FR2955096A1

FR2955096A1 - Actionneur micro-electromecanique realise dans un substrat et microvalve utilisant cet actionneur

Info

Publication number: FR2955096A1
Application number: FR1050188A
Authority: FR
Inventors: Christophe Edouard
Original assignee: FLOWDIT
Current assignee: FLOWDIT
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-15
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: FR2955096B1; WO2011086271A1; DE112010005121T5

Abstract

Un actionneur micro-électromécanique est réalisé dans un substrat en forme de plaque et comporte un stator (42) et un élément mobile (40) dans le plan du substrat, l'élément mobile (40) et le substrat étant reliés de manière élastique, l'actionneur (4) comportant au moins une paire de peignes (400, 420) dont un peigne mobile (400) est porté par l'élément mobile (40) et un peigne de stator 420 (42) est porté par le stator (42), les peignes (400, 420) comportant des dents (401, 421). Les dents (401) d'un premier des peignes sont disposées en alternance par rapport aux dents (421) du deuxième peigne de telle sorte qu'un entrefer est maintenu entre les dents (401, 421) lorsque l'élément mobile (40) oscille dans la direction des dents (401, 421) d'une position de repos à une première position actionnée. Au moins une dent (401) du premier peigne (400) comporte une entaille (402) à son extrémité libre, l'entaille (402) s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat et ayant une forme sensiblement semi-cylindrique centrée sur l'extrémité (4210) de la dent adjacente du deuxième peigne (420) lorsque l'élément mobile (40) est en position de repos.

Description

Actionneur micro-électromécanique réalisé dans un substrat et microvalve utilisant cet actionneur. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un actionneur micro-électromécanique réalisé dans un substrat en forme de plaque et une microvalve utilisant cet actionneur.

TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les actionneurs micro-électromécaniques sont des produits réalisés dans un substrat en forme de plaque avec les techniques issues de la microélectronique. Le substrat et généralement du silicium cristallin dans lequel des formes à fonction électromécaniques sont réalisées par des étapes de gravure du silicium entre autre. Ces dispositifs sont aussi appelés MEMS, de l'acronyme anglo-saxon signifiant Micro Electro Mechanical System.

Dans de nombreuses applications, en particulier des applications de pilotage du comportement aérodynamique d'automobile ou d'aéronef par exemple, on utilise des microvalves de façon à adapter ou modifier les écoulements aérodynamiques autour des corps solides en mouvement dans de l'air. Ces actionneurs qui sont répartis sur les surfaces des objets, doivent pouvoir être de petites dimensions et générer des jets impulsionnels à vitesses et fréquences paramétrables. Afin d'assurer le pilotage de ces équipements micro-électromécaniques, on peut utiliser des dispositifs à peignes interdigités constitués de deux armatures de condensateur en forme de peigne comportant une pluralité de dents qui s'interpénètrent. Les armatures de ces deux peignes sont agencées pour permettre des déplacements relatifs de direction privilégiée des deux armatures lorsqu'elles sont soumises à une différence de potentiel électrique. Lorsque l'on applique une différence de

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potentiel entre ces deux armatures, les peignes sont soumis à une force d'origine électrostatique qui tend à augmenter l'interpénétration de ces peignes. L'un des peignes peut être monté relié à l'autre armature par une disposition à effet ressort, si bien que, lorsque la différence de potentiel est annulée, les peignes sont naturellement écartés et rejoignent une position de repos. Le document FR 2 898 740 Al décrit un exemple d'actionneur utilisant un tel dispositif.

