Brevet FR2734104A3 — publié le 19961115

FR 2734104 A3 19961115 FR 9605856 A 19960510 L'invention concerne un actionneur piézo-électrique micromécanique. Le manuscrit d'un exposé de D. J. Jendritza Piezoelektrische Aktoren Technischer Einsatz von neuen Aktoren - Grundlagen, Werkstoffe und Anwendungen Technischen Akademie Esslingen, Weiterbildungszentrum, 10 et 11 février 1994 à Ostfildern. Ce manuscrit décrit sous le paragraphe 3 Design von piezoelektrischen Aktoren , différentes constructions normalisées. L'une des constructions normalisées correspond à un convertisseur de flexion dont un bras de flexion encastré par un côté, en matière piézo-électrique, forme sous l'effet des contraintes à la manière d'une bande de métal de flexion. Une autre forme normalisée concerne une plaque de flexion en matière piézo-électrique dont les bords sont encastrés ; cette plaque se bombe sous l'effet des contraintes. Comme exemple de système agrandissant la course on a un convertisseur piézoélectrique dont la dilatation actionne un levier monté à une extrémité. Selon un autre système agrandisseur de course, on utilise une pile de plaques en piézo-céramique ; la transformation force-course se fait de manière hydraulique par un liquide. Les systèmes agrandisseurs de course, tels que représentés, sont composés d'un nombre relativement important de pièces qu'il faut assembler. De ce fait on ne peut en pratique envisager une miniaturisation. Selon le document DE 38 41 557 Al, on connaît un manipulateur de micromécanique composé d'un support en silicium, d'éléments chauffants et d'un bras de manipulateur. Le bras de manipulateur se compose d'une plaque en forme de T dont la zone allongée est revêtue en partie par une couche ayant un coefficient de dilatation plus élevé. Le bras de manipulateur est relié, au niveau de sa traverse, par une couche intermédiaire au substrat et se trouve à une faible distance, parallèlement à la surface du substrat (support). L'autre extrémité du bras de manipulateur est libre. Sous l'effet d'une augmentation de température provoquée par les éléments chauffants, les coefficients de dilatation différents font que la zone revêtue de la couche sur le bras de manipulateur bombe et l'extrémité li bre exécute un mouvement parallèle à la surface du support. L'extrémité libre est utilisée pour entraîner d'autres composants comme par exemple un pignon. La course de positionnement par rapport à la longueur du bras de manipulateur de ce manipulateur en micromécanique est relativement faible. Après chaque mouvement il faut attendre le refroidissement. Selon la publication Magnetostrictive thin film actuators E. Quandt, B. Gerlach, T. Gerst und K. Seemann, Proceedings Actuator 94 Bremen (juin 15-17, 1994), Edition Axon Technology Consult GmbH Breme, page 229 à 231, il est connu de réaliser des actionneurs sous la forme d'un bras en porte-àfaux, réalisé d'une mince plaquette de silicium fixée par une extrémité, et portant une couche d'une matière ayant des propriétés magnétostrictives. Comme la couche magnétostrictive se dilate sous l'effet d'un champ magnétique, le bras en porte-àfaux fléchit. De plus, ce document décrit des micropompes et des microvannes avec des membranes en une matière magnétostrictive. La présente invention a pour but de développer un actionneur en micromécanique réalisable selon un nombre réduit d'étapes de procédé en microtechnique. Cet actionneur doit offrir une force de réglage importante et en même temps une course de réglage importante sans nécessiter de composants distincts augmentant la course. A cet effet, l'invention concerne un actionneur en micromécanique caractérisé en ce qu'il comprend a) un support en piézo-céramique, à surface libre, en une ma tière électro ou magnétostrictive qui sous l'effet d'une tension appliquée, d'un champ électrique ou d'un champ ma gnétique se raccourcit dans une direction, b) deux blocs d'ancrage prévus sur la surface libre du support, en étant reliés rigidement au support à une certaine dis tance, ces blocs étant sur une parallèle dans la direction, c) un élément de commutation au moins partiellement souple qui est monté dans les blocs d'ancrage et les relie sans être en contact avec la surface libre du support, - dans une première position qui est atteinte sans effet de la