EP3538478A1 - Dispositif microelectromecanique et/ou nanoelectromecanique articulé a deplacement hors-plan - Google Patents

Dispositif microelectromecanique et/ou nanoelectromecanique articulé a deplacement hors-plan

Info

Publication number
EP3538478A1
EP3538478A1 EP17800921.3A EP17800921A EP3538478A1 EP 3538478 A1 EP3538478 A1 EP 3538478A1 EP 17800921 A EP17800921 A EP 17800921A EP 3538478 A1 EP3538478 A1 EP 3538478A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
articulated
mems
hinge
nems
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17800921.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Loïc JOET
Audrey Berthelot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3538478A1 publication Critical patent/EP3538478A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0051—For defining the movement, i.e. structures that guide or limit the movement of an element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0109—Bridges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0145—Flexible holders
    • B81B2203/0154—Torsion bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a microelectromechanical device and / or nanoelectromechanical articulated out-of-plane displacement.
  • Microelectromechanical systems or M EMS Microelectromechanical Systems in English terminology
  • M EMS Microelectromechanical Systems in English terminology
  • nanoelectromechanical NEMS Nanoelectromechanical Systems in Anglo-Saxon terminology
  • M EMS Microelectromechanical Systems in English terminology
  • NEMS Nanoelectromechanical Systems in Anglo-Saxon terminology
  • the movable portion may be articulated relative to the substrate by a hinge type hinge, the movable portion then pivots about the axis of the hinge relative to the substrate.
  • I l is for example used in multiaxis sensors.
  • the inertial units can have up to 10 measuring axes: three accelerometers, three gyrometers, three magnetometers and a pressure sensor, to be able to detect the movements in the three directions.
  • strain gauges are implemented, for example one or piezoelectric gauges or piezoresistive.
  • the hinge joint is for example obtained by means of two blades extending perpendicular to the plane of the device, one edge is connected to the movable portion and an opposite edge is connected to the substrate.
  • the blades deform in torsion about an axis parallel to the plane and define the axis of rotation, allowing the moving part to have an off-plane rotation movement.
  • it is sought to achieve a hinge-gauge system having a good performance in order to recover a maximum signal at the level of the gauge.
  • a hinge whose angular stiffness is much lower than that induced by the compression of the gauge during rotation, so that the energy lost in the deformation of the hinge is lower, and advantageously negligible compared to the useful energy used to compress the gauge.
  • the object of the present invention is to achieve an articulated device having a first portion and a second portion movable relative to the first portion about an axis of rotation, at least the second portion extending between a first and second parallel planes, at least one blade extending perpendicular to the first plane and the second plane and parallel to the axis of rotation, said at least one blade connecting the first portion and the second portion, the blade being intended for to deform at least in torsion during the rotational movement of the second part relative to the first part.
  • the device comprises at least one blade-shaped articulation element connecting the first part and the second part, so that the first part and the second part are articulated in rotation about an axis parallel to the first plane.
  • the device also comprises at least one element sensitive to the displacement of the second part with respect to the first part, said sensitive element being suspended between the first part and the second part. At least one torsionally deformed blade is disposed between the hinge member and the sensing element.
  • the second portion has a dimension in a first direction orthogonal to the first and second planes much greater than the dimensions in the first direction of the hinge member and the sensitive element.
  • the second part forms, for example, the inertial mass with out-of-plane displacement. It has a large thickness and forms a rigid lever arm, limiting the energy losses in the deformation thereof.
  • the sensing element may be a strain gauge
  • the hinge member in the form of a blade has an angular stiffness much lower than that induced by the compression of the sensing element.
  • the portion of energy used to deform the hinge is much lower than the useful part, used to compress the gauge.
  • the hinge may advantageously be made by one or more blades connecting the fixed part of the MEMS to the lever arm. The sum of the sections of these blades will then be dimensioned so that the hinge has a compression stiffness much higher than that of the gauges.
  • the energy resulting from the displacement of the second part preferentially compresses the gauges rather than the hinge, so that the arm rotates around the articulation by compressing the gauges, the compression of the gauges being negligible.
  • the axis of rotation is then closer to the hinge element or in the hinge element.
  • the gauge is advantageously fine which allows to concentrate the constraints and thus amplify the signal.
  • the torsion blades provide a great stiffness in the out-of-plane direction and their torsional stiffness is negligible compared to that due to the stretching / compression of the gauge during the rotational displacement of the second part.
  • the blades adapted to deform in torsion limit off-plan movements or cancel them, which is not suitable for the very fine articulation element.
  • the blades have a low angular stiffness because of their small thickness, so they have little or no influence on the performance of the device.
  • the joint capable of deforming in flexion limits displacements in the plane or even cancel them.
  • this element has limited angular stiffness because of its small thickness.
  • the combination of the blades capable of deforming in torsion blocking off-plane movements and the articulation blocking the movements in the plane forms a hinge whose axis of rotation is substantially at the intersection of the mean planes of the blades and the blade. articulation able to deform in flexion.
  • the functions are separated by realizing, on the one hand, the function of resistance to movements in the plane by means of a thin element oriented so as to have a very low angular stiffness and a high stiffness in compression and compression. realizing on the other hand the function of off-plane movement by fine blades oriented so as to have a very low angular stiffness.
  • Each element compensates for the great flexibility of the other in its direction of greater flexibility. We can then optimize each of the elements separately.
  • the plane of greater rigidity of the blades capable of deforming in torsion is orthogonal to the plane of greater rigidity of the joint capable of deforming in flexion.
  • the sensitive element is made of piezoresistive or piezoelectric material.
  • the sensing element is a piezoelectric material
  • the device may be an off-plane actuator by polarizing the piezoelectric material.
  • the subject of the present invention is then an off-plane displacement MEMS and / or NEMS device comprising a first part, a second part, the second part being articulated in rotation with respect to the first part about a contained axis of rotation. in a plane parallel to an average plane of the device, at least one hinge element connecting the first part and the second part and biased in bending, at least one sensitive element extending between the first part and the second part and being intended to deform during the displacement of the second part relative to the first part, at least one blade extending perpendicularly to the mean plane of the articulated device and parallel to the axis of rotation, said at least one blade connecting the first part and in the second part and being intended to be stressed in torsion during the displacement of the second part relative to the first part, the said at least one blade being disposed between the hinge element and the sensitive element along a direction orthogonal to the mean plane of the device.
  • the characteristic "said at least one blade being disposed between the hinge element and the sensitive element, along the axis orthogonal to the mean plane” means that the blade, the hinge element and the sensitive element are arranged in separate planes distributed along this direction, and that looking in this direction the blade is between the hinge element and the sensitive element.
  • This feature is not limited to overlapping the blade, the hinge member and the sensing element along this direction.
  • the hinge member has a very small angular stiffness compared to that generated by the sensitive element and a very large compression stiffness relative to that of the sensitive element.
  • the hinge element advantageously has a dimension in a direction perpendicular to the mean plane of the weak device relative to that in the direction of the axis of rotation.
  • the second portion advantageously has a dimension in a direction orthogonal to the mean plane of the articulated device very important relative to that of the hinge member and the sensitive element.
  • the device comprises two blades (10) biased in torsion.
  • the hinge element and / or the sensitive element is or are integral with the first part and the second part.
  • the device MEMS and / NEMS articulated may comprise several hinge elements parallel to each other and / or several sensitive elements parallel to each other.
  • the present invention also relates to a MEMS sensor and / or
  • NEMS comprising at least one articulated device according to the invention, the at least one sensitive element comprising a piezoelectric material, a piezoelectric material or a resonant gauge.
  • the present invention also relates to a MEMS actuator and / or NEMS comprising at least one articulated device according to the invention, the at least one sensitive element comprising a piezoelectric material.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing an MEMS and / or NEMS articulated device according to the invention, comprising, from a substrate comprising a first thick layer of semiconductor material, a first layer of oxide and a monocrystalline semiconductor layer on the oxide layer, a) structuring the monocrystalline semiconductor layer so as to form at least one hinge element or at least one sensitive element, b) forming a protective layer located on said at least one hinge element or at least one sensitive element,
  • At least partial closure of the trench may include complete closure of the trench at an open end or layer formation on trench walls.
