FR2810976A1 - Microcomposant electronique, capteur et actionneur incorporant un tel microcomposant - Google Patents

Microcomposant electronique, capteur et actionneur incorporant un tel microcomposant Download PDF

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Abstract

Microcomposant électronique, réalisé à partir d'une plaquette de substrat semi-conducteur (1), comportant deux parties, à savoir une partie fixe (10) et une partie mobile (11) aptes à se déplacer l'une par rapport à l'autre, caractérisé en ce que :. chaque partie comprend une pluralité de lames perpendiculaires (20, 21) à la face principale de la plaquette, les lames (20) de la partie mobile (10) étant intercalées entre les lames (21) de la partie fixe (11);. les lames (21) de la partie fixe (11) présentent une zone équipotentielle limitée par une frontière sensiblement parallèle à la face principale de la plaquette (1);. les lames (20) de la partie mobile (10) présentent une zone équipotentielle qui, au repos, recouvre partiellement et s'étend au-delà de la surface en regard de la zone équipotentielle de la partie fixe (11),de sorte qu'une différence de potentiel appliquée entre les zones équipotentielles des lames (20, 21) des parties fixe (10) et mobile (11), provoque la variation de la surface en regard des zones équipotentielles, et le déplacement des lames (21) de la partie mobile perpendiculairement à la face principale de la plaquette.

Description

MICROCOMPOSANT ELECTRONIQUE, CAPTEUR ET ACTIONNEUR
INCORPORANT UN TEL MICROCOMPOSANT
Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique, et plus précisément des micros-systèmes mécaniques. Elle vise plus particulièrement un microcomposant permettant un mouvement perpendiculairement au plan du substrat dans lequel il est réalisé. Elle trouve une application dans la fabrication d'actionneurs ou de capteurs inertiels.10 Techniques antérieures Il est déjà connu de réaliser des capteurs ou des micro-actionneurs en utilisant la technologie de fabrication des semi-conducteurs sur silicium. Ce type de
capteurs ou de micro-actionneurs, réalisé dans une plaquette ou wafer de semi-15 conducteur, comprend une partie mobile par rapport au reste du substrat formant une partie fixe.
La partie mobile est reliée au reste du substrat par des zones de moindre épaisseur autorisant une certaine flexion et donc un déplacement de la partie mobile par rapport à la partie fixe. Lorsque ces dispositifs sont utilisés en tant que capteurs, les accélérations subies provoquent le déplacement de la partie mobile
par rapport à la partie fixe. Ce déplacement engendre une variation de la surface en regard des parties fixe et mobile. Cette variation se traduit donc par une variation de la capacité électrique mesurée entre les parties fixe et mobile. La détection de25 cette variation de capacité est donc une image de l'accélération subie.
A l'inverse, lorsque ces dispositifs sont utilisés en tant qu'actionneurs, on applique une différence de potentiel entre les parties fixe et mobile. Cette
différence de potentiel provoque une attraction ou une répulsion de la partie mobile30 par rapport à la partie fixe, et donc un mouvement de cette partie mobile.
Différentes architectures ont déjà été envisagées pour réaliser de tels dispositifs. Ainsi, le document US 6 032 532 décrit un capteur comprenant deux
réseaux de peigne interdigités. Ces deux réseaux forment donc deux armatures de35 capacité dont la surface en regard est maximisée. Deux des peignes sont solidaires de la partie fixe et interpénètrent deux peignes de la partie mobile.
La partie mobile a un degré de liberté dans le plan du substrat, et une tension appliquée entre la partie mobile et la partie fixe permet de générer une force électrostatique proportionnelle aux surfaces en regard et au carré de cette différence de potentiel. Ces peignes sont obtenus par micro-usinage de surface ou de volume, suivi d'une libération par dissolution de la sous-couche de la partie mobile.
L'inconvénient majeur d'un tel système est de n'autoriser le mouvement de la partie mobile que dans le plan correspondant à la face principale du wafer.
En outre, l'intensité des efforts exercés sur la partie mobile est limitée par la relative faible épaisseur des dents de chaque peigne, mesurée perpendiculairement
à la face principale du wafer.