Le procédé de fabrication d'un dispositif micro-électromécanique est basé par exemple sur le travail d'une plaque comportant une couche de verre et une couche de silicium réunie par soudure anodique ou par une couche de collage. Les formes souhaitées sont découpées dans la couche de silicium, en masquant des portions du silicium par des étapes de photolithographie et en attaquant les parties à nu par gravure sèche telle qu'une gravure ionique réactive profonde (connue sous l'acronyme DRIE : deep reactive ion etching). La couche de collage est enlevée par endroit pour libérer des portions de silicium en porte-à-faux au-dessus de la couche de verre et les rendre mobiles. Le document US 2002/130586 montre un exemple de fabrication d'un tel dispositif. Dans l'article « Optimal shape design of an electrostatic comb drive in microelectromechanical systems » de YE W., MUKHERJEE S. et MACDONALD N. C., publié en 1998 dans le "Journal of microelectromechanical systems" ISSN 1057-7157 vol. 7, nol, pages 16-26, différentes formes de dents de peignes sont étudiées afin d'optimiser l'évolution de la force de l'actionneur en fonction de sa position. Des formes de dents à profil, linéaire, parabolique ou cubique en particulier sont étudiées. Les actionneurs développés jusqu'à maintenant ne donnent pas entière satisfaction. On constate qu'ils n'arrivent pas à concilier les différentes exigences de simplicité de fabrication, d'amplitude et de fréquence de fonctionnement et, pour les microvalves, de vitesse de sortie du fluide contrôlé. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir un actionneur micro- électromécanique développant une grande force d'actionnement, sur une large bande passante fréquentielle et qui soit facile à fabriquer. Elle vise aussi à fournir une microvalve permettant de générer des jets impulsionnels de fluide selon un rapport cyclique, une fréquence et une vitesse de sortie en adéquation avec les écoulements à contrôler. EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un actionneur micro-électromécanique réalisé dans un substrat en forme de plaque, comportant un stator et un élément mobile dans le plan du substrat, l'élément mobile et le substrat étant reliés de manière élastique, l'actionneur comportant au moins une paire de peignes dont un peigne mobile est porté par l'élément mobile et un peigne de stator est porté par le stator, les peignes comportant des dents, les dents d'un premier des peignes parmi le peigne de stator et le peigne mobile étant disposées en alternance par rapport aux dents du deuxième peigne de telle sorte qu'un entrefer est maintenu entre les dents lorsque l'élément mobile oscille dans la direction des dents d'une position de repos à une première position actionnée. Au moins une dent du premier peigne comporte une entaille à son extrémité libre, l'entaille s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat et ayant une forme sensiblement semi-cylindrique centrée sur l'extrémité de la dent adjacente du deuxième peigne lorsque l'élément mobile est en position de repos. La force d'attraction entre les peignes mobiles et les peignes fixes est conditionnée par la géométrie de

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l'entrefer qu'il existe entre les dents. Cet entrefer est lui-même conditionné technologiquement par l'espacement qu'il est possible de réaliser entre les dents et par l'épaisseur des dents. L'espacement minimal entre les dents dépend à la fois i) de la taille du motif à graver dans le plan du substrat ii) de la profondeur sur laquelle on veut graver ce motif dans la couche et iii) du procédé de gravure. Cette ouverture minimale s'impose au niveau de l'extrémité des dents, entre deux dents du premier peigne et une dent du deuxième peigne qui est destinée à s'insérer entre les deux dents du premier peigne. Une autre contrainte est que les extrémités des dents soient proches, voire même avec une interpénétration initiale, afin d'obtenir déjà dans la position de repos une force électrostatique attractive entre les peignes dès l'application de la plus petite différence de potentiel entre les peignes fixes et les peignes mobiles. C'est pourquoi, en réalisant une entaille semi-cylindrique sur une dent du premier peigne, centrée sur l'extrémité de la dent adjacente du deuxième peigne, on permet une interpénétration des dents en position de repos, on respecte la contrainte technologique pour réaliser la dimension minimale de gravure, et l'entrefer est réduit dès que l'interpénétration des peignes atteint la dimension de l'entaille. De préférence, deux entailles sont réalisées sur chaque dent du premier peigne.

Dans un mode de réalisation particulier, l'élément mobile est un balancier relié au stator par une lame élastique pour monter le balancier de manière oscillante dans le plan du substrat. L'élément mobile pourrait aussi être monté oscillant en translation par des lames.

Selon un perfectionnement, le premier peigne comporte en outre au moins un dégagement entre deux dents au niveau de leur implantation, le dégagement étant plus large que l'espace entre lesdites dents. On constate dans certaines conditions de fabrication que le fond des saignées comporte une bavure faisant saillie 5 perpendiculairement aux parois de la saignée, en particulier à l'implantation des dents. En prévoyant un dégagement, on repousse ces bavures et elles ne gênent pas le fonctionnement de l'actionneur. Selon un autre perfectionnement, le deuxième peigne comporte au moins un bossage s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat au niveau de l'implantation des dents, le bossage étant en regard de l'entaille lorsque l'élément mobile est en position actionnée. Le bossage permet de réduire l'entrefer au niveau de l'entaille lorsque celle-ci approche du bossage. On obtient alors une force d'attraction plus grande, particulièrement utile dans cette position dans laquelle le ressort exerce le plus grand rappel. On prévoit de préférence autant de bossages que d'entailles.

