專利名稱：彈跳式致動器與微型馬達的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種以微機電系統(tǒng)(Micro electromechanical Systems; MEMS) 技術制作的微型旋轉馬達(Micro Rotary Motor),其利用彈跳式致動器(BDA)驅 動機制與特性來改善傳統(tǒng)靜電式驅動微型馬達的組件壽命短、驅動電壓高等缺點。
背景技術：
微小化技術是當今科學的主要潮流。最為公眾所知的，便是集成電路(IC) 技術以及微機電系統(tǒng)(MEMS)技術，也是帶領我們在最近這幾年來， 一起探究 微小世界的初步技術。
傳統(tǒng)的微抓舉式致動器(Scratch Drive Actuator; SDA)具有可精確定位以及 線性步進的機械性質。
如圖l所示，在Bright(布萊特)以及Linderman(黎德曼)所做的研究中指出，當 在給定驅動電壓的情況下，SDA平板6彎曲使得尾端會先進行吸附動作，并接觸 氮化硅絕緣層2，稱為折屈動作(snaping);當電壓加大到吸附電壓時(Priming Voltage), SDA主體因靜電力而產(chǎn)生較大變形，SDA平板6會大面積接觸氮化硅 絕緣層2，而當移除給定電壓后，儲存在支撐懸臂梁、SDA平板6與SDA軸襯14 中的張應力能量將推動SDA平板6向前移動完成一次步進運動。
對于SDA平板的最佳尺寸已在先前的文獻中(出自R. J. Linderman與V. M. Bright等人所做的模擬結果)提出，為長78(im、寬65pm。
現(xiàn)已研發(fā)出利用SDA致動器所構造成的微型旋轉馬達(Micro Rotary Motor), 以及目前全世界最小的微型風扇(MicroFan)，尺寸為2mmx2mm，它是利用自我 組裝技術在SDA微型馬達外環(huán)增加扇葉制成的。
SDA致動器的制造過程采用多晶硅面加工技術的多使用者MEMS制程 (Polysilicon-based surface micromachining Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。
但目前以SDA為主體驅動的微型馬達或微型風扇，因存在組件壽命短、驅動 電壓高，且存在瞬間反轉現(xiàn)象等問題，限制了其在商業(yè)產(chǎn)品上的應用。
再如圖2所示，傳統(tǒng)的SDA平板6與SDA支撐懸臂梁7的連接處因為彎曲 剛性不足，所以很容易因為扭轉導致斷裂。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本實用新型的主要目的在于提供一種彈跳式致動器(Bounce Drive Actuator; BDA)與微型馬達及其應用，其可大為延長組件壽命、提高轉速、 降低驅動電壓，并實現(xiàn)轉動方向的連續(xù)性。
為達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案 一種彈跳式致動器，其特 征在于包括至少一BDA軸襯，所述BDA軸襯的高度與寬度的比例值小于1; 至少一BDA平板，所述BDA平板的長度小于75fim。
上述本實用新型技術方案中，所述致動器組件施加驅動電壓后，所述BDA平 板后端接觸所述絕緣層的摩擦力小于所述BDA軸襯對所述絕緣層的摩擦力，使所 述BDA平板向上彎曲并僅以后端小面積接觸，造成所述BDA軸襯被擠壓和內(nèi)縮； 施加的電壓移除后，所述BDA平板后端接觸所述絕緣層的摩擦力便大于所述BDA 軸襯對所述絕緣層的摩擦力，儲存的張力使所述致動器組件以彈跳式的動作模式 向后彈出。