  • the second thick layer is formed by epitaxy.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing an MEMS and / or NEMS articulated device according to the invention, comprising after step d),
  • the subject of the present invention is also a method of manufacturing an MEMS and / or NEMS articulated device according to the invention comprising, from a thick substrate: - The realization of a trench so as to define the at least one sensitive element or at least one hinge element and at least one blade intended to be secured in torsion,
  • the subject of the present invention is also a method for manufacturing an MEMS and / or NEMS articulated device according to the invention, comprising from a substrate comprising a first thick layer of semiconductor material, a first oxide layer and a monocrystalline semiconductor layer on the oxide layer,
  • a ' structuring the monocrystalline semiconductor layer so as to form at least one articulation element or at least one sensitive element
  • b' forming a protection layer located on said at least one element of articulation or at least one sensitive element
  • FIG. 1 is a perspective view from above of an exemplary embodiment of a hinge device according to the invention
  • FIG. 2 is a partial perspective view from below of the device of FIG. 1, the substrate not being represented,
  • FIG. 3 is a sectional view of the device of FIGS. 1 and 2 according to the sectional plane A,
  • FIG. 4 is a perspective view from above of another exemplary embodiment of a hinge device according to the invention in which the hinge connection implements several hinge elements,
  • FIGS. 5A to 51 are views from above and in section diagrammatically represented of different steps of an exemplary method for producing a hinge device according to the invention
  • FIG. 5J is a perspective view of the device obtained in FIG.
  • FIGS. 6A to 6D are top and sectional views diagrammatically represented of different steps of another example of a method for producing a device according to the invention.
  • FIG. 6E is a perspective view of the device obtained in FIG.
  • FIGS. 7A to 7E are two sectional views in different planes, diagrammatically represented in different steps of an exemplary method for producing a device according to the invention.
  • FIGS. 8A to 8D are sectional views diagrammatically represented of different steps of another example of a method for producing a device according to the invention
  • - Figures 9A to 9D are top views and in section schematically shown in different steps of another example of a method of producing a device according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3 an exemplary embodiment of an articulated device according to the invention can be seen.
  • the device comprising a first portion 2 and a second portion 4 movable relative to each other.
  • the first part 2 is fixed with respect to a substrate 3 of a MEMS and / or NEMS structure.
  • the first and second parts are arranged next to each other and a hinge system 6 connects the first portion 2 and the second 4 hingeably about an axis of rotation Y.
  • the MEMS structure has a mean plane relative to which are defined displacements in the plane and off-plane displacements.
  • the first and second parts 2, 4 extend between two planes P1, P2 parallel to the average plane P of the structure.
  • the first part 2 comprises a first face 2.1 contained in the plane PI and a second face 2.2 contained in the plane P2.
  • the second part 4 comprises a first face 4.1 contained in the plane PI and a second face 4.2 contained in the plane P2.
  • the articulation system 6 comprises a hinge element 8 in the form of a thin strip extending in the first face 2.1 of the first part 2 and the first face 4.1 of the second part 4.
  • the hinge member 8 extends along an axis X and forms a hinge substantially defining the orientation and location of the axis of rotation Y of the hinge system.
  • the axis of rotation is orthogonal to the axis X.
  • the hinge element comprises two end portions 8.1, 8.2 in contact respectively with the faces 2.1 and 4.1 and a central portion 8.3 connecting the two end portions 8.1 and 8.2 and disposed in a plane P3 parallel and distinct from the plane Pl. But this is in no way limiting, a plane hinge element not outside the scope of the present invention.
  • a device in which the hinge element is in one piece with the first part and the second part, is not outside the scope of the present invention.
  • the thickness of the hinge element 8 in a Z direction perpendicular to the PI and P2 planes is sufficiently small so that the angular stiffness induced by the deformation of the strip is much smaller than that induced by the compression of a sensitive element which will be described later.
  • the energy setting in motion the second part therefore serves mainly to deform the sensitive element and not the articulation element.
  • the hinge member provides a compression / stretching stiffness along the X axis very large, so that the location of the Y axis of rotation is well defined is thus located closer to the articulation element.
  • the thickness of the articulation element is for example between 100 nm to a few ⁇ .
  • the device may comprise a plurality of hinge elements arranged parallel to one another and parallel to the X axis between the first part and the second part and distributed along the axis. Y axis.
  • the sections of the hinge elements will be chosen so that their sum has a compression stiffness much higher than that of the sensitive element.
  • the articulation element or elements have a small thickness.
  • the cumulative width of the hinge elements may be different from that of the sensitive elements.
  • hinge members having a small thickness and a large width to have large s sections, hinge members having a high compression stiffness and low angular stiffness can be obtained.
  • the ratio t3 / wh is for example between 1 to 100.
  • the hinge axis Y defined by the hinge member is located closer to the hinge member, or even in the hinge member.
  • the hinge system also comprises a pair of blades 10 interposed between the first portion 2 and the second portion 4 and extending substantially in a plane orthogonal to the PI and P2 planes and containing the Y axis.
  • Each blade 10 is such that it comprises a lateral edge 10.1 extending between the planes PI and P2 connected to the first part and the other lateral edge 10.2 integral with the second part.
  • the blades are arranged substantially in the same plane R orthogonal to the plane PI and P2 and containing the axis of rotation Y. In addition, the blades are arranged symmetrically on either side of the longitudinal axis X.
  • the axis of rotation is substantially at the intersection of the average plane R of the blades 10 and the average plane of the hinge element 10.
  • the first part 2 has a longitudinal end 2.3 facing a longitudinal end 4.3 of the second part.
  • the first portion 2 has two projecting lateral portions 12 and the second portion 4 has a central portion 14 projecting.
  • the longitudinal end 2.3 has a central recess 16 substantially corresponding to the central portion 14 and the longitudinal end 2.4 has two lateral recesses 18 substantially corresponding to the lateral portions 12.
  • the outer lateral edge 10.1 is connected to one of the lateral portions 12 of the first portion 2 and the inner lateral edge 10.2 is connected to the central portion 14 of the second portion.
  • the blades are in one piece with the first portion and the second portion.
  • the blades 10 are able to deform in torsion and make it possible to limit or even prohibit out-of-plane movements, i.e. along the Z axis, of the second part 4.
  • the second part has a displacement in substantially pure rotation about the Y axis.
  • the blades 10 do not intervene or very little in the definition of the location of the axis of rotation Y.
  • a device having only one blade 10 is not beyond the scope of the present invention.
  • the articulated device also comprises a sensitive element 20 disposed opposite the articulation element with respect to the blades 10.
  • the hinge member is located above the sensing element.
  • the sensitive element 20 may be a strain gauge for detecting the displacement in rotation between the first part and the second part and to measure this displacement. It may be a piezoresistive or piezoelectric material. Alternatively, the sensitive element could comprise at least one resonant beam to perform resonant detection. Alternatively, it may form an actuator and may be of piezoelectric material.
  • the articulation element and the sensitive element are arranged one above the other in the Z direction, but a device in which the sensing element and the articulation element would not be superimposed in the direction Z does not fall outside the scope of the present invention.
  • the thickness of the gauge in the Z direction is small, to concentrate the constraints and amplify the signal.
  • the thickness is between a hundred nm and a few ⁇ .
  • the thickness of the sensitive element would for example also be between a hundred nm and a few ⁇ .
  • the sensitive element 20 has a face contained in the plane P2.
  • the second part has a high rigidity compared to that of the sensitive element.
  • the second part has a thickness in the direction Z very large compared to that of the sensitive element, for example between a few ⁇ and a few tens of ⁇ for a thickness of the sensitive element between a hundred nm and some ⁇ .
  • the second part 4 is not deformed or little and energy is transmitted to the sensitive element.
  • the gain of the lever arm is equal to the length of the arm divided by the thickness of the second part.
  • a distance is then preferably chosen between the faces 4.1 and 4.2 of the second portion 4 which is very large relative to the thickness of the sensitive element.
  • the ratio between the thickness of the sensitive element and that of the second part is preferably between 10 and 1000.
  • the articulation element (s) and / or the sensitive element (s) and / or the first and / or second part may be made of the same material or different materials.
  • the second portion has a dimension along the Z axis much greater than that of the sensing element and that the hinge member, providing a hinged device with high efficiency.
  • the blades 10 are such that they have a reduced effect on the yield. Indeed, the stiffness in compression of the several parallelepipedic gauges perpendicular to the axis of rotation is:
  • the stiffness in compression of the joint is chosen much higher than that of the sensitive elements, and the angular stiffness of the joint is chosen much lower than that induced by the compression of the sensitive elements during the rotation of the second part.
  • the articulated device forms a displacement sensor, for example an accelerometer.
  • the second part 4 forms an inertial mass sensitive to accelerations in the Z direction.
  • the latter has a substantially pure movement of rotation about the Z axis, since the blades 10 because of their large dimension along the Z axis provides significant rigidity along the Z axis.
  • the blades 10 because of their large dimension along the Z axis provides significant rigidity along the Z axis.
  • they because of their small thickness in the X direction, they are able to deform in torsion, their stiffness in torsion being negligible compared to that due to stretching / compression of the sensing element. This torsional stiffness is also low enough to have little influence, or no influence on the rotation of the second part.
  • the sensing element is then stretched.
  • a stretch thereof causes a change in its electrical resistance.
