FR3000050A1 - Dispositif micro-electromecanique possedant au moins deux elements deformables de dimensions differentes - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif micro-électromécanique utilisé comme capteur de force, comprenant une masse mobile, reliée par des ressorts ou éléments déformables à une ou plusieurs zones d'ancrages, et des jauges de contrainte, le dispositif possédant au moins deux éléments déformables de dimensions différentes, destinés à abaisser la position de l'axe de pivotement de la masse mobile afin d'augmenter la sensibilité en détection du capteur de force.

Description

DISPOSITIF MICRO-ELECTROMECANIQUE POSSEDANT AU MOINS DEUX ELEMENTS DEFORMABLES DE DIMENSIONS DIFFERENTES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à des systèmes micro- et nano-électromécaniques, autrement appelés M&NEMS pour « Micro- and Nano-ElectroMechanical Systems ». Elle concerne plus particulièrement une combinaison d'éléments micro et nanoélectromécaniques agencés de manière à augmenter la sensibilité d'un capteur de force, en optimisant le positionnement de l'axe de pivotement d'une masse mobile comprise dans ce capteur de force. L'invention trouve notamment application, par exemple, dans les accéléromètres, les gyromètres, et les magnétomètres, voire les capteurs de pression, et plus généralement tout dispositif dans lequel on souhaite mesurer un déplacement d'une portion mobile consécutif à l'application de forces de diverses natures. ETAT DE LA TECHNIQUE Depuis l'apparition de techniques sophistiquées de gravure et croissance utilisées notamment par l'industrie micro-électronique, la possibilité de fabriquer des machines ou des capteurs micro- et nano-électromécaniques est devenue une réalité. Ces dispositifs suscitent un fort intérêt en vertu de leurs applications multiples, aussi bien dans le domaine des capteurs, des émetteurs, des actionneurs ou des dispositifs passifs.

Ils sont par exemple utilisés dans l'industrie automobile, l'industrie aéronautique ou les téléphones portables, en remplacement de dispositifs macroscopiques plus volumineux. Parmi les capteurs micro-électromécaniques, les capteurs de force, comme par exemple les accéléromètres, les gyromètres ou les magnétomètres, se déclinent typiquement sous la forme de dispositifs comprenant une masse mobile, et des capteurs mesurant les déplacements de cette masse mobile. Comme représenté sur la figure 1, la masse mobile 1 d'un capteur de force se présente généralement sous la forme d'une couche de matériau semi-conducteur, et en particulier de silicium d'épaisseur de l'ordre d'une ou plusieurs dizaines de microns, et maintenue au-dessus d'un substrat 5 par des éléments 2, déformables en flexion ou torsion, autour d'un axe de pivotement. Ces éléments déformables 2 sont souvent appelés ressorts, et sont avantageusement situés au niveau d'une des extrémités latérales de la masse mobile 1. Les ressorts 2 sont eux-mêmes reliés à des zones d'ancrage 4 fixes liées au substrat. On définit par la suite trois axes x, y, z, tels que représentés sur la figure 1, avec l'axe x orienté suivant l'axe de pivotement de la masse mobile 1, l'axe y orienté dans le plan de la masse mobile 1 au repos et perpendiculairement à l'axe x, et l'axe z orienté perpendiculairement au plan défini par la masse mobile 1 au repos et partant du substrat 5 vers la masse mobile 1. Avantageusement, ce type de dispositif est réalisé à partir d'un substrat de type silicium sur isolant (aussi appelé SOI), une couche électriquement isolante d'oxyde 6 séparant la couche de silicium à partir de laquelle la masse mobile 1 est gravée et le substrat 5.

