Brevet FR2816525A1 — publié le 20020517

DISPOSITIF DISPENSATEUR DE FLUIDE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF. Domaine technique La présente invention concerne un dispositif dispensateur de fluide et un procédé de réalisation d'un tel dispositif. L'invention vise des applications très variées de la fluidique dans des domaines tels que, par exemple, celui des micropipettes commandées, des biopuces, des équipements de garnissage des biopuces, des micro-pompes, des micro-injecteurs, ou des systèmes de refroidissement des composants électroniques. Elle vise en particulier la réalisation de têtes d'impression pour des imprimantes à jet d'encre de haute résolution. Etat de la technique antérieure. Les systèmes fluidiques comportent, pour la plupart, une cavité ou un réservoir contenant le fluide à distribuer, généralement un liquide. La cavité présente une paroi percée d'une ou de plusieurs ouvertures pour l'éjection du fluide et est associée à des moyens de commande de l'éjection du fluide. Ces moyens de commande peuvent comporter des moyens moteurs mécaniques ou thermiques pour l'éjection du fluide. Une illustration de l'état de la technique sous la forme d'une tête d'imprimante thermique, est donnée par la figure 1 annexée. La figure 1 représente de manière schématique et simplifiée les principaux éléments d'une tête d'imprimante. Dans cet exemple, le fluide est une encre. La tête de la figure 1, comprend une plaque d'éjection 10, sensiblement plane, avec des orifices 12 de sortie du fluide. La plaque d'éjection 10 est solidaire d'un substrat de circuit intégré 14 qui forme pour l'essentiel les moyens de commande de l'éjection du fluide. Le substrat comprend un circuit intégré 16 indiqué en trait discontinu. Le circuit 16 est destiné à traiter des instructions d'impression, et à commander l'alimentation électrique de résistances chauffantes 18 placées à sa surface. Les résistances chauffantes 18 constituent ici les moyens moteurs pour l'éjection du fluide. Elles sont disposées en face des orifices 12 et permettent un chauffage suffisant de l'encre 11 pour la vaporiser et provoquer l'éjection de gouttelettes d'encre 13. Le mécanisme de formation de gouttelettes n'est pas décrit en détail ici car il ne fait pas directement partie de l'invention. On rappelle simplement que la formation d'une gouttelette comprend généralement une phase de chauffage et une phase de refroidissement. Lors de la phase de chauffage l'encre se dilate localement et forme à l'extérieur de l'orifice d'éjection 12 une goutte. La phase de refroidissement, provoque une rétractation de l'encre derrière la goutte et permet sa libération. Un espaceur 20, sous la forme de cordon de résine adhésive, a pour but de fixer la plaque d'éjection 10 sur le substrat de circuit intégré 14, de maintenir une certaine distance entre ces deux parties, et de ménager un canal d'accès 30 de l'encre vers les orifices 12. Le substrat 14 de circuit intégré peut être relié à un réservoir d'encre 22, soit directement, soit, comme le montre la figure 1, par l'intermédiaire d'un substrat d'interconnexion 24. Un lien mécanique entre le substrat 14 de circuit intégré et le substrat d'interconnexion 24 est réalisé par une couche d'adhésif 26. Une connexion électrique est réalisée par l'intermédiaire de fils 28, en contact avec des bornes non représentées. On peut également remarquer un passage 32 pour l'encre, qui traverse le substrat 14 de circuit intégré. Des flèches indiquent le déplacement de l'encre du réservoir vers les orifices 12. Une variante de conception de la tête d'imprimante de la figure 1 est représentée à la figure 2. Des références identiques sont utilisées pour des parties équivalentes à celles de la figure 1. te dispositif de la figure 2 est dépourvu de substrat d'interconnexion. Le substrat de circuit intégré 14, équipé des résistances chauffantes 18, est relié à la plaque d'éjection 10 par l'intermédiaire d'un pavé de colle ou de résine 20, par exemple, qui sert d'espaceur. Un cordon de la même colle est disposé à la périphérie de la plaque d'éjection 10 pour maintenir une certaine distance entre la plaque d'éjection 10 et une cartouche d'encre 22 qui sert de support. Finalement, l'adhésif permet encore de ménager un canal 30 d'accès de l'encre aux orifices de sortie 12 et de ménager une cavité ou une