WO2007080259A1 - Systeme micro-electromecanique comprenant une partie deformable et un detecteur de contrainte - Google Patents
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Abstract
Un système micro-électromécanique comprend une partie déformable (1) et au moins un détecteur de contrainte (10) solidaire de la partie déformable. Le détecteur comprend lui-même une portion de base (2) et une portion de shunt (3) juxtaposées sur la partie déformable (1), et des connexions (4a-4d) agencées pour détecter une modification d'une répartition d'un courant électrique dans les portions de base et de shunt. Un tel système est adapté pour de nombreuses applications, en particulier pour former une partie d'un bras de microscope à force atomique ou pour entrer dans la constitution d'un biodétecteur.
Description
SYSTEME MICRO-ELECTROMECANIQUE COMPRENANT UNE PARTIE DEFORMABLE ET UN DETECTEUR DE CONTRAINTE
La présente invention concerne un système micro-électromécanique qui comprend une partie mobile et un détecteur de contrainte.
Un système micro-électromécanique, ou MEMS pour «Micro- ElectroMechanical System» en anglais, est un dispositif électronique intégré qui comprend une partie mobile. Il est réalisé en utilisant les techniques usuelles de fabrication d'un circuit électronique intégré, y compris pour réaliser la partie mobile. De tels systèmes peuvent former des micro-interrupteurs ou des résonateurs, notamment. Certains d'entre eux comprennent un détecteur de position de la partie mobile. Ce détecteur permet de contrôler un état du système ou de délivrer un signal électrique de sortie qui correspond à des déplacements de la partie mobile, par exemple lorsque le système constitue un filtre de fréquences. Des détecteurs de position connus sont constitués par un condensateur dont la capacité varie en fonction de la position de la partie mobile, ou sont constitués par une grille d'un transistor MOS qui est portée par la partie mobile. Le fonctionnement de ces détecteurs de position dépend de la permittivité diélectrique du milieu ambiant présent autour de la partie mobile. Or, pour certaines applications, notamment en milieu liquide ou gazeux, cette permittivité peut présenter des fluctuations qui engendrent une imprécision des résultats de la détection. D'autres détecteurs incorporés dans des MEMS sont constitués par une portion d'un matériau piézoélectrique. Mais dans ce cas, la position de la partie mobile du MEMS n'est connue que pour une contrainte alternative.
Des détecteurs à haute résolution de la position d'une partie mobile ont été développés par ailleurs, qui ne présentent pas certains des inconvénients précédents. Parmi ceux-ci, on peut citer les détecteurs optiques qui sont basés sur une réflexion d'un faisceau lumineux, en général un faisceau laser, sur la partie mobile. Un point d'impact du faisceau sur un ensemble de photodétecteurs varie alors en fonction de la position de la partie mobile. Mais de tels détecteurs optiques présentent d'autres inconvénients : ils sont
encombrants, nécessitent que la partie mobile soit réfléchissante et que le milieu ambiant présent autour de celle-ci soit transparent. En outre, un calibrage et un alignement optique précis sont indispensables. Enfin, l'utilisation d'un faisceau lumineux n'est pas compatible avec certaines applications, notamment des applications chimiques, car le faisceau peut induire des réactions photochimiques parasites, susceptibles d'altérer une interprétation de la mesure.
Il existe aussi des détecteurs qui sont basés sur un effet tunnel présent entre deux portions de matériaux conducteurs très proches l'une de l'autre. Dans ces détecteurs, une intensité d'un courant électrique d'effet tunnel permet de mesurer une distance entre les deux portions. Mais la caractéristique d'un tel détecteur est fortement non-linéaire, et est incompatible avec les constants élastiques des parties mobiles actuellement réalisées au sein de MEMS. En outre, il est nécessaire qu'un tel détecteur à effet tunnel soit utilisé dans des conditions de vide très poussé, afin que le courant tunnel soit suffisamment stable pour constituer un signal de détection représentatif. Il en résulte des contraintes considérables portant sur l'environnement, qui limitent l'utilisation d'un détecteur de ce type.
Enfin, dans certains MEMS, le détecteur de la position de la partie mobile est remplacé par un détecteur de contrainte. Un tel détecteur est en général basé sur un comportement piézorésistif de la partie mobile du MEMS, de sorte qu'il est moins sensible à des perturbations extérieures qu'un détecteur de position. Mais la sensibilité de la détection est généralement faible, car elle est limitée par la piezorésistance intrinsèque du matériau constitutif de la partie mobile.
Un but de la présente invention consiste donc à proposer un système micro-électromécanique qui incorpore un détecteur d'un état du système, mais qui ne présente pas les inconvénients cités ci-dessus.
Un autre but de la présente invention consiste à proposer un système micro-électromécanique qui peut être utilisé pour de nombreuses applications, et en particulier qui peut être utilisé dans des milieux ambiants variés.
Pour cela, l'invention propose un système micro-électromécanique qui
comprend une partie déformable et au moins un détecteur de contrainte solidaire de celle-ci. Chaque détecteur de contrainte comprend lui-même :
- une portion de base et une portion de shunt, conductrices électriquement et juxtaposées sur la partie déformable de sorte que la portion de base et la portion de shunt sont en contact électrique l'une avec l'autre selon des côtés respectifs de celles-ci qui sont accolés, la portion de shunt ayant une conductivité électrique supérieure à celle de la portion de base, et
- un ensemble de connexions électriques qui sont reliées à la portion de base en dehors d'une zone de contact de cette portion de base avec la portion de shunt, et qui sont agencées de sorte qu'une modification d'une répartition d'un courant électrique dans les portions de base et de shunt peut être détectée électriquement à partir de ces connexions. En outre, des matériaux respectifs de la portion de base et de la portion de shunt sont choisis de sorte qu'une résistance de contact entre ces portions varie en fonction d'une déformation du système.
Ainsi, selon l'invention, une partie déformable et un détecteur sont regroupés dans un même système micro-électromécanique. Un tel regroupement permet d'obtenir un ensemble qui présente un encombrement réduit. Le système peut alors être facilement introduit dans de nombreux appareils qui correspondent à des applications différentes.
En outre, ce regroupement de la partie déformable et du détecteur dans un même système permet d'utiliser un procédé de fabrication cohérent pour réaliser à la fois la partie déformable et le détecteur. Une réduction du coût de fabrication global en résulte. En particulier, le système peut être entièrement réalisé en utilisant les techniques de fabrication de circuits électroniques intégrés, qui sont bien maîtrisées à l'heure actuelle, permettent de miniaturiser le système et de réaliser une production de masse avec des rendements de fabrication élevés. Ces techniques de fabrication permettent en outre d'intégrer un circuit électronique de mesure dans le système microélectromécanique, pour obtenir une sensibilité et une précision de mesure élevées.
Le détecteur qui est incorporé dans le système microélectromécanique est du type détecteur de contrainte. Un tel détecteur fournit des résultats de détection particulièrement fiables. En particulier, étant donné qu'un détecteur de ce type est directement fixé sur une partie destinée à subir des déformations, les résultats de détection ne sont pas perturbés par des variations de la permittivité diélectrique d'un milieu fluide qui est en contact avec le système. Un système selon l'invention peut donc être utilisé pour un grand nombre d'applications, notamment des applications pour lesquelles le système est immergé dans un fluide, liquide ou gazeux. Par ailleurs, la sensibilité du détecteur de contrainte qui est utilisé dans un système conforme à l'invention est basée non seulement sur des variations de la résistance de contact entre la portion de base et la portion de shunt, mais elle résulte aussi d'un écart entre les conductions électriques des matériaux respectifs des deux portions. La sensibilité obtenue est élevée, et permet de détecter des déformations très faibles du système micro-électromécanique.
