FR3058409A1 - Dispositif microelectromecanique et/ou nanoelectromecanique articule a deplacement hors-plan - Google Patents
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Abstract
Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie (2) et une deuxième partie (4) articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation contenu dans un plan moyen du dispositif, un élément d'articulation (8) reliant la premier partie (2) et la deuxième partie (4) et sollicité en flexion, un élément sensible s'étendant entre la première partie (2) et la deuxième partie (4) et se déformant lors du déplacement de la deuxième partie (4), deux lames (10) s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation (Y), les lames (10) étant disposées entre l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible et reliant à la première partie (2) et à la deuxième partie (4) et étant sollicitées en torsion lors du déplacement de la deuxième partie (4).
Description
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un dispositif microélectromécanique et/ou nanoélectromécanique articulé à déplacement hors-plan.
Les systèmes microélectromécaniques ou MEMS (Microelectromechanical Systems en terminologie anglo-saxonne) et/ou nanoélectromécaniques NEMS (Nanoelectromechanical Systems en terminologie anglosaxonne) comportent généralement au moins une partie mobile par rapport à un substrat. Cette partie mobile peut avoir un mouvement hors-plan, i.e. dans une direction orthogonale au plan du substrat.
La partie mobile peut être articulée par rapport au substrat par une articulation type charnière, la partie mobile pivote alors autour de l'axe de la charnière par rapport au substrat.
Le déplacement hors-plan de la partie mobile est de plus en plus utilisé dans les capteurs. Il est par exemple utilisé dans les capteurs multiaxes. Par exemple les centrales inertielles peuvent comporter jusqu'à 10 axes de mesure : trois accéléromètres, trois gyromètres, trois magnétomètres et un capteur de pression, pour pouvoir détecter les mouvements dans les trois directions.
Le déplacement de la partie mobile doit être détecté et mesuré. De manière très courante, une ou plusieurs jauges de contrainte sont mises en oeuvre, par exemple une ou des jauges piézoélectriques ou piézorésistives.
L'articulation formant charnière est par exemple obtenue au moyen de deux lames s'étendant perpendiculairement au plan du dispositif, dont un bord est relié à la partie mobile et un bord opposé est relié au substrat. Les lames se déforment en torsion autour d'un axe parallèle au plan et définissent l'axe de rotation, permettant à la partie mobile d'avoir un mouvement de rotation hors-plan.
Afin de réaliser un bras de levier, on cherche à réaliser un système jauge-charnière présentant un bon rendement afin de récupérer un signal maximal au niveau de la jauge.
Pour cela, on cherche à avoir :
une charnière dont la raideur angulaire est très inférieure à celle induite par la compression de la jauge lors de la rotation, de sorte que l'énergie perdue dans la déformation de la charnière est inférieure, et avantageusement, négligeable par rapport à l'énergie utile servant à la compression de la jauge.
une charnière dont la résistance vis-à-vis de la compression est très supérieure à celle de la jauge afin que le bras de levier tourne autour de la charnière en compressant la jauge, et non l'inverse
Afin de remplir la première condition on souhaiterait réduire la largeur et/ou augmenter la longueur des lames sollicitées en torsion, mais pour satisfaire la deuxième condition on souhaiterait augmenter cette largeur. Lorsqu'on modifie la largeur et/ou la longueur des lames sollicitées en torsion, les raideurs angulaires et de compression sont impactées dans les mêmes proportions. On ne peut pas décorréler l'évolution de la raideur angulaire et de l'évolution de la raideur de compression, la réalisation de cette charnière résulte d'un compromis. Lorsqu'on assouplit les lames, on constate une augmentation de l'énergie perdue dans la compression de la charnière. Lorsqu'on durcit les lames, on constate une augmentation de l'énergie perdue dans la déformation des lames.
Ces deux pertes d'énergie se font au détriment de la compression de la jauge.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif d'articulation microélectromécanique et/ou nanoélectromécanique à déplacement hors-plan en rotation offrant un haut rendement de conversion.
Le but de la présente invention est atteint un dispositif articulé comportant une première partie et une deuxième partie mobile par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation, au moins la deuxième partie s'étendant entre un premier et un deuxième plans parallèles, au moins une lame s'étendant perpendiculairement au premier plan et au deuxième plan et parallèlement à l'axe de rotation, ladite au moins une lame reliant la première partie et la deuxième partie, la lame étant destinée à se déformer au moins en torsion lors du déplacement en rotation de la deuxième partie par rapport à la première partie. Le dispositif comporte au moins un élément d'articulation sous forme de lame reliant la première partie et la deuxième partie, de sorte que la première partie et la deuxième partie soient articulées en rotation autour d'un axe parallèle au premier plan. Le dispositif comporte également au moins un élément sensible au déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, ledit élément sensible étant suspendu entre la première partie et la deuxième partie. Là au moins une lame déformée en torsion est disposée entre l'élément d'articulation et l'élément sensible.
De manière avantageuse, la deuxième partie présente une dimension dans une première direction orthogonale aux premier et deuxième plans très supérieure aux dimensions selon la première direction de l'élément d'articulation et de l'élément sensible.
