CH697078A5 - Actionneur électrostatique à peignes interdigités. - Google Patents

Description

  [0001] La présente invention concerne un actionneur électrostatique à peignes interdigités réalisé dans une plaque en matériau cristallin ou amorphe tel que du silicium.

[0002] La présente invention concerne plus particulièrement un actionneur électrostatique à peignes interdigités, ou "comb drive", réalisé par gravure dans une plaque en matériau cristallin ou amorphe, notamment à base de silicium, la plaque comportant une couche supérieure et une couche inférieure séparées par une couche intermédiaire, la couche inférieure formant un substrat, l'actionneur comportant, dans la couche supérieure, un cadre fixe et un cadre mobile suivant une direction longitudinale parallèle au plan du substrat, le cadre mobile étant rappelé vers une position de repos par un élément élastique de rappel,

   le déplacement du cadre mobile étant provoqué par une différence de potentiel appliquée entre le cadre fixe et le cadre mobile, chaque cadre comportant au moins un tronc longitudinal qui porte des branches transversales portant les peignes orientés longitudinalement.

[0003] Les actionneurs en peignes électrostatiques sont en général réalisés dans une couche supérieure de silicium dite "device layer", au-dessus d'une couche de silicium plus épaisse de support formant substrat, dite "handle layer". Le substrat est généralement raccordé à la masse donc il constitue un plan de masse mais, selon une variante de réalisation, les parties fixes de l'actionneurs peuvent être placées à la masse et le substrat placé à un potentiel électrique déterminé.

   La partie mobile de l'actionneur est libérée par attaque de la couche intermédiaire d'oxyde de silicium qui sépare les deux couches de silicium. L'actionnement est obtenu par polarisation de la capacité de la partie fixe de l'actionneur par rapport à la partie mobile, cette dernière étant au même potentiel que le substrat. Or la valeur de cette capacité utile est du même ordre de grandeur que la capacité parasite existant entre la partie fixe de la couche supérieure et le substrat, ce qui entraîne une perte de rendement du système. D'autre part, il y a risque de court-circuit entre la partie fixe et le substrat. En effet, la partie fixe comporte des zones sans oxyde et peut défléchir verticalement jusqu'à toucher le substrat, étant donné que l'oxyde est mince (généralement 2 microns).

   Finalement, le va-et-vient de la partie mobile est ralenti par le frottement fluidique dû à la proximité du substrat. Il y a un effet de pompage de l'air situé dans les interstices appelé "squeeze film effect".

[0004] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients de manière simple et économique.

[0005] Dans ce but, l'invention propose un actionneur du type mentionné précédemment, caractérisé en ce que le substrat est ouvert au moins sous les branches transversales du cadre mobile et du cadre fixe.

[0006] Grâce à l'actionneur selon l'invention, on obtient une amélioration du rendement, proportionnelle au rapport entre la capacité utile et la somme de la capacité utile avec la capacité parasite, en réduisant la capacité parasite.

   On améliore aussi l'efficacité du système grâce à la diminution de l'amortissement mécanique dû à l'air ("squeeze film"). De plus on obtient une meilleure immunité par rapport aux courts-circuits.

[0007] L'invention permet d'utiliser des actionneurs électrostatiques dans des applications exigeant une faible consommation, notamment dans des produits nomades tels que des montres-bracelets dont l'énergie est fournie par des piles primaires.

[0008] Selon d'autres caractéristiques de l'invention:
 le substrat est ouvert sous une aire sensiblement rectangulaire qui couvre au moins l'aire rectangulaire maximale occupée par les branches transversales et les peignes interdigités associés;
 le substrat est ouvert au moins partiellement sous les troncs du cadre mobile et du cadre fixe;

  
 le cadre fixe comporte un tronc central et des branches transversales qui s'étendent latéralement de part et d'autre du tronc central, le cadre mobile comporte deux troncs latéraux, agencés de part et d'autre du tronc central, et des branches transversales qui s'étendent vers le tronc central;
 les troncs longitudinaux et les branches transversales du cadre mobile et du cadre fixe sont munies de trous traversants permettant de sous-attaquer la couche intermédiaire par gravage chimique;
 la plaque est du type Silicon On Insulator.

[0009] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatifs et dans lesquels:

  
<tb>la fig. 1<sep>est une vue de dessus en agrandissement qui représente schématiquement une portion de plaque SOI comportant un actionneur réalisé conformément aux enseignements de l'invention;


  <tb>la fig. 2<sep>est une vue similaire à celle de la fig. 1 qui représente l'actionneur de manière simplifiée;


  <tb>la fig. 3<sep>est une vue similaire à celle de la fig. 1 qui représente en agrandissement des branches transversales et des troncs du cadre fixe et du cadre mobile constituant l'actionneur de la fig. 1;


  <tb>la fig. 4<sep>est une vue en coupe qui représente schématiquement la plaque SOI avant le retrait du substrat;


  <tb>la fig. 5<sep>est une vue similaire à celle de la fig. 4 qui représente la plaque SOI après le retrait du substrat.