Les détecteurs du mouvement de la masse mobile se présentent d'ordinaire sous la forme de systèmes capacitifs, dans lesquels les déplacements de la masse mobile provoquent un éloignement ou un rapprochement entre deux électrodes du système capacitif, conduisant à une variation de l'entrefer et donc de la capacité du système décrit. Un exemple de tels détecteurs est disponible dans le document FR 2700065. Alternativement, il existe des capteurs de force employant une ou plusieurs jauges piézorésistives 3 sensibles en compression et en traction aux déplacements de la masse mobile 1, comme celle représentée sur la figure 1. Dans les deux cas, la sensibilité du capteur de force est déterminée par l'amplitude du déplacement autorisé par la masse mobile, et par le positionnement des détecteurs du mouvement de la masse mobile. Le placement des jauges piézorésistives 3 est avantageusement choisi de manière à augmenter le plus possible les contraintes en compression et traction subies par les jauges 3. L'objectif d'une telle opération est d'augmenter la sensibilité en détection du capteur de force. En effet, les contraintes générées par les déformations en compression/traction, dans les jauges 3 induisent une variation de la résistance des jauges 3 proportionnelle aux contraintes. En mettant la jauge piézorésistive 3 sous tension il est alors possible de détecter cette variation de résistance proportionnelle à la déformation subie, induite par le déplacement de la masse mobile 1. Le déplacement de la masse mobile 1 étant lié à une force extérieure exercée sur elle, l'emploi de jauges piézorésistives 3 permet de connaître la valeur d'une force à partir d'une mesure de variation de résistance. Plus la variation de résistance par unité de force est grande, plus le capteur de force micro- électromécanique est sensible. Les capteurs de force à jauges piézorésistives 3 comptent deux types de dispositifs, fonctionnant sur des principes sensiblement identiques : d'une part, les capteurs de force à déplacement dans le plan de la masse mobile, comme celui décrit par exemple dans le document FR 2951826, et les capteurs de force à déplacement hors du plan de la masse mobile, comme ceux décrits par exemple dans les documents FR 2954505 et FR 2941533. Ces deux types de capteurs de force invitent naturellement à placer les jauges piézorésistives dans le prolongement des faces inférieure et/ou supérieure de la masse mobile suivant l'axe z, au voisinage d'un point d'ancrage, de manière à subir des compressions et tractions maximales sans toutefois dépasser un seuil de rupture, comme représenté sur la figure 1.

Pour des raisons à la fois pratiques, et pour augmenter la sensibilité d'un capteur de force réagissant aux déplacements hors du plan de la masse mobile, les jauges piézorésistives 3 peuvent avantageusement être agencées dans le prolongement de la face inférieure de la masse mobile 1, comme représenté sur la figure 1. Dans la configuration représentée sur la figure 1, les ressorts 2 sont des éléments déformables en flexion de même épaisseur que la masse mobile 1, soit dans la pratique une épaisseur comprise avantageusement entre 10 et 20 1.1.m. L'axe de pivotement de la masse mobile est quant à lui situé à mi-hauteur de la masse mobile 1 suivant l'axe z. Malgré une telle optimisation évidente, il est souhaitable de rendre un capteur de force micro-électromécanique encore plus sensible en optimisant notamment l'épaisseur des éléments déformables reliant la masse mobile à la zone d'ancrage, afin d'augmenter la sensibilité de la masse mobile aux forces extérieures appliquées et ainsi d'exercer une contrainte plus importante sur les jauges de contrainte. Le document FR 2951826 propose dans cette optique une surgravure de l'élément deformable, ou ressort, reliant la masse mobile à la zone d'ancrage. Cette gravure permet d'abaisser la raideur du ressort liant la masse mobile à la zone d'ancrage, et donc rendre la masse mobile plus sensible aux forces appliquées. Cependant, cette approche présente le désavantage de ne pas être suffisamment précise en ce qui concerne la profondeur de la surgravure et donc la diminution de raideur consécutive. Elle ne permet donc pas de garantir une reproductibilité souhaitable en vue d'applications industrielles. Le document FR 2941533 propose un capteur de force à déplacements hors du plan de la masse mobile. S'appuyant sur un résultat théorique connu montrant qu'au premier ordre, la sensibilité d'un capteur est inversement proportionnelle à la distance j auge- pivot, ce document propose une structure permettant de rapprocher la jauge du pivot, notamment en surgravant l'élément deformable comme dans le document FR 2951826. Il a ainsi été montré, avec ce capteur de force, qu'une gravure du ressort permet non seulement de rendre la masse mobile plus sensible, mais qu'un rétrécissement de la distance séparant l'axe de pivotement de la masse mobile de la jauge piézorésistive augmente la contrainte exercée par la masse mobile sur la jauge. Il est néanmoins nécessaire à présent de contrer les désavantages liés à l'imprécision de la gravure du ressort, tout en conservant les avantages des dispositifs présentés ci-avant.

EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un capteur de force micro-électromécanique à déplacements hors du plan de la masse mobile possédant une sensibilité améliorée en détection. Le dispositif objet de l'invention répond notamment à la problématique suivante : offrir un moyen suffisamment précis et reproductible pour optimiser le positionnement de l'axe de pivotement d'une masse mobile par rapport à la jauge, avantageusement une ou plusieurs jauges de contrainte, détectant les déplacements de la masse mobile.

Pour y parvenir, la présente invention a pour objet un dispositif micro-électromécanique réalisé à partir d'un substrat semi-conducteur dont les couches définissent des plans suivant des axes x et y, l'axe perpendiculaire aux couches définissant un axe z, orienté depuis une couche épaisse de semi-conducteur vers une couche fine de semi- conducteur. Ce dispositif comprend : - au moins une zone d'ancrage fixe, et - au moins une masse mobile, réalisée dans la couche fine de semi-conducteur du substrat, ladite masse mobile possédant une face supérieure et une face inférieure, ladite masse mobile étant apte à se déplacer hors du plan du substrat selon l'axe z par rotation autour d'un axe de pivotement dirigé selon l'axe x, et - au moins un moyen de détection du déplacement de la masse mobile, Ce dispositif comprend en outre au moins deux éléments déformables, de dimensions différentes, à savoir au moins un premier élément deformable et au moins un second élément deformable de plus grande épaisseur suivant l'axe z que le premier élément deformable, les deux éléments déformables reliant la masse mobile à la zone d'ancrage, le premier élément deformable s'étendant dans un prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile, les deux éléments déformables possédant, au repos, perpendiculairement à l'axe z, des plans médians sensiblement parallèles et non confondus, le plan médian perpendiculairement à l'axe z du premier élément deformable possédant une coordonnée suivant l'axe z inférieure à celle du plan médian perpendiculairement à l'axe z du second élément deformable, les plans médians perpendiculairement à l'axe y des deux éléments déformables étant séparés suivant l'axe y d'une distance inférieure sensiblement au tiers de la longueur du plus long des deux éléments déformables suivant l'axe y. Le dispositif objet de l'invention est un capteur de force réagissant aux déplacements hors du plan. Pour augmenter la sensibilité en détection, l'invention propose de combiner un élément deformable de dimension réduite suivant l'axe z, dénommé plus loin «ressort NEMS » eu égard à cette petite épaisseur, et un élément deformable de plus grande dimension suivant l'axe z, dénommé «ressort MEMS » pour des raisons analogues. Cette combinaison s'effectue de telle sorte que l'élément de plus petite dimension suivant z soit situé à une position suivant l'axe z inférieure à la position suivant l'axe z du plan médian perpendiculairement à l'axe z du ressort MEMS. Les éléments déformables étant les éléments reliant la masse mobile à des zones d'ancrage, un tel agencement des ressorts NEMS et MEMS permet d'abaisser la position suivant l'axe z de l'axe de pivotement de la masse mobile. En agençant de manière spécifique les positions relatives des ressorts NEMS et MEMS, il devient donc possible de choisir la position suivant l'axe z, de l'axe de pivotement de la masse mobile d'un capteur de force. Notamment, cette possibilité d'ajuster la position de l'axe de pivotement permet d'augmenter la sensibilité en détection du capteur de force jusqu'à atteindre un optimum.

Divers modes de déformation peuvent être envisagés pour les éléments déformables, que ce soit en torsion, en flexion, de façon globale ou en combinaison. Ainsi, selon un mode de réalisation, les éléments déformables sont déformables en 25 torsion. Selon un autre mode de réalisation, les éléments déformables sont déformables en flexion. 30 Selon un troisième mode de réalisation, les éléments déformables sont répartis en un premier sous-ensemble d'éléments déformables en torsion et un second sous-ensemble d'éléments déformables en flexion. Les différents modes de déformation présentent des avantages pour des applications 35 données. Des éléments déformables essentiellement en torsion présentent l'avantage d'être moins rigides, à dimensions égales, que des éléments déformables en flexion. Ceci est d'autant plus vrai pour les NEMS, dont les dimensions réduites autorisent des déformations en torsion plus grandes pour une même contrainte que celle exercée sur un MEMS. Les éléments déformables en flexion sont, à dimensions égales, plus résistants aux déplacements de la masse mobile que des éléments déformables en torsion, des éléments déformables en torsion ou flexion étant d'autant plus raides qu'ils sont courts. Il est alors avantageux de prévoir des longueurs suivant l'axe y suffisantes pour obtenir des raideurs équivalentes à celles obtenues avec des ressorts travaillant en torsion.