Par exemple dans le cas d'un accéléromètre, la seconde partie forme par exemple la masse inertielle à déplacement hors-plan. Elle présente une grande épaisseur et forme un bras de levier rigide, limitant les pertes d'énergie dans la déformation de celle-ci. L'élément sensible peut être une jauge de contrainte, l'élément d'articulation sous forme de lame présente une raideur angulaire bien inférieure à celle induite par la compression de l'élément sensible. Ainsi, la part d'énergie servant à déformer la charnière est bien inférieure à la part utile, servant à compresser la jauge. La charnière pourra avantageusement être réalisée par une ou plusieurs lames reliant la partie fixe du MEMS au bras de levier. La somme des sections de ces lames sera alors dimensionnée pour que la charnière présente une raideur de compression bien supérieure à celle des jauges. Ainsi, l'énergie résultant du déplacement de la deuxième partie compresse préférentiellement les jauges plutôt que la charnière, de sorte que le bras tourne autour de l'articulation en compressant les jauges, la compression des jauges étant négligeables.
L'axe de rotation est alors au plus près de l'élément d'articulation voire dans l'élément d'articulation.
La jauge est avantageusement fine ce qui permet de concentrer les contraintes et ainsi amplifier le signal.
Les lames de torsion apportent une grande raideur dans la direction hors-plan et leur raideur en torsion est négligeable par rapport à celle due à l'étirement/compression de la jauge lors du déplacement en rotation de la seconde partie.
En outre, en mettant en oeuvre une charnière sous forme de lame déformée en flexion, on obtient une grande rigidité en compression et une faible rigidité angulaire.
Les lames aptes à se déformer en torsion limitent les déplacements hors-plans voire les annulent, ce que n'est pas apte à faire l'élément d'articulation très fin. En outre les lames présentent une raideur angulaire faible du fait de leur faible épaisseur, ainsi elles n'ont pas ou peu d'influence sur le rendement du dispositif.
L'articulation apte à se déformer en flexion limite les déplacements dans le plan voire les annulent. En outre, cet élément présente une raideur angulaire limitée du fait de son épaisseur faible.
La combinaison des lames aptes à se déformer en torsion bloquant les mouvements hors plan et de l'articulation bloquant les mouvements dans le plan forme une charnière dont l'axe de rotation se situe sensiblement à l'intersection des plans moyens des lames et de l'articulation apte à se déformer en flexion.
En d'autres termes, on sépare les fonctions en réalisant d'une part la fonction de tenue au mouvements dans le plan au moyen d'un élément fin orienté de sorte à présenter une très faible raideur angulaire et une forte raideur en compression et en réalisant d'autre part la fonction de tenue aux mouvements hors-plans par des lames fines orientées de sorte à présenter une très faible raideur angulaire . Chaque élément compense la grande souplesse de l'autre dans sa direction de plus grande souplesse. On peut alors optimiser chacun des éléments séparément.
De manière avantageuse, le plan de plus grande rigidité des lames aptes à se déformer en torsion est orthogonal au plan de plus grande rigidité de l'articulation apte à se déformer en flexion.
De manière avantageuse, l'élément sensible est en matériau piézorésistif ou piézoélectrique. Lorsque l'élément sensible est un matériau piézoélectrique, le dispositif peut être un actionneur hors-plan en polarisant le matériau piézoélectrique.
Ceci limite les pertes d'énergie et fixe l'axe de rotation le plus près possible du centre de ces lames.
La présente invention a alors pour objet un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie, une deuxième partie, la deuxième partie étant articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation contenu dans un plan moyen du dispositif, au moins un élément d'articulation reliant la premier partie et la deuxième partie et sollicité en flexion, au moins un élément sensible s'étendant entre la première partie et la deuxième partie et étant destiné à se déformer lors du déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, au moins une lame s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation, ladite au moins une lame reliant la première partie et à la deuxième partie et étant destinée à être sollicitée en torsion lors du déplacement de la deuxième partie par rapport à la première partie, ladite au moins une lame étant disposée entre l'élément d'articulation et l'élément sensible.
De préférence, l'élément d'articulation présente une raideur angulaire très faible par rapport à celle engendrée par l'élément sensible et une raideur en compression très grande par rapport à celle de l'élément sensible.
L'élément d'articulation présente avantageusement une dimension dans une direction perpendiculaire au plan moyen du dispositif faible par rapport à celle dans la direction de l'axe de rotation.
La deuxième partie présente avantageusement une dimension selon une direction orthogonale au plan moyen du dispositif articulé très importante par rapport à celle de l'élément d'articulation et l'élément sensible.
De préférence, le dispositif comporte deux lames (10) sollicitées en torsion.
Dans un exemple de réalisation, l'élément d'articulation et/ou l'élément sensible est ou sont d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Le dispositif MEMS et/NEMS articulé peut comporter plusieurs éléments d'articulation parallèles les uns aux autres et/ou plusieurs éléments sensibles parallèles les uns aux autres.
La présente invention a également pour objet un capteur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'invention, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique, un matériau piézoélectrique ou une jauge résonante.
La présente invention a également pour objet un actionneur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'invention, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant, à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde,
a) la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
b) la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,
c) la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection,
d) la formation d'une tranchée au droit de la couche de protection et débouchant sur ladite couche de protection,
e) le bouchage au moins partiel de ladite tranchée,
f) la formation du au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion,
g) la libération du dispositif articulé.
Le bouchage au moins partiel de la tranchée peut comporter l'obturation complète de la tranchée au niveau d'une extrémité ouverte ou la formation de couche sur des parois de la tranchée.
