WO2014096655A1 - Dispositif micro-electromecanique possedant au moins deux elements deformables de dimensions differentes - Google Patents

Dispositif micro-electromecanique possedant au moins deux elements deformables de dimensions differentes Download PDF

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WO2014096655A1
WO2014096655A1 PCT/FR2013/053094 FR2013053094W WO2014096655A1 WO 2014096655 A1 WO2014096655 A1 WO 2014096655A1 FR 2013053094 W FR2013053094 W FR 2013053094W WO 2014096655 A1 WO2014096655 A1 WO 2014096655A1
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deformable
axis
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deformable elements
moving mass
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François-Xavier BOILLOT
Rémi LAOUBI
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Tronic's Microsystems
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    • G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

Definitions

  • the present invention relates to micro- and nanoelectromechanical systems, otherwise referred to as M & NEMS for "Micro- and Nano-ElectroMechanical Systems". It relates more particularly to a combination of micro and nanoelectromechanical elements arranged so as to increase the sensitivity of a force sensor, by optimizing the positioning of the pivot axis of a moving mass included in this force sensor.
  • the invention finds particular application, for example, in accelerometers, gyrometers, and magnetometers, or even pressure sensors, and more generally any device in which it is desired to measure a displacement of a mobile portion consecutive to the application. forces of various kinds.
  • the force sensors such as accelerometers, gyrometers or magnetometers
  • the force sensors are typically in the form of devices comprising a moving mass, and sensors measuring the movements of this mobile mass.
  • the moving mass 1 of a force sensor is generally in the form of a layer of semiconductor material, and in particular silicon of thickness of the order of one or more tens of microns, and maintained above a substrate 5 by elements 2, deformable in bending or torsion, about a pivot axis.
  • These deformable elements 2 are often called springs, and are advantageously located at one of the lateral ends of the mass 1.
  • the springs 2 are themselves connected to fixed anchoring zones 4 bonded to the substrate.
  • Three x, y, z axes are subsequently defined, as represented in FIG. 1, with the x axis oriented along the axis of pivoting of the mobile mass 1, the y axis oriented in the plane of the mass.
  • this type of device is made from a silicon-on-insulator substrate (also called SOI), an electrically insulating layer of oxide 6 separating the silicon layer from which the mobile mass 1 is etched and the substrate 5.
  • SOI silicon-on-insulator substrate
  • the detectors of the movement of the moving mass are usually in the form of capacitive systems, in which the movements of the moving mass cause a distance or a reconciliation between two electrodes of the capacitive system, leading to a variation of the gap and therefore the capacity of the system described.
  • An example of such detectors is available in the document FR 2700065.
  • the placement of the piezoresistive gauges 3 is advantageously chosen so as to increase as much as possible the compressive and tensile stresses experienced by the gauges 3.
  • the objective of such an operation is to increase the sensitivity in detection of the force sensor.
  • the stresses generated by the deformation in compression / traction in the gauges 3 induce a variation of the resistance of the gauges 3 proportional to the stresses.
  • By putting the piezoresistive gauge 3 under tension it is then possible to detect this variation of resistance proportional to the deformation undergone, induced by the displacement of the mobile mass 1.
  • the displacement of the mobile mass 1 being linked to an external force exerted on it the use of piezoresistive gauges 3 makes it possible to know the value of a force from a measure of resistance variation. The greater the resistance variation per unit of force, the more sensitive the microelectromechanical force sensor is.
  • the force sensors with piezoresistive gauges 3 have two types of devices, operating on substantially identical principles: on the one hand, displacement force sensors in the plane of the moving mass, such as that described for example in the document FR 2951826 , and displacement force sensors out of the plane of the moving mass, such as those described for example in documents FR 2954505 and FR 2941533. These two types of force sensors naturally invite to place the piezoresistive gauges in the extension of the lower faces. and / or greater of the mass moving along the z axis, in the vicinity of an anchor point, so as to undergo maximum compression and traction without exceeding a break point, as shown in Figure 1.
  • the piezoresistive gauges 3 can advantageously be arranged in the extension of the lower face of the moving mass 1 , as shown in FIG. 1.
  • the springs 2 are flexural deformable elements of the same thickness as the moving mass 1, or in practice a thickness advantageously between 10 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the axis of pivoting of the moving mass is located halfway up the moving mass 1 along the z axis.
  • the document FR 2941533 proposes a displacement force sensor out of the plane of the moving mass. Based on a known theoretical result showing that at first order, the sensitivity of a sensor is inversely proportional to the gauge-pivot distance, this document proposes a structure for bringing the gauge closer to the pivot, in particular by overgrading the element. deformable as in the document FR 2951826. Thus, such a sensor has a portion which has an intermediate thickness between the thickness of the moving mass and the thickness of the gauge, in order to define the position of the pivot axis of the moving mass.
  • the object of the present invention is to provide a micro-electromechanical force sensor moving out of the plane of the moving mass having improved sensitivity in detection.
  • the device that is the subject of the invention responds in particular to the following problem: providing a sufficiently precise and reproducible means for optimizing the positioning of the pivot axis of a moving mass with respect to the gauge, advantageously one or more strain gages, detecting the movements of the moving mass.
  • the present invention relates to a microelectromechanical device made from a semiconductor substrate whose layers define planes along x and y axes, the axis perpendicular to the layers defining a z axis, oriented from a thick semiconductor layer to a thin semiconductor layer.
  • This device comprises:
  • At least one mobile mass made in the thin layer of semiconductor of the substrate, said mobile mass having an upper face and a lower face, said mobile mass being able to move out of the plane of the substrate along the z axis by rotation around a pivot axis directed along the x-axis, and
  • This device further comprises at least two deformable elements connecting the moving mass to the anchoring zone, namely at least one first deformable element extending in an extension of a portion of the lower face of the moving mass, and to less a second deformable element. These two elements are of dimensions different, and in particular of different thicknesses.
  • the second element has a thickness equal to or at least equivalent to that of the moving mass, at least at the level where the second element is connected to the moving mass.
  • the second element therefore has a greater thickness along the axis z than the first deformable element
  • the two deformable elements have, at rest, perpendicular to the z axis, substantially parallel and not coincident median planes, the plane median perpendicular to the z axis of the first deformable element having a coordinate along the z axis less than that of the median plane perpendicular to the z axis of the second deformable element.
  • the median planes perpendicular to the y-axis of the two deformable elements being separated along the y-axis by a distance less than substantially one third of the length of the longer of the two deformable elements along the y-axis.