chambre contenant de l'encre à proximité des orifices de sortie. Dans d'autres réalisations, la résine ou l'adhésif prévu entre la plaque d'éjection et le support auquel la plaque est fixée, peut être mis en forme pour définir une pluralité de canaux d'accès à une pluralité d'orifices de sortie. La résolution des imprimantes, ou de façon plus générale des dispositifs dispensateurs de fluide, est fixée par la distance minimum qui sépare les orifices de sortie du fluide. Elle dépend donc aussi de la densité des canaux d'accès à ces orifices. Un facteur limitant pour ces paramètres est l'épaisseur de l'adhésif disposé entre la plaque d'éjection et le support associé. Pour jouer son rôle d'espaceur, l'adhésif doit présenter une épaisseur de l'ordre de 25lis. L'épaisseur est considérée ici comme la distance que maintient l'adhésif entre la plaque d'éjection et le support. Or, il s'avère qu'un facteur de forme voisin de 1, limite la largeur de l'adhésif parallèlement au plan de la plaque d'éjection ou de son support. En d'autres termes, le rapport entre la largeur minimum et l'épaisseur de l'adhésif n'est généralement pas inférieur à 1, ce qui signifie que l'adhésif ne peut pas être plus épais que large. De plus, lorsque l'adhésif est un film photosensible épais, son développement dégrade la définition des motifs. La dégradation se traduit, par exemple, par un arrondissement des angles. Il en résulte que la résolution des imprimantes et des dispositifs dispensateurs de fluides est limitée à l'heure actuelle à une valeur maximum de l'ordre de 600 dpi (600 points par pouce). Exposé de l'invention. La présente invention a pour but de proposer un dispositif dispensateur de fluide ne présentant pas les limitations évoquées ci-dessus. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif dispensateur, et notamment une tête d'imprimante, susceptible de présenter une résolution élevée. L'invention a encore pour but de proposer un procédé de réalisation d'un dispositif dispensateur qui soit économique et adapté à la fabrication en série. Pour atteindre ces buts, l'invention propose plus précisément un dispositif dispensateur de fluide comprenant une plaque d'éjection de fluide avec au moins une orifice de sortie du fluide, et des moyens de commande de l'éjection de fluide. Ceux-ci sont reliés à la plaque par au moins un espaceur, pour ménager un canal d'adduction du fluide vers l'orifice. Conformément à l'invention, le dispositif comprend une pièce moulée formant d'un seul tenant la plaque d'éjection et l'espaceur. L'utilisation d'une pièce moulée plutôt qu'une plaque d'éjection sensiblement plane, présente un grand nombre d'avantages. Une pièce moulée peut en effet inclure des reliefs tels que des canaux de passage de fluide, des cavités ou des reliefs garantissant l'espacement nécessaire entre les orifices et les moyens de commande de l'éjection, par exemple. Elle combine donc les fonctions de la plaque d'éjection et de l'espaceur. Lorsque la pièce moulée est fixée sur un support par l'intermédiaire d'un film adhésif, le facteur de forme de ce film n'est plus un paramètre limitant. En effet, dès lors que l'espacement est garanti par le relief de la pièce moulée, l'épaisseur de l'adhésif est sans importance et peut donc être très faible. Selon un aspect particulier de l'invention, la pièce moulée peut être une pièce en polymère. L'utilisation d'un polymère permet de conférer à la pièce moulée un relief très fin et de grande précision. Une grande finesse du relief est favorable à la réalisation de dispositifs dispensateurs de résolution élevée. De plus, le moulage de pièces de polymère permet de mettre en oeuvre des techniques propres à la microélectronique. Cet aspect est examiné ultérieurement. Le polymère peut être remplacé par d'autres matériaux susceptibles d'être moulés, tels que, par exemple, une colle époxy. Le polymère peut encore être combiné à d'autres matériaux, tels que des métaux, pour la réalisation de pièces moulées multicouches. Les moyens de commande de l'éjection du fluide peuvent être des moyens mécaniques, ou électromécaniques, ou des moyens thermiques comportant des résistances électriques pour le chauffage localisé du fluide. Cette dernière solution est en particulier retenue pour les imprimantes thermiques à jet d'encre. Dans une réalisation particulière du dispositif, les