De préférence, la portion de base est en matériau semiconducteur et la portion de shunt est de type métallique. Les portions de base et de shunt présentent alors un écart important de conductivité électrique, et la sensibilité du détecteur est alors encore plus élevée. Dans ces conditions, des déformations qui correspondent à des déplacements de l'ordre d'un angstrôm de la partie mobile peuvent être détectées. A titre d'exemples, la portion de base peut être en silicium (Si), en alliage d'indium (In) et d'antimoine (Sb) ou en alliage de gallium (Ga) et d'arsenic (As), et la portion de shunt peut être en aluminium (Al) ou en or (Au), notamment. D'une façon encore préférée, le matériau de la portion de base peut présenter une conductivité électrique variable dont l'anisotropie change lorsque ce matériau est soumis à une contrainte. Une telle anisotropie apparaît lorsque la contrainte est appliquée à la portion de base. Elle peut être orientée en fonction de la direction de la contrainte. En outre, deux valeurs de conductivité du matériau de la portion de base, qui correspondent à des directions différentes, ont un écart entre elles qui dépend de l'amplitude de la contrainte, et un signe de cet écart peut dépendre de la nature de la contrainte, de
compression ou d'étirement, ainsi que d'un type de dopage électrique du matériau de la portion de base.
Une telle anisotropie variable de la conductivité électrique du matériau de la portion de base peut apparaître lorsque ce matériau est amorphe, polycristallin ou monocristallin. Par exemple, la portion de base peut être à base de silicium sensiblement monocristallin à structure cubique. Dans ce cas, une sensibilité de détection particulièrement élevée est obtenue lorsque l'axe
[1 10] de cette structure cubique est sensiblement perpendiculaire aux côtés respectifs de la portion de base et de la portion de shunt qui sont accolés entre eux.
Pour augmenter encore la sensibilité du détecteur, l'ensemble de connexions électriques peut comprendre au moins trois connexions, parmi lesquelles deux connexions sont adaptées pour alimenter le détecteur en courant électrique et deux connexions sont adaptées pour détecter une tension créée par ce courant. Une telle configuration permet de réduire ou de supprimer une contribution à la tension mesurée entre les connexions de détection, qui serait engendrée par des résistances de contact des connexions. Eventuellement, l'une des connexions peut servir à la fois pour l'alimentation en courant et pour la détection de la tension. Alternativement, l'ensemble de connexions électriques du détecteur peut ne comprendre que deux connexions, qui servent chacune à la fois pour l'alimentation en courant et pour la détection de la tension. Dans ce cas, un rapport de la tension détectée par rapport à un bruit de détection est obtenu, qui est amélioré. Le détecteur de contrainte est de préférence disposé sur la partie déformable dans une zone de celle-ci où les déformations et/ou les contraintes sont importantes ou maximales. Plus précisément, l'interface entre les portions de base et de shunt, ou une partie centrale de la portion de base, est située dans la zone de la partie déformable où les déformations et/ou les contraintes sont maximales. Un tel positionnement du détecteur dépend de la grandeur physique qui varie le plus en fonction des contraintes transmises au détecteur : l'anisotropie de conductivité du matériau de la portion de base ou la résistance
électrique de contact entre les portions de base et de shunt.
Selon une configuration préférée du système micro-électromécanique, les portions de base et de shunt peuvent être intégrées dans la partie déformable sans faire saillie par rapport à une surface de cette partie. Dans ce cas, la présence du détecteur de contrainte à la surface de la partie déformable ne modifie pas les propriétés mécaniques de celle-ci. Notamment, l'élasticité, la masse et la fréquence propre d'oscillation mécanique de la partie déformable ne sont pas modifiées par la présence du détecteur, ou très peu modifiées.
Eventuellement, le système micro-électromécanique peut comprendre deux détecteurs de contrainte, solidaires de la partie déformable. Selon une configuration particulière du système, les deux détecteurs sont disposés sur deux faces opposées de la partie déformable. Dans ce cas, ils peuvent être disposés pour permettre une mesure différentielle d'une déformation. On entend par mesure différentielle d'une déformation, dans le cadre de la présente invention, une mesure qui résulte d'une opération de soustraction entre des signaux de détection délivrés respectivement par deux détecteurs de contrainte disposés sur la partie déformable. Pour une telle mesure différentielle, le système peut comprendre en outre au moins un circuit électronique de mesure différentielle, connecté à des connexions qui relient respectivement les deux détecteurs. Ce circuit peut aussi être intégré dans le système micro-électromécanique. Par exemple, un tel circuit de mesure différentielle peut comprendre un pont, du type pont de Wheastone, pont de Kelvin, ou tout autre pont de mesure différentielle, de structure simple ou double, connu de l'Homme du métier. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la partie déformable du système peut comprendre une poutre. Une telle poutre peut être déformée de différentes façons, notamment par flexion perpendiculairement à la direction longitudinale de la poutre, par torsion, ou par élongation- compression. Au moins un détecteur de contrainte est préférablement disposé sur la poutre à un endroit où les déformations de la surface de celle-ci sont particulièrement importantes. Un tel endroit peut être situé, notamment, à mi- longueur de la poutre. Avantageusement, la poutre peut posséder une extrémité libre et une extrémité qui est rigidement connectée à une partie fixe
du système. Les déformations de la poutre correspondent alors à des déplacements de l'extrémité libre de la poutre. Pour une telle configuration de la partie déformable, et en fonction des utilisations du système microélectromécanique, au moins un détecteur de contrainte peut être préférablement situé à proximité de l'extrémité de la poutre qui est connectée à la partie fixe.
En particulier, les connexions électriques peuvent être agencées sur la portion de base de chaque détecteur de sorte qu'une déformation de la poutre par flexion, par torsion, ou par élongation-compression peut être détectée électriquement à partir de ces connexions. Eventuellement, elles peuvent être agencées de sorte que des déformations de la poutre selon deux modes différents peuvent être détectées séparément. Notamment, des déformations de la poutre par flexion selon une direction et par torsion, ou bien des déformations par flexion selon deux directions perpendiculaires peuvent être détectées séparément et simultanément à partir des connexions électriques.
Un tel système micro-électromécanique est adapté pour de nombreuses applications. L'invention propose aussi un microscope à force atomique, un analyseur de composition d'un fluide, un biodétecteur, un appareil d'analyse biologique, un accéléromètre et capteur d'une grandeur d'un fluide, qui comprennent chacun au moins un système micro-électromécanique selon l'invention.
L'invention propose encore d'utiliser un tel système microélectromécanique pour détecter une déformation d'un support sur lequel est fixé le système. Un tel support peut être, par exemple, une partie d'une structure mécanique susceptible de se déformer ou une membrane de séparation entre deux compartiments ayant des pressions internes respectives susceptibles de varier l'une par rapport à l'autre.
L'invention propose enfin un procédé de réalisation d'un système micro-électromécanique tel que décrit précédemment. Le système est réalisé à partir d'un substrat qui comporte une partie principale et une couche supérieure, et dans lequel la couche supérieure est séparée de la partie principale du substrat par une couche intermédiaire. Le procédé comprend les étapes suivantes :
/a/ former, à la surface de Ia couche supérieure, une portion conductrice en un premier matériau conducteur électriquement, cette portion conductrice comprenant au moins la portion de base ;
/b/ former, à la surface de la couche supérieure et contre la portion de base, la portion de shunt en un second matériau plus conducteur que le premier matériau ;
Ici former un ensemble de connexions électriques qui relient la portion de base en dehors d'une zone de contact entre la portion de base et la portion de shunt ; /d/ graver la couche supérieure sur au moins deux côtés opposés d'une partie résiduelle de cette couche, cette partie résiduelle s'étendant à partir d'une zone de la couche supérieure qui porte les portions de base et de shunt ; et le/ retirer la partie principale du substrat et la couche intermédiaire dans une zone du substrat qui contient la partie résiduelle de la couche supérieure.
La partie résiduelle de la couche supérieure forme alors la partie déformable du système micro-électromécanique.
La partie principale du substrat et la couche supérieure peuvent être chacune en un matériau semiconducteur, tel qu'un matériau à base de silicium (Si). La couche intermédiaire peut être en un matériau isolant électriquement, tel que la silice (SiO2). Le procédé est alors particulièrement économique, notamment parce qu'il peut être réalisé à partir d'un substrat de type SOI, pour «Silicion On Insulator», disponible commercialement. De plus, il peut être mis en œuvre en utilisant certains des outils de production qui sont couramment utilisés pour fabriquer des circuits électroniques intégrés. En particulier, un procédé lithographique peut être utilisé pour former au moins l'une des deux parties de base et de shunt. Eventuellement, la couche supérieure peut être sensiblement monocristalline, polycristalline ou amorphe. De préférence, la portion conductrice en premier matériau conducteur peut être formée à l'étape /a/ par un premier dopage d'une partie de la couche supérieure.
