FR2788386A1 - Procede de fabrication d'un micro-actionneur en utilisant une photolithographie - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un micro-actionneur utilisant la photolithographie. Ses étapes consistent à : agencer une plaque vibrante métallique; former des moules en fines configurations sur la plaque en utilisant une technique de photolithographie dans laquelle une résine photosensible est appliquée et configurée sur la plaque; mélanger une poudre d'oxyde céramique et une solution de sol céramique, de compositions identiques ou semblables, pour préparer une pâte céramique où les dimensions des particules de la poudre ne dépassent pas 5 m, et qui est préparée à partir d'une poudre d'oxyde céramique à base de Pb et Ti par réaction de combustion d'oxydo-réduction non explosive à 100 à 500degreC, la solution de sol céramique étant constituée d'eau ou d'un solvant organique; charger la pâte dans les moules pour former un film piézoélectrique électrostrictif; traiter thermiquement à 100 à 300degreC pour fritter le film; et former une électrode supérieure sur le film. Selon une variante, la plaque vibrante n'est pas électro-conductrice et une électrode inférieure, où la résine est déposée et la photo-lithographie est exécutée, y est formée.
Description
I La présente invention concerne de façon générale un procédé de
fabrication de micro-actionneur qui utilise une photolithographie et
concerne, plus particulièrement, une amélioration du rapport de côtés de -
configurations piézoélectriques électrostrictive et de leurs propriétés d'attache à un substrat, ainsi qu'un procédé correspondant. Un microactionneur est généralement d'une structure empilée dans laquelle une plaque vibrante est sous-jacente à un film piézoélectrique électrostrictif, et deux électrodes sont attachées respectivement à la partie inférieure et à la partie supérieure. Si un champ électrique est appliqué transversalement aux deux électrodes, le film piézoélectrique électrostrictif qui est agencé entre les deux électrodes est soumis à des distorsions et à des restaurations répétitives, ce qui provoque
des vibrations.
Un film piézoélectrique électrostrictif qui sert d'élément piézoélectrique dans un micro-actionneur est classiquement préparé à partir d'une poudre de céramique produite par un procédé en phase solide. Ce procédé, appelé un procédé du type oxyde, comprend un traitement thermique d'un mélange de poudres d'oxydes servant de matières premières, ou de leurs sels fondus, par exemple à 800 à 1200 C, une pulvérisation et un frittage de ces derniers pour produire des poudres céramiques. Les dimensions de particules des poudres céramiques produites par ce procédé classique en phase solide diffèrent selon les dimensions des particules de la poudre de matières premières, et sont relativement grandes, comprises dans une plage de 0,2 à 2 pm, de sorte - que le procédé en phase solide n'est pas adapté à la production de particules céramiques d'une finesse pouvant descendre à des dimensions de 0,1 pm ou moins. De plus, ce procédé classique souffre de l'inconvénient qu'un traitement thermique est effectué à une température élevée, de
1000%C ou davantage.
Des micro-actionneurs sont habituellement fabriqués en utilisant une technique de sérigraphie dans laquelle une pâte céramique est sérigraphiée sur une infrastructure constituée d'une plaque vibrante et d'une chambre, afin de former de fines configurations. De façon détaillée, une pâte céramique est imprimée sur une plaque vibrante au moyen d'un écran et est soumise à une élimination du liant, puis à un frittage de la céramique à 1000:C ou davantage pour former un film piézoélectrique
électrostrictif d'une épaisseur prédéterminée.
Le procédé de sérigraphie est largement utilisé en raison de sa capacité à augmenter le degré d'intégration des micro-actionneurs mais il souffre des inconvénients suivants. En premier lieu, il existe une limite inférieure à l'épaisseur à laquelle le film piézoélectrique électrostrictif peut être imprimé. L'épaisseur minimale à laquelle le procédé classique de sérigraphie peut appliquer le film piézoélectrique électrostrictif est de 5 prm. En d'autres termes, il est difficile de former par le procédé classique de sérigraphie un film
piézoélectrique électrostrictif d'une épaisseur inférieure à 5 pm.
En deuxième lieu, lorsqu'un film épais piézoélectrique électrostrictif est formé, il est difficile de réaliser des configurations à rapport élevé de côtés, ainsi que d'aligner les configurations avec I'infrastructure. La formation de films épais piézoélectriques électrostrictifs est possible en réglant à une épaisseur appropriée le film d'émulsion de l'écran en cours d'utilisation ou en imprimant des pâtes céramiques de façon répétitive: deux fois ou davantage. Mais, au fur et à mesure que la procédure d'impression est répétée, des pâtes céramiques nouvellement ajoutées 16 descendent au-dessus des côtés de configurations formées
précédemment comme représenté à la Fig. 1.
En troisième lieu, lorsqu'un film épais piézoélectrique électrostrictif est formé par impression répétitive de pâtes céramiques, I'historique thermique répétitif peut amener les couches céramiques précédemment formées à être détériorées par effet thermique parce qu'un
traitement thermique est effectué après chaque impression.
En quatrième lieu, si le film piézoélectrique électrostrictif est formé selon des configurations fines, il faut que la largeur des configurations fines soit de 30 pm ou davantage, et il en est de même pour la distance entre elles. En d'autres termes, il est très difficile d'obtenir par le procédé de sérigraphie une configuration de film piézoélectrique
électrostrictif dont les dimensions soient inférieures à 30 pm.
Finalement, il faut tenir compte de la configuration d'écran utilisée et de divers autres facteurs comme la viscosité de la pâte céramique, la pression d'impression, la vitesse d'impression, etc. parce que
les résultats de la sérigraphie dépendent de ces facteurs.
