CH718081A2 - Élément élastique pour un système micromécanique. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément élastique (1) pour un système micromécanique, comprenant : un noyau (3) d'un matériau de noyau ; une première couche (5) prévue sur ledit noyau, ladite première couche (5) étant d'un premier matériau présentant une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe ; une deuxième couche (7) prévue sur ladite première couche (5), ladite deuxième couche (7) étant d'un second matériau différent dudit premier matériau et présentant une contrainte intrinsèque ayant une seconde magnitude et un second signe ; caractérisé en ce que ledit second signe est opposé audit premier signe. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel élément élastique.
Description
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne le domaine de la micromécanique, en particulier mais non exclusivement l'horlogerie et les MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques). En particulier, elle concerne un élément élastique destiné à être incorporé dans de tels systèmes.
État de l'art
[0002] Au cours des dernières décennies, les éléments élastiques micro-usinés sont devenus courants dans les systèmes micromécaniques, notamment dans les dispositifs MEMS et l'horlogerie. En particulier, le silicium monocristallin est devenu un matériau populaire pour ces éléments élastiques, qu'ils soient sous forme de ressorts spiraux classiques ou de ressorts à lame, bien que d'autres matériaux tels que le silicium amorphe ou polycristallin, le carbure de silicium, le verre, le quartz et le métal soient également utilisés. Ces éléments élastiques sont typiquement micro-usinés, par exemple par gravure d'une plaque de matériau à travers un masque, par frittage dans un moule ou par électrodéposition (par exemple LIGA) dans le cas du métal (qui est typiquement du nickel, du cuivre, du phosphore de nickel et similaire).
[0003] Cependant, ces matériaux présentent souvent une propriété indésirable qui nécessite une compensation, telle qu'une réponse thermoélastique indésirable (c'est-à-dire une variation du module élastique en fonction des changements de température), une sensibilité à l'humidité ou aux produits chimiques, une accumulation de charges électriques statiques, des propriétés électriques indésirables, ou il est nécessaire d'ajouter une fonctionnalité à l'élément élastique, telle que des propriétés piézoélectriques, une conductivité électrique ou une interconnexion électrique, une couleur, etc.
[0004] Pour prendre l'exemple spécifique du silicium monocristallin, ce matériau a un coefficient thermoélastique dE/dT fortement négatif, c'est-à-dire que lorsque la température augmente, le module de Young du matériau diminue et l'élément élastique devient moins rigide. Dans la direction <100> du plan {001}, cette variation est d'environ -60 ppm/K. Dans le cas d'un oscillateur horloger, où l'élément élastique fournit une force de rappel à une masse inertielle afin de la faire osciller autour d'une position neutre, cela peut conduire à des erreurs importantes dans la marche de l'oscillateur, de l'ordre de 155 secondes par jour dans une gamme de température de 23 °C ± 15 °C.
[0005] Dans le cas où l'élément élastique est utilisé dans un dispositif MEMS, tel qu'un capteur, pour fournir une force de rappel à un micromécanisme construit pour mesurer une valeur d'un paramètre particulier (par exemple, une accélération, une force ou similaire), des variations de température peuvent provoquer des erreurs de mesure significatives en affectant la rigidité de l'élément élastique. Dans le cas d'un actionneur MEMS, tel qu'un micromiroir orientable, ces changements entraînent une imprécision du positionnement de l'actionneur et de tout élément affecté par celui-ci (par exemple, un miroir).
[0006] Le document EP 1 422 436 apporte une solution à ce problème dans le cadre d'un oscillateur horloger, l'élément élastique étant pourvu d'une couche fonctionnelle externe d'un matériau à coefficient thermoélastique fortement positif, à savoir le dioxyde de silicium SiO2(dE/dT environ +215 ppm/K). L'épaisseur de cette couche peut être choisie pour accorder le coefficient thermoélastique de l'ensemble de l'élément élastique comme on le souhaite, de manière à le rendre sensiblement nul, ou pour obtenir une valeur positive ou négative souhaitée afin de thermocompenser l'influence de la température sur la masse inertielle particulière (par exemple le balancier) avec laquelle il interagit en tant qu'oscillateur.