上述本實用新型技術方案中，所述致動器組件為連結固定于一 BDA支撐懸臂 梁，且其間連結處具有導角設計。
本實用新型可用于微出力組件結構組裝及微光通訊開關。
本實用新型還提供了一種彈跳式致動微型馬達，其特征在于包含至少一彈 跳式致動器，所述彈跳式致動器由一BDA軸襯與一BDA平板構成，且所述BDA 軸襯的高度與寬度比小于1，所述BDA平板的長度小于75)im。
上述彈跳式致動微型馬達中，所述微型馬達的制作為制作彈跳式致動器，包 括形成一道多晶硅結構、二道氧化犧牲層、 一道絕緣層與一道金屬薄膜。
上述彈跳式致動微型馬達中，所述微型馬達利用自我組裝技術結合有多個微 型扇葉，且其間以聚亞酰胺接點連結。
采用上述技術方案，本實用新型與傳統(tǒng)SDA致動器相比，具有較寬且較短的 BDA軸襯，使得BDA軸襯與絕緣層的正向摩擦力增加，再搭配本實用新型BDA 平板長度小于75^im設計，使得在給定相同的驅動電壓時，BDA平板比傳統(tǒng)SDA 平板具有更好的彎曲剛性，因此在施加驅動電壓后，BDA平板后端接觸絕緣層的 摩擦力小于BDA軸襯對絕緣層的摩擦力，使BDA平板先向上彎曲并僅以后端小 面積接觸絕緣層，進而造成BDA軸襯被擠壓和內(nèi)縮；當施加的電壓移除后，BDA 平板后端接觸絕緣層的摩擦力便大于BDA軸襯對絕緣層的摩擦力，儲存的張力將 使致動器組件以彈跳式的動作模式向后彈出。正是由于本實用新型BDA平板的接 觸面積較小，所以可減少絕緣層磨耗，使微型馬達或微型風扇具有較長的組件壽命(〉100hrs)、較高的轉速(〉30rpm)、較低的驅動電壓，并可實現(xiàn)轉動方向的 連續(xù)性，克服了現(xiàn)有SDA致動器的諸多不足，具有廣闊的市場前景。
圖1是傳統(tǒng)SDA致動器的動作圖2是傳統(tǒng)SDA微型馬達的結構剖面圖3是本實用新型BDA微型馬達的結構剖面圖4是本實用新型的導角設計示意圖5是傳統(tǒng)SDA與本實用新型BDA軸襯高、寬比例示意圖6是BDA致動器的動作圖7A是本實用新型BDA微型馬達的結構示意圖7B是本實用新型BDA微型馬達的結構剖視圖8A、圖8B是本實用新型BDA微型馬達制造過程步驟示意圖9是馬達轉速相對于平板長度的關系表；
圖IO是轉速相對于驅動頻率的關系表；
圖11是本實用新型BDA運用于微型風扇的實施示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)舉以下實施例并結合附圖對本實用新型的結構、功效及特點進行詳細說明。 如圖2、圖3所示，可比較傳統(tǒng)微抓舉式致動器(SDA)微型馬達與彈跳式致
動器(BDA)微型馬達在主體結構上存在的差異
本實用新型為了使BDA支撐懸臂梁9不會因為扭轉導致斷裂，特別利用第三
層多晶硅5來同時建構BDA平板8、 BDA支撐懸臂梁9、內(nèi)環(huán)10以及上蓋12，
并以一肋骨結構11來毗連內(nèi)環(huán)10，如此一來，可增加BDA微型馬達的彎曲剛性
及提高組件壽命。
如圖4所示，為本實用新型創(chuàng)新設計的導角13，導角13是為了增加BDA支 撐懸臂梁9的結構強度，使BDA平板8在致動的情形下，不會因為扭曲斷裂而造 成組件故障失效。導角13可通過掃描式電子顯微鏡清楚地觀察到。
本實用新型所采用的肋骨結構11毗連內(nèi)環(huán)10的設計以及導角13的設計，使 BDA微型馬達具有更長的組件壽命(〉100小時)與更高的轉速(〉30rpm)。
如圖5所示，圖5中(a)、 (b)是傳統(tǒng)SDA與本實用新型BDA軸襯高、寬 比例示意圖與結構剖面圖，由圖中可以明顯的看出BDA平板8比SDA平板6短， 且BDA軸襯15也比SDA軸襯14短且寬。
如圖6所示，為本實用新型的運動方式，由于本實用新型BDA平板8的長度