L'apparition des techniques d'usinage profond et de substrat sur isolant a permis d'améliorer de tels systèmes en créant de grandes parois verticales à faible pas, dont la libération est obtenue par dissolution de la couche isolante. Cette technique limite cependant toujours la direction du mouvement dans un plan parallèle à celui de la face principale du wafer.20 Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui d'obtenir des déplacements de la partie mobile dans une direction perpendiculaire au plan du wafer, avec une intensité d'effort suffisante, tout en utilisant des techniques de fabrication dérivées des procédés connus.25 Exposé de l'invention L'invention concerne donc un microcomposant électronique, réalisé à partir de plaquettes ou wafer de substrat semi-conducteur ou analogue, comportant deux
parties, à savoir une partie fixe et une partie mobile aptes à se déplacer l'une par.30 rapport à l'autre.
Ce microcomposant se caractrise en ce que À chaque partie comprend une pluralité de lames perpendiculaires sur la face principale de la plaquette, les lames de la partie mobile étant intercalées entre les lames de la partie fixe; * les lames de la partie fixe présentent une zone équipotentielle limitée par une frontière sensiblement parallèle à la face principale de la plaquette; * les lames de la partie mobile présentent une zone équipotentielle qui, au repos, recouvre partiellement et s'étend au-delà de la surface en regard de la zone équipotentielle de la partie fixe, de sorte qu'une différence de potentiel appliquée entre les zones équipotentielles des lames des parties fixe et mobile, provoque la variation de la surface en regard des zones équipotentielles, et le déplacement des lames de la partie mobile perpendiculairement à la face principale de la plaquette.10 Autrement dit, chaque partie comprend un ensemble de lames verticales, arrangées sous forme de peignes. Ces lames sont réalisées typiquement par un
procédé lithographique pour la définition de leur contour dans le plan du wafer, puis d'une opération de gravure sélective profonde permettant d'éliminer la matière15 de façon totalement anisotrope dans l'épaisseur du substrat.
De par leur constitution, les lames fixe et mobile possèdent des zones équipotentielles qui sont partiellement en regard l'une de l'autre, et spacialement décalées. De la sorte, l'application d'une tension entre ces deux zones
équipotentielles génère une force électrostatique qui tend à rapprocher ou repousser les deux armatures pour maximiser ou minimiser la superficie des zones en regard.
A l'inverse, lorsque la partie mobile subit un mouvement, la zone équipotentielle des lames mobiles se déplace par rapport à la zone équipotentielle des lames fixes, et la capacité électrique mesurée entre ces deux zones équipotentielles varie.25 Autrement dit, le mouvement exercé perpendiculairement au plan du wafer se traduit par la variation d'un signal électrique.
De la sorte, on réalise un capteur sensible à une accélération présentant une composante perpendiculaire au plan du wafer. A l'inverse, un actionneur conforme
à l'invention permet de déplacer un organe perpendiculairement au plan du wafer.
Avantageusement en pratique, les lames de la partie mobile présentent une hauteur mesurée perpendiculairement à la face principale de la plaquette, qui est inférieure à celle des lames de la partie fixe.35 Autrement dit, lorsque les lames de la partie ou armature mobile se déplacent verticalement, elles restent à l'intérieur du volume défini par les lames de la partie
fixe, sans déborder en dessous de la face inférieure du substrat.
La différence de hauteur des lames de la partie mobile ou de la partie fixe correspond sensiblement à la course théorique maximum de la partie mobile par
rapport à la partie fixe.
Dans une forme préférée, le substrat utilisé est stratifié et comporte au moins trois couches, à savoir deux couches conductrices séparées par une couche isolante servant de frontière à la zone équipotentielle des lames de la partie fixe. Autrement dit, la définition des zones équipotentielles est déterminée par la présence de la
couche isolante du substrat stratifié. De façon générale, il s'agit d'un substrat semi-
conducteur, mais des micro-composants équivalents pourraient être obtenus à partir
de substrats de nature différente, et en particulier ceux incluant des céramiques.
