專利名稱：彈跳式致動器與微型馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種以微機(jī)電系統(tǒng)(Micro electromechanical Systems; MEMS) 技術(shù)制作的微型旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(Micro Rotary Motor),其利用彈跳式致動器(BDA)驅(qū) 動機(jī)制與特性來改善傳統(tǒng)靜電式驅(qū)動微型馬達(dá)的組件壽命短、驅(qū)動電壓高等缺點(diǎn)。
背景技術(shù)：
微小化技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)的主要潮流。最為公眾所知的，便是集成電路(IC) 技術(shù)以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，也是帶領(lǐng)我們在最近這幾年來， 一起探究 微小世界的初步技術(shù)。
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(jìn)的機(jī)械性質(zhì)。
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(dāng) 在給定驅(qū)動電壓的情況下，SDA平板6彎曲使得尾端會先進(jìn)行吸附動作，并接觸 氮化硅絕緣層2，稱為折屈動作(snaping);當(dāng)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(dāng)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(yīng)力能量將推動SDA平板6向前移動完成一次步進(jìn)運(yùn)動。
對于SDA平板的最佳尺寸已在先前的文獻(xiàn)中(出自R. J. Linderman與V. M. Bright等人所做的模擬結(jié)果)提出，為長78(im、寬65pm。
現(xiàn)已研發(fā)出利用SDA致動器所構(gòu)造成的微型旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(Micro Rotary Motor), 以及目前全世界最小的微型風(fēng)扇(MicroFan)，尺寸為2mmx2mm，它是利用自我 組裝技術(shù)在SDA微型馬達(dá)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(shù)的多使用者M(jìn)EMS制程 (Polysilicon-based surface micromachining Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。
但目前以SDA為主體驅(qū)動的微型馬達(dá)或微型風(fēng)扇，因存在組件壽命短、驅(qū)動 電壓高，且存在瞬間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象等問題，限制了其在商業(yè)產(chǎn)品上的應(yīng)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?yàn)閺澢?剛性不足，所以很容易因?yàn)榕まD(zhuǎn)導(dǎo)致斷裂。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本實(shí)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(dá)及其應(yīng)用，其可大為延長組件壽命、提高轉(zhuǎn)速、 降低驅(qū)動電壓，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動方向的連續(xù)性。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)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(shí)用新型技術(shù)方案中，所述致動器組件施加驅(qū)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(shí)用新型技術(shù)方案中，所述致動器組件為連結(jié)固定于一 BDA支撐懸臂 梁，且其間連結(jié)處具有導(dǎo)角設(shè)計(jì)。
本實(shí)用新型可用于微出力組件結(jié)構(gòu)組裝及微光通訊開關(guān)。
本實(shí)用新型還提供了一種彈跳式致動微型馬達(dá)，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(gòu)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(dá)中，所述微型馬達(dá)的制作為制作彈跳式致動器，包 括形成一道多晶硅結(jié)構(gòu)、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(dá)中，所述微型馬達(dá)利用自我組裝技術(shù)結(jié)合有多個微 型扇葉，且其間以聚亞酰胺接點(diǎn)連結(jié)。
