CH718081B1 - ELASTIC ELEMENT FOR A MICROMECHANICAL SYSTEM. - Google Patents
ELASTIC ELEMENT FOR A MICROMECHANICAL SYSTEM. Download PDFInfo
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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.The invention relates to an elastic element (1) for a micromechanical system, comprising: – a core (3) of core material; – a first layer (5) provided on said core, said first layer (5) being of a first material having an intrinsic stress having a first magnitude and a first sign; – a second layer (7) provided on said first layer (5), said second layer (7) being of a second material different from said first material and having an intrinsic stress having a second magnitude and a second sign; characterized in that said second sign is opposite said first sign. The invention also relates to a method of manufacturing such an elastic element.
Description
Domaine techniqueTechnical area
[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. [0001] The present invention relates to the field of micromechanics, in particular but not exclusively watchmaking and MEMS (micro-electro-mechanical systems). In particular, it relates to an elastic element intended to be incorporated into such systems.
État de l'artState of the 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). [0002] Over the last decades, micromachined elastic elements have become common in micromechanical systems, particularly in MEMS devices and watchmaking. In particular, monocrystalline silicon has become a popular material for these elastic elements, whether in the form of conventional spiral springs or leaf springs, although other materials such as amorphous or polycrystalline silicon, silicon carbide , glass, quartz and metal are also used. These elastic elements are typically micro-machined, for example by etching a plate of material through a mask, by sintering in a mold or by electrodeposition (for example LIGA) in the case of the metal (which is typically nickel, copper, nickel phosphorus and the like).
[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. [0003] However, these materials often exhibit an undesirable property which requires compensation, such as an undesirable thermoelastic response (i.e. a variation in elastic modulus as a function of temperature changes), sensitivity to moisture or chemicals, a build-up of static electrical charges, undesirable electrical properties, or it is necessary to add functionality to the elastic element, such as piezoelectric properties, electrical conductivity or electrical interconnection, color, 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. [0004] To take the specific example of monocrystalline silicon, this material has a strongly negative thermoelastic coefficient dE/dT, that is to say that when the temperature increases, the Young's modulus of the material decreases and the elastic element becomes less rigid. In the <100> direction of the {001} plane, this variation is approximately -60 ppm/K. In the case of a watch oscillator, where the elastic element provides a restoring force to an inertial mass in order to make it oscillate around a neutral position, this can lead to significant errors in the operation of the oscillator, of the order of 155 seconds per day in a temperature range of 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). [0005] In the case where the elastic element is used in a MEMS device, such as a sensor, to provide a restoring force to a micromechanism constructed to measure a value of a particular parameter (for example, an acceleration, force or the like), temperature variations can cause significant measurement errors by affecting the stiffness of the elastic element. In the case of a MEMS actuator, such as a steerable micromirror, these changes result in inaccuracy in the positioning of the actuator and any element affected by it (e.g., a mirror).
[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. [0006] Document EP 1 422 436 provides a solution to this problem in the context of a watch oscillator, the elastic element being provided with an external functional layer of a material with a strongly positive thermoelastic coefficient, namely dioxide of silicon SiO2 (dE/dT approximately +215 ppm/K). The thickness of this layer can be chosen to tune the thermoelastic coefficient of the entire elastic element as desired, so as to make it substantially zero, or to obtain a desired positive or negative value in order to thermocompensate for the influence of temperature on the particular inertial mass (e.g. the balance wheel) with which it interacts as an oscillator.
[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). [0007] Oxidation by thermal growth, that is to say the oxidation of the surface, is the main technology making it possible to form such layers for several reasons. First of all, it is efficient and can be precisely controlled. Simple to implement, it eliminates silicon surface defects and at the same time protects the silicon core by completely covering its surface and leaving any possible structural surface defects inside the oxide layer. In addition, such a process can also be used to tune the frequency because it consumes silicon, and therefore makes it possible to tune the rigidity of the elastic element if it is partially or completely removed (in the latter case, this would represent a additional step before forming the thermocompensation layer).