[0010] Sur les fig. 1 à 5, on a représenté un exemple d'actionneur électrostatique 10 à peignes interdigités 12 réalisé par gravure dans une plaque 14 en matériau cristallin ou amorphe, tel qu'une plaque de silicium.

   De préférence, cet actionneur 10 est destiné à entraîner en rotation un rotor denté (non représenté) au moyen d'un cliquet 16 mobile suivant une direction longitudinale A1 dans le but de constituer un micromoteur du type MEMS (Micro ElectroMechanical System).

[0011] On note que la fig. 2 est une représentation schématique simplifiée de l'actionneur 10 représenté de manière plus détaillé sur la fig.

   1.

[0012] La plaque comporte une couche supérieure 18 et une couche inférieure 20 séparées par une couche intermédiaire 22, la couche inférieure formant un substrat 20.

[0013] Selon le mode de réalisation préféré, la plaque est du type Silicon On Insulator (SOI) et comprend une couche inférieure épaisse de substrat 20 en silicium, une couche intermédiaire 22 d'oxyde de silicium, et une couche supérieure 18 en silicium d'épaisseur inférieure au substrat 20.

[0014] Un micromoteur réalisé dans une plaque en silicium est décrit et représenté, par exemple, dans le document WO 2004/081 695, incorporé ici par référence. Dans ce document, le moteur est réalisé par gravure dans une couche de silicium. Il comporte une roue d'entraînement dentée et des doigts d'actionnement qui coopèrent avec les dents de la roue pour provoquer sa rotation.

   Chaque doigt d'actionnement est solidaire en déplacement d'un peigne mobile qui se déplace par rapport à un peigne fixe en fonction d'une tension différentielle V.

[0015] Un mode de réalisation utilisant une plaque SOI est décrit en référence aux fig. 7A à 7D dans le document mentionné ci-dessus.

[0016] L'actionneur 10 selon l'invention occupe ici une surface globalement rectangulaire sur la plaque 14. Il s'étend dans un logement 23 globalement rectangulaire qui est creusé dans la couche supérieure 18 et dans la couche intermédiaire 22. Il comporte, dans la couche supérieure 18, un cadre fixe 24 et un cadre mobile 26 se déplaçant suivant une direction longitudinale A1 parallèle au plan du substrat 20.

   Le cadre mobile 26 est rappelé vers une position de repos par deux éléments élastiques de rappel 28 à l'avant et par deux éléments élastiques de rappel 30 à l'arrière constitués par des poutres flexibles reliant le cadre mobile 26 à des ancrages fixes 31 sur le substrat 20. Ces ancrages fixes 31 sont réalisés dans la couche supérieure 18 et sont liés électriquement à la portion de couche supérieure 18 agencée autour du logement 23.

[0017] Le déplacement du cadre mobile 26 est provoqué par une différence de potentiel appliquée entre le cadre fixe 24 et le cadre mobile 26.

   Selon l'exemple représenté, le cadre fixe 24 est placé à un potentiel V alors que le cadre mobile 26 est lié au reste de la plaque 14 qui est placé à la masse.

[0018] Selon le mode de réalisation représenté, le cadre fixe 24 comporte un tronc central 32 qui s'étend longitudinalement au centre de l'actionneur 10, et des branches transversales 34 qui s'étendent latéralement de part et d'autre du tronc central 32. Les branches transversales 34 peuvent aussi être désignées sous l'appellation "peignes transversaux" par l'homme du métier. Le cadre mobile 26 comporte deux troncs latéraux longitudinaux 36, 38, agencés de part et d'autre du tronc central 32, et des branches transversales 40 qui s'étendent vers le tronc central 32, entre les branches transversales 34 du cadre fixe 24.

   Les deux troncs latéraux 36, 38 sont reliés à l'avant, c'est-à-dire à gauche sur la fig.1, par une traverse 42 qui porte à l'avant le cliquet 16.

[0019] Les peignes interdigités 12 sont agencés sur les branches transversales 34, 40. Ils sont représentés en vue agrandie sur la fig. 3.

[0020] Conformément aux enseignements de l'invention, le substrat 20 est ouvert au moins sous les branches transversales 34, 40 du cadre mobile 26 et du cadre fixe 24. De préférence, le substrat 20 est ouvert sous une aire sensiblement rectangulaire 46 qui couvre au moins l'aire rectangulaire maximale occupée par les branches transversales 34, 40 et les peignes interdigités 12 associés. Cette aire rectangulaire 46 sous laquelle le substrat 20 a été retiré est illustrée sur la fig. 2 par un rectangle en traitillés.

   Ce rectangle comporte deux côtés longitudinaux qui s'étendent sous les troncs latéraux 36, 38 du cadre mobile 26, un côté transversal à l'avant qui s'étend sous la traverse 42, et un côté transversal à l'arrière qui s'étend au voisinage de l'extrémité arrière du tronc central 32, légèrement en retrait vers l'arrière par rapport aux dernières branches transversales 40 du cadre mobile 26.

[0021] Le substrat 20 est donc ouvert complètement sous le tronc central 32 du cadre fixe 24 et partiellement sous les troncs latéraux 36, 38 du cadre mobile 26.

