FR2952628A1 - Procede de fabrication d'au moins une micropompe a membrane deformable et micropompe a membrane deformable - Google Patents

Procede de fabrication d'au moins une micropompe a membrane deformable et micropompe a membrane deformable Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de fabrication d'au moins une micropompe à membrane déformable comportant un premier substrat (10) et un second substrat (20) assemblés l'un à l'autre, le premier substrat (10) comportant au moins une cavité (12-2) et le second substrat (20) comportant au moins une membrane déformable (22-2) disposée en regard de ladite cavité (12-2) . Ledit procédé comporte les étapes suivantes : - on réalise ladite cavité (12-2) dans le premier substrat (10), puis - on assemble les premier (10) et second (20) substrats l'un à l'autre, puis - on réalise ladite membrane déformable (22-2) dans le second substrat (20).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'AU MOINS UNE MICROPOMPE A MEMBRANE DEFORMABLE ET MICROPOMPE A MEMBRANE DEFORMABLE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine général de la microfluidique, et porte sur un procédé de fabrication d'au moins une micropompe à membrane déformable, ainsi que sur une micropompe à membrane déformable. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les micropompes permettent d'assurer l'écoulement contrôlé d'un fluide dans un microcanal. Elles peuvent intervenir dans de nombreux systèmes microfluidiques tels que, à titre d'exemples, des laboratoires sur puce, des systèmes d'injection de substances médicales ou encore des circuits hydrauliques de refroidissement de puces électroniques. L'écoulement du fluide peut être obtenu de différentes manières, selon que l'on agit mécaniquement ou non sur le fluide d'intérêt. Une présentation des différentes techniques peut être trouvée dans l'article de Nguyen et al. intitulé « MEMS-Micropumps: A Review », 2002, J. Fluid. Eng., Vol. 124, 384-392. Les micropompes à membrane déformable appartiennent à la première catégorie de micropompes dans laquelle une action mécanique est appliquée au fluide par l'intermédiaire de ladite membrane, de manière à provoquer le déplacement du fluide dans le microcanal. Le document US2005/0123420 décrit un exemple d'une telle micropompe comportant trois membranes déformables, dont une membrane centrale de pompage et deux membranes secondaires amont et aval. Comme l'illustre la figure 1, la micropompe 1 comporte un premier substrat 10 et un second substrat 20 assemblés l'un à l'autre de manière à former un microcanal. Le premier substrat 10 comporte trois cavités 12-1, 12-2, 12-3 formées dans la face supérieure 11S du substrat et connectées en série. Le second substrat 20 comporte trois membranes déformables 22-1, 22-2, 22-3 disposées en regard desdites cavités. Il est à noter que le second substrat est formé d'un seul tenant, les membranes déformables étant alors une partie dudit substrat et non pas des pièces rapportées. 20 La membrane centrale 22-2 et la cavité correspondante 12-2 délimitent ensemble la chambre de pompage de la micropompe 1. Les membranes amont 22-1 et aval 22-3 forment, avec leurs cavités correspondantes 12-1 et 12-3, des vannes actives.
La déformation des membranes est obtenue à l'aide de pastilles piézoélectriques 31 disposées sur la face supérieure 21S des membranes. L'écoulement du fluide d'intérêt dans le microcanal de la micropompe est obtenu par déformation contrôlée de la membrane qui augmente ou diminue le volume de la chambre de pompage, conjointement avec l'action des vannes amont et aval.
Le procédé de fabrication d'une telle micropompe comprend une étape de réalisation des cavités et des membranes, puis une étape d'assemblage desdits substrats. Les cavités et les membranes sont tout d'abord réalisées, respectivement, dans les premier et second substrats par des techniques classiques de microélectronique, par exemple, par photolithographie suivie d'une ou plusieurs étape(s) de gravure. Il est à noter que les membranes du second substrat présentent habituellement une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de microns. Les premier et second substrats, lorsqu'ils sont en silicium, peuvent ensuite être assemblés l'un à l'autre par scellement moléculaire, également appelé scellement direct de silicium (SDB en anglais, pour Silicium Direct Bonding). Cette technique d'assemblage, connue de l'homme du métier, est notamment décrite dans l'ouvrage de Maluf et Williams intitulé « An introduction to microelectromechanical systems engineering », Artech House, 2004. Elle comprend une phase préalable de nettoyage des faces des substrats, puis l'alignement des substrats et la mise en contact l'un de l'autre. L'ensemble est ensuite soumis à une température élevée, de l'ordre de 1000°C, pendant une durée pouvant aller de plusieurs minutes à plusieurs heures.30 Ce procédé de fabrication entraîne cependant un certain nombre d'inconvénients, notamment en ce qui concerne le second substrat. En effet, la manipulation du second substrat avant et pendant l'étape d'assemblage, en particulier lors de la phase de nettoyage dans le cas du scellement direct, entraîne des contraintes mécaniques élevées dans le second substrat, particulièrement au niveau des membranes du fait de leur faible épaisseur. Les risques de dégradation des membranes (cassure, déchirure...) sont alors importants. Aussi, pour limiter ces risques, le second substrat est gravé de manière à présenter une géométrie de type gaufre. Comme le montre la figure 1, les membranes 22-1, 22-2, 22-3 sont formées par des évidements réalisés dans la face supérieure 21S du second substrat. Les parties non gravées forment alors des parties épaisses, ou nervures 25, qui séparent les membranes les unes des autres, et procurent, de par leur épaisseur et leur disposition, la rigidité nécessaire au substrat. Cependant, la présence des nervures dans la face supérieure du second substrat interdit la réalisation d'étapes ultérieures de photolithographie dans la mesure où il n'est pas possible de réaliser le dépôt de résine photosensible à la tournette. Par ailleurs, lors du dépôt ultérieur de couches diélectriques ou métalliques sur la face supérieure du second substrat, des problèmes de continuité apparaissent du fait des fortes variations de hauteur induites par la présence des nervures.