[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. However, the disadvantage of such a solution is that the silicon dioxide layer presents a significant intrinsic stress when thermal growth oxidation processes or other high temperature processes are used to form this layer. These internal stresses are due to high temperatures, typically 900 °C or more, which create self-interstitial point defects in the silicon crystal, local variations in internal stresses linked to the topography of the silicon, and the accumulation of stresses. when the elastic element is cooled to room temperature. Even if the oxide layer is removed, this can sometimes create permanent deformation of the silicon.
[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. [0009] All these residual intrinsic stresses are problematic in general, including in conventional flat spiral springs, but are particularly problematic in modern unconventional oscillators such as the so-called “Généquand” oscillator, where the topology of the elastic elements is much more complex than a simple spiral spring. Therefore, in the case of overstressed bending mechanisms, the internal stress can create additional undesirable effects such as stiffening or softening of the spring, weakening effects and even geometric deformation of the elastic elements like bending, buckling , twisting, etc. This can lead to unbalanced behavior and, in the case of oscillators, frequency variations depending on the orientation of the gravity vector and a nonlinear dependence of frequency on temperature. In the case of elastic elements of MEMS devices, the same undesirable effects are also problematic.
[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). [0010] In addition to the growth of functional layers on the material of the core by reaction of a chemical species (such as oxygen) with said material, deposition methods for the formation of functional layers, such as the deposition of atomic layers (ALD), molecular vapor deposition (MVD), various forms of chemical vapor deposition (CVD), various forms of physical vapor deposition (PVD) or diffusion depending on the layer material (e.g. dielectric layers such as SiO2, Si3N4, metals, polymers, ceramics, etc.) can also induce undesirable stresses, depending on the material, the deposition process chosen, the temperature of the process and the heat treatments carried out. These stresses can be, depending on the case, compressive (negative) or tensile (positive) stresses.
[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. [0011] Finally, document EP 2 337 221 discloses a spiral spring in silicon (or other) provided with two coatings, namely a first in SiO2 and a second in GeO2 deposited on the SiO2 so as to cancel not only the thermal coefficients of the first but also second order. However, this document does not teach anything regarding the aforementioned problem caused by internal constraints in SiO2 and/or silicon.
[0012] Le but de la présente invention est donc de surmonter au moins partiellement au moins certains des inconvénients susmentionnés de l'art antérieur. The aim of the present invention is therefore to at least partially overcome at least some of the aforementioned drawbacks of the prior art.
Divulgation de l'inventionDisclosure of the 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 : [0013] More precisely, the invention relates to an elastic element for a micromechanical system, as defined in claim 1. This elastic element comprises:
[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 ; [0014] - a core of a core material, such as monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, silicon carbide, glass, quartz or a metal;
[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 ; [0015] - a first layer provided on at least part of the surface of said core, said first layer being of a first material presenting an intrinsic stress having a first magnitude and a first sign. Said first material is typically silicon dioxide, silicon nitride or a metal, to the extent that it is different from the core material;
[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. [0016] - a second layer provided on at least part of the surface of said first layer, said second layer being of a second material different from said first material and having an intrinsic stress having a second magnitude and a second sign. Said second material may be silicon dioxide, silicon nitride or a metal, as long as it is different from the first material.
[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). [0017] According to the invention, the second sign is opposite to said first sign. In other words, if the intrinsic stress of the first layer is positive (tension), the second material is chosen with a negative intrinsic stress (compression). Likewise, if the intrinsic stress of the first layer is negative (compression), the second material is chosen with a positive intrinsic stress (tension).
[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. [0018] Consequently, the undesirable intrinsic stress induced by the first layer can be at least partially, if not totally, compensated by the addition of the second layer, and can even be overcompensated if desired. Indeed, the residual inherent stress throughout the elastic element can be tuned by carefully choosing the material and thickness of the third layer to a desired value, whether positive or negative. This can be achieved by choosing a suitable material and a suitable process to form the second layer.
