FR2910889A1

FR2910889A1 - Actionneur d'entrainement par frottement impulsionnel

Info

Publication number: FR2910889A1
Application number: FR0754634A
Authority: FR
Inventors: Alex Horng; I-Yu Huang; Yen-Shi Lee; Chun-Ying Lin
Original assignee: Sunonwealth Electric Machine Industry Co Ltd
Current assignee: Sunonwealth Electric Machine Industry Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-07-04
Also published as: TW200827286A; JP2008162006A; US20080157626A1; TWI315714B; DE102007020756A1

Abstract

Pour améliorer le rendement de fabrication, la durée de vie et la tension d'alimentation de l'actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA), on propose une nouvelle conception incluant des trous de gravure et une structure à renfort d'angle (3). Après ajout des trous de gravure à une plaque de SDA classique, la libération de la couche de structure peut être accélérée et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA sont réduites. Une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être réalisées. L'ajout de la conception de structure à renfort d'angle (3) au niveau de l'angle de la conjonction poutre-plaque permet d'améliorer la rigidité en flexion de la poutre de support en polysilicium (4) étroite, ce qui améliore davantage le rendement de fabrication du dispositif de SDA et ce qui réduit en conséquence la défaillance par fissuration dans une situation d'actionnement.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention propose une nouvelle

conception pour une amélioration du rendement de fabrication, une réduction de la puissance et une augmentation de la durée de vie d'un micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (dénommé SDA pour "Scratch Drive Actuator"). La technologie essentielle adoptée dans la présente invention est le processus de micro-usinage en surface basé sur polysilicium de la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS) présentant les avantages d'une fabrication par lots, d'un coût faible et d'une compatibilité élevée avec la technologie des circuits intégrés. ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION Le développement et l'application de la technologie de miniaturisation constituent une tendance essentielle de la science moderne. En particulier, les technologies des circuits intégrés (IC) et des systèmes microélectromécaniques (MEMS) constituent les procédés de base du monde microscopique depuis quelques années. Le dispositif de micro-ventilateur le plus petit du monde qui présente une dimension de 2 mm x 2 mm (comme représenté sur la figure 6 qui illustre un micro-ventialteur basé sur les MEMS, tel que décrit dans l'article de R. J. Linderman, Paul E. Kladitis et Victor M.

Bright, "Development Microrotary Fan", paru dans la revue Sensor and Actuator A, Vol. 95, 2002, pp.135-142) est actionné par des micro-actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA) et est fabriqué en utilisant une technologie de micro-usinage en surface basée sur polysilicium (processus MEMS mufti-utilisateur, soit MUMP), comme le montre la figure 7.

La puce de micro-ventilateur miniaturisée classique est construite au moyen de micro-pales et de micro-SDA en auto assemblage (comme le montrent les figures 6 et 8, la figure 8 illustrant un actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel (SDA) tel que décrit dans l'article de R. J. Linderrnan et Victor M. Bright, "Optimized Scratch Drive Actuator or Tethered Nanometer Positioning of Chip-Sized Components," paru dans la revue "Technical Digest of Solidstate Sensor and Actuator Workshop", SC, USA, 2000, pages 214-217). La présente invention vise à présenter une nouvelle conception de micro-dispositif basé sur SDA pour une amélioration du rendement de fabrication des produits, pour une diminution des coûts de fabrication, pour une réduction de la consommation de puissance et pour une amélioration de la durée de vie des dispositifs.

La dimension optimisée de base de la plaque de micro-SDA a été démontrée dans la littérature antérieure (comme rapporté par R. J. Linderman & V. M. Bright) en tant que longueur de 78 Fm et que largeur de 65 pm au moyen d'un logiciel de simulation et de mesures expérimentales. Avec une telle conception, le SDA permet d'obtenir de nombreuses performances excellentes. Cependant, aucun des rapports ni aucune des recherches n'ont mentionné quoi que ce soit concernant les influences de la forme de la plaque de SDA, des trous de gravure et du renfort d'angle de la poutre de support. La plaque de SDA classique fabriquée au moyen de la technologie MEMS présente les trois types qui suivent : (i) le type triangle, (ii) le type rectangle et (iii) le type hexagonal, comme représenté sur la figure 1, où les cercles représentent l'implantation de dépressions conçues pour la diminution de la friction. Le SDA du type triangle est le plus fréquemment adopté du fait de sa dimension d'extrémité libre plus petite pour la même longueur de plaque. Par conséquent, la quantité des charges résiduelles accumulées dans la zone d'extrémité libre de la plaque de SDA peut être diminuée de façon substantielle et il s'ensuit que l'effet de blocage au démarrage qui résulte de ces charges peut être contrôlé de manière efficace et la durée de vie peut être améliorée.