采用上述技術(shù)方案，本實(shí)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(shí)用新型BDA 平板長度小于75^im設(shè)計(jì)，使得在給定相同的驅(qū)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(qū)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(jìn)而造成BDA軸襯被擠壓和內(nèi)縮；當(dāng)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(shí)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(dá)或微型風(fēng)扇具有較長的組件壽命(〉100hrs)、較高的轉(zhuǎn)速(〉30rpm)、較低的驅(qū)動電壓，并可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(dá)的結(jié)構(gòu)剖面圖3是本實(shí)用新型BDA微型馬達(dá)的結(jié)構(gòu)剖面圖4是本實(shí)用新型的導(dǎo)角設(shè)計(jì)示意圖5是傳統(tǒng)SDA與本實(shí)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(shí)用新型BDA微型馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖7B是本實(shí)用新型BDA微型馬達(dá)的結(jié)構(gòu)剖視圖8A、圖8B是本實(shí)用新型BDA微型馬達(dá)制造過程步驟示意圖9是馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對于平板長度的關(guān)系表；
圖IO是轉(zhuǎn)速相對于驅(qū)動頻率的關(guān)系表；
圖11是本實(shí)用新型BDA運(yùn)用于微型風(fēng)扇的實(shí)施示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)舉以下實(shí)施例并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)、功效及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)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(dá)與彈跳式致
動器(BDA)微型馬達(dá)在主體結(jié)構(gòu)上存在的差異
本實(shí)用新型為了使BDA支撐懸臂梁9不會因?yàn)榕まD(zhuǎn)導(dǎo)致斷裂，特別利用第三
層多晶硅5來同時建構(gòu)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(jié)構(gòu)11來毗連內(nèi)環(huán)10，如此一來，可增加BDA微型馬達(dá)的彎曲剛性
及提高組件壽命。
如圖4所示，為本實(shí)用新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的導(dǎo)角13，導(dǎo)角13是為了增加BDA支 撐懸臂梁9的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使BDA平板8在致動的情形下，不會因?yàn)榕で鷶嗔讯?成組件故障失效。導(dǎo)角13可通過掃描式電子顯微鏡清楚地觀察到。
本實(shí)用新型所采用的肋骨結(jié)構(gòu)11毗連內(nèi)環(huán)10的設(shè)計(jì)以及導(dǎo)角13的設(shè)計(jì)，使 BDA微型馬達(dá)具有更長的組件壽命(〉100小時)與更高的轉(zhuǎn)速(〉30rpm)。
如圖5所示，圖5中(a)、 (b)是傳統(tǒng)SDA與本實(shí)用新型BDA軸襯高、寬 比例示意圖與結(jié)構(gòu)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(shí)用新型的運(yùn)動方式，由于本實(shí)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(qū)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(jìn)而造成BDA軸襯15被擠壓和內(nèi)縮。當(dāng)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(qū)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(shí)用新型BDA微型馬達(dá)的布局設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)剖面圖， 本實(shí)用新型以肋骨結(jié)構(gòu)11來毗連內(nèi)環(huán)IO，并配合導(dǎo)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(shí)用新型BDA微型馬達(dá)的制作步驟
(一) 使用LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積)系統(tǒng)在硅基板20上沉積低應(yīng)力 (250MPa)氮化硅薄膜(Si3N4)作為絕緣層21，并利用第一道光學(xué)微影與干式
蝕刻技術(shù)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(yīng)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(jìn)行磷擴(kuò)散及高溫退火制程，最后利用第二 道光學(xué)微影與反應(yīng)式耦合電槳(ICP)干式蝕刻技術(shù)定義BDA微型馬達(dá)的外環(huán)軌 道24與上電極區(qū)域。
(三) 使用PECVD (電漿輔助化學(xué)氣相沉積)系統(tǒng)沉積2pm厚的第一層低 應(yīng)力磷硅薄膜26作為第一層低應(yīng)力(300MPa)犧牲層，并利用第三道光學(xué)微影 與干式蝕刻技術(shù)定義微型突點(diǎn)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(yīng)力摻雜多晶硅薄膜29，并 將芯片置入水平爐管進(jìn)行磷擴(kuò)散及高溫退火制程，最后利用第四道光學(xué)微影與干 式蝕刻技術(shù)定義肋骨結(jié)構(gòu)(Rib) 30。
(五) 使用PECVD系統(tǒng)沉積1.5nm厚的第二層低應(yīng)力磷硅薄膜31作為第二 層低應(yīng)力犧牲層，并利用第五道光學(xué)微影與干式蝕刻技術(shù)定義微型突點(diǎn)接觸窗口 32及軸襯接觸窗口 34。