[0007] L'oxydation par croissance thermique, c'est-à-dire l'oxydation de la surface, est la principale technologie permettant de former de telles couches pour plusieurs raisons. Tout d'abord, elle est efficace et peut être contrôlée avec précision. Simple à mettre en oeuvre, elle élimine les défauts de surface du silicium et protège en même temps le noyau de silicium en couvrant entièrement sa surface et en laissant les éventuels défauts structurels de surface à l'intérieur de la couche d'oxyde. De plus, un tel procédé peut également être utilisé pour accorder la fréquence car il consomme du silicium, et permet donc d'accorder la rigidité de l'élément élastique s'il est retiré partiellement ou complètement (dans ce dernier cas, cela représenterait une étape supplémentaire avant de former la couche de thermocompensation).
[0008] Cependant, l'inconvénient d'une telle solution est que la couche de dioxyde de silicium présente une contrainte intrinsèque importante lorsque l'on utilise des procédés d'oxydation par croissance thermique ou d'autres procédés à haute température pour former cette couche. Ces contraintes internes sont dues aux températures élevées, typiquement de 900 °C ou plus, qui créent des défauts ponctuels auto-interstitiels dans le cristal de silicium, des variations locales des contraintes internes liées à la topographie du silicium, et l'accumulation de contraintes lorsque l'élément élastique est refroidi à la température ambiante. Même dans le cas où la couche d'oxyde est retirée, cela peut parfois créer une déformation permanente du silicium.
[0009] Toutes ces contraintes intrinsèques résiduelles sont problématiques en général, y compris dans des ressorts spiraux plats conventionnels, mais sont particulièrement problématiques dans les oscillateurs modernes non conventionnels tels que l'oscillateur dit „Généquand“, où la topologie des éléments élastiques est beaucoup plus complexe qu'un simple ressort spiral. Par conséquent, dans le cas de mécanismes de flexion surcontraints, la contrainte interne peut créer des effets indésirables supplémentaires tels que le raidissement ou le ramollissement du ressort, des effets d'affaiblissement et même une déformation géométrique des éléments élastiques comme la flexion, le flambage, la torsion, etc. Cela peut entraîner un comportement déséquilibré et, dans le cas des oscillateurs, des variations de fréquence en fonction de l'orientation du vecteur gravité et une dépendance non linéaire de la fréquence à la température. Dans le cas des éléments élastiques des dispositifs MEMS, les mêmes effets indésirables sont également problématiques.
[0010] Outre la croissance de couches fonctionnelles sur le matériau du noyau par réaction d'une espèce chimique (telle que l'oxygène) avec ledit matériau, les procédés de dépôt pour la formation de couches fonctionnelles, tels que le dépôt de couches atomiques (ALD), le dépôt de vapeur moléculaire (MVD), diverses formes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), diverses formes de dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou la diffusion en fonction du matériau de la couche (par ex. couches diélectriques telles que SiO2, Si3N4, métaux, polymères, céramiques,...) peuvent également induire des contraintes indésirables, en fonction du matériau, du procédé de dépôt choisi, de la température du processus et des traitements thermiques effectués. Ces contraintes peuvent être, selon le cas, des contraintes de compression (négatives) ou de traction (positives).
[0011] Enfin, le document EP 2 337 221 divulgue un ressort spiral en silicium (ou autre) muni de deux revêtements, à savoir un premier en SiO2et un second en GeO2déposé sur le SiO2de manière à annuler non seulement les coefficients thermiques de premier mais aussi de second ordre. Cependant, ce document n'enseigne rien concernant le problème susmentionné engendré par des contraintes internes dans le SiO2et/ou le silicium.
[0012] Le but de la présente invention est donc de surmonter au moins partiellement au moins certains des inconvénients susmentionnés de l'art antérieur.
