专利名称：弹跳式致动器与微型马达的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种以微机电系统(Micro electromechanical Systems; MEMS) 技术制作的微型旋转马达(Micro Rotary Motor),其利用弹跳式致动器(BDA)驱 动机制与特性来改善传统静电式驱动微型马达的组件寿命短、驱动电压高等缺点。
背景技术：
微小化技术是当今科学的主要潮流。最为公众所知的，便是集成电路(IC) 技术以及微机电系统(MEMS)技术，也是带领我们在最近这几年来， 一起探究 微小世界的初步技术。
传统的微抓举式致动器(Scratch Drive Actuator; SDA)具有可精确定位以及 线性步进的机械性质。
如图l所示，在Bright(布莱特)以及Linderman(黎德曼)所做的研究中指出，当 在给定驱动电压的情况下，SDA平板6弯曲使得尾端会先进行吸附动作，并接触 氮化硅绝缘层2，称为折屈动作(snaping);当电压加大到吸附电压时(Priming Voltage), SDA主体因静电力而产生较大变形，SDA平板6会大面积接触氮化硅 绝缘层2，而当移除给定电压后，储存在支撑悬臂梁、SDA平板6与SDA轴衬14 中的张应力能量将推动SDA平板6向前移动完成一次步进运动。
对于SDA平板的最佳尺寸已在先前的文献中(出自R. J. Linderman与V. M. Bright等人所做的模拟结果)提出，为长78(im、宽65pm。
现已研发出利用SDA致动器所构造成的微型旋转马达(Micro Rotary Motor), 以及目前全世界最小的微型风扇(MicroFan)，尺寸为2mmx2mm，它是利用自我 组装技术在SDA微型马达外环增加扇叶制成的。
SDA致动器的制造过程采用多晶硅面加工技术的多使用者MEMS制程 (Polysilicon-based surface micromachining Multi-User MEMS Processes; MUMPs)。
但目前以SDA为主体驱动的微型马达或微型风扇，因存在组件寿命短、驱动 电压高，且存在瞬间反转现象等问题，限制了其在商业产品上的应用。
再如图2所示，传统的SDA平板6与SDA支撑悬臂梁7的连接处因为弯曲 刚性不足，所以很容易因为扭转导致断裂。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种弹跳式致动器(Bounce Drive Actuator; BDA)与微型马达及其应用，其可大为延长组件寿命、提高转速、 降低驱动电压，并实现转动方向的连续性。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案 一种弹跳式致动器，其特 征在于包括至少一BDA轴衬，所述BDA轴衬的高度与宽度的比例值小于1; 至少一BDA平板，所述BDA平板的长度小于75fim。
上述本实用新型技术方案中，所述致动器组件施加驱动电压后，所述BDA平 板后端接触所述绝缘层的摩擦力小于所述BDA轴衬对所述绝缘层的摩擦力，使所 述BDA平板向上弯曲并仅以后端小面积接触，造成所述BDA轴衬被挤压和内縮； 施加的电压移除后，所述BDA平板后端接触所述绝缘层的摩擦力便大于所述BDA 轴衬对所述绝缘层的摩擦力，储存的张力使所述致动器组件以弹跳式的动作模式 向后弹出。
上述本实用新型技术方案中，所述致动器组件为连结固定于一 BDA支撑悬臂 梁，且其间连结处具有导角设计。
本实用新型可用于微出力组件结构组装及微光通讯开关。
本实用新型还提供了一种弹跳式致动微型马达，其特征在于包含至少一弹 跳式致动器，所述弹跳式致动器由一BDA轴衬与一BDA平板构成，且所述BDA 轴衬的高度与宽度比小于1，所述BDA平板的长度小于75)im。
上述弹跳式致动微型马达中，所述微型马达的制作为制作弹跳式致动器，包 括形成一道多晶硅结构、二道氧化牺牲层、 一道绝缘层与一道金属薄膜。
上述弹跳式致动微型马达中，所述微型马达利用自我组装技术结合有多个微 型扇叶，且其间以聚亚酰胺接点连结。