[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. [0019] Advantageously, said first layer is arranged on at least four adjacent exterior faces of said core (that is to say the four side faces, in other words the upper face, the lower face and the two side faces), and said second layer is disposed over substantially the entire exterior surface of said first layer. The thickness of each layer can be uniform or variable, as desired.
[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. Dans le cas d'un élément élastique pour un résonateur de pièce d'horlogerie, ledit noyau peut présenter 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. Typically, said core has a height of between 1 and 800 µm, a width of between 1 and 100 µm, and a length of between 0.5 and 10 mm. In the case of an elastic element for a timepiece resonator, said core may have a height of between 100 and 600 µm, a width of between 12 and 50 µm, and a length of between 200 µm and 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. Advantageously, the first layer has a thickness of between 0.1 and 4 µm, and/or said second layer has a thickness of between 0.05 and 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. The elastic element as defined above can be part of a mechanical oscillator, or of a MEMS device such as a MEMS sensor or a MEMS actuator.
[0023] L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un élément élastique, tel que décrit ci-dessus, pour un système micromécanique. Ce procédé comprend les étapes de : [0023] The invention further relates to a method of manufacturing an elastic element, as described above, for a micromechanical system. This process includes the steps of:
[0024] a) définition dudit matériau du noyau et les dimensions dudit noyau, à savoir sa longueur, sa largeur et sa hauteur ; [0024] a) definition of said core material and the dimensions of said core, namely its length, width and height;
[0025] 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 ; [0025] b) definition of said first material and the dimensions of said first layer, namely its thickness, in order to compensate for a property of said core and/or in order to add functionality to said elastic element, as is well known in the literature ;
[0026] c) détermination de l'effet de la contrainte inhérente de ladite première couche sur ledit élément élastique ; [0026] c) determining the effect of the inherent stress of said first layer on said elastic element;
[0027] 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 ; [0027] d) definition of said second material and the dimensions of said second layer, namely its thickness, in order to at least partially compensate for the inherent stress generated by said first layer;
[0028] e) formation dudit noyau en fonction des dimensions déterminées de celui-ci ; [0028] e) formation of said core according to its determined dimensions;
[0029] f) formation de ladite première couche sur ledit noyau en fonction des dimensions déterminées de celui-ci ; [0029] f) formation of said first layer on said core according to the determined dimensions thereof;
[0030] g) formation de ladite deuxième couche sur ladite première couche en fonction des dimensions déterminées de celle-ci. [0030] g) formation of said second layer on said first layer according to the determined dimensions thereof.
[0031] 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). [0031] Consequently, an elastic element having predetermined dimensions and predetermined mechanical properties can be manufactured, each of the core, the first layer and the second layer being formed with the dimensions determined in steps a), b) and d ).
[0032] 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. [0032] In a particular variant, said core and said first layer are formed by providing a blank of said core material and by reacting the material of said blank with a chemical species to form said first layer and to reduce the dimensions of said core by way to give it its determined dimensions. This is particularly (but not exclusively) the case when the core is made of silicon and said chemical species is oxygen, the first layer being formed by oxidation of the surface of the silicon blank, which reduces the cross section silicon while growing the first layer, until the final dimensions of the core are reached.
[0033] 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. Advantageously, said second layer is formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, which do not consume or otherwise react with the material of the first layer and therefore do not reduce its dimensions.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
[0034] 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.Other details of the invention will appear on reading the detailed description in relation to the figures, which illustrate: – Figure 1: a schematic sectional view of an elastic element according to the invention; – Figure 2: a schematic illustration of a test setup for testing the rigidity of an elastic element according to the invention; and – Figure 3: a graph of the stress as a function of the thickness of the second layer, the first layer and a part of the core of an elastic element according to the invention.