De manière particulière, le bossage a une forme complémentaire à l'entaille pour obtenir un entrefer sensiblement constant le long du profil de l'entaille. On optimise ainsi la force de l'actionneur. Selon un autre perfectionnement, les dents ont une épaisseur, vue dans le plan du substrat, décroissante dans le sens de l'implantation vers leur extrémité libre. Ainsi, en fonction du degré d'interpénétration, l'entrefer entre les dents diminue et la force d'attraction des peignes entre eux augmente. Ceci compense en partie au moins l'augmentation de la force de rappel exercée sur l'élément mobile par la lame élastique supportant le balancier. Selon une disposition particulière, l'actionneur comporte un premier groupe de paires de peignes agissant dans un premier sens, et un deuxième groupe de paires de peignes agissant dans un deuxième sens opposé au premier

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sens. L'amplitude du mouvement de l'élément mobile est ainsi multipliée par deux, ce qui permet d'augmenter les capacités de commande de l'actionneur. En augmentant le nombre paires de peignes, on peut aussi augmenter la puissance disponible délivrée par l'actionneur. De manière particulière, le substrat est un complexe SOI, de l'acronyme anglo-saxon signifiant Silicon On Insulator comportant une première et une deuxième couche conductrice en silicium, une couche isolante en silice étant interposée entre les couches conductrices. Un tel substrat a l'avantage de permettre de réaliser des circuits électriques indépendants en réalisant des saignées dans l'une des couches, tout en gardant une cohérence mécanique fournie par la deuxième couche. La couche isolante, en oxyde de silicium, sert aussi de barrière d'arrêt lors des étapes de gravure profonde et permet de délimiter précisément la profondeur des saignées. Pour réaliser des saignées débouchantes, on réalise des saignées de part et d'autre du substrat, dans les couches conductrices, puis on retire la couche isolante. On sépare ainsi par exemple l'élément mobile du stator, hormis une attache. La séparation de l'élément mobile est ainsi plus facile à réaliser que par l'attaque d'une couche de collage comme exposé dans l'art antérieur. De manière particulière, l'actionneur comporte une saignée dans la première couche pour séparer électriquement le peigne de stator et le peigne mobile. La première couche, qui est conductrice, permet de mettre sous tension les peignes. Pour qu'ils soient soumis à une différence de potentiel, la saignée isole deux circuits électriques indépendants dans la première couche. La couche isolante complète la séparation des circuits, tout en permettant de garder la deuxième couche comme support mécanique. Selon une autre caractéristique, l'élément mobile

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s'étend uniquement dans l'épaisseur de la première couche conductrice et de la couche isolante. On allège ainsi la partie mobile, de manière à obtenir une très bonne réponse en fréquence de l'actionneur.

De manière complémentaire, l'actionneur comporte au moins un ressort de contact pour alimenter électriquement des organes de l'actionneur. Par cet intermédiaire, on réalise la connexion électrique de l'actionneur, sans utiliser de dépôt métallique ou isolant supplémentaire pour structurer une piste électrique. Le contact est établi par une plaquette conductrice qui vient en regard du ressort dont l'élasticité permet d'absorber les variations possibles de distance entre l'actionneur et la plaquette.

Selon un perfectionnement, le ressort de contact comporte à son extrémité libre un plateau faisant saillie d'un bord du substrat. La surface de contact avec l'extérieur est ainsi augmentée, ce qui diminue la densité de courant au niveau du contact et par conséquent les risques de fonte locale du silicium par échauffement. De manière particulière, le plateau s'étend sur la hauteur d'une seule parmi la première ou la deuxième couche conductrice. On peut ainsi déterminer si le contact est établi pour alimenter un circuit dans la première et / ou dans la deuxième couche. Selon une disposition constructive, le ressort de contact a une forme en zigzag obtenue par une découpe traversant le substrat. Cette géométrie est apte à donner de la souplesse à l'extrémité du contact tout en étant suffisamment résistant. Selon un perfectionnement le ressort est entouré partiellement d'un arceau relié au même potentiel électrique que le ressort. Ainsi, si le ressort est soumis à des sollicitations latérales, et qu'il vient en contact avec la paroi qui l'entoure, ce contact se fait avec l'arceau et il n'y a pas de risque de court-circuit