Cependant, la plaque de SDA du type triangle présente une aire plus petite que les autres et par conséquent, a besoin d'une polarisation (puissance) plus élevée pour dévier et actionner la plaque. La plaque de SDA du type rectangulaire présente quant à elle une consommation de puissance plus faible mais une durée de vie plus courte. Le troisième type de plaque de SDA traditionnelle est le type hexagonal, lequel présente des caractéristiques intermédiaires entre le type triangle et le type rectangle. Selon la présente invention, de nouveaux trous de gravure sont ajoutés au niveau de la conception de plaque de SDA notamment des types rectangulaire et hexagonal afin d'accélérer la libération de la couche de structure et afin de réduire les charges accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA. Selon cette conception innovante, une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être obtenues. Un micro-moteur basé sur SDA typique est fabriqué en utilisant une technologie de micro-usinage en surface. Après un processus de libération, la plaque de SDA flottante est connectée à la structure principale du moteur de SDA par l'intermédiaire de la poutre de support en polysilicium. Lorsqu'une tension d'alimentation modérée est appliquée, des couples combinés résultant de la force électrostatique entre la poutre de support et la plaque de SDA avec le substrat actionnent le SDA en le déplaçant vers l'avant. De façon détaillée, conformément aux descriptions de Bright et Linderman, le déplacement par pas commence tandis que l'extrémité libre de la plaque de SDA est chargée électrostatiquement à l'aide de la tension en provoquant un mouvement brusque, ce qui conduit au fait que l'extrémité de plaque est abaissée selon un mouvement brusque pour toucher la couche diélectrique en nitrure. Lorsque la puissance est augmentée jusqu'à la tension d'amorçage, l'extrémité de plaque est déviée suffisamment pour prendre une forme plane selon une pente de zéro au niveau de l'extrémité libre. Pour finir, lorsque la puissance appliquée est arrêtée, l'énergie de contrainte stockée dans la poutre de support, la plaque de SDA et la pièce en équerre tire la plaque de SDA vers l'avant en terminant le pas.

Cependant, la largeur de la poutre en polysilicium de support conçue selon la littérature antérieure ou les rapports techniques antérieurs mesure seulement environ 2 à 3 1am, ce qui est plus petit que la dimension de la plaque de SDA et peut par conséquent contribuer à un couple très limité. Qui plus est, la poutre en polysilicium étroite souffre habituellement de l'effet d'enlèvement de matière insuffisant pendant la gravure par voie humide ou le processus de libération de couche sacrificielle, ce qui réduit encore le rendement de fabrication du dispositif et augmente la défaillance par 4 fissuration dans une situation d'actionnement. Selon la présente invention, ce défaut peut être surmonté en ajoutant la conception de structures à renfort d'angle au niveau de l'angle des conjonctions poutre-plaque de SDA et poutre-queue de SDA.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION Afin d'améliorer le rendement de fabrication, la durée de vie et la tension d'alimentation des micro-actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel, la présente invention propose une nouvelle configuration incluant la conception par trous de gravure et par structure à renfort d'angle.