Enfin, il est à noter que ces différents inconvénients sont particulièrement importants lorsque le procédé porte sur la fabrication simultanée d'une pluralité de micropompes à partir de plaques formant les premier et second substrats. En effet, ces plaques présentent habituellement un diamètre de l'ordre de la centaine de millimètres pour une épaisseur, en ce qui concerne la plaque formant le second substrat, de l'ordre de quelques dizaines de microns au niveau des membranes. On comprend que ce rapport d'aspect rend la plaque formant le second substrat particulièrement fragile lors de sa manipulation avant et pendant l'assemblage.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de présenter un procédé de fabrication d'au moins une micropompe à membrane déformable comportant deux substrats assemblés l'un à l'autre, permettant de limiter, avant et pendant l'étape d'assemblage desdits substrats, les risques de dégradation des substrats, notamment du substrat destiné à comporter la ou les membrane(s) déformable (s) .
Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'au moins une micropompe à membrane déformable comportant un premier substrat et un second substrat assemblés l'un à l'autre, le premier substrat comportant au moins une cavité et le second substrat comportant au moins une membrane déformable disposée en regard de ladite cavité, lesdits premier et second substrats délimitant ensemble une portion d'un microcanal au sein de laquelle sont situées ladite cavité et ladite membrane déformable. Ledit procédé comporte les étapes suivantes : on réalise ladite cavité dans le premier substrat, puis - on réalise ladite membrane déformable dans le second substrat, et - on assemble les premier et second substrats l'un à l'autre. Selon l'invention, l'étape de réalisation de la membrane déformable est effectuée après l'étape d'assemblage. Les deux substrats sont donc assemblés l'un à l'autre avant l'étape de réalisation de la membrane déformable. Le second substrat, avant et pendant l'étape d'assemblage, ne comporte pas de membrane déformable, donc de zone de fragilité localisée. Aussi, avant et pendant l'étape d'assemblage, les risques de dégradation (cassure, rupture, clivage...) des substrats en général et du second substrat en particulier, du fait de contraintes mécaniques excessives engendrées lors de la manipulation, sont sensiblement réduits par rapport aux risques présents dans le procédé selon l'art antérieur présenté précédemment. De plus, le choix de la technique d'assemblage à utiliser n'est plus limité. A la différence de l'art antérieur, il est possible de choisir une technique d'assemblage parmi celles dont les conditions opératoires, en termes notamment de pression et de température, soumettent les substrats à des contraintes mécaniques et thermiques importantes. Du fait de l'absence de membrane déformable pendant l'étape d'assemblage, les risques de dégradations du second substrat sont sensiblement réduits, voire négligeables.
Ledit second substrat comprend une face supérieure et une face inférieure, celui-ci étant assemblé audit premier substrat au niveau de sa face inférieure. Avantageusement, l'étape de réalisation de ladite membrane déformable est effectuée par amincissement dudit second substrat à partir de la face supérieure de celui-ci, ledit amincissement étant réalisé par polissage mécanique, par polissage mécano-chimique et/ou par gravure. De préférence, le second substrat, comportant ladite membrane déformable, est réalisé d'une seule pièce. Aussi, ladite membrane déformable n'est pas un élément rapporté solidaire du second substrat mais une partie structurelle dudit second substrat. Ladite étape d'assemblage peut être réalisée par scellement moléculaire, par scellement anodique, eutectique, ou par collage. De préférence, l'étape d'assemblage est effectuée par scellement moléculaire. Cette technique est parfois appelée scellement par fusion ou scellement direct sur silicium (SDB pour Silicon Direct Bonding). De préférence, le premier substrat comporte un conduit communiquant avec la première cavité, une étape ultérieure d'amincissement par gravure d'au moins une partie dudit premier substrat étant réalisée à partir de la face inférieure de celui-ci, de manière à rendre traversant ledit conduit.
Ladite étape d'assemblage est avantageusement effectuée sous vide. Ainsi, dans le cas où la portion de microcanal forme un volume clos fermé par le second substrat, il est possible d'appliquer une température élevée sans risquer d'entraîner la dilatation thermique de gaz présents dans ledit volume. Cette dilatation engendrerait des contraintes mécaniques importantes dans lesdits substrats qui fragiliseraient notamment l'assemblage.
Avantageusement, à la suite de l'étape de réalisation de ladite membrane déformable, le second substrat présente une face supérieure sensiblement plane sur toute sa surface. Aussi, à la différence de l'art antérieur, des procédés de microélectronique classiquement réalisés sur des surfaces planes peuvent être effectués sur la face supérieure du second substrat. Ces procédés peuvent comprendre des étapes ultérieures de dépôt, notamment de résine photosensible, dépôt alors réalisé à la tournette, de photolithographie et de gravure. Une pluralité de micropompes peut être fabriquée simultanément à partir desdits premier et second substrats, lesdits premier et second substrats étant respectivement formés d'un seul tenant.
Ledit procédé de fabrication peut comprendre une étape finale de séparation desdites micropompes préalablement fabriquées les unes des autres.
L'invention porte également sur une micropompe à membrane déformable comportant un premier substrat et un second substrat assemblés l'un à l'autre, le premier substrat comportant au moins une cavité et le second substrat comportant au moins une membrane déformable disposée en regard de ladite cavité, lesdits premier et second substrats délimitant ensemble une portion d'un microcanal au sein de laquelle sont situées ladite cavité et ladite membrane déformable. Selon l'invention, ledit second substrat présente, le long de ladite portion du microcanal, une épaisseur sensiblement constante. Par épaisseur sensiblement constante, on entend une épaisseur dont la valeur est susceptible de présenter des variations locales inférieures ou égales à 10% de sa valeur maximale dans la zone considérée, et de préférence inférieures ou égales à 5%, voire 1%. Ledit second substrat comprend une face supérieure et une face inférieure, celui-ci étant assemblé audit premier substrat au niveau de sa face inférieure. Avantageusement, le second substrat présentant une face supérieure sensiblement plane sur toute sa surface. Ladite membrane déformable peut présenter une épaisseur inférieure ou égale à 300 pm, et de préférence inférieure à 100 pm, voire inférieure à 50 pm.