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du fait que l'arceau est relié au même potentiel. L'invention a aussi pour objet une microvalve apte à obturer le passage d'un fluide dans un conduit, caractérisée en ce qu'elle comporte un actionneur tel que décrit précédemment, en ce que le conduit est divisé en au moins deux canaux et en ce qu'elle comporte une poutre s'étendant dans une rainure transversale aux canaux, la poutre supportant autant d'obturateurs que de canaux, la poutre étant mue dans la rainure par l'actionneur de manière à placer sur commande les obturateurs en travers des canaux ou à libérer les canaux. La commande du fluide est réalisée par le déplacement des obturateurs en travers des canaux. En utilisant plusieurs canaux, on peut contrôler un débit plus important qu'avec un seul canal pour une même amplitude de mouvement. La poutre est de forme rectiligne si le mouvement d'oscillation est linéaire ou en arc de cercle si le mouvement d'oscillation est un pivotement. De manière particulière, les canaux sont réunis dans un convergent en aval des obturateurs. La vitesse de sortie du fluide peut ainsi être accélérée. Selon d'autres dispositions constructives visées, les canaux en aval des obturateurs peuvent prendre la forme d'un divergent pour distribuer le fluide plus largement avec une vitesse d'éjection moindre. La direction principale de ces deux géométries particulières peut être perpendiculaire par rapport à la surface de laquelle ils débouchent ou au contraire oblique. Selon des dispositions constructives, les canaux peuvent être regroupés en paquet pour réaliser plusieurs buses d'éjection de directions principales communes ou indépendantes. Ces buses d'éjection peuvent également être pilotées par des obturateurs en phase s'ils sont répartis uniformément sur la poutre les supportant, ou elles peuvent être pilotées par des obturateurs déphasés spatialement sur la poutre support.

Selon une disposition constructive, la poutre est formée de deux peaux reliées par des ponts répartis sur la longueur de la poutre. On confère ainsi une bonne rigidité à la poutre tout en obtenant une légèreté favorable à un comportement dynamique de l'actionneur. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'une microvalve conforme à l'invention, intégrant un actionneur en position de repos ; - la figure 2 est une vue en perspective de dessous de la microvalve de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue du détail III de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 en première position actionnée ; - la figure 5 est une vue du détail V de la figure 1 en première position actionnée ; - la figure 6 est une vue du détail VI de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue du détail VII de la figure 2. DESCRIPTION DETAILLÉE Une microvalve selon l'invention est destinée à injecter de petits jets d'air, par exemple pulsatoires, en jaillissement d'une surface, afin de modifier le comportement de l'écoulement aérodynamique de l'air le long de ladite surface. L'article "MEMS magneto-mechanicalmicrovalves (MMMS) for aerodynamic active flowcontrol" par P.Pernod et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2009), doi:10.1016/j.jmmm.2009.04.086 montre un exemple d'application d'une microvalve. La microvalve est élaborée entièrement dans un substrat de type SOI en forme de plaque. Une première

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couche 1 de silicium a une épaisseur de 300 à 400 }gym, une deuxième couche 2 de silicium a une épaisseur de 150 à 200 }gym, tandis qu'une couche isolante 3 en oxyde de silicium est interposée entre la première et la deuxième couche 2 et a une épaisseur de 1 à 3 }gym. Par convention, on considère que la première couche 1 est celle de dessus, tandis que la deuxième couche 2 est de dessous. La plaque peut être divisée en trois zones : une zone de valve V, une zone d'actionneur A et une zone de contact C. Un actionneur 4 micro-électromécanique est réalisé dans la zone d'actionneur A. Il comporte un élément mobile 40 monté pivotant de manière élastique autour d'un axe perpendiculaire à la surface du substrat par l'intermédiaire d'une lame 41 déformable. La lame 41 s'étend sensiblement dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat. L'élément mobile 40 forme ainsi un balancier 40 qui peut osciller à partir d'une position de repos vers une première position actionnée et une deuxième position actionnée, symétrique à la première position actionnée. L'actionneur 4 comporte également un stator 42 autour de l'élément mobile 40. L'actionneur 4 comporte en outre douze paires de peignes ; chaque paire de peignes est composée d'un peigne mobile 400 porté par le balancier 40 et d'un peigne de stator 420 porté par le stator 42. Les peignes 400, 420 sont répartis en deux groupes D, G. Les peignes 400, 420 comportent des séries de dents 401, 421 sensiblement équidistantes. Les dents 421 du peigne de stator 420 sont disposées en alternance par rapport aux dents 401 du peigne mobile 400. Ainsi, lorsque le balancier 40 oscille entre la position de repos et la première position actionnée, les dents des peignes 400, 420 du premier groupe G interpénètrent entre elles en conservant un entrefer entre elles, comme montré sur les figures 4 et 5. De même, lorsque le balancier 40 oscille entre la position de repos et la deuxième

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position actionnée, les dents 401, 421 des peignes 400, 420 du deuxième groupe D interpénètrent entre elles en conservant un entrefer entre elles. Les peignes 400, 420 du premier groupe G permettent d'actionner le balancier 40 dans un premier sens F1, vers la première position actionnée, tandis que les peignes 400, 420 du deuxième groupe D permettent d'actionner le balancier 40 dans un deuxième sens F2, opposé au premier sens F1, vers la deuxième position actionnée.

