Brevet FR2779547A1 — publié le 19991210

DISPOSITIF DE BALAYAGE PAR FAISCEAU LUMINEUX ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention se rapporte à un dispositif de balayage par faisceau lumineux ainsi qu'à son procédé de fabrication. L'invention concemrne, plus particulièrement, un dispositif de balayage comportant un support et, montés sur une face de celui-ci, une source de lumière et un miroir mobile disposé de manière à recevoir le faisceau de lumière provenant de ladite source. De tels dispositifs sont notamment utilisés pour la lecture de codes à barres. La demande de brevet EP 0 650 133 décrit un dispositif de ce type, dans lequel le support comprend une première surface plane et une deuxième surface plane également, définissant ensemble un angle de 135 . La première surface porte la source de lumière tandis que le miroir est monté pivotant au moyen de deux bras élastiques sur la deuxième surface. Le support est dégagé sous le miroir qui peut ainsi osciller librement sous l'action d'un transducteur électrostatique relié à une source d'énergie électrique dispensant un signal périodique. Un tel dispositif permet la réalisation de lecteurs de codes à barres ayant un système de balayage intégré, de faible volume et de consommation modeste. Il présente toutefois des inconvénients. En effet, la réalisation d'un support formé de deux surfaces inclinées l'une par rapport à l'autre est coûteuse. En outre, la solution décrite ne permet qu'un angle très faible de balayage. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients et de permettre la réalisation d'un dispositif présentant une structure extrêmement simple, autorisant un balayage sur un angle important, à une fréquence relativement basse et pour une faible consommation d'énergie. 2 2779547 Ce but est atteint grâce au fait que la face du support est plane et que le dispositif comporte, en outre, une structure de type cantilever et bilame, déformable élastiquement et assujettissant le miroir au support. Un tel dispositif est avantageusement réalisé par procédé photo- lithographique. Pour en optimiser la mise en oeuvre, le support est en silicium et ladite structure comporte au moins une poutre formée d'une première couche en un composé de silicium et venue de matière avec ledit support et une deuxième couche électriquement conductrice et recouvrant la première couche. io Pour assurer sa fonction de balayage, le miroir doit pouvoir réfléchir le faisceau lumineux issu de la source de lumière. Cela n'est possible que si la surface du miroir coupe le faisceau. C'est pourquoi, dans un mode particulièrement avantageux de l'invention, le faisceau lumineux est sensiblement parallèle à la face plane du support et la poutre est incurvée de façon à ce que le miroir fasse un angle compris entre 30 et 150 degrés avec ladite face. La présente invention a également pour but d'assurer un entraînement du miroir par des moyens simples et peu gourmands en énergie. A cet effet, dans un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens pour relier la couche conductrice à une source d'énergie électrique à même de générer un signal périodique qui a pour effet de la chauffer et ainsi la dilater, de manière à faire osciller le miroir. De façon surprenante, I'utilisation de l'énergie thermique pour engendrer le mouvement du miroir ne demande qu'une faible quantité d'énergie. Cela est dû aux petites dimensions du dispositif. Afin d'obtenir un miroir effectuant un mouvement de forte amplitude, pour une consommation d'énergie aussi basse que possible, la première couche de la structure est en dioxyde de silicium et la deuxième couche en chrome. De manière avantageuse, l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium est sensiblement égale à deux fois l'épaisseur de la couche de chrome. 3 2779547 Un autre but de la présente invention est d'obtenir une bonne stabilité de l'orientation du miroir. Ce but est atteint du fait que la structure de type cantilever comporte deux poutres reliant le miroir au support. Pour effectuer un balayage dans des conditions optimales, il est nécessaire que le faisceau lumineux soit focalisé. Le dispositif selon l'invention comporte donc, en outre, une lentille convergente montée sur le support entre la source de lumière et le miroir et disposée pour focaliser le faisceau sur l'objet à balayer. io Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif est complété par un capteur photoélectrique, également monté sur le support et disposé pour recevoir la lumière renvoyée par un objet balayé par le faisceau provenant de la source. Le dispositif selon l'invention est particulièrement bien adapté pour la réalisation de lecteurs de codes à barres, de faible volume et facilement industrialisables. La présente invention se rapporte également à un procédé pour la fabrication d'un dispositif comportant un support plan et un miroir monté sur le support au moyen d'une structure de type cantilever bilame. Cette structure est formée d'une poutre ayant une première couche en composé de silicium et une deuxième couche électriquement conductrice et