  • By polarizing the sensing element it is possible to detect and measure the variation of electrical resistance which is proportional to the angular displacement of the second part about the Y axis.
  • the energy of the displacement of the second portion is largely used to deform the sensing element.
  • the sensitive element is for example made of piezoelectric material. By polarizing the element, the latter expands or compresses by a piezoelectric effect, which generates a force that applies to the second part that will pivot about the Y axis. Due to the low angular stiffness of the hinge element, the rotational movement is made more efficient from an energy point of view.
  • FIGS. 5A to 5J schematic representations of views from above and in section of elements obtained during different stages of a example of a production method according to the invention. This method is particularly suitable for producing a device of FIG. 6.
  • a silicon on insulator or SOI (Silicon On Insulate) substrate comprising a silicon substrate 100, a silicon oxide layer 102 and a monocrystalline silicon layer 104 of thickness. for example between 100 nm and some ⁇ , for example equal to 250 nm.
  • the sensitive element or elements 8 are made in the layer 104 by photolithography.
  • a protective layer 106 is formed on the sensitive element or elements 20. This layer is for example Si0 2 .
  • the protective layer 106 serves to protect the sensitive element (s) of the various engravings.
  • the protective layer 106 is for example made by depositing Si0 2 over the entire layer 104 and a photo-lithography step is performed to limit the surface of the layer 106 to the zone comprising the sensitive element or elements, the layer 104 is discovered around the layer 106. A polishing step before the photolithography can be performed.
  • a silicon layer 108 is formed on the protective layer 106 and on the exposed area of the layer 104.
  • the layer 108 is intended to form the first part 2 and the second part 4.
  • the layer 108 is for example made by epitaxy or polycrystalline silicon deposit It has for example a thickness of 20 ⁇ .
  • a trench 109 is made in the layer 108 to form the hinge system and separating the first portion 2 and the second portion 4, in line with the layer 106.
  • a deep reactive ion etching or DRIE Deep Reactive Ion Etching in English terminology.
  • an oxide layer 110 is formed on the sides of the etched area.
  • the layer 110 is for example formed by thermal oxidation or by conformal oxide deposition.
  • the oxide formed on the free face of the layer 110 is removed, for example by mechanochemical polishing.
  • a layer 112 is formed to form the articulation element or elements.
  • This is for example a polycrystalline silicon layer.
  • the layer 112 is intended to fill the trench 109.
  • the layer 112 is for example formed by physical vapor deposition or PVD (Physical Vapor Deposition in English terminology). A compliant deposit is thus achieved.
  • an etching 113 is performed so as to delimit the MEMS, it is for example a deep etching.
  • the layer 112 is also etched to form the articulation element or elements. Holes are also formed in the parts intended to be movable in order to allow the passage of the fluid intended to release them.
  • the structure is released.
  • the oxide 110, the protective layer 106 and the oxide 102 are etched, for example by means of hydrofluoric acid.
  • FIG. 5J shows the hinge element 8 and the sensitive element 20 and the second part 4 suspended by the hinge element 8 and the sensitive element 20.
  • the second part 4 is also suspended by the blades 10 (not shown).
  • the hinge element 8 is located above the sensitive element 20 in the representation of FIG. 5J.
  • the hinge element comprises a foot 114 extending along the Z axis between the first part and the second part, but the foot does not intervene in the operation of the articulation system. .
  • the blades 10 are not in contact with the foot 114. It could be expected that the hinge member has several feet distributed in the X direction without changing the operation of the hinge system.
  • FIGS. 5A-5I are particularly interesting when it is desired to realize electrical domains isolated from each other on the same MEMS.
  • the structure comprising the foot is large enough so that the foot 114 is not released from all the oxide that surrounds it.
  • the upper conductive portion would then be removed during the etching to obtain the element of Figure 5H.
  • An Si-SiO2-Si-SiO2-Si stack which provides mechanical support and which is electrically insulating would be obtained.
  • This structure would be made between two areas that are to be electrically insulated and that would be areas other than areas articulated with respect to each other because it does not form a joint.
  • the element would be returned and would be transferred to a substrate.
  • a step of etching the substrate 10 then takes place.
  • SOI and form a layer of piezoelectric material directly on a substrate, for example AlN or PZT.
  • the transfer will be done for example by molecular sealing, for example Si -SI, Si-Si0 2 or Si0 2 -Si0 2 , or by eutectic sealing, for example Gold / Si or Al / Ge.
  • molecular sealing for example Si -SI, Si-Si0 2 or Si0 2 -Si0 2
  • eutectic sealing for example Gold / Si or Al / Ge.
  • the SOI substrate may be replaced by a standard substrate, in which micropilars are produced, for example by photo-lithography. They are distributed on the surface of the substrate, so that, during an annealing, a fine membrane during annealing.
  • the membrane is then machined, for example by photolithography to obtain gauges. Oxidation, by consuming membrane material, then makes it possible to obtain the desired gauge section and the oxide formed serves as a protective layer against future etchings.
  • the element thus obtained is similar to that of Figure 5B. The following steps are similar to those already described.
  • FIGS. 6A to 6D steps can be seen of another exemplary method of producing the device according to the invention.
  • FIG. 5D An element similar to that of FIG. 5D is prepared by performing the steps described in connection with FIGS. 5A to 5D.
  • an oxide layer 116 is made on the layer 108 so as to close off the open end of the trench 109, for example by SiO 2 PVD. It may advantageously be provided to carry out prior to the layer 116 a thermal oxidation to partially fill the trench 109.
  • the layer 116 is structured so as to keep only a portion 116.1 of layer 116 intended for the formation of the articulation element or elements.
  • This structuring is for example obtained by photo-lithography.
  • a chemical etching can be performed to form the sidewalls 116.2 of the portion 116.1 slightly inclined.
  • a layer 118 is formed to form the articulation element or elements. This is for example a polycrystalline silicon layer.
  • the layer 118 is patterned so as to delimit the MEMS, for example by deep etching.
  • the layer 118 is also structured to form the articulation element or elements. Holes are also formed in the parts intended to be movable in order to allow the passage of the fluid intended to release them.
  • the structure is released.
  • the oxide 110, the protective layer 106 and the oxide layer 102 are etched, for example by means of hydrofluoric acid.
  • the hinge member has no foot.
  • the method of FIGS. 5A-5J it could be provided not to form a layer 108 to form the first part and the second part and to use the substrate 100 of the SOI substrate.
  • the element is returned and is transferred to a substrate.
  • a step of etching the layer 100 then takes place.
  • FIGS. 6A to 6D is particularly advantageous when it is desired to realize electrical domains isolated from each other on the same MEMS.
  • FIGS. 7A to 7E another example of a method for producing a device according to the invention can be seen.
  • FIG. 7A an element similar to that of Fig. 5D is prepared by performing the steps described in connection with Figs. 5A-5D.
  • the element of FIG. 7A is turned over and is transferred to an element comprising a substrate 120 and an oxide layer 121, the transfer is done for example by molecular sealing or by eutectic sealing.
  • the substrate 100 and the oxide layer 102 are removed, for example by etching and / or grinding.
  • the layer is formed to form the articulation system, for example by partial etching so as to retain at least one articulation element.
  • the slides were preferably made during the previous etching, corresponding to FIG. 5D.
  • a trench 122 is made that opens onto the oxide layer 121 in order to delimit the articulation element 8.
  • the structure is released by etching the oxide layer 121, the protective layer 106 of the sensitive element is also removed.
  • the hinge member is integral with the first portion and the second portion.
  • FIGS. 8A to 8E another example of a method for producing a device according to the invention can be seen.
  • the articulation element is in one piece with the first part and the second part.
  • a substrate 123 for example made of silicon, is formed to form the articulation system, both the articulation element and the blades 10.
  • the substrate is etched from its base. front face, for example by DRIE.
  • the engraved areas are filled with a material 124 so as to find a flat front face.
  • the material is for example Si0 2 .
  • a mechanochemical polishing of the front face of the substrate is performed to obtain a planar face and to remove the oxide from the surface.
  • a layer 126 for forming the sensitive element is formed on the front face of the substrate.
  • the layer 126 is then structured, for example by photolithography.
  • the rest of the MEMS can be structured simultaneously.
  • the structure is released by removing the filling material 124 for example with hydrofluoric acid.
  • the etching could be used to define the sensing element and the blades 10 and the layer 126 could be used to form the hinge member.
  • FIGS. 9A to 9D another example of a method of producing a device according to the invention can be seen.
  • FIG. 9A an element similar to that of Fig. 5C is prepared by performing the steps described in connection with Figs. 5A-5C.
  • a layer 128 is formed on the front face of the layer 108. It is made of a material different from that of the layer 128 or is surrounded by a layer protecting it from the chemical attacks that will be applied to the substrate.
  • the layer 128 is for example made of AlN, made of piezoelectric material. This layer 128 is for example formed by deposition, for example by a vapor deposition.