Lesdits premier et second substrats sont, de préférence, en silicium, en silicium sur isolant (SOI), ou en verre. De préférence, le premier substrat est en silicium et le second substrat est en SOI. Ledit premier substrat peut comprendre au moins un bossage disposé dans ladite cavité en regard de la membrane déformable, formant butée pour ladite membrane. Ainsi, lors de la réalisation de la membrane, le second substrat peut subir, du fait de la technique employée, un effort provoquant une déflexion vers le premier substrat. La présence du bossage permet alors de limiter la déflexion en formant une butée pour le second substrat. Les contraintes mécaniques liées à la déflexion sont alors également limitées. Avantageusement, le premier substrat comporte une seconde cavité et le second substrat comporte une seconde membrane déformable disposée en regard de ladite seconde cavité, ladite seconde cavité et ladite seconde membrane déformable étant situées au sein de ladite portion du microcanal, ledit premier substrat comportant un conduit débouchant à l'intérieur de la seconde cavité par une ouverture bordée d'une lèvre en saillie à l'intérieur de ladite seconde cavité, parallèlement à ladite seconde membrane déformable. Par lèvre, on entend une nervure rigide en saillie. De préférence, ladite lèvre et ladite seconde membrane déformable présentent, l'une vis-vis de l'autre, un espacement compris entre 0,01 pm et 3 pm. De préférence, ledit espacement est compris entre 0,1 pm et 3 pm. Ainsi, dans le cas d'une technique d'assemblage au cours de laquelle une température élevée est appliquée, il n'y a pas de risque de déformation thermique de l'un ou l'autre des substrats. Il est donc possible de réaliser des espacements particulièrement faibles entre telle zone du premier substrat et telle zone du second substrat. Avantageusement, une couche contrainte est disposée sur la face supérieure du second substrat en regard d'une membrane déformable, de sorte que ladite membrane est déformée dans une position de repos. Avantageusement, une jauge de contrainte est disposée sur la face supérieure du second substrat en regard d'une membrane déformable, de manière à mesurer une déformation de ladite membrane.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe transversale d'une micropompe à membrane déformable selon un exemple de l'art antérieur ; Les figures 2A à 2E sont des vues en coupe transversale d'une micropompe à membrane déformable, pour différentes étapes du procédé de fabrication selon l'invention ; La figure 3 est une vue de dessus du premier substrat, après l'étape de réalisation de cavités et 25 avant l'étape d'assemblage ; La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de micropompe selon l'invention, dans laquelle les conduits d'entrée et de sortie sont notamment disposés en-dehors des cavités amont et 30 aval ; La figure 5 est une vue de dessus du premier substrat tel que représenté sur la figure 4 ; et La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de micropompe selon l'invention, dans laquelle une couche contrainte est disposée sur une membrane du second substrat. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ Le procédé de fabrication décrit par la suite est appliqué à une micropompe comportant trois membranes déformables, mais peut être appliqué également à tout type de micropompe à membrane déformable telle que celles, par exemple, comportant au moins une membrane déformable et des vannes à clapets ou des conduits convergents disposés en amont et en aval de ladite membrane. Le procédé peut s'appliquer à une micropompe comportant n membranes selon l'invention, n étant supérieur ou égal à 1, et de préférence égal à 3. Lorsque n est égal à 1, le procédé conduit à la réalisation d'une vanne active, la membrane étant alors disposée entre un conduit d'entrée et un conduit de sortie. De plus, le procédé est décrit en référence à la fabrication d'une seule micropompe, mais peut s'appliquer à la fabrication simultanée d'une pluralité de micropompes. Les figures 2A à 2E illustrent, en coupe transversale, une micropompe à membrane déformable, pour différentes étapes du procédé de fabrication selon le mode de réalisation préféré.
Il est à noter que les échelles ne sont pas respectées, pour privilégier la clarté du dessin. Dans toute la description qui va suivre, on utilise un repère orthonormé (i,j,k), représenté sur la figure 2A. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » utilisés par la suite sont ici à comprendre en termes d'orientation suivant la direction k du repère orthonormé (i,j,k) représenté sur la figure 2A. Les termes « épaisseur », « hauteur » et « profondeur » sont à comprendre en termes de distance suivant la direction k du même repère orthonormé (i, j, k) . On considère un premier substrat 10 formé, par exemple, à partir d'une plaque de silicium polie double face. On considère un second substrat 20 formé, par 20 exemple, à partir d'une plaque de silicium sur isolant (SOI pour Silicon On Insulator). Une couche de SiO2 23-2 est ainsi présente entre deux couches supérieure 23-1 et inférieure 23-3 de silicium. L'épaisseur des premier et second substrats est 25 de l'ordre de quelques centaines de microns, par exemple 700pm. Le diamètre ou la diagonale des premier et second substrats peuvent être de l'ordre de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres, par 30 exemple de 10, 15, 20 ou 30 cm. Dans le cas d'une fabrication simultanée d'une pluralité de micropompes, les substrats peuvent présenter un diamètre ou une15 diagonale de l'ordre de quelques dizaines de centimètres. Les micropompes obtenues au terme du procédé de fabrication peuvent former, par exemple, un rectangle de 1 cm sur 3 cm.
L'épaisseur de la couche inférieure 23-3 de silicium du second substrat 20 est sensiblement égale à l'épaisseur des membranes déformables qui seront réalisées par la suite. Cette épaisseur peut ainsi être de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns, par exemple 10 }gym à 300 }gym, et de préférence inférieure à 100 }gym, voire inférieure à 50 }gym. Comme il sera détaillé plus loin, la couche inférieure 23-3 du second substrat permet de définir avec précision l'épaisseur des membranes déformables qui seront réalisées.