Ainsi, au niveau des lames de la partie mobile, au moins deux couches conductrices peuvent être reliées électriquement pour former la zone équipotentielle. De la sorte, comme la couche isolante d'un substrat stratifié est présente sur les lames des parties fixe et mobile, il est possible de donner à la zone
équipotentielle des lames mobiles la géométrie voulue en connectant entre elles des zones conductrices dans une configuration différente de celle de la partie fixe.
Ainsi, dans une géométrie la plus simple dans laquelle le substrat semiconducteur comprend une seule zone isolante, on relie les deux zones conductrices des lames25 mobiles pour former une zone équipotentielle s'étendant sur toute la hauteur de la lame. Dans ce cas, on choisira comme zone équipotentielle sur la partie fixe une
seule des couches conductrices du substrat.
Comme déjà dit, le microcomposant conforme à l'invention peut être utilisé pour la réalisation d'un capteur inertiel (c'est-à-dire de position ou d'accélération) dans lequel l'information de position ou d'accélération est une image de la variation
de la capacité électrique mesurée entre les zones équipotentielles des parties fixe et/ou mobile.
Un tel microcomposant peut également être utilisé pour former un actionneur destiné à mouvoir un organe qui est solidaire de la partie mobile, l'ensemble comprenant des moyens pour appliquer une différence de potentiel entre les zones équipotentielles des lames des parties fixe et mobile. Ainsi, les zones équipotentielles des lames fixe et mobile étant décalées verticalement, l'application de la tension voulue permet de provoquer un déplacement vertical, ou plus généralement perpendiculairement au plan du substrat. Dans une forme particulière, l'actionneur peut en outre comporter des moyens pour déterminer la position relative des lames des parties fixe et mobile, de manière à commander les moyens qui appliquent la différence de potentiel qui10 engendre le mouvement. Autrement dit, un tel actionneur peut fonctionner avec une régulation en boucle fermée, en mesurant la variation de la capacité entre les
lames, et en commandant ainsi la différence de potentiel à appliquer pour obtenir le déplacement souhaité.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des
figures annexées dans lesquelles: La figure 1 est une vue de dessus d'un exemple de microcomposant réalisé
conformément à l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe partielle selon le plan II-II' de la figure 1.
La figure 3 correspond à la vue en coupe de la figure 2 dans laquelle la partie mobile subit un mouvement par rapport à la partie fixe.
La figure 4 est une vue en coupe partielle selon le plan IV-IV' de la figure 1.
La figure 5 correspond à la coupe de la figure 5 lorsque la partie mobile subit un mouvement par rapport à la partie fixe.
Manière de réaliser l'invention Comme déjà dit, l'invention concerne un microcomposant électronique réalisé à partir d'un wafer (1) ou plaque de semi-conducteur. Ce type de wafer (1) est un substrat stratifié, comme par exemple les substrats connus sous l'abréviation SOI
autrement dit "Silicium sur Isolant".
Comme illustré à la figure 2, un tel substrat (1) comporte deux couches
conductrices (2, 4) de forte épaisseur relativement à une couche intermédiaire (3) isolante.
Comme illustré à la figure 1, un tel microcomposant comprend une partie fixe (11), et une partie mobile (10). La partie fixe (11) est mécaniquement solidaire et immobile par rapport au reste du substrat (1). La partie mobile (10) est reliée au reste du substrat par l'intermédiaire de deux zones de moindre épaisseur (12, 13).Ces zones de plus faible épaisseur (12, 13) possèdent une capacité de flexion ou de torsion qui autorise le mouvement de la zone centrale (14) de la partie mobile (10). 10 Sur un de ses côtés, la zone centrale (14) de la partie fixe (10) présente un ensemble de lames (20) parallèles, et perpendiculaires à la face principale (5) du
substrat. Ces lames (20) peuvent être en nombre variable en fonction de l'application souhaitée. Complémentairement, la partie (11) comprend également15 une pluralité de lames (21) orientées en direction de la partie mobile (10), et qui sont orientées perpendiculairement au plan de la face principale (5) du substrat.
Les lames (21) de la partie fixe (11) pénètrent en partie à l'intérieur de l'espace défini entre chaque lame (20) de la partie mobile. Les lames (21) de la
partie fixe et les lames (20) de la partie mobile présentent donc une surface en regard relativement importante.