Un mode particulier de mise en œuvre d'un tel procédé permet d'obtenir un système micro-électromécanique dans lequel les portions de base et de shunt sont intégrées dans la partie déformable du système, sans faire saillie par rapport à une surface de cette partie. Dans ce cas, l'étape IbI peut comprendre les sous-étapes suivantes :
/b1/ effectuer un second dopage de la couche supérieure, sélectivement dans une partie de celle-ci qui correspond à la portion de shunt, ce second dopage ayant une concentration supérieure à une concentration du premier dopage ; Ib2l déposer une portion d'un matériau métallique sur la couche supérieure, sélectivement au dessus de la portion de shunt ; et /b3/ chauffer le substrat de façon que le matériau métallique diffuse dans la couche supérieure en pénétrant dans la portion de shunt.
Eventuellement, le second dopage est effectué à l'étape /b1/ dans une partie de la portion conductrice qui est produite par le premier dopage de l'étape IaI, d'une façon adjacente à la portion de base. Une interface entre les portions de base et de shunt est alors obtenue, qui possède des caractéristiques électriques et mécaniques très favorables quant à la durée de vie et la sensibilité du détecteur de contrainte. Eventuellement, les connexions électriques peuvent aussi être formées sans faire saillie par rapport à la partie déformable, en même temps que la portion de shunt. Pour cela, les étapes IbI et Ici sont exécutées simultanément, et
- la partie conductrice qui est produite par le premier dopage de l'étape /a/ dans la couche supérieure correspond à une réunion de la portion de base, de la portion de shunt et des connexions électriques ;
- le second dopage de l'étape /b1/ est effectué simultanément et sélectivement dans des parties de la portion conductrice qui correspondent à la portion de shunt et aux connexions électriques ; - des portions de matériaux métalliques sont déposées à l'étape /b2/ simultanément et sélectivement au dessus de la portion de shunt et des connexions électriques ; et
- le chauffage de l'étape /b3/ est exécuté de façon que le matériau métallique diffuse simultanément dans la portion de shunt et dans les connexions électriques.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation et de mise en œuvre non-limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- les figures 1a-1c sont des vues en perspective de trois systèmes microélectromécaniques selon l'invention ;
- les figures 2a à 2i illustrent des étapes successives d'un premier procédé de réalisation d'un système conforme à la figure 1a ;
- les figures 3a-3d illustrent différentes utilisations de systèmes microélectromécaniques selon l'invention ;
- les figures 4a-4d illustrent des étapes successives d'un second procédé de réalisation d'un système micro-électromécanique conforme à l'invention ;
- la figure 5 illustre un perfectionnement du second procédé des figures 4a- 4d ; et
- la figure 6 est une vue en perspective d'un système microélectromécanique obtenu par le second procédé des figures 4a-4d et 5. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. En outre, les dimensions des parties de systèmes micro-électromécaniques qui sont représentées ne sont pas en proportion avec des dimensions ou des rapports de dimensions réels. En particulier, pour raison de clarté des figures, des dimensions selon des directions différentes ne sont pas nécessairement reproduites avec un même facteur d'échelle. N et L désignent respectivement une direction orientée vers le haut des figures et une direction longitudinale de chaque système microélectromécanique représenté.
Conformément aux figures 1a-1c, un système micro-électromécanique comprend une poutre 1 , une partie fixe 110 et au moins un détecteur de contrainte 10. La poutre 1 s'étend parallèlement à la direction L sur une
longueur D, à partir d'un côté de la partie fixe 110. La poutre 1 peut être, par exemple, une lame d'épaisseur environ 1 μm (micromètre) selon la direction N, de longueur D égale à une centaine de micromètres environ et de largeur égale à une dizaine de micromètres environ. Elle peut se déformer par flexion dans un plan parallèle aux directions N et L, et éventuellement par torsion autour d'un axe parallèle à la direction L. De préférence, la poutre 1 est constituée d'un matériau sensiblement monocristallin ou amorphe, afin de présenter une élasticité importante sans subir de déformations plastiques irréversibles. De cette façon, le système micro-électromécanique possède une durée de vie maximale. Pour cela, la poutre 1 peut être en silicium monocristallin ou amorphe, notamment.
La partie fixe 110 comprend une partie principale 100, une couche intermédiaire 101 de silice (S1O2) et une couche supérieure de silicium 102.
Dans les modes particuliers de réalisation qui sont décrits, la poutre 1 est constituée par un prolongement de la couche 102 au-delà du côté de la partie fixe 110.
Le détecteur 10 comprend une portion de base 2 et une portion de shunt 3. La portion de base 2 peut être semi-conductrice dopée n ou p, avec une densité de porteurs de charge électrique comprise entre 1014 cm~3 et 1020 cm"3. La portion de shunt 3 peut être métallique, par exemple en or. Les portions 2 et 3 sont par exemple rectangulaires et sont en contact l'une avec l'autre selon des faces respectives qui sont accolées. Le détecteur 10 est situé sur le système de sorte que les faces des portions 2 et 3, selon lesquelles ces portions sont en contact l'une avec l'autre, sont parallèles au côté de la partie fixe 110 à partir duquel s'étend la poutre 1.
Dans le premier exemple de réalisation illustré par la figure 1a, le détecteur de contrainte 10 est situé à cheval entre la poutre 1 et la partie fixe 110, sensiblement au niveau du raccordement de la poutre 1 sur la partie 110. Les faces de contact des portions 2 et 3 peuvent en outre être situées à l'aplomb du côté de la partie 110 à partir duquel s'étend la poutre 1. De cette façon, le détecteur de contrainte est situé à un endroit du système où les contraintes sont particulièrement élevées, lorsque ces contraintes résultent
d'une force exercée au niveau de l'extrémité libre 11 de la poutre 1 , par exemple. Alternativement, la portion 2 peut être située elle-même à cheval entre la poutre 1 et la partie fixe 110. Dans ces deux circonstances, une sensibilité élevée du détecteur 10 est obtenue, par rapport à des mouvements de la poutre 1.
Une série de connexions électriques est disposée sur le système. Ces connexions sont en contact électrique avec la portion de base 2 et sont référencées respectivement 4a, 4b, 4c et 4d. Elles peuvent être agencées pour former un détecteur de tension électrique à quatre électrodes. Un courant électrique continu ou alternatif peut alors être amené dans le détecteur 10 par deux connexions, par exemple 4a et 4d, pour alimenter le détecteur. Une tension électrique qui est créée par ce courant est détectée entre deux autres connexions, par exemple 4b et 4c.
Alternativement, deux connexions électriques seulement peuvent être utilisées pour former un détecteur de tension électrique à deux électrodes. Ces deux connexions sont en contact électrique avec la portion de base 2. Chacune d'elles sert alors à la fois pour amener le courant électrique continu ou alternatif dans le détecteur 10 et pour détecter la tension électrique qui est créée par ce courant. La figure 1b illustre un second mode de réalisation d'un système microélectromécanique selon l'invention, dans lequel le détecteur 10 est situé à mi- longueur de la poutre 1. En outre, le système comporte huit connexions électriques reliant la portion de base 2. Les connexions 4a-4d peuvent être disposées sur la portion de base 2 comme dans le premier mode de réalisation illustré par la figure 1a. Les connexions 4e et 4f d'une part, et les connexions 4g et 4h d'autre part, sont situées sur deux côtés latéraux opposés de la portion de base 2. Le courant électrique d'alimentation, continu ou alternatif, peut alors être amené par les connexions 4b et 4h, et la tension électrique peut être détectée entre les connexions 4a et 4e, par exemple. Il est aussi possible d'utiliser une même connexion pour amener le courant électrique, et pour détecter la tension. De cette façon, le courant électrique peut être amené par les connexions 4g et 4h, et la tension électrique peut être détectée en utilisant
les connexions 4g et 4c, par exemple. La connexion 4g possède alors une double fonction d'alimentation et de détection. L'Homme du métier comprendra que les connexions peuvent ainsi être sélectionnées par paires, pour amener le courant d'alimentation et pour détecter la tension, de façon à détecter avec une sensibilité élevée des variations de la répartition du courant dans les portions 2 et 3, qui sont provoquées par une flexion, une torsion, et/ou une élongation- compression de la poutre 1.