De préférence la deuxième couche épaisse est formée par épitaxie.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant après l'étape d),
- le report sur un élément comportant au moins une troisième couche épaisse de semi-conducteur et une deuxième couche d'oxyde de sorte que la deuxième couche épaisse et la deuxième couche d'oxyde soient en contact,
- le retrait de la première couche épaisse et de la première couche d'oxyde,
- la structuration de la deuxième couche épaisse de sorte à former le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention comportant, à partir d'un substrat épais :
La réalisation d'une tranchée de sorte à délimiter le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion,
Le remplissage complet de ladite tranchée par un matériau,
La formation d'une couche sur le matériau remplissant la tranchée et sur le substrat,
La structuration de ladite couche de sorte à délimiter le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,
Le retrait du matériau remplissant la tranchée.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'invention, comportant à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde, a') la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b') la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, c') la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection, d') la formation d'une couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, e') la structuration de ladite couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, pour former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, f') la gravure profonde de la deuxième couche épaisse jusqu'à atteindre la couche de protection et la première couche d'oxyde, g') la libération du dispositif.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective partielle de dessous du dispositif de la figure 1, le substrat n'étant pas représenté,
- la figure 3 est une vue en coupe du dispositif des figures let 2 selon le plan de coupe A,
- la figure 4 est une vue en perspective de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention dans lequel la liaison charnière met en œuvre plusieurs éléments d'articulation,
- les figures 5A à 51 sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif d'articulation selon l'invention,
- la figure 5J est une vue en perspective du dispositif obtenu à la figure 51,
- les figures 6A à 6D sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 6E est une vue en perspective du dispositif obtenu à la figure 6D,
- les figures 7A à 7E sont deux vues en coupe dans des plans différents, représentées schématiquement de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 8A à 8D sont des vues en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 9A à 9D sont des vues de dessus et en coupe représentées schématiquement de différentes étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures 1 à 3, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention.
Le dispositif comportant une première partie 2 et une deuxième partie 4 mobile l'une par rapport à l'autre. Par exemple la première partie 2 est fixe par rapport à un substrat 3 d'une structure MEMS et/ou NEMS. Les première et deuxième parties sont disposées l'une à côté de l'autre et un système d'articulation 6 relie la première partie 2 et la deuxième 4 de manière articulée autour d'un axe de rotation Y.
La structure MEMS comporte un plan moyen par rapport auquel sont définis les déplacements dans le plan et les déplacements hors-plan.
Les première et deuxième parties 2, 4 s'étendent entre deux plans Pl, P2 parallèles au plan moyen P de la structure.
La première partie 2 comporte une première face 2.1 contenue dans le plan Pl et une deuxième face 2.2 contenue dans le plan P2. La deuxième partie 4 comporte une première face 4.1 contenue dans le plan Pl et une deuxième face 4.2 contenue dans le plan P2.
Dans l'exemple représenté, le système d'articulation 6 comporte un élément d'articulation 8 sous forme de bande mince s'étendant en la première face 2.1 de la première partie 2 et la première face 4.1 de la deuxième partie 4. L'élément d'articulation 8 s'étend le long d'un axe X et forme une charnière définissant sensiblement l'orientation et l'emplacement de l'axe de rotation Y du système d'articulation. L'axe de rotation est orthogonal à l'axe X. Dans l'exemple représenté, l'élément d'articulation comporte deux portions d'extrémité 8.1, 8.2 en contact respectivement avec les faces 2.1 et 4.1 et une portion centrale 8.3 reliant les deux portions d'extrémité 8.1 et 8.2 et disposé dans un plan P3 parallèle et distinct du plan Pl. Mais ceci n'est en aucun cas limitatif, un élément d'articulation plan ne sortant pas du cadre de la présente invention.
Par ailleurs un dispositif, dans lequel l'élément d'articulation serait d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie, ne sort pas du cadre de la présente invention.
L'épaisseur de l'élément d'articulation 8 dans une direction Z perpendiculaire aux plans Pl et P2 est suffisamment petite pour que la raideur angulaire induite par la déformation de la bande soit très inférieure à celle induite par la compression d'un élément sensible qui sera décrit par la suite. L'énergie mettant en mouvement la deuxième partie sert donc principalement à déformer l'élément sensible et non l'élément d'articulation. En outre, l'élément d'articulation offre une raideur de compression/étirement le long de l'axe X très grande, de sorte que l'emplacement de l'axe de rotation Y soit bien défini est ainsi situé au plus près de l'élément d'articulation. L'épaisseur de l'élément d'articulation est par exemple comprise entre 100 nm à quelques pm.
En variante comme cela est représenté sur la figure 4, le dispositif peut comporter plusieurs éléments d'articulation disposés parallèlement les uns par rapport aux autres et parallèles à l'axe X entre la première partie et la deuxième partie et répartis le long de l'axe Y. Les sections des éléments d'articulation seront choisies de sorte que leur somme présente une raideur de compression très supérieure à celle de l'élément sensible.
Pour donner un ordre de grandeur : la compression d'une jauge de 250 nm2 x 5pm, placée à 10 pm de l'axe de rotation correspond à la raideur angulaire :
-, -, [250nm] .
Caa„ = kaa„dL„ = E g g dL. = 169MPa—--10pm2 = 2,lQ-7N.m Jgau — lvgauugau gau gau
La raideur de la jauge est :169MPa
5pm [250nm]2
5μιη = 2kN.m
-i
De préférence, le ou les éléments d'articulation présentent une épaisseur faible.
C, hinge
En effet, la raideur angulaire d'une charnière formée de plusieurs éléments d'articulation parallélépipédique perpendiculaires à l'axe de rotation vaut :
t3 : épaisseur des éléments d'articulation wh·. largeur cumulée des éléments d'articulation lh : longueur des éléments d'articulation
E stl r —__± '-‘hinge ~ 3 [ avec s : la section cumulée des éléments d'articulation.