Comme on le voit aux figures 2 et 4, les lames (21) de la partie fixe s'étendent sur la totalité de la hauteur du substrat. En revanche, les lames (20) de la partie
mobile (10) présentent une hauteur, mesurée perpendiculairement au plan (5) de la face principale du substrat, qui est inférieure à celle des lames (21) de la partie fixe.
Par ailleurs, la couche isolante (3) du substrat forme une frontière entre les deux couches conductrices (2, 4) à la fois sur les lames fixes (21) et sur les lames mobiles (20). De la sorte, les zones (24) et (25) de la lame (21) forment des zones équipotentielles électriquement isolées. A l'inverse, conformément à l'invention sur la partie fixe, les zones (26, 27) situées de part et d'autre de la couche isolante (3) sont connectées électriquement. Pour isoler électriquement la partie fixe (11) de la partie mobile (10), on rompt la continuité électrique des couches conductrices35 (2,4). Ainsi, à titre d'exemple, et comme illustré à la figure 1, on peut prévoir une gravure (15,16) s'étendant en profondeur jusqu'à la couche isolante (3) et formant détourage autour des zones de flexion. De la sorte, la couche conductrice supérieure (2) est interrompue entre les parties fixe (11) et mobile (10). On peut procéder de même, ou de façon différente, pour obtenir l'interruption de la couche inférieure. De la sorte, les zones (26, 27) de la lame mobile (20) forment une unique zone équipotentielle s'étendant sur toute la hauteur de la lame mobile (20). A cause de la différence de hauteur des lames mobiles (20) et fixes (21), la surface équipotentielle formée des zones (26, 27) de la partie fixe recouvre partiellement la
zone équipotentielle (25) de la lame (21).
De la sorte, les surfaces équipotentielles (26, 27; 25) des lames fixe (21) et mobile (20) sont le siège de forces électrostatiques lorsqu'une différence de potentiel leur est appliquée. Ainsi, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée15 entre les surfaces équipotentielles (26, 27) et (25), une force électrostatique a tendance à augmenter la surface en regard de ces zones équipotentielles pour amener le système dans la configuration illustrée à la figure 3. On observe que la lame mobile (20) a subit un mouvement perpendiculaire à la face principale (5) du substrat. En pratique, le mouvement vertical décrit un arc de cercle dont le rayon20 dépend de la géométrie de la zone d'articulation de la partie mobile (11) par rapport à la partie fixe (11). Ce type de phénomène correspond à un fonctionnement en actionneur dans lequel on commande le mouvement de la partie mobile (10) par
rapport à la partie fixe (11).
Dans le fonctionnement du microcomposant en tant que capteur, le mouvement de la partie mobile (10), et donc des lames (20) par rapport aux lames fixes (21) induit une variation de la capacité électrique entre la zone équipotentielle (26,27) de la lame mobile (20) et la zone équipotentielle (25) de la lame fixe (21). La variation de cette capacité électrique peut être mesurée et donner image de
l'amplitude du mouvement de la lame (20) par rapport aux lames (21), et donc de l'accélération du mouvement subit.
Le fonctionnement en actionneur peut être amélioré grâce à une régulation qui mesure l'amplitude du mouvement généré par la détermination de la variation de la capacité électrique entre les zones équipotentielles (26, 27) et (25). Cette 8 mesure de la capacité peut s'effectuer dans une gamme de fréquence particulière,
distincte de la fréquence de la tension induisant le mouvement mécanique.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la seule forme de géométrie illustrée aux figures 1 à 5, mais couvre d'autres variantes dans lesquelles la partie fixe n'est pas reliée au reste du substrat par des zones de moindre épaisseur, mais
possède une longueur suffisante pour subir un fléchissement.