La figure 1c illustre un troisième mode de réalisation d'un système micro-électromécanique selon l'invention, dans lequel deux détecteurs de contrainte 10 et 20 sont disposés sur et sous la poutre 1 , respectivement. De préférence, pour obtenir une détection différentielle qui procure une sensibilité encore supérieure, les deux détecteurs sont disposés à un même niveau dans la longueur de la poutre 1 , de sorte qu'ils délivrent des signaux de détection corrélés en amplitude. Un ensemble séparé de connexions relie la portion de base 2 de chacun des deux détecteurs : connexions 4a-4h pour le détecteur 10 et connexions 5a-5h pour le détecteur 20. Les connexions 5a-5h peuvent traverser la couche 102 par des vias appropriés, de façon à permettre un raccordement électrique facile sur la face supérieure de la partie fixe 110.
On décrit maintenant un premier procédé de réalisation d'un système micro-électromécanique conforme à la figure 1a, pris comme exemple. En référence à la figure 2a, un substrat de circuit électronique, intégré comprend une partie principale de silicium 100, qui est recouverte sur une surface supérieure par une couche isolante électriquement 101 et par une couche de silicium monocristallin ou amorphe 102. Un tel substrat est disponible commercialement, et est destiné à la fabrication d'un circuit électronique selon la technologie SOI. Les couches 101 et 102 ont des épaisseurs respectives de
200 nm et 1000 nm, par exemple. La couche 102 est en silicium non-dopé.
Un dopage superficiel de la couche 102 est réalisé en pleine plaque par implantation de dopants selon une concentration déterminée et sur une profondeur déterminée à partir de la surface supérieure de la couche 102. Une telle implantation, qui est limitée en profondeur selon la direction N, est obtenue en balayant la surface de la couche 102 avec un faisceau de
particules dopantes accélérées par une tension contrôlée. Une couche 103 de silicium dopé, qui possède une épaisseur de 500 nm par exemple, est ainsi obtenue au dessus d'une partie résiduelle non-dopée de la couche 102 (figure 2b). Dans la suite, la référence 102 désigne par conséquent la partie résiduelle non-dopée de la couche supérieure de silicium.
Un premier masque de résine lithographique M1 est formé sur la couche 103 à l'emplacement prévu pour la portion de base 2 (figure 2c). Le procédé lithographique qui est utilisé pour former le masque M1 est considéré connu, et n'est pas rappelé ici. La couche 103 est ensuite retirée en dehors du masque M1 , par exemple en dirigeant un faisceau F de particules de plasma accélérées contre la surface supérieure du système, parallèlement à la direction N et en sens opposé à celle-ci. Un tel procédé de retrait est désigné par gravure sèche, ou «dry etching» en anglais. Il est poursuivi pendant une durée suffisante de sorte que la couche 103 est gravée sur toute son épaisseur. Le masque M1 est ensuite dissout dans une solution appropriée. Une première structure mésa est ainsi obtenue, qui constitue la portion de base 2 du détecteur 10 (figure 2d).
Un second masque de résine lithographique M2 est ensuite formé sur toute la couche 102, en dehors d'un emplacement prévu pour la portion de shunt 3 (figure 2e). Le masque M2 recouvre en particulier la portion de base 2 et présente une ouverture O contiguë avec un côté de celle-ci. Une couche métallique, par exemple une couche d'or, est alors déposée sur l'ensemble du système, par exemple par évaporation thermique. Le masque M2 est ensuite retiré (figure 2f). Une partie résiduelle de la couche métallique, dans l'ouverture O du masque M2, forme une seconde structure mésa qui constitue la portion de shunt 3. Elle est située contre la portion de base 2. Eventuellement, une couche de titane, non représentée, peut être formée sur le système avant la couche d'or, pour accroître l'adhésion de la portion de shunt 3 sur la portion de base 2. Des connexions électriques, référencées globalement 4 sur la figure 2f, de type ohmique, sont alors formées. Le procédé de formation des contacts ohmiques de ces connexions est considéré connu, et n'est pas rappelé ici.
Un masque M3 de résine lithographique (figure 2g) est ensuite formé
sur la couche 102. La forme du masque M3 correspond au pourtour de la poutre 1 dans un plan perpendiculaire à la direction N. Ce masque recouvre en particulier les portions 2 et 3 ainsi que les connexions 4. La couche 102 est alors gravée dans les zones non-protégées par le masque M3, jusqu'à découvrir la couche de silice 101. Un procédé de gravure de silicium est avantageusement utilisé, qui est sélectif par rapport au matériau de silice de la couche 101. Les bords latéraux ainsi que l'extrémité de la poutre 1 sont ainsi formés. Le masque M3 est ensuite dissout (figure 2h).
Enfin, une portion du substrat est éliminée en dessous de la poutre 1 , par la face inférieure du système, en utilisant d'abord un procédé de gravure du silicium de la partie 100, puis un procédé de gravure de la silice de la couche
101. L'utilisation d'un procédé de gravure de la silice qui est sélectif par rapport au matériau de silicium garantit que la poutre 1 n'est pas endommagée lors de cette étape. Le système a alors la configuration des figures 1 et 2i, dans laquelle la poutre 1 possède une extrémité fixe 12, qui est rigidement connectée à la partie 110 du système, et une extrémité libre 11.
L'extrémité 11 peut se déplacer conformément à différents modes de déformation de la poutre 1. Une flexion de la poutre dans un plan parallèle aux directions N et L constitue un premier mode de déformation. Lors de flexions successives de la poutre 1 dans le sens de la direction N puis dans le sens opposé, l'interface entre la portion de base 2 et la portion de shunt 3 est soumise à une contrainte de compression puis d'extension. Chacune de ces contraintes provoque une variation de la résistance électrique de l'interface entre les portions 2 et 3. Lorsque la valeur de cette résistance augmente, le courant d'alimentation du détecteur 10 est plutôt réparti à l'intérieur de la portion de base 2, et la tension détectée entre deux des connexions 4a-4h devient plus élevée. A l'inverse, lorsque la valeur de la résistance électrique de l'interface entre la portion de base 2 et la portion de shunt 3 diminue, une plus grande partie du courant d'alimentation transite par la portion de shunt 3, et la tension détectée entre les deux connexions diminue. Les deux connexions 4b et 4c peuvent être utilisées par exemple, pour détecter une déformation de la poutre 1 par flexion dans un plan parallèle aux directions N et L. La tension électrique mesurée est alors UCb-
Une torsion de la poutre 1 autour d'un axe parallèle à la direction L et une flexion de la poutre à l'intérieur d'un plan parallèle à la couche 102 constituent deux autres modes de déformation de la poutre 1. Ces deux autres modes sont antisymétriques : les deux moitiés de l'interface entre les portions 2 et 3, de part et d'autre du plan de symétrie de la poutre 1 qui est parallèle aux directions N et L, sont soumises à des contraintes qui sont opposées. Des déformations de la poutre 1 selon chacun de ces deux autres modes peuvent être détectées de plusieurs façons. En particulier, on peut calculer la différence Uba-Udc, où Uba est la tension électrique présente entre les connexions 4b et 4a, et Udc est la tension électrique présente entre les connexions 4d et 4c. Alternativement, lorsque la portion de base 2 est reliée par huit connexions électriques, on peut calculer la différence Uhg-Ufe, où Uh9 est la tension électrique présente entre les connexions 4h et 4g, et UfΘ est la tension électrique présente entre les connexions 4f et 4e. Ainsi, une torsion de la poutre 1, ou une flexion dans le plan de la couche 102, peut être détectée indépendamment de et en même temps qu'une flexion selon la direction N, en mesurant simultanément les tensions Uba, UCb et Ud0, ou bien Uh9, UCb et Ufe.
D'une façon encore préférée la variation de tension mesurée lors d'une déformation de la poutre 1 en flexion ou en torsion, peut être obtenue en sélectionnant pour la portion de base 2 un matériau qui présente une conductivité électrique variable dont l'anisotropie change lorsque ce matériau est soumis à une contrainte. Une telle anisotropie apparaît lorsque la contrainte est appliquée à la portion de base 2.
