOS. La matrice bidimensionale 21 à ̈ disposta al di sopra di un supporto di memorizzazione 24, ad esempio di materiale polimerico, ferroelettrico, o a cambiamento di fase, ecc. Ciascuna sonda 22 comprende un elemento di supporto 25 di materiale semiconduttore sospeso a sbalzo al di sopra del supporto di memorizzazione 24, ed un elemento di interazione 26 (o punta) rivolto verso il supporto di memorizzazione 24, e portato dall'elemento di supporto 25 in corrispondenza di una sua estremità libera; l'elemento di interazione 26 à ̈ configurato in modo da eseguire operazioni di lettura, scrittura o cancellazione, interagendo localmente con una porzione sottostante del supporto di memorizzazione 24.

Il supporto di memorizzazione 24 à ̈ accoppiato meccanicamente in modo solidale al micromotore elettrostatico 1, in particolare à ̈ disposto al di sopra di una superficie esterna 3b del substrato di rotore 3, opposta alla superficie di affaccio 3a verso il substrato di statore 2. In tal modo, l'azionamento del micromotore elettrostatico 1 provoca un corrispondente movimento del supporto di memorizzazione 24 lungo la direzione di scorrimento x, ed un suo spostamento relativo rispetto alle sonde 22. In particolare, pilotando opportunamente il micromotore elettrostatico 1 tramite l'unità elettronica di polarizzazione 11, à ̈ possibile controllare il posizionamento delle sonde 22 in corrispondenza di punti desiderati del supporto di memorizzazione 24, dove si desidera effettuare operazioni di lettura, scrittura, o cancellazione dei dati in memoria. Risulta a tal fine conveniente predisporre un controllo in retroazione dell'azionamento del micromotore elettrostatico 1, mediante l'utilizzo di uno stadio di rilevamento posizione 28 atto a rilevare la posizione del micromotore (ad esempio con tecnica capacitiva), e a trasmettere l'informazione di posizione rilevata in retroazione all'unità elettronica di polarizzazione 11.

Da quanto descritto ed illustrato, sono evidenti i vantaggi che il micromotore elettrostatico secondo l'invenzione consente di ottenere.

Innanzitutto, l'approccio elettrostatico per la realizzazione del micromotore à ̈ generalmente vantaggioso in quanto permette di ottenere una struttura compatta, impilata (stacked) in direzione verticale. Le indentazioni di rotore 8 generano un andamento variabile della capacità tra gli elettrodi di statore 6 ed il substrato di rotore 3 ed una conseguente forza di interazione elettrostatica, senza richiedere la presenza di complesse connessioni metalliche dall'esterno (si riduce infatti il numero complessivo di elettrodi).

In particolare, la disposizione a contatto dei substrati di statore e di rotore 2, 3 durante l'attuazione consente di trascurare effetti indesiderati dovuti alla componente della forza di interazione ortogonale alla direzione di scorrimento x. Tale contatto consente inoltre di ridurre i vincoli di rigidità degli elementi elastici 4a accoppiati al substrato di rotore 3 e di limitare, in uso, deformazioni (ad esempio sotto forma di un imbarcamento) dello stesso substrato di rotore 3.

La modulazione ad alta frequenza della tensione di polarizzazione consente di ridurre fino a due ordini di grandezza la forza di attrito dovuta al contatto tra i substrati.

L'unità elettronica di polarizzazione 11 à ̈ vantaggiosamente configurata in modo da disaccoppiare l'attuazione nella direzione di scorrimento x (per la traslazione desiderata del substrato di rotore 3), dall'attuazione lungo la direzione ortogonale z (per l'attrazione tra i substrati di statore e di rotore 2, 3), ottimizzando il controllo del micromotore elettrostatico 1.

Si sottolinea nuovamente che la presenza dei pattini 14 come elementi distribuiti di sostegno e contatto distribuito localizzato tra i substrati di statore e di rotore 2, 3, ed in particolare lo spessore ridotto di tali pattini lungo la direzione ortogonale z ed il basso coefficiente di attrito del materiale di cui sono costituiti, permettono di ridurre ulteriormente l'attrito tra gli stessi substrati.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, l'unità elettronica di polarizzazione 11 potrebbe polarizzare elettrodi di statore 6 adiacenti lungo la direzione di scorrimento x e/o lungo la direzione di estensione y con tensioni di valore differente (ad esempio 50 V e 100 V), oppure opposte (ed aventi ad esempio valore compreso tra /- 40 V e /- 80 V). Vantaggiosamente, le linee di campo elettrico, all'applicazione di tensioni di polarizzazione opposte /-V, si addensano nelle regioni tra elettrodi di statore 6 consecutivi, determinando un effetto di “schiacciamento†del campo elettrico risultante. Ne risulta un incremento della componente utile ed una diminuzione della componente di disturbo della forza di interazione elettrostatica tra gli elettrodi di statore 6 e le sporgenze di rotore 9.