Selon une première étape du procédé, on réalise une pluralité de cavités 12-1, 12-2, 12-3 dans la face supérieure 11S du premier substrat 10, ainsi que des conduits de communication 13. Par cavité, on entend un évidement ou une échancrure pratiqué(e) dans la surface d'un solide. Trois cavités 12-1, 12-2, 12-3 sont ainsi obtenues, une cavité centrale 12-2 et deux cavités amont 12-1 et aval 12-3, qui sont connectées en série par l'intermédiaire des conduits de communication 13. La cavité centrale 12-2 contribue à former la chambre de pompage et les deux cavités amont 12-1 et aval 12-3 contribuent à former des vannes actives.
Les cavités 12-1, 12-2, 12-3 peuvent présenter la forme d'un disque, d'un anneau, d'un polygone, ou tout autre forme du même type, de quelques millimètres de diamètre ou de diagonale, par exemple 3 mm ou 6 mm, et d'une profondeur de l'ordre de quelques microns à quelques centaines de microns, par exemple 50 pm ou 100 pm. En effet, on peut définir un taux de compression, correspondant au ratio entre le volume de fluide déplacé par la membrane et le volume de la cavité située en regard de la membrane. Il est préférable que ce taux de compression soit le plus important possible. Aussi, la profondeur d'une cavité est de préférence inférieure ou égale à 100 pm.
Des conduits d'entrée 14 et de sortie 15 sont réalisés sous forme de puits débouchants, respectivement, à l'intérieur, respectivement, des cavités amont 12-1 et aval 12-3, mais, de préférence, non encore traversants vis-à-vis du premier substrat 10. Ils peuvent être situés au centre desdites cavités. Ils peuvent avoir un diamètre de l'ordre de quelques centaines de microns, par exemple 600 pm, et une profondeur de l'ordre de quelques centaines de microns, par exemple 300 pm. Les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 débouchent dans lesdites cavités par un orifice bordé d'une lèvre annulaire 16. Les lèvres 16 peuvent présenter une hauteur sensiblement égale à la profondeur des cavités dans lesquelles elles sont situées. Dans ce cas, on réalise des dégagements 24-1, 24-3 dans la face inférieure 21I du second substrat 20, destinées à venir en regard des lèvres correspondantes 16. Lesdits dégagements peuvent ainsi être annulaires ou avoir une forme de disque, et présentent une faible profondeur, de l'ordre de quelques microns, par exemple 2 }gym, ou de quelques dixièmes de micron, par exemple 0,1 }gym. Par dégagement, on entend un évidement ou une échancrure de faible profondeur, typiquement comprise entre 0,1 }gym et 3 }gym, au regard de celle des cavités, de l'ordre de quelques dizaines de microns, par exemple 50 ou 100 }gym. Ainsi, la face inférieure 21I du second substrat 20 peut être considérée comme sensiblement plane. Le terme « sensiblement » désigne ici des variations d'épaisseur de ce substrat ne dépassant pas quelques microns, par exemple 3 }gym. Ces dégagements 24-1, 24-3 permettent de garantir, lors de l'étape ultérieure d'assemblage des substrats, que le sommet des lèvres 16 ne touche pas la face inférieure 21I du second substrat 20. De plus, ces dégagements 24-1, 24-3 assureront également une communication fluidique, dans le cas d'une membrane non contrainte mécaniquement, entre les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 et les cavités 12-1, 12-3 dans lesquelles ils débouchent. Par ailleurs, un bossage 17 peut être réalisé dans la face supérieure 11S du premier substrat 10 et localisé sensiblement au centre de la cavité centrale 12-2. Pour éviter le contact entre la face inférieure 21I du second substrat 20 et le sommet du bossage 17, un dégagement 24-2 est avantageusement réalisé dans la face inférieure 21I. La réalisation des cavités 12-1, 12-2, 12-3, des 30 conduits de communication 13 et des conduits d'entrée 14 et de sortie 15 dans le premier substrat 10 (représenté en vue de dessus sur la figure 3) et des dégagements 24-1, 24-2, 24-3 dans le second substrat 20 peut être effectuée par des techniques classiques de microélectronique, par exemple par photolithographie suivie de quelques étapes de gravure. La gravure peut être réalisée par plasma du type RIE (Reactive Ion Etching), ce qui permet d'obtenir des parois verticales. Par « vertical », on entend orienté suivant le vecteur k du repère (i, j, k) . En variante, il est possible de ne pas réaliser de dégagements dans la face inférieure 21I du second substrat 20, qui reste alors plane. La hauteur des lèvres 16 est alors inférieure à la profondeur des cavités amont 12-1 et aval 12-3 dans lesquelles elles sont situées. Ainsi, lors de l'étape ultérieure d'assemblage des substrats, le sommet des lèvres 16 ne touche pas la face inférieure 21I du second substrat. De plus, la communication fluidique, dans le cas d'une membrane non contrainte mécaniquement, entre les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 et les cavités 12-1, 12-3 dans lesquelles ils débouchent est également assurée. De la même manière, il est possible de réaliser un bossage 17 dont la hauteur est inférieure à la profondeur de la cavité centrale 12-2 dans lequel il est situé.