Lorsque le système micro-électromécanique comporte un second détecteur de contrainte disposé sous la poutre 1 (figure 1c), le second détecteur est réalisé sur la face inférieure de la poutre 1 en retournant le système, et en répétant les étapes de formation d'un détecteur de contrainte qui ont été décrites plus haut en relation avec les figures 2a-2f.
Eventuellement, les épaisseurs des couches 102 et 103 sont modifiées pour permettre la réalisation des portions de base 2 des deux détecteurs dans l'épaisseur initiale de la couche 102. Des étapes d'alignement sont aussi exécutées lors de la réalisation des masques de résine lithographique M1 et
M2 pour le second détecteur, par exemple pour que les deux détecteurs soient
situés à l'aplomb l'un de l'autre selon la direction N.
Un tel système à deux détecteurs permet une mesure différentielle, potentiellement deux fois plus sensible, des mouvements de la partie mobile.
En particulier, une flexion de la poutre 1, lors de laquelle l'extrémité libre 11 se déplace parallèlement à la direction N et dans le sens de celle-ci, provoque les contraintes suivantes :
- une contrainte de compression σ au niveau du détecteur supérieur 10 (figure 1c), ce qui produit une variation ΔU de la tension détectée entre deux des connexions 4a-4h ; - une contrainte d'extension -σ au niveau du détecteur inférieur 20, ce qui produit une variation opposée -ΔU de la tension détectée entre les deux connexions de l'ensemble 5a-5h qui sont disposées symétriquement aux deux connexions précédentes de l'ensemble 4a- 4h par rapport à la poutre 1. En utilisant un circuit électronique connu de détection différentielle, par exemple de type pont de Wheatstone ou de Kelvin et qui peut être intégré sur la couche 102, une variation de tension égale à 2xΔU peut être mesurée.
Un deuxième avantage d'une configuration du système à deux détecteurs qui permet d'effectuer une mesure différentielle, réside dans le fait que la mesure est insensible à une élongation-compression de la poutre qui est provoquée, par exemple, par une variation de température. En effet, les variations de tensions électriques qui sont produites dans les deux détecteurs par la variation de température sont égales deux à deux, et sont éliminées dans l'opération de soustraction de tensions qui est réalisée dans le circuit de détection différentielle.
Les systèmes micro-électromécaniques précédents sont adaptés à de nombreuses applications, notamment en utilisant le mode de déformation de la poutre 1 par flexion selon la direction N.
Conformément à une première application, la poutre 1 forme une partie d'un bras d'un microscope à force atomique, qui est destiné à détecter des variations de hauteur d'une surface observée. De façon connue, un tel microscope comprend une pointe qui est située à l'extrémité libre d'un bras, et
qui est déplacée sur la surface observée. Des variations d'au moins une propriété structurelle, physique et/ou chimique de la surface, telles que des variations de hauteur ou de friction, provoquent des déformations du bras par flexion, qui sont détectées. Selon un mode de fonctionnement courant d'un tel microscope, l'observation de la surface est effectuée en déplaçant une extrémité opposée de la poutre perpendiculairement à la surface observée, de sorte que la poutre présente une déformation constante lorsque la pointe est déplacée entre des points de la surface observée qui correspondent à des hauteurs différentes. La figure 3a illustre schématiquement la mise en œuvre d'un système micro-électromécanique selon l'invention au sein d'un microscope à force atomique de ce type. L'extrémité libre 11 de la poutre 1 est pourvue d'une pointe 1001 destinée à parcourir la surface S d'un échantillon 1000. La partie fixe 110 du système est montée sur un actionneur piézoélectrique 1002, adapté pour déplacer la partie 110 parallèlement à la surface S. Le détecteur de contrainte 10 est situé à proximité du raccordement de la poutre 1 sur la partie 110, comme sur la figure 1a. Les déplacements parallèles à la surface S permettent de réaliser un balayage de celle-ci. Simultanément, le détecteur 10 est alimenté avec un courant entre les connexions 4a et 4d, ces deux connexions étant citées à titre d'exemple, et des déplacements selon la direction N sont commandés par une unité de contrôle 1003, notée CTRL, de sorte que la tension détectée entre deux autres bornes, par exemple 4b et 4c, est constante. Les déplacements selon la direction parallèle à la surface S qui sont commandés par l'unité 1003 reproduisent les variations de hauteur de la surface S, et sont enregistrés. Le fonctionnement d'un tel microscope est entièrement électrique : il est particulièrement simple et ne nécessite aucun alignement ni calibrage optique. En outre, le microscope est compact, de sorte qu'il peut être utilisé dans des milieux confinés, tels que des enceintes à vide ou à basse température, par exemple.
En particulier pour cette application à la réalisation d'un microscope à force atomique, il peut être avantageux d'utiliser deux détecteurs situés sur et sous la poutre avec un mode de détection différentielle.
Conformément à une deuxième application, un analyseur de composition d'un fluide comprend au moins un système micro-
électromécanique conforme à la figure 1b, qui est disposé dans une microcanalisation ou dans un grand récipient. Un composé chimique solide est fixé sur la poutre du système, qui est susceptible de réagir sélectivement avec des entités d'une espèce chimique déterminée. Le composé solide peut être, par exemple une couche d'or. Le fluide est injecté dans la microcanalisation ou dans le récipient et entre en contact avec le composé porté par la poutre. Lorsque le fluide contient des entités de l'espèce concernée, celles-ci réagissent avec le composé et engendrent des contraintes dans ce dernier. Ces contraintes provoquent une déformation de la poutre, qui est détectée et comparée à une déformation de référence connue. L'intensité de la déformation dépend de la concentration des entités de l'espèce chimique dans le fluide. Plusieurs analyseurs de ce type peuvent être disposés dans une même microcanalisation, soit pour détecter des variations de la concentration des entités d'une même espèce le long de l'écoulement du fluide, soit pour détecter simultanément la présence d'entités d'espèces différentes. Dans ce dernier cas, les composés fixés sur les poutres des systèmes sont sélectionnés en fonction des différentes espèces dont la présence est recherchée dans le fluide.
La réalisation de biodétecteurs qui ne nécessitent pas de marqueurs moléculaires constitue une troisième application d'un système microélectromécanique selon l'invention. Un tel biodétecteur peut comprendre un système micro-électromécanique selon l'invention, dans lequel la partie déformable est adaptée pour être déformée lorsque des molécules initialement contenues dans un fluide analysé sont adsorbées dans une zone déterminée de cette partie déformable. L'adsorption des molécules modifie l'énergie de surface de la partie déformable dans la zone d'adsorption, et produit une contrainte. Il en résulte une déformation qui est détectée par un détecteur situé à proximité de la zone d'absorption.
Selon un premier mode de fonctionnement d'un tel biodétecteur, les molécules contenues dans le fluide analysé sont directement adsorbées sur la partie déformable. Par exemple, cette partie déformable peut comprendre une couche d'or dans la zone d'adsorption, et les molécules sont adsorbées sur la couche d'or par l'intermédiaire de terminaisons thiols (-SH2) portées par les
molécules elles-mêmes. La figure 3b illustre schématiquement un tel fonctionnement, pour un biodétecteur construit à partir d'un système microélectromécanique conforme à la figure 1b ou 1c. La poutre 1 est recouverte de la couche d'or 13, et les molécules M qui sont initialement libres dans le fluide analysé comportent chacune une terminaison thiol symbolisée par la lettre S. De façon connue, chaque fonction thiol peut former une liaison entre la molécule correspondante et la couche 13, lorsque la molécule est adsorbée sur la poutre 1.