C'est donc un but de la présente invention que de remédier aux problèmes exposés ci-dessus rencontrés dans l'art antérieur et de fournir un procédé de fabrication d'un micro-actionneur au moyen duquel un film piézoélectrique électrostrictif d'une épaisseur souhaitée puisse être formé à des températures relativement basses, un rapport de côtés élevé de configurations fines de film piézoélectrique électrostrictif puisse être
atteint et une électrode supérieure réglée peut être obtenue.
Selon un premier aspect, la présente invention fournit un procédé de fabrication d'un micro-actionneur, en utilisant une photolithographie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: agencer une plaque vibrante métallique; former des moules en fines configurations sur la plaque vibrante métallique en utilisant une technique de photolithographie dans laquelle une résine photosensible est appliquée et configurée sur la plaque vibrante métallique; mélanger une poudre d'oxyde céramique et une solution de sol céramique, de compositions identiques ou semblables, afin de préparer une pâte céramique, les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique étant égales ou inférieures à 5 pm, et qui est préparée à partir d'une poudre d'oxyde
céramique à base de Pb et Ti par une réaction de combustion d'oxydo-
réduction non explosive à 100 à 500 C, la solution de sol céramique étant constituée d'eau ou d'un solvant organique; charger la pâte céramique dasn les moules afin de former un film piézoélectrique électrostrictif; effectuer un traitement thermique à 100 à 300 C pour fritter le film piézoélectrique électrostrictif; et former une électrode supérieure sur le film piézoélectrique
électrostrictif.
Le procédé peut comprendre en outre les étapes consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape de formation des moules, et/ou traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape
de formation de l'électrode supérieure, et/ou.
enlever les moules, après l'étape de formation de l'électrode supérieure. La plaque vibrante métallique peut être en acier inoxydable
ou en nickel.
L'épaisseur de la résine photosensible peut être dans une
plage de 1 à 200 pm.
Les dimensions des particules de la poudre d'oxyde
céramique peuvent être inférieures ou égales à 0,5 pm.
La poudre d'oxyde céramique peut être sélectionnée dans le groupe constitué par un oxyde de PZT, un oxyde de PMN et un oxyde
composite de PZT et de PMN en solution solide.
Dans ce cas, ladite poudre d'oxyde céramique peut comprend en outre au moins un métal sélectionné dans le groupe constitué par le nickel (Ni), le lanthane (La), le baryum (Ba), le zinc (Zn), le lithium (Li), le cobalt (Co), le cadmium (Cd), le cérium (Ce), le chrome (Cr), I'antimoine (Sb), le fer (Fe) I'yttrium (Y), le tantale (Ta), le tungstène (W), le strontium (Sr), le calcium (Ca), le bismuth (Bi), l'étain (Sn) et le manganèse (Mn) et
des mélanges de ceux-ci.
L'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif peut être comprise dans une plage de 1 à 100 pmn et, en particulier
dans une plage de 5 à 30 pm.
L'électrode supérieure peut consister en un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), I'or (Au) et le
platine (Pt).
Selon un deuxième aspect, la présente invention fournit un procédé de fabrication d'un micro-actionneur, en utilisant une photolithographie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: agencer une plaque vibrante; former une électrode inférieure sur la plaque vibrante; former des moules en fines configurations sur l'électrode inférieure en utilisant une technique de photolithographie dans laquelle une résine photosensible est appliquée et configurée sur l'électrode inférieure; mélanger une poudre d'oxyde céramique et une solution de sol céramique, de compositions identiques ou semblables, afin de préparer une pâte céramique, les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique étant égales ou inférieures à 5 pm, et qui est préparée à partir d'une poudre d'oxyde céramique à base de Pb et Ti par une réaction de combustion d'oxydo-réduction non explosive à 100 à 500%C, la solution de sol céramique étant constituée d'eau ou d'un solvant organique; charger la pâte céramique dasn les moules afin de former un film piézoélectrique électrostrictif; effectuer un traitement thermique à 100 à 3000C pour fritter le film piézoélectrique électrostrictif; et former une électrode supérieure sur le film piézoélectrique électrostrictif. Le procédé peut comprendre en outre les étapes consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 300%C après l'étape de formation des moules, et/ou traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape de formation de l'électrode supérieure, et/ou enlever les moules, après l'étape de formation de l'électrode supérieure. Dans ce dernier cas, la plaque vibrante peut être de façon
avantageuse une plaque vibrante de céramique.
Lorsque la plaque vibrante est en céramique, la plaque vibrante de céramique peut être constituée d'une céramique sélectionnée dans le groupe constitué par l'oxyde d'aluminium (AI203), le zircone (ZrO2), le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium
(Si3N4), le dioxyde de silicium (SiO2) et un verre, et/ou.
l'électrode inférieure peut être constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par le platine (Pt), I'argent (Ag), un alliage d'argent/palladium (Ag/Pd), le nickel (Ni), et le cuivre (Cu), et/ou la plaque vibrante de céramique peut être soumise à un traitement thermique à 500 à 15000C, après l'étape de formation de
l'électrode inférieure.
La plaque vibrante conforme au deuxième aspect de la présente invention peut en variante être une plaque vibrante de polymère organique résineux, et dans ce cas, la plaque vibrante de polymère organique résineux peut être constituée d'un polymère sélectionné dans le groupe constitué par les
polyesters, les polyimides et le téflon, et/ou.
l'électrode inférieure peut être constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), I'or (Au)et le platine (Pt), et/ou la plaque vibrante de polymère organique résineux peut être soumise à un traitement thermique à 100 à 300 C, après l'étape de
formation de l'électrode inférieure.