  • the device of the invention is a force sensor responsive to out-of-plane displacements.
  • the invention proposes to combine a deformable element of reduced dimension along the z axis, hereinafter referred to as "NEMS spring” with respect to this small thickness, and a deformable element of larger dimension following the z axis, called “MEMS spring” for similar reasons.
  • NEMS spring deformable element of reduced dimension along the z axis
  • MEMS spring deformable element of larger dimension following the z axis
  • the deformable elements are the elements connecting the moving mass to anchoring zones
  • such an arrangement of the NEMS and MEMS springs makes it possible to lower the position along the z-axis of the axis of pivoting of the mobile mass.
  • the NEMS and MEMS springs By specifically arranging the relative positions of the NEMS and MEMS springs, it therefore becomes possible to choose the position along the z axis of the pivot axis of the moving mass of a force sensor.
  • this possibility of adjusting the position of the pivot axis makes it possible to increase the detection sensitivity of the force sensor until it reaches an optimum.
  • the "MEMS spring” has the same thickness as the moving mass, so that it is not necessary, contrary to the prior art, to make portions that have an intermediate thickness between that of " NEMS spring "and that of the moving mass.
  • the deformable elements are torsionally deformable.
  • the deformable elements are deformable in bending.
  • the deformable elements are distributed in a first subset of torsionally deformable elements and a second subset of flexural deformable elements.
  • Deformable elements essentially in torsion have the advantage of being less rigid, with equal dimensions, than deformable elements in flexion. This is all the more true for NEMS, whose reduced dimensions allow greater torsional deformations for the same stress as that exerted on a MEMS.
  • the deformable elements in bending are, at equal dimensions, more resistant to the displacements of the moving mass than torsionally deformable elements, deformable elements in torsion or flexion being even stiffer than they are short. It is then advantageous to provide lengths along the y axis sufficient to obtain stiffnesses equivalent to those obtained with springs working in torsion.
  • the first deformable element is deformable in bending and the second deformable elements are pairs of torsionally deformable elements.
  • the second deformable element may be a flexibly deformable element and the first deformable elements may be pairs of torsionally deformable elements.
  • the first and second deformable elements may be pairs of torsionally deformable elements.
  • first and second deformable elements may be pairs of deformable elements in bending.
  • the anchoring zone may be located outside the moving mass.
  • the anchoring zone may be located inside a recess made in the moving mass.
  • first and second deformable elements may vary according to the needs of the user. It may be that the first and second deformable elements differ only slightly in thickness along the z axis. Nevertheless it is advantageous to produce first deformable elements of substantially smaller size along the z axis than the second deformable elements, which have a thickness advantageously equal to that of the moving mass.
  • the second deformable element has a thickness greater than 5 ⁇ and the first deformable element has a thickness between 100 nm and 1 ⁇ .
  • Another element of the invention participating in the measurement of the force undergone by the moving mass, lies in the means for detecting the movement of the moving mass. The lowering of the pivot axis serves in particular to exert a greater mechanical stress on these means for detecting the movement of the moving mass.
  • the device according to the invention further comprises strain gauges, advantageously piezoresistive gauges or mechanical resonators, sensitive in compression and traction to displacements of the moving mass.
  • a force sensor comprises two gages operating in opposition, that is to say that when one of the gauges undergoes compression, the other undergoes a pull.
  • the invention can be applied to all kinds of force sensors.
  • the accelerometers it is possible to envisage applying the teachings of the present invention to produce gyrometers, magnetometers or pressure sensors.
  • FIGS. 1A and 1B are views showing from above and from the side a force sensor of the prior art
  • Figs. 2A, 2B to 8A, 8B are respectively top and front views of a force sensor according to seven different embodiments;
  • Figure 9 is a top view of a force sensor according to an eighth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of a force sensor according to the fifth embodiment.
  • micro-electromechanical device forming a force sensor, having an increased detection sensitivity through the optimized placement of the pivot axis of a moving mass relative to the strain gauges detecting the movements of the mass. mobile.
  • a microelectromechanical force sensor may be an etched device in the layers of an SOI type substrate.
  • a micro-electromechanical force sensor comprises at least one mobile mass 1, connected by deformable elements or springs 2 to one or more fixed anchorage zones 4.
  • the mobile mass has at rest a lower face facing the substrate 5 , and an upper face parallel to the lower face.
  • the present invention more particularly relates to micro-electromechanical force sensors moving out of the plane of the moving mass 1, and whose displacement sensors of the moving mass 1 are strain gauges, which may be for example resonators or gauges. piezoresistive 3.
  • the present invention does not reduce the distance between pivot axis and gauges by changing the thickness of the moving mass.
  • the solution proposed by the present invention consists in combining two deformable elements, that is to say two springs, of different dimensions along the z axis, so as to cause a lowering of the axis pivoting of the moving mass 1 at a position along the z-axis located between the following positions z of the two deformable elements.
  • This lowering of the pivot axis of the moving mass 1 brings it closer to a strain gauge 3, and ideally to a distance corresponding to a maximum sensitivity of the gauge 3.
  • This way of lowering the axis of pivoting is advantageous in that it is easily reproducible and therefore suitable for industrial application, and in that it allows a control of the position of the pivot axis.
  • numerical simulations for example finite element simulations, to determine the position of a pivot axis resulting from a particular combination of springs of different dimensions.
  • first deformable elements or else NEMS.
  • second deformable elements or MEMS, the deformable elements of larger dimension following z.
  • the first deformable elements are made in the extension of a portion of the lower face of the moving mass. They may, however, also be made in the extension of part of the upper face of the moving mass.
  • the typical thickness of these first deformable elements, along the z axis, is between 100 nm and 1 ⁇ , and advantageously has a thickness of 250 nm.
  • the second deformable elements are advantageously epitaxially grown from some of the first deformable elements during the manufacture of the device which is the subject of the invention, a method of which will be briefly described below. These second deformable elements advantageously have a thickness along the axis z equal to that of the moving mass.
  • the moving mass has a typical thickness greater than 5 ⁇ , advantageously between 10 ⁇ and 20 ⁇ .
  • a force sensor according to the invention can be done from a SOI type substrate, comprising a thick layer of semiconductor silicon forming a substrate, on which rests a thinner layer of oxide itself. even coated with a thin layer of semiconductor silicon.
  • a manufacturing method that makes it possible to obtain this type of structure is for example described in the document WO 2012/117177 of the Applicant.