En combinant des éléments déformables en flexion et en torsion, il est possible de profiter des avantages des deux modes de déformation, et de concevoir des structures plus sophistiquées pour réaliser des capteurs de force, tout en optimisant l'utilisation de la surface de silicium et la résistance à l'environnement mécanique.

II est en particulier possible de distinguer quatre familles de réalisation spécifiques employant des combinaisons d'éléments déformables en torsion et des éléments déformables en flexion. Il est en particulier possible que le premier élément deformable soit deformable en flexion et les seconds éléments déformables soient des paires d'éléments déformables en torsion. Alternativement, le second élément deformable peut être un élément deformable en flexion et les premiers éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en torsion. Selon un autre mode de réalisation, les premiers et seconds éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en torsion.

Alternativement, les premiers et seconds éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en flexion. Outre les divers agencements possibles des éléments déformables permettant d'ajuster la position de l'axe de pivotement de la masse mobile, et donc, de varier la sensibilité en détection du capteur de force, il existe plusieurs variantes de réalisation dans la géométrie du capteur de force objet de l'invention.

Ainsi, selon un mode de réalisation, la zone d'ancrage peut être située à l'extérieur de la masse mobile. Selon un autre mode de réalisation, la zone d'ancrage peut être située à l'intérieur d'un évidement réalisé dans la masse mobile. Le choix entre les deux possibilités d'ancrage se fait en fonction des contraintes de mise en oeuvre de ce capteur de force et des spécifications de besoin.

La taille des premiers et seconds éléments déformables peut varier suivant les besoins de l'utilisateur. Il peut s'avérer que les premiers et seconds éléments déformables ne diffèrent que peu en épaisseur suivant l'axe z. Néanmoins il est avantageux de réaliser des premiers éléments déformables de taille substantiellement plus petite suivant l'axe z que les seconds éléments déformables, qui ont une épaisseur avantageusement égale à celle de la masse mobile. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, le second élément déformable a une épaisseur supérieure à 5 um et le premier élément déformable a une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 um.

Un autre élément de l'invention, participant à la mesure de la force subie par la masse mobile, réside dans les moyens de détection du mouvement de la masse mobile. L'abaissement de l'axe de pivotement sert notamment à exercer une contrainte mécanique plus importante sur ces moyens de détection du mouvement de la masse mobile. Ainsi, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des jauges de contrainte, avantageusement des jauges piézorésistives ou des résonateurs mécaniques, sensibles en compression et traction aux déplacements de la masse mobile. Selon un mode de réalisation avantageux, un capteur de force comprend deux jauges fonctionnant en opposition, c'est-à-dire que lorsque l'une des jauges subit une compression, l'autre subit une traction. L'invention peut s'appliquer à toutes sortes de capteurs de force. Outre les accéléromètres, il est possible d'envisager d'appliquer les enseignements de la présente invention pour réaliser des gyromètres, des magnétomètres ou des capteurs de pression.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels : les figures 1 A et 1B sont des vues représentant de dessus et de côté un capteur de force de l'art antérieur ; les figure 2A, 2B à 8A, 8B sont des vues respectivement de dessus et de face d'un capteur de force suivant sept modes de réalisation différents ; la figure 9 est une vue de dessus d'un capteur de force suivant un huitième mode de réalisation ; et la figure 10 est une vue en perspective schématique d'un capteur de force suivant le cinquième mode de réalisation.

Certains éléments de ces figures ont été agrandis pour faciliter leur compréhension et peuvent par conséquent ne pas être à l'échelle. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il va à présent être décrit un dispositif micro-électromécanique formant un capteur de force, présentant une sensibilité en détection accrue grâce au placement optimisé de l'axe de pivotement d'une masse mobile par rapport aux jauges de contrainte détectant les déplacements de la masse mobile.