[0022] Le tronc central 32 du cadre fixe est ici porté par le substrat 20 et une couche intermédiaire 22 d'oxyde de silicium à son extrémité fixe 48, du côté opposé au cliquet 16 de l'actionneur 10.

   L'extrémité fixe 48 du tronc central 32 forme une base d'appui et permet le raccordement électrique à une source de tension (+V) pour permettre d'appliquer la différence de potentiel. Bien entendu, on peut agencer des plots d'ancrage du tronc central 32 sur le substrat 20 en d'autres emplacements le long du tronc central 32, dans la mesure où une portion de substrat 20 est présente sous le tronc central 32 à ces emplacements et dans la mesure où le tronc central 32 est dépourvu de trous de sous-attaque à ces emplacements.

[0023] L'ouverture du substrat 20 est réalisée en retirant de manière localisée et judicieuse des portions conductrices du substrat 20 qui n'interviennent pas dans la fonction électromécanique de l'actionneur 10.

   Le retrait est effectué en réalisant des tranchées, le long du rectangle 46, par gravure dans le substrat 20, et en sous attaquant la couche intermédiaire 22 d'oxyde ce qui libère les portions de substrat 20 découpées et prévues pour être retirées. A cet effet, les troncs longitudinaux 32, 36, 38, la traverse 42 et les branches transversales 34, 40 du cadre mobile 26 et du cadre fixe 24 sont munies de trous traversants 44 permettant de sous-attaquer la couche intermédiaire 22 d'oxyde par gravage chimique.

[0024] On note que, sur la vue de la fig. 2, les trous traversants 44 n'ont pas été représentés en vue de simplifier la représentation et faciliter la compréhension.

   Sur la fig. 1, les zones dépourvues de hâchures ou de motifs de remplissage (zones blanches) à l'intérieur de l'actionneur 10 représentent des zones où le substrat 20 a été retiré.

[0025] Le retrait du substrat 20 est schématisé plus clairement sur les fig. 4 et 5 qui représentent une portion de cadre mobile 26 et une portion de cadre fixe 24 de l'actionneur 10. La référence Cpini représente la capacité parasite initiale et la référence Cpfin représente la capacité parasite finale qui est très inférieure à la capacité parasite initiale Cpini, entre le substrat 20 et les éléments du cadre fixe 24. La référence Cu représente la capacité utile, entre les peignes 12 du cadre mobile 26 et les peignes 12 du cadre fixe 24, qui permet l'actionnement et le déplacement du cadre mobile 26.

   Des symboles conventionnels indiquent les éléments qui sont raccordés à la masse. Avant le retrait (fig. 4), la capacité parasite initiale Cpini a une valeur du même ordre que la capacité utile Cu. Après le retrait (fig. 5), la capacité parasite finale Cpfin est très inférieure à la capacité utile Cu.

[0026] On note que le substrat 20 peut aussi être retiré dans d'autres zones de l'actionneur 10, par exemple sous les éléments élastiques de rappel 28, 30.

Claims (6)

1. Actionneur (10) électrostatique à peignes interdigités (12) réalisé par gravure dans une plaque (14) en matériau cristallin ou amorphe, notamment à base de silicium, la plaque comportant une couche supérieure (18) et une couche inférieure (20) séparées par une couche intermédiaire (22), la couche inférieure formant un substrat, l'actionneur comportant, dans la couche supérieure, un cadre fixe (24) et un cadre mobile (26) suivant une direction longitudinale (A1) parallèle au plan du substrat, le cadre mobile étant rappelé vers une position de repos par un élément élastique de rappel (28, 30), le déplacement du cadre mobile étant provoqué par une différence de potentiel appliquée entre le cadre fixe et le cadre mobile, chaque cadre comportant au moins un tronc longitudinal (32, 36, 38) qui porte des branches transversales (34, 40)

portant les peignes orientés longitudinalement, caractérisé en ce que le substrat (20) est ouvert au moins sous les branches transversales (34, 40) du cadre mobile (26) et du cadre fixe (24).

2. Actionneur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le substrat (20) est ouvert sous une aire sensiblement rectangulaire (46) qui couvre au moins l'aire rectangulaire maximale occupée par les branches transversales (34, 40) et les peignes interdigités (12) associés.

3. Actionneur (10) selon la revendication précédente 2, caractérisé en ce que le substrat (20) est ouvert au moins partiellement sous les troncs (32, 36, 38) du cadre mobile (26) et du cadre fixe (24).

4. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cadre fixe (24) comporte un tronc central (32) et des branches transversales (34) qui s'étendent latéralement de part et d'autre du tronc central (32), en ce que le cadre mobile (26) comporte deux troncs latéraux (36, 38), agencés de part et d'autre du tronc central (32), et des branches transversales (40) qui s'étendent vers le tronc central (32).

5. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les troncs longitudinaux (32, 36, 38) et les branches transversales (34, 40) du cadre mobile (26) et du cadre fixe (24) sont munies de trous traversants (44) permettant de sous-attaquer la couche intermédiaire (22) par gravage chimique.

6. Actionneur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (14) est du type Silicon On Insulator.