Brevet FR2830004A1 — publié le 20030328

MICRO-ACTIONNEUR DE MIROIR La présente invention concerne un micro-actionneur de pièce mobile, et plus particulièrement un micro-actionneur de petits éléments optiques mobiles, tels que des miroirs. De très petits miroirs mobiles peuvent être utilisés en tant que commutateurs dans des réseaux de fibres optiques. De façon générale, un tel miroir peut occuper deux positions. Dans une première position, il laisse le passage à un faisceau lumineux émis depuis l'extrémité d'une première fibre optique vers l'extrémité d'une deuxième fibre optique. Dans une seconde position, il dévie le faisceau lumineux émis depuis l'extrémité de la première fibre optique vers l'extrémité d'une troisième fibre optique. Le déplacement du miroir mobile entre les deux positions est réalisé par le micro-actionneur. On a développé ces dernières années divers types de microactionneurs utilisant des techniques de fabrication voisines de celles des circuits intégrés. Par exemple, on a réalisé des micro-actionneurs dans un substrat du type silicium sur isolant (Silicon On Isolator, ou SOI), comprenant des tranches supérieure et inférieure de silicium monocristallin séparées par une couche isolante. Le miroir et le micro-actionneur sont réalisés dans la tranche supérieure. Le micro-actionneur comprend des parties mobiles, supportant la pièce à déplacer, reliées au reste du substrat par des zones de moindre épaisseur pouvant se déformer élastiquement, et permettant ainsi le déplacement des parties mobiles par rapport aux parties fixes. De façon générale, la force motrice à l'origine du déplacement des parties mobiles par rapport aux parties fixes provient d'actionneurs électrostatiques comprenant des peignes interdigités. Les parties fixe et mobile sont électriquement indépendantes et polarisées par des tensions continues de façon à produire des forces électrostatiques. Une telle structure peut être fabriquée de la façon suivante : on vient graver de façon anisotrope par voie humide ou sèche la tranche supérieure du substrat pour réaliser les parties mobiles et les zones de moindre épaisseur reliant les parties mobiles aux parties fixes. On vient ensuite supprimer par voie humide l'isolant, de façon générale de l'oxyde de silicium, présent sous les parties mobiles pour les désolidariser du reste du substrat. Les inconvénients principaux de tels micro-actionneurs résident dans la difficulté à réaliser la libération des parties mobiles par rapport aux parties fixes, et dans leur grande sensibilité aux chocs et à la contamination par des particules extérieures. En effet, lors de l'opération d'élimination de la couche d'oxyde de silicium, celle-ci est sous-gravée aussi bien sous les parties mobiles que sous les parties fixes avoisinantes. Les dimensions respectives des parties mobile et fixe doivent être déterminées avec précision afin qu'au cours de la sousgravure de la couche d'oxyde, seules les parties mobiles soient libérées et qu'aucune partie fixe ne soit désolidarisée du substrat. Il est alors nécessaire de prévoir de nombreuses ouvertures dans les parties mobiles de façon à faciliter la sousgravure de la couche d'oxyde de silicium. En outre, les parties mobiles du micro-actionneur ne sont espacées de la tranche inférieure du substrat que par un interstice résultant de l'élimination de la couche d'oxyde de silicium, qui est de l'ordre du micromètre. A la suite d'un choc ayant mis en contact les surfaces des parties mobiles et de la tranche inférieure du substrat, les parties en contact peuvent rester collées sous l'effet de forces de liaisons chimiques de type Van der Vals. De même, des particules peuvent s'insérer dans l'interstice séparant les parties mobiles de la tranche de silicium inférieure et gêner voire empêcher le déplacement des parties mobiles. Dans le cas où le micro-actionneur est associé à un miroir, ce dernier est réalisé dans la tranche supérieure dans le même plan que le micro-actionneur, par exemple à l'extrémité d'un bras des parties mobiles du micro-actionneur. Le volume occupé par le micro-actionneur et le miroir peut alors être relativement important. En outre, la fabrication du miroir peut requérir des étapes de traitement spécifiques, telles qu'un revêtement métallique, dont la mise en oeuvre est compliquée par la présence du micro-actionneur. La présente invention vise à proposer un micro-actionneur de pièce mobile, notamment un miroir, ne présentant pas les inconvénients mentionnés précédemment. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un micro-actionneur d'une pièce mobile formé à partir de première et deuxième tranches de silicium séparées par une couche isolante, dans lequel la pièce mobile est réalisée dans la première tranche de silicium et le micro-actionneur est réalisé dans la deuxième tranche de silicium. Selon un mode de réalisation de l'invention, le microactionneur comporte un support de la pièce mobile en forme de H dont les deux branches parallèles comprennent des doigts parallèles entre eux et au sens de déplacement de la pièce mobile interdigités avec des doigts d'éléments fixes, les branches étant reliées à un plot fixe par un bras élastique. Selon un mode de réalisation de l'invention, les doigts des branches du support sont alimentés par une source d'alimentation à un premier potentiel déterminé, les doigts de l'un des éléments fixes étant alimentés par une source d'alimentation à un deuxième potentiel de façon à produire des forces électrostatiques pour déplacer le support par rapport aux tranches. Selon un mode de réalisation de l'invention, les deux branches sont reliées par une branche centrale supportant la pièce mobile. Selon un mode de réalisation de l'invention, les extrémités en vis-à-vis de chaque branche sont reliées l'une à l'autre par un bras élastique principal qui s'étend en partie parallèlement aux branches, et en partie parallèlement à la branche centrale et au voisinage de celui-ci, le bras principal étant relié au plot fixe par un bras élastique secondaire parallèle aux branches. Selon un mode de réalisation de l'invention, en l'absence de forces électrostatiques, les doigts de l'une des branches pénètrent davantage entre les doigts de l'élément fixe associé que les doigts de la branche opposée entre les doigts de l'élément fixe associé. Selon un mode de réalisation de l'invention, la pièce mobile est un miroir mobile. Selon un mode de réalisation de l'invention, la première tranche comprend un ensemble de canaux recevant chacun une fibre optique et agencé en étoile autour du micro-actionneur. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un micro-actionneur de pièce mobile dans des première et deuxième tranches de silicium séparées par une couche isolante, consistant à graver les tranches de silicium, la couche isolante formant un arrêt de gravure, pour former respectivement dans la première tranche la pièce mobile et une ouverture sensiblement au niveau de parties mobiles du microactionneur, et dans la deuxième tranche le micro-actionneur ; et graver la couche isolante exposée du côté de la première tranche. Cet objet, ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente une vue en perspective d'un miroir mobile mis en mouvement par un micro-actionneur selon la présente invention ; la figure 2 représente une vue de dessous en coupe du dessin de la figure 1 ; la figure 3 représente une section de la figure 2 selon la ligne III-III i la figure 4 représente une coupe de la figure 2 selon la ligne IV-IV ; et la figure 5 représente un détail de la figure 2. L'allure générale d'un micro-actionneur selon la présente invention est illustrée en perspective sur la figure 1, et en coupe sur la figure 2. Le micro-actionneur 10 est réalisé sur un substrat de type silicium sur isolant (SOI) qui comprend des première 11 et deuxième 12 tranches de silicium, séparées par une couche isolante 13, par exemple de l'oxyde de silicium. Le micro-actionneur 10 est réalisé dans la deuxième tranche de silicium 12 au niveau d'une ouverture 14 traversant la première tranche 11. Il comprend un support 15 en forme de"H" ayant une branche centrale 16 et deux branches parallèles 17,18. La branche centrale 16 supporte un miroir 20, réalisé dans la première tranche de silicium 11 par l'intermédiaire d'une portion 21 de la couche d'oxyde de silicium 13. A titre d'exemple, la première tranche 11 a une hauteur comprise entre 100 et 250 p. m, la deuxième tranche 12 a une hauteur comprise entre 50 et 150 gm et la couche isolante 13 a une hauteur comprise entre 0,5 et 2 ; um. L'ouverture 14 correspond à un parallélépipède dont les dimensions sont de 800 yam par 1800 ; am. Chaque branche 17,18 comporte un peigne 23,24 composé de doigts, en forme de lames, qui interdigitent respectivement avec les doigts d'un peigne 25,26 situé sur un élément fixe 27, 28. Les extrémités d'une branche 17,18 sont reliées aux extré- mités de l'autre branche 17,18, placées en vis-à-vis, par un bras principal 29,30. Chaque bras principal 29,30 présente, sur la figure 2, la forme générale d'un"U"dont la base 33,34 s'étend parallèlement à proximité de la branche centrale 16 et les côtés s'étendent parallèlement aux branches 17,18 puis s'inclinent pour rejoindre les extrémités des branches 17,18. Les bases 33,34 des bras principaux 29,30 sont respectivement reliées à des plots 