Comme illustré sur la figure 1, un capteur de force micro-électromécanique peut se présenter comme un dispositif gravé dans les couches d'un substrat de type SOI. Un capteur de force micro-électromécanique comprend au moins une masse mobile 1, reliée par des éléments déformables ou ressorts 2 à une ou plusieurs zones d'ancrage fixes 4. La masse mobile possède au repos, une face inférieure, en regard du substrat 5, et une face supérieure parallèle à la face inférieure. On se réfèrera par la suite aux axes x, y et z tels que représentés sur la figure 1, dans laquelle l'axe z est orthogonal aux faces de la masse mobile 1 au repos, l'axe x est orienté suivant l'axe de pivotement de la masse mobile 1 et l'axe y est orienté perpendiculairement aux axes x et z. La présente invention concerne plus particulièrement les capteurs de force micro-électromécaniques à déplacements hors du plan de la masse mobile 1, et dont les détecteurs de déplacements de la masse mobile 1 sont des jauges de contrainte, pouvant être par exemple des résonateurs ou des jauges piézorésistives 3.

Il a été constaté qu'il est possible d'optimiser la sensibilité en détection d'une jauge de contrainte par un contrôle précis de la distance entre la jauge et l'axe de pivotement de la masse mobile. Il existe alors un compromis à trouver entre d'une part, un éloignement suffisant entre la jauge et l'axe de pivotement, pour que cette dernière subisse des contraintes mécaniques suffisamment importantes de la part de la masse mobile, et d'autre part, une proximité suffisante entre jauge et axe de pivotement, pour bénéficier de la sensibilité accrue constatée expérimentalement II existe donc une distance optimale entre axe de pivotement et jauge, permettant de bénéficier d'une sensibilité maximale en détection. Dans la pratique, afin de conserver une masse mobile d'épaisseur suffisante, et donc possédant une inertie adaptée à une application de type capteur de force, notamment lorsque le capteur de force est un accéléromètre ou un gyromètre, la présente invention ne réduit pas la distance entre axe de pivotement et jauges en modifiant l'épaisseur de la masse mobile. De manière originale, la solution proposée par la présente invention consiste à combiner deux éléments déformables, c'est-à-dire deux ressorts, de dimensions différentes suivant l'axe z, de manière à provoquer un abaissement de l'axe de pivotement de la masse mobile 1, à une position suivant l'axe z située entre les positions suivant z des deux éléments déformables. Cet abaissement de l'axe de pivotement de la masse mobile 1 le ramène plus près d'une jauge de contrainte 3, et idéalement à une distance correspondant à un maximum de sensibilité de la jauge 3. Cette manière d'abaisser l'axe de pivotement est avantageuse en ce qu'elle est facilement reproductible et donc adaptée à une application industrielle, et en ce qu'elle autorise un contrôle de la position de l'axe de pivotement. Il est en particulier possible de s'appuyer sur des simulations numériques, par exemple des simulations par éléments finis, pour déterminer la position d'un axe de pivotement résultant d'une combinaison particulière de ressorts de dimensions différentes.

On appellera par la suite les éléments déformables de plus petite dimension suivant z « premiers éléments déformables » ou encore NEMS. On appellera « seconds éléments déformables » ou encore MEMS, les éléments déformables de plus grande dimension suivant z.

Dans la pratique, les premiers éléments déformables sont réalisés dans le prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile. Ils peuvent cependant également être réalisés dans le prolongement d'une partie de la face supérieure de la masse mobile. L'épaisseur typique de ces premiers éléments déformables, suivant l'axe z, est comprise entre 100 nm et 1 i.tm, et a avantageusement une épaisseur de 250 nm. Les seconds éléments déformables sont avantageusement épitaxiés à partir de certains des premiers éléments déformables lors de la fabrication du dispositif objet de l'invention, dont un procédé sera brièvement décrit ci-après. Ces seconds éléments déformables ont avantageusement une épaisseur suivant l'axe z égale à celle de la masse mobile. La masse mobile a une épaisseur typique supérieure à 5 i.tm, avantageusement comprise entre 10 pm et 20 pm. La réalisation d'un capteur de force selon l'invention peut se faire à partir d'un substrat de type SOI, comprenant une couche épaisse de silicium semi-conducteur formant un substrat, sur laquelle repose une couche plus fine d'oxyde elle-même recouverte d'une couche fine de silicium semi-conducteur. Un procédé de fabrication qui permet d'obtenir ce type de structure est par exemple décrit dans le document WO 2012/117177 du Demandeur.