tension appliquée du champ électrique ou magnétique au subs trat, l'élément de commutation est essentiellement libre par rapport aux forces agissant par l'intermédiaire des blocs d'ancrage et - dans une seconde position dans laquelle on arrive en faisant agir la tension appliquée, le champ électrique ou magnétique sur le support, l'élément de commutation est dans un état de contrainte à forme modifiée. L'invention concerne également un actionneur micromécanique caractérisé en ce que il comprend a) un support ayant une surface libre, en piézo-céramique, en une matière électro ou magnétostrictive qui sous l'effet d'une tension appliquée, d'un champ électrique ou d'un champ magnétique se dilate dans une direction, b) deux blocs d'ancrage prévus sur la surface libre du support et reliés rigidement à celui-ci, en étant à une certaine distance l'un de l'autre, ces blocs étant situés dans un plan parallèle à la direction, c) un élément de commutation au moins partiellement souple, fixé aux blocs d'ancrage et reliant ceux-ci, sans être tou tefois en contact avec la surface libre du support et cet élément de commutation, - dans une première position, sous l'effet de la tension ap pliquée par le champ électrique ou magnétique sur le sup port, est essentiellement libre de force agissant par les blocs d'ancrage, et - dans une seconde position, en l'absence de tension, de champ électrique ou de champ magnétique, sur le support se trouve dans un état de contrainte avec une forme modifiée. L'actionneur selon l'invention se compose d'un support en piézo-céramique, en matière électrostrictive ou en matière magnétostrictive. Ces supports ont la propriété que sous l'effet d'une tension électrique, d'un champ électrique ou d'un champ magnétique, ils raccourcissent ou s'allongent dans une direction. Comme piézo-céramiques on peut envisager les matières connues comme par exemple du quartz, des polymères ou des céramiques comme par exemple une céramique PZT. Comme matière électrostrictive on envisage par exemple un cristal de chlorure de sodium. Pour les propriétés magnétostrictives on envisage par exemple le terphénol-D (TbxDyl xFey). Sur la surface supérieure libre du substrat on a prévu deux blocs d'ancrage distants l'un de l'autre situés sur une parallèle à la direction dans laquelle on veut le raccourcissement ou l'allongement. Cette disposition des blocs d'ancrage garantit que la dimension de la distance dépend de ce qu'une tension électrique, un champ électrique ou un champ magnétique agit ou non sur le support. Les blocs d'ancrage sont ainsi de façon correspondante à un intervalle plus grand ou plus petit suivant que cet effet est appliqué ou non. Comme installation de manoeuvre de l'actionneur on utilise un élément de commutation au moins partiellement souple, fixé uniquement aux blocs d'ancrage ; toutefois cet élément ne touche pas la surface du support. Lorsque les blocs d'ancrage sont à une distance importante, l'élément de commutation n'est pratiquement soumis à aucun effort agissant par les blocs d'ancrage. Par contre, lorsque les blocs d'ancrage sont rapprochés, l'élément de commutation se met dans un autre état de tension avec une forme modifiée. La présente invention repose sur le fait que même un petit raccourcissement de la distance des blocs d'ancrage suffit pour permettre une modification significative de la forme de l'élément de commutation. Une petite réduction de l'intervalle produit une forte variation de forme de l'élément de commutation. L'actionneur selon l'invention permet ainsi de réaliser, directement et sans montage, les courses importantes, sans avoir à mettre en oeuvre des systèmes séparés agrandisseurs de course. La matière et la forme des blocs d'ancrage est en principe quelconque. Conviennent par exemple des métaux ou des matières plastiques dures. Seul importe que les blocs d'ancrage soient reliés rigidement au support et soient en mesure de recevoir sans déformation les forces appliquées. La distance à laquelle les blocs d'ancrage se montent sur le substrat dépend principalement de la course de réglage souhaitée et des carac téristiques de la matière de l'élément de commutation en forme de bande qui relie les blocs. Même pour l'élément de commutation, pour le choix de la matière il n'y a en principe aucune limite. Il