La figure 3 montre plus en détail des dents 401, 421 de l'une des paires de peignes 400, 420 du premier groupe G en position de repos. Les dents 401, 421 ont une forme arquée correspondant à un rayon centré dans la zone de l'axe de pivotement du balancier 40. Chaque dent 401 du peigne mobile 400 comporte deux entailles 402 à son extrémité libre, les entailles 402 s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat. Chaque entaille 402 a une forme sensiblement semi-cylindrique axée sur une arête 423 de la dent adjacente du peigne de stator 420, en regard de l'entaille 402. Au niveau de l'implantation des dents 401 du peigne mobile 400, un dégagement 403 entre deux dents 401 est réalisé, le dégagement 403 étant plus large que l'espace entre lesdites dents. Ce dégagement 403 a une forme également semi-cylindrique et est réalisé pour chaque paire de dents 401. Au niveau de l'implantation des dents 421 du peigne de stator 420, deux bossages 422 s'étendent perpendiculairement à la surface du substrat. Chaque bossage 422 est en regard de l'une des entailles 402 lorsque l'élément mobile 40 est en position actionnée, comme le montre la figure 4, et a une forme complémentaire à l'entaille 402 pour obtenir un entrefer sensiblement constant le long du profil de l'entaille 402. Le bossage 422 a donc une forme semi cylindrique, de rayon plus faible que celui de l'entaille 402.

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Les dents 401, 421 ont un profil qui évolue entre l'implantation 4010, 4210 et leur extrémité libre 4011, 4211. Elles ont ainsi une épaisseur, vue dans le plan du substrat, décroissante dans le sens de l'implantation 4010, 4210 vers leur extrémité libre 4011, 4211. De la sorte, l'entrefer e entre deux dents 401, 421 en position de repos (vu sur la figure 3) est plus important que l'entrefer f en position actionnée (vu sur la figure 4). Dans cette version, les peignes mobiles 400 sont réalisés dans la première couche 1 et la couche isolante 3, afin d'être allégés de la partie dans la deuxième couche 2 qui n'est pas alimentée électriquement et qui ne peut donc pas être active. Par contre, les peignes de stator 420 sont réalisés dans toute l'épaisseur du substrat afin de conserver toute leur résistance mécanique. Une première saignée 43 est réalisée dans la première couche 1 pour isoler électriquement les peignes de stator 420 du premier groupe G du reste des éléments de la première couche 1 et garder les peignes de stator 420 du premier groupe G reliés électriquement entre eux. Une deuxième saignée 44 est réalisée dans la première couche 1 pour isoler électriquement les peignes de stator 420 du deuxième groupe D du reste des éléments de la première couche 1 et garder les peignes de stator 420 du deuxième groupe D reliés électriquement entre eux. La deuxième couche 2 sous-jacente assure la continuité mécanique entre la plaque et les groupes de peignes. Dans la zone de valve V est aménagé un circuit aéraulique 5 apte à obturer le passage d'un fluide tel que de l'air. Le circuit aéraulique 5 comporte deux entrées 50 qui sont des trous de forme oblongue traversant la plaque. A partir de ces entrées 50, le circuit est divisé en deux fois trois canaux 51 pratiqués dans la première couche 1. Ces canaux 51 se réunissent dans un convergent 52 qui débouche le long d'un bord 12

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de la plaquette. Dans une autre disposition constructive, le nombre d'entrée 50 peut être porté à une ou trois. La microvalve est destinée à être montée dans un support comportant deux blocs, non représentés, entre lesquels la microvalve s'interpose le long de sa face de dessus et de sa face de dessous. Le long de la face de dessus, le bloc ferme les canaux 51 et le convergent 52. Par ailleurs deux conduits d'alimentation alimentent respectivement les entrées 50 en traversant l'un des blocs. Ces blocs peuvent également être structurés par les mêmes techniques d'usinage, dans des substrats de silicium. Le balancier 40 comporte une poutre 45 s'étendant dans une rainure 53 transversale aux canaux 51, la poutre 45 supportant six obturateurs 450, un pour chaque canal 51. La poutre 45 et la rainure 53 ont une forme en arc de cercle, centré sur l'axe de pivotement du balancier 40. La poutre 45 est placée en son milieu à l'extrémité d'un bras 46 qui la relie jusqu'à la lame 41. Dans une autre disposition constructive le nombre de bras 46 supportant la poutre 45 peut être augmenté. La rainure 53 traverse toute l'épaisseur de la plaque. Les obturateurs 450, issus de la première couche 1, sont en travers des canaux 51 lorsque l'actionneur 4 est en position de repos pour cette disposition constructive. Lorsque l'actionneur 4 passe de la position de repos à la première position actionnée, la poutre 45 coulisse dans la rainure 53 et place les obturateurs 450 hors des canaux 51 et libère ainsi le flux d'air en provenance des entrées 50. Il en est de même lorsque l'actionneur 4 passe de la position de repos à la deuxième position actionnée. La poutre 45 est formée de deux peaux 453 issues de la deuxième couche 2 du substrat et reliées par des ponts 451 répartis sur la longueur de la poutre 45. Les ponts 451 se prolongent le long des bords des obturateurs 450 pour former des raidisseurs 452.