比傳統(tǒng)SDA平板6短，故具有較好的彎曲剛性，而且在施加驅動電壓之后，BDA 平板8后端接觸氮化硅絕緣層2的摩擦力小于BDA軸襯15對氮化硅絕緣層2的 摩擦力，使BDA平板8先向上彎曲且僅以后端的極小面積接觸氮化硅絕緣層2, 進而造成BDA軸襯15被擠壓和內(nèi)縮。當施加的電壓移除之后，BDA平板8后端 接觸氮化硅絕緣層2的摩擦力便大于BDA軸襯15對氮化硅絕緣層2的摩擦力， 所儲存的張力即可驅使致動器組件以彈跳式的動作模式向后彈出。
如圖7A、圖7B所示，為本實用新型BDA微型馬達的布局設計與結構剖面圖， 本實用新型以肋骨結構11來毗連內(nèi)環(huán)IO，并配合導角13改善組件特性,避免BDA 支撐懸臂梁9在扭曲時斷裂造成組件故障失效的情形。
如圖8A、圖8B所示，為本實用新型BDA微型馬達的制作步驟
(一) 使用LPCVD (低壓化學氣相沉積)系統(tǒng)在硅基板20上沉積低應力 (250MPa)氮化硅薄膜(Si3N4)作為絕緣層21，并利用第一道光學微影與干式
蝕刻技術定義硅基板20的裸露區(qū)域，作為下電極硅基板的接觸窗口 22。
(二) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積第一層低應力(200MPa)摻雜多晶硅薄膜23， 厚度為1.5|im，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，最后利用第二 道光學微影與反應式耦合電槳(ICP)干式蝕刻技術定義BDA微型馬達的外環(huán)軌 道24與上電極區(qū)域。
(三) 使用PECVD (電漿輔助化學氣相沉積)系統(tǒng)沉積2pm厚的第一層低 應力磷硅薄膜26作為第一層低應力(300MPa)犧牲層，并利用第三道光學微影 與干式蝕刻技術定義微型突點接觸窗口 27和軸襯接觸窗口 28。
(
四) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積2pm厚的第二層低應力摻雜多晶硅薄膜29，并 將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，最后利用第四道光學微影與干 式蝕刻技術定義肋骨結構(Rib) 30。
(五) 使用PECVD系統(tǒng)沉積1.5nm厚的第二層低應力磷硅薄膜31作為第二 層低應力犧牲層，并利用第五道光學微影與干式蝕刻技術定義微型突點接觸窗口 32及軸襯接觸窗口 34。
(六) 接著進行第六道光學微影制程，并利用干式蝕刻技術蝕刻錨座接觸窗 口 35以定義出上蓋(cover)圖形。
(
七) 使用LPCVD系統(tǒng)沉積2pm厚的第三層低應力摻雜多晶硅薄膜36作為 主結構層，并將芯片置入水平爐管進行磷擴散及高溫退火制程，再利用第七道光 學微影與干式蝕刻技術定義BDA微型馬達的主結構區(qū)域，且該主結構區(qū)域包含至 少一個微型突點37、懸臂梁38、內(nèi)環(huán)39、上蓋40、軸襯41與BDA馬達轉子42。
(八) 利用E-beam (電子束蒸鍍機)系統(tǒng)蒸鍍沉積200nm/250nm Cr/Au金屬 薄膜，并利用第八道光學微影與濕式蝕刻技術定義出上電極44與下電極45圖案。
(九) 使用濃度稀釋為49%的HF(氫氟酸)蝕刻第一層與第二層低應力磷硅薄 膜26、 31以釋放BDA微型馬達的主結構層。經(jīng)實驗驗證，使用濃度稀釋為49% 的氫氟酸的蝕刻速率快，可快速釋放結構層，且達到的效果最好。