Divulgation de l'invention
[0013] Plus précisément, l'invention concerne un élément élastique pour un système micromécanique, tel que défini dans la revendication 1. Cet élément élastique comprend :
[0014] - un noyau d'un matériau de noyau, tel que le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, le silicium amorphe, le carbure de silicium, le verre, le quartz ou un métal ;
[0015] - une première couche prévue sur au moins une partie de la surface dudit noyau, ladite première couche étant d'un premier matériau présentant une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe. Ledit premier matériau est typiquement du dioxyde de silicium, du nitrure de silicium ou un métal, dans la mesure où il est différent du matériau du noyau ;
[0016] - une deuxième couche prévue sur au moins une partie de la surface de ladite première couche, ladite deuxième couche étant d'un second matériau différent dudit premier matériau et présentant une contrainte intrinsèque ayant une seconde magnitude et un second signe. Ledit second matériau peut être du dioxyde de silicium, du nitrure de silicium ou un métal, dans la mesure où il est différent du premier matériau.
[0017] Selon l'invention, le second signe est opposé audit premier signe. En d'autres termes, si la contrainte intrinsèque de la première couche est positive (traction), le second matériau est choisi avec une contrainte intrinsèque négative (compression). De même, si la contrainte intrinsèque de la première couche est négative (compression), le second matériau est choisi avec une contrainte intrinsèque positive (traction).
[0018] En conséquence, la contrainte intrinsèque indésirable induite par la première couche peut être au moins partiellement, sinon totalement, compensée par l'ajout de la deuxième couche, et peut même être surcompensée si on le souhaite. En effet, la contrainte inhérente résiduelle dans l'ensemble de l'élément élastique peut être accordée en choisissant soigneusement le matériau et l'épaisseur de la troisième couche à une valeur souhaitée, qu'elle soit positive ou négative. Cela peut être réalisé en choisissant un matériau approprié et un procédé approprié pour former la deuxième couche.
[0019] Avantageusement, ladite première couche est disposée sur au moins quatre faces extérieures adjacentes dudit noyau (c'est-à-dire les quatre faces latérales, autrement dit la face supérieure, la face inférieure et les deux faces latérales), et ladite deuxième couche est disposée sur sensiblement toute la surface extérieure de ladite première couche. L'épaisseur de chaque couche peut être uniforme ou variable, comme on le souhaite.
[0020] Typiquement, ledit noyau présente une hauteur comprise entre 1 et 800 µm, une largeur comprise entre 1 et 100 µm, et une longueur comprise entre 0,5 et 10 mm. De préférence, dans le cas d'un élément élastique pour un résonateur de pièce d'horlogerie, ledit noyau a une hauteur comprise entre 100 et 600 µm, une largeur comprise entre 12 et 50 µm, et une longueur comprise entre 200 µm et 5 mm.
[0021] Avantageusement, la première couche présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 4 µm, et/ou ladite deuxième couche présente une épaisseur comprise entre 0,05 et 1 µm.
[0022] L'élément élastique tel que défini ci-dessus peut faire partie d'un oscillateur mécanique, ou d'un dispositif MEMS tel qu'un capteur MEMS ou un actionneur MEMS.
[0023] L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un élément élastique pour un système micromécanique, tel que décrit ci-dessus. Ce procédé comprend les étapes de : a) définition dudit matériau du noyau et les dimensions dudit noyau, à savoir sa longueur, sa largeur et sa hauteur ; b) définition dudit premier matériau et des dimensions de ladite première couche, à savoir son épaisseur, afin de compenser une propriété dudit noyau et/ou afin d'ajouter une fonctionnalité audit élément élastique, comme cela est bien connu dans la littérature ; c) détermination de l'effet de la contrainte inhérente de ladite première couche sur ledit élément élastique ; d) définition dudit second matériau et des dimensions de ladite deuxième couche, à savoir son épaisseur, afin de compenser au moins partiellement la contrainte inhérente engendrée par ladite première couche ; e) formation dudit noyau en fonction des dimensions déterminées de celui-ci ; f) formation de ladite première couche sur ledit noyau en fonction des dimensions déterminées de celui-ci ; g) formation de ladite deuxième couche sur ladite première couche en fonction des dimensions déterminées de celle-ci.