recouvrant la première couche. Ce procédé permet de réaliser une poutre qui prend automatiquement une forme incurvée permettant d'orienter le miroir de manière adéquate par rapport au faisceau lumineux. A cet effet, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes: - oxydation des faces du support avec génération d'une tension interne de compression, - dépôt, avec tension interne de traction, de la couche électriquement conductrice destinée à former une partie de ladite poutre ainsi que de couches destinées à former le miroir, et 4 2779547 - attaque du support pour enlever le silicium sous la totalité de la surface du miroir et sous la poutre jusqu'à son point d'ancrage au support, de manière à former une creusure et dégager la structure de type cantilever. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, dans lequel: À La figure 1 montre, en perspective, un dispositif selon l'invention; La figure 2 illustre, dans des vues en coupe, les différentes étapes du processus de fabrication du dispositif; La figure 3 représente en plan (a) et en coupe (b) un dispositif selon l'invention; et ò La figure 4 est un schéma montrant la sensibilité angulaire du dispositif de suspension du miroir en fonction de l'épaisseur des couches. Le dispositif représenté à la figure 1 comprend un support 10 portant une source de lumière 11, une lentille convergente 12 et un miroir 13, disposé pour recevoir le faisceau de lumière émis par la source 11. De façon avantageuse, le support 10 porte également un capteur photoélectrique 14 destiné à recevoir le faisceau lumineux après qu'il a été renvoyé par un objet portant par exemple un code à barres. Le support 10 est formé d'une plaque plane en silicium monocristallin. La source de lumière 11 est une diode laser émettant dans le visible, comme celle vendue par Sony sous la référence SLD 1101 VS et rapportée sur le support 10. La lentille 12 est constituée d'une microlentille sphérique, avantageusement fixée par collage sur le support. La surface réfléchissante du miroir 13 est formée d'une couche de chrome 20, portée par un substrat 21, en nickel par exemple. Le miroir 13 est assujetti au support 10 par deux poutres 22 formées chacune d'un bilame, avec une couche électriquement conductrice et une couche isolante. La couche conductrice est avantageusement en chrome et la couche 2779547 isolante en dioxyde de silicium, comme on le verra de manière plus précise en référence à la figure 3b. Le support 10 est, en outre, revêtu de paires de pistes conductrices portant les références 25 et 26, 27 et 28, 29 et 30, reliant respectivement la source s de lumière 11, les poutres 22 et le capteur 14 à un dispositif de commande et à une source d'énergie électrique, non représentés au dessin. Le mode de fabrication d'un tel dispositif fait appel aux techniques de micro- usinage, utilisant largement les procédés photolithographiques. Le processus utilisé est décrit ci-après, en référence à la figure 2. Les différents io paragraphes décrivant ce processus sont identifiés par une lettre correspondant à la numérotation des éléments de la figure 2. On relèvera que, sur cette figure, l'échelle n'est pas respectée, les épaisseurs de couches étant considérablement agrandies par rapport aux longueurs, pour faciliter la lecture du dessin. A. Le dispositif est réalisé à partir d'une plaque plane de silicium monocristallin 30 dont les faces supérieure et inférieure portent chacune une couche de dioxyde de silicium, respectivement référencées 31 et 32, obtenues par chauffage de la plaque en milieu oxydant. B. La face supérieure et la face inférieure sont recouvertes d'une couche de photorésiste 33. La couche supérieure est ensuite exposée à la lumière au travers d'un masque, puis attaquée de manière à dégager une ouverture 34 au travers de laquelle apparaît la couche de dioxyde de silicium 31. C. La couche 31 de dioxyde de silicium est attaquée chimiquement, formant ainsi une ouverture 35 qui dégage le silicium monocristallin 30. D. On dépose une couche 36 d'aluminium sur toute la face supérieure du support. E. En éliminant le photorésiste 33, la couche d'aluminium 36 est également enlevée, sauf dans l'ouverture 35. 6 2779547 F. On dépose une couche de chrome 37, puis une couche d'or 38 sur l'ensemble de la face supérieure. G. La couche d'or 38 est recouverte d'une couche 39 de photorésiste. Celui-ci est exposé à la lumière au travers d'un masque, puis dissout dans les zones ayant été éclairées, de manière à définir un dégagement 40, localisé dans la partie droite de l'ouverture 35. H. Les couches d'or 38 et de chrome 37 sont attaquées de manière classique, au travers du dégagement 40, jusqu'à atteindre la couche 36 d'aluminium sous-jacente et recouvrant l'ouverture 35. On crée ainsi une ouverture 40a 1o entre la couche de chrome 37 et la couche de dioxyde de silicium 31. I. La face supérieure est à nouveau recouverte d'une couche de photorésiste, portant la référence 41, dans laquelle est pratiquée une ouverture 42 selon la même procédure que décrit plus haut. L'ouverture 42 s'étend sur la partie gauche de l'ouverture 