CH710600B1 - Composant électromécanique et son procédé de fabrication. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un composant électromécanique (CE), notamment utilisable comme un actuateur ou générateur électrostatique, comprenant au moins une première électrode (E1) en un premier matériau et une deuxième électrode (E2), dans lequel la première électrode (E1) et la deuxième électrode (E2) reliées entre elles par une couche intermédiaire (Cl) en un deuxième matériau de manière à ce que le composant électromécanique (CE) est une structure monobloc. De même, la présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel composant électromécanique.

Description

Domaine technique de l’invention

[0001] La présente invention concerne un composant électromécanique, notamment un composant utilisé dans le cadre des MEMS (microsystèmes électromécaniques; selon le nom anglais «Microelectromechanical Systems»). Plus particulièrement, la présente invention concerne un composant électromécanique utilisé dans le domaine des systèmes électrostatiques capables de générer un mouvement lorsqu’il est soumis à une tension électrique et, par utilisation inverse, également de générer de l’énergie électrique lorsqu’il est mécaniquement déformé.

[0002] Une application concrète de composants électromécaniques dans le sens de la présente invention sont les actuateurs (aussi appelés actionneurs) et/ou les générateurs électrostatiques. Des actuateurs sont de manière générale des organes capables de transformer l’énergie qui leur est fournie en un phénomène physique, p.ex. en un mouvement. En même temps, des générateurs sont des organes inverses aux actuateurs, donc des organes qui sont capables de générer de l’énergie en utilisant un phénomène physique. Par conséquent, les actuateurs électrostatiques utilisent l’énergie électrique et les forces électrostatiques afin de générer un déplacement. D’autre côté, un générateur électrostatique utilise un déplacement afin de générer de l’énergie électrique grâce aux forces électrostatiques.

[0003] Une autre application concrète de composants électromécaniques dans le sens de la présente invention sont les oscillateurs dont la fréquence d’oscillation sert de base de temps pour le fonctionnement d’un microprocesseur ou d’une montre à quartz. En effet, il est possible de réaliser un tel oscillateur en faisant alterner l’état actuateur et l’état générateur d’un composant grâce à un quelconque composant électronique actif.

[0004] Cependant, d’autres applications concrètes de composants électromécaniques tout à fait viables sont aussi possibles.

Description de l’état de la technique

[0005] Les actuateurs et les générateurs électrostatiques conventionnels peuvent en principe être conçus avec l’un des deux designs suivants:

[0006] 1. Un premier design dit de «plans parallèles» (et illustré à la fig. 1 ) où deux électrodes planes sont situées en face de l’autre. L’une des deux électrodes est fixe, tandis que l’autre est amovible et, normalement, attachée à un ressort. En appliquant une tension différente à chacune des deux électrodes, la plaque amovible peut être rapprochée de manière linéaire de la plaque fixe. Lorsque le courant ne passe plus, l’électrode amovible est remise dans sa position initiale par le ressort.

[0007] 2. Un deuxième design avec les électrodes fabriquées en forme de peigne (les actuateurs ou générateurs qui sont conçus avec ce deuxième design sont normalement appelés «comb drive» selon le nom anglais de cette technologie). Ce design optimise la capacité entre les électrodes et offre une flexibilité plus importante. En effet, le principe de fonctionnement est identique au principe des actuateurs avec les électrodes planes. Un peigne est fixe et l’autre est amovible et ces deux peignes s’emboîtent l’un dans l’autre. Si les deux peignes restent parallèles l’un par rapport l’autre, les forces d’attraction latérales s’annulent mutuellement et les électrodes effectuent un déplacement linéaire.

[0008] Il existe également des actuateurs/générateurs électrostatiques capables de générer ou utiliser un déplacement rotatif.

[0009] Cependant, dans tous les designs des actuateurs/générateurs électrostatiques conventionnels, les électrodes sont séparées par de l’air (donc elles ne sont généralement pas mécaniquement liées l’une à l’autre), ce qui implique qu’il est absolument nécessaire de prévoir un ressort (ou un autre mécanisme) pour les maintenir l’une en face de l’autre. Ce mécanisme supplémentaire rend la structure plus compliquée et plus chère. En plus, les designs conventionnels proposent les composants capables d’effectuer uniquement un déplacement linéaire ou rotatif.