根據(jù)動態(tài)測量得知，當平板長度大于75pm時(例如78 88pm)， BDA微型 馬達呈現(xiàn)出SDA微型馬達的特性且正向運轉(并且有瞬間的反轉)，在給定的 900Hz、正弦波卯Vo-p驅動電壓下啟動，其轉速大約只有l(wèi)rpm。而當平板長度縮 短到小于75pm時(例如68pm、 58pm或33pm)，組件便呈現(xiàn)出BDA微型馬達的 特性且"反向"運轉，在相同的驅動電壓與頻率下，轉速可達到30rpm以上。再 如圖9所示，為轉速相對于平板長度的關系表，由該表中可明顯看出，較短的平 板在相同的驅動電壓下，其轉速較快。
如圖10所示，為頻率相對于轉速的關系表，由該表中可看出BDA微型馬達 的給定頻率與轉速具有線性關系。
如圖11所示，為BDA微型馬達50應用于制作微型風扇。該微型風扇結合了 BDA微型馬達50與八個利用自我組裝技術所開發(fā)的微型扇葉51，連接BDA微型 馬達50與微型扇葉51的聚亞酰胺接點52舉起扇葉的驅動力則是利用聚亞酰胺材 料本身經(jīng)過高溫烘烤所產(chǎn)生的表面張力。
另外，本實用新型也適用于微出力組件的結構組裝與微光通訊開關。
以上所述，僅為本實用新型的較佳實施型態(tài)，凡依據(jù)本實用新型說明書、權 利要求書或附圖所作的等效結構變化，均應包含在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。
權利要求1、一種彈跳式致動器，其特征在于包括至少一BDA軸襯，所述BDA軸襯的高度與寬度的比例值小于1；至少一BDA平板，所述BDA平板的長度小于75μm。
2、 如權利要求1所述的彈跳式致動器，其特征在于所述致動器組件施加驅 動電壓后，所述BDA平板后端接觸所述絕緣層的摩擦力小于所述BDA軸襯對所 述絕緣層的摩擦力，使所述BDA平板向上彎曲并僅以后端小面積接觸，造成所述 BDA軸襯被擠壓和內(nèi)縮；施加的電壓移除后，所述BDA平板后端接觸所述絕緣 層的摩擦力便大于所述BDA軸襯對所述絕緣層的摩擦力，儲存的張力使所述致動 器組件以彈跳式的動作模式向后彈出。
3、 如權利要求1所述的彈跳式致動器，其特征在于所述致動器組件為連結 固定于一BDA支撐懸臂梁，且其間連結處具有導角設計。
4、 一種彈跳式致動微型馬達，其特征在于包括至少一彈跳式致動器，所述彈跳式致動器由一 BDA軸襯與一 BDA平板構成， 且所述BDA軸襯的高度與寬度比小于1，所述BDA平板的長度小于75pm。
5、 如權利要求4所述的彈跳式致動微型馬達，其特征在于所述微型馬達的 制作為制作彈跳式致動器，包括形成一道多晶硅結構、二道氧化犧牲層、 一道絕 緣層與一道金屬薄膜。
6、 如權利要求4所述的彈跳式致動微型馬達，其特征在于所述微型馬達利 用自我組裝技術結合有多個微型扇葉，且其間以聚亞酰胺接點連結。
專利摘要本實用新型涉及一種彈跳式致動器(Bounce Drive Actuator；BDA)與微型馬達及其應用，其包括至少一BDA軸襯，BDA軸襯的高度與寬度的比例值小于1；至少一BDA平板，BDA平板的長度小于75μm。本實用新型的彈跳式致動微型馬達包括至少一彈跳式致動器，彈跳式致動器由一BDA軸襯與一BDA平板構成，且BDA軸襯的高度與寬度比小于1，BDA平板的長度小于75μm。本實用新型可用于微出力組件結構組裝及微光通訊開關。本實用新型通過創(chuàng)新的肋骨結構毗連內(nèi)環(huán)設計與導角設計，使BDA微型馬達具有更長的組件壽命(＞100小時)與更高的轉速(＞30rpm)。
文檔編號H01L41/00GK201075395SQ20072015034
公開日2008年6月18日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者洪銀樹, 陳冠銘, 黃義佑 申請人:建凖電機工業(yè)股份有限公司