[0024] En conséquence, un élément élastique présentant des dimensions prédéterminées et des propriétés mécaniques prédéterminées peut être fabriqué, chacun du noyau, de la première couche et de la deuxième couche étant formé avec les dimensions déterminées aux étapes a), b) et d).
[0025] Dans une variante particulière, ledit noyau et ladite première couche sont formés en fournissant une ébauche dudit matériau de noyau et en faisant réagir le matériau de ladite ébauche avec une espèce chimique pour former ladite première couche et pour réduire les dimensions dudit noyau de manière à lui donner ses dimensions déterminées. C'est notamment (mais pas exclusivement) le cas lorsque le noyau est en silicium et que ladite espèce chimique est l'oxygène, la première couche étant formée par oxydation de la surface de l'ébauche en silicium, ce qui réduit la section transversale du silicium tout en faisant croître la première couche, jusqu'à ce que les dimensions finales du noyau soient atteintes.
[0026] Avantageusement, ladite deuxième couche est formée par dépôt physique en phase vapeur ou dépôt chimique en phase vapeur, qui ne consomment pas ou ne réagissent pas autrement avec le matériau de la première couche et ne réduisent donc pas ses dimensions.
[0027] Enfin, l'invention concerne l'utilisation d'une deuxième couche pour compenser au moins partiellement une contrainte intrinsèque présente dans une première couche disposée sur un noyau, ledit noyau, ladite première couche et ladite deuxième couche définissant un élément élastique pour un système micromécanique tel que défini ci-dessus, ledit noyau étant d'un matériau de noyau, ladite première couche étant d'un premier matériau présentant une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe, et ladite deuxième couche étant d'second matériau différent dudit premier matériau et présentant une contrainte intrinsèque ayant une seconde magnitude et un second signe opposé audit premier signe.
Brève description des dessins
[0028] D'autres détails de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée en relation avec les figures, qui illustrent :
Figure 1 : une vue schématique en coupe d'un élément élastique selon l'invention ;
Figure 2 : une illustration schématique d'un montage d'essai pour tester la rigidité d'un élément élastique selon l'invention ; et
Figure 3 : un graphique de la contrainte en fonction de l'épaisseur de la deuxième couche, de la première couche et d'une partie du noyau d'un élément élastique selon l'invention.
Réalisation de l'invention
[0029] La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe d'un élément élastique 1 selon l'invention.
[0030] Cet élément élastique 1 peut être un ressort spiral (c'est-à-dire un ressort plat sensiblement en spirale) pour un oscillateur de pièce d'horlogerie, ou un ressort à lame de toute forme connue pour un oscillateur de pièce d'horlogerie (pour les variantes modernes basées sur la flexion, voir par exemple la thèse de l'EPFL Flexure Pivot Oscillators for Mechanical Watches, Etienne Thalmann, Thesis Number 8802, 11 June 2020) ou pour un dispositif MEMS tel qu'un capteur (par exemple du type décrit dans S. Beeby et al, MEMS Mechanical Sensors, Artech House on Demand, 2004), un actionneur, une base de temps (par exemple du type décrit dans Ng, E. et al. The long path from MEMS resonators to timing products, Proceedings of 28th IEEE International Conférence on Micro Electro Mechanical Systems. 1-2 (IEEE, 2015)) ou similaires, y compris les, mais sans s'y limiter aux, types mentionnés dans l'introduction. Dans le cas d'un oscillateur mécanique, l'élément élastique 1 est destiné à faire osciller une masse inertielle en translation et/ou en rotation autour d'un point neutre, alors que dans un dispositif MEMS, l'élément élastique 1 est destiné à fournir une force de rappel pour un capteur ou un actionneur.