Exposé sommaire de l’invention

[0010] La présente invention a donc pour objet de proposer un composant électromécanique qui ne présente pas ces désavantages. De manière spécifique, l’objet de la présente invention est de proposer un composant électromécanique utilisable en tant qu’actuateur ou générateur électrostatique qui permet d’obtenir une trajectoire de déplacement bien plus élaborée qu’un déplacement linéaire ou rotatif et dont les déplacements et les forces sont essentiellement insensibles à la température.

[0011] A cet effet, l’invention a pour objet selon un premier aspect un composant électromécanique, notamment utilisable comme un actuateur ou générateur électrostatique, comprenant au moins une première électrode et une deuxième électrode, dans lequel la première électrode est fabriquée en un premier matériau, et dans lequel la première électrode et la deuxième électrode sont reliées entre elles par une couche intermédiaire en un deuxième matériau de manière que le composant électromécanique soit une structure monobloc.

[0012] A cet endroit, nous aimerions mentionner que la présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un composant électromécanique, ce procédé comprenant les étapes suivantes: gravure de tranchées fines dans une plaque en un premier matériau; remplissage de ses tranchées par un deuxième matériau; et libération du composant électromécanique de la plaque en le premier matériau.

[0013] L’avantage de la présente invention réside particulièrement dans le fait qu’un composant électromécanique selon la présente invention permet de réaliser les actuateurs, les générateurs et les oscillateurs électrostatiques plus flexibles, moins complexes et moins chers que les composants conventionnels.

Brève description des dessins

[0014] L’invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après faite à titre d’exemple non limitatif, en regardant les dessins ci-annexés qui représentent schématiquement: fig. 1 une vue schématique en perspective d’un actuateur/générateur électrostatique conventionnel; fig. 2a une vue schématique en coupe d’un composant électromécanique selon un mode de réalisation de la présente invention; fig. 2b une vue schématique en coupe du composant de la fig. 2b montrant sa déformation (volontairement exagérée pour des fins d’illustration) lorsqu’il est soumis à une tension; Fig. 3a et 3b des vues schématiques en coupe d’un composant électronique selon deux variantes du mode de réalisation de la présente invention de la fig. 2a ; fig. 4 une vue schématique en coupe d’un composant électromécanique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, présentant trois électrodes et deux couches intermédiaires; et fig. 5 une vue schématique en coupe d’un composant électromécanique selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, avec une couche intermédiaire à structure variée le long du composant afin d’obtenir des déformations préprogrammées; et fig. 6 une vue schématique en coupe d’un composant électromécanique selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention, avec une forme non parallèle et non droite.

Description détaillée de l’invention

[0015] Comme déjà mentionné, un actuateur/générateur électrostatique est représenté à la fig. 1 .

[0016] Fig. 2a montre un composant électrostatique selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Ce composant peut notamment être utilisé comme un actuateur, un générateur ou un oscillateur, obtenu en alternant les états actuateur et générateur.

[0017] Dans ce premier mode de réalisation de la présente invention, le plus simple, le composant électromécanique CE est composé d’une première électrode E1 et une deuxième électrode E2 (en forme de lames) fabriquées en un premier matériau, reliées entre elles par un couche intermédiaire Cl en un deuxième matériau. Dans la fig. 2a , on remarque que cette couche intermédiaire Cl en le deuxième matériau forme un créneau excentré par rapport au centre du composant CE.

[0018] Les électrodes E1, E2 ont des propriétés électrostatiques et le matériau de la couche intermédiaire Cl qui les lie entre elles des propriétés d’un diélectrique. L’exécution préférentielle des deux matériaux est le silicium pour le premier matériau des électrodes E1, E2 et l’oxyde de silicium pour le deuxième matériau de la couche intermédiaire Cl. Bien entendu, d’autres matériaux avec les propriétés similaires peuvent aussi être utilisés. Aussi, les matériaux des électrodes E1, E2 peuvent être différents, par exemple le silicium pour la première électrode E1 et le polysilicium pour la deuxième électrode E2.