Le concept d'allier des premiers éléments déformables avec des seconds éléments déformables afin d'abaisser l'axe de pivotement d'une masse mobile peut en pratique se décliner à travers une infinité de structures de type capteurs de force. Il va à présent être présenté un échantillon représentatif de modes de réalisation particulièrement intéressants utilisant ce type de combinaison de ressorts NEMS et MEMS. Comme représenté sur la figure 2, il est envisageable de concevoir un capteur de force possédant une masse mobile 11 dans laquelle sont réalisés deux évidements sur l'un de ses côtés, libérant ainsi deux espaces destinés à recevoir deux zones d'ancrage 14.

Chacune de ces zones d'ancrage 14 est reliée d'un côté à un premier élément deformable en torsion 170 reliant la zone d'ancrage 14 à une première face latérale d'un évidement de la masse mobile 11, et de l'autre côté à un second élément deformable en torsion 17 reliant la zone d'ancrage 14 à une seconde face latérale du même évidement de la masse mobile 11. Sur la figure 2, le capteur de force représenté possède une structure symétrique, mais il est envisageable de permuter la position des premiers et seconds éléments déformables autour de l'une des zones d'ancrage. La position de l'axe de pivotement 100 est située suivant l'axe z à une position intermédiaire entre les positions suivant z des fibres neutres des premiers 170 et seconds 17 éléments déformables. Une telle structure comporte donc une paire de premiers 170 et une paire de seconds 17 éléments déformables en torsion. La figure 3 représente une structure différente, ne possédant qu'une seule zone d'ancrage 24, reliée à la masse mobile 21 par l'intermédiaire de deux premiers éléments déformables en flexion 280 et un second élément deformable en flexion 28. Il est également envisageable d'utiliser une structure incorporant une paire de premiers 280 et une paire de seconds 28 éléments déformables en flexion. Alternativement, il est également envisageable de n'avoir aucun contact entre les éléments déformables contrairement à ce qui est représenté sur la figure 3. L'axe de pivotement 200 de cette structure est également situé à une position suivant l'axe z intermédiaire entre les positions suivant z des plans neutres des premiers 280 et seconds 28 éléments déformables. Dans ce mode de réalisation, les éléments déformables sont tous déformables en flexion et ont la même longueur suivant l'axe y.

La figure 4 illustre une variante de la configuration précédente, dans laquelle une amélioration est apportée par l'allongement de la longueur suivant l'axe y du second élément deformable en flexion 38. En allongeant ce second élément deformable en flexion 38, on abaisse sa raideur, permettant ainsi de rendre la masse mobile 31 plus sensible aux forces extérieures lui étant appliquées. Cet allongement nécessite de réaliser un évidement dans le corps de la masse mobile 31. Le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 300 est confondu, dans ce mode de réalisation, avec un plan médian perpendiculairement à l'axe y des premiers éléments déformables en flexion 380, mais coupe le second élément deformable en flexion 38 au tiers de sa longueur suivant l'axe y. Ce positionnement au tiers de la longueur suivant l'axe y est suggéré par des résultats numériques issus de simulations par éléments finis. Il découle géométriquement, de ce positionnement, que les plans médians perpendiculairement à l'axe y des premiers 380 et seconds 38 éléments déformables sont espacés de moins du tiers de la longueur du second élément deformable en flexion 38, en particulier dans le cas présent du sixième de la longueur du second élément deformable en flexion 38. La figure 5 propose une alternative aux modes de réalisation décrits ci-avant dans laquelle la masse mobile 41 est reliée par une paire de premiers éléments déformables en torsion 470 à une zone d'ancrage 44, et un second élément deformable en flexion 48 relie la masse mobile 41 à la même zone d'ancrage 44. Comme précédemment, un évidement est réalisé dans la masse mobile 41, et le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 400 coupe le second élément deformable en flexion 48 au tiers de sa longueur suivant l'axe y.

La figure 6 propose une variante du mode de réalisation de la figure 5, dans laquelle c'est un premier élément deformable 580 qui est deformable en flexion, et une paire de seconds éléments déformables 57 qui sont déformables en torsion. Dans cette variante, la longueur du premier élément deformable en flexion 580 est réduite, dans la mesure où sa raideur par unité de longueur est inférieure à celle de l'élément 48 du mode de réalisation illustré à la figure 5. Ainsi, le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 500 de ce capteur de force coupe le premier élément deformable en flexion 580 au milieu de sa longueur suivant l'axe y.

Le dispositif micro-électromécanique de la figure 6 est également représenté en perspective schématique à la figure 10, de manière à mettre en évidence le placement relatif suivant l'axe z du premier 580 et des seconds 57 éléments déformables.