  • the concept of combining first deformable elements with second deformable elements to lower the pivot axis of a moving mass can in practice be declined through an infinity of structures of the force sensor type. It will now be presented a representative sample of particularly interesting embodiments using this type of combination of NEMS and MEMS springs.
  • FIG. 2 it is conceivable to design a force sensor having a mobile mass 11 in which two recesses are made on one of its sides, thus releasing two spaces intended to receive two anchoring zones 14.
  • Each of these anchoring zones 14 is connected on one side to a first torsionally deformable element 170 connecting the anchoring zone 14 to a first lateral face of a recess of the mobile mass 11, and on the other side to a second torsionally deformable element 17 connecting the anchoring zone 14 to a second lateral face of the same recess of the moving mass 11.
  • the force sensor represented has a symmetrical structure, but it is conceivable to switch the position of the first and second deformable elements around one of the anchoring zones.
  • the position of the pivot axis 100 is located along the z-axis at an intermediate position between the positions of the neutral z-fibers of the first 170 and second 17 deformable elements.
  • Such a structure therefore comprises a pair of first 170 and a pair of second 17 torsionally deformable elements.
  • FIG. 3 shows a different structure, having only one anchoring zone 24, connected to the moving mass 21 via two first flexural deformable elements 280 and a second flexural deformable element 28. It is also it is conceivable to use a structure incorporating a pair of first 280 and a pair of second 28 flexural deformable elements. Alternatively, it is also conceivable to have no contact between the deformable elements contrary to what is shown in Figure 3.
  • the pivot axis 200 of this structure is also located at a position along the axis z intermediate between the positions following z neutral planes of the first 280 and second 28 deformable elements. In this embodiment, the deformable elements are all deformable in bending and have the same length along the y axis.
  • FIG. 4 illustrates a variant of the preceding configuration, in which an improvement is made by lengthening the length along the y axis of the second flexural deformable element 38.
  • This second flexural deformable element 38 By lengthening this second flexural deformable element 38, its stiffness, thus making the moving mass 31 more sensitive to the external forces applied to it. This lengthening requires making a recess in the body of the moving mass 31.
  • the plane perpendicular to the axis y and containing the pivot axis 300 is, in this embodiment, confused with a median plane perpendicular to the y axis of the first elements deformable in flexion 380, but cuts the second deformable member bending 38 to one-third of its length along the y-axis.
  • FIG. 5 proposes an alternative to the embodiments described above in which the mobile mass 41 is connected by a pair of first torsionally deformable elements 470 to an anchoring zone 44, and a second flexural deformable element 48 connects the movable mass 41 at the same anchoring zone 44.
  • a recess is made in the moving mass 41, and the plane perpendicular to the y-axis and containing the pivot axis 400 intersects the second deformable element in bending 48 one-third of its length along the y-axis.
  • FIG. 6 proposes a variant of the embodiment of FIG.
  • first deformable element 580 which is deformable in bending
  • second deformable elements 57 which are deformable in torsion.
  • the length of the first bending deformable element 580 is reduced, insofar as its stiffness per unit length is less than that of the element 48 of the embodiment illustrated in FIG. 5.
  • the perpendicular plane the y-axis and containing the pivot axis 500 of this force sensor intersects the first bending deformable element 580 in the middle of its length along the y-axis.
  • the microelectromechanical device of FIG. 6 is also shown schematically in FIG. 10, so as to show the relative positioning along the z axis of the first 580 and the second 57 deformable elements.
  • FIG. 7 proposes another variant of the force sensors represented in FIGS. 5, 6 and 10.
  • this particular embodiment comprising four anchoring zones 64
  • four recesses are made on one and the same side of the moving mass 61.
  • central recesses are intended to receive two anchoring zones 64, each of these anchoring zones 64 being connected on either side to the moving mass 61 by a first torsionally deformable element 670 and a second torsionally deformable element 67 .
  • the Distal recesses made in the moving mass 61 each accommodate a second bending deformable element 68, each connecting the moving mass 61 to an anchoring zone 64.
  • first deformable elements in flexion as a variant of this embodiment.
  • the plane perpendicular to the axis y and containing the pivot axis 600 intersects these second flexibly deformable elements 68 at one third of their length along the y axis, as in the case shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 8 a moving mass 71 connected to an anchoring zone 74 by means of six first torsionally deformable elements 770, and a pair of second torsionally deformable elements 77.
  • the invention allows a certain freedom in the arrangement of the deformable elements, it is advantageous to arrange the torsionally deformable elements at the same position along the axis y so that the pivot axis passes through the neutral fibers, or failing that, close to the neutral fibers of the torsionally deformable elements.
  • the first deformable elements in torsion of reduced dimension compared to the second deformable elements in torsion, would be subjected to important mechanical stresses during displacements of the mobile mass.
  • Another variant embodiment applicable to all the embodiments described above consists in placing the anchoring zones inside a recess 9 made in the body of the moving mass 81, as represented in FIG. 9. .
  • strain gauges 3 advantageously located in an extension of a portion of the lower face of the moving mass 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81.
  • gauges 3 are connected on one side to an anchoring zone, not shown, and on the opposite side, to a lateral face of the moving mass perpendicular to the y axis and located closest to the pivot axis 100 , 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800.
  • each force sensor has at least two strain gauges 3.
  • the two gauges function advantageously in opposition, that is to say that when one of the gauges undergoes compression under the effect of a displacement of the moving mass, the other gauge is pulled.
  • the moving mass presents on one of its sides perpendicular to the x-axis, and near the pivot axis, an outgrowth.
  • the devices described above are essentially similar to force sensors of the accelerometer type.
  • the invention relates to any type of force sensor, regardless of the nature of the force applied thereto. It is thus quite possible to transpose the invention without difficulty for those skilled in the art to devices for example of the microelectromechanical gyrometer type, microelectromechanical magnetometer or microelectromechanical pressure sensor.
  • a microelectromechanical gyrometer would comprise at least two movable masses connected to each other by at least one arm traversed at its center by the axis of pivoting of the device.
  • First and second deformable elements are arranged in the central zone of the arm as described above, connecting the arm to an anchoring zone, the deformable elements can be flexibly, torsionally, or combining certain deformable elements in flexion with certain deformable elements in torsion.
  • a magnetometer incorporating the system of the invention described above would have on the upper or lower face of the moving mass, a layer having a non-zero magnetization.