Selon une seconde étape du procédé, on assemble ensuite lesdits substrats l'un à l'autre. Selon le mode de réalisation préféré, les premier et second substrats 10, 20 étant respectivement en silicium et en SOI, il est possible d'effectuer un assemblage par scellement moléculaire. Ce type de scellement convient particulièrement à des assemblages de type Si-Si ou Si-verre. Cette technique est également appelée scellement par fusion, ou scellement direct. Cette étape d'assemblage par scellement moléculaire comporte une première phase de préparation des faces des substrats 10, 20 destinées à être assemblées, plus précisément de nettoyage et d'hydratation. Les substrats 10, 20 sont ainsi nettoyés par un traitement humide tel que le nettoyage RCA, décrit notamment dans l'ouvrage précédemment cité de Maluf et Williams intitulé « An introduction to microelectromechanical systems engineering ». Cette technique de nettoyage permet d'obtenir des surfaces propres et non contaminées, présentant une forte densité de groupements OH. Comme le montre la figure 2B, les substrats sont ensuite alignés puis mis en contact l'un avec à l'autre.
On effectue enfin un recuit de scellement à haute température pendant une durée déterminée. La température peut être comprise entre 500°C et 1250°C, par exemple de l'ordre de 1000°C et la durée de recuit peut être de l'ordre d'une heure. L'assemblage des substrats ainsi obtenu est alors solide et durable. L'assemblage des deux substrats peut également être réalisé selon d'autres procédés tels que le collage, ou le scellement eutectique ou le scellement anodique.
On comprend que, lors de l'étape d'assemblage, le second substrat 20 n'a pas encore subi d'étape de réalisation de membrane déformable. L'épaisseur du second substrat 20 est donc sensiblement identique à son épaisseur initiale, soit quelques centaines de microns. Les dégagements éventuellement réalisés 24-1, 24-2, 24-3 dans la face inférieure 21I présentent une profondeur négligeable par rapport à l'épaisseur totale du second substrat 20, et ne modifient donc pas la rigidité globale du substrat 20. Aussi, la manipulation du second substrat 20 avant et pendant l'étape d'assemblage présente des faibles risques de dégradation par cassure ou déchirure. Par ailleurs, les premier et second substrats 10, 20 présentent une épaisseur suffisante qui rend négligeable toute déformation au cours du scellement, d'autant que ce dernier est préférentiellement réalisé sous vide. L'espacement entre le sommet des lèvres 16 du premier substrat 10 et la face inférieure 21I du second substrat 20 peut ainsi être très faible, par exemple de l'ordre du micron ou du dixième de micron comme il était mentionné précédemment. Il n'y a donc pas de risque qu'à la suite d'une déformation thermique de l'un ou l'autre des substrats, les lèvres 16 et la face inférieure 21I du second substrat 20 soient mises en contact mutuel de sorte qu'un scellement de ces surfaces ait lieu. Pour la même raison, l'espacement entre le sommet du bossage 17 et la face inférieure 21I peut également être de l'ordre du micron ou du dixième de micron. Alternativement auxdits dégagements, ou en combinaison avec ceux-ci, il est possible de réaliser un traitement de surface interdisant localement le scellement entre le sommet des lèvres 16 et du bossage 17 et la face inférieure 21I du second substrat 20. Ce traitement de surface, de préférence réalisée sur la face inférieure 21I du second substrat au niveau de la surface en regard desdits lèvres 16 et bossage 17, peut être un micro-usinage réalisant un état de surface rugueux, le dépôt d'un matériau hydrophobe ou à force d'adhésion réduite, voire un traitement de surface chimique ou encore une implantation ionique. Enfin, il est à noter que, lors de cette étape d'assemblage, les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 peuvent ne pas être traversants, comme le montre les figures 2A et 2B. Dans ce cas, l'étape d'assemblage est avantageusement effectuée sous vide. La pression ambiante peut être comprise, par exemple, entre quelques 10-4 mbar et quelques 10-2 mbar. Cela permet d'éviter que, par dilatation thermique de gaz emprisonnés dans le volume clos formé par les cavités 12-1, 12-2, 12-3 et conduits 13, 14, 15 des surpressions importantes n'engendrent des contraintes mécaniques excessives à l'intérieur desdits substrats, mais également dans la zone d'assemblage entre les deux substrats.
Selon la troisième étape du procédé, on réalise enfin les membranes déformables dans le second substrat. Comme le montrent les figures 2B et 2C, cette réalisation peut être effectuée par amincissement du second substrat 20 sur toute sa surface, à partir de sa face supérieure 21S.
Une première phase de polissage mécanique du type meulage peut être effectuée. Cette technique est notamment décrite dans l'article de Pei et al. intitulé « Grinding of silicon wafers: A review from historical perspectives », Int. J. Mach. Tool. Manu., 48 (2008), 1297-1307. Le polissage peut être arrêté à quelques microns ou dizaines de microns au-dessus de la couche intermédiaire 23-2 de SiO2. L'amincissement jusqu'à la couche intermédiaire 23-2 peut être obtenu par la technique connue du polissage mécano-chimique de type CMP (acronyme en anglais de Chemical Mechanical Polishing). Alternativement ou en combinaison avec cette technique, une gravure sèche de type RIE et/ou une gravure humide au moyen d'un bain de KOH ou de TMAH (tetramethylammonium hydroxide) peut(peuvent) être effectuée(s). Dans le cas de la gravure sèche ou humide, la couche de SiO2 présente l'avantage de servir de couche d'arrêt, ce qui permet de contrôler avec précision l'épaisseur finale de la membrane à former. Enfin, la couche intermédiaire 23-2 de SiO2 du second substrat 20 peut être gravée par une gravure sèche de type RIE (Reactive Ion Etching) ou par attaque chimique à l'acide fluorhydrique (HF) ou par toute technique de désoxydation connue. Comme l'illustre la figure 2C, le second substrat 20 présente une face supérieure 21S sensiblement plane et comprend essentiellement la couche inférieure 23-3 du SOI initial. On aboutit ainsi à un second substrat dont la face supérieure 21S est sensiblement plane, et dont l'épaisseur est sensiblement homogène. Le terme « sensiblement » couvre les éventuelles variations d'épaisseur de l'ordre de 0,1 }gym à 3 }gym provenant des dégagements 24-1 à 24-3 réalisés sur la face inférieure 21I du second substrat 20. Selon ce mode de réalisation, le second substrat 20 ne présente pas de zones géométriquement définies destinées à former des membranes déformables. Du fait de son épaisseur, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns, par exemple 10 pm à 300 pm, et de préférence 50 pm, toute zone du second substrat est susceptible de former une membrane déformable lorsqu'elle est placée en vis-à-vis d'une cavité réalisée dans le substrat inférieur. Néanmoins, les zones du second substrat 20 situées en regard des cavités 12-1, 12-2, 12-3 sont destinées à former des membranes déformables 22-1, 22-2, 22-3.