Lorsque les trous de gravure sont ajoutés au niveau de la conception de la plaque de SDA des types rectangulaire et hexagonal classiques, la libération de la couche de structure peut être accélérée, et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA et la friction entre la plaque de SDA et le substrat peuvent être substantiellement diminuées puisque l'aire efficace de la plaque de SDA est réduite. Selon cette conception innovante, une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être réalisées. Par ailleurs, le fait d'ajouter la conception par structure à renfort d'angle au niveau de l'angle des conjonctions poutre-plaque de SDA et poutre-queue de SDA permet d'améliorer la rigidité en flexion de la poutre en polysilicium étroite, ce qui améliore encore le rendement de fabrication des dispositifs et ce qui réduit la défaillance par fissuration dans une situation d'actionnement. Pour résumer, les caractéristiques de rendement de fabrication faible, de tension d'alimentation plus élevée et de durée de vie plus courte du SDA classique peuvent être améliorées et peuvent être optimisées en utilisant la conception de nouveau type proposée selon la présente invention. Selon l'invention, on propose en outre une implantation innovante de micro-actionneurs d'entraînement par frottement impulsionnel, incluant : (a) au moins trois nouvelles formes de plaque de SDA, incluant la plaque de SDA en triangle avec une conception par trous de gravure, la plaque de SDA en rectangle avec une conception par trous de gravure et la plaque de SDA hexagonale (Figure 2) avec une conception par trous de gravure ; une fois que les trous de gravure sont ajoutés à l'implantation d'une plaque de SDA classique, la libération de la couche de structure peut être accélérée et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA sont réduites ; (b) au moins une nouvelle conception de structure "à renfort d'angle" de poutre de support de plaque de SDA ; l'ajout de la conception de structure à renfort d'angle dans l'angle de la conjonction poutre-plaque permettant d'améliorer la rigidité en flexion de la poutre de support en polysilicium étroite, ce qui permet d'améliorer davantage le rendement de fabrication du dispositif de SDA et de réduire la défaillance par fissuration dans une situation d'actionnement ; et (c) au moins quatre rapports longueur/largeur différents de plaque de SDA sont conçus, incluant 58 pm/60 pm, 68 p.m/60 pm, 78 11m/60 pm et 78 pm/65 pm. Selon une variante, la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être fabriquée sur une plaquette en silicium 15 ultra-basse résistivité (de 0,001 à 0,004 Q-cm) afin de diminuer davantage la tension d'alimentation. Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-moteur de SDA. 20 Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-ventilateur basé sur SDA. Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être 25 appliqué au développement d'un micro-assemblage module/système thermique. Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-assemblage dispositif/structure. 30 Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-système à fluide.

Selon une autre variante, le dispositif de SDA incluant la nouvelle implantation et la nouvelle conception de structure selon l'invention peut être appliqué au développement d'un micro-commutateur optique/de télécommunication.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un schéma qui représente trois conceptions différentes de l'actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel classique ; la figure 2 est un schéma qui représente la nouvelle conception "à trous de gravure ajoutés" de la plaque de SDA présentée selon la présente invention ; la figure 3 est un schéma qui représente la nouvelle conception de structure "à renfort d'angle" de la poutre de support de plaque de SDA présentée selon la présente invention ; la figure 4 représente deux microphotographies SEM qui représentent 15 le dispositif de SDA autonome mis en oeuvre avec les conceptions à trous de gravure et de structure à renfort d'angle ; la figure 5 est une illustration qui représente l'influence de la tension d'alimentation sur trois formes différentes et quatre rapports longueur/largeur différents de plaque de SDA, 20 la figure 6 montre un micro-ventilateur tournant basé sur la technologie MEMS selon l'art antérieur, la figure 7 montre des étapes de fabrication d'un MEMS multiutilisateur (MUMP) selon l'art antérieur, et la figure 8 montre un micro-actionneur d'entraînement par frottement 25 impulsionnel (SDA) selon l'art antérieur. DESCRIPTION DETAILLÉE DU MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ Les nouvelles conceptions proposées selon la présente invention sont représentées sur la figure 2 et sur la figure 3, lesquelles nouvelles conceptions permettent de réduire de manière efficace les charges résiduelles 30 accumulées et d'augmenter de façon substantielle la rigidité en flexion de la poutre de support. Selon cette conception innovante, une durée de vie plus longue et une tension d'alimentation plus faible du dispositif de SDA peuvent être obtenues. Sur la figure 3, on voit une plaque de SDA 2 reliée par une poutre de support 4 à une structure de support. La poutre de support 4 présente des renforts d'angle 3. On voit également sur la figure 3 un cercle matérialisant une dépression 5. La figure 4 représente deux microphotographies SEM (par microscope électronique à balayage) du dispositif de SDA autonome mis en oeuvre avec des conceptions à trous de gravure et de structure à renfort d'angle. La conception complète du micro-SDA nécessite au moins cinq photomasques et la technologie de fabrication essentielle adoptée selon la présente invention est constituée par les processus de micro-usinage en surface basés sur polysilicium. Afin d'investiguer les paramètres géométriques optimisés de la plaque de SDA, selon la présente invention, on a comparé l'influence de la tension d'alimentation sur trois formes différentes et quatre rapports longueur/largeur différents de la plaque de SDA. Selon les résultats de tests tels que représentés sur la figure 5, la plaque de SDA en triangle présente une tension d'alimentation plus élevée que la forme en rectangle. Bien que la plaque de SDA à laquelle sont ajoutés des trous de gravure permette d'accélérer la libération de la couche de structure et de réduire les charges accumulées, elle augmentera cependant légèrement la tension d'alimentation du micro-moteur de SDA. La dimension optimisée de la plaque de SDA est clairement indiquée sur la figure 5. Lorsque le rapport de la longueur de plaque sur la largeur de plaque est égal à 78/65, la tension d'alimentation la plus faible peut être obtenue. RÉFÉRENCES [1] Ryan J. Linderman, Paul E. Kladitis et Victor M. Bright, "Development Microrotary Fan", Sensor and Actuator A, Vol. 95, 2002, pp.135-142. [2] Richard R. A. Syms, Eric M. Yeatman, Victor M. Bright et George M.