(六) 接著進(jìn)行第六道光學(xué)微影制程，并利用干式蝕刻技術(shù)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(yīng)力摻雜多晶硅薄膜36作為 主結(jié)構(gòu)層，并將芯片置入水平爐管進(jìn)行磷擴(kuò)散及高溫退火制程，再利用第七道光 學(xué)微影與干式蝕刻技術(shù)定義BDA微型馬達(dá)的主結(jié)構(gòu)區(qū)域，且該主結(jié)構(gòu)區(qū)域包含至 少一個微型突點(diǎn)37、懸臂梁38、內(nèi)環(huán)39、上蓋40、軸襯41與BDA馬達(dá)轉(zhuǎn)子42。
(八) 利用E-beam (電子束蒸鍍機(jī))系統(tǒng)蒸鍍沉積200nm/250nm Cr/Au金屬 薄膜，并利用第八道光學(xué)微影與濕式蝕刻技術(shù)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(yīng)力磷硅薄 膜26、 31以釋放BDA微型馬達(dá)的主結(jié)構(gòu)層。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)構(gòu)層，且達(dá)到的效果最好。
根據(jù)動態(tài)測量得知，當(dāng)平板長度大于75pm時(例如78 88pm)， BDA微型 馬達(dá)呈現(xiàn)出SDA微型馬達(dá)的特性且正向運(yùn)轉(zhuǎn)(并且有瞬間的反轉(zhuǎn))，在給定的 900Hz、正弦波卯Vo-p驅(qū)動電壓下啟動，其轉(zhuǎn)速大約只有l(wèi)rpm。而當(dāng)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(dá)的 特性且"反向"運(yùn)轉(zhuǎn)，在相同的驅(qū)動電壓與頻率下，轉(zhuǎn)速可達(dá)到30rpm以上。再 如圖9所示，為轉(zhuǎn)速相對于平板長度的關(guān)系表，由該表中可明顯看出，較短的平 板在相同的驅(qū)動電壓下，其轉(zhuǎn)速較快。
如圖10所示，為頻率相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系表，由該表中可看出BDA微型馬達(dá) 的給定頻率與轉(zhuǎn)速具有線性關(guān)系。
如圖11所示，為BDA微型馬達(dá)50應(yīng)用于制作微型風(fēng)扇。該微型風(fēng)扇結(jié)合了 BDA微型馬達(dá)50與八個利用自我組裝技術(shù)所開發(fā)的微型扇葉51，連接BDA微型 馬達(dá)50與微型扇葉51的聚亞酰胺接點(diǎn)52舉起扇葉的驅(qū)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(shí)用新型也適用于微出力組件的結(jié)構(gòu)組裝與微光通訊開關(guān)。
以上所述，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施型態(tài)，凡依據(jù)本實(shí)用新型說明書、權(quán) 利要求書或附圖所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)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(quán)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(qū) 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(quán)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(jié) 固定于一BDA支撐懸臂梁，且其間連結(jié)處具有導(dǎo)角設(shè)計(jì)。
4、 一種彈跳式致動微型馬達(dá)，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(gòu)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(quán)利要求4所述的彈跳式致動微型馬達(dá)，其特征在于所述微型馬達(dá)的 制作為制作彈跳式致動器，包括形成一道多晶硅結(jié)構(gòu)、二道氧化犧牲層、 一道絕 緣層與一道金屬薄膜。
6、 如權(quán)利要求4所述的彈跳式致動微型馬達(dá)，其特征在于所述微型馬達(dá)利 用自我組裝技術(shù)結(jié)合有多個微型扇葉，且其間以聚亞酰胺接點(diǎn)連結(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種彈跳式致動器(Bounce Drive Actuator；BDA)與微型馬達(dá)及其應(yīng)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(shí)用新型的彈跳式致動微型馬達(dá)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(gòu)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(shí)用新型可用于微出力組件結(jié)構(gòu)組裝及微光通訊開關(guān)。本實(shí)用新型通過創(chuàng)新的肋骨結(jié)構(gòu)毗連內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)與導(dǎo)角設(shè)計(jì)，使BDA微型馬達(dá)具有更長的組件壽命(＞100小時)與更高的轉(zhuǎn)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(quán)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(jī)工業(yè)股份有限公司