  • the layer 128 is structured to form either the sensing element or elements or the articulation elements.
  • the layer 128 is for example structured by photolithography.
  • the layer 108 is etched by deep etching with stopping on the oxide layer 102 and the protective layer.
  • the remaining elements are fine so as to delimit sufficiently large openings to perform the deep etching.
  • the layer 108 then comprises trenches 130.
  • the blade or blades 10 (not shown) are formed during this step.
  • the layer portions 106 between the trenches are removed for example by isotropic etching.
  • the elements of the layer 128 forming the articulation elements or the sensitive elements are then released.
  • the protective layer and the oxide layer 104 are removed to release the structure, for example by hydrofluoric acid.
  • the present invention there is therefore a MEMS device and / or NEMS articulated out-of-plane movement with a high conversion efficiency. This is particularly suitable for producing off-plane displacement sensors and for producing off-plane actuators.

Landscapes

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Abstract

Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie (2) et une deuxième partie (4) articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation contenu dans un plan moyen du dispositif, un élément d'articulation (8) reliant la premier partie (2) et la deuxième partie (4) et sollicité en flexion, un élément sensible s'étendant entre la première partie (2) et la deuxième partie (4) et se déformant lors du déplacement de la deuxième partie (4), deux lames (10) s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation (Y), les lames (10) étant disposées entre l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible et reliant à la première partie (2) et à la deuxième partie (4) et étant sollicitées en torsion lors du déplacement de la deuxième partie (4).

Description

DISPOSITIF MICROELECTROMECANIQUE ET/OU NANOELECTROMECANIQUE ARTICULÉ
A DEPLACEMENT HORS-PLAN
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un dispositif microélectromécanique et/ou nanoélectromécanique articulé à déplacement hors-plan.
Les systèmes microélectromécaniques ou M EMS (Microelectromechanical Systems en terminologie anglo-saxonne) et/ou nanoélectromécaniques NEMS (Nanoelectromechanical Systems en terminologie anglo- saxonne) comportent généralement au moins une partie mobile par rapport à un substrat. Cette pa rtie mobile peut avoir un mouvement hors-plan, i.e. da ns une direction orthogonale au plan du substrat.
La partie mobile peut être articulée par rapport au substrat par une articulation type charnière, la partie mobile pivote alors autour de l'axe de la charnière par rapport au substrat.
Le déplacement hors-plan de la partie mobile est de plus en plus utilisé dans les capteurs. I l est par exemple utilisé dans les capteurs multiaxes. Par exemple les centrales inertielles peuvent comporter jusqu'à 10 axes de mesure : trois accéléromètres, trois gyromètres, trois magnétomètres et un capteur de pression, pour pouvoir détecter les mouvements dans les trois directions.
Le déplacement de la partie mobile doit être détecté et mesuré. De manière très courante, une ou plusieurs jauges de contrainte sont mises en œuvre, par exemple une ou des jauges piézoélectriques ou piézorésistives.
L'articulation formant charnière est par exemple obtenue au moyen de deux lames s'étendant perpendiculairement au plan du dispositif, dont un bord est relié à la partie mobile et un bord opposé est relié au substrat. Les lames se déforment en torsion autour d'un axe parallèle au plan et définissent l'axe de rotation, permettant à la partie mobile d'avoir un mouvement de rotation hors-plan. Afin de réaliser un bras de levier, on cherche à réaliser un système jauge-charnière présentant un bon rendement afin de récupérer un signal maximal au niveau de la jauge.
Pour cela, on cherche à avoir :
une charnière dont la raideur angulaire est très inférieure à celle induite par la compression de la jauge lors de la rotation, de sorte que l'énergie perdue dans la déformation de la charnière est inférieure, et avantageusement, négligeable par rapport à l'énergie utile servant à la compression de la jauge.
une charnière dont la résistance vis-à-vis de la compression est très supérieure à celle de la jauge afin que le bras de levier tourne autour de la charnière en compressant la jauge, et non l'inverse
Afin de remplir la première condition on souhaiterait réduire la largeur et/ou augmenter la longueur des lames sollicitées en torsion, mais pour satisfaire la deuxième condition on souhaiterait augmenter cette largeur. Lorsqu'on modifie la largeur et/ou la longueur des lames sollicitées en torsion, les raideurs angulaires et de compression sont impactées dans les mêmes proportions. On ne peut pas décorréler l'évolution de la raideur angulaire et de l'évolution de la raideur de compression, la réalisation de cette charnière résulte d'un compromis. Lorsqu'on assouplit les lames, on constate une augmentation de l'énergie perdue dans la compression de la charnière. Lorsqu'on durcit les lames, on constate une augmentation de l'énergie perdue dans la déformation des lames.
Ces deux pertes d'énergie se font au détriment de la compression de la jauge.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif articulé n microélectromécanique et/ou nanoélectromécanique à déplacement hors-plan en rotation offrant un haut rendement de conversion.
Le but de la présente invention est atteint un dispositif articulé comportant une première partie et une deuxième partie mobile par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation, au moins la deuxième partie s'étendant entre un premier et un deuxième plans parallèles, au moins une lame s'étendant perpendiculairement au premier plan et au deuxième plan et parallèlement à l'axe de rotation, ladite au moins une lame reliant la première partie et la deuxième partie, la lame étant destinée à se déformer au moins en torsion lors du déplacement en rotation de la deuxième partie par rapport à la première partie. Le dispositif comporte au moins un élément d'articulation sous forme de lame reliant la première partie et la deuxième partie, de sorte que la première partie et la deuxième partie soient articulées en rotation autour d'un axe parallèle au premier plan. Le dispositif comporte également au moins un élément sensible au déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, ledit élément sensible étant suspendu entre la première partie et la deuxième partie. Là au moins une lame déformée en torsion est disposée entre l'élément d'articulation et l'élément sensible.
De manière avantageuse, la deuxième partie présente une dimension dans une première direction orthogonale aux premier et deuxième plans très supérieure aux dimensions selon la première direction de l'élément d'articulation et de l'élément sensible.
Par exemple dans le cas d'un accéléromètre, la seconde partie forme par exemple la masse inertielle à déplacement hors-plan. Elle présente une grande épaisseur et forme un bras de levier rigide, limitant les pertes d'énergie dans la déformation de celle-ci. L'élément sensible peut être une jauge de contrainte, l'élément d'articulation sous forme de lame présente une raideur angulaire bien inférieure à celle induite par la compression de l'élément sensible. Ainsi, la part d'énergie servant à déformer la charnière est bien inférieure à la part utile, servant à compresser la jauge. La charnière pourra avantageusement être réalisée par une ou plusieurs lames reliant la partie fixe du MEMS au bras de levier. La somme des sections de ces lames sera alors dimensionnée pour que la charnière présente une raideur de compression bien supérieure à celle des jauges. Ainsi, l'énergie résultant du déplacement de la deuxième partie compresse préférentiellement les jauges plutôt que la charnière, de sorte que le bras tourne autour de l'articulation en compressant les jauges, la compression des jauges étant négligeables. L'axe de rotation est alors au plus près de l'élément d'articulation voire dans l'élément d'articulation.
La jauge est avantageusement fine ce qui permet de concentrer les contraintes et ainsi amplifier le signal.
Les lames de torsion apportent une grande raideur dans la direction hors-plan et leur raideur en torsion est négligeable par rapport à celle due à l'étirement/compression de la jauge lors du déplacement en rotation de la seconde partie.
En outre, en mettant en œuvre une charnière sous forme de lame déformée en flexion, on obtient une grande rigidité en compression et une faible rigidité angulaire.
Les lames aptes à se déformer en torsion limitent les déplacements hors-plans voire les annulent, ce que n'est pas apte à faire l'élément d'articulation très fin. En outre les lames présentent une raideur angulaire faible du fait de leur faible épaisseur, ainsi elles n'ont pas ou peu d'influence sur le rendement du dispositif.
L'articulation apte à se déformer en flexion limite les déplacements dans le plan voire les annulent. En outre, cet élément présente une raideur angulaire limitée du fait de son épaisseur faible.
La combinaison des lames aptes à se déformer en torsion bloquant les mouvements hors plan et de l'articulation bloquant les mouvements dans le plan forme une charnière dont l'axe de rotation se situe sensiblement à l'intersection des plans moyens des lames et de l'articulation apte à se déformer en flexion.
En d'autres termes, on sépare les fonctions en réalisant d'une part la fonction de tenue au mouvements dans le plan au moyen d'un élément fin orienté de sorte à présenter une très faible raideur angulaire et une forte raideur en compression et en réalisant d'autre part la fonction de tenue aux mouvements hors-plans par des lames fines orientées de sorte à présenter une très faible raideur angulaire . Chaque élément compense la grande souplesse de l'autre dans sa direction de plus grande souplesse. On peut alors optimiser chacun des éléments séparément. De manière avantageuse, le plan de plus grande rigidité des lames aptes à se déformer en torsion est orthogonal au plan de plus grande rigidité de l'articulation apte à se déformer en flexion.