  • a pressure sensor incorporating the system of the invention described above would have, as a moving mass, a membrane provided with an arm, this arm being connected by one of its ends to the membrane and the other first and second deformable elements connecting the arm to anchoring zones.
  • the invention provides the following advantages:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

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

Description

DISPOSITIF MICRO-ELECTROMECANIQUE POSSÉDANT AU MOINS DEUX ÉLÉMENTS DEFORMABLES DE DIMENSIONS DIFFERENTES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à des systèmes micro- et nano-électromécaniques, autrement appelés M&NEMS pour « Micro- and Nano-ElectroMechanical Systems ». Elle concerne plus particulièrement une combinaison d'éléments micro et nano- électromécaniques agencés de manière à augmenter la sensibilité d'un capteur de force, en optimisant le positionnement de l'axe de pivotement d'une masse mobile comprise dans ce capteur de force.
L'invention trouve notamment application, par exemple, dans les accéléro mètres, les gyromètres, et les magnétomètres, voire les capteurs de pression, et plus généralement tout dispositif dans lequel on souhaite mesurer un déplacement d'une portion mobile consécutif à l'application de forces de diverses natures.
ETAT DE LA TECHNIQUE Depuis l'apparition de techniques sophistiquées de gravure et croissance utilisées notamment par l'industrie micro-électronique, la possibilité de fabriquer des machines ou des capteurs micro- et nano-électromécaniques est devenue une réalité. Ces dispositifs suscitent un fort intérêt en vertu de leurs applications multiples, aussi bien dans le domaine des capteurs, des émetteurs, des actionneurs ou des dispositifs passifs. Ils sont par exemple utilisés dans l'industrie automobile, l'industrie aéronautique ou les téléphones portables, en remplacement de dispositifs macroscopiques plus volumineux.
Parmi les capteurs micro-électromécaniques, les capteurs de force, comme par exemple les accéléromètres, les gyromètres ou les magnétomètres, se déclinent typiquement sous la forme de dispositifs comprenant une masse mobile, et des capteurs mesurant les déplacements de cette masse mobile.
Comme représenté sur la figure 1, la masse mobile 1 d'un capteur de force se présente généralement sous la forme d'une couche de matériau semi-conducteur, et en particulier de silicium d'épaisseur de l'ordre d'une ou plusieurs dizaines de microns, et maintenue au-dessus d'un substrat 5 par des éléments 2, déformables en flexion ou torsion, autour d'un axe de pivotement. Ces éléments déformables 2 sont souvent appelés ressorts, et sont avantageusement situés au niveau d'une des extrémités latérales de la masse mobile 1. Les ressorts 2 sont eux-mêmes reliés à des zones d'ancrage 4 fixes liées au substrat. On définit par la suite trois axes x, y, z, tels que représentés sur la figure 1 , avec l'axe x orienté suivant l'axe de pivotement de la masse mobile 1, l'axe y orienté dans le plan de la masse mobile 1 au repos et perpendiculairement à l'axe x, et l'axe z orienté perpendiculairement au plan défini par la masse mobile 1 au repos et partant du substrat 5 vers la masse mobile 1. Avantageusement, ce type de dispositif est réalisé à partir d'un substrat de type silicium sur isolant (aussi appelé SOI), une couche électriquement isolante d'oxyde 6 séparant la couche de silicium à partir de laquelle la masse mobile 1 est gravée et le substrat 5.
Les détecteurs du mouvement de la masse mobile se présentent d'ordinaire sous la forme de systèmes capacitifs, dans lesquels les déplacements de la masse mobile provoquent un éloignement ou un rapprochement entre deux électrodes du système capacitif, conduisant à une variation de l'entrefer et donc de la capacité du système décrit. Un exemple de tels détecteurs est disponible dans le document FR 2700065. Alternativement, il existe des capteurs de force employant une ou plusieurs jauges piézorésistives 3 sensibles en compression et en traction aux déplacements de la masse mobile 1, comme celle représentée sur la figure 1. Dans les deux cas, la sensibilité du capteur de force est déterminée par l'amplitude du déplacement autorisé par la masse mobile, et par le positionnement des détecteurs du mouvement de la masse mobile.
Le placement des jauges piézorésistives 3 est avantageusement choisi de manière à augmenter le plus possible les contraintes en compression et traction subies par les jauges 3. L'objectif d'une telle opération est d'augmenter la sensibilité en détection du capteur de force.
En effet, les contraintes générées par les déformations en compression/traction, dans les jauges 3 induisent une variation de la résistance des jauges 3 proportionnelle aux contraintes. En mettant la jauge piézorésistive 3 sous tension il est alors possible de détecter cette variation de résistance proportionnelle à la déformation subie, induite par le déplacement de la masse mobile 1. Le déplacement de la masse mobile 1 étant lié à une force extérieure exercée sur elle, l'emploi de jauges piézorésistives 3 permet de connaître la valeur d'une force à partir d'une mesure de variation de résistance. Plus la variation de résistance par unité de force est grande, plus le capteur de force micro- électromécanique est sensible. Les capteurs de force à jauges piézorésistives 3 comptent deux types de dispositifs, fonctionnant sur des principes sensiblement identiques : d'une part, les capteurs de force à déplacement dans le plan de la masse mobile, comme celui décrit par exemple dans le document FR 2951826, et les capteurs de force à déplacement hors du plan de la masse mobile, comme ceux décrits par exemple dans les documents FR 2954505 et FR 2941533. Ces deux types de capteurs de force invitent naturellement à placer les jauges piézorésistives dans le prolongement des faces inférieure et/ou supérieure de la masse mobile suivant l'axe z, au voisinage d'un point d'ancrage, de manière à subir des compressions et tractions maximales sans toutefois dépasser un seuil de rupture, comme représenté sur la figure 1.
Pour des raisons à la fois pratiques, et pour augmenter la sensibilité d'un capteur de force réagissant aux déplacements hors du plan de la masse mobile, les jauges piézorésistives 3 peuvent avantageusement être agencées dans le prolongement de la face inférieure de la masse mobile 1, comme représenté sur la figure 1. Dans la configuration représentée sur la figure 1 , les ressorts 2 sont des éléments déformables en flexion de même épaisseur que la masse mobile 1, soit dans la pratique une épaisseur comprise avantageusement entre 10 μιη et 20 μιη. L'axe de pivotement de la masse mobile est quant à lui situé à mi- hauteur de la masse mobile 1 suivant l'axe z.