La raideur en compression de cette même charnière vaut :
hinge lh lh
Il sera compris que la largeur cumulée des éléments d'articulation peut être différente de celle des éléments sensibles.
Par conséquent, en mettant en œuvre des éléments d'articulation présentant une épaisseur faible et une grande largeur afin de présenter des sections s importantes, on peut obtenir des éléments d'articulation présentant une raideur en compression élevée et une raideur angulaire faible. Le rapport tî/whest par exemple compris entre 1 à 100.
L'axe d'articulation Y définit par l'élément d'articulation est situé au plus près de l'élément d'articulation, voire dans l'élément d'articulation.
Le système d'articulation comporte également une paire de lames 10 interposée entre la première partie 2 et la deuxième partie 4 et s'étendant sensiblement dans un plan orthogonal aux plans PI et P2 et contenant l'axe Y.
Chaque lame 10 est telle qu'elle comporte un bord latéral 10.1 s'étendant entre les plans PI et P2 relié à la première partie et l'autre bord latéral 10.2 solidaire de la deuxième partie. Les lames sont disposées sensiblement dans un même plan R orthogonal au plan PI et P2 et contenant l'axe de rotation Y. En outre, les lames sont disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal X.
L'axe de rotation se situe sensiblement à l'intersection du plan moyen R des lames 10 et du plan moyen de l'élément d'articulation 10.
La première partie 2 comporte une extrémité longitudinale 2.3 en regard d'une extrémité longitudinale 4.3 de la deuxième partie.
Dans l'exemple représenté, la première partie 2 comporte deux portions latérales 12 en saillie et la deuxième partie 4 comporte une portion centrale 14 en saillie.
En outre, l'extrémité longitudinale 2.3 comporte un évidement central 16 correspondant sensiblement à la portion centrale 14 et l'extrémité longitudinale 2.4 comporte deux évidements latéraux 18 correspondant sensiblement aux portions latérales 12.
Le bord latéral extérieur 10.1 est relié à l'une des portions latérales 12 de la première partie 2 et le bord latéral intérieur 10.2 est relié à la portion centrale 14 de la deuxième partie. Dans l'exemple représenté, les lames sont d'un seul tenant avec la première portion et la deuxième portion.
La structure particulière des lames et de leur connexion aux première et deuxième parties de la figure 1 est donnée uniquement à titre d'exemple et n'est en aucun cas limitatif. Par exemple une structure sans évidement 16 et portion centrale 14 ne sort pas du cadre de la présente invention.
Les lames 10 sont aptes à se déformer en torsion et permettent de limiter voire interdire les déplacements hors-plan, i.e. le long de l'axe Z, de la deuxième partie 4.
Ainsi la deuxième partie a un déplacement en rotation sensiblement pur autour de l'axe Y.
Les lames 10 n'interviennent pas ou très peu dans la définition de l'emplacement de l'axe de rotation Y.
Un dispositif ne comportant qu'une seule lame 10 ne sort pas du cadre de la présente invention.
Le dispositif articulé comporte également un élément sensible 20 disposé à l'opposé de l'élément d'articulation par rapport aux lames 10.
L'élément sensible 20 peut être une jauge de contrainte permettant de détecter le déplacement en rotation entre la première partie et la deuxième partie et de mesurer ce déplacement. Elle peut être en un matériau piézorésistif ou piézoélectrique. En variante, l'élément sensible pourrait comporter au moine une poutre résonante pour réaliser une détection résonante.
En variante, il peut former un actionneur et peut être en matériau piézoélectrique.
Dans l'exemple représenté, l'élément d'articulation et l'élément sensible sont disposés l'un au-dessus de l'autre dans la direction Z, mais un dispositif dans lequel l'élément sensible et l'élément d'articulation ne seraient pas superposés selon la direction Z ne sort pas du cadre de la présente invention.
Dans le cas d'une jauge de contrainte, l'épaisseur de la jauge dans la direction Z est faible, permettant de concentrer les contraintes et amplifier le signal. Par exemple l'épaisseur est comprise entre une centaine de nm et quelques pm. Dans le cas où l'élément sensible servirait d’actionneur, l'épaisseur de l'élément sensible serait par exemple également comprise entre une centaine de nm et quelques pm.
Dans l'exemple représenté, l'élément sensible 20 comporte une face contenue dans le plan P2.
De préférence la deuxième partie présente une rigidité importante par rapport à celle de l'élément sensible. Pour cela, la deuxième partie a une épaisseur selon la direction Z très grande par rapport à celle de l'élément sensible, par exemple comprise entre quelques pm et quelques dizaines de pm pour une épaisseur de l'élément sensible comprise entre une centaine de nm et quelques pm. Ainsi, la deuxième partie 4 ne se déforme pas ou peu et l'énergie est transmise à l'élément sensible.
En choisissant une deuxième partie épaisse, on dispose d'une deuxième partie rigide et on augmente le gain en énergie. Néanmoins le gain sur l'effet bras de levier est réduit. En effet, dans un cas idéal, le gain du bras de levier est égal à la longueur du bras divisée par l'épaisseur de la deuxième partie.
On choisit alors de préférence une distance entre les faces 4.1 et 4.2 de la deuxième partie 4 très grande par rapport à l'épaisseur de l'élément sensible. Le rapport entre l'épaisseur de l'élément sensible et celle de la deuxième partie est de préférence compris entre 10 à 1000.
Plusieurs éléments sensibles disposés parallèlement les uns par rapport aux autres entre la première partie et la deuxième partie et répartis le long de l'axe Y pourraient également être prévus.