[0019] Si l’on soumet cette structure à une tension électrique (donc si on utilise le composant électromécanique CE en mode «actuateur»), la première électrode E1 et la deuxième électrode E2 auront tendance à se rapprocher. En effet, la force qui pousse les électrodes E1, E2 l’une vers l’autre répond à la formule:

[0020] La couche intermédiaire Cl dans la fig. 2a comprend les parties parallèles aux faces externes des électrodes E1, E2 et les parties perpendiculaires à ces faces externes. Si l’on observe le détail de cette couche intermédiaire Cl lors de l’application d’une tension sur les électrodes E1, E2, on peut s’apercevoir que chaque partie horizontale de la couche intermédiaire Cl provoquera une pression (donc une force appliquée sur une certaine surface) sur cette couche. Comme chaque partie horizontale est concernée et que la couche intermédiaire Cl est positionnée de manière décentrée par rapport aux faces externes des électrodes E1, E2 (et donc les faces externes du composant CE), il en résultera une déformation du composant CE telle que représentée à la fig. 2b .

[0021] Par analogie si cette structure n’est pas soumise à une tension électrique mais est soumise à une force qui la déformera dans le sens représenté à la fig. 2b , cette force provoquera une contraction du diélectrique dans la couche intermédiaire Cl et donc une variation de la capacité du composant CE. Cette variation de la capacité donnera à la structure la propriété de générer une énergie électrique.

[0022] Plusieurs variantes non exhaustives peuvent être proposées par rapport à cette première exécution de la présente invention, p.ex.:

[0023] La couche intermédiaire Cl séparant la première électrode E1 de la deuxième électrode E2 peut être réalisée en formes diverses, p.ex. en forme de triangles, vagues, etc., tel que représenté aux Figures 3a et 3b . De même, cette couche intermédiaire Cl peut également être de section variable pour optimiser la déformation du composant CE ou le remplissage du deuxième matériau.

[0024] Aussi, plusieurs électrodes E1, E2, E3,... peuvent figurer sur le composant électrique CE selon la présente invention. Fig. 4 illustre une variante ayant trois électrodes E1, E2, E3 et deux couches intermédiaires CI1, CI2 avec le diélectrique. Lorsque cette structure se tord, les diélectriques se déformeront dans le sens opposé. Si les diélectriques supérieurs se compriment, les diélectriques inférieurs s’écartent.

[0025] Le décentrage de la couche intermédiaire Cl peut varier pour avoir des déformations en formes prédéfinies. Fig.  5 montre une structure permettant d’obtenir une déformation en forme de la lettre «S».

[0026] L’extérieur du composant électromécanique CE selon la présente invention peut prendre des formes diverses visant à faciliter ou contrôler sa déformation. Il peut également avoir une forme originale non droite, p.ex. telle que représentée à la fig. 6 .

[0027] Des masses peuvent lester le composant électromécanique CE selon la présente invention afin de varier facilement ses fréquences propres.

[0028] Dans le cas où le premier matériau (électrostatique) et le deuxième matériau (diélectrique) sont choisis pour avoir des coefficients thermoélastiques opposés, il est également possible d’ajuster les proportions des deux matériaux pour obtenir un ensemble (donc le composant électromécanique CE) à résultante thermoélastique faible ou nulle. Ainsi on aura des forces et des déplacements insensibles à la température. Les oscillateurs seront également insensibles.

[0029] Pour fabriquer un composant électromécanique CE selon la présente invention, on peut utiliser par exemple le procédé suivant:

[0030] – Ouverture dans le premier matériau des espaces (des tranchées) destinés à recevoir le deuxième matériau: On grave donc dans une plaque en le premier matériau au moyen de la technologie DRIE (Deep Reactive Ion etching) les espaces destinés à recevoir le deuxième matériau. Une solution préférentielle consiste à utiliser un wafer SOI (assemblage silicium-oxyde de silicium) et graver la partie supérieure en silicium (ce qu’on appelle un «device layer»). De cette manière, l’épaisseur du composant correspondra à l’épaisseur de ce «device layer».

[0031] – Remplissage avec le deuxième matériau: De manière préférentielle, on remplira les espaces gravés avec de l’oxyde thermique. Cet oxyde est formé automatiquement à partir du silicium dans un four à atmosphère humide. Après un certain temps dans le four l’oxyde remplira totalement les cavités. Des techniques de dépôt par vapeur peuvent également permettre le remplissage.