Il est à noter que l'étape d'amincissement peut être réalisée à la pression atmosphérique alors que les cavités forment encore un volume clos sous vide. Un effort de pression est alors appliqué sur la face supérieure 21S du second substrat 20, qui tend à provoquer une flexion de celui-ci à l'intérieur des cavités 12-1, 12-2, 12-3. Avantageusement, le bossage 17 disposé dans la cavité centrale 12-2 forme une butée pour le second substrat 20 et impose ainsi une limite à la flèche de flexion de celui-ci. Les lèvres 16 situées dans les cavités amont 12-1 et aval 12-3 peuvent également former une butée pour le second substrat 20 et contribuent également à limiter la flexion maximale possible du second substrat.
Par ailleurs, des étapes suivantes peuvent être effectuées pour finaliser la fabrication de la micropompe à membrane déformable.
Du fait de l'absence de nervures en saillie dans la face supérieure 21S du second substrat 20, il est possible de réaliser sur cette face les étapes classiques de micro-fabrication telles que les étapes de dépôt, de photolithographie par dépôt de résine photosensible à la tournette, puis de gravure. Comme le montre la figure 2D, un niveau conducteur peut être réalisé sur la face supérieure 21S du second substrat 20. Ce niveau conducteur est réalisé par dépôt d'une couche métallique, par exemple en or, aluminium, titane, platine, alliage (par ex, AlSi)... Tout type de dépôt d'un matériau conducteur disponible dans des salles blanches peut convenir. Une couche diélectrique (non représentée) de passivation peut ensuite être déposée sur les faces de la micropompe. Le matériau peut être du SiO2, du SiN, du Si3N4 d'une épaisseur de quelques nanomètres. Cette couche assure la protection et l'isolation locale de la couche conductrice.
La couche conductrice et la couche de passivation peuvent ensuite être localement gravées pour former des pistes conductrices et des zones d'alimentation électrique des moyens d'actionnement des membranes déformables.
Les moyens d'actionnement des membranes peuvent être des pastilles piézoélectriques. Les couches sont alors gravées pour former des plots de contact 32 destinés à assurer l'alimentation électrique de la micropompe avec le système extérieur, des disques conducteurs 33 destinés à recevoir les pastilles piézoélectriques et des pistes conductrices pour connecter les plots de contact avec les disques conducteurs. Les disques conducteurs 33 présentent un diamètre sensiblement égal à celui des pastilles piézoélectriques. Ce diamètre peut être de l'ordre de 0,5 à 0,85 fois le diamètre des cavités au regard desquelles les disques sont disposés. Comme le montre la figure 2E, des pastilles 31 sont ensuite réalisées sur la face supérieure 21S du second substrat 20, et disposées sur les membranes déformables 22-1, 22-2, 22-3. Elles reposent chacune sur un disque conducteur 33 et sont assemblées à ceux-ci à l'aide d'une colle conductrice. L'épaisseur des pastilles piézoélectriques peut être de l'ordre de la centaine de microns, par exemple 125 pm à 200 pm. Une présentation des matériaux piézoélectriques utilisables peut être trouvée dans l'article de Doll et al. intitulé « A novel artificial sphincter prothesis driven by a four-membrane silicon micropump », Sensor.
Actuat. A-Phys., 2007, Vol. 139, 203-209. Alternativement, les pastilles peuvent être obtenues après dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour Chemical Vapor Deposition) ou du type sol-gel. Dans ce cas, l'épaisseur des pastilles peut présenter une épaisseur inférieure à 1 pm ou à quelques microns. Enfin, un fil électrique 34 est soudé à la face supérieure des pastilles piézoélectriques et connecté aux pistes conductrices. Ainsi, une tension électrique peut être appliquée, de manière indépendante, à chaque pastille piézoélectrique. La déformation d'une pastille piézoélectrique entraîne alors la déformation de la membrane déformable correspondante. Les pastilles piézoélectriques peuvent donc être utilisées comme moyen d'actionnement des membranes pour déformer celles-ci. Il est à noter qu'elles peuvent également être utilisées comme capteur pour mesurer le mouvement des membranes, ou leur position induite par la déformation.
Dans le mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention, les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 ne sont pas encore traversants. Une étape de gravure et éventuellement de photolithographie est alors réalisée sur la face inférieure 11I du premier substrat 10 pour rendre traversants lesdits conduits. Le microcanal de la micropompe, formé des conduits d'entrée 14 et de sortie 15, des cavités 12-1, 12-2, 12-3 ainsi que des conduits de communication 13, est alors ouvert et communique avec l'environnement extérieur. Cette étape est avantageusement réalisée au terme du procédé de fabrication. Cela permet d'éviter la contamination de l'intérieur du microcanal de la micropompe par toutes sortes de résidus ou d'impuretés. Le risque de bouchage ou de mauvais fonctionnement des vannes amont et aval est ainsi écarté.
Enfin, dans le cas où une pluralité de micropompes est fabriquée simultanément à partir d'une plaque formant le premier substrat et d'une seconde plaque formant le second substrat, les plaques sont découpées pour individualiser les micropompes ainsi fabriquées.
Les figures 4 et 5 illustrent une variante de micropompe dans laquelle les conduits d'entrée et de sortie sont localisés en-dehors des cavités amont et aval.