faut néanmoins que cet élément soit au moins partiellement suffisamment souple pour pouvoir prendre une forme modifiée. La souplesse peut être assurée par le choix d'un matériau approprié comme par exemple une matière plastique ou un métal. De préférence toutefois les blocs d'ancrage et l'élément de commutation sont réalisés dans la même matière, en réduisant toutefois l'épaisseur de l'élément de commutation par rapport à celle des blocs d'ancrage pour garantir la souplesse nécessaire. Un tel actionneur se réalise d'une manière particulièrement simple selon les procédés de la technique des microstructures. Les deux actionneurs selon les caractéristiques évoquées ci-dessus se distinguent uniquement selon leur mode de commande. La seconde position pour laquelle l'élément de commutation passe à un état tendu avec une forme modifiée par rapport à celle de la première position est obtenue dans le cas du premier actionneur sous l'effet dune tension électrique ou d'un champ magnétique appliqués au support ; par contre, dans le cas du second actionneur, ces champs n'ont pas d'effet. Les conditions inverses existent pour la première position. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention - l'élément de commutation a une forme de ruban qui dans une première position se situe principalement sur la ligne de jonction entre les blocs d'ancrage et dans une deuxième position prend une forme courbe - l'élément de commutation se compose de trois segments adjacents parmi lesquels - deux segments sont chaque fois montés sur un bloc d'ancrage et possèdent une extrémité opposée chaque fois aux blocs d'ancrage, ces segments étant parallèles et distants, - un troisième segment reliant les deux extrémités et portant un prolongement qui dépasse au moins de l'une des deux extré mités. - l'actionneur micromécanique a une distance des blocs d'induit inférieure à 10 mm. Selon le premier mode de réalisation, l'élément de commutation est un mince parallélépipède en forme de ruban ; il se présente ainsi sous la forme d'une bande. Lorsque les blocs d'ancrage sont à distance importante, les surfaces latérales larges de l'élément de commutation en forme de bande peuvent être essentiellement parallèles ou perpendiculaires à la surface du support. Cette position de l'actionneur est appelée première position. Dans cette position, la bande est principalement située sur la ligne reliant les deux blocs d'ancrage. Lorsque la distance entre les blocs d'ancrage diminue, l'élément de commutation se bombe. La position que l'actionneur prend alors est appelée seconde position. La direction dans laquelle se forme le bombement est parallèle à la surface du support lorsque les deux surfaces latérales larges de l'élément de commutation sont perpendiculaires à la surface du support. Comme l'élément de commutation se déplace à la surface du support, il faut veiller à ce que la surface soit libre et ne gêne pas la mise en forme courbe de l'élément de commutation. Si les surfaces latérales sont parallèles à la surface du support, l'élément de commutation se bombe perpendiculairement. Le sommet de la partie bombée permet d'actionner d'autres composants comme par exemple des éléments de commutation ou des leviers de manoeuvre. Lorsque l'élément de commutation en forme de bande est exactement dans un plan, le côté vers lequel la déformation se produit lorsqu'on applique une tension est aléatoire. Un tel actionneur ne peut s'utiliser techniquement de manière intéressante. C'est pourquoi il faut pouvoir prédéterminer le côté vers lequel s'établit la déformation bombée. Dans le cas le plus simple, on réalise cela en bombant l'élément de commutation, au minimum même pour les blocs d'ancrage séparés d'un petit intervalle. On obtient de manière simple une courbure minimale lorsqu'on réalise un procédé de fabrication en technique des microstructures ; cela garantit que l'élément de commutation prenne exclusivement deux positions définies. En variante, l'élément de commutation peut être muni d'encoches en son milieu ou à ses extrémités voisines des blocs d'ancrage par exemple par ablation par laser ; ces encoches garantissent un mouvement dans une seule direction prédéterminée. Par ailleurs, il existe des applications pour un actionneur dont la course est parallèle à la surface du support