De manière avantageuse, l'élément sensible est en matériau piézorésistif ou piézoélectrique. Lorsque l'élément sensible est un matériau piézoélectrique, le dispositif peut être un actionneur hors-plan en polarisant le matériau piézoélectrique.
Ceci limite les pertes d'énergie et fixe l'axe de rotation le plus près possible du centre de ces lames.
La présente invention a alors pour objet un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie, une deuxième partie, la deuxième partie étant articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation contenu dans un plan parallèle à un plan moyen du dispositif, au moins un élément d'articulation reliant la premier partie et la deuxième partie et sollicité en flexion, au moins un élément sensible s'étendant entre la première partie et la deuxième partie et étant destiné à se déformer lors du déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, au moins une lame s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation, ladite au moins une lame reliant la première partie et à la deuxième partie et étant destinée à être sollicitée en torsion lors du déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, ladite au moins une lame étant disposée entre l'élément d'articulation et l'élément sensible le long d'une direction orthogonale au plan moyen du dispositif.
La caractéristique «ladite au moins une lame étant disposée entre l'élément d'articulation et l'élément sensible, le long de l'axe orthogonal au plan moyen » signifie que la lame, l'élément d'articulation et l'élément sensible sont disposés dans des plans distincts répartis le long de cette direction, et qu'en regardant dans cette direction la lame est entre l'élément d'articulation et l'élément sensible. Cette caractéristique n'est pas limitée à une superposition la lame, l'élément d'articulation et l'élément sensible le long de cette direction. De préférence, l'élément d'articulation présente une raideur angulaire très faible par rapport à celle engendrée par l'élément sensible et une raideur en compression très grande par rapport à celle de l'élément sensible.
L'élément d'articulation présente avantageusement une dimension dans une direction perpendiculaire au plan moyen du dispositif faible par rapport à celle dans la direction de l'axe de rotation.
La deuxième partie présente avantageusement une dimension selon une direction orthogonale au plan moyen du dispositif articulé très importante par rapport à celle de l'élément d'articulation et l'élément sensible.
De préférence, le dispositif comporte deux lames (10) sollicitées en torsion.
Dans un exemple de réalisation, l'élément d'articulation et/ou l'élément sensible est ou sont d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Le dispositif MEMS et/NEMS articulé peut comporter plusieurs éléments d'articulation parallèles les uns aux autres et/ou plusieurs éléments sensibles parallèles les uns aux autres.
La présente invention a également pour objet un capteur MEMS et/ou
NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'invention, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique, un matériau piézoélectrique ou une jauge résonante.
La présente invention a également pour objet un actionneur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'invention, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant, à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde , a) la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b) la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
c) la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection,
d) la formation d'une tranchée au droit de la couche de protection et débouchant sur ladite couche de protection,
e) le bouchage au moins partiel de ladite tranchée, f) la formation du au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion, g) la libération du dispositif articulé.
Le bouchage au moins partiel de la tranchée peut comporter l'obturation complète de la tranchée au niveau d'une extrémité ouverte ou la formation de couche sur des parois de la tranchée.
De préférence la deuxième couche épaisse est formée par épitaxie. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant après l'étape d),
- le report sur un élément comportant au moins une troisième couche épaisse de semi-conducteur et une deuxième couche d'oxyde de sorte que la deuxième couche épaisse et la deuxième couche d'oxyde soient en contact,
- le retrait de la première couche épaisse et de la première couche d'oxyde,
- la structuration de la deuxième couche épaisse de sorte à former le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention comportant, à partir d'un substrat épais : - la réalisation d'une tranchée de sorte à délimiter le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion,
- le remplissage complet de ladite tranchée par un matériau,
- la formation d'une couche sur le matériau remplissant la tranchée et sur le substrat,
- la structuration de ladite couche de sorte à délimiter le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
- le retrait du matériau remplissant la tranchée.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde,
a') la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b') la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
c') la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection,
d') la formation d'une couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
e') la structuration de ladite couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, pour former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
f) la gravure profonde de la deuxième couche épaisse jusqu'à atteindre la couche de protection et la première couche d'oxyde,
g') la libération du dispositif. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective partielle de dessous du dispositif de la figure 1, le substrat n'étant pas représenté,
- la figure 3 est une vue en coupe du dispositif des figures let 2 selon le plan de coupe A,
- la figure 4 est une vue en perspective de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention dans lequel la liaison charnière met en œuvre plusieurs éléments d'articulation,
- les figures 5A à 51 sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention,
- la figure 5J est une vue en perspective du dispositif obtenu à la figure
51,
- les figures 6A à 6D sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 6E est une vue en perspective du dispositif obtenu à la figure
6D,
- les figures 7A à 7E sont deux vues en coupe dans des plans différents, représentées schématiquement de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 8A à 8D sont des vues en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - les figures 9A à 9D sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur les figures 1 à 3, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention.
Le dispositif comportant une première partie 2 et une deuxième partie 4 mobile l'une par rapport à l'autre. Par exemple la première partie 2 est fixe par rapport à un substrat 3 d'une structure MEMS et/ou NEMS. Les première et deuxième parties sont disposées l'une à côté de l'autre et un système d'articulation 6 relie la première partie 2 et la deuxième 4 de manière articulée autour d'un axe de rotation Y.
La structure MEMS comporte un plan moyen par rapport auquel sont définis les déplacements dans le plan et les déplacements hors-plan.
Les première et deuxième parties 2, 4 s'étendent entre deux plans PI, P2 parallèles au plan moyen P de la structure.
La première partie 2 comporte une première face 2.1 contenue dans le plan PI et une deuxième face 2.2 contenue dans le plan P2. La deuxième partie 4 comporte une première face 4.1 contenue dans le plan PI et une deuxième face 4.2 contenue dans le plan P2.
Dans l'exemple représenté, le système d'articulation 6 comporte un élément d'articulation 8 sous forme de bande mince s'étendant en la première face 2.1 de la première partie 2 et la première face 4.1 de la deuxième partie 4. L'élément d'articulation 8 s'étend le long d'un axe X et forme une charnière définissant sensiblement l'orientation et l'emplacement de l'axe de rotation Y du système d'articulation. L'axe de rotation est orthogonal à l'axe X. Dans l'exemple représenté, l'élément d'articulation comporte deux portions d'extrémité 8.1, 8.2 en contact respectivement avec les faces 2.1 et 4.1 et une portion centrale 8.3 reliant les deux portions d'extrémité 8.1 et 8.2 et disposé dans un plan P3 parallèle et distinct du plan Pl. Mais ceci n'est en aucun cas limitatif, un élément d'articulation plan ne sortant pas du cadre de la présente invention.
Par ailleurs un dispositif, dans lequel l'élément d'articulation serait d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie, ne sort pas du cadre de la présente invention.
L'épaisseur de l'élément d'articulation 8 dans une direction Z perpendiculaire aux plans PI et P2 est suffisamment petite pour que la raideur angulaire induite par la déformation de la bande soit très inférieure à celle induite par la compression d'un élément sensible qui sera décrit par la suite. L'énergie mettant en mouvement la deuxième partie sert donc principalement à déformer l'élément sensible et non l'élément d'articulation. En outre, l'élément d'articulation offre une raideur de compression/étirement le long de l'axe X très grande, de sorte que l'emplacement de l'axe de rotation Y soit bien défini est ainsi situé au plus près de l'élément d'articulation. L'épaisseur de l'élément d'articulation est par exemple comprise entre 100 nm à quelques μιη.
En variante comme cela est représenté sur la figure 4, le dispositif peut comporter plusieurs éléments d'articulation disposés parallèlement les uns par rapport aux autres et parallèles à l'axe X entre la première partie et la deuxième partie et répartis le long de l'axe Y. Les sections des éléments d'articulation seront choisies de sorte que leur somme présente une raideur de compression très supérieure à celle de l'élément sensible.
Pour donner un ordre de grandeur : la compression d'une jauge de 250 nm2 x 5μιη, placée à 10 μιη de l'axe de rotation correspond à la raideur angulaire :
Ceau = keaud2 = E ΙΟμηι2 = 2,l(T7N. m
La raideur de la jauge est :169MPa [250nm] = 2kN. m-1
J b 5μπι
De préférence, le ou les éléments d'articulation présentent une épaisseur faible.