采用上述技术方案，本实用新型与传统SDA致动器相比，具有较宽且较短的 BDA轴衬，使得BDA轴衬与绝缘层的正向摩擦力增加，再搭配本实用新型BDA 平板长度小于75^im设计，使得在给定相同的驱动电压时，BDA平板比传统SDA 平板具有更好的弯曲刚性，因此在施加驱动电压后，BDA平板后端接触绝缘层的 摩擦力小于BDA轴衬对绝缘层的摩擦力，使BDA平板先向上弯曲并仅以后端小 面积接触绝缘层，进而造成BDA轴衬被挤压和内縮；当施加的电压移除后，BDA 平板后端接触绝缘层的摩擦力便大于BDA轴衬对绝缘层的摩擦力，储存的张力将 使致动器组件以弹跳式的动作模式向后弹出。正是由于本实用新型BDA平板的接 触面积较小，所以可减少绝缘层磨耗，使微型马达或微型风扇具有较长的组件寿命(〉100hrs)、较高的转速(〉30rpm)、较低的驱动电压，并可实现转动方向的 连续性，克服了现有SDA致动器的诸多不足，具有广阔的市场前景。
图1是传统SDA致动器的动作图2是传统SDA微型马达的结构剖面图3是本实用新型BDA微型马达的结构剖面图4是本实用新型的导角设计示意图5是传统SDA与本实用新型BDA轴衬高、宽比例示意图6是BDA致动器的动作图7A是本实用新型BDA微型马达的结构示意图7B是本实用新型BDA微型马达的结构剖视图8A、图8B是本实用新型BDA微型马达制造过程步骤示意图9是马达转速相对于平板长度的关系表；
图IO是转速相对于驱动频率的关系表；
图11是本实用新型BDA运用于微型风扇的实施示意图。
具体实施方式
现举以下实施例并结合附图对本实用新型的结构、功效及特点进行详细说明。 如图2、图3所示，可比较传统微抓举式致动器(SDA)微型马达与弹跳式致
动器(BDA)微型马达在主体结构上存在的差异
本实用新型为了使BDA支撑悬臂梁9不会因为扭转导致断裂，特别利用第三
层多晶硅5来同时建构BDA平板8、 BDA支撑悬臂梁9、内环10以及上盖12，
并以一肋骨结构11来毗连内环10，如此一来，可增加BDA微型马达的弯曲刚性
及提高组件寿命。
如图4所示，为本实用新型创新设计的导角13，导角13是为了增加BDA支 撑悬臂梁9的结构强度，使BDA平板8在致动的情形下，不会因为扭曲断裂而造 成组件故障失效。导角13可通过扫描式电子显微镜清楚地观察到。
本实用新型所采用的肋骨结构11毗连内环10的设计以及导角13的设计，使 BDA微型马达具有更长的组件寿命(〉100小时)与更高的转速(〉30rpm)。
如图5所示，图5中(a)、 (b)是传统SDA与本实用新型BDA轴衬高、宽 比例示意图与结构剖面图，由图中可以明显的看出BDA平板8比SDA平板6短， 且BDA轴衬15也比SDA轴衬14短且宽。
如图6所示，为本实用新型的运动方式，由于本实用新型BDA平板8的长度
比传统SDA平板6短，故具有较好的弯曲刚性，而且在施加驱动电压之后，BDA 平板8后端接触氮化硅绝缘层2的摩擦力小于BDA轴衬15对氮化硅绝缘层2的 摩擦力，使BDA平板8先向上弯曲且仅以后端的极小面积接触氮化硅绝缘层2, 进而造成BDA轴衬15被挤压和内縮。当施加的电压移除之后，BDA平板8后端 接触氮化硅绝缘层2的摩擦力便大于BDA轴衬15对氮化硅绝缘层2的摩擦力， 所储存的张力即可驱使致动器组件以弹跳式的动作模式向后弹出。
如图7A、图7B所示，为本实用新型BDA微型马达的布局设计与结构剖面图， 本实用新型以肋骨结构11来毗连内环IO，并配合导角13改善组件特性,避免BDA 支撑悬臂梁9在扭曲时断裂造成组件故障失效的情形。
如图8A、图8B所示，为本实用新型BDA微型马达的制作步骤
(一) 使用LPCVD (低压化学气相沉积)系统在硅基板20上沉积低应力 (250MPa)氮化硅薄膜(Si3N4)作为绝缘层21，并利用第一道光学微影与干式
蚀刻技术定义硅基板20的裸露区域，作为下电极硅基板的接触窗口 22。
(二) 使用LPCVD系统沉积第一层低应力(200MPa)掺杂多晶硅薄膜23， 厚度为1.5|im，并将芯片置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程，最后利用第二 道光学微影与反应式耦合电桨(ICP)干式蚀刻技术定义BDA微型马达的外环轨 道24与上电极区域。
(三) 使用PECVD (电浆辅助化学气相沉积)系统沉积2pm厚的第一层低 应力磷硅薄膜26作为第一层低应力(300MPa)牺牲层，并利用第三道光学微影 与干式蚀刻技术定义微型突点接触窗口 27和轴衬接触窗口 28。
(
四) 使用LPCVD系统沉积2pm厚的第二层低应力掺杂多晶硅薄膜29，并 将芯片置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程，最后利用第四道光学微影与干 式蚀刻技术定义肋骨结构(Rib) 30。
(五) 使用PECVD系统沉积1.5nm厚的第二层低应力磷硅薄膜31作为第二 层低应力牺牲层，并利用第五道光学微影与干式蚀刻技术定义微型突点接触窗口 32及轴衬接触窗口 34。