[0031] L'élément élastique 1 comprend un noyau 3 d'un matériau de noyau, qui est typiquement du silicium monocristallin mais peut aussi être polycristallin ou amorphe. D'autres matériaux appropriés sont le verre, le carbure de silicium, le métal (typiquement le nickel, le cuivre, le phosphore de nickel ou similaire), et autres. Selon le rôle, la section transversale du noyau 3 peut être comprise entre 1 µm<2>et 8000 µm<2>(par exemple, le noyau 3 a typiquement une hauteur comprise entre 1 et 800 µm et une largeur comprise entre 1 et 100 µm), et selon le matériau, il peut être produit par gravure d'une plaque de matériau à travers un masque, frittage dans un moule, électroformage ou similaire, comme cela est généralement connu dans le domaine du microusinage et ne doit donc pas être expliqué de manière exhaustive ici. La longueur du noyau est typiquement comprise entre 0,5 mm et 10 mm. La „longueur“ est définie comme la dimension la plus longue de l'élément élastique 1, la „largeur“ est l'autre dimension dans le plan de l'élément élastique 1 dans lequel il est destiné à fléchir, et la „hauteur“ est la dimension perpendiculaire à ce plan.
[0032] Une première couche 5 est appliquée sur au moins certaines des surfaces extérieures du noyau 3, typiquement au moins toutes les surfaces extérieures illustrées sur la figure 1. Cette première couche 5 est une couche fonctionnelle destinée à ajouter une propriété ou une fonction à l'élément élastique 1 ou à compenser une propriété indésirable du noyau 3, est réalisée dans un premier matériau différent dudit matériau de noyau, et présente une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe. La première magnitude est typiquement comprise entre - 1 GPa (c'est-à-dire 1 GPa en compression) et +1 GPa (c'est-à-dire 1 GPa en traction), selon le matériau. La première couche 5 peut avoir une épaisseur uniforme ou variable, et peut être disposée sur tout ou partie de la surface extérieure du noyau 3.
[0033] Outre des fonctions telles que la thermocompensation, il est également possible de conférer à l'élément élastique une couleur, une conductivité électrique, une interconnectivité électrique, une réponse piézoélectrique ou une barrière chimique ou toute autre fonction.
[0034] Typiquement, le matériau de la première couche (c'est-à-dire le premier matériau) est le dioxyde de silicium (SiO2) formé par oxydation thermique de la surface du matériau en silicium qui forme le noyau 3. Dans ce cas, avant l'oxydation thermique, on fournit une ébauche de silicium dont la largeur et la hauteur sont supérieures à celles du noyau final, ces dimensions étant réduites de manière contrôlée et prévisible par l'oxydation thermique, comme cela est généralement connu et ne doit pas être illustré explicitement.
[0035] Cependant, l'invention est également applicable à d'autres matériaux tels que Si3N4, carbure de silicium, nitrure de silicium, polysilicium, métal (par exemple tungstène) ou similaire, et/ou à d'autres procédés de formation de la première couche qui induisent une contrainte intrinsèque dans la première couche 5, déposée par dépôt de couche atomique (ALD), dépôt de vapeur moléculaire (MVD), diverses formes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou de dépôt physique en phase vapeur (PVD), ou diffusion.
[0036] La première couche 5 peut être formée par croissance ou dépôt en une seule étape, mais il est également possible d'ajouter d'autres étapes telles que la gravure de la première couche partiellement ou complètement, des étapes supplémentaires de croissance ou de dépôt thermique étant également possibles si on le souhaite.
[0037] Sur la surface de la première couche 5 est formée une deuxième couche 7, d'un second matériau qui présente une contrainte intrinsèque de signe opposé à celle du premier matériau, cette contrainte étant typiquement comprise entre -1 GPa et +1 GPa, de signe opposé à celle du premier matériau. Le type de matériau, son procédé de dépôt et son épaisseur peuvent être choisis de manière à compenser au moins partiellement les contraintes intrinsèques dans la première couche 5 et les contraintes intrinsèques qui en résultent dans le noyau 3. La deuxième couche 7 est donc une couche de gestion des contraintes, car elle est utilisée pour faire varier les contraintes intrinsèques globales dans l'élément élastique 1, en compensant les contraintes intrinsèques engendrées par la première couche 5. Il convient de noter que la deuxième couche 7 peut avoir une épaisseur uniforme, ou une épaisseur variable selon les besoins, et peut être présente sur tout ou partie de la première couche 5. L'épaisseur de la deuxième couche 7 peut être choisie de manière à compenser sensiblement complètement la contrainte intrinsèque engendrée par la première couche 5, ou en variante peut la surcompenser ou la sous-compenser, selon les besoins. Par conséquent, un certain degré d'accord des propriétés de l'élément élastique est possible.