En effet, la raideur angulaire d'une charnière formée de plusieurs éléments d'articulation parallélépipédique perpendiculaires à l'axe de rotation vaut : c *3 ( t3 · épaisseur des éléments d'articulation Chinge = — j wh : largeur cumulée des éléments d articulation h In '· longueur des éléments d'articulation
E sd
r = i
^hinge Q /
5 Lh
avec s : la section cumulée des éléments d'articulation.
La raideu pression de cette même charnière vaut :
Il sera compris que la largeur cumulée des éléments d'articulation peut être différente de celle des éléments sensibles.
Par conséquent, en mettant en œuvre des éléments d'articulation présentant une épaisseur faible et une grande largeur afin de présenter des sections s importantes, on peut obtenir des éléments d'articulation présentant une raideur en compression élevée et une raideur angulaire faible. Le rapport t3/wh est par exemple compris entre 1 à 100.
L'axe d'articulation Y définit par l'élément d'articulation est situé au plus près de l'élément d'articulation, voire dans l'élément d'articulation.
Le système d'articulation comporte également une paire de lames 10 interposée entre la première partie 2 et la deuxième partie 4 et s'étendant sensiblement dans un plan orthogonal aux plans PI et P2 et contenant l'axe Y.
Chaque lame 10 est telle qu'elle comporte un bord latéral 10.1 s'étendant entre les plans PI et P2 relié à la première partie et l'autre bord latéral 10.2 solidaire de la deuxième partie. Les lames sont disposées sensiblement dans un même plan R orthogonal au plan PI et P2 et contenant l'axe de rotation Y. En outre, les lames sont disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal X.
L'axe de rotation se situe sensiblement à l'intersection du plan moyen R des lames 10 et du plan moyen de l'élément d'articulation 10.
La première partie 2 comporte une extrémité longitudinale 2.3 en regard d'une extrémité longitudinale 4.3 de la deuxième partie.
Dans l'exemple représenté, la première partie 2 comporte deux portions latérales 12 en saillie et la deuxième partie 4 comporte une portion centrale 14 en saillie. En outre, l'extrémité longitudinale 2.3 comporte un évidement central 16 correspondant sensiblement à la portion centrale 14 et l'extrémité longitudinale 2.4 comporte deux évidements latéraux 18 correspondant sensiblement aux portions latérales 12.
Le bord latéral extérieur 10.1 est relié à l'une des portions latérales 12 de la première partie 2 et le bord latéral intérieur 10.2 est relié à la portion centrale 14 de la deuxième partie. Dans l'exemple représenté, les lames sont d'un seul tenant avec la première portion et la deuxième portion.
La structure particulière des lames et de leur connexion aux première et deuxième parties de la figure 1 est donnée uniquement à titre d'exemple et n'est en aucun cas limitatif. Par exemple une structure sans évidement 16 et portion centrale 14 ne sort pas du cadre de la présente invention.
Les lames 10 sont aptes à se déformer en torsion et permettent de limiter voire interdire les déplacements hors-plan, i.e. le long de l'axe Z, de la deuxième partie 4.
Ainsi la deuxième partie a un déplacement en rotation sensiblement pur autour de l'axe Y.
Les lames 10 n'interviennent pas ou très peu dans la définition de l'emplacement de l'axe de rotation Y.
Un dispositif ne comportant qu'une seule lame 10 ne sort pas du cadre de la présente invention.
Le dispositif articulé comporte également un élément sensible 20 disposé à l'opposé de l'élément d'articulation par rapport aux lames 10.
Dans la représentation sur la figure 3, l'élément d'articulation est situé au-dessus de l'élément sensible.
L'élément sensible 20 peut être une jauge de contrainte permettant de détecter le déplacement en rotation entre la première partie et la deuxième partie et de mesurer ce déplacement. Elle peut être en un matériau piézorésistif ou piézoélectrique. En variante, l'élément sensible pourrait comporter au moine une poutre résonante pour réaliser une détection résonante. En variante, il peut former un actionneur et peut être en matériau piézoélectrique.
Dans l'exemple représenté, l'élément d'articulation et l'élément sensible sont disposés l'un au-dessus de l'autre dans la direction Z, mais un dispositif dans lequel l'élément sensible et l'élément d'articulation ne seraient pas superposés selon la direction Z ne sort pas du cadre de la présente invention.
Dans le cas d'une jauge de contrainte, l'épaisseur de la jauge dans la direction Z est faible, permettant de concentrer les contraintes et amplifier le signal. Par exemple l'épaisseur est comprise entre une centaine de nm et quelques μιη. Dans le cas où l'élément sensible servirait d'actionneur, l'épaisseur de l'élément sensible serait par exemple également comprise entre une centaine de nm et quelques μιη.
Dans l'exemple représenté, l'élément sensible 20 comporte une face contenue dans le plan P2.
De préférence la deuxième partie présente une rigidité importante par rapport à celle de l'élément sensible. Pour cela, la deuxième partie a une épaisseur selon la direction Z très grande par rapport à celle de l'élément sensible, par exemple comprise entre quelques μιη et quelques dizaines de μιη pour une épaisseur de l'élément sensible comprise entre une centaine de nm et quelques μιη. Ainsi, la deuxième partie 4 ne se déforme pas ou peu et l'énergie est transmise à l'élément sensible.
En choisissant une deuxième partie épaisse, on dispose d'une deuxième partie rigide et on augmente le gain en énergie. Néanmoins le gain sur l'effet bras de levier est réduit. En effet, dans un cas idéal, le gain du bras de levier est égal à la longueur du bras divisée par l'épaisseur de la deuxième partie.
On choisit alors de préférence une distance entre les faces 4.1 et 4.2 de la deuxième partie 4 très grande par rapport à l'épaisseur de l'élément sensible. Le rapport entre l'épaisseur de l'élément sensible et celle de la deuxième partie est de préférence compris entre 10 à 1000.
Plusieurs éléments sensibles disposés parallèlement les uns par rapport aux autres entre la première partie et la deuxième partie et répartis le long de l'axe Y pourraient également être prévus. Il pourrait être prévu que le ou les éléments sensibles ne comportent pas de face contenue dans le plan P2 mais qu'ils soient situés entre le plan P2 et le bord inférieur des lames 10. Dans ce cas le gain du bras de levier serait un peu augmenté.
Comme nous le verrons par la suite, le ou les éléments d'articulation et/ou le ou les éléments sensibles et/ou la première et ou la deuxième partie peuvent être réalisés dans un même matériau ou des matériaux différents.
De préférence, la deuxième partie présente une dimension selon l'axe Z très supérieure à celle de l'élément sensible et à celle l'élément d'articulation, offrant un dispositif articulé à fort rendement. Les lames 10 sont telles qu'elles ont un effet réduit sur le rendement. En effet, la raideur en compression des plusieurs jauges parallélépipédiques perpendiculaires à l'axe de rotation vaut :
rtx ·. épaisseur de la couche « gauges »
tlWg
Kqauae = E { wg : largeur cumulée des jauges
lg · longueur des jauges
la raideur angulaire induite au niveau de l'élément d'articulation par ces même jauges est égale à la raideur en compressi s jauges, multipliée par le carré de leur excentricité :
Pour réaliser un dispositif articulé à fort rendement, la raideur en compression de l'articulation est choisie très supérieure à celles des éléments sensibles, et la raideur angulaire de l'articulation est choisie très inférieure à celle induite par la compression des éléments sensibles lors de la rotation de la deuxième partie.
Ceci peut se traduire par :
(-0 ^hinge ^gauge
(2) Chinge ^ ^gauge ( 2 2 )
en résulte: 1 « « ( l^lîi)
Ainsi choisissant une épaisseur de la deuxième partie t2 très supérieure à celle tlt du ou des éléments d'articulation, et à celle du ou des éléments sensibles t3 on peut obtenir un dispositif articulé présentant un fort rendement. Le fonctionnement du dispositif articulé va maintenant être décrit.
Considérons le cas dans lequel le dispositif articulé forme un capteur de déplacement, par exemple un accéléromètre. La deuxième partie 4 forme une masse inertielle sensible aux accélérations dans la direction Z. Lorsqu'une telle accélération s'applique à la deuxième partie 4, celle-ci a un mouvement sensiblement pur de rotation autour de l'axe Z, puisque les lames 10 du fait de leur dimension importante le long de l'axe Z offre une rigidité importante le long de l'axe Z. Mais du fait de leur faible épaisseur dans la direction X, elles sont aptes à se déformer en torsion, leur raideur en torsion étant négligeable par rapport à celle due à l'étirement/ la compression de l'élément sensible. Cette raideur en torsion est également suffisamment faible pour avoir peu d'influence, voire pas d'influence sur la rotation de la deuxième partie.
L'élément sensible est alors étiré. Dans le cas d'un élément sensible en matériau piézorésistif, un étirement de celui-ci provoque une modification de sa résistance électrique. En polarisant l'élément sensible, on peut détecter et mesurer la variation de résistance électrique qui est proportionnelle au déplacement angulaire de la deuxième partie autour de l'axe Y.