Les références numériques identiques à celles des figures 2A à 2E indiquent des éléments identiques ou similaires. Les conduits d'entrée 14 et de sortie 15 sont ici disposés de manière sensiblement adjacente aux cavités amont 12-1 et aval 12-3 et communiquent avec celles-ci par des conduits de communication 13. Selon la figure 4, le conduit d'entrée s'étend à l'intérieur du premier substrat alors que le conduit de sortie s'étend à l'intérieur du second substrat. Cette disposition n'est donnée ici qu'à titre d'exemple. Il est bien entendu possible de disposer le conduit d'entrée dans le second substrat et le conduit de sortie dans le premier substrat, voire de disposer lesdits conduits à l'intérieur du second substrat.
Comme le montre la figure 5, pour assurer la fonction de vanne active, chaque lèvre peut être remplacée par une nervure 18 droite (ou courbe) s'étendant à l'intérieur de la cavité correspondante 12-1, 12-3 et formée dans ledit premier substrat 10. La membrane correspondante 22-1, 22-3 peut alors venir au contact de la nervure 18 dans le but d'interdire tout écoulement du fluide d'intérêt entre la nervure et la membrane.
En variante du mode de réalisation préféré décrit précédemment, une couche contrainte peut être déposée directement à la surface de la face supérieure de l'une ou l'autre des membranes réalisées, avant le dépôt de la couche conductrice. Cette couche contrainte exerce un effort sur la membrane concernée qui entraîne une déformation de celle-ci. Par exemple, cette couche contrainte peut être déposée sur les membranes amont et aval et provoque ainsi la mise en contact des membranes avec les lèvres en regard. Aussi, lorsque les membranes ne sont pas activées par les moyens d'actionnement, ici par les pastilles piézoélectriques, les membranes sont déformées dans une position de repos. Elles forment ainsi des vannes amont et aval fermées lorsqu'elles sont au repos. Cette couche contrainte peut être, par exemple, du Si3N3 déposé par PECVD présentant une contrainte interne en tension de l'ordre de plusieurs centaines de méga pascal, par exemple 700 MPa. Son épaisseur peut être de l'ordre de 0,1 }gym à 1 }gym. Comme l'illustre la figure 6, la déflexion de la membrane 22-1 induite par la couche contrainte 35 est alors de quelques microns et suffit à provoquer la mise en contact de la membrane avec la lèvre 16 en regard.
En variante, des jauges de contrainte peuvent être réalisées sur la face supérieure du second substrat et disposées au-dessus des membranes déformables. Ces jauges permettent de mesurer la déformation des membranes afin de connaître leur position (position haute, basse ou intermédiaire), de mesurer des pressions locales dans le microcanal de la micropompe. Il est par exemple possible de mesurer la différence de pression entre la cavité amont et la cavité aval, et ainsi de mesurer le débit de fluide ou détecter une fuite. Les jauges de contrainte peuvent être réalisées en un matériau conducteur présentant un facteur de jauge élevé, par exemple le métal, tel que le platine, ou, de façon préférée, en un matériau semi-conducteur dopé tel que, par exemple, le silicium dopé p obtenu par implantation d'ions bore. L'implantation d'ions bore peut-être réalisée directement sur la membrane Si.
Il est également possible de réaliser un pont de Wheatstone avec quatre jauges présentant des directions de mesure opposées. Un tel pont est notamment décrit dans l'article de Malhaire et Barbier intitulé « Design of a polysilicon-on-insulator pressure sensor with original polysilicon layout for harsh environment », 2003, Thin Solid Films, 427, 362-366.
En variante du mode de réalisation préféré décrit précédemment, une pluralité de bossages formant butée peut être réalisée et disposée dans les cavités centrale amont et/ou aval, voire dans les conduits de communication. Comme décrit précédemment, ces bossages limitent la déflexion des membranes en cours de réalisation dans lesdites cavités correspondantes lors de l'étape d'amincissement du second substrat. Ils peuvent également contribuer, d'une manière plus générale, à renforcer la structure de la micropompe. La hauteur des bossages peut être égale à la profondeur des cavités correspondantes, auquel cas un dégagement est alors réalisé dans la face inférieure du second substrat et disposé en regard de chacun desdits bossages. Alternativement, la hauteur des bossages peut être sensiblement inférieure à la profondeur des cavités correspondantes, d'une différence de l'ordre de quelques microns ou dixièmes de micron. Les dégagements ne sont alors pas nécessaires.
En variante, les premier et second substrats peuvent être réalisés en silicium ou en verre. Dans ce cas où les substrats sont réalisés, l'un en silicium (ou SOI), l'autre en verre, il est possible d'effectuer l'étape d'assemblage desdits substrats l'un à l'autre par la technique connue du scellement anodique. Par ailleurs, les cavités, membranes et pastilles piézoélectriques peuvent présenter une forme circulaire, comme décrit précédemment. Elles peuvent également présenter toute autre forme, par exemple ovale, carrée, polygonale. Il est également à noter que la membrane centrale peut présenter une taille différente de celle des membranes amont et aval. La taille des cavités correspondantes est adaptée en conséquence. Ainsi, à titre illustratif, la chambre de pompage peut présenter une taille de 6mm environ alors que les chambres amont et aval peuvent présenter une taille de 3mm.