De même, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'un substrat présentant une unique couche isolante, mais couvre des variantes dans lesquelles le substrat possède une pluralité de couches isolantes permettant de définir plus de deux couches conductrices qui sont électriquement reliées entre elles pour définir des zones équipotentielles se recouvrant partiellement et décalées entre les lames mobiles et les lames fixes.15 En pratique, le microcomposant conforme à l'invention est obtenu par des procédés d'usinage profond. Ainsi, dans une première étape, on définit sur une face ou l'autre du substrat, le contour de la partie mobile et des peignes de lames. On procède à une gravure anisotropique par plasma pour défminir des flancs droits et des20 parois aussi rectilignes que possible entre les différentes lames fixes et mobiles. Par la suite, on réalise une gravure au niveau de la face inférieure des lames mobiles (20) pour diminuer leur hauteur, et ainsi créer le décalage spatial entre les zones équipotentielles. Il ressort de ce qui précède que le microcomposant et les applications à des actionneurs ou des capteurs conformément à l'invention, présentent de multiples
avantages, et notamment celui de permettre un mouvement ou une détection selon un plan perpendiculaire au plan du substrat.
L'importance de la superficie des zones en regard permet d'obtenir des efforts suffisants pour l'actionnement d'un grand type d'organes. On peut citer à titre d'exemple des micro-miroirs mobiles de grande surface, de quelques millimètres de
diamètre, utilisés dans des applications de commutation optique.
L'invention trouve également une application toute particulière dans le domaine des capteurs inertiels, o jusqu'à présent, la réalisation d'un capteur intégré tridirectionnel n'était possible que par l'association de deux capteurs bidirectionnels. Il est ainsi possible de réaliser un capteur tridirectionnel sur un unique substrat

Claims (3)

REVENDICATIONS
1/ Microcomposant électronique, réalisé à partir d'une plaquette de substrat semi-
conducteur (1), comportant deux parties, à savoir une partie fixe (10) et une partie mobile (11) aptes à se déplacer l'une par rapport à l'autre, caractéris en ce que: * chaque partie comprend une pluralité de lames perpendiculaires (20, 21) à la face principale (5) de la plaquette, les lames (20) de la partie mobile (10) étant intercalées entre les lames (21) de la partie fixe (11); * les lames (21) de la partie fixe (11) présentent une zone équipotentielle (25) limitée par une frontière (3) sensiblement parallèle à la face principale (5) de la plaquette (1); * les lames (20) de la partie mobile (10) présentent une zone équipotentielle (26, 27) qui, au repos, recouvre partiellement et s'étend au-delà de la surface en regard de la zone équipotentielle (25) de la partie fixe (11), de sorte qu'une différence de potentiel appliquée entre les zones équipotentielles (25, 26, 27) des lames (20, 21) des parties fixe (10) et mobile (11), provoque la variation de la surface en regard des zones équipotentielles, et le déplacement des lames (21) de la partie mobile perpendiculairement à la face principale (5) de la plaquette.20 2/ Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames (20) de la partie mobile (10) présentent une hauteur, mesurée perpendiculairement à la face principale (5) de la plaquette, qui est inférieure à celle des lames (31) de la partie fixe (11).25 3/ Microcomposant selon la revendication 1, caractéris en ce que le substrat est stratifié, et comporte au moins trois couches, à savoir deux couches conductrices (2, 4) séparées par une couche isolante (3) servant de frontière à la zone
équipotentielle (25) des lames (21) de la partie fixe (11).
4/ Microcomposant selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au niveau des lames (20) de la partie mobile (10), au moins deux couches conductrices (25, 26)
sont reliées électriquement pour former la zone équipotentielle.
il
/ Capteur de position ou d'accélération, caractérisé en ce qu'il comporte un microcomposant selon l'une des revendications 1 à 4, et dans lequel l'information
de position ou d'accélération est une image de la variation de la capacité électrique mesurée entre les zones équipotentielles des lames des parties fixe et mobile. 5 6/ Actionneur destiné à mouvoir un organe, caractérisé en ce qu'il comporte:
* un microcomposant selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel
l'organe est solidaire de la partie mobile du microcomposant; * des moyens pour appliquer une différence de potentiel entre les zones
équipotentielles des lames des parties fixe et mobile.
7/ Actionneur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour déterminer la position relative des lames des parties fixe et
mobile, de manière à commander les moyens pour appliquer ladite différence de15 potentiel.
1',-;
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