Du fait du choix des épaisseurs entre l'élément d'articulation, l'élément sensible et la deuxième partie, l'énergie du déplacement de la deuxième partie est en grande partie utilisée pour déformer l'élément sensible.
Considérons le cas dans lequel le dispositif articulé forme un actionneur.
L'élément sensible est par exemple en matériau piézoélectrique. En polarisant l'élément, celui-ci se dilate ou se comprime par effet piézoélectrique, ce qui génère une force qui s'applique à la deuxième partie qui va pivoter autour de l'axe Y. Du fait de la faible raideur angulaire de l'élément charnière, le déplacement en rotation est rendu plus efficace d'un point de vue énergétique.
Des exemples de procédé de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention vont maintenant être décrits.
Sur les figures 5A à 5J, on peut voir des représentations schématiques de vues de dessus et en coupe d'éléments obtenus au cours de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation selon l'invention. Ce procédé est notamment adapté à la réalisation d'un dispositif de la figure 6.
Dans cet exemple, on part d'un substrat silicium sur isolant ou SOI (Silicon On Insulate en terminologie anglo-saxonne) comportant un substrat en silicium 100, une couche d'oxyde de silicium 102 et une couche de silicium monocristallin 104 d'épaisseur par exemple comprise entre 100 nm et quelques μιη, par exemple égale à 250 nm.
Lors d'une première étape, on réalise dans la couche 104 la ou les éléments sensibles 8 par photo-lithogravure.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5A.
Lors d'une étape suivante, une couche de protection 106 est formée sur le ou les éléments sensibles 20. Cette couche est par exemple en Si02. La couche de protection 106 sert à protéger le ou les éléments sensibles des différentes gravures.
La couche de protection 106 est par exemple réalisée par un dépôt de Si02 sur toute la couche 104 et une étape de photo-lithogravure est réalisée pour limiter la surface de la couche 106 à la zone comportant le ou les éléments sensibles, la couche 104 est découverte autour de la couche 106. Une étape de polissage avant la photo- lithogravure peut être effectuée.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5B.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche de silicium 108 sur la couche de protection 106 et sur la zone découverte de la couche 104. La couche 108 est destinée à former la première partie 2 et la deuxième partie 4. La couche 108 est par exemple réalisée par épitaxie ou dépôt de silicium polycristallin Elle présente par exemple une épaisseur de 20 μιη.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5C.
Lors d'une étape suivante, on réalise une tranchée 109 dans la couche 108 pour former le système d'articulation et séparant la première partie 2 et la deuxième partie 4, au droit de la couche 106. Il s'agit par exemple d'une gravure ionique réactive profonde ou DRIE (Deep Reactive Ion Etching en terminologie anglo-saxonne).
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5D. Lors d'une étape suivante, on forme une couche d'oxyde 110 sur les flancs de la zone gravée. La couche 110 est par exemple formée par oxydation thermique ou par dépôt d'oxyde conforme.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5E.
Lors d'une étape suivante, on retire l'oxyde formé sur la face libre de la couche 110, par exemple par polissage mécanochimique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5F.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche 112 pour former le ou les éléments d'articulation. Il s'agit par exemple d'une couche de silicium polycristallin. La couche 112 est destinée à remplir la tranchée 109. La couche 112 est par exemple formée par dépôt physique en phase vapeur ou PVD (Physical Vapor Déposition en terminologie anglo-saxonne). Un dépôt conforme est ainsi réalisé.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5G.
Lors d'une étape suivante, on réalise une gravure 113 de sorte à délimiter le MEMS, il s'agit par exemple d'une gravure profonde. On grave également la couche 112 pour former le ou les éléments d'articulation. Des trous sont également formés dans les parties destinées à être mobiles afin de permettre le passage du fluide destiné à les libérer.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 51.
Lors d'une étape suivante, on libère la structure. Pour cela on grave l'oxyde 110, la couche de protection 106 et l'oxyde 102 par exemple au moyen d'acide fluorhydrique.
Sur la figure 5J, on peut voir l'élément d'articulation 8 et l'élément sensible 20 et la deuxième partie 4 suspendue par l'élément d'articulation 8 et l'élément sensible 20. La deuxième partie 4 est également suspendue par les lames 10 (non représentées). L'élément d'articulation 8 est situé au-dessus de l'élément sensible 20 dans la représentation de la figure 5J.
Il résulte de ce procédé de réalisation, l'élément d'articulation comporte un pied 114 s'étendant selon l'axe Z entre la première partie et la deuxième partie, mais le pied n'intervient pas dans le fonctionnement du système d'articulation. Les lames 10 ne sont pas en contact avec le pied 114. Il pourrait être prévu que l'élément d'articulation comporte plusieurs pieds répartis dans la direction X sans modifier le fonctionnement du système d'articulation.
Il sera compris que la réalisation des éléments d'articulation et la réalisation des éléments sensibles peuvent être inversées.
Les étapes des figures 5A-5I est particulièrement intéressantes lorsque l'on veut réaliser des domaines électriques isolés les uns des autres sur un même MEMS. Par exemple, on peut envisager que la structure comportant le pied soit assez large pour que le pied 114 ne soit pas libéré de tout l'oxyde qui l'entoure. La partie conductrice supérieure serait alors supprimée lors de la gravure permettant d'obtenir l'élément de la figure 5H. On obtiendrait un empilement Si-Si02-Si-Si02-Si qui assure un maintien mécanique et qui est électriquement isolant. Cette structure serait réalisée entre deux zones que l'on souhaite isoler électriquement et qui seraient des zones autres que des zones articulées l'une par rapport à l'autre car elle ne forme pas une articulation.
En variante, il pourrait être prévu de ne pas former de couche 108 pour former la première partie et la deuxième partie et d'utiliser le substrat 100 du substrat SOI. Pour cela, après l'étape de réalisation du ou des éléments sensibles dans la couche 104, l'élément serait retourné et serait reporté sur un substrat. Une étape de gravure du substrat 10 a ensuite lieu.
En variante encore, on pourrait envisager de ne pas utiliser de substrat
SOI et de former une couche de matériau piézoélectrique directement sur un substrat, par exemple en AIN ou en PZT.
En variante, on peut envisager en partant de l'élément de la figure 5D, de reporter une couche monocristalline qui formera le ou les éléments de liaisons ou le ou les éléments sensibles, le report sera fait par exemple par scellement moléculaire, par exemple Si-SI, Si-Si02 ou Si02- Si02, ou par scellement eutectique, par exemple Or/Si ou Al/Ge.
En variante encore, on peut remplacer le substrat SOI par un substrat standard, dans lequel sont réalisés dans micropiliers, par exemple par photo-lithogravure. Ils sont répartis à la surface du substrat, de sorte que, lors d'un recuit, une fine membrane lors d'un recuit. La membrane est ensuite usinée, par exemple par photo- lithogravure pour obtenir des jauges. Une oxydation, en consommant du matériau de la membrane, permet alors d'obtenir la section de jauge souhaitée et l'oxyde formé sert de couche de protection contre les futures gravures. L'élément ainsi obtenu est similaire à celui de la figure 5B. Les étapes suivantes sont similaires à celles déjà décrite.
Sur les figures 6A à 6D, on peut voir des étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation du dispositif selon l'invention.
Un élément similaire à celui de la figure 5D est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5D.
L'élément est représenté sur la figure 6A.
Lors d'une étape suivante, on réalise une couche d'oxyde 116 sur la couche 108 de sorte à obturer l'extrémité ouverte de la tranchée 109, par exemple par PVD de Si02. Il peut avantageusement être prévu de réaliser préalablement à la couche 116 une oxydation thermique pour reboucher partiellement la tranchée 109.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6B.
Lors d'une étape suivante, on structure la couche 116 de sorte à ne garder qu'une portion 116.1 de couche 116 destinée à la formation du ou des éléments d'articulation. Cette structuration est par exemple obtenue par photo-lithogravure. On peut avantageusement réaliser une gravure chimique pour former les flancs 116.2 de la portion 116.1 légèrement inclinés.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6C.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche 118 pour former le ou les éléments d'articulation. Il s'agit par exemple d'une couche de silicium polycristallin.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6D.
Lors d'une étape suivante, on réalise une structuration de la couche 118 de sorte à délimiter le MEMS, par exemple par une gravure profonde. On structure également la couche 118 pour former le ou les éléments d'articulation. Des trous sont également formés dans les parties destinées à être mobiles afin de permettre le passage du fluide destiné à les libérer. Lors d'une étape suivante, on libère la structure. Pour cela on grave l'oxyde 110, la couche de protection 106 et la couche d'oxyde 102 par exemple au moyen d'acide fluorhydrique.