Réalisation de l'inventionRealization of the invention
[0035] La figure 1 illustre schématiquement une vue en coupe d'un élément élastique 1 selon l'invention. [0035] Figure 1 schematically illustrates a sectional view of an elastic element 1 according to the invention.
[0036] 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 10 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. This elastic element 1 can be a spiral spring (that is to say a flat spring substantially spiral) for a timepiece oscillator, or a leaf spring of any known shape for a timepiece oscillator. watchmaking (for modern variants based on bending, see for example the EPFL thesis Flexure Pivot Oscillators for Mechanical Watches, Etienne Thalmann, Thesis Number 8802, June 11, 2020) or for a MEMS device such as a sensor (for example of the type described in S. Beeby et al, MEMS Mechanical Sensors, Artech House on Demand, 2004), an actuator, a time base (for example of the type described in Ng, E. et al. The long path from MEMS resonators 10 timing products, Proceedings of 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. 1-2 (IEEE, 2015)) or the like, including, but not limited to, the types mentioned in the introduction. In the case of a mechanical oscillator, the elastic element 1 is intended to oscillate an inertial mass in translation and/or rotation around a neutral point, whereas in a MEMS device, the elastic element 1 is intended to provide a restoring force for a sensor or actuator.
[0037] 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. The elastic element 1 comprises a core 3 of a core material, which is typically monocrystalline silicon but can also be polycrystalline or amorphous. Other suitable materials are glass, silicon carbide, metal (typically nickel, copper, nickel phosphorus or the like), and the like. Depending on the role, the cross section of core 3 can be between 1 µm<2> and 8000 µm<2> (for example, core 3 typically has a height between 1 and 800 µm and a width between 1 and 100 µm), and depending on the material it can be produced by etching a plate of material through a mask, sintering in a mold, electroforming or the like, as is generally known in the field of micromachining and therefore does not have to be explained exhaustively here. The length of the core is typically between 0.5 mm and 10 mm. The “length” is defined as the longest dimension of the elastic element 1, the “width” is the other dimension in the plane of the elastic element 1 in which it is intended to flex, and the “height” is the dimension perpendicular to this plane.
[0038] 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. [0038] A first layer 5 is applied to at least some of the exterior surfaces of the core 3, typically at least all the exterior surfaces illustrated in Figure 1. This first layer 5 is a functional layer intended to add a property or a function to the elastic element 1 or to compensate for an undesirable property of the core 3, is made of a first material different from said core material, and has an intrinsic stress having a first magnitude and a first sign. The first magnitude is typically between - 1 GPa (i.e. 1 GPa in compression) and +1 GPa (i.e. 1 GPa in tension), depending on the material. The first layer 5 can have a uniform or variable thickness, and can be placed on all or part of the exterior surface of the core 3.
[0039] 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. [0039] In addition to functions such as thermocompensation, it is also possible to give the elastic element a color, an electrical conductivity, an electrical interconnectivity, a piezoelectric response or a chemical barrier or any other function.
[0040] 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. [0040] Typically, the material of the first layer (that is to say the first material) is silicon dioxide (SiO2) formed by thermal oxidation of the surface of the silicon material which forms the core 3. In this case, before the thermal oxidation, a silicon blank is provided whose width and height are greater than those of the final core, these dimensions being reduced in a controlled and predictable manner by the thermal oxidation, as is generally known and not should not be explicitly illustrated.
[0041] 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. However, the invention is also applicable to other materials such as Si3N4, silicon carbide, silicon nitride, polysilicon, metal (for example tungsten) or the like, and/or to other processes for forming the first layer which induces an intrinsic stress in the first layer 5, deposited by atomic layer deposition (ALD), molecular vapor deposition (MVD), various forms of chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD), or diffusion.
[0042] 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. The first layer 5 can be formed by growth or deposition in a single step, but it is also possible to add other steps such as etching the first layer partially or completely, additional growth or deposition steps. thermal deposition is also possible if desired.