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Un dispositif de mesure électrostatique 6 de la position de l'actionneur 4 est prévu. Ce dispositif de mesure 6 comporte deux ergots 60 faisant saillie du bras 46 du balancier 40 et deux fentes 61 aptes recevoir l'un des ergots 60 chacune. Les parois de la fente forment l'armature d'un condensateur et sont reliées électriquement à un plot 62 formé dans la première couche 1 par une saignée 63 qui le délimite. La paroi de la fente est prolongée en direction de l'extrémité du bras 46 par une languette 64. Les plots 62 peuvent recevoir une connexion électrique de manière classique de manière à pouvoir mesurer la capacité des condensateurs formés entre le bras 46 et les fentes 61, de manière à en déduire la position du bras 46. La capacité du condensateur varie progressivement lorsque l'ergot 60 pénètre dans la fente 61, puis fortement lorsque le bras 46 s'approche très près de la languette 64. Pour l'aspect électrique, le balancier 40, et donc les peignes mobiles 400 sont reliés à un potentiel de référence. Les peignes de stator 420 du premier groupe G sont reliés à un premier potentiel tandis les peignes de stator 420 du deuxième groupe D sont reliés à un deuxième potentiel. Pour cela, la microvalve comporte cinq contacteurs 71, 72, 73, 74, 75 formés le long du bord opposé à celui de la sortie du convergent 52. Les deux contacteurs les plus extérieurs 71, 75 sont destinés à être connectés au potentiel de référence et sont reliés à la deuxième couche 2 et à la plus grande partie de la première couche 1.

Un autre contacteur 72 est destiné à être connecté au premier potentiel. Il est relié aux peignes de stator 420 du premier groupe G par un ruban 720 découpé dans la première couche 1 et isolé d'une part par la couche isolante 3 et d'autre part par deux saignées réalisées dans la première couche 1 de part et d'autre du ruban 720.

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Un contacteur de deuxième potentiel 74 est réalisé de même manière que le contacteur de premier potentiel 72 et est relié par un ruban 740 aux peignes de stator 420 du deuxième groupe D.

Le contacteur du milieu 73, entre les contacteurs de premier et de deuxième potentiel 72, 74, est relié à la lame 41 qui supporte le balancier 40 et à l'ensemble des peignes mobiles 400. Chaque contacteur 71, 72, 73, 74, 75 a une forme générale en zigzag. Il comporte une série de branches parallèles 76 entre elles reliées entre elles par leurs extrémités en alternance par des arches 77 de plus faible épaisseur que celle des branches 76. Ces branches 76 sont obtenues par découpe de la plaque sur toute son épaisseur. Chaque contacteur comporte un plateau faisant saillie du bord. Le plateau 721, 741 pour les contacteurs de premier et deuxième potentiel 72, 74 est réduit dans le sens de l'épaisseur par la disparition locale de la seconde couche 2, pour isoler le plateau 721, 741 du potentiel de la deuxième couche 2. Par ailleurs, le ruban 720, 740 pour le contacteur 72, 74 du premier et du deuxième potentiel est prolongé en forme d'arceau 722, 742 autour de la forme en ressort pour que les parois du logement du ressort soient au même potentiel que de contacteur lui-même 72, 74. Pour fabriquer une microvalve selon l'invention, on part d'une plaque de substrat SOI comportant les deux couches de silicium 1, 2 et la couche isolante 3, en oxyde de silicium.

Dans une première étape, on oxyde les surfaces de la plaque par un traitement thermique. Dans une deuxième étape, on réalise une photolithographie de la face de dessous, c'est-à-dire qu'on réalise un masque de résine sur ladite face.

Dans une troisième étape, on supprime l'oxyde réalisé à la première étape dans les zones laissées à nu

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par le masque de résine. L'oxyde restant en place forme ainsi un masque d'oxyde pour une étape suivante. Dans une quatrième étape, on réalise une photolithographie de la face de dessus.