(六) 接着进行第六道光学微影制程，并利用干式蚀刻技术蚀刻锚座接触窗 口 35以定义出上盖(cover)图形。
(
七) 使用LPCVD系统沉积2pm厚的第三层低应力掺杂多晶硅薄膜36作为 主结构层，并将芯片置入水平炉管进行磷扩散及高温退火制程，再利用第七道光 学微影与干式蚀刻技术定义BDA微型马达的主结构区域，且该主结构区域包含至 少一个微型突点37、悬臂梁38、内环39、上盖40、轴衬41与BDA马达转子42。
(八) 利用E-beam (电子束蒸镀机)系统蒸镀沉积200nm/250nm Cr/Au金属 薄膜，并利用第八道光学微影与湿式蚀刻技术定义出上电极44与下电极45图案。
(九) 使用浓度稀释为49%的HF(氢氟酸)蚀刻第一层与第二层低应力磷硅薄 膜26、 31以释放BDA微型马达的主结构层。经实验验证，使用浓度稀释为49% 的氢氟酸的蚀刻速率快，可快速释放结构层，且达到的效果最好。
根据动态测量得知，当平板长度大于75pm时(例如78 88pm)， BDA微型 马达呈现出SDA微型马达的特性且正向运转(并且有瞬间的反转)，在给定的 900Hz、正弦波卯Vo-p驱动电压下启动，其转速大约只有lrpm。而当平板长度縮 短到小于75pm时(例如68pm、 58pm或33pm)，组件便呈现出BDA微型马达的 特性且"反向"运转，在相同的驱动电压与频率下，转速可达到30rpm以上。再 如图9所示，为转速相对于平板长度的关系表，由该表中可明显看出，较短的平 板在相同的驱动电压下，其转速较快。
如图10所示，为频率相对于转速的关系表，由该表中可看出BDA微型马达 的给定频率与转速具有线性关系。
如图11所示，为BDA微型马达50应用于制作微型风扇。该微型风扇结合了 BDA微型马达50与八个利用自我组装技术所开发的微型扇叶51，连接BDA微型 马达50与微型扇叶51的聚亚酰胺接点52举起扇叶的驱动力则是利用聚亚酰胺材 料本身经过高温烘烤所产生的表面张力。
另外，本实用新型也适用于微出力组件的结构组装与微光通讯开关。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施型态，凡依据本实用新型说明书、权 利要求书或附图所作的等效结构变化，均应包含在本实用新型的专利保护范围内。
权利要求1、一种弹跳式致动器，其特征在于包括至少一BDA轴衬，所述BDA轴衬的高度与宽度的比例值小于1；至少一BDA平板，所述BDA平板的长度小于75μm。
2、 如权利要求1所述的弹跳式致动器，其特征在于所述致动器组件施加驱 动电压后，所述BDA平板后端接触所述绝缘层的摩擦力小于所述BDA轴衬对所 述绝缘层的摩擦力，使所述BDA平板向上弯曲并仅以后端小面积接触，造成所述 BDA轴衬被挤压和内縮；施加的电压移除后，所述BDA平板后端接触所述绝缘 层的摩擦力便大于所述BDA轴衬对所述绝缘层的摩擦力，储存的张力使所述致动 器组件以弹跳式的动作模式向后弹出。
3、 如权利要求1所述的弹跳式致动器，其特征在于所述致动器组件为连结 固定于一BDA支撑悬臂梁，且其间连结处具有导角设计。
4、 一种弹跳式致动微型马达，其特征在于包括至少一弹跳式致动器，所述弹跳式致动器由一 BDA轴衬与一 BDA平板构成， 且所述BDA轴衬的高度与宽度比小于1，所述BDA平板的长度小于75pm。
5、 如权利要求4所述的弹跳式致动微型马达，其特征在于所述微型马达的 制作为制作弹跳式致动器，包括形成一道多晶硅结构、二道氧化牺牲层、 一道绝 缘层与一道金属薄膜。
6、 如权利要求4所述的弹跳式致动微型马达，其特征在于所述微型马达利 用自我组装技术结合有多个微型扇叶，且其间以聚亚酰胺接点连结。
专利摘要本实用新型涉及一种弹跳式致动器(Bounce Drive Actuator；BDA)与微型马达及其应用，其包括至少一BDA轴衬，BDA轴衬的高度与宽度的比例值小于1；至少一BDA平板，BDA平板的长度小于75μm。本实用新型的弹跳式致动微型马达包括至少一弹跳式致动器，弹跳式致动器由一BDA轴衬与一BDA平板构成，且BDA轴衬的高度与宽度比小于1，BDA平板的长度小于75μm。本实用新型可用于微出力组件结构组装及微光通讯开关。本实用新型通过创新的肋骨结构毗连内环设计与导角设计，使BDA微型马达具有更长的组件寿命(＞100小时)与更高的转速(＞30rpm)。
文档编号H01L41/00GK201075395SQ20072015034
公开日2008年6月18日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者洪银树, 陈冠铭, 黄义佑 申请人:建凖电机工业股份有限公司