En variante du mode de réalisation du procédé décrit précédemment, le second substrat peut être aminci à partir de sa face supérieure, non pas sur toute la surface de celle-ci, mais uniquement sur une portion de cette surface. A titre d'exemple, le second substrat de chaque micropompe peut présenter, sur sa face supérieure, une nervure disposée en bordure de celle-ci et délimitant une surface centrale sensiblement plane.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. La micropompe à membrane déformable précédemment décrite comporte des vannes actives formées comportant chacun une membrane déformable. Cependant, l'invention peut comprendre, alternativement aux vannes à membranes amont et aval, des vannes à clapets ou des conduits convergents. Enfin, d'autres types d'actionnement des membranes sont réalisables, par exemple des modes connus d'actionnement pneumatique, magnétique, voire électrostatique.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'au moins une micropompe à membrane déformable comportant un premier substrat (10) et un second substrat (20) assemblés l'un à l'autre, le premier substrat (10) comportant au moins une cavité (12-2) et le second substrat (20) comportant au moins une membrane déformable (22-2) disposée en regard de ladite cavité (12-2), lesdits premier et second substrats (10, 20) délimitant ensemble une portion d'un microcanal au sein de laquelle sont situées ladite cavité (12-2) et ladite membrane déformable (22-2), ledit procédé comportant les étapes suivantes : - on réalise ladite cavité (12-2) dans le premier substrat (10), puis - on réalise ladite membrane déformable (22-2) dans le second substrat (20), et - on assemble les premier (10) et second (20) substrats l'un à l'autre, caractérisé en ce que l'étape de réalisation de la membrane déformable est effectuée après l'étape d'assemblage.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second substrat (20) comprend une face supérieure (21S) et une face inférieure (21I), celui-ci étant assemblé audit premier substrat (10) au niveau de sa face inférieure (21I), l'étape de réalisation de ladite membrane déformable (22-2) est effectuée par amincissement dudit second substrat (20) à partir de laface supérieure (21S) de celui-ci, ledit amincissement étant réalisé par polissage mécanique, par polissage mécano-chimique et/ou par gravure.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite étape d'assemblage est réalisée par scellement moléculaire, par scellement anodique, eutectique, ou par collage.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier substrat (10) comporte un conduit (14 ; 15) communiquant avec la première cavité (12-2), une étape ultérieure d'amincissement par gravure d'au moins une partie dudit premier substrat (10) étant réalisée à partir de la face inférieure (11I) de celui-ci, de manière à rendre traversant ledit conduit (14 ; 15).
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite étape d'assemblage est effectuée sous vide.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, à la suite de l'étape de réalisation de ladite membrane déformable, le second substrat (20) présente une face supérieure (21S) sensiblement plane sur toute sa surface.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que des étapes ultérieures de dépôt,photolithographie et gravure sont effectuées sur ladite face supérieure (21S) du second substrat.
  8. 8. Micropompe à membrane déformable comportant un premier substrat (10) et un second substrat (20) assemblés l'un à l'autre, le premier substrat (10) comportant au moins une cavité (12-2) et le second substrat (20) comportant au moins une membrane déformable (22-2) disposée en regard de ladite cavité (12-2), lesdits premier et second substrats (10, 20) délimitant ensemble une portion d'un microcanal au sein de laquelle sont situées ladite cavité (12-2) et ladite membrane déformable (22-2), caractérisée en ce que ledit second substrat (20) présente, le long de ladite portion du microcanal, une épaisseur sensiblement constante.
  9. 9. Micropompe selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit second substrat (20) comprend une face supérieure (21S) et une face inférieure (21I), celui-ci étant assemblé audit premier substrat (10) au niveau de sa face inférieure (21I), le second substrat (20) présentant une face supérieure (21S) sensiblement plane sur toute sa surface.
  10. 10. Micropompe selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que ladite membrane déformable (22-2) présente une épaisseur inférieure ou égale à 300 pm.
  11. 11. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que lesdits30premier (10) et second (20) substrats sont en silicium, en silicium sur isolant (SOI), ou en verre.
  12. 12. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que ledit premier substrat (10) comprend au moins un bossage (17) disposé dans ladite cavité (12-2) en regard de la membrane déformable (22-2), formant butée pour ladite membrane.
  13. 13. Micropompe selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que le premier substrat (10) comporte une seconde cavité (12-1 ; 12-3) et le second substrat (20) comporte une seconde membrane déformable (22-1 ; 22-3) disposée en regard de ladite seconde cavité (12-1 ; 12-3), ladite seconde cavité (12-1 ; 12-3) et ladite seconde membrane déformable (22-1 ; 22-3) étant situées au sein de ladite portion du microcanal, ledit premier substrat (10) comportant un conduit (14 ; 15) débouchant à l'intérieur de la seconde cavité (12-1 ; 12-3) par une ouverture bordée d'une lèvre (16) en saillie à l'intérieur de ladite seconde cavité (12-1 ; 12-3), parallèlement à ladite seconde membrane déformable (22-1 ; 22-3).
  14. 14. Micropompe selon la revendication 13, caractérisée en ce que ladite lèvre (16) et ladite seconde membrane déformable (22-1 ; 22-3) présentent un espacement compris entre 0,01 }gym et 3 }gym.
  15. 15. Micropompe à membrane déformable selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisée en ce que ledit second substrat (20) comprend une face supérieure (21S) et une face inférieure (21I), celui-ci étant assemblé audit premier substrat (10) au niveau de sa face inférieure (21I), une couche contrainte (35) étant disposée sur la face supérieure (21S) du second substrat (20) en regard d'une membrane déformable (22-1 ; 22-2 ; 22-3), de sorte que ladite membrane est déformée dans une position de repos.
  16. 16. Micropompe à membrane déformable selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisée en ce que ledit second substrat (20) comprend une face supérieure (21S) et une face inférieure (21I), celui-ci étant assemblé audit premier substrat (10) au niveau de sa face inférieure (21I), une jauge de contrainte étant disposée sur la face supérieure (21S) du second substrat (20) en regard d'une membrane déformable (22-1 ; 22-2 ; 22-3), de manière à mesurer une déformation de ladite membrane.
FR0957995A 2009-11-13 2009-11-13 Procede de fabrication d'au moins une micropompe a membrane deformable et micropompe a membrane deformable Withdrawn FR2952628A1 (fr)

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