Dans une cinquième étape, on supprime l'oxyde réalisé sur la face de dessus à la première étape dans les zones laissées à nu par le masque de résine. Ensuite, dans une sixième et une septième étape, on grave le silicium de la première couche 1, puis celui de la deuxième couche 2 par une attaque profonde DRIE jusqu'à la couche isolante 3 en oxyde de silicium, appelée aussi couche d'oxyde enterré, qui sert de barrière dans cette étape. Dans une huitième étape, on retire l'oxyde enterré qui est mis à nu. Selon le procédé d'attaque profonde, une largeur des tranchées ne peut pas être inférieure à un seuil prédéterminé, en fonction de l'épaisseur de la couche à graver. La réalisation des entailles 402 à l'extrémité des dents permet de respecter cette contrainte entre les extrémités 4010, 4210 des dents 401, 421 qui se font face, tout en réalisant un entrefer étroit qui garantit une force d'attraction importante. Dans les angles sensiblement fermés, la vitesse de gravure peut être diminuée. On risque alors de laisser des bavures à proximité de la couche isolante 3. En prévoyant le dégagement 403 entre les dents 401, la position de cette éventuelle bavure est reculée dans un espace où elle ne gênerait pas.

Lors de l'utilisation, la microvalve est montée entre deux blocs qui comportent, comme indiqué plus haut deux conduits d'alimentation et des plaquettes pour établir le contact électrique avec les contacteurs 71, 72, 73, 74, 75. La forme en ressort des contacteurs 71, 72, 73, 74, 75 permet à la position des plateaux 721, 741 de s'adapter pour garantir le contact électrique avec les

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plaquettes. Les conduits d'alimentation sont mis en pression avec de l'air. Les contacteurs les plus extérieurs 71, 75 et le contacteur du milieu 73 sont alimentés avec le potentiel de référence. Les contacteurs de premier et de deuxième potentiel 72, 74 sont alimentés alternativement pour fournir une différence de potentiel entre les peignes mobiles 400 et les peignes de stator 420 alternativement du premier groupe G et du deuxième groupe D. Ainsi, le balancier 40 est soumis à une attraction alternativement dans le premier sens F1 par les peignes du premier groupe G puis dans le deuxième sens F2 par les peignes du deuxième groupe D. Il oscille ainsi dans le plan du substrat par le fléchissement de la lame 41.

L'attraction est créée de manière connue entre les peignes 400, 420. L'entrefer entre les dents diminue rapidement au début de l'interpénétration des peignes 400, 420, puis progressivement grâce à l'évolution de l'épaisseur des dents de l'extrémité libre à l'implantation. La diminution de l'entrefer conduit à une augmentation de la force d'attraction, qui compense l'augmentation de la force de rappel exercée par la lame 41. Cette augmentation de la force de rappel est encore plus marquée lorsque les entailles 402 se trouvent à proximité des bossages 422. Le pivotement du balancier 40 entraîne le déplacement du bras 46, et de la poutre 45 dans sa rainure 53. Les obturateurs 450 placés sur la poutre 45 passent alors d'une position en travers des canaux 51 vers une position dans laquelle ils sont escamotés derrière des ilots qui séparent les canaux 51, libérant ainsi le passage entre les entrées 50 et le convergent 52. L'air en provenance des entrées 50 passe alors dans les canaux 51 et le convergent 52 pour sortir le long du bord de la plaque. Comme le mouvement du balancier 40 est alternatif, on génère ainsi des séries d'impulsions d'air

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qui sont utiles dans le contrôle des écoulements aérodynamiques le long de surfaces de véhicules par exemple. Le mouvement commandé peut aussi être une ouverture continue. La vitesse de sortie de l'air a pu être mesurée à 200 m/s à une fréquence de 340 Hz avec une pression d'entrée de l'ordre de 100 mbar, pour le dimensionnement présenté. Dans un autre mode de réalisation, non représenté, les peignes s'étendent sur l'épaisseur totale du substrat dans la première couche 1, la couche isolante 3 et la deuxième couche 2. Des liaisons électriques aux liaisons 41 et 740 figure 4 seront alors aménagées sur la deuxième couche 2, mais décalées spatialement par rapport aux liaisons réalisées dans la couche 1, pour conserver la rigidité mécanique de l'ensemble. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple. Les contacteurs pourront aussi être utilisés pour la connexion d'autres circuits. L'actionneur pourra être utilisé pour actionner d'autres dispositifs que des valves ou des valves d'autre forme. L'actionneur pourrait être un actionneur linéaire avec un déplacement rectiligne, les dents conservant leur forme particulière.