Lorsque le procédé est conforme au deuxième aspect de la présente invention, l'électrode supérieure peut être constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), I'or (Au)et le platine (Pt), et/ou le procédé peut comprendre en outre l'étape consistant à traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape de formation de l'électrode supérieure, et/ou les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique peuvent être égales ou inférieures à 0,5 pm, et/ou la poudre d'oxyde céramique peut être sélectionnée dans le groupe constitué par un oxyde de PZT, un oxyde de PMN et un oxyde
composite de PZT et de PMN en solution solide.
Dans ce dernier cas, ladite poudre d'oxyde céramique peut comprendre en outre au moins un métal sélectionné dans le groupe constitué par le nickel (Ni), le lanthane (La), le baryum (Ba), le zinc (Zn), le lithium (Li), le cobalt (Co), le cadmium (Cd), le cérium (Ce), le chrome (Cr), l'antimoine (Sb), le fer (Fe) I'yttrium (Y), le tantale (Ta), le tungstène (W), le strontium (Sr), le calcium (Ca), le bismuth (Bi), I'étain (Sn) et le
manganèse (Mn) et des mélanges de ceux-ci.
Lorsque le procédé est conforme au deuxième aspect de la présente invention, l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif peut être comprise dans une plage de 1 à 100 pm et,
en particulier, dans une plage de 5 à 30 pm.
Les buts, particularités et avantages de la présente invention
exposés ci-dessus ainsi que d'autres ressortiront davantage de la description
qui suit de modes de réalisation préférés prise en conjonction avec les dessins dans lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique qui illustre le fait que les pâtes céramiques nouvellement ajoutées descendent au-dessus des côtés de configurations précédemment formées, lorsqu'une pâte céramique est appliquée de façon répétitive en utilisant un procédé classique de sérigraphie;
la Fig. 2 est une vue schématique illustrant des processus de -
fabrication d'un micro-actionneur, selon un premier mode de réalisation, dans lequel une plaque vibrante métallique est utilisée comme substrat, et la Fig. 3 est une vue schématique illustrant des processus de fabrication d'un micro-actionneur, selon un autre mode de réalisation, dans lequel une plaque vibrante non électo-conductrice est utilisée comme substrat. La présente invention concerne une technique de photolithographie qui est utilisable pour fabriquer un micro-actionneur constitué d'une plaque vibrante et un film piézoélectrique électrostrictif, o deux électrodes sont attachées respectivement aux parties inférieure et supérieure. Cette photolithographie sera décrite en détails en connexion
avec les dessins annexés.
Pour la plaque vibrante d'un micro-actionneur, il est possible d'utiliser des métaux, des céramiques de silicium, des oxydes métalliques ou des composés organiques. En se référant aux Fig. 2 et 3, ceux-ci représentent des processus de fabrication de micro-actionneurs dans lesquels un métal, et une céramique de silicium ou un composé organique
sont employés respectivement pour la plaque vibrante.
Lorsqu'une plaque métallique 10 est utilisée comme plaque vibrante comme à la Fig. 2, elle peut être constituée de divers alliages, et de préférence d'acier inoxydable ou de nickel. Une épaisseur préférée de la plaque métallique est dans une plage de 3 à 20 pm. Utiliser une plaque métallique offre l'avantage de n'exiger aucune électrode additionnelle parce qu'elle peut intervenir à la fois comme plaque vibrante et comme électrode
en raison de sa capacité de conduction électrique.
En ce qui concerne les plaques 10 de céramique de silicium de la Fig. 3, elles sont de préférence en silicium, en dioxyde de silicium (SiO2), en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de silicium (Si3N4). Des exemples de matières utilisables pour des plaques d'oxydes métalliques
incluent un verre ou un zircone (ZrO2).
Afin d'employer les céramiques de silicium ou les oxydes métalliques pour la plaque vibrante, des boues de leurs poudres d'oxydes sont moulées en feuilles crues qui sont ensuite frittées. En variante, les boues peuvent être formées directement en plaques vibrantes qui sont
ensuite frittées.
A la différence des plaques métalliques, des plaques en
céramiques de silicium ou en oxydes métalliques ne sont pas électo-
conductrices par elles-mêmes, de sorte qu'il faut une électrode inférieure additionnelle lorsque la plaque vibrante est en céramique de silicium, en oxyde métallique ou en un composé organique comme représenté à la Fig. 3. Pour installer une électrode inférieure 20 sur une plaque vibrante non conductrice 10, comme une plaque en céramique de silicium, une plaque en oxyde métallique ou une plaque en composé organique, il est possible d'utiliser une pâte de matière conductrice, par exemple du platine,
de l'argent, un alliage d'argent et de palladium, du nickel ou du cuivre.
Après avoir été appliquée avec soin sur la plaque vibrante 10, l'électrode inférieure 20 est traitée thermiquement à 500 à 1400 C et de préférence à 600 à 1200 C. De ce fait, I'électrode inférieure 20 est fermement attachée
sur la plaque vibrante 10.
Pour une plaque en composé organique, on peut employer une résine polymère comme une résine de polyester, une résine de polyimide, ou une résine de téflon. Lorsqu'une plaque vibrante résineuse est employée dans le micro-actionneur, I'épaisseur du film formé est de
préférence dans une plage de 7 à 50 pm.
Comme les plaques de céramiques de silicium ou d'oxydes métalliques, ces plaques vibrantes résineuses exigent une électrode additionnelle 20, comme représenté à la Fig. 3, puisqu'elles ne sont pas électro- conductrices. A cet effet, I'électrode 20 peut être en argent, en aluminium, en or ou en platine. Pour l'argent, une pâte d'argent à traitement à basse température, commercialisée classiquement, est appropriée. Cette pâte d'argent peut être formée sur l'électrode par une technique d'impression, par exemple un procédé de sérigraphie ou un procédé d'impression au pochoir. En revanche, dans le cas de l'aluminium, de l'or ou du platine, l'électrode est formée par pulvérisation cathodique, dépôt sous vide ou dépôt métallique habituel. L'électrode inférieure 20 est superposée avec soin à la plaque vibrante organique 10 et un traitement thermique à 100 à 300 C est ensuite effectué pour combiner fermement la
plaque vibrante et l'électrode 20.