Selon un second mode de fonctionnement, les molécules initialement contenues dans le fluide analysé sont adsorbées sur la partie déformable par l'intermédiaire de fonctions chimiques greffées sur celle-ci. La partie déformable du système micro-électromécanique est alors modifiée en surface dans la zone d'adsorption par les fonctions chimiques. Ces fonctions chimiques sont choisies pour fixer sélectivement certaines molécules. Des détecteurs de molécules de types différents peuvent donc être réalisés en variant seulement les fonctions chimiques qui sont greffées sur la partie déformable du système micro-électromécanique. La figure 3c correspond à la figure 3b pour ce second mode de fonctionnement. La partie déformable formée par la poutre 1 comprend encore la couche d'or 13. Des fonctions chimiques 14, par exemple de type acide transformé en ester actif, notées -COONHS en référence aux atomes principaux de ces fonctions, sont greffées sur la couche 13 par l'intermédiaire de terminaisons thiols symbolisées par la lettre S. Les fonctions 14 forment une couche moléculaire permanente sur la couche 13, qui peut être auto-organisée. Dans ce cas, les molécules 14 sont orientées parallèlement les unes aux autres. Les molécules M peuvent ainsi être fixées sur la poutre 1 avec une densité supérieure, ce qui permet de mesurer une concentration de molécules présentes dans le fluide à l'intérieur d'un intervalle de concentration plus étendu. Un tel biodétecteur est adapté pour des molécules M de type ADN qui contiennent une fonction amino (-NH2). La fixation d'une telle molécule M sur la poutre 1 résulte d'une liaison peptide établie entre la fonction amino de la molécule et l'une des fonctions 14 greffées sur la couche 13.
La réalisation d'un appareil d'analyse biologique constitue une quatrième application de systèmes micro-électromécaniques selon l'invention.
Le principe de fonctionnement de tels appareils d'analyse est basé sur la variation d'une tension superficielle d'un dépôt cellulaire disposé sur la partie déformable du microsystème. La tension superficielle engendre une déformation du microsystème, qui est détectée. En particulier, un tel appareil d'analyse biologique peut être adapté pour réaliser une analyse médicale. Etant donné l'encombrement réduit de l'appareil, il peut être installé dans les centres de réception de patients. Une telle organisation permet d'éviter de transférer des échantillons cellulaires prélevés sur les patients à des laboratoires distants. Une réduction de la logistique nécessaire et de la durée de remise des résultats à chaque patient en résulte.
Un premier avantage de l'utilisation d'un système microélectromécanique selon l'invention pour les applications d'analyse de la composition d'un fluide, de biodétection et d'analyse biologique réside dans l'absence de source lumineuse pour détecter les déformations subies par le système. En effet, une telle source lumineuse pourrait provoquer des réactions photochimiques, susceptibles d'altérer les résultats obtenus.
Un second avantage résulte de la sensibilité élevée du détecteur de contrainte qui est mis en œuvre. En effet, lorsqu'un détecteur de sensibilité limitée est utilisé dans un système micro-électromécanique ayant une partie déformable, il est nécessaire que la partie déformable soit souple, afin que l'amplitude des déformations soit suffisante. Le système possède alors des constantes de temps importantes, qui empêchent d'effectuer rapidement des analyses. Typiquement, les phénomènes observés à l'aide d'un tel système doivent durer plus de dix minutes pour pouvoir être détectés, ce qui limite l'observation de phénomènes transitoires à ceux qui présentent des évolutions très lentes. Grâce à la sensibilité du détecteur de contrainte utilisé dans l'invention, la partie déformable du système peut présenter une raideur élevée qui permet des détections rapides, compatibles avec l'observation de phénomènes transitoires courts. En outre, la rapidité des détections effectuées en utilisant un système selon l'invention est compatible avec la réalisation d'un grand nombre de mesures successives. Cette rapidité est particulièrement avantageuse pour l'application d'analyse médicale, dans laquelle un grand nombre d'échantillons doivent être analysés successivement, qui
correspondent à des patients différents, par exemple.
Conformément à une cinquième application, le système microélectromécanique peut constituer un accéléromètre. Par exemple, lorsqu'un système à poutre conforme aux figures 1a à 1c est soumis à une accélération parallèle à la direction N, la poutre 1 se déforme par flexion sous l'effet de son inertie. La courbure de la poutre dépend de la valeur de l'accélération. Lorsque le détecteur est alimenté en courant de façon permanente par les connexions 4a et 4d, la tension électrique qui est détectée entre les connexions 4b et 4c constitue une mesure en temps réel de l'accélération. Un tel accéléromètre est particulièrement fiable, simple et peu onéreux. Il peut facilement être incorporé à de nombreux dispositifs tels que, notamment, des coussins de sécurité gonflables, ou «airbags» en anglais. Le système permet alors de déclencher un gonflement d'un coussin, lorsque l'accélération correspond à une tension détectée qui est supérieure à un seuil prédéfini. Conformément à une sixième application, le système microélectromécanique peut constituer un détecteur de déformation d'un support. Par exemple, conformément à la figure 3d, le système peut comprendre une poutre 1 dont les deux extrémités opposées 12a et 12b sont connectées à deux côtés d'une partie fixe 110. La poutre 1 relie deux portions opposées de la partie fixe, respectivement 110a et 110b, en formant un pont par dessus une portion intermédiaire 110c de la partie 110. La partie 110 est destinée à être fixée par sa face inférieure sur un support dont on cherche à mesurer les déformations. La portion 110c est plus mince, selon la direction N, que les portions 110a et 110b, de sorte que la partie 110 peut se déformer avec le support, par flexion de la portion 110c. Cette déformation engendre des contraintes au niveau des extrémités 12a et 12b de la poutre 1 et dans la longueur de celle-ci, qui peuvent être mesurées au moyen d'un détecteur de contrainte 10. Le détecteur 10 peut être situé sur l'une des extrémités 12a ou 12b, ou bien entre celles-ci en fonction de l'endroit ou les contraintes sont les plus importantes. De cette façon, il est possible d'étudier, notamment, des déformations subies par une partie d'avion, une partie de structure de bâtiment, une partie de pont, un rail, ou une partie de tête de forage. Il est aussi possible de détecter ainsi les déformations d'une membrane soumise à des pressions
variables exercées de part et d'autre de celle-ci, et d'en déduire une mesure de l'écart entre les pressions.
L'invention peut également fonctionner en mode dynamique. La poutre
1 est mise en vibration à une fréquence proche de ou égale à une fréquence d'un mode propre d'oscillation, en utilisant une méthode d'excitation connue.
Cette vibration produit une contrainte mesurable qui varie périodiquement en fonction du temps. La mesure de l'amplitude ou de la phase des vibrations, ou la mesure d'une variation de la fréquence de celles-ci, par l'intermédiaire d'un ou de deux détecteurs de contrainte, est utile pour des nombreuses applications supplémentaires.
Par exemple, un système micro-électromécanique utilisé en mode dynamique peut constituer un analyseur de densité de fluide. En effet, l'amortissement des vibrations de la partie mobile dépend de la densité du fluide avec lequel cette partie est en contact. Plus le fluide est dense, plus les oscillations sont amorties rapidement. Une mesure de l'amplitude ou de la phase des vibrations permet donc de déterminer la densité du fluide.
Un système micro-électromécanique utilisé en mode dynamique peut aussi constituer un capteur de masse. La fréquence propre d'oscillation d'une poutre, notée f0, dépend de la masse m de cette poutre, selon la relation f0 2 = k/m connue pour un oscillateur harmonique, k étant une constante de raideur de la poutre. L'adsorption de molécules ou d'autres espèces pondéreuses sur la poutre 1 modifie la masse apparente de celle-ci et change sa fréquence propre d'une manière mesurable par un ou deux détecteurs de contrainte. On décrit maintenant un second procédé de réalisation d'un système micro-électromécanique selon l'invention, en référence aux figures 4a-4d, 5 et 6. Ce second procédé aboutit à un système micro-électromécanique dans lequel les portions de base et de shunt sont intégrées dans la partie déformable, sans faire saillie par rapport à celle-ci (figure 6). Sur un substrat de type SOI qui est identique à celui illustré sur la figure 2a, on dépose un masque de résine lithographique M'1 qui recouvre la couche supérieure 102 en dehors d'une ouverture correspondant à une portion
104 de la couche 102 (figure 4a). On dope alors sélectivement la portion 104, en utilisant un faisceau d'implantation ionique 11. Le faisceau 11 est dirigé par l'ouverture du masque M'1 contre la surface supérieure de la couche 102, parallèlement à la direction N et en sens opposé à celle-ci. La nature des ions du faisceau 11 et la tension d'accélération de ceux-ci sont déterminées d'une façon connue en soi, en fonction du type de dopage que l'on souhaite réaliser dans la portion 104, et de l'épaisseur de la portion 104. De préférence, ce dopage est de type n, et le faisceau 11 est un faisceau d'ions de phosphore (P). Une première concentration de dopage est ainsi réalisée dans la portion 104, qui devient conductrice. Cette première concentration peut être comprise entre 1014 cm"3 et 1020 cm"3 lorsque la couche 102 est en silicium. La portion 104 peut avoir une épaisseur de 500 nm, par exemple.