[0038] Le matériau de la deuxième couche (c'est-à-dire le second matériau) est typiquement déposé sur la première couche, de telle sorte que la première couche n'est pas consommée par celle-ci, bien que cela ne soit pas obligatoire. Par exemple, divers procédés connus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou de dépôt physique en phase vapeur (PVD) peuvent être utilisés, en fonction du choix du second matériau.
[0039] Par exemple, si la première couche 5 est du SiO2, la deuxième couche 7 peut être du Si3N4, ou un autre matériau ayant une contrainte inhérente positive (traction). Dans le cas contraire d'une première couche 5 en Si3N4, par exemple, la deuxième couche 7 peut être en SiO2ou en un autre matériau présentant une contrainte inhérente négative (de compression). D'autres paires de matériaux peuvent être sélectionnées sur la base des connaissances de l'homme du métier.
[0040] À titre d'exemple concret, nous considérerons le cas où le noyau 3 est en silicium monocristallin, et la première couche 5 est du SiO2obtenu par oxydation thermique. Dans ce cas, le SiO2, qui est typiquement utilisé comme couche de thermocompensation pour modifier ou annuler le coefficient thermoélastique négatif du silicium, présente une contrainte intrinsèque de compression importante, de l'ordre de 230 MPa pour une première couche 5 de 1000 nm d'épaisseur. Comme les contraintes de compression sont définies comme ayant un signe négatif, cette contrainte peut être représentée de manière plus concise par -230 MPa.
[0041] Afin de compenser cette première contrainte intrinsèque, la deuxième couche 7 est en nitrure de silicium (Si3N4), déposée par CVD basse pression (LPCVD) ou CVD activé par plasma (PECVD) comme cela est généralement connu. Ce matériau a une contrainte intrinsèque d'environ 1 GPa en tension, c'est-à-dire +1 GPa.
[0042] Afin d'illustrer le concept, des simulations ont été effectuées sur différentes poutres entièrement surcontraintes, c'est-à-dire des poutres qui sont fixées de manière rigide aux deux extrémités par des pinces 9, comme illustré sur la figure 2. Afin de déterminer la rigidité apparente de chaque poutre 1, on l'a fait osciller dans son plan de plus faible rigidité (c'est-à-dire parallèlement à sa largeur W) dans chaque simulation, la fréquence observée étant utilisée pour calculer la rigidité apparente à l'aide d'équations de poutre bien connues. Ces poutres ont des hauteurs H et des largeurs W typiques des éléments élastiques des oscillateurs horlogers. Les résultats sont les suivants : A Silicium monocristallin, L=2 mm, W=15 µm, H=500 µm 34303 258 B Comme (A), avec une première couche de SiO2de 1 µm) 5 sans contrainte intrinsèque (W=17 µm au total) 35085 304 C Comme (A), avec une première couche de SiO2de 1 µm 5 avec une contrainte intrinsèque de -230 MPa (W=17 µm total, H=502 µm total) 17307 74 D Comme (C), avec une deuxième couche 7 de 0,2 µm de Si3N4avec une contrainte intrinsèque de +1GPa (W=17,4 µm au total, H=502,4 µm au total) 35080 314 E Comme (C), avec une deuxième couche 7 de 0,5 µm de Si3N4avec une contrainte intrinsèque de +1GPa (W=18 µm au total, H=503 µm au total) 49961 666
Tableau 1
[0043] En comparant les références B et D, il est clair que des propriétés mécaniques similaires pour un élément élastique compensé thermiquement peuvent être obtenues non seulement avec une couche de SiO2idéale, sans contrainte intrinsèque (référence B), mais aussi avec l'application d'une deuxième couche 7 de Si3N4sur une couche conventionnelle de SiO2obtenue par croissance thermique, ce qui est beaucoup plus simple et plus économique à produire qu'une couche de thermocompensation de SiO2sans contrainte comme dans la référence B.