Une résine photosensible liquide ou une résine photosensible 14 en film sec est déposée ou stratifiée sur la plaque vibrante 10 ou sur l'électrode inférieure 20 au-dessus de la plaque vibrante 10. La résine photosensible 14 peut être d'une épaisseur comprise dans une plage de 1 à 200 pm. La résine photosensible est ensuite configurée pour produire
des moules 14 qui forment une configuration souhaitée.
A cet effet, la résine photosensible 14 est d'abord masquée selon la configuration souhaitée, alignée et exposée à une source de lumière ultraviolette. Lors de l'exposition à la lumière, il faut que l'énergie, égale au produit de l'intensité lumineuse par le temps, soit constante. Après exposition, la résine photosensible est développée au moyen d'une solution de développement. Les types de solutions de développement dépendent des types de résines photosensibles utilisés. Lorsque la résine photosensible est positive, la solution de développement peut être sélectionnée parmi l'hydroxyde de sodium ou NaOH, l'hydroxyde de potassium ou KOH, et des bases organiques, l'eau étant utilisée comme solution de lavage. En revanche, une résine photosensible négative est habituellement développée dans un solvant de Stoddard au xylène et est lavée au moyen de n-butyl
acétate.
Après développement de la résine photosensible exposée, des configurations inutiles de résine photosensible sont enlevées pour
laisser les moules 14 qui forment une fine configuration souhaitée.
Si la pâte céramique utilisée réagit avec la résine photosensible, les moules configurés sont cuits par traitement thermique à à 300 C; dans le cas contraire ils peuvent être utilisés sans traitement thermique. Une matière piézoélectrique électrostrictive 16 est ensuite chargée à une épaisseur souhaitée entre les moules 14 comme représenté
aux Fig. 2 et 3.
On utilise comme matière piézoélectrique électrostrictive 16 une pâte céramique qui est préparée à partir d'un mélange d'une poudre d'oxyde céramique et d'une solution de sol céramique, de compositions
identiques ou similaires.
Afin de préparer la poudre d'oxyde céramique utilisée dans la présente invention, les composant céramiques sont soigneusement dissous dans un solvant afin de donner une solution à laquelle de l'acide citrique est
ajouté en quantité suffisante pour provoquer une réaction de réduction-
oxydation ou rédox avec les anions des éléments composant la céramique, et le mélange résultant à 100 à 500 C est ensuite cuit. En variante, les composants céramiques peuvent être dispersés uniformément dans un dispersant, au lieu d'être dissous dans le solvant. Ultérieurement, de l'acide
citrique est ajoutée au dispersant et une cuit est effectuée comme ci-
dessus. Un traitement thermique à 700 à 900 C peut facultativement être
en outre effectué pour améliorer la cristallinité de la poudre.
Des matières premières des composants céramiques peuvent prendre la forme d'oxydes, de carbonates, de nitrates, de sels organiques
ou inorganiques, ou de complexes.
Selon la présente invention, ce sont des éléments céramiques piézoélectriques électrostrictifs à base de Pb/Ti qui sont utilisés comme composants céramiques. Il s'agit de préférence de ceux qui comprennent un groupe constitué de plomb ou Pb, de zirconium ou Zr, de titane ou Ti, d'o la désignation abrégée d'oxyde de PZT pour la céramique, ou d'un groupe constitué de plomb ou Pb, de magnésium ou Mg, et de niobium ou
Nb, d'o la désignation abrégée d'oxyde de PMN pour la céramique.
Comme mentionné précédemment, les composants céramiques ou leurs matières premières sont dissous ou dispersées dans un solvant ou dispersant. Par conséquent, le solvant ou le dispersant doit pouvoir dissoudre et disperser les composants ou les matières premières. Il peut s'agir d'eau ou d'un solvant organique sélectionné parmi le diméthyl
formamide, le méthoxy éthanol, l'acide acétique, des glycols et des alcools.
Au cours de la préparation de la poudre d'oxyde céramique, l'acide citrique sert d'aide à la combustion. Dans des procédés classiques, l'acide citrique est utilisé non pas comme aide à la combustion mais comme agent complexant pour permettre une réaction homogène. Le procédé de Pechini par exemple met à profit l'acide citrique. Mais la présente invention utilise tant la combustibilité que l'effet complexant de l'acide citrique de façon à mettre en oeuvre une réaction de combustion à une cadence réglée. L'acide citrique est ajouté à la solution ou à la dispersion des composants céramiques. La quantité d'acide citrique ajoutée doit être d'un niveau égal ou supérieur à celui qui permet l'apparition d'une réaction de combustion par oxydo-réduction avec les anions des composants céramiques. L'allure de la réaction peut être réglée par la quantité d'acide
citrique ajoutée.
Le mélange des composants céramiques et de l'acide citrique est cuit à une température de 100 à 5000c. Puisque la température de cuisson est plus élevée, la cristallinité de la phase céramique obtenue est encore davantage améliorée. Mais une température de 100 C est suffisamment élevée pour lancer la réaction de combustion de l'acide citrique tandis qu'une température supérieure à 5000C, bien qu'elle induise suffisamment la réaction, n'offre aucun avantage par rapport à des
procédés classiques. De préférence, la cuisson est effectuée à 150 à 300 C.
Cette plage de températures est basse, de façon appropriée, tout en permettant certainement la formation de la cristallinité de la phase céramique. Pendant la réaction de combustion, l'acide citrique est enlevé et un oxyde céramique est formé sans dispersion parce que la réaction n'est pas explosive. De plus, les ingrédients qui ne sont pas les composants céramiques sont enlevés de la réaction de combustion, de sorte qu'une
poudre pure d'oxyde céramique, exempte d'impuretés, est formée.