Le regioni dielettriche 10 al di sopra delle sporgenze di rotore 9 possono non essere presenti, ed i pattini 14, quando previsti, essere posti direttamente a contatto delle sporgenze di rotore stesse. Questa variante ha il vantaggio di incrementare ulteriormente la semplicità realizzativa del micromotore elettrostatico 1.

Inoltre, potrebbe essere prevista una diversa disposizione dei pattini 14 al di sopra del substrato di statore 2; ad esempio, potrebbe non esserci alcuna sovrapposizione dei pattini lungo la direzione di scorrimento x, e gli stessi pattini 14 potrebbero essere disposti secondo un diverso andamento geometrico.

Il micromotore elettrostatico 1 può inoltre essere utilizzato in altre applicazioni, differenti dal dispositivo di memorizzazione descritto. Ad esempio, il micromotore può essere utilizzato in un dispositivo commutatore (“switch†) ottico, di tipo per sé noto, per movimentare ed orientare relativi mezzi di riflessione di un fascio luminoso.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Micromotore elettrostatico (1) comprendente: un substrato fisso (2); un substrato mobile (3) affacciato a detto substrato fisso (2) e sospeso al di sopra di detto substrato fisso ad una data distanza di separazione, in una condizione operativa di riposo; un'unità di attuazione (11) configurata in modo da originare un movimento relativo di detto substrato mobile (3) rispetto a detto substrato fisso (2) lungo una direzione di movimento (x) durante una condizione operativa di attuazione, caratterizzato dal fatto che detta unità di attuazione (11) à ̈ inoltre configurata in modo da portare e mantenere sostanzialmente a contatto detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2) durante detta condizione operativa di attuazione.
2. 2. Micromotore secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di attuazione (11) comprende inoltre mezzi elettronici di riduzione attrito (11a), configurati in modo da ridurre un attrito generato dal contatto tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2) durante detto movimento relativo.
3. 3. Micromotore secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre elementi di interazione elettrostatica (6, 8) associati a detto substrato mobile (3) e a detto substrato fisso (2); in cui detta unità di attuazione (11) comprende un primo stadio di polarizzazione (11a) configurato in modo da fornire un primo segnale di polarizzazione (Vz) a detti elementi di interazione elettrostatica (6, 8) e da portare e mantenere sostanzialmente a contatto detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2), ed un secondo stadio di polarizzazione (11b) configurato in modo da fornire un secondo segnale di polarizzazione (Vx) a detti elementi di interazione elettrostatica (6, 8) e da originare detto movimento relativo tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2).
4. 4. Micromotore secondo la rivendicazione 3, in cui detto primo stadio di polarizzazione (11a) Ã ̈ configurato in modo da modulare ad alta frequenza detto primo segnale di polarizzazione (Vz), e provocare vibrazioni di detto substrato mobile (3) in una prima direzione (z), trasversale a detta direzione di movimento (x).
5. 5. Micromotore secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre elementi elastici (4a) accoppiati a detto substrato mobile (3); ed in cui detto primo stadio di polarizzazione (11a) Ã ̈ configurato in modo da comandare ad intermittenza detto primo segnale di polarizzazione (Vz) in modo da causare alternativamente una forza di attrazione (Fc) tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2) deformando detti elementi elastici (4a), ed una forza di repulsione tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2), per una reazione di detti elementi elastici (4a).
6. 6. Micromotore secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detto primo segnale di polarizzazione (Vz) comprende un treno di impulsi ad alta frequenza, in particolare avente frequenza maggiore di una frequenza di taglio meccanica del gruppo formato da detto substrato mobile (3) e detti elementi elastici (4a).
7. 7. Micromotore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-6, in cui detti elementi di interazione elettrostatica comprendono elettrodi (6) portati da detto substrato fisso (2) e rivolti verso detto substrato mobile (3), ed indentazioni (8) estendentisi all'interno di detto substrato mobile (3) a partire da una superficie di affaccio (3a) verso detto substrato fisso (2) e definenti tra loro sporgenze (9) sfalsate rispetto a detti elettrodi (6) lungo detta direzione di movimento (x); detto primo stadio di polarizzazione (11a) essendo configurato per applicare detto primo segnale di polarizzazione (Vz) ad un primo gruppo di detti elettrodi (6), e detto secondo stadio di polarizzazione (11b) essendo configurato per applicare detto secondo segnale di polarizzazione (Vx) ad un secondo gruppo di detti elettrodi (6), distinto in ogni istante di detta condizione operativa di attuazione da detto primo gruppo.