et qui agit d'une manière prédéterminée dans les deux directions. Un tel actionneur est en mesure d'actionner deux éléments de commutation. Pour cela l'actionneur peut par exemple comporter un élément de commutation en forme de bande aligné exactement dans un plan perpendiculaire à la surface du support ; cet élément est en matière ferromagnétique ; par rapport au milieu de l'élément de commutation on a deux bobines électriques sur le support. Lorsque l'une des deux bobines est traversée par le courant, elle produit un débattement minimum de l'élément de commutation en forme de ruban du côté correspondant si bien que la direction de sa déformation est prédéterminée même lorsque l'intervalle entre les blocs d'ancrage est raccourci. La figure montre le mode de réalisation. La partie (A) de la figure représente l'actionneur en micromécanique occupant sa première position ; la partie (B) représente la seconde position de l'actionneur. Le support 1 est en piézo-céramique qui dans ce mode de réalisation raccourcit dans la direction représentée par la flèche 3, sous l'influence d'une tension appliquée à des électrodes (non représentées). La partie (A) de la figure montre l'état de l'actionneur lorsque la tension n'est pas appliquée. Les blocs d'ancrage 4 sont écartés. Le mode de réalisation décrit à la revendication 4, tel qu'apparaissant à la figure, comporte un élément de commutation 5 formé de trois segments 6, 7, 8 adjacents. L'élément de commutation 5 relie les deux blocs d'ancrage 4 ; ceux-ci sont eux-mêmes fixés rigidement à la surface libre 2 du support 1. Le premier et le second segment 6, 7 de l'élément de commutation, reliés chaque fois à un bloc d'ancrage 4 pour l'élément de commutation, se situent sur deux parallèles dis tantes l'une de l'autre. Les extrémités 9, 10 sont en regard du bloc d'ancrage 4 correspondant. Ces extrémités 9, 10 sont reliées au troisième segment 8. Ce segment présente un prolongement 11 dépassant de l'extrémité 9. Les deux premiers segments 6, 7 sont beaucoup plus rigides que le segment 8 reliant leurs extrémités 9, 10. Dans le mode de réalisation représenté, cela résulte d'une plus grande épaisseur de ces segments. Le segment intermédiaire 8 est plus mince et ainsi plus souple. Le prolongement 11 est certes également mince ; pour obtenir des efforts importants on peut rendre ce prolongement plus rigide. Dans la première position (partie (A) de la figure) le segment intermédiaire 8 et le prolongement 11 font entre eux un angle d'environ 900 par rapport aux deux segments 6, 7. Lorsqu'on applique une tension au support 1, la distance entre les deux blocs d'ancrage diminue. Comme le segment intermédiaire 8 est beaucoup plus facilement déformable que les deux segments voisins 6 et 7, il est déformé d'une manière telle qu'il forme avec les deux segments voisins 6, 7, un angle inférieur à 900. L'extrémité libre du prolongement 11 du segment intermédiaire 8 exécute ainsi un mouvement circulaire. L'amplitude de ce mouvement et ainsi le rapport de démultiplication dépend du rapport des longueurs entre le segment intermédiaire 8 et le prolongement 11. On peut réaliser sans difficulté des rapports de démultiplication de 10 à 20. Une réduction du support dans la direction de la flèche, correspondant à 1 ym, donne ainsi une course de réglage allant jusqu'à 20 ym. La fabrication de l'actionneur en micromécanique peut se faire selon les procédés connus de microstructure. Par exemple, lorsque la surface extérieure libre d'un support piézo-électrique est munie d'une couche conductrice d'électricité qui est structurée de manière connue par photolithogravure, et que sur celle-ci on applique une autre couche d'un métal comme du titane qui est également structuré. Le support ainsi préparé est revêtu d'une couche d'une matière sensible aux rayonnements telle que du polyméthacrylate (PMMA). A l'aide d'un masque qui comporte comme zone ouverte la forme des sections des blocs d'ancrage et de l'élément de commutation en forme de ruban, parallèle à la surface du substrat, on traite la matière synthétique avec de la lumière. Les zones irradiéées de la matière plastique sont enlevées par développement. Puis on remplit la zone ainsi développée, par procédé galvanique, d'un métal qui ne peut être corrodé, au cours dune étape de