Les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique ainsi préparée sont de 5 pm ou moins, et de préférence de 1 pm ou moins, la répartition des dimensions de particules étant uniforme. La particule primaire de cette poudre est en forme de corps indépendant ou d'agrégat souple. De plus, les particules primaires consistent en une phase céramique totalement cuite, de sorte que leur poids ne se réduit pas lors d'un traitement thermique ultérieur. En outre, puisque la réactivité de la surface de la poudre est excellente, elle peut être configurée par un traitement thermique à basse température. La poudre de la présente invention donne donc un degré élevé de liberté au substrat du dispositif
résultant et permet d'utiliser un procédé d'impression ou de revêtement.
Afin d'augmenter la cristallinité de la poudre d'oxyde céramique, un traitement thermique peut en outre être effectué à une
température de 700 à 900 0C.
La poudre d'oxyde céramique est utilisée en combinaison avec la solution de sol céramique préparée de la manière exposée ci-dessus pour produire une pâte céramique. A ce sujet, la poudre d'oxyde céramique
est de préférence constituée de PZT, de PMN ou de leur solution solide PZT-
PMN. Cette poudre d'oxyde céramique peut en outre comprendre au moins
un métal sélectionné dans le groupe constitué par le nickel (Ni), le lanthane -
(La), le baryum (Ba), le zinc (Zn), le lithium (Li), le cobalt (Co), le cadmium (Cd), le cérium (Ce), le chrome (Cr), I'antimoine (Sb), le fer (Fe) I'yttrium (Y), le tantale (Ta), le tungstène (W), le strontium (Sr), le calcium (Ca), le bismuth (Bi), I'étain (Sn) et le manganèse (Mn) et des combinaisons de ceux-ci. La solution de sol céramique utilisable pour le film piézoélectrique électrostrictif emploie de l'eau ou un solvant organique comme base pour la dissolution des composants céramiques. Le solvant organiques est sélectionné de préférence dans le groupe constitué par
l'acide acétique, le diméthyl formamide, le méthoxyéthanol et des alcools.
On préfère une solution de sol céramique comprenant du plomb, du
zirconium et du titane à une concentration de 0,1 à 5 %.
Pour préparer un mélange de la poudre d'oxyde céramique et de la solution de sol céramique, il est préférable que la solution de sol céramique soit ajoutée selon une quantité de 1 à 200 parties en poids sur la base de 100 parties en poids de l'oxyde céramique. Par exemple, si la quantité de solution de sol céramique dépasse 200 parties en poids, la viscosité du mélange est trop faible. En revanche, si la quantité de solution de sol céramique ajoutée est inférieure à une partie en poids, le mélange
résultant est trop visqueux.
Si la poudre d'oxyde céramique est mélangée à la solution de sol céramique, la solution de sol céramique en phase liquide est appliquée uniformément en revêtement sur la surface de la poudre d'oxyde céramique d'une phase solide, en replissant effectivement les vides compris entre les particules de la poudre afin de connecter les particules entre elles. Dans le mélange poudre-sol résultant, les particules de la poudre d'oxyde céramique, qui présente les caractéristiques céramiques, sont entourées par la solution de sol céramique dont les composants sont les mêmes que ceux de la poudre ou leur sont semblables, à l'état fluide. Le sol céramique qui sert de support de réaction sur la surface de la poudre d'oxyde céramique
améliore la réactivité de la surface. En ce qui concerne le composant organique du sol, lorsque le mélange
poudre-sol est amené au contact d'une autre matière organique, il assure une stabilité à l'interface de contact, ce qui permet la dispersibilité et
l'homogénéité du mélange.
A basse température, le sol peut être décomposé thermiquement et un système céramique dans lequel les particules sont suffisamment connectées entre elles peut être obtenu à basses températures parce que les composants du résidu sont les mêmes que ceux
de la poudre d'oxyde céramique ou leur sont semblables.
Afin d'assurer la stabilité et la fluidité nécessaires pour configurer le mélange poudre-sol, un solvant organique peut être ajouté pour ajuster les propriétés physiques du mélange. Il peut être sélectionné parmi divers composants, mais de préférence parmi des glycols et des alcools parce qu'ils présentent une certaine viscosité et une faible volatilité à température ambiante. La quantité de solvant est de préférence dans une plage de 1 à 100 parties en poids pour 100 parties en poids de poudre d'oxyde céramique. Si le solvant organique d'ajustement du mélange est par exemple ajouté en quantité inférieure à une partie en poids, aucun effet ne peut être obtenu du solvant organique. En revanche, si la quantité de solvant organique ajoutée dépasse 100 parties en poids, la viscosité du mélange ne peut être maintenue et il devient trop dilué pour être moulé. Le
solvant organique d'ajustement des propriétés physiques du mélange sol-
gel est de préférence ajouté selon une quantité de 10 à 40 parties en poids pour 100 parties en poids de la poudre d'oxyde céramique. A l'intérieur de cette plage, le solvant organique permet tant de maintenir une viscosité appropriée du mélange que d'exercer l'effet d'ajustement des propriétés
physiques.