Claims

REVENDICATIONS1. Actionneur micro-électromécanique réalisé dans un substrat en forme de plaque, comportant un stator (42) et un élément mobile (40) dans le plan du substrat, l'élément mobile (40) et le substrat étant reliés de manière élastique, l'actionneur (4) comportant au moins une paire de peignes (400, 420) dont un peigne mobile (400) est porté par l'élément mobile (40) et un peigne de stator 420 (42) est porté par le stator (42), les peignes (400, 420) comportant des dents (401, 421), les dents (401) d'un premier des peignes parmi le peigne de stator (420) et le peigne mobile (400) étant disposées en alternance par rapport aux dents (421) du deuxième peigne de telle sorte qu'un entrefer est maintenu entre les dents (401, 421) lorsque l'élément mobile (40) oscille dans la direction des dents (401, 421) d'une position de repos à une première position actionnée, l'actionneur (4) étant caractérisé en ce qu'au moins une dent (401) du premier peigne (400) comporte une entaille (402) à son extrémité libre, l'entaille (402) s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat et ayant une forme sensiblement semi-cylindrique centrée sur l'extrémité (4210) de la dent adjacente du deuxième peigne (420) lorsque l'élément mobile (40) est en position de repos.
2. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel l'élément mobile (40) est un balancier (40) relié au stator (42) par une lame (41) élastique pour monter le balancier (40) de manière oscillante dans le plan du substrat.
3. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel le premier peigne (400) comporte en outre au moins un dégagement (403) entre deux dents (401) au niveau de leur implantation, le dégagement (403) étant plus large que 20 l'espace entre lesdites dents (401).
4. Actionneur selon la revendication 2, dans lequel le deuxième peigne (420) comporte au moins un bossage (422) s'étendant perpendiculairement à la surface du substrat au niveau de l'implantation (4211) des dents (421), le bossage (422) étant en regard de l'entaille (402) lorsque l'élément mobile (40) est en position actionnée.
5. Actionneur selon la revendication 4, dans lequel le bossage (422) a une forme complémentaire à l'entaille (402) pour obtenir un entrefer sensiblement constant le long du profil de l'entaille (402).
6. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel les dents (401, 421) ont une épaisseur, vue dans le plan du substrat, décroissante dans le sens de l'implantation (4011, 4211) vers leur extrémité libre (4010, 4210).
7. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier groupe (G) de paires de peignes (400, 420) agissant dans un premier sens (F1), et un deuxième groupe (D) de paires de peignes (400, 420) agissant dans un deuxième sens (F2) opposé au premier sens (F1) .
8. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel le substrat est un complexe SOI comportant une première et une deuxième couche (1, 2) conductrice, une couche isolante (3) étant interposée entre les couches conductrices.
9. Actionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une saignée dans la première couche 1 pour séparer électriquement le peigne de stator (420) et le peigne mobile (400).
10. Actionneur selon la revendication 8, dans lequel l'élément mobile (40) s'étend uniquement dans l'épaisseur de la première couche (1) conductrice et de la couche isolante (3).
11. Actionneur selon la revendication 8, dans lequel 21 l'élément mobile (40) s'étend dans l'épaisseur des couches conductrices (1) et (2) et de la couche isolante (3).
12. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ressort de contact pour alimenter électriquement des organes de l'actionneur (4).
13. Actionneur selon la revendication 12, dans lequel le ressort de contact comporte à son extrémité libre un plateau faisant saillie d'un bord du substrat.
14. Actionneur selon la revendication 13, dans lequel le plateau s'étend sur la hauteur d'une seule parmi la première ou la deuxième couche (2) conductrice.
15. Actionneur selon la revendication 12, dans lequel le ressort de contact a une forme en zigzag obtenue par une découpe traversant le substrat.
16. Actionneur selon la revendication 12, dans lequel le ressort est entouré partiellement d'un arceau (722, 742) relié au même potentiel électrique que le ressort.
17. Microvalve apte à obturer le passage d'un fluide dans un conduit, caractérisée en ce qu'elle comporte un actionneur (4) selon l'une des revendications 1 à 9, en ce que le conduit est divisé en au moins deux canaux (51) et en ce qu'elle comporte une poutre (45) s'étendant dans une rainure (53) transversale aux canaux (51), la poutre (45) supportant autant d'obturateurs (450) que de canaux (51), la poutre (45) étant mue dans la rainure (53) par l'actionneur (4) de manière à placer sur commande les obturateurs (450) en travers des canaux (51) ou à libérer les canaux (51).
18. Microvalve selon la revendication 17, dans laquelle les canaux (51) sont réunis dans un convergent (52) en aval des obturateurs (450).
19. Microvalve selon la revendication 17, dans laquelle la poutre (45) est formée de deux peaux reliées par des ponts (451) répartis sur la longueur de la poutre(45) .