[0043] 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. [0043] On the surface of the first layer 5 is formed a second layer 7, of a second material which has an intrinsic stress of opposite sign to that of the first material, this stress typically being between -1 GPa and +1 GPa , of sign opposite to that of the first material. The type of material, its deposition method and its thickness can be chosen so as to at least partially compensate for the intrinsic stresses in the first layer 5 and the intrinsic stresses which result in the core 3. The second layer 7 is therefore a layer stress management, because it is used to vary the overall intrinsic stresses in the elastic element 1, by compensating for the intrinsic stresses generated by the first layer 5. It should be noted that the second layer 7 can have a uniform thickness, or a variable thickness according to needs, and can be present on all or part of the first layer 5. The thickness of the second layer 7 can be chosen so as to substantially completely compensate for the intrinsic stress generated by the first layer 5, or alternatively can overcompensate or undercompensate it, depending on needs. Therefore, a certain degree of tuning of the properties of the elastic element is possible.
[0044] 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. [0044] The material of the second layer (that is to say the second material) is typically deposited on the first layer, such that the first layer is not consumed by it, although this does not or not obligatory. For example, various known chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) processes can be used, depending on the choice of the second material.
[0045] 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. For example, if the first layer 5 is SiO2, the second layer 7 can be Si3N4, or another material having a positive inherent stress (traction). In the opposite case of a first layer 5 made of Si3N4, for example, the second layer 7 can be made of SiO2 or another material having an inherent negative (compressive) stress. Other material pairs may be selected based on the knowledge of those skilled in the art.
[0046] 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. As a concrete example, we will consider the case where the core 3 is made of monocrystalline silicon, and the first layer 5 is SiO2 obtained by thermal oxidation. In this case, SiO2, which is typically used as a thermocompensation layer to modify or cancel the negative thermoelastic coefficient of silicon, presents a significant intrinsic compressive stress, of the order of 230 MPa for a first layer 5 of 1000 nm d 'thickness. As compressive stresses are defined as having a negative sign, this stress can be more concisely represented as -230 MPa.
[0047] 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. [0047] In order to compensate for this first intrinsic constraint, the second layer 7 is made of silicon nitride (Si3N4), deposited by low pressure CVD (LPCVD) or plasma activated CVD (PECVD) as is generally known. This material has an intrinsic stress of approximately 1 GPa in tension, i.e. +1 GPa.
[0048] 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=17,4µm 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[0048] In order to illustrate the concept, simulations were carried out on different fully overstressed beams, that is to say beams which are rigidly fixed at both ends by clamps 9, as illustrated in Figure 2 In order to determine the apparent rigidity of each beam 1, it was made to oscillate in its plane of lowest rigidity (i.e. parallel to its width W) in each simulation, the observed frequency being used to calculate apparent stiffness using well-known beam equations. These beams have heights H and widths W typical of the elastic elements of watch oscillators. The results are as follows: A Monocrystalline silicon, L=2 mm, W=15 µm, H=500 µm 34303 258 B Like (A), with a first layer of SiO2 of 1 µm 5 without intrinsic stress (W=17 µm au total) 35085 304 C Like (A), with a first layer of SiO2 of 1 µm 5 with an intrinsic stress of -230 MPa (W=17 µm total, H=502 µm total) 17307 74 D Like (C), with a second layer 7 of 0.2 µm of Si3N4 with an intrinsic stress of +1GPa (W=17.4 µm in total, H=502.4 µm in total) 35080 314 E Like (C), with a second layer 7 of 0, 5 µm of Si3N4 with an intrinsic stress of +1GPa (W=18 µm total, H=503 µm total) 49961 666
Tableau 1Table 1
[0049] 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. [0049] By comparing references B and D, it is clear that similar mechanical properties for a thermally compensated elastic element can be obtained not only with an ideal SiO2 layer, without intrinsic stress (reference B), but also with the application of a second layer 7 of Si3N4 on a conventional layer of SiO2 obtained by thermal growth, which is much simpler and more economical to produce than a thermocompensation layer of SiO2 without constraints as in reference B.