De plus, une petite quantité de matière organique peut être ajoutée afin d'améliorer encore la dispersibilité et l'homogénéité du mélange poudresol ajouté à la solution organique. Des solvants appropriés sont des alcools à chaînes longues ou des solvants organiques polaires. Des exemples préférables incluent le pentanol et l'hexanol comme alcools à chaînes longues et l'acétyl acétone et le méthoxy éthane comme solvants organiques polaires. La quantité de matière organique est de préférence comprise dans une plage de 1 à 100 parties en poids pour 100 parties en poids de poudre d'oxyde céramique. Si le solvant organique d'ajustement du mélange est par exemple ajouté en quantité inférieure à une partie en poids, aucun effet ne peut être obtenu de la matière organique. En revanche, si la quantité de solvant organique ajoutée dépasse 100 parties en poids, la viscosité du mélange ne peut être maintenue et il devient trop dilué pour être moulé. De façon particulièrement préférable, la matière organique est ajoutée selon une quantité de 10 à 40 parties en poids sur la base de 100 parties en poids de la poudre d'oxyde céramique. A l'intérieur de cette plage, la matière organique ajoutée permet un maintien approprié de la viscosité du mélange tout en exerçant l'effet d'ajustement des
propriétés physiques.
Le film piézoélectrique électrostrictif ne peut être obtenu sans effectuer un traitement thermique à 100 à 3000C pour la pâte céramique chargée entre les moules. Alors que ce traitement thermique enlève le solvant, le sol céramique sert de support de réaction à la surface des particules d'oxyde afin d'induire les liaisons entre les particules d'oxyde céramique. Comme illustré, des réactions suffisantes sont obtenues par traitement thermique à une température aussi basse que 100 à 6000C. Ceci est attribué au fait que le même effet qu'un frittage peut être atteint par la réaction réciproque dans laquelle l'eau sur la surface de la poudre d'oxyde céramique induit l'hydrolyse de la solution de sol céramique, et les composants céramiques de la solution de sol céramique séparés par suite de l'hydrolyse, se combinent avec la poudre d'oxyde céramique. Les matières organiques ajoutées sont éliminées elles-aussi lors de ce
traitement thermique.
Un traitement thermique à des température supérieures à 3000C, bien qu'il soit possible, n'est pas avantageux parce qu'il peut
endommager la résine photosensible configurée 14.
En revenant maintenant aux Fig. 2 et 3, I'électrode supérieure 18 est installée avec soin sur le film piézoélectrique électrostrictif fritté. L'électrode supérieure 18 peut être en argent, en aluminium, en or ou en platine. Pour l'argent, une pâte d'argent à traitement à basse température, commercialisée classiquement, est appropriée. Cette pâte d'argent peut être formée sur l'électrode par une technique d'impression ou une technique à la raclette. En revanche, dans le cas de l'aluminium, de l'or ou du platine, I'électrode est formée par pulvérisation cathodique, dépôt
sous vide ou dépôt métallique habituel.
Une attache robuste entre le film piézoélectrique électrostrictif et l'électrode supérieure peut être obtenue par un traitement thermique à une température ne dépassant pas 100 à 300 C. Si le traitement thermique est effectué à une température supérieure à 3000C, il est possible que la résine photosensible qui subsiste pour constituer le
moule soit détruite.
Lorsque l'électrode supérieure est en aluminium ou en or, ceci offre l'avantage que l'électrode supérieure peut être immédiatement
utilisée sans aucun traitement thermique additionnel.
L'épaisseur de la résine photosensible peut être ajustée de façon fine dans une plage de 1 à 200 pm, de sorte que les épaisseurs de l'électrode supérieure et du film piézoélectrique électrostrictif peuvent aussi être librement sélectionnées dans cette plage. De préférence, l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif est de 1 à 100 pm, et de façon encore
préférée de 5 à 30 pm.
Après la formation de l'électrode supérieure, la résine photosensible peut être enlevée ou laissée telle qu'elle est, selon les besoins. Pour enlever la couche de résine photosensible, un traitement thermique à 500 C ou davantage, une dissolution avec un solvant ou un traitement aux ultrasons après dissolution dans un solvant peuvent être utilisés. Comme exemples de solvants de dissolution de la couche de résine photosensible on peut citer des acétones, des alcools, et de l'acide
chlorhydrique ou de l'acide sulfurique dilué.
Dans des techniques classiques, la résine photosensible doit être brûlée par un traitement thermique à haute température. En revanche, selon la présente invention, la résine photosensible peut être enlevée ou être laissée selon les besoins. En particulier, une plaque thermique pourrait être soumise à distorsion ou être dénaturée par un traitement thermique à hautes températures. Par conséquent, lorsqu'une plaque métallique est utilisée comme substrat, un traitement thermique à une température
inférieure à 300 C est effectué, la résine photosensible restant non détruite.
De plus le traitement thermique à 100 à 300 C peut être appliqué de façon avantageuse dans le cas o les matières organiques de la pâte céramique réagissent avec la résine photosensible: une cuisson thermique exerce un effet de minimisation sur cette réaction. En outre, il est possible d'utiliser non seulement une pâte céramique mais aussi un composite de poudres, de sols et de gels céramiques, du type boue, qu'il
est impossible de fritter par des techniques classiques.
Les moules entourent les films piézoélectriques électrostrictifs
pour les protéger contre tous dommages extérieurs, comme des rayures.
Puisque les moules eux-mêmes sont isolants, ils économisent un processus de formation d'une couche additionnelled' isolation par rapport à l'électrode inférieure ou à la plaque vibrante. En d'autres termes, la présente invention
est relativement simple.
En outre, comme illustré, la présente invention offre les avantages d'atteindre des rapports élevés de côtés pour de configurations fines et d'améliorer les propriétés d'attache entre le film piézoélectrique
électrostrictif et l'infrastructure.
La présente invention sera mieux comprise à la lumière des exemples qui suivent qui sont exposés à titre d'illustration et ne doivent pas
être considérés comme limitant la présente invention.
EXEMPLE I
Dans un mortier automatique, 5 g d'une poudre fine de PZT d'une dimension moyenne de particules de 50 nm, sont broyés avec addition de 35 ml d'éthanol. Pour préparer une pâte céramique, on ajoute à ce mélange 0,8 g de 2-méthoxyéthanol, 0,2 g d'acétyl acétone et 3,0 g de
sol de PZT et on mélange pendant 1 heure.