[0044] En outre, il ressort des différentes simulations que la variation de l'épaisseur de la première et de la deuxième couche 5, 7 peut être utilisée pour accorder la rigidité de l'élément élastique 1 à une valeur souhaitée, dans des limites larges.
[0045] Le graphique de la figure 3 illustre le profil de contrainte modélisé à travers l'épaisseur de l'élément élastique 1 de référence E au niveau de sa ligne médiane, l'axe X représentant la distance par rapport à la surface de l'élément élastique 1 et l'axe Y représentant la seconde contrainte de Piola-Kirchhoff modélisée. Ce graphique montre que le gradient de contrainte à la transition entre la deuxième couche 7 et la première couche 5 est très élevé, la contrainte passant de +1 GPa à -230 MPa, puis à zéro à la transition vers le noyau 3 de Si. Dans chaque cas, cette transition de contrainte se produit sur une distance de plusieurs épaisseurs atomiques.
[0046] Compte tenu de ce qui précède, le principe de l'invention ayant été décrit, un procédé de fabrication d'un élément élastique 1 sur sa base va maintenant être divulgué, avec la présomption que les propriétés mécaniques souhaitées de l'élément élastique 1 ont été prédéterminées.
[0047] Tout d'abord, le matériau du noyau, ainsi que les dimensions finales souhaitées du noyau 3, sont déterminés.
[0048] On définit ensuite le premier matériau et les dimensions de la première couche 5, notamment son épaisseur et les zones du noyau sur lesquelles elle doit être formée, afin d'ajouter une fonctionnalité à l'élément élastique 1 et/ou de compenser une propriété indésirable du noyau 3, telle que des variations dues à la température.
[0049] Le second matériau peut alors être choisi, ainsi que les dimensions de la deuxième couche 7, en particulier son épaisseur et les zones de la première couche 5 sur lesquelles elle doit être formée.
[0050] La détermination des dimensions du noyau 3 et des couches 5, 7 peut être effectuée par modélisation et/ou étude expérimentale, et peut être un processus itératif pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées pour l'élément élastique 1, en particulier sa rigidité, la façon dont sa rigidité évolue avec la température, etc. En outre, dans le cas où la première couche 5 doit être formée en faisant réagir le matériau du noyau 3 avec une espèce chimique telle que l'oxygène, les dimensions d'une ébauche de matériau destinée à former le noyau 3 peuvent également être déterminées. L'ébauche (non illustrée) a une largeur et une hauteur déterminées de telle sorte que, après que sa matière a été consommée pour former la première couche 5, les dimensions du noyau 5 sont celles déterminées précédemment. Dans le cas où la formation de la deuxième couche 7 consomme du matériau de la première couche 5, il en est tenu compte lors de la formation des différentes couches de manière similaire.
[0051] Une fois que toutes les dimensions mentionnées ci-dessus sont déterminées, le noyau 3 est formé, puis la première couche 5 sur au moins une partie dudit noyau 3, puis la deuxième couche 7 sur au moins une partie de ladite première couche 5 par des procédés de croissance ou de dépôt appropriés comme discuté ci-dessus.
[0052] Bien que l'invention ait été décrite en référence à des modes de réalisation spécifiques, des variations sont possibles sans s'écarter de l'étendue de la protection telle que définie dans les revendications annexées.
Claims (15)
1. Élément élastique (1) pour un système micromécanique, comprenant :
– un noyau (3) d'un matériau de noyau ;
– une première couche (5) prévue sur ledit noyau, ladite première couche (5) étant d'un premier matériau présentant une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe ;
– une deuxième couche (7) prévue sur ladite première couche (5), ladite deuxième couche (7) étant d'un second matériau différent dudit premier matériau et présentant une contrainte intrinsèque ayant une seconde magnitude et un second signe;
caractérisé en ce que ledit second signe est opposé audit premier signe.