Il pourrait être prévu que le ou les éléments sensibles ne comportent pas de face contenue dans le plan P2 mais qu'ils soient situés entre le plan P2 et le bord inférieur des lames 10. Dans ce cas le gain du bras de levier serait un peu augmenté.
Comme nous le verrons par la suite, le ou les éléments d'articulation et/ou le ou les éléments sensibles et/ou la première et ou la deuxième partie peuvent être réalisés dans un même matériau ou des matériaux différents.
De préférence, la deuxième partie présente une dimension selon l'axe Z très supérieure à celle de l'élément sensible et à celle l'élément d'articulation, offrant un dispositif articulé à fort rendement. Les lames 10 sont telles qu'elles ont un effet réduit sur le rendement. En effet, la raideur en compression des plusieurs jauges parallélépipédiques perpendiculaires à l'axe de rotation vaut :
. fa : épaisseur de la couche « gauges »
Γχ Wg i
KgaUge = E < wg : largeur cumulée des jauges e [ lg : longueur des jauges la raideur angulaire induite au niveau de l'élément d'articulation par ces même jauges est égale à la raideur en compression des jauges, multipliée par le carré de leur excentricité :
/ti t3\2 ,
Cgauge = Kgauge I + t2 + — J [ t2 : épaisseur de la couche « bras de levier »
Pour réaliser un dispositif articulé à fort rendement, la raideur en compression de l'articulation est choisie très supérieure à celles des éléments sensibles, et la raideur angulaire de l'articulation est choisie très inférieure à celle induite par la compression des éléments sensibles lors de la rotation de la deuxième partie.
Ceci peut se traduire par :
(1) Kfringe » Kgauge (2) Chinge « Kgauge (y + t2 + y) ,1 ' Ix. Λ itl+2t2+t3\2
Il en resuite: 1 « —- —- « -—-—- .
lh ' lg \ t3 J
Ainsi choisissant une épaisseur de la deuxième partie t2 très supérieure à celle t1( du ou des éléments d'articulation, et à celle du ou des éléments sensibles t3 on peut obtenir un dispositif articulé présentant un fort rendement.
Le fonctionnement du dispositif articulé va maintenant être décrit.
Considérons le cas dans lequel le dispositif articulé forme un capteur de déplacement, par exemple un accéléromètre. La deuxième partie 4 forme une masse inertielle sensible aux accélérations dans la direction Z. Lorsqu'une telle accélération s'applique à la deuxième partie 4, celle-ci a un mouvement sensiblement pur de rotation autour de l'axe Z, puisque les lames 10 du fait de leur dimension importante le long de l'axe Z offre une rigidité importante le long de l'axe Z. Mais du fait de leur faible épaisseur dans la direction X, elles sont aptes à se déformer en torsion, leur raideur en torsion étant négligeable par rapport à celle due à l'étirement/ la compression de l'élément sensible.
Cette raideur en torsion est également suffisamment faible pour avoir peu d'influence, voire pas d'influence sur la rotation de la deuxième partie.
L'élément sensible est alors étiré. Dans le cas d'un élément sensible en matériau piézorésistif, un étirement de celui-ci provoque une modification de sa résistance électrique. En polarisant l'élément sensible, on peut détecter et mesurer la variation de résistance électrique qui est proportionnelle au déplacement angulaire de la deuxième partie autour de l'axe Y.
Du fait du choix des épaisseurs entre l'élément d'articulation, l'élément sensible et la deuxième partie, l'énergie du déplacement de la deuxième partie est en grande partie utilisée pour déformer l'élément sensible.
Considérons le cas dans lequel le dispositif articulé forme un actionneur. L'élément sensible est par exemple en matériau piézoélectrique. En polarisant l'élément, celui-ci se dilate ou se comprime par effet piézoélectrique, ce qui génère une force qui s'applique à la deuxième partie qui va pivoter autour de l'axe Y. Du fait de la faible raideur angulaire de l'élément charnière, le déplacement en rotation est rendu plus efficace d'un point de vue énergétique.
Des exemples de procédé de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention vont maintenant être décrits.
Sur les figures 5A à 5J, on peut voir des représentations schématiques de vues de dessus et en coupe d'éléments obtenus au cours de différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation selon l'invention. Ce procédé est notamment adapté à la réalisation d'un dispositif de la figure 6.
Dans cet exemple, on part d'un substrat silicium sur isolant ou SOI (Silicon On Insulate en terminologie anglo-saxonne) comportant un substrat en silicium 100, une couche d'oxyde de silicium 102 et une couche de silicium monocristallin 104 d'épaisseur par exemple comprise entre 100 nm et quelques pm, par exemple égale à 250 nm.
Lors d'une première étape, on réalise dans la couche 104 la ou les éléments sensibles 8 par photo-lithogravure.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5A.
Lors d'une étape suivante, une couche de protection 106 est formée sur le ou les éléments sensibles 20. Cette couche est par exemple en SiC>2. La couche de protection 106 sert à protéger le ou les éléments sensibles des différentes gravures.
La couche de protection 106 est par exemple réalisée par un dépôt de S1O2 sur toute la couche 104 et une étape de photo-lithogravure est réalisée pour limiter la surface de la couche 106 à la zone comportant le ou les éléments sensibles, la couche 104 est découverte autour de la couche 106. Une étape de polissage avant la photolithogravure peut être effectuée.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5B.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche de silicium 108 sur la couche de protection 106 et sur la zone découverte de la couche 104. La couche 108 est destinée à former la première partie 2 et la deuxième partie 4. La couche 108 est par exemple réalisée par épitaxie ou dépôt de silicium polycristallin Elle présente par exemple une épaisseur de 20 pm.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5C.