moyens de commande de l'éjection du fluide peuvent comporter un substrat, par exemple un substrat équipé de résistances chauffantes, et la pièce moulée peut être fixée sur ce substrat par l'intermédiaire d'un matériau soudable. On entend par matériau soudable un matériau métallique à faible température de fusion, tel que de la soudure, ou un alliage à base de Pb, In, et/ou Sn, par exemple. Un tel materiez est susceptible de réaliser un contact mécanique et électrique entre des composants ou des plots d'accrochage mouillables par ce matériau. De plus, la pièce moulée et le substrat peuvent comporter, dans un région de contact, des reliefs à complémentarité de forme. Enfin, on peut obtenir une bonne étanchéité entre la pièce moulée et son substrat de support en mettant en place un matériau d'étanchéité liquide maintenu par capillarité entre ces pièces. L'invention concerne également un procédé dè réalisation d'un dispositif dispensateur de fluide comprenant la préparation d'une matrice en un matériau à base de silicium, l'application d'une couche de matériau de moulage sur la matrice, le durcissement de ladite couche de matériau de moulage, et la séparation de la couche et de la matrice. Le matériau de moulage est un matériau susceptible d'épouser la forme de la matrice, en la recouvrant, de façon conforme ou non, et de conserver cette forme après son durcissement. Le durcissement peut être obtenu, par exemple, par polymérisation ou par réticulation du matériau. Le matériau de moulage peut être une colle époxy, un polymère conforme tel qu'un polyimide par exemple, ou un polymère planarisant. On entend par polymère planarisant un polymère recouvrant la matrice en comblant les reliefs. Le polymère conforme, en revanche, recouvre les reliefs avec une épaisseur uniforme. Le moulage de la pièce en polymère sur une matrice en silicium, permet de tirer profit des techniques de gravure et de mise en forme du silicium. Ces techniques permettent en effet d'obtenir avec une grande précision des reliefs de petites dimensions. Elles permettent de définir des pièces servant de plaque d'éjection de fluide avec une grande densité d'orifices de sortie du fluide et de canaux associés. La gravure des orifices peut avoir lieu dans la couche de polymère avant que celle-ci ne soit détachée de la matrice. Lorsqu'elle est détachée de la matrice, la couche de polymère peut être fixée sur un support par collage ou par l'intermédiaire de bossages d matériau fusible, par exemple. Dans ce dernier cas, la pièce moulée est au préalable garnie de plots d'accrochage métalliques mouillables par le matériau retenu pour former les bossages. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cetce description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures -La figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique simplifiée d'une tête d'imprimante d'un type connu. - La figure 2, déjà décrite, est une coupe schématique simplifiée d'une autre tête d'imprimante, également d'un type connu. - Les figures 3 à 7 montrent, sous la forme de coupes schématiques, l'évolution de la fabrication d'un dispositif conforme à l'invention selon un procédé également conforme à l'invention. - La figure 8, est une coupe schématique d'une pièce moulée sur une matrice de moulage et illustre une variante de mise en oeuvre de l'étape du procédé de fabrication de la figure 4. - La figure 9 est une coupe schématique montrant, à échelle agrandie, un détail d'une région de contact entre une pièce moulée et un substrat de support de cette pièce. - La figure 10 est une coupe schématique montrant, à échelle agrandie, un détail d'une région de contact entre une pièce moulée et un substrat de support de cette pièce, et illustre une variante de la technique de fixation de la pièce moulée. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention. Dans le texte qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées avec les mêmes références numériques pour éviter la répétition de leur description. La figure 3 montre une plaque de silicium 100 dont 1 une des faces 102, appelée face de moulage, est mise en forme par différents procédés connus et empruntés aux techniques de la microélectronique. A titre d'exemple, on peut former sur les faces libres de la plaque de silicium une couche de masque en nitrure de silicium. Cette couche est ensuite mise en forme. Cette opération peut comporter, par exemple, le couchage d'une résine, l'insolation de cette dernière selon un motif défini, son développement, la gravure de la couche de masque pour y pratiquer des ouvertures selon le motif, et l'élimination de la résine. Elle est suivie finalement par la gravure du silicium sousjacent. Il s'agit là de techniques classiques largement éprouvées. La gravure peut avoir lieu dans une solution de KOH, en utilisant la couche de nitrure de silicium comme masque de gravure. Elle permet de conférer à la plaque de silicium un relief. Il s'agit d'un relief complémentaire à celui de la pièce moulée fabriquée ultérieurement. Un relief plus complexe peut être obtenu en répétant les opérations de formation d'un masque et les opérations de gravure du silicium. On peut utiliser un matériau autre que le silicium, mais le silicium reste un choix préféré en raison des techniques bien connues de son usinage. Dans l'exemple de la figure 3, une bosse 104 correspond à une cavité que l'on souhaite former dans la pièce moulée et un plateau 106 correspond à un canal. La plaque de silicium est désignée dans la suite du texte par matrice de moulage dans la mesure où elle est utilisée pour conférer sa forme à une pièce moulée. La figure 4 montre l'application d'une couche .. de polymère 110 sur la face de moulage 102 de la matrice de moulage, il s'agit dans l'exemple de cette figure d'une couche de polymère planarisant, par exemple un polyimide, c'est-à-dire une couche de polymère qui recouvre la face de moulage 102 en épousant son relief mais en le compensant de manière à obtenir une face libre sensiblement plane. Avantageusement la couche de polymère 110 n'est pas formée directement en contact avec la surface de la plaque de silicium mais est formée sur une couche intermédiaire destinée à faciliter le démoulage. Il s'agit, par exemple, d'une couche de matériau sacrificiel 108 qui tapisse uniformément la face de moulage 102. La couche de matériau sacrificiel est, par exemple, une couche de titane prévue pour éviter que le polymère n'accroche directement sur la matrice. Selon une variante, il est également possible de réaliser un moule intermédiaire qui se démoule facilement de la matrice et du matériau de moulage. Ce moule intermédiaire peut être par exemple en silicone ou en un matériau plastique et peut être réutilisé lors d'une fabrication en série. L'application de la couche de polyimide sur la matrice de moulage ou sur la couche intermédiaire est suivie d'une étape de réticulation ou de durcissement du polymère. La figure 5 montre la gravure d'un trou traversant la couche de polymère 110 dans la région correspondant à la bosse 104. Il s'agit d'un trou traversant, gravé par exemple par plasma, pour former un orifice de sortie de fluide 112. La figure 6 correspond à une étape de séparation de la couche de polymère, désignée désormais par pièce moulée 110 et de la matrice de moulage 100. La séparation est provoquée, ou tout au moins facilitée par gravure chimique de la couche sacrificielle 108 de titane. On observe sur la figure 6 que la pièce moulée présente une partie en dépression 132 susceptible de constituer un canal, une deuxième partie 133, en plus forte dépression, susceptible de constituer une cavité, au voisinage de l'orifice 112, et une bordure 142 qui n'est pas en dépression et qui est susceptible de servir d'espaceur lors d'un report de la pièce moulée sur un autre support. La pièce moulée forme ainsi, d'un seul tenant, la plaque d'éjection de fluide et un espaceur. La figure 6 montre également la formatioh sur la pièce moulée de plots d'accrochage métalliques 140. Les plots d'accrochage sont formés, par exemple, par le dépôt successif de trois couches de métal : du titane, du nickel et de l'or, puis par gravure de ces couches selon un motif défini par un masque de résine photosensible (non représenté). La gravure permet de définir les plots 140 à trois couches en des régions 142 de fixation de la pièce moulée sur un support. Après la gravure des plots, le masque de résine est éliminé. La figure 7 montre le report de la pièce moulée sur un substrat de support 114. Il s'agit d'un substrat ... du même type que le substrat de circuit intégré déjà évoqué en relation avec la figure 1, lors de la présentation de l'état de la technique