Malgré une telle optimisation évidente, il est souhaitable de rendre un capteur de force micro-électromécanique encore plus sensible en optimisant notamment l'épaisseur des éléments déformables reliant la masse mobile à la zone d'ancrage, afin d'augmenter la sensibilité de la masse mobile aux forces extérieures appliquées et ainsi d'exercer une contrainte plus importante sur les jauges de contrainte. Le document FR 2951826 propose dans cette optique une surgravure de l'élément déformable, ou ressort, reliant la masse mobile à la zone d'ancrage. Cette gravure permet d'abaisser la raideur du ressort liant la masse mobile à la zone d'ancrage, et donc rendre la masse mobile plus sensible aux forces appliquées. Cependant, cette approche présente le désavantage de ne pas être suffisamment précise en ce qui concerne la profondeur de la surgravure et donc la diminution de raideur consécutive. Elle ne permet donc pas de garantir une reproductibilité souhaitable en vue d'applications industrielles.
Le document FR 2941533 propose un capteur de force à déplacements hors du plan de la masse mobile. S 'appuyant sur un résultat théorique connu montrant qu'au premier ordre, la sensibilité d'un capteur est inversement proportionnelle à la distance jauge- pivot, ce document propose une structure permettant de rapprocher la jauge du pivot, notamment en surgravant l'élément déformable comme dans le document FR 2951826. Ainsi, un tel capteur présente une portion qui présent une épaisseur intermédiaire entre l'épaisseur de la masse mobile et l'épaisseur de la jauge, afin de définir la position de l'axe de pivotement de la masse mobile. Il a ainsi été montré, avec ce capteur de force, qu'une gravure du ressort permet non seulement de rendre la masse mobile plus sensible, mais qu'un rétrécissement de la distance séparant l'axe de pivotement de la masse mobile de la jauge piézorésistive augmente la contrainte exercée par la masse mobile sur la jauge. Il est néanmoins nécessaire à présent de contrer les désavantages liés à l'imprécision de la gravure du ressort, et au fait qu'une telle surgravure complique le procédé de fabrication, tout en conservant les avantages des dispositifs présentés ci- avant.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de proposer un capteur de force micro- électromécanique à déplacements hors du plan de la masse mobile possédant une sensibilité améliorée en détection. Le dispositif objet de l'invention répond notamment à la problématique suivante : offrir un moyen suffisamment précis et reproductible pour optimiser le positionnement de l'axe de pivotement d'une masse mobile par rapport à la jauge, avantageusement une ou plusieurs jauges de contrainte, détectant les déplacements de la masse mobile.
Pour y parvenir, la présente invention a pour objet un dispositif micro-électromécanique réalisé à partir d'un substrat semi-conducteur dont les couches définissent des plans suivant des axes x et y, l'axe perpendiculaire aux couches définissant un axe z, orienté depuis une couche épaisse de semi-conducteur vers une couche fine de semiconducteur. Ce dispositif comprend :
au moins une zone d'ancrage fixe, et
au moins une masse mobile, réalisée dans la couche fine de semi-conducteur du substrat, ladite masse mobile possédant une face supérieure et une face inférieure, ladite masse mobile étant apte à se déplacer hors du plan du substrat selon l'axe z par rotation autour d'un axe de pivotement dirigé selon l'axe x, et
au moins un moyen de détection du déplacement de la masse mobile. Ce dispositif comprend en outre au moins deux éléments déformables reliant la masse mobile à la zone d'ancrage, à savoir au moins un premier élément déformable s'étendant dans un prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile, et au moins un second élément déformable. Ces deux éléments sont de dimensions différentes, et en particulier d'épaisseurs distinctes. Le second élément présente une épaisseur égale, ou au moins équivalente à celle de la masse mobile, au moins au niveau où ce second élément est relié à la masse mobile. Le second élément présente donc une plus grande épaisseur suivant l'axe z que le premier élément déformable Par cette configuration, les deux éléments déformables possèdent, au repos, perpendiculairement à l'axe z, des plans médians sensiblement parallèles et non confondus, le plan médian perpendiculairement à l'axe z du premier élément déformable possédant une coordonnée suivant l'axe z inférieure à celle du plan médian perpendiculairement à l'axe z du second élément déformable.
Dans une configuration particulière, les plans médians perpendiculairement à l'axe y des deux éléments déformables étant séparés suivant l'axe y d'une distance inférieure sensiblement au tiers de la longueur du plus long des deux éléments déformables suivant l'axe y.
Le dispositif objet de l'invention est un capteur de force réagissant aux déplacements hors du plan. Pour augmenter la sensibilité en détection, l'invention propose de combiner un élément déformable de dimension réduite suivant l'axe z, dénommé plus loin «ressort NEMS » eu égard à cette petite épaisseur, et un élément déformable de plus grande dimension suivant l'axe z, dénommé «ressort MEMS » pour des raisons analogues. Cette combinaison s'effectue de telle sorte que l'élément de plus petite dimension suivant z soit situé à une position suivant l'axe z inférieure à la position suivant l'axe z du plan médian perpendiculairement à l'axe z du ressort MEMS. Les éléments déformables étant les éléments reliant la masse mobile à des zones d'ancrage, un tel agencement des ressorts NEMS et MEMS permet d'abaisser la position suivant l'axe z de l'axe de pivotement de la masse mobile. En agençant de manière spécifique les positions relatives des ressorts NEMS et MEMS, il devient donc possible de choisir la position suivant l'axe z, de l'axe de pivotement de la masse mobile d'un capteur de force. Notamment, cette possibilité d'ajuster la position de l'axe de pivotement permet d'augmenter la sensibilité en détection du capteur de force jusqu'à atteindre un optimum. Il est important de noter que le « ressort MEMS » présente la même épaisseur que la masse mobile, de sorte qu'il n'est pas nécessaire, contrairement à l'art antérieur de réaliser des portions qui présentent une épaisseur intermédiaire entre celle du « ressort NEMS » et celle de la masse mobile.
Divers modes de déformation peuvent être envisagés pour les éléments déformables, que ce soit en torsion, en flexion, de façon globale ou en combinaison. Ainsi, selon un mode de réalisation, les éléments déformables sont déformables en torsion.
Selon un autre mode de réalisation, les éléments déformables sont déformables en flexion.
Selon un troisième mode de réalisation, les éléments déformables sont répartis en un premier sous-ensemble d'éléments déformables en torsion et un second sous-ensemble d'éléments déformables en flexion.