Lors d'une étape suivante, on réalise une tranchée 109 dans la couche 108 pour former le système d'articulation et séparant la première partie 2 et la deuxième partie 4, au droit de la couche 106. Il s'agit par exemple d'une gravure ionique réactive profonde ou DRIE (Deep Reactive Ion Etching en terminologie anglo-saxonne).
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5D.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche d'oxyde 110 sur les flancs de la zone gravée. La couche 110 est par exemple formée par oxydation thermique ou par dépôt d'oxyde conforme.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5E.
Lors d'une étape suivante, on retire l'oxyde formé sur la face libre de la couche 110, par exemple par polissage mécanochimique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5F.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche 112 pour former le ou les éléments d'articulation. Il s'agit par exemple d'une couche de silicium polycristallin. La couche 112 est destinée à remplir la tranchée 109. La couche 112 est par exemple formée par dépôt physique en phase vapeur ou PVD (Physical Vapor Déposition en terminologie anglo-saxonne). Un dépôt conforme est ainsi réalisé.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 5G.
Lors d'une étape suivante, on réalise une gravure 113 de sorte à délimiter le MEMS, il s'agit par exemple d'une gravure profonde. On grave également la couche 112 pour former le ou les éléments d'articulation. Des trous sont également formés dans les parties destinées à être mobiles afin de permettre le passage du fluide destiné à les libérer.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 51.
Lors d'une étape suivante, on libère la structure. Pour cela on grave l'oxyde 110, la couche de protection 106 et l'oxyde 102 par exemple au moyen d'acide fluorhydrique.
Sur la figure 5J, on peut voir l'élément d'articulation 8 et l'élément sensible 20 et la deuxième partie 4 suspendue par l'élément d'articulation 8 et l'élément sensible 20. La deuxième partie 4 est également suspendue par les lames 10 (non représentées).
Il résulte de ce procédé de réalisation, l'élément d'articulation comporte un pied 114 s'étendant selon l'axe Z entre la première partie et la deuxième partie, mais le pied n'intervient pas dans le fonctionnement du système d'articulation. Les lames 10 ne sont pas en contact avec le pied 114. Il pourrait être prévu que l'élément d'articulation comporte plusieurs pieds répartis dans la direction X sans modifier le fonctionnement du système d'articulation.
Il sera compris que la réalisation des éléments d'articulation et la réalisation des éléments sensibles peuvent être inversées.
Les étapes des figures 5A-5I est particulièrement intéressantes lorsque l'on veut réaliser des domaines électriques isolés les uns des autres sur un même MEMS. Par exemple, on peut envisager que la structure comportant le pied soit assez large pour que le pied 114 ne soit pas libéré de tout l'oxyde qui l'entoure. La partie conductrice supérieure serait alors supprimée lors de la gravure permettant d'obtenir l'élément de la figure 5H. On obtiendrait un empilement Si-SiO2-Si-SiO2-Si qui assure un maintien mécanique et qui est électriquement isolant. Cette structure serait réalisée entre deux zones que l'on souhaite isoler électriquement et qui seraient des zones autres que des zones articulées l'une par rapport à l'autre car elle ne forme pas une articulation.
En variante, il pourrait être prévu de ne pas former de couche 108 pour former la première partie et la deuxième partie et d'utiliser le substrat 100 du substrat SOI. Pour cela, après l'étape de réalisation du ou des éléments sensibles dans la couche 104, l'élément serait retourné et serait reporté sur un substrat. Une étape de gravure du substrat 10 a ensuite lieu.
En variante encore, on pourrait envisager de ne pas utiliser de substrat SOI et de former une couche de matériau piézoélectrique directement sur un substrat, par exemple en AIN ou en PZT.
En variante, on peut envisager en partant de l'élément de la figure 5D, de reporter une couche monocristalline qui formera le ou les éléments de liaisons ou le ou les éléments sensibles, le report sera fait par exemple par scellement moléculaire, par exemple Si-SI, Si-SiCh ou S1O2- S1O2, ou par scellement eutectique, par exemple Or/Si ou Al/Ge.
En variante encore, on peut remplacer le substrat SOI par un substrat standard, dans lequel sont réalisés dans micropiliers, par exemple par photo-lithogravure. Ils sont répartis à la surface du substrat, de sorte que, lors d'un recuit, une fine membrane lors d'un recuit. La membrane est ensuite usinée, par exemple par photolithogravure pour obtenir des jauges. Une oxydation, en consommant du matériau de la membrane, permet alors d'obtenir la section de jauge souhaitée et l'oxyde formé sert de couche de protection contre les futures gravures. L'élément ainsi obtenu est similaire à celui de la figure 5B. Les étapes suivantes sont similaires à celles déjà décrite.
Sur les figures 6A à 6D, on peut voir des étapes d'un autre exemple de procédé de réalisation du dispositif selon l'invention.
Un élément similaire à celui de la figure 5D est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5D.
L'élément est représenté sur la figure 6A.
Lors d'une étape suivante, on réalise une couche d'oxyde 116 sur la couche 108 de sorte à obturer l'extrémité ouverte de la tranchée 109, par exemple par PVD de SiC>2. Il peut avantageusement être prévu de réaliser préalablement à la couche 116 une oxydation thermique pour reboucher partiellement la tranchée 109.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6B.