Whitesides, "Surface Tension-Powered Self-Assembly of Microstructures-The State-of-the-Art", IEEE Journal of MicroElectroMechanical Systems, Vol. 12, No.4, Août 2003, pp. 387-417. [3] Ryan J. Linderman et Victor M. Bright, "Nanometer Precision Positioning Robots Utilizing Optimized Scratch Drive Actuators", Sensor and Actuator A, Vol. 91, 2001, pp. 292-300. [4] Ryan J. Linderrnan et Victor M. Bright, "Optimized Scratch Drive Actuator or Tethered Nanometer Positioning of Chip-Sized Components," Solid-state Sensor and Actuator Workshop Hilton Head Island, South Carolina, 4-8 Juin 2000, pp.214-217. [5] Terunobu Akiyama, Dominique Collard et Hiroyuki Fujita, "Scratch Drive Actuator with Mechanical Links for Self-Assembly of Three-Dimensional MEMS," IEEE Journal of MicroElectroMechanical Systems, Vol. 6, Issue 1, 1997, pp.10-17. [6] Y. Fukuta, D. Collard, T. Akiyama, E. H. Yang et H. Fujita, "Microactuated Self-Assembling of 3D Polysilicon Structures with Reshaping Technology, "Proc. IEEE Micro. Electro Mechanical System, Nagoya, Japon, 1997, pp. 447-481.

Claims

REVENDICATIONS

1. Micro-actionneur d'entraînement par frottement impulsionnel, (SDA) caractérisé en ce qu'il inclut : une plaque de SDA (2), présentant l'une des formes incluant au moins une plaque de SDA en triangle avec une conception par trous de gravure (1), une plaque de SDA en rectangle avec une conception par trous de gravure et une plaque de SDA hexagonale avec une conception par trous de gravure ; de telle sorte qu'une fois que les trous de gravure sont ajoutés à l'implantation d'une plaque de SDA classique, la libération de la couche de structure peut être accélérée et les charges résiduelles accumulées au niveau de l'extrémité avant de la plaque de SDA sont réduites ; en ce qu'il présente une conception de structure "à renfort d'angle" (3) de poutre de support (4) de plaque de SDA ; de telle sorte que l'ajout de la conception de structure à renfort d'angle dans l'angle de la conjonction poutre-plaque permet d'améliorer la rigidité en flexion de la poutre de support en polysilicium étroite, afin d'améliorer davantage le rendement de fabrication du dispositif de SDA et de réduire la défaillance par fissuration dans une situation d'actionnement ; et en ce qu'au moins quatre rapports longueur/largeur différents de plaque de SDA sont conçus, incluant 58 pm/60 pm, 68 1am/60 pm, 78 pm/60 pm et 78 pm/65 [am.

2. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est fabriqué sur une plaquette en silicium ultra-basse résistivité (de 0,001 à 0,004 Q-cm) afin de diminuer davantage la tension d'alimentation.

3. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-moteur de SDA.

4. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-ventilateur basé sur SDA.

5. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-assemblage 30 module/système thermique.

6. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-assemblage dispositif/structure.

7. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la 5 revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-système à fluide.

8. Micro-actionneur (SDA) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un micro-commutateur optique/de télécommunication.