Sur la figure 6E, on peut voir l'élément d'articulation et l'élément sensible et la deuxième partie suspendue par l'élément d'articulation et l'élément sensible. La partie mobile est également suspendue par les lames 10 (non représentées). L'élément d'articulation 8 est situé au-dessus de l'élément sensible dans la représentation de la figure 6E.
Contrairement au procédé des figures 5A à 5J, l'élément d'articulation n'a pas de pied.
Comme pour le procédé des figures 5A à 5J, il pourrait être prévu de ne pas former de couche 108 pour former la première partie et la deuxième partie et d'utiliser le substrat 100 du substrat SOI. Pour cela, après l'étape de réalisation du ou des éléments sensibles dans la couche 104, l'élément est retourné et est reporté sur un substrat. Une étape de gravure de la couche 100 a ensuite lieu. En variante encore on pourrait envisager de ne pas utiliser de substrat SOI et de former une couche de matériau piézoélectrique directement sur un substrat, par exemple en AIN, PZT.
En variante encore, comme pour le procédé des figures 5A à 5J, il pourrait être prévu de réaliser une membrane fine par recuit.
Le procédé des figures 6A à 6D est particulièrement intéressant lorsque l'on veut réaliser des domaines électriques isolés les uns des autres sur un même MEMS...
Sur les figures 7A à 7E, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Sur la figure 7A, un élément similaire à celui de la figure 5D est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5D.
Lors d'une étape suivante, l'élément de la figure 7A est retourné et est reporté sur un élément comportant un substrat 120 et une couche d'oxyde 121, le report se fait par exemple par scellement moléculaire ou par scellement eutectique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7B. Lors d'une étape suivante, le substrat 100 et la couche d'oxyde 102 sont éliminés, par exemple par gravure et/ou broyage.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7C.
Lors d'une étape suivante on structure la couche pour former le système d'articulation, par exemple par gravure partielle de sorte à conserver au moins un élément d'articulation. Les lames ont été préférentiellement réalisées lors de la gravure précédente, correspondant à la figure 5D. On réalise une tranchée 122 ne débouchant par sur la couche d'oxyde 121 afin de délimiter l'élément d'articulation 8.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7D.
Los d'une étape suivante la structure est libérée en gravant la couche d'oxyde 121, la couche de protection 106 de l'élément sensible est également retirée.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7E.
Dans cet exemple de procédé, l'élément d'articulation est d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Sur les figures 8A à 8E, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Comme pour le dispositif obtenu à la fin du procédé des figures 7A à 7E, l'élément d'articulation est d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Lors d'une première étape on structure un substrat 123, par exemple en silicium, pour former le système d'articulation, à la fois l'élément d'articulation et les lames 10. Pour cela, le substrat est gravé à partir de sa face avant, par exemple par DRIE.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8A.
Lors d'une étape suivante, les zones gravées sont remplies avec un matériau 124 de sorte à retrouver une face avant plane. Le matériau est par exemple du Si02.
De manière avantageuse, un polissage mécanochimique de la face avant du substrat est réalisé pour obtenir une face plane et pour retirer l'oxyde de la surface.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8B.
Lors d'une étape suivante, une couche 126 destinée à former l'élément sensible est formé sur la face avant du substrat. La couche 126 est ensuite structurée, par exemple par photo- lithogravure. Avantageusement, le reste du MEMS peut être structuré simultanément.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8C.
Lors d'une étape suivante, la structure est libérée en supprimant le matériau de remplissage 124 par exemple avec de l'acide fluorhydrique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8D.
En variante, lors de la première étape la gravure pourrait servir à définir l'élément sensible et les lames 10 et la couche 126 pourrait servir à former l'élément d'articulation.
Sur les figures 9A à 9D, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Sur la figure 9A, un élément similaire à celui de la figure 5C est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5C.
Lors d'une étape suivante, une couche 128 est formée sur la face avant de la couche 108. Elle est réalisée en un matériau différent de celui de la couche 128 ou est entourée d'une couche la protégeant des attaques chimiques qui seront appliquées au substrat. La couche 128 est par exemple en AIN, en matériau piézoélectrique. Cette couche 128 est par exemple formée par dépôt, par exemple par un dépôt en phase vapeur.
Lors d'une étape suivante, la couche 128 est structurée pour former soit le ou les éléments sensibles, soit le ou les éléments d'articulation. La couche 128 est par exemple structurée par photolithographie.
Lors d'une étape suivante, la couche 108 est gravée par une gravure profonde avec arrêt sur la couche d'oxyde 102 et la couche de protection. De préférence, lors de l'étape de structuration de la couche 128, les éléments restants sont fins de sorte à délimiter des ouvertures suffisamment importantes pour effectuer la gravure profonde.
La couche 108 comporte alors des tranchées 130. Le ou les lames 10 (non représentées) sont formées lors de cette étape.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9B. Lors d'une étape suivante, les portions de couche 106 entre les tranchées sont éliminées par exemple par une gravure chimique isotrope. Les éléments de la couche 128 formant les éléments d'articulation ou les éléments sensibles sont alors libérés.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9C.
Lors d'une étape suivante, la couche de protection et la couche d'oxyde 104 sont supprimées pour libérer la structure, par exemple par acide fluorhydrique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9D.
Grâce à la présente invention, on dispose donc d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan offrant un haut rendement de conversion. Celui-ci est particulièrement adapté à la réalisation de capteur à déplacement hors-plan et à la réalisation d'actionneurs hors-plan.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie (2), une deuxième partie (4), la deuxième partie (4) étant articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation (Y) contenu dans un plan parallèle à un plan moyen du dispositif, au moins un élément d'articulation (8) reliant la premier partie (2) et la deuxième partie (4) et sollicité en flexion, au moins un élément sensible (20) s'étendant entre la première partie (2) et la deuxième partie (4) et étant destiné à se déformer lors du déplacement de la deuxième partie (4) par rapport à la première partie (2), au moins une lame (10) s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation (Y), ladite au moins une lame (10) reliant la première partie (2) et à la deuxième partie (4) et étant destinée à être sollicitée en torsion lors du déplacement de la deuxième partie (4) par rapport à la première partie (2), ladite au moins une lame (10) étant disposée entre l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible (20) le long d'une direction orthogonale au plan moyen du dispositif.
2. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'articulation (8) présente une raideur angulaire très faible par rapport à celle engendrée par l'élément sensible (20) et une raideur en compression très grande par rapport à celle de l'élément sensible (20).
3. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément d'articulation (8) présente une dimension dans une direction perpendiculaire au plan moyen du dispositif faible par rapport à celle dans la direction de l'axe de rotation (Y).
4. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième partie (4) présente une dimension selon une direction orthogonale au plan moyen du dispositif articulé très importante par rapport à celle de l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible (20).
5. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant deux lames (10) sollicitées en torsion.
6. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément d'articulation (8) et/ou l'élément sensible (20) est ou sont d'un seul tenant avec la première partie (2) et la deuxième partie (4).
7. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant plusieurs éléments d'articulation parallèles les uns aux autres et/ou plusieurs éléments sensibles parallèles les uns aux autres.
8. Capteur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique, un matériau piézoélectrique ou une jauge résonante.
9. Actionneur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique.
10. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, comportant, à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde ,
a) la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b) la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
c) la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection, d) la formation d'une tranchée au droit de la couche de protection et débouchant sur ladite couche de protection,
e) le bouchage au moins partiel de ladite tranchée, f) la formation du au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion, g) la libération du dispositif articulé.
11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel le bouchage partiel de la tranchée comporte l'obturation complète de la tranchée au niveau d'une extrémité ouverte ou la formation de couche sur des parois de la tranchée.
12. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, dans lequel la deuxième couche épaisse est formée par épitaxie.
13. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 10, comportant après l'étape d),
- le report sur un élément comportant au moins une troisième couche épaisse de semi-conducteur et une deuxième couche d'oxyde de sorte que la deuxième couche épaisse et la deuxième couche d'oxyde soient en contact,
- le retrait de la première couche épaisse et de la première couche d'oxyde,
- la structuration de la deuxième couche épaisse de sorte à former le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion.
14. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7 comportant, à partir d'un substrat épais :
la réalisation d'une tranchée de sorte à délimiter le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion, le remplissage complet de ladite tranchée par un matériau,
la formation d'une couche sur le matériau remplissant la tranchée et sur le substrat,
la structuration de ladite couche de sorte à délimiter le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
le retrait du matériau remplissant la tranchée.
15. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, comportant à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde ,
a') la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b') la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
c') la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection,
d') la formation d'une couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
e') la structuration de ladite couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, pour former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
f) la gravure profonde de la deuxième couche épaisse jusqu'à atteindre la couche de protection et la première couche d'oxyde,
g') la libération du dispositif.
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