Le masque M'1 est retiré, et remplacé par un masque lithographique M'2 qui possède une ouverture O située au dessus d'une partie de la portion 104 correspondant à la portion de shunt 3 à réaliser (figure 4b). Le. masque M'2 recouvre la surface supérieure de la couche 102 en dehors de la portion de shunt 3. La partie de la portion 104 qui est recouverte par le masque M'2 correspond à la portion de base 2 du détecteur de contrainte.
On effectue alors un second dopage de la partie découverte de la portion 104, au moyen d'un second faisceau d'implantation ionique 12. Ce second dopage est de même type que le premier, avec une concentration supérieure, par exemple de l'ordre de 1021 cm"3. Il définit la portion de shunt 3.
Cette façon d'opérer, consistant à réaliser le second dopage de la portion de shunt 3 à l'intérieur de la portion conductrice 104 qui a reçu préalablement le premier dopage, assure un contact électrique convenable entre les portions 2 et 3. En outre, la continuité du matériau de la couche 102 entre les portions 2 et 3 assure qu'aucune fissure n'apparaîtra ultérieurement entre les portions 2 et 3. Le détecteur obtenu aura alors une durée de vie très longue.
On dépose alors sur le système une couche métallique 30, par exemple en or (figure 4c). Dans l'ouverture O, une partie de cette couche est en contact avec la portion de shunt 2.
Le masque M'2 est retiré, de façon à ne laisser sur le système que la
partie de la couche 30 qui est située sur la portion de shunt 2.
Le substrat 110 est alors chauffé à une température suffisante pour que le métal de la partie résiduelle de la couche 30 diffuse dans la portion de shunt 3 (figure 4d). La température de chauffage peut être, par exemple, supérieure ou égale à 400αC. A l'issue de ce chauffage, la portion de shunt 3 possède un comportement électrique de type métallique. Sa conductivité électrique est alors très supérieure à celle de la portion de base 2, conférée par le premier dopage seulement.
Le détecteur de contrainte est alors réalisé. La partie déformable du système micro-électromécanique, qui peut être de la forme d'une poutre, et les connexions électriques, peuvent être réalisées ensuite de la façon déjà décrite, en référence aux figures 2g-2i.
Le système qui est obtenu est représenté sur la figure 6. A la différence du système de la figue 1a, le détecteur 10 est maintenant intégré dans la poutre 1 , sans dépasser à la surface supérieure de celle-ci. De cette façon, il n'altère pas les propriétés mécaniques de la poutre 1.
En outre, le détecteur 10 de la figure 6 n'est relié que par deux connexions électriques, référencées 4a et 4b, qui assurent simultanément l'alimentation en courant du détecteur et la détection de la tension électrique présente dans la portion 2.
Eventuellement, ces connexions, quelque soit leur nombre, peuvent être réalisées en même temps que la portion de shunt 3, sans nécessiter d'étapes spécifiques supplémentaires. Pour cela, le masque M2' possède les ouvertures qui sont représentées sur la vue en plan de la figure 5. Outre l'ouverture O, le masque M2' possède deux ouvertures supplémentaires, Oa et Ob, qui correspondent respectivement aux deux connexions 4a et 4b. Les étapes décrites plus haut en référence aux figures 4b-4d sont exécutées simultanément dans la partie de la couche 102 qui correspond à la portion 3 et dans celles qui correspondent aux connexions électriques. De préférence, le masque M'1 qui est utilisé pour le premier dopage possède aussi des ouvertures identiques à celles Oa et Ob du masque M'2. Les connexions 4a et 4b possèdent alors systématiquement des contacts électriques fonctionnels
avec la portion de base 2.
Enfin, le premier matériau conducteur électriquement, qui constitue la portion de base 2, est sélectionné de préférence de sorte qu'il présente une conductivité électrique variable dont l'anisotropie change lorsque la portion 2 est soumis à une contrainte. Une telle anisotropie, qui dépend de la contrainte subie par le détecteur 10, contribue à augmenter la variation des lignes de courant au sein de la portion de base 2, en plus des autres effets physiques. La sensibilité du détecteur 10 peut être accrue de cette façon.
Par exemple, ce premier matériau conducteur peut être à base de silicium sensiblement monocristallin à structure cubique. Les portions de base
2 et de shunt 3 sont alors avantageusement formées de sorte qu'elles ont des côtés accolés respectifs qui sont sensiblement perpendiculaires à un axe [110] du silicium du premier matériau conducteur. Une telle orientation de l'interface entre les portions 2 et 3 par rapport aux axes cristallins de la portion 2 maximise l'effet de l'anisotropie sur la sensibilité du détecteur. Pour cela, la couche 102 du substrat 110 peut être initialement en silicium monocristallin. Le substrat 110 peut alors être tourné parallèlement à sa surface supérieure, au début de la fabrication du système micro-électromécanique, de façon que la direction longitudinale L de la poutre 1 à réaliser soit parallèle à l'axe [110] de la couche 102, ou fasse un angle réduit avec cet axe cristallographique.
Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux systèmes microélectromécaniques qui ont été décrits en détail en référence aux figures 1a-1c. Des adaptations de ces systèmes peuvent être réalisées en fonction des applications envisagées. En particulier, la forme, le matériau et les dimensions de la partie déformable, et/ou ceux du (des) détecteur(s) de contrainte, ainsi que le nombre de connexions électriques qui relient la partie de base de chacun des détecteurs, peuvent être modifiés selon les spécificités de chaque application.
A titre d'exemple de telles modifications, le détecteur de contrainte peut être orienté, par rapport aux contraintes qui sont destinées à être mesurées, d'une façon différente de celle illustrée par les figures. L'interface entre la portion de base et la portion de shunt peut être perpendiculaire à une direction
des contraintes, mais, alternativement, elle peut être orientée parallèlement à la direction des contraintes, ou éventuellement être orientée obliquement par rapport à celle-ci. L'orientation de l'interface entre les portions de base et de shunt pourra notamment être choisie de façon à obtenir une sensibilité de détection maximale lorsque les contraintes mesurées possèdent une direction connue initialement.
Claims
1. Système micro-électromécanique comprenant une partie déformable
(1) et au moins un détecteur de contrainte (10, 20) solidaire de ladite partie déformable, chaque détecteur comprenant : - une portion de base (2) et une portion de shunt (3), conductrices électriquement et juxtaposées sur la partie déformable (1) de sorte que la portion de base et la portion de shunt sont en contact électrique l'une avec l'autre selon des côtés respectifs accolés desdites portions, la portion de shunt ayant une conductivité électrique supérieure à une conductivité de la portion de base, et
- un ensemble de connexions électriques (4a-4h, 5a-5h) reliées à la portion de base (2) en dehors d'une zone de contact de ladite portion de base avec la portion de shunt, et agencées de sorte qu'une modification d'une répartition d'un courant électrique dans les portions de base et de shunt peut être détectée électriquement à partir desdites connexions, système dans lequel des matériaux respectifs des portions de base (2) et de shunt (3) sont choisis de sorte qu'une résistance de contact entre lesdites portions varie en fonction d'une déformation du système.
2. Système micro-électromécanique selon la revendication 1 , dans lequel les portions de base (2) et de shunt (3) sont intégrées dans la partie déformable (1) sans faire saillie par rapport à une surface de ladite partie déformable.
3. Système micro-électromécanique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la portion de base (2) est en matériau semiconducteur, et la portion de shunt (3) est de type métallique.
4. Système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel un matériau de la portion de base (2) présente une conductivité électrique variable dont l'anisotropie change lorsque ledit matériau de portion de base est soumis à une contrainte.
5. Système micro-électromécanique selon la revendication 4, dans lequel la portion de base (2) est à base de silicium sensiblement monocristallin à structure cubique, avec un axe [110] sensiblement perpendiculaire aux côtés accolés respectifs desdites portions de base (2) et de shunt (3).