antérieure. Le substrat de support comprend une ou plusieurs résistances chauffantes 118 et un circuit électronique intégré 116 pour la commande de ces résistances. Ces moyens sont des moyens de commande de l'éjection de fluide. Le substrat présente également un passage de fluide 135 et peut être collé sur un réservoir 122 tel qu'une cartouche à encre. Lors du report de la pièce moulée 110 sur le support 114, la position relative de ces parties est ajustée de sorte que l'orifice de sortie de fluide 112 soit disposé face à la résistance chauffante 118. La pièce moulée est fixée au support 114 par l'intermédiaire de bossages de matériau fusible 144 qui sont solidaires des plots d'accrochage 140 de la pièce moulée 110, évoqués ci-dessus, et de plots d'accrochage appariés 146, sensiblement identiques, ménagés sur le substrat de support 114. Le matériau fusible, par exemple de la soudure à faible température de fusion, est d'abord mis en place sur un plot de chaque paire de plots d'accrochage à solidariser. La pièce moulée et le substrat de support sont reportés l'un sur l'autre en faisant coïncider les plots d'accrochage appariés. Puis, le substrat et la pièce moulée sont chauffés à une température suffisante pour faire fondre le matériau fusible, mais inférieure à une température susceptible d'altérer ces pièces ou leurs composants. Un ajustage précis de ces deux pièces est obtenu automatiquement *t grâce à des tensions superficielles du matériau fondu. Après son refroidissement et sa solidification, le matériau fusible forme des billes ou des bossages 144 qui assurent un contact mécanique, et éventuellement électrique entre le substrat de support et la pièce moulée. La technique d'hybridation par billes de matériau fusible est en soi bien connue. La figure 9, décrite plus loin montre à plus grande échelle une bille de matériau fusible. Les billes de matériau fusible contribuent à maintenir un certain espacement entre des parties de la pièce moulée et le substrat de support. Ce rôle est pourtant accessoire dans la mesure où la forme conférée à la pièce moulée permet de contrôler également, et avec précision, cet espacement. A titre de variante, les billes de matériau fusible peuvent être remplacées par une colle, un film d'adhésif ou des préformes adhésives. Dans ce cas, et contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, l'épaisseur et le facteur de forme du film adhésif ou de la colle ne sont pas critiques. Le film n'a en effet dans ce cas qu'une fonction d'adhérence et non pas nécessairement d'espacement. Par retour à la figure 7, on observe enfin que la région de contact de la pièce moulée avec le substrat de support, est pourvue d'un joint d'étanchéité 148. Ce joint est également mieux visible sur la figure 9 décrite ultérieurement. La figure 8 montre une possibilité alternative de moulage de la pièce 110. Dans l'exemple de la figure 8, une couche de polymère conforme, par exemple une couche de polyimide, est déposée sur la matrice 100. La couche épouse le relief de la matrice 100 et présente une épaisseur sensiblement uniforme. On observe également que la matrice de moulage 100 est dépourvue de couche sacrificielle. La figure 9, montre à plus grande échelle une région 142 dans laquelle une pièce moulée 110 est fixée au substrat de support. La fixation a lieu par l'intermédiaire d'un bossage 144 qui relie un plot d'accrochage 140 de la pièce moulée à un plot d'accrochage 146 du substrat de support. Comme les billes de matériau fusible n'ont pas de rôle d'espacement, leur hauteur peut être faible. Elle est par exemple de 40fi. En revanche, en raison du relief conféré à la pièce moulée la distance séparant le substrat de support et la pièce moulée dans une région de canal 132 est, par exemple de 300Rm. Ces dimensions ne sont pas respectées sur la figure dont l'échelle n'est pas uniforme. Le joint d'étanchéité 148 est réalisé au moyen d'une résine fluide (par exemple Hysol 4520) qui peut être mise en place avant ou, de préférence après l'hybridation par billes de matériau fusible. La résine est maintenue dans la région d'assemblage 142 grâce à un phénomène de capillarité. Les matériaux des surfaces en contact avec le joint liquide sont choisis ou traités pour être mouillables par le joint. Enfin le matériau de joint est choisi de préférence pour ne pas être miscible avec le