35 et au-delà, au-dessus de l'espace portant les couches superposées de dioxyde de silicium 31, de chrome 37 et d'or 38. J. On dépose par électrolyse une couche de nickel 43 qui ferme l'ouverture 42. K. Les couches de nickel 43 et de photorésiste 41 sont recouvertes d'une couche d'or 44. L. La couche de photorésiste 41 est éliminée. La couche d'or 44 est simultanément enlevée, sauf dans la partie o elle recouvre la couche de nickel 43. M. On attaque la couche d'aluminium 36 ainsi que le silicium sous-jacent au travers de l'ouverture 40a. De la sorte, une creusure 45 est pratiquée au- dessous des zones comportant la couche de nickel 43 et les couches de dioxyde de silicium 31, de chrome 37 et d'or 38. On comprendra mieux comment la creusure 45 peut être pratiquée sous les différentes couches en se référant à la figure 3, qui en a) montre en plan et en b) en coupe le dispositif en fin de fabrication. 7 2779547 De manière plus précise, on peut voir, sur la partie en plan de cette figure, le support 10, le miroir 13, les poutres 22, les pistes conductrices 27 et 28 ainsi que la creusure 45. La partie en coupe permet de reconnaître la couche de silicium monocristallin 30, les couches de dioxyde de silicium 31 et 32, la couche de chrome 37, les couches d'or 38 et 44, la couche de nickel 43 ainsi que la creusure 45. Comme on peut le voir sur la figure 3a, la creusure 45 entoure complètement le miroir 13 et s'étend au-dessous des poutres 22. De la sorte, le miroir 13 et les poutres 22 forment ensemble une structure de type cantilever. o La figure 3b permet de comprendre la structure du dispositif en fin de fabrication. On y constate que les poutres 22 ont une structure de type bilame, formée d'une couche de dioxyde de silicium 31 et d'une couche de chrome 37. Elles sont orientées parallèlement au plan de la plaque 30. Dans la réalité, les poutres 22 sont incurvées, comme représenté à la figure 1, dès que la surface inférieure du miroir 13 est libérée. Cette forme particulière des poutres est obtenue en générant des tensions de compression dans la couche de dioxyde de silicium 31 et/ou des tensions de traction dans la couche de chrome 37 durant leur fabrication. Lorsque la couche de silicium sous-jacente est enlevée, c'est-à-dire au moment de la création de la creusure 45, les poutres 22 se déforment jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint entre les couches métalliques 37 et 38 et la couche de dioxyde de silicium 31. Les poutres 22 s'incurvent ainsi jusqu'à définir avec le support un angle pouvant atteindre 1350, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1. Grâce à cette particularité, il est possible de placer la source de lumière de sorte qu'elle émette dans une direction parallèle au plan du support, et d'usiner le miroir dans ce même plan, celui-ci prenant, sans autre, la position montrée sur la figure 1 à la fin des opérations de fabrication. 8 2779547 Dans la configuration décrite ci-dessus, la surface formant miroir est définie par la couche de chrome 37. Les procédures de fabrication et les qualités du chrome font que ce miroir est particulièrement bon. En variante, on pourrait placer les poutres 22 du côté de la source de lumière 11 et les dimensionner de manière que le miroir forme un angle de 45 avec le support 10. On obtiendrait une structure tout à fait comparable. Dans ce cas, c'est la couche d'or 44 qui remplirait la fonction de miroir. La qualité de celui-ci serait toutefois moindre, la planéité de la couche de nickel 43, sur laquelle la couche d'or 44 est déposée, étant nettement moins bonne que io celle de la couche de dioxyde de silicium 31 portant la couche de chrome 37. De manière générale et selon le type d'application, le miroir 13 forme avantageusement un angle compris entre 30 et 150 par rapport au plan du support 10. La couche de nickel 43 a pour fonction de renforcer le miroir et surtout d'ajuster sa masse d'inertie, ce qui définit la fréquence de l'oscillateur que forment ensemble le miroir 13 et les poutres 22. Pour assurer le balayage par le faisceau lumineux, on applique aux bornes 27 et 28 un signal électrique périodique dont la fréquence est égale à la fréquence propre de l'oscillateur que forment les poutres 22 et le miroir 13. Ce signal génère un échauffement des couches de chrome et, en conséquence, leur dilatation, ce qui provoque la flexion des poutres 22. Le refroidissement s'effectuant de manière très rapide dès que le courant est interrompu, il en résulte que l'oscillateur ainsi formé oscille à sa fréquence propre, avec une amplitude fonction du courant d'échauffement, et pouvant facilement atteindre 30 . De la sorte, I'angle total parcouru par le miroir 13 est de 60 et, en conséquence, le rayon lumineux balaye un angle de 120 dans un plan perpendiculaire à la surface du miroir 13. Ceci est largement suffisant pour assurer la lecture d'un code à barres. 