La pâte céramique est chargée dans des configurations fines d'un film de résine photosensible formé sur une plaque vibrante de nickel, et elle est séchée à température ambiante pendant 5 heures, puis soumise à un traitement thermique à 1300C pendant 2 heures pour produire un film
piézoélectrique électrostrictif.
Après application sur le film piézoélectrique électrostrictif en utilisant un procédé à la raclette, une pâte d'argent est traitée
thermiquement à 200 C pour fabriquer un micro-actionneur.
EXEMPLE II
Dans un mortier automatique, 5 g de poudre fine de PZT/PMN d'une dimension moyenne de particules de 50 nm, sont broyés avec addition de 35 ml d'éthanol. Pour préparer une pâte céramique, on ajoute à ce mélange 0,6 g de 1-pentanol, 1,4 g de tri-méthylèneglycol et 6
g de sol de PZT et on mélange pendant 1 heure.
La pâte céramique est chargée dans des configurations fines d'un film de résine photosensible formé sur une plaque vibrante d'acier inoxydable, et elle est séchée à température ambiante pendant 5 heures, puis soumise à des traitements thermiques à 1300C pendant 2 heures et à 3000C pendant 1 heure pour produire un film piézoélectrique électrostrictif. Une électrode est formée sur le film piézoélectrique électrostrictif par pulvérisation cathodique de platine et un traitement
thermique est ensuite effectué à 150 C pour fabriquer un microactionneur.
EXEMPLE III
Dans un mortier automatique, 5 g de poudre fine de PZT/PMN d'une dimension moyenne de particules de 50 nm sont broyés
pendant 1,5 heures, avec addition de 0,3 g de 1-pentanol, 0,6 g de tri-
méthylèneglycol et 1,5 g de sol de PZT pour préparer une pâte céramique.
La pâte céramique est chargée dans des configurations fines d'un film de résine photosensible formé sur une plaque vibrante en résine de polyimide, et elle est séchée à température ambiante pendant 5 heures, puis soumise à des traitements thermiques à 1300C pendant 2 heures et à
3000C pendant 1 heure pour produire un film piézoélectrique électrostrictif.
Une électrode est formée sur le film piézoélectrique électrostrictif par pulvérisation cathodique de platine et un traitement
thermique est ensuite effectué à 150 C pour fabriquer un microactionneur.
EXEMPLE IV
Dans un mortier automatique, 5 g d'une poudre de PZT/PMN sont d'abord broyés pendant 30 minutes et on poursuit pendant 1 heure après addition de 2 g de sol de PZT, 0,7 g de triméthylèneglycol et 0,5 g de 2méthoxyéthanol. La pâte céramique ainsi obtenue est homogénéisée par passage dans un broyeur à trois rouleaux équipé de rouleaux d'aluminium et est chargée sur un substrat en acier inoxydable sur lequel un film de résine photosensible a été configuré, et la pâte céramique est ensuite
nivelée à température ambiante pour obtenir un film épais de céramique.
Ce film épais de céramique est ensuite séché et soumis à un traitement
thermique à 250 C pendant 1 heure.
Une électrode est ensuite déposée par dépôt d'or sous vide,
ce qui fabrique un micro-actionneur.
EXEMPLE V
Dans un mortier automatique, 5 g de poudre fine de
PZT/PMN sont mélangés avec 0,7 g de triméthylèneglycol et 0,5 g de 1-
pentanol pendant 5 heures, puis pendant 30 minutes encore après adition
de 2g de sol de PZT.
La pâte céramique ainsi obtenue est chargée sur un substrat de nickel sur lequel un film de résine photosensible a été configuré, et la pâte céramique est ensuite nivelée à température ambiante pour obtenir un film épais de céramique. Ce film épais de céramique est ensuite séché à 70
et cuit à 2500C pendant 1 heure.
Une électrode est ensuite déposée par dépôt d'or sous vide,
ce qui fabrique un micro-actionneur.
EXEMPLE VI
On ajoute à 5 g de poudre de PZT/PMN, 2,5 g de sol d'acide acétique de PZT et on agite pendant 30 minutes. Après évaporation complète de l'acide acétique, on obtient un complexe de poudre et de gel de PZT (52/48). On ajoute à ce complexe 0,8 g de triméthylèneglycol et 0,4 g de 1-pentanol et on mélange pendant 1 heure dans un mortier automatique. La pâte ainsi préparée présente la caractéristique d'une viscosité inchangée au cours du temps parce que l'acide acétique hautement volatile a été éliminé. Cette pâte est chargée sur un substrat de nickel sur lequel un film de résine photosensible a été configuré, elle est séchée à 130 C puis cuite à 200 C pendant 2 heures pour former un film céramique. Un dépôt d'aluminium sous vide est effectué pour former une
électrode sur le film céramique, ce qui fabrique un micro-actionneur.
La présente invention a été décrite à titre d'illustration et il faut comprendre que la terminologie a été utilisée dans un but descriptif et non limitatif. De nombreuses modifications et variantes à la présente invention sont possibles à la lumière des enseignements précédents. Il faut
donc comprendre que l'invention peut, dans le cadre des revendications
annexées, être mise en pratique d'une manière différente de celle qui est
décrite spécifiquement.