[0050] 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. [0050] Furthermore, it emerges from the various simulations that the variation in the thickness of the first and second layers 5, 7 can be used to adjust the rigidity of the elastic element 1 to a desired value, within limits wide.
[0051] 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. [0051] The graph in Figure 3 illustrates the stress profile modeled through the thickness of the elastic element 1 with reference E at its center line, the axis X representing the distance relative to the surface of the elastic element 1 and the Y axis representing the second modeled Piola-Kirchhoff constraint. This graph shows that the stress gradient at the transition between second layer 7 and first layer 5 is very high, with the stress increasing from +1 GPa to -230 MPa, then to zero at the transition to Si core 3. In each case, this stress transition occurs over a distance of several atomic thicknesses.
[0052] 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. [0052] Taking into account the above, the principle of the invention having been described, a method of manufacturing an elastic element 1 on its basis will now be disclosed, with the presumption that the desired mechanical properties of the element elastic 1 have been predetermined.
[0053] Tout d'abord, le matériau du noyau, ainsi que les dimensions finales souhaitées du noyau 3, sont déterminés. First of all, the material of the core, as well as the desired final dimensions of the core 3, are determined.
[0054] 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. [0054] We then define the first material and the dimensions of the first layer 5, in particular its thickness and the areas of the core on which it must be formed, in order to add functionality to the elastic element 1 and/or to compensate an undesirable property of core 3, such as variations due to temperature.
[0055] 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. The second material can then be chosen, as well as the dimensions of the second layer 7, in particular its thickness and the areas of the first layer 5 on which it must be formed.
[0056] 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. The determination of the dimensions of the core 3 and the layers 5, 7 can be carried out by modeling and/or experimental study, and can be an iterative process to obtain the desired mechanical properties for the elastic element 1, in particular its rigidity. , the way its rigidity changes with temperature, etc. Furthermore, in the case where the first layer 5 must be formed by reacting the material of the core 3 with a chemical species such as oxygen, the dimensions of a blank of material intended to form the core 3 can also be determined . The blank (not illustrated) has a width and a height determined such that, after its material has been consumed to form the first layer 5, the dimensions of the core 5 are those previously determined. In the case where the formation of the second layer 7 consumes material from the first layer 5, this is taken into account during the formation of the different layers in a similar manner.
[0057] 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. [0057] Once all the dimensions mentioned above are determined, the core 3 is formed, then the first layer 5 on at least part of said core 3, then the second layer 7 on at least part of said first layer 5 by suitable growth or deposition methods as discussed above.
[0058] Bien que l'invention ait été décrite en référence à des modes de réalisation spécifiques, des variations sont possibles sans sortir du cadre des revendications annexées. [0058] Although the invention has been described with reference to specific embodiments, variations are possible without departing from the scope of the appended claims.
Claims (14)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CH001490/2020A CH718081B1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | ELASTIC ELEMENT FOR A MICROMECHANICAL SYSTEM. |
Applications Claiming Priority (1)
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CH001490/2020A CH718081B1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | ELASTIC ELEMENT FOR A MICROMECHANICAL SYSTEM. |
Publications (2)
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CH718081A2 CH718081A2 (en) | 2022-05-31 |
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Family
ID=81746598
Family Applications (1)
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CH001490/2020A CH718081B1 (en) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | ELASTIC ELEMENT FOR A MICROMECHANICAL SYSTEM. |
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2024100597A1 (en) * | 2022-11-09 | 2024-05-16 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Pivot, process for manufacturing such a pivot, oscillator comprising such a pivot, watch movement and timepiece comprising such an oscillator |
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2020
- 2020-11-23 CH CH001490/2020A patent/CH718081B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CH718081A2 (en) | 2022-05-31 |
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