8. 8. Micromotore secondo la rivendicazione 7, in cui elettrodi (6) di detto primo gruppo sono disposti rispetto a detto substrato mobile (3) in modo tale da generare, quando polarizzati da detto primo segnale di polarizzazione (Vz), una forza di interazione elettrostatica avente una componente principale (Fz) diretta lungo una prima direzione (z), trasversale a detta direzione di movimento (x), e detti elettrodi (6) di detto secondo gruppo sono disposti rispetto a detto substrato mobile (3) in modo tale da generare, quando polarizzati da detto secondo segnale di polarizzazione (Vx), una forza di interazione elettrostatica avente una rispettiva componente principale (Fx) diretta lungo detta direzione di movimento (x).
9. 9. Micromotore secondo la rivendicazione 8, in cui, durante detta condizione di attuazione, detto primo gruppo comprende elettrodi (6) disposti al di sotto di dette sporgenze (9), e detto secondo gruppo comprende elettrodi (6) disposti al di sotto di dette indentazioni (8).
10. 10. Micromotore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre elementi di sostegno (14) interposti in modo distribuito tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2), in modo tale da realizzare un contatto localizzato distribuito tra detti substrati fisso (2) e mobile (3), durante detta condizione di attuazione.
11. 11. Micromotore secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre elettrodi (6) portati da detto substrato fisso (2) e rivolti verso detto substrato mobile (3), ed indentazioni (8) estendentisi all'interno di detto substrato mobile (3) a partire da una superficie di affaccio (3a) verso detto substrato fisso (2) e definenti tra loro sporgenze (9) sfalsate rispetto a detti elettrodi (6) lungo detta direzione di movimento (x); ed in cui detti elementi di sostegno (14) sono interposti tra dette sporgenze (9) e detti elettrodi (6), detti elementi di sostegno (14) essendo solidali a detto substrato fisso (2), e detto substrato mobile (3) essendo atto a scorrere al di sopra di detti elementi di sostegno (14) lungo detta direzione di movimento (x), durante detta condizione di attuazione; in particolare, detti elementi di sostegno (14) comprendendo materiale a basso coefficiente di attrito, quale DLC (Diamond Like Carbon).
12. 12. Micromotore secondo la rivendicazione 11, in cui detti elementi di sostegno (14) sono disposti in modo tale che ciascuna di dette sporgenze (9) sia disposta a contatto di almeno uno di detti elementi di sostegno (14), ed in maniera sfalsata l'uno rispetto ad un successivo lungo detta direzione di movimento (x) e lungo una seconda direzione (y), trasversale a detta direzione di movimento (x), presentando una conformazione “a pattino†allungata in detta direzione di movimento (x).
13. 13. Sistema elettronico (20) comprendente un micromotore elettrostatico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
14. 14. Sistema elettronico secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre un dispositivo di memorizzazione (20) di tipo “probe storage†, dotato di un supporto di memorizzazione (24) accoppiato solidalmente a detto substrato mobile (3) in modo da essere movimentato lungo detta direzione di movimento (x) durante detta condizione di attuazione, e di una matrice di sonde (22) disposte al di sopra di, e per interagire localmente con, detto substrato di memorizzazione (24).
15. 15. Metodo di attuazione di un micromotore elettrostatico (1) dotato di un substrato fisso (2) e di un substrato mobile (3), affacciato a detto substrato fisso (2) e sospeso al di sopra di detto substrato fisso ad una data distanza di separazione in una condizione operativa di riposo, detto metodo comprendendo la fase di originare un movimento relativo di detto substrato mobile (3) rispetto a detto substrato fisso (2) lungo una direzione di movimento (x) durante una condizione operativa di attuazione, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la fase di portare e mantenere sostanzialmente a contatto detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2) durante detta condizione operativa di attuazione.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detto micromotore elettrostatico (1) Ã ̈ inoltre dotato di elementi di interazione elettrostatica (6, 8) associati a detto substrato mobile (3) e a detto substrato fisso (2); in cui detta fase di portare e mantenere sostanzialmente a contatto comprende fornire un primo segnale di polarizzazione (Vz) a detti elementi di interazione elettrostatica (6, 8), e detta fase di originare un movimento relativo comprende fornire un secondo segnale di polarizzazione (Vx) a detti elementi di interazione elettrostatica (6, 8); comprendente inoltre la fase di ridurre un attrito generato dal contatto tra detto substrato mobile (3) e detto substrato fisso (2) durante detto movimento relativo.