Claims (31)
1. Procédé de fabrication d'un micro-actionneur, en utilisant une photolithographie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant a: agencer une plaque vibrante métallique; former des moules en fines configurations sur la plaque vibrante métallique en utilisant une technique de photolithographie dans laquelle une résine photosensible est appliquée et configurée sur la plaque vibrante métallique; mélanger une poudre d'oxyde céramique et une solution de sol céramique, de compositions identiques ou semblables, afin de préparer une pâte céramique, les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique étant égales ou inférieures à 5 pm, et qui est préparée à partir d'une poudre d'oxyde céramique à base de Pb et Ti par une réaction de combustion d'oxydo-réduction non explosive à 100 à 500%C, la solution de sol céramique étant constituée d'eau ou d'un solvant organique; charger la pâte céramique dasn les moules afin de former un film piézoélectrique électrostrictif; effectuer un traitement thermique à 100 à 3000C pour fritter le film piézoélectrique électrostrictif; et former une électrode supérieure sur le film piézoélectrique électrostrictif.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape
de formation des moules.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 3000C après l'étape
de formation de l'électrode supérieure.
4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: enlever les moules, après l'étape de formation de l'électrode supérieure.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque vibrante métallique est en acier inoxydable ou de nickel.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la résine photosensible est dans une plage de 1
à 200 pm.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique
sont égales ou inférieures à 0,5 pm.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre d'oxyde céramique est sélectionnée dans le groupe constitué par un oxyde de PZT, un oxyde de PMN et un oxyde composite de
PZT et de PMN en solution solide.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite poudre d'oxyde céramique comprend en outre au moins un métal sélectionné dans le groupe constitué par le nickel (Ni), le lanthane (La), le baryum (Ba), le zinc (Zn), le lithium (Li), le cobalt (Co), le cadmium (Cd), le cérium (Ce), le chrome (Cr), I'antimoine (Sb), le fer (Fe) I'yttrium (Y), le tantale (Ta), le tungstène (W), le strontium (Sr), le calcium (Ca), le bismuth (Bi), I'étain (Sn) et le manganèse (Mn) et des
mélanges de ceux-ci.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif est comprise
dans une plage de 1 à 100 pm.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif est comprise
dans une plage de 5 à 30 pm.
12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode supérieure consiste en un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), l'or (Au) et le platine (Pt).
13. Procédé de fabrication d'un micro-actionneur, en utilisant une photolithographie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: agencer une plaque vibrante; former une électrode inférieure sur la plaque vibrante; former des moules en fines configurations sur l'électrode inférieure en utilisant une technique de photolithographie dans laquelle une résine photosensible est appliquée et configurée sur l'électrode inférieure; mélanger une poudre d'oxyde céramique et une solution de sol céramique, de compositions identiques ou semblables, afin de préparer une pâte céramique, les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique étant égales ou inférieures à 5 pm, et qui est préparée à partir d'une poudre d'oxyde céramique à base de Pb et Ti par une réaction de combustion d'oxydo-réduction non explosive à 100 à 5000C, la solution de sol céramique étant constituée d'eau ou d'un solvant organique; charger la pâte céramique dasn les moules afin de former un film piézoélectrique électrostrictif; effectuer un traitement thermique à 100 à 300 C pour fritter le film piézoélectrique électrostrictif; et former une électrode supérieure sur le film piézoélectrique électrostrictif.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 3000C après l'étape
de formation des moules.
15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 300 C après l'étape
de formation de l'électrode supérieure.
16. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: enlever les moules, après l'étape de formation de l'électrode supérieure.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que
la plaque vibrante est une plaque vibrante de céramique.
18. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que la plaque vibrante de céramique est constituée d'une céramique sélectionnée dans le groupe constitué par l'oxyde d'aluminium (AI203), le zircone (ZrO2), le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium
(5i3N4), le dioxyde de silicium (SiO2) et un verre.
19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'électrode inférieure est constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par le platine (Pt), l'argent (Ag), un alliage
d'argent/palladium (Ag/Pd), le nickel (Ni), et le cuivre (Cu).
20. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la plaque vibrante de céramique est soumise à un traitement thermique à 500 à 15000C, après l'étape de formation de l'électrode inférieure.
21. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la plaque vibrante est une plaque vibrante de polymère
organique résineux.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que la plaque vibrante de polymère organique résineux est constituée d'un polymère sélectionné dans le groupe constitué par les
polyesters, les polyimides et le téflon.
23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'électrode inférieure est constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), l'or (Au)et le
platine (Pt).
24. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que la plaque vibrante de polymère organique résineux est soumise à un traitement thermique à 100 à 3000C, après l'étape de
formation de l'électrode inférieure.
25. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'électrode supérieure est constituée d'un métal sélectionné dans le groupe constitué par l'argent (Ag), I'aluminium (AI), I'or (Au)et le
platine (Pt).
26. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à: traiter thermiquement les moules à 100 à 3000C après l'étape
de formation de l'électrode supérieure.
27. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les dimensions des particules de la poudre d'oxyde céramique
sont égales ou inférieures à 0,5 pm.
28. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la poudre d'oxyde céramique est sélectionnée dans le groupe constitué par un oxyde de PZT, un oxyde de PMN et un oxyde composite de
PZT et de PMN en solution solide.
29. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que ladite poudre d'oxyde céramique comprend en outre au moins un métal sélectionné dans le groupe constitué par le nickel (Ni), le lanthane (La), le baryum (Ba), le zinc (Zn), le lithium (Li), le cobalt (Co), le cadmium (Cd), le cérium (Ce), le chrome (Cr), l'antimoine (Sb), le fer (Fe) I'yttrium (Y), le tantale (Ta), le tungstène (W), le strontium (Sr), le calcium (Ca), le bismuth (Bi), I'étain (Sn) et le manganèse (Mn) et des
mélanges de ceux-ci.
30. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif est comprise
dans une plage de i à 100 pm.
31. Procédé selon la revendication 30, caractérisé en ce que l'épaisseur du film piézoélectrique électrostrictif est comprise
dans une plage de 5 à 30 pm.
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Patent Citations (2)
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