6. Système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant deux détecteurs de contrainte (10, 20) solidaires de la partie déformable (1), disposés pour permettre une mesure différentielle d'une déformation de la partie déformable (1), par exemple disposés sur deux faces opposées de ladite partie déformable (1).
7. Système micro-électromécanique selon la revendication 6, comprenant en outre au moins un circuit électronique de mesure différentielle, ledit circuit étant connecté à des connexions électriques (4a-4h, 5a-5h) reliant respectivement les deux détecteurs (10, 20), et étant intégré dans le système micro-électromécanique.
8. Système micro-électromécanique selon la revendication 7, dans lequel le circuit électronique de mesure différentielle comprend un pont, tel qu'un pont de Wheatstone ou un pont de Kelvin.
9. Système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie déformable (1) comprend une poutre.
10. Système micro-électromécanique selon la revendication 9, comprenant une partie fixe (110) et dans lequel la poutre (1) possède une extrémité libre (11) et une extrémité rigidement connectée à ladite partie fixe (12).
11. Système micro-électromécanique selon la revendication 10, dans lequel au moins un détecteur de contrainte (10) est disposé à proximité de l'extrémité de la poutre connectée à la partie fixe.
12. Système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , dans lequel les connexions électriques (4a-4h, 5a-5h) sont agencées sur la portion de base de chaque détecteur (2) de sorte qu'une déformation de la poutre (1) par flexion peut être détectée électriquement à partir desdites connexions.
13. Système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , dans lequel les connexions électriques (4a-4h, 5a-5h) sont agencées sur la portion de base de chaque détecteur (2) de sorte que des déformations de la poutre (1) de deux modes différents peuvent être détectées séparément à partir desdites connexions.
14. Microscope à force atomique comprenant un système microélectromécanique selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, la poutre (1) formant une partie d'un bras dudit microscope destiné à détecter des variations d'au moins une propriété structurelle, physique et/ou chimique d'une surface observée, telles que des variations de hauteur ou de friction de ladite surface.
15. Analyseur de composition d'un fluide, comprenant un système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
16. Biodétecteur comprenant un système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel la partie déformable
(1) est adaptée pour être déformée lorsque des molécules initialement contenues dans un fluide analysé sont adsorbées dans une zone déterminée de ladite partie déformable.
17. Biodétecteur selon la revendication 16, dans lequel la partie déformable (1) comprend une couche d'or (13) dans ladite zone déterminée, et dans lequel les molécules (M) contenues dans le fluide analysé sont adsorbées sur la couche d'or par l'intermédiaire de terminaisons thiols desdites molécules.
18. Biodétecteur selon la revendication 16, dans lequel la partie déformable (1) est modifiée en surface dans ladite zone déterminée par des fonctions chimiques greffées sur ladite partie déformable, et choisies pour fixer sélectivement des molécules (M) contenues dans le fluide analysé.
19. Biodétecteur selon la revendication 18, dans lequel la partie déformable (1) comprend une couche d'or (13) dans ladite zone déterminée, et dans lequel les fonctions chimiques sont greffées sur la couche d'or par l'intermédiaire de terminaisons thiols desdites fonctions.
20. Appareil d'analyse biologique, comprenant un système microélectromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
21. Appareil d'analyse biologique selon la revendication 20, adapté pour réaliser une analyse médicale.
22. Accéléromètre comprenant un système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
23. Coussin de sécurité gonflable comprenant un accéléromètre selon la revendication 22, ledit accéléromètre étant adapté pour déclencher un gonflement du coussin.
24. Utilisation d'un système micro-électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, pour détecter une déformation d'un support sur lequel est fixé ledit système, tel qu'une partie d'avion, une partie de structure de bâtiment, une partie de pont, un rail, une partie de tête de forage, ou une membrane de séparation entre deux compartiments ayant des pressions internes respectives susceptibles de varier l'une par rapport à l'autre.
25. Capteur d'une grandeur d'un fluide comprenant un système microélectromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, ladite grandeur étant sélectionnée parmi une densité, une température ou une vitesse d'écoulement dudit fluide, ou une masse déposée par ledit fluide sur la partie mobile (1), ledit capteur étant agencé pour détecter une variation d'une amplitude ou d'une fréquence de vibration de la partie mobile provoquée par une variation de ladite grandeur du fluide.
26. Procédé de réalisation d'un système micro-électromécanique à partir d'un substrat comportant une partie principale (100) et une couche supérieure (102), la couche supérieure étant séparée de la partie principale du substrat par une couche intermédiaire (101), le procédé comprenant les étapes suivantes :
/a/ former, à la surface de la couche supérieure (102), une portion conductrice en un premier matériau conducteur électriquement, ladite portion conductrice comprenant au moins une portion de base (2) ;
/b/ former, à la surface de la couche supérieure (102) et contre la portion de base (2), une portion de shunt (3) en un second matériau plus conducteur que ledit premier matériau ;
/c/ former un ensemble de connexions électriques (4a-4h) reliant la portion de base en dehors d'une zone de contact entre la portion de base et la portion de shunt ; /d/ graver la couche supérieure (102) sur au moins deux côtés opposés d'une partie résiduelle (1) de ladite couche supérieure, ladite partie résiduelle s'étendant à partir d'une zone de la couche supérieure portant les portions de base (2) et de shunt (3) ; et
IeI retirer la partie principale du substrat (100) et la couche intermédiaire (101) dans une zone du substrat contenant la partie résiduelle de la couche supérieure (1).
27. Procédé selon la revendication 26, suivant lequel la portion conductrice (104) en premier matériau conducteur est formée à l'étape /a/ par un premier dopage d'une partie de ladite couche supérieure (102).
28. Procédé selon la revendication 26 ou 27, suivant lequel l'étape IbI comprend les sous étapes suivantes :
/b1/ effectuer un second dopage de la couche supérieure (102), sélectivement dans une partie de ladite couche supérieure correspondant à la portion de shunt (3), ledit second dopage ayant une concentration supérieure à une concentration du premier dopage ; /b2/ déposer une portion d'un matériau métallique (30) sur la couche supérieure (102), sélectivement au dessus de la portion de shunt (3) ; et
/b3/ chauffer le substrat de façon que le matériau métallique diffuse dans la couche supérieure (102) en pénétrant dans la portion de shunt (3).
29. Procédé selon les revendications 27 et 28, suivant lequel le second dopage est effectué à l'étape /b1/ dans une partie de la portion conductrice (104) produite par premier dopage de l'étape /a/, adjacente à la portion de base (2).
30. Procédé selon la revendication 29, suivant lequel les étapes IbI et Ici sont exécutées simultanément, et suivant lequel :
- la partie conductrice (104) produite par le premier dopage de l'étape /a/ dans la couche supérieure (102) correspond à une réunion de la portion de base (2), de la portion de shunt (3) et des connexions électriques (4a, 4b) ;
- le second dopage de l'étape /b1/ est effectué simultanément et sélectivement dans des parties de ladite portion conductrice (104) correspondant à la portion de shunt (2) et aux connexions électriques (4a, 4b) ; - des portions de matériaux métalliques (30) sont déposées à l'étape /b2/ simultanément et sélectivement au dessus de la portion de shunt (3) et des connexions électriques (4a, 4b) ; et
- le chauffage de l'étape /b3/ est exécuté de façon que le matériau métallique (30) diffuse simultanément dans la portion de shunt (2) et dans les connexions électriques (4a, 4b).
31. Procédé selon l'une quelconque des revendications 26 à 30, suivant lequel au moins une parmi les portions de base (2) et de shunt (3) est formée en utilisant un procédé lithographique.
32. Procédé selon l'une quelconque des revendications 26 à 31 , suivant lequel le premier matériau conducteur électriquement est sélectionné de sorte que ledit premier matériau conducteur présente une conductivité électrique variable dont l'anisotropie change lorsque ladite portion de base est soumise à une contrainte.
33. Procédé selon la revendication 32, suivant lequel ledit premier matériau conducteur électriquement est à base de silicium sensiblement monocristallin à structure cubique, et suivant lequel les portions de base (2) et de shunt (3) sont formées de sorte que lesdites portions ont des côtés accolés respectifs sensiblement perpendiculaires à un axe [110] du silicium du premier matériau conducteur.
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