La figure 7 propose une autre variante des capteurs de force représentés aux figures 5, 6 et 10. Dans ce mode de réalisation particulier, comprenant quatre zones d'ancrage 64, quatre évidements sont réalisés sur un même côté de la masse mobile 61. Deux évidements centraux sont destinés à recevoir deux zones d'ancrage 64, chacune de ces zones d'ancrage 64 étant reliée de part et d'autre à la masse mobile 61 par un premier élément deformable en torsion 670 et un second élément deformable en torsion 67. Les évidements distaux réalisés dans la masse mobile 61 accueillent chacun un second élément deformable en flexion 68, reliant chacun la masse mobile 61 à une zone d'ancrage 64. Il est également possible d'utiliser des premiers éléments déformables en flexion en guise de variante de ce mode de réalisation. Le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 600 coupe ces seconds éléments déformables en flexion 68 au tiers de leur longueur suivant l'axe y, comme dans le cas représenté aux figures 4 et 5. Chacun des modes de réalisation présentés ci-avant peut être adapté dans une configuration multipliant le nombre de premiers et/ou seconds éléments déformables, comme représenté à la figure 8 dans un cas reproduisant sensiblement la configuration de la figure 2. La figure 8 représente ainsi une masse mobile 71 reliée à une zone d'ancrage 74 grâce à six premiers éléments déformables en torsion 770, et une paire de seconds éléments déformables en torsion 77. Bien que l'invention autorise une certaine liberté dans l'agencement des éléments déformables, il est avantageux de disposer les éléments déformables en torsion à une même position suivant l'axe y de manière à ce que l'axe de pivotement passe par les fibres neutres, ou à défaut, à proximité des fibres neutres des éléments déformables en torsion. Dans le cas contraire, les premiers éléments déformables en torsion, de dimension réduite par rapport aux seconds éléments déformables en torsion, seraient soumis à des contraintes mécaniques importantes lors des déplacements de la masse mobile.

Une autre variante de réalisation applicable à tous les modes de réalisation décrits ci-avant consiste à placer les zones d'ancrage à l'intérieur d'un évidement 9 réalisé dans le corps de la masse mobile 81, tel que représenté sur la figure 9.

Chacun des modes de réalisation présentés ci-avant incorpore des jauges de contrainte 3, avantageusement situées dans un prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81. Ces jauges 3 sont reliées d'un côté à une zone d'ancrage, non représentée, et, du côté opposé, à une face latérale de la masse mobile perpendiculaire à l'axe y et située le plus près de l'axe de pivotement 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800. De manière avantageuse, chaque capteur de force présente au moins deux jauges de contrainte 3. Dans le cas de jauges piézorésistives, les deux jauges fonctionnent avantageusement en opposition, c'est-à-dire que lorsque l'une des jauges subit une compression sous l'effet d'un déplacement de la masse mobile, l'autre jauge subit une traction. Pour y parvenir, la masse mobile présente sur l'un de ses côtés perpendiculaires à l'axe x, et à proximité de l'axe de pivotement, une excroissance. Dans le cas d'utilisation de résonateurs mécaniques, il est possible de n'utiliser qu'une seule jauge de contrainte dont la caractéristique de réponse (entrée/sortie) n'est pas obligatoirement linéaire. Si l'on recherche une linéarisation de la caractéristique il peut être avantageux d'utiliser au moins une paire de résonateurs travaillant en opposition, l'un étant en compression pendant que l'autre est en tension. Les dispositifs décrits ci-avant s'apparentent essentiellement à des capteurs de force de type accéléromètres. En réalité, l'invention concerne tout type de capteur de force, quel que soit la nature de la force lui étant appliquée. Il est ainsi tout à fait possible de transposer l'invention sans difficulté pour l'Homme de l'art à des dispositifs par exemple du type gyromètre micro-électromécanique, magnétomètre micro-électromécanique ou capteur de pression micro-électromécanique.

Par exemple, un gyromètre micro-électromécanique comprendrait au moins deux masses mobiles reliées l'une à l'autre par au moins un bras traversé en son milieu par l'axe de pivotement du dispositif Des premiers et seconds éléments déformables sont agencés dans la zone centrale du bras comme décrit ci-avant, reliant le bras à une zone d'ancrage, les éléments déformables pouvant l'être en flexion, torsion, ou combinant certains éléments déformables en flexion avec certains éléments déformables en torsion.