9 2779547 Cet angle pourrait encore être augmenté, en accroissant l'intensité du courant d'impulsion. Des essais ont montré que l'amplitude de l'oscillation pouvait atteindre 90 sans affecter les caractéristiques mécaniques des poutres. La figure 4 est un diagramme montrant la sensibilité angulaire d'une structure telle que décrite, en fonction de l'épaisseur de la couche de chrome, pour différentes épaisseurs de la couche de dioxyde de silicium. Ainsi qu'on peut facilement se l'imaginer, la sensibilité angulaire est d'autant plus faible que l'épaisseur des poutres 22 est grande. Pour de très faibles épaisseurs de la couche de chrome, la sensibilité est également très faible. io Le diagramme de la figure 4 permet de voir que la sensibilité augmente jusqu'à une épaisseur de la couche de chrome égale à environ 45 % de l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium. Au-delà de cette valeur, la sensibilité décroît, à cause de l'augmentation de la raideur des poutres 22. En conséquence, pour obtenir un maximum d'amplitude pour un minimum de consommation d'énergie, on dimensionnera les couches de dioxyde de silicium et de chrome dans un rapport de 2 à 1 environ. A titre d'exemple, un dispositif selon l'invention, comportant un miroir de 500X300 Fm2, pour une épaisseur de substrat de 4.Lm et de poutres de 1.4 gm, oscille à une fréquence de 330 Hz et à une amplitude de 30 , pour une consommation de 4mW. Le dispositif tel que décrit en référence au dessin comporte deux poutres. Dans une variante non représentée, il serait également possible d'obtenir un résultat comparable au moyen d'une seule poutre. Celle-ci porte alors deux pistes de chrome, parallèles, reliées entre elles par la couche formant miroir et du côté support aux pistes 26 et 27. Dans cette configuration, le mouvement d'oscillation du miroir est toutefois moins bien maîtrisé. Il serait également possible de prévoir une structure avec deux poutres et, sur chacune d'elles, deux pistes conductrices. Une telle solution permettrait 2779547 comme jusqu'ici de faire osciller le miroir dans un plan, mais également de modifier son orientation ou de générer des mouvements complexes. Il serait, de la sorte, possible de définir la surface balayée par le rayon lumineux en appliquant les signaux adéquats sur les pistes conductrices de chacune des poutres. nr l 2779547 REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage par un faisceau lumineux, comportant un support (10) et, montés sur une face de celui-ci, une source de lumière (11) et un miroir mobile (13) disposé de manière à recevoir un faisceau de lumière provenant de ladite source (11), caractérisé en ce que ladite face est plane et en ce qu'il comporte en outre une structure (22) de type cantilever et bilame, déformable élastiquement et assujettissant le miroir (13) au support (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support 1o (10) est en silicium et ladite structure comporte au moins une poutre (22) formée d'une première couche (31) en un composé de silicium et venue de matière avec ledit support (10) et une deuxième couche (37) électriquement conductrice et recouvrant la première couche (31). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit faisceau est sensiblement parallèle au plan du support (10) et en ce que la poutre (22) est incurvée de façon à ce que le miroir (13) fasse un angle compris entre 30 et 150 degrés avec ladite face. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (27, 28) pour relier ladite couche conductrice (37) à une source d'énergie électrique à même de générer un signal périodique qui a pour effet de la chauffer et ainsi la dilater de manière à faire osciller ledit miroir (13). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la première couche (31) est en dioxyde de silicium et la deuxième couche (37) en chrome. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (31) de dioxyde de silicium est sensiblement égale à deux fois l'épaisseur de la couche de chrome (37). 12 2779547 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite structure comporte deux poutres (22) assujettissant le miroir (13) au support (10). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une lentille convergente (12) montée sur le support (10) et disposée pour focaliser ledit faisceau sur le miroir. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un capteur photo-électrique (14) monté sur le support (10) et disposé pour recevoir la lumière renvoyée par un objet balayé par le 1o faisceau provenant de ladite source (12) 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre la lecture de codes à barres. 11. Procédé pour la fabrication d'un dispositif selon la revendication 3 à partir d'un support en silicium (10), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - oxydation des faces du support (31) avec génération d'une tension interne de compression, - dépôt de la couche électriquement conductrice (37) destinée à former une partie de ladite poutre (22), ainsi que de couches (43) destinées à former le miroir (13), et - attaque du support (10) pour enlever le silicium (30) sous la totalité de la surface du miroir (13) et sous la poutre (22) jusqu'à son point d'ancrage au support (10), de manière à former une creusure (45) et dégager la structure de type cantilever.