[0032] – Détourage du pourtour du composant: Une nouvelle gravure DRIE, après les étapes de photolithographie, permettra de détourer complètement le composant dans le plan. De manière préférentielle, le composant sera totalement détouré à l’exception éventuelle d’une attache qui le rend solidaire au wafer et qui sera brisée en fin de procédé. Cette étape peut se faire pour certaines exécutions en même temps que l’étape 1.

[0033] – Libération du composant: Dans cette étape on retirera la face arrière du wafer SOI. Ce retrait peut se faire soit uniquement sous les composants ou sous tout le wafer.

[0034] – Post-traitements: Des post-traitements (p.ex. des dépôts supplémentaires ou des traitements de la surface) peuvent alors être réalisés afin d’augmenter la résistance du composant aux chocs, d’augmenter la conductivité électrique, d’ajuster ou changer le module d’élasticité du composant, etc.

[0035] Dans ce qui précède, l’invention a été décrite d’abord en termes généraux et ensuite sous forme d’une explication de réalisations pratiques. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à la description de ces modes de mise en œuvre; il va de soi que de nombreuses variations et modifications peuvent être apportées sans que l’étendue de l’invention qui est définie par le contenu des revendications ne soit quittée.

Claims (17)

1. Composant électromécanique (CE), notamment utilisable comme un actuateur ou générateur électrostatique, comprenant au moins une première électrode (E1) et une deuxième électrode (E2), caractérisé en ce que la première électrode (E1) est fabriquée en un premier matériau et en ce que la première électrode (E1) et la deuxième électrode (E2) sont reliées entre elles par une couche intermédiaire (Cl) en un deuxième matériau de manière à ce que le composant électromécanique (CE) ait une structure monobloc.

2. Composant électromécanique (CE) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode (E2) est fabriquée en le premier matériau.

3. Composant électromécanique (CE) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier matériau est un matériau électrostatique et que le second matériau est un matériau diélectrique.

4. Composant électromécanique (CE) selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le matériau de la première électrode (E1) est différent du matériau de la deuxième électrode (E2).

5. Composant électromécanique (CE) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première électrode (E1) est en silicium, la deuxième électrode (E2) étant en polysilicium.

6. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) est excentrée par rapport au centre du composant électromécanique (CE).

7. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) comprend des parties dont les orientations respectives par rapport aux faces extérieures du composant électromécanique (CE) sont différentes.

8. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) a une forme telle que, lorsqu’une différence de potentiel est appliquée entre la première électrode (E1) et la deuxième électrode (E2), la couche intermédiaire (Cl) est compressée de manière qu’il en résulte une déformation du composant électromécanique (CE).

9. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) a une forme telle que, lorsqu’une déformation est impartie au composant électromécanique (CE), l’épaisseur de la couche intermédiaire (Cl) est modifiée de manière qu’il en résulte une variation de la capacité du composant électromécanique (CE).

10. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier matériau et le deuxième matériau ont des coefficients thermoélastiques opposés l’un à l’autre, et en ce que la proportion de ces derniers est choisie de manière que le composant électromécanique (CE) présente un coefficient thermoélastique d’ensemble tel que les forces et les déplacements soient insensibles à la température.

11. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’épaisseur de la couche intermédiaire (Cl) est inférieure à 10 µm.

12. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications 1 à 4 et 6 à 11, caractérisé en ce que le premier matériau est le silicium ou le polysilicium.

13. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième matériau est l’oxyde de silicium.

14. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est revêtu sur son pourtour d’une couche en un troisième matériau.

15. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) comporte plusieurs parties particulières ayant chacune une orientation et une position telles que, lorsque le composant électromécanique (CE) est cintré, l’épaisseur de la couche intermédiaire (Cl) est modifiée au moins au niveau de ces parties particulières de manière que la capacité entre la première électrode (E1) et la deuxième électrode (E2) soit changée.

16. Composant électromécanique (CE) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche intermédiaire (Cl) s’étend selon une surface qui est cannelée.

17. Procédé de fabrication d’un composant électronique (CE) selon l’une des revendications 1 à 3 et 6 à 16, comprenant les étapes de fabrication suivantes: – gravure de tranchées fines dans une plaque en un premier matériau; – remplissage de ses tranchées par un deuxième matériau; et – libération du composant électromécanique de la plaque en le premier matériau.