Lors d'une étape suivante, on structure la couche 116 de sorte à ne garder qu'une portion 116.1 de couche 116 destinée à la formation du ou des éléments d'articulation. Cette structuration est par exemple obtenue par photo-lithogravure. On peut avantageusement réaliser une gravure chimique pour former les flancs 116.2 de la portion 116.1 légèrement inclinés.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6C.
Lors d'une étape suivante, on forme une couche 118 pour former le ou les éléments d'articulation. Il s'agit par exemple d'une couche de silicium polycristallin.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 6D.
Lors d'une étape suivante, on réalise une structuration de la couche 118 de sorte à délimiter le MEMS, par exemple par une gravure profonde. On structure également la couche 118 pour former le ou les éléments d'articulation. Des trous sont également formés dans les parties destinées à être mobiles afin de permettre le passage du fluide destiné à les libérer.
Lors d'une étape suivante, on libère la structure. Pour cela on grave l'oxyde 110, la couche de protection 106 et la couche d'oxyde 102 par exemple au moyen d'acide fluorhydrique.
Sur la figure 6E, on peut voir l'élément d'articulation et l'élément sensible et la deuxième partie suspendue par l'élément d'articulation et l'élément sensible. La partie mobile est également suspendue par les lames 10 (non représentées).
Contrairement au procédé des figures 5A à 5J, l'élément d'articulation n'a pas de pied.
Comme pour le procédé des figures 5A à 5J, il pourrait être prévu de ne pas former de couche 108 pour former la première partie et la deuxième partie et d'utiliser le substrat 100 du substrat SOL Pour cela, après l'étape de réalisation du ou des éléments sensibles dans la couche 104, l'élément est retourné et est reporté sur un substrat. Une étape de gravure de la couche 100 a ensuite lieu. En variante encore on pourrait envisager de ne pas utiliser de substrat SOI et de former une couche de matériau piézoélectrique directement sur un substrat, par exemple en AIN, PZT.
En variante encore, comme pour le procédé des figures 5A à 5J, il pourrait être prévu de réaliser une membrane fine par recuit.
Le procédé des figures 6A à 6D est particulièrement intéressant lorsque l'on veut réaliser des domaines électriques isolés les uns des autres sur un même MEMS...
Sur les figures 7A à 7E, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Sur la figure 7A, un élément similaire à celui de la figure 5D est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5D.
Lors d'une étape suivante, l'élément de la figure 7A est retourné et est reporté sur un élément comportant un substrat 120 et une couche d'oxyde 121, le report se fait par exemple par scellement moléculaire ou par scellement eutectique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7B.
Lors d'une étape suivante, le substrat 100 et la couche d'oxyde 102 sont éliminés, par exemple par gravure et/ou broyage.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7C.
Lors d'une étape suivante on structure la couche pour former le système d'articulation, par exemple par gravure partielle de sorte à conserver au moins un élément d'articulation. Les lames ont été préférentiellement réalisées lors de la gravure précédente, correspondant à la figure 5D. On réalise une tranchée 122 ne débouchant par sur la couche d'oxyde 121 afin de délimiter l'élément d'articulation 8.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7D.
Los d'une étape suivante la structure est libérée en gravant la couche d'oxyde 121, la couche de protection 106 de l'élément sensible est également retirée.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 7E.
Dans cet exemple de procédé, l'élément d'articulation est d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Sur les figures 8A à 8E, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Comme pour le dispositif obtenu à la fin du procédé des figures 7A à 7E, l'élément d'articulation est d'un seul tenant avec la première partie et la deuxième partie.
Lors d'une première étape on structure un substrat 123, par exemple en silicium, pour former le système d'articulation, à la fois l'élément d'articulation et les lames 10. Pour cela, le substrat est gravé à partir de sa face avant, par exemple par DRIE.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8A.
Lors d'une étape suivante, les zones gravées sont remplies avec un matériau 124 de sorte à retrouver une face avant plane. Le matériau est par exemple du SiO2.
De manière avantageuse, un polissage mécanochimique de la face avant du substrat est réalisé pour obtenir une face plane et pour retirer l'oxyde de la surface.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8B.
Lors d'une étape suivante, une couche 126 destinée à former l'élément sensible est formé sur la face avant du substrat.
La couche 126 est ensuite structurée, par exemple par photolithogravure. Avantageusement, le reste du MEMS peut être structuré simultanément.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8C.
Lors d'une étape suivante, la structure est libérée en supprimant le matériau de remplissage 124 par exemple avec de l'acide fluorhydrique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 8D.
En variante, lors de la première étape la gravure pourrait servir à définir l'élément sensible et les lames 10 et la couche 126 pourrait servir à former l'élément d'articulation.
Sur les figures 9A à 9D, on peut voir un autre exemple de procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Sur la figure 9A, un élément similaire à celui de la figure 5C est préparé en réalisant les étapes décrites en relation avec les figures 5A à 5C.
Lors d'une étape suivante, une couche 128 est formée sur la face avant de la couche 108. Elle est réalisée en un matériau différent de celui de la couche 128 ou est entourée d'une couche la protégeant des attaques chimiques qui seront appliquées au substrat. La couche 128 est par exemple en AIN, en matériau piézoélectrique. Cette couche 128 est par exemple formée par dépôt, par exemple par un dépôt en phase vapeur.
Lors d'une étape suivante, la couche 128 est structurée pour former soit le ou les éléments sensibles, soit le ou les éléments d'articulation. La couche 128 est par exemple structurée par photolithographie.
Lors d'une étape suivante, la couche 108 est gravée par une gravure profonde avec arrêt sur la couche d'oxyde 102 et la couche de protection. De préférence, lors de l'étape de structuration de la couche 128, les éléments restants sont fins de sorte à délimiter des ouvertures suffisamment importantes pour effectuer la gravure profonde. La couche 108 comporte alors des tranchées 130. Le ou les lames 10 (non représentées) sont formées lors de cette étape.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9B.