Un magnétomètre incorporant le système de l'invention décrite ci-avant aurait sur la face supérieure ou bien inférieure de la masse mobile, une couche possédant une aimantation non nulle.

Un capteur de pression incorporant le système de l'invention décrite ci-avant possèderait, en guise de masse mobile, une membrane pourvue d'un bras, ce bras étant relié par l'une de ses extrémités à la membrane et par l'autre à des premiers et seconds éléments déformables liant le bras à des zones d'ancrage.

Ainsi, l'invention permet de procurer les avantages suivants : - permettre un ajustement contrôlé de la position suivant l'axe z de l'axe de pivotement d'un capteur de force micro-électromécanique, - viser, en configurant la structure d'un tel capteur de force, une distance optimale entre les jauges de contrainte et l'axe de pivotement de la masse mobile du capteur de force, cette distance optimale permettant de maximiser la sensibilité du capteur de force, - fournir un capteur de force plus sensible en détection sans toutefois modifier la taille ou l'épaisseur de la masse mobile.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif micro-électromécanique réalisé à partir d'un substrat semi-conducteur dont les couches définissent des plans suivant des axes x et y, l'axe perpendiculaire aux couches définissant un axe z, orienté depuis une couche épaisse de semi-conducteur vers une couche fine de semi-conducteur, ledit dispositif comprenant : - au moins une zone d'ancrage fixe (4, 14, 24), et - au moins une masse mobile (1, 11, 21), réalisée dans la couche fine de semi-conducteur du substrat, ladite masse mobile (1, 11, 21) possédant une face supérieure et une face inférieure, ladite masse mobile (1, 11, 21) étant apte à se déplacer hors du plan du substrat selon l'axe z par rotation autour d'un axe de pivotement (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800) dirigé selon l'axe x, et - au moins un moyen de détection (3) du déplacement de la masse mobile (1, 11, 21), caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins deux éléments déformables (17, 170, 28, 280), de dimensions différentes, à savoir au moins un premier élément deformable (170, 280) et au moins un second élément deformable (17, 28) de plus grande épaisseur suivant l'axe z que le premier élément deformable (170, 280), lesdits deux éléments déformables reliant la masse mobile (1, 11, 21) à la zone d'ancrage (4, 14, 24), le premier élément deformable (170, 280) s'étendant dans un prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile (1, 11, 21), lesdits deux éléments déformables possédant, au repos, perpendiculairement à l'axe z, des plans médians sensiblement parallèles et non confondus, le plan médian perpendiculairement à l'axe z du premier élément deformable possédant une coordonnée suivant l'axe z inférieure à celle du plan médian perpendiculairement à l'axe z du second élément deformable (17, 28), les plans médians perpendiculairement à l'axe y des deux éléments déformables étant séparés suivant l'axe y d'une distance inférieure sensiblement au tiers de la longueur du plus long des deux éléments déformables suivant l'axe y.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments déformables sont déformables en torsion.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments déformables sont déformables en flexion.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments déformables sont répartis en un premier sous-ensemble d'éléments déformables en torsion (470, 57, 67, 670) et un second sous-ensemble d'éléments déformables en flexion (48, 580, 68).
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier élément deformable (580) est deformable en flexion et les seconds éléments déformables (57) sont des paires d'éléments déformables en torsion.
6. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second élément deformable (48) est un élément deformable en flexion et les premiers éléments déformables (470) sont des paires d'éléments déformables en torsion.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers (170, 770, 870) et seconds (17, 77, 87) éléments déformables sont des paires d'éléments déformables en torsion.
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers et seconds éléments déformables sont des paires d'éléments déformables en flexion.
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'ancrage (4, 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74) est située à l'extérieur de la masse mobile (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71).
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la zone d'ancrage (84) est située à l'intérieur d'un évidement (9) réalisé dans la masse mobile (81).
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second élément deformable a une épaisseur supérieure à 5 iam et le premier élément deformable a une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 p.m.
12. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des jauges de contrainte (3), avantageusement des jauges piézorésistives ou des résonateurs mécaniques, sensibles en compression et traction aux déplacements de la masse mobile (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81).
13. 13. Accéléromètre comportant un dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
14. 14. Gyromètre comportant un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12.
15. 15. Magnétomètre comportant un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12.
16. 16. Capteur de pression comportant un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12.