fluide susceptible d'être contenu dans, l'espace défini entre la pièce moulée et le substrat de support. Il peut être ultérieurement durci. La figure 10 montre, également à plus grande échelle, un détail d'un dispensateur de fluide et illustre une autre possibilité d'assemblage de la pièce moulée et du substrat. L'assemblage est un assemblage par emboîtement. La pièce moulée est pourvue dans la région d'assemblage 142 d'une denture 150. La denture est réalisée en gravant la matrice de moulage de façon à lui conférer une denture complémentaire. Ainsi, la denture 150 est réalisée d'un seul tenant avec la pièce moulée 110. Une denture complémentaire 152, en une résine ou d'autres matériaux tels que du nitrure, par exemple, est également formée sur le substrat de support 114. La denture du substrat et celle de la pièce moulée sont conçues de façon à s'emboîter par complémentarité de forme. Par ailleurs, une colle 154 ou une résine disposée entre les dentures permet la fixation entre les deux pièces tout en garantissant l'étanchéité. La denture du substrat ou de la pièce moulée peut être garnie de colle avant l'assemblage, par exemple par sérigraphie. REVENDICATIONS 1. Dispositif dispensateur de fluide comprenant une plaque d'éjection de fluide présentant au moins un orifice (112) de sortie du fluide et des moyens de commande (114,116, 118) de l'éjection de fluide, reliés à la plaque par au moins un espaceur pour ménager un canal d'adduction du fluide vers l'orifice, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce moulée (110) formant, d'un seul tenant, la plaque et l'espaceur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pièce moulée (110) présente au moins une cavité (133) associée à l'orifice de sortie du fluide et au moins un canal (132) d'arrivée de fluide. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la pièce moulée (110) est en un matériau polymère. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de commande de l'éjection du fluide comportent des résistances (118) de chauffage localisé du fluide. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de commande de l'éjection du fluide comportent un substrat (114) et dans lequel la pièce moulée est solidaire dudit substrat par l'intermédiaire d'un matériau soudable (144). " 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la pièce moulée (110) et le substrat (114) présentent dans une région de contact mutuel des reliefs (150,152) à complémentarité de forme. 7. Dispositif selon la revendication 5, comprenant entre la pièce moulée (110) et le substrat (114), un matériau d'étanchéité liquide (148), le matériau d'étanchéité étant introduit par capillarité entre la pièce moulée et le substrat. 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le fluide est une encre. 9. Tête d'imprimante à jet d'encre comprenant un dispositif selon la revendication 1. 10. Procédé de réalisation d'un dispositif dispensateur de fluide comprenant la préparation d'une matrice en un matériau à base de silicium, l'application d'une couche de matériau de moulage sur la matrice, le durcissement de ladite couche de matériau de moulage, et la séparation de la couche et de la matrice. 11. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre, après le durcissement, la gravure dans la couche de matériau de moulage d'au moins un orifice (112) de sortie de fluide. '' 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la gravure de l'orifice est réalisée avant la séparation de la couche d'avec la matrice. 13. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre, avant l'application de la couche de matériau de moulage, la formation sur la matrice d'une couche intermédiaire (108) destinée à faciliter la séparation de la couche de matériau de moulage et de la matrice. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la couche intermédiaire est une couche sacrificielle que l'on élimine lors du démoulage. 15. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la couche intermédiaire est utilisée comme un moule réutilisable. 16. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre, après la séparation de la couche de matériau de moulage, son report sur un support (114). 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la couche de matériau polymère est fixée sur le support par l'intermédiaire de billes (144) de matériau fusible.