Lors d'une étape suivante, les portions de couche 106 entre les tranchées sont éliminées par exemple par une gravure chimique isotrope. Les éléments de la couche 128 formant les éléments d'articulation ou les éléments sensibles sont alors libérés.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9C.
Lors d'une étape suivante, la couche de protection et la couche d'oxyde 104 sont supprimées pour libérer la structure, par exemple par acide fluorhydrique.
L'élément ainsi obtenu est représenté sur la figure 9D.
Grâce à la présente invention, on dispose donc d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan offrant un haut rendement de conversion. Celui-ci est particulièrement adapté à la réalisation de capteur à déplacement hors-plan et à la réalisation d'actionneurs hors-plan.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé à déplacement hors-plan comportant une première partie (2), une deuxième partie (4), la deuxième partie (4) étant articulée en rotation par rapport à la première partie autour d'un axe de rotation (Y) contenu dans un plan moyen du dispositif, au moins un élément d'articulation (8) reliant la premier partie (2) et la deuxième partie (4) et sollicité en flexion, au moins un élément sensible (20) s'étendant entre la première partie (2) et la deuxième partie (4) et étant destiné à se déformer lors du déplacement de la deuxième partie (4) par rapport à la première partie (2), au moins une lame (10) s'étendant perpendiculairement au plan moyen du dispositif articulé et parallèlement à l'axe de rotation (Y), ladite au moins une lame (10) reliant la première partie (2) et à la deuxième partie (4) et étant destinée à être sollicitée en torsion lors du déplacement de la deuxième partie (4) par rapport à la première partie (2), ladite au moins une lame (10) étant disposée entre l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible (20).
- 2. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'articulation (8) présente une raideur angulaire très faible par rapport à celle engendrée par l'élément sensible (20) et une raideur en compression très grande par rapport à celle de l'élément sensible (20).
- 3. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément d'articulation (8) présente une dimension dans une direction perpendiculaire au plan moyen du dispositif faible par rapport à celle dans la direction de l'axe de rotation (Y).
- 4. Dispositif MEMS et/NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la deuxième partie (4) présente une dimension selon une direction orthogonale au plan moyen du dispositif articulé très importante par rapport à celle de l'élément d'articulation (8) et l'élément sensible (20).
- 5. Dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant deux lames (10) sollicitées en torsion.
- 6. Dispositif MEMS et/NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément d'articulation (8) et/ou l'élément sensible (20) est ou sont d'un seul tenant avec la première partie (2) et la deuxième partie (4).
- 7. Dispositif MEMS et/NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant plusieurs éléments d'articulation parallèles les uns aux autres et/ou plusieurs éléments sensibles parallèles les uns aux autres.
- 8. Capteur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'une des revendications 1 à 7, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique, un matériau piézoélectrique ou une jauge résonante.
- 9. Actionneur MEMS et/ou NEMS comportant au moins un dispositif articulé selon l'une des revendications 1 à 7, le au moins un élément sensible comportant un matériau piézoélectrique.
- 10. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, comportant, à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde ,a) la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,b) la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible,c) la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection,d) la formation d'une tranchée au droit de la couche de protection et débouchant sur ladite couche de protection,e) le bouchage au moins partiel de ladite tranchée,f) la formation du au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion,g) la libération du dispositif articulé.
- 11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel le bouchage partiel de la tranchée comporte l'obturation complète de la tranchée au niveau d'une extrémité ouverte ou la formation de couche sur des parois de la tranchée.
- 12. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, dans lequel la deuxième couche épaisse est formée par épitaxie.
- 13. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon la revendication 10, comportant après l'étape d),- le report sur un élément comportant au moins une troisième couche épaisse de semi-conducteur et une deuxième couche d'oxyde de sorte que la deuxième couche épaisse et la deuxième couche d'oxyde soient en contact,- le retrait de la première couche épaisse et de la première couche d'oxyde,- la structuration de la deuxième couche épaisse de sorte à former le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion.
- 14. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7 comportant, à partir d'un substrat épais :La réalisation d'une tranchée de sorte à délimiter le au moins un élément sensible ou au moins un élément d'articulation et d'au moins une lame destinée à être solidarisée en torsion,Le remplissage complet de ladite tranchée par un matériau,La formation d'une couche sur le matériau remplissant la tranchée et sur le substrat,La structuration de ladite couche de sorte à délimiter le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible,Le retrait du matériau remplissant la tranchée.
- 15. Procédé de fabrication d'un dispositif MEMS et/ou NEMS articulé selon l'une des revendications 1 à 7, comportant à partir d'un substrat comportant une première couche épaisse de matériau semi-conducteur, une première couche d'oxyde et une couche de semi-conducteur monocristallin sur la couche d'oxyde , a') la structuration de la couche de semi-conducteur monocristallin de sorte à former au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, b') la formation d'une couche de protection localisée sur ledit au moins un élément d'articulation ou au moins un élément sensible, c') la formation d'une deuxième couche épaisse sur la couche de protection, d') la formation d'une couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, e') la structuration de ladite couche destinée à former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, pour former le au moins un élément d'articulation ou le au moins l'élément sensible, f') la gravure profonde de la deuxième couche épaisse jusqu'à atteindre la couche de protection et la première couche d'oxyde, g') la libération du dispositif.S.601151/7
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Patent Citations (3)
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