39,40, fixes par rapport au substrat, par deux bras secondaires 35,36, 37,38 qui s'étendent parallèlement aux branches 17,18. Les bras principaux 29,30 et secondaires 35,36, 37, 38 peuvent fléchir autour d'un axe perpendiculaire aux tranches de silicium de façon à permettre le déplacement du support 15, selon une direction D perpendiculaire aux branches 17,18. A titre d'exemple, les bras principaux 29,30 ont une épaisseur dans la partie où ils sont parallèles aux branches 17,18 de l'ordre de 3 à 6) um et une épaisseur dans la partie où ils sont perpendiculaires aux branches 17,18 de l'ordre de 10 à 15 ism. Les bras secondaires 35,36, 37,38 ont une épaisseur de l'ordre de 3 à 6 Um. Comme on le voit en considérant les figures 3 et 4, un retrait 41 est réalisé sur l'ensemble du support 15, des bras principaux 29,30 et secondaires 35,36, 37,38 et une partie des éléments fixes 27,28 et des plots fixes 39,40. Ce retrait permet d'éviter tout contact direct du micro-actionneur 10 avec une surface sur laquelle la deuxième tranche 12 serait déposée. La figure 5 représente un détail de la figure 2. Les éléments représentés sont la branche 18 et l'élément fixe 28 situés en haut et à gauche de la figure 2. Chaque doigt des peignes 24,26 est une lame dont la hauteur est égale à celle de la branche 18. A titre d'exemple, chaque peigne peut comporter environ 150 doigts. Sur les différentes figures, les bras principaux 29,30 et secondaires 35,36, 37,38 sont représentés en position de repos. De préférence, le micro-actionneur 10 n'est pas symétrique de sorte qu'en position de repos, les doigts du peigne 24 de la branche 18, située à droite sur la figure 2, pénètrent davantage entre les doigts du peigne 26 de l'élément fixe 28 associé que les doigts du peigne 23 de la branche 17, située à gauche sur la figure 2, entre les doigts du peigne 25 de l'élément fixe 27 associé. Les plots fixes 39,40 et les éléments fixes 27,28, illustrés en figure 2, sont reliés, par des contacts non représentés, à des sources d'alimentation électrique. Comme l'illustre la figure 1, la première tranche de silicium 11 comporte des canaux 45,46, 47,48 de section en forme de"V", destinés à recevoir des fibres optiques (non représentées). De façon générale, chaque fibre optique s'étend en porte-à-faux par dessus le micro-actionneur 10 pour venir le plus près possible du miroir 20. Le fonctionnement du micro-actionneur selon la présente invention est le suivant. Le support 15 est électriquement relié à la masse par l'intermédiaire des plots 39,40. L'élément fixe 28, situé à droite de la figure 2, est également électriquement relié à la masse tandis que l'élément fixe 27, situé à gauche sur la figure 2, est relié à une tension continue. Cette différence de potentiel est à l'origine de forces électrostatiques qui tendent à déplacer le support 15 dans la direction D, vers la gauche sur la figure 2, de façon à augmenter les surfaces en regard des doigts du peigne 25 de l'élément fixe 27 à la tension positive et les doigts du peigne 23 de la branche 17 en regard reliée à la masse. Le support 15 se déplace donc vers la gauche de la figure 2 selon la direction D jusqu'à parvenir à une position d'équilibre sous l'action des forces électrostatiques et des forces élastiques de rappel issues des bras principaux 29,30 et secondaires 35,36, 37,38 qui tendent à le ramener dans sa position de repos. Lorsque l'on cesse de relier l'élément fixe 27, situé à gauche sur la figure 2, à une tension continue, les forces de rappel tendent à ramener le support 15 vers la position de repos représentée sur la figure 2. Pour accélérer et contrôler le retour du support mobile vers la position de repos, il est possible d'inverser temporairement la polarisation des éléments fixes 27,28, c'est-à-dire de relier pendant une durée limitée l'élément fixe 28, situé sur la droite de la figure 2, à une tension continue et l'élément fixe 27, situé à gauche sur la figure 2, à la masse. Les forces électrostatiques qui apparaissent tendent à déplacer le support 15 selon la direction D, vers la droite sur la figure 2, de façon à faire pénétrer au maximum les doigts du peigne 24 de la branche 18 entre les doigts du peigne 26 de l'élément fixe 28 situé à droite de la figure 2. Ces forces électrostatiques s'ajoutent alors aux forces de rappel élastiques des bras principaux 29,30 et secondaires 35,36, 37,38. Les valeurs des différentes tensions à appliquer sur les éléments fixes 27,28, et les durées d'application de ces tensions dépendent de la cinématique du support 15 souhaitée. On obtient une course du support 15, et donc du miroir 20, de l'ordre de quelques dizaines de micromètres. Le procédé de