procédé suivante ; les couches conductrices électriques, partiellement dégagées, qui se trouvent en-dessous, servent d'électrodes et la couche de matière plastique résiduelle sert de moule. Après enlèvement de la couche de matière plastique résiduelle on peut enlever sans difficulté la couche métallique à attaque sélective sans attaquer la couche conductrice d'électricité et le métal galvanisé. Ainsi, l'élément de commutation devient mobile sur le support. Il est en outre possible selon les mêmes étapes du procédé, par une fabrication parallèle, de réaliser un grand nombre d'actionneurs simultanément, si l'on utilise un support de dimensions appropriées et un masque ayant un nombre correspondant de zones ouvertes. Il suffit alors simplement de séparer les actionneurs terminés et d'établir les contacts électriques par des fils de liaison. De même, il est possible par des procédés de lithographie et des procédés galvaniques de réaliser sur ce substrat uniquement ou consécutivement les éléments à déplacer par l'actionneur comme par exemple des contacts de commutation ou des crémaillères. REVENDICATIONS 10) Actionneur micromécanique caractérisé en ce qu'il comprend a) un support (1) en piézo-céramique, à surface (2) libre, en une matière électro ou magnétostrictive qui sous l'effet d'une tension appliquée, d'un champ électrique ou d'un champ magnétique se raccourcit dans une direction (3), b) deux blocs d'ancrage (4) prévus sur la surface libre (2) du support (1), en étant reliés rigidement au support (1), à une certaine distance, ces blocs étant sur une parallèle dans la direction (3), c) un élément de commutation (5) au moins partiellement souple qui est monté dans les blocs d'ancrage (4) et les relie sans être en contact avec la surface libre (2) du support (1), - dans une première position qui est atteinte sans effet de la tension appliquée du champ électrique ou magnétique au substrat (1), l'élément de commutation (5) est essentiel lement libre par rapport aux forces agissant par l'intermédiaire des blocs d'ancrage (4) et - dans une seconde position dans laquelle on arrive en fai sant agir la tension appliquée, le champ électrique ou ma gnétique sur le support (1), l'élément de commutation (5) est dans un état de contrainte à forme modifiée. 20) Actionneur micromécanique caractérisé en ce qu'il comprend a) un support ayant une surface (2), libre, en piézo-céramique, en une matière électro ou magnétostrictive qui sous l'effet d'une tension appliquée, d'un champ électrique ou d'un champ magnétique se dilate dans une direction, b) deux blocs d'ancrage (4) prévus sur la surface libre (2) du support (1) et reliés rigidement à celui-ci, en étant à une certaine distance l'un de l'autre, ces blocs étant situés dans un plan parallèle à la direction, c) un élément de commutation (5) au moins partiellement souple, fixé aux blocs d'ancrage (4) et reliant ceux-ci, sans être toutefois en contact avec la surface libre (2) du support (1) et cet élément de commutation (5) - dans une première position, sous l'effet de la tension ap pliquée par le champ électrique ou magnétique sur le sup port (1), est essentiellement libre de force agissant par les blocs d'ancrage (4), et - dans une seconde position, en l'absence de tension, de champ électrique ou de champ magnétique, sur le support (1), se trouve dans un état de contrainte avec une forme modifiée. 30) Actionneur micromécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de commutation (5) a une forme de ruban qui dans une première position se situe principalement sur la ligne de jonction entre les blocs d'ancrage (4) et dans une deuxième position prend une forme courbe. 40) Actionneur micromécanique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de commutation (5) se compose de trois segments adjacents (6, 7, 8) parmi lesquels - deux segments (6, 7) sont chaque fois montés sur un bloc d'ancrage (4), et possèdent une extrémité (9, 10) opposée chaque fois aux blocs d'ancrage (4), ces segments étant pa rallèles et distants, - un troisième segment (8) reliant les deux extrémités (9, 10) et portant un prolongement (11) qui dépasse au moins de l'une des deux extrémités (9, 10). 50) Actionneur micromécanique selon l'une des revendications 1 à 4, ayant une distance des blocs d'induit inférieure à 10 mm.