2. Élément élastique (1) selon la revendication 1, dans lequel ladite première couche (5) est prévue sur au moins quatre faces extérieures adjacentes dudit noyau (3), et ladite deuxième couche (7) est prévue sur sensiblement toute la surface extérieure de ladite première couche (5).
3. Élément élastique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit matériau de noyau est l'un parmi : silicium monocristallin, silicium polycristallin, silicium amorphe, carbure de silicium, verre, quartz ou un métal.
4. Élément élastique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier matériau est l'un parmi : dioxyde de silicium, nitrure de silicium ou un métal.
5. Élément élastique (1) selon la revendication 4, dans lequel ledit second matériau est l'un parmi : le dioxyde de silicium, le nitrure de silicium ou un métal.
6. Élément élastique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit noyau (3) présente une hauteur comprise entre 1 et 800 µm, une largeur comprise entre 10 et 40 µm, et une longueur comprise entre 1 et 400 mm, de préférence avec une hauteur comprise entre 100 et 600 µm, une largeur comprise entre 12 et 50 µm, et une longueur comprise entre 200 µm et 5mm.
7. Élément élastique (1) selon la revendication 6, dans lequel ladite première couche (5) présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 4 µm.
8. Élément élastique (1) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel ladite deuxième couche (7) présente une épaisseur comprise entre 0,05 et 1 µm.
9. Oscillateur mécanique comprenant un élément élastique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Dispositif MEMS comprenant un élément élastique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
11. Procédé de fabrication d'un élément élastique (1) pour un système micromécanique, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes de :
a) définition dudit matériau de noyau et des dimensions dudit noyau (3) ;
b) définition dudit premier matériau et des dimensions de ladite première couche (5) afin de compenser une propriété dudit noyau (3) et/ou afin d'ajouter une fonctionnalité audit élément élastique (1) ;
c) détermination de l'effet de la contrainte inhérente de ladite première couche (5) sur ledit élément élastique (1) ;
d) définition dudit second matériau et des dimensions de ladite deuxième couche (7) afin de compenser au moins partiellement la contrainte inhérente engendrée par ladite première couche (5) ;
e) formation dudit noyau (3) ;
f) formation de ladite première couche (5) sur ledit noyau ;
g) formation de ladite deuxième couche (7) sur ladite première couche (5).
12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit noyau (3) et ladite première couche (5) sont formés en fournissant une ébauche dudit matériau de noyau et en faisant réagir le matériau de ladite ébauche avec une espèce chimique pour former ladite première couche (5) et pour réduire les dimensions dudit noyau (3) de façon à lui donner ses dimensions déterminées.
13. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit matériau de noyau est le silicium et ladite espèce chimique est l'oxygène.
14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel ladite deuxième couche (7) est formée par dépôt physique en phase vapeur ou dépôt chimique en phase vapeur.
15. Utilisation d'une deuxième couche (7) pour compenser au moins partiellement une contrainte intrinsèque présente dans une première couche (5) prévue sur un noyau (3), ledit noyau (3), ladite première couche (5) et ladite deuxième couche (7) définissant un élément élastique (1) pour un système micromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit noyau (3) étant d'un matériau de noyau, ladite première couche (5) étant d'un premier matériau présentant une contrainte intrinsèque ayant une première magnitude et un premier signe, et ladite deuxième couche (7) étant d'un second matériau différent dudit premier matériau et présentant une contrainte intrinsèque ayant une seconde magnitude et un second signe opposé audit premier signe.
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|---|---|---|---|
| CH001490/2020A CH718081B1 (fr) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | Élément élastique pour un système micromécanique. |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024100597A1 (fr) * | 2022-11-09 | 2024-05-16 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Pivot, processus de fabrication d'un tel pivot, oscillateur comprenant un tel pivot, mouvement de montre et montre comprenant un tel oscillateur |
-
2020
- 2020-11-23 CH CH001490/2020A patent/CH718081B1/fr unknown
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| WO2024100597A1 (fr) * | 2022-11-09 | 2024-05-16 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Pivot, processus de fabrication d'un tel pivot, oscillateur comprenant un tel pivot, mouvement de montre et montre comprenant un tel oscillateur |
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