Les différents modes de déformation présentent des avantages pour des applications données. Des éléments déformables essentiellement en torsion présentent l'avantage d'être moins rigides, à dimensions égales, que des éléments déformables en flexion. Ceci est d'autant plus vrai pour les NEMS, dont les dimensions réduites autorisent des déformations en torsion plus grandes pour une même contrainte que celle exercée sur un MEMS.
Les éléments déformables en flexion sont, à dimensions égales, plus résistants aux déplacements de la masse mobile que des éléments déformables en torsion, des éléments déformables en torsion ou flexion étant d'autant plus raides qu'ils sont courts. Il est alors avantageux de prévoir des longueurs suivant l'axe y suffisantes pour obtenir des raideurs équivalentes à celles obtenues avec des ressorts travaillant en torsion.
En combinant des éléments déformables en flexion et en torsion, il est possible de profiter des avantages des deux modes de déformation, et de concevoir des structures plus sophistiquées pour réaliser des capteurs de force, tout en optimisant l'utilisation de la surface de silicium et la résistance à l'environnement mécanique.
Il est en particulier possible de distinguer quatre familles de réalisation spécifiques employant des combinaisons d'éléments déformables en torsion et des éléments déformables en flexion.
Il est en particulier possible que le premier élément déformable soit déformable en flexion et les seconds éléments déformables soient des paires d'éléments déformables en torsion. Alternativement, le second élément déformable peut être un élément déformable en flexion et les premiers éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en torsion. Selon un autre mode de réalisation, les premiers et seconds éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en torsion.
Alternativement, les premiers et seconds éléments déformables peuvent être des paires d'éléments déformables en flexion.
Outre les divers agencements possibles des éléments déformables permettant d'ajuster la position de l'axe de pivotement de la masse mobile, et donc, de varier la sensibilité en détection du capteur de force, il existe plusieurs variantes de réalisation dans la géométrie du capteur de force objet de l'invention.
Ainsi, selon un mode de réalisation, la zone d'ancrage peut être située à l'extérieur de la masse mobile.
Selon un autre mode de réalisation, la zone d'ancrage peut être située à l'intérieur d'un évidement réalisé dans la masse mobile.
Le choix entre les deux possibilités d'ancrage se fait en fonction des contraintes de mise en œuvre de ce capteur de force et des spécifications de besoin. La taille des premiers et seconds éléments déformables peut varier suivant les besoins de l'utilisateur. Il peut s'avérer que les premiers et seconds éléments déformables ne diffèrent que peu en épaisseur suivant l'axe z. Néanmoins il est avantageux de réaliser des premiers éléments déformables de taille substantiellement plus petite suivant l'axe z que les seconds éléments déformables, qui ont une épaisseur avantageusement égale à celle de la masse mobile.
Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, le second élément déformable a une épaisseur supérieure à 5 μιη et le premier élément déformable a une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 μιη. Un autre élément de l'invention, participant à la mesure de la force subie par la masse mobile, réside dans les moyens de détection du mouvement de la masse mobile. L'abaissement de l'axe de pivotement sert notamment à exercer une contrainte mécanique plus importante sur ces moyens de détection du mouvement de la masse mobile.
Ainsi, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des jauges de contrainte, avantageusement des jauges piézorésistives ou des résonateurs mécaniques, sensibles en compression et traction aux déplacements de la masse mobile. Selon un mode de réalisation avantageux, un capteur de force comprend deux jauges fonctionnant en opposition, c'est-à-dire que lorsque l'une des jauges subit une compression, l'autre subit une traction.
L'invention peut s'appliquer à toutes sortes de capteurs de force. Outre les accéléromètres, il est possible d'envisager d'appliquer les enseignements de la présente invention pour réaliser des gyromètres, des magnétomètres ou des capteurs de pression.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels :
les figures 1A et 1B sont des vues représentant de dessus et de côté un capteur de force de l'art antérieur ;
les figure 2A, 2B à 8A, 8B sont des vues respectivement de dessus et de face d'un capteur de force suivant sept modes de réalisation différents ;
la figure 9 est une vue de dessus d'un capteur de force suivant un huitième mode de réalisation ; et
- la figure 10 est une vue en perspective schématique d'un capteur de force suivant le cinquième mode de réalisation.
Certains éléments de ces figures ont été agrandis pour faciliter leur compréhension et peuvent par conséquent ne pas être à l'échelle. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Il va à présent être décrit un dispositif micro-électromécanique formant un capteur de force, présentant une sensibilité en détection accrue grâce au placement optimisé de l'axe de pivotement d'une masse mobile par rapport aux jauges de contrainte détectant les déplacements de la masse mobile.
Comme illustré sur la figure 1, un capteur de force micro-électromécanique peut se présenter comme un dispositif gravé dans les couches d'un substrat de type SOI. Un capteur de force micro-électromécanique comprend au moins une masse mobile 1, reliée par des éléments déformables ou ressorts 2 à une ou plusieurs zones d'ancrage fixes 4. La masse mobile possède au repos, une face inférieure, en regard du substrat 5, et une face supérieure parallèle à la face inférieure. On se référera par la suite aux axes x, y et z tels que représentés sur la figure 1, dans laquelle l'axe z est orthogonal aux faces de la masse mobile 1 au repos, l'axe x est orienté suivant l'axe de pivotement de la masse mobile 1 et l'axe y est orienté perpendiculairement aux axes x et z. La présente invention concerne plus particulièrement les capteurs de force micro-électromécaniques à déplacements hors du plan de la masse mobile 1, et dont les détecteurs de déplacements de la masse mobile 1 sont des jauges de contrainte, pouvant être par exemple des résonateurs ou des jauges piézorésistives 3.
Il a été constaté qu'il est possible d'optimiser la sensibilité en détection d'une jauge de contrainte par un contrôle précis de la distance entre la jauge et l'axe de pivotement de la masse mobile. Il existe alors un compromis à trouver entre d'une part, un éloignement suffisant entre la jauge et l'axe de pivotement, pour que cette dernière subisse des contraintes mécaniques suffisamment importantes de la part de la masse mobile, et d'autre part, une proximité suffisante entre jauge et axe de pivotement, pour bénéficier de la sensibilité accrue constatée expérimentalement II existe donc une distance optimale entre axe de pivotement et jauge, permettant de bénéficier d'une sensibilité maximale en détection.
Dans la pratique, afin de conserver une masse mobile d'épaisseur suffisante, et donc possédant une inertie adaptée à une application de type capteur de force, notamment lorsque le capteur de force est un accéléromètre ou un gyromètre, la présente invention ne réduit pas la distance entre axe de pivotement et jauges en modifiant l'épaisseur de la masse mobile. De manière originale, la solution proposée par la présente invention consiste à combiner deux éléments déformables, c'est-à-dire deux ressorts, de dimensions différentes suivant l'axe z, de manière à provoquer un abaissement de l'axe de pivotement de la masse mobile 1, à une position suivant l'axe z située entre les positions suivant z des deux éléments déformables. Cet abaissement de l'axe de pivotement de la masse mobile 1 le ramène plus près d'une jauge de contrainte 3, et idéalement à une distance correspondant à un maximum de sensibilité de la jauge 3. Cette manière d'abaisser l'axe de pivotement est avantageuse en ce qu'elle est facilement reproductible et donc adaptée à une application industrielle, et en ce qu'elle autorise un contrôle de la position de l'axe de pivotement. Il est en particulier possible de s'appuyer sur des simulations numériques, par exemple des simulations par éléments finis, pour déterminer la position d'un axe de pivotement résultant d'une combinaison particulière de ressorts de dimensions différentes.
On appellera par la suite les éléments déformables de plus petite dimension suivant z « premiers éléments déformables » ou encore NEMS. On appellera « seconds éléments déformables » ou encore MEMS, les éléments déformables de plus grande dimension suivant z.
Dans la pratique, les premiers éléments déformables sont réalisés dans le prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile. Ils peuvent cependant également être réalisés dans le prolongement d'une partie de la face supérieure de la masse mobile. L'épaisseur typique de ces premiers éléments déformables, suivant l'axe z, est comprise entre 100 nm et 1 μιη, et a avantageusement une épaisseur de 250 nm. Les seconds éléments déformables sont avantageusement épitaxiés à partir de certains des premiers éléments déformables lors de la fabrication du dispositif objet de l'invention, dont un procédé sera brièvement décrit ci-après. Ces seconds éléments déformables ont avantageusement une épaisseur suivant l'axe z égale à celle de la masse mobile. La masse mobile a une épaisseur typique supérieure à 5 μιη, avantageusement comprise entre 10 μιη et 20 μιη.
La réalisation d'un capteur de force selon l'invention peut se faire à partir d'un substrat de type SOI, comprenant une couche épaisse de silicium semi-conducteur formant un substrat, sur laquelle repose une couche plus fine d'oxyde elle-même recouverte d'une couche fine de silicium semi-conducteur. Un procédé de fabrication qui permet d'obtenir ce type de structure est par exemple décrit dans le document WO 2012/117177 du Demandeur. Le concept d'allier des premiers éléments déformables avec des seconds éléments déformables afin d'abaisser l'axe de pivotement d'une masse mobile peut en pratique se décliner à travers une infinité de structures de type capteurs de force. Il va à présent être présenté un échantillon représentatif de modes de réalisation particulièrement intéressants utilisant ce type de combinaison de ressorts NEMS et MEMS.
Comme représenté sur la figure 2, il est envisageable de concevoir un capteur de force possédant une masse mobile 11 dans laquelle sont réalisés deux évidements sur l'un de ses côtés, libérant ainsi deux espaces destinés à recevoir deux zones d'ancrage 14. Chacune de ces zones d'ancrage 14 est reliée d'un côté à un premier élément déformable en torsion 170 reliant la zone d'ancrage 14 à une première face latérale d'un évidement de la masse mobile 11, et de l'autre côté à un second élément déformable en torsion 17 reliant la zone d'ancrage 14 à une seconde face latérale du même évidement de la masse mobile 11. Sur la figure 2, le capteur de force représenté possède une structure symétrique, mais il est envisageable de permuter la position des premiers et seconds éléments déformables autour de l'une des zones d'ancrage. La position de l'axe de pivotement 100 est située suivant l'axe z à une position intermédiaire entre les positions suivant z des fibres neutres des premiers 170 et seconds 17 éléments déformables. Une telle structure comporte donc une paire de premiers 170 et une paire de seconds 17 éléments déformables en torsion.
La figure 3 représente une structure différente, ne possédant qu'une seule zone d'ancrage 24, reliée à la masse mobile 21 par l'intermédiaire de deux premiers éléments déformables en flexion 280 et un second élément déformable en flexion 28. Il est également envisageable d'utiliser une structure incorporant une paire de premiers 280 et une paire de seconds 28 éléments déformables en flexion. Alternativement, il est également envisageable de n'avoir aucun contact entre les éléments déformables contrairement à ce qui est représenté sur la figure 3. L'axe de pivotement 200 de cette structure est également situé à une position suivant l'axe z intermédiaire entre les positions suivant z des plans neutres des premiers 280 et seconds 28 éléments déformables. Dans ce mode de réalisation, les éléments déformables sont tous déformables en flexion et ont la même longueur suivant l'axe y.
La figure 4 illustre une variante de la configuration précédente, dans laquelle une amélioration est apportée par l'allongement de la longueur suivant l'axe y du second élément déformable en flexion 38. En allongeant ce second élément déformable en flexion 38, on abaisse sa raideur, permettant ainsi de rendre la masse mobile 31 plus sensible aux forces extérieures lui étant appliquées. Cet allongement nécessite de réaliser un évidement dans le corps de la masse mobile 31. Le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 300 est confondu, dans ce mode de réalisation, avec un plan médian perpendiculairement à l'axe y des premiers éléments déformables en flexion 380, mais coupe le second élément déformable en flexion 38 au tiers de sa longueur suivant l'axe y. Ce positionnement au tiers de la longueur suivant l'axe y est suggéré par des résultats numériques issus de simulations par éléments finis. Il découle géométriquement, de ce positionnement, que les plans médians perpendiculairement à l'axe y des premiers 380 et seconds 38 éléments déformables sont espacés de moins du tiers de la longueur du second élément déformable en flexion 38, en particulier dans le cas présent du sixième de la longueur du second élément déformable en flexion 38.
La figure 5 propose une alternative aux modes de réalisation décrits ci-avant dans laquelle la masse mobile 41 est reliée par une paire de premiers éléments déformables en torsion 470 à une zone d'ancrage 44, et un second élément déformable en flexion 48 relie la masse mobile 41 à la même zone d'ancrage 44. Comme précédemment, un évidement est réalisé dans la masse mobile 41, et le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 400 coupe le second élément déformable en flexion 48 au tiers de sa longueur suivant l'axe y. La figure 6 propose une variante du mode de réalisation de la figure 5, dans laquelle c'est un premier élément déformable 580 qui est déformable en flexion, et une paire de seconds éléments déformables 57 qui sont déformables en torsion. Dans cette variante, la longueur du premier élément déformable en flexion 580 est réduite, dans la mesure où sa raideur par unité de longueur est inférieure à celle de l'élément 48 du mode de réalisation illustré à la figure 5. Ainsi, le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 500 de ce capteur de force coupe le premier élément déformable en flexion 580 au milieu de sa longueur suivant l'axe y.
Le dispositif micro-électromécanique de la figure 6 est également représenté en perspective schématique à la figure 10, de manière à mettre en évidence le placement relatif suivant l'axe z du premier 580 et des seconds 57 éléments déformables.
La figure 7 propose une autre variante des capteurs de force représentés aux figures 5, 6 et 10. Dans ce mode de réalisation particulier, comprenant quatre zones d'ancrage 64, quatre évidements sont réalisés sur un même côté de la masse mobile 61. Deux évidements centraux sont destinés à recevoir deux zones d'ancrage 64, chacune de ces zones d'ancrage 64 étant reliée de part et d'autre à la masse mobile 61 par un premier élément déformable en torsion 670 et un second élément déformable en torsion 67. Les évidements distaux réalisés dans la masse mobile 61 accueillent chacun un second élément déformable en flexion 68, reliant chacun la masse mobile 61 à une zone d'ancrage 64. Il est également possible d'utiliser des premiers éléments déformables en flexion en guise de variante de ce mode de réalisation. Le plan perpendiculaire à l'axe y et contenant l'axe de pivotement 600 coupe ces seconds éléments déformables en flexion 68 au tiers de leur longueur suivant l'axe y, comme dans le cas représenté aux figures 4 et 5.
Chacun des modes de réalisation présentés ci-avant peut être adapté dans une configuration multipliant le nombre de premiers et/ou seconds éléments déformables, comme représenté à la figure 8 dans un cas reproduisant sensiblement la configuration de la figure 2. La figure 8 représente ainsi une masse mobile 71 reliée à une zone d'ancrage 74 grâce à six premiers éléments déformables en torsion 770, et une paire de seconds éléments déformables en torsion 77. Bien que l'invention autorise une certaine liberté dans l'agencement des éléments déformables, il est avantageux de disposer les éléments déformables en torsion à une même position suivant l'axe y de manière à ce que l'axe de pivotement passe par les fibres neutres, ou à défaut, à proximité des fibres neutres des éléments déformables en torsion. Dans le cas contraire, les premiers éléments déformables en torsion, de dimension réduite par rapport aux seconds éléments déformables en torsion, seraient soumis à des contraintes mécaniques importantes lors des déplacements de la masse mobile.
Une autre variante de réalisation applicable à tous les modes de réalisation décrits ci- avant consiste à placer les zones d'ancrage à l'intérieur d'un évidement 9 réalisé dans le corps de la masse mobile 81, tel que représenté sur la figure 9.
Chacun des modes de réalisation présentés ci-avant incorpore des jauges de contrainte 3, avantageusement situées dans un prolongement d'une partie de la face inférieure de la masse mobile 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81. Ces jauges 3 sont reliées d'un côté à une zone d'ancrage, non représentée, et, du côté opposé, à une face latérale de la masse mobile perpendiculaire à l'axe y et située le plus près de l'axe de pivotement 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800.
De manière avantageuse, chaque capteur de force présente au moins deux jauges de contrainte 3. Dans le cas de jauges piézorésistives, les deux jauges fonctionnent avantageusement en opposition, c'est-à-dire que lorsque l'une des jauges subit une compression sous l'effet d'un déplacement de la masse mobile, l'autre jauge subit une traction. Pour y parvenir, la masse mobile présente sur l'un de ses côtés perpendiculaires à l'axe x, et à proximité de l'axe de pivotement, une excroissance. Dans le cas d'utilisation de résonateurs mécaniques, il est possible de n'utiliser qu'une seule jauge de contrainte dont la caractéristique de réponse (entrée/sortie) n'est pas obligatoirement linéaire. Si l'on recherche une linéarisation de la caractéristique il peut être avantageux d'utiliser au moins une paire de résonateurs travaillant en opposition, l'un étant en compression pendant que l'autre est en tension.
Les dispositifs décrits ci-avant s'apparentent essentiellement à des capteurs de force de type accéléromètres. En réalité, l'invention concerne tout type de capteur de force, quel que soit la nature de la force lui étant appliquée. Il est ainsi tout à fait possible de transposer l'invention sans difficulté pour l'Homme de l'art à des dispositifs par exemple du type gyromètre micro-électromécanique, magnétomètre microélectromécanique ou capteur de pression micro-électromécanique. Par exemple, un gyromètre micro-électromécanique comprendrait au moins deux masses mobiles reliées l'une à l'autre par au moins un bras traversé en son milieu par l'axe de pivotement du dispositif. Des premiers et seconds éléments déformables sont agencés dans la zone centrale du bras comme décrit ci-avant, reliant le bras à une zone d'ancrage, les éléments déformables pouvant l'être en flexion, torsion, ou combinant certains éléments déformables en flexion avec certains éléments déformables en torsion.
Un magnétomètre incorporant le système de l'invention décrite ci-avant aurait sur la face supérieure ou bien inférieure de la masse mobile, une couche possédant une aimantation non nulle.
Un capteur de pression incorporant le système de l'invention décrite ci-avant posséderait, en guise de masse mobile, une membrane pourvue d'un bras, ce bras étant relié par l'une de ses extrémités à la membrane et par l'autre à des premiers et seconds éléments déformables liant le bras à des zones d'ancrage.
Ainsi, l'invention permet de procurer les avantages suivants :
permettre un ajustement contrôlé de la position suivant l'axe z de l'axe de pivotement d'un capteur de force micro-électromécanique, cet ajustement du point de pivotement étant obtenu par design géométrique, et non par des opérations complexes pendant le procédé de fabrication,
- viser, en configurant la structure d'un tel capteur de force, une distance optimale entre les jauges de contrainte et l'axe de pivotement de la masse mobile du capteur de force, cette distance optimale permettant de maximiser la sensibilité du capteur de force,
fournir un capteur de force plus sensible en détection sans toutefois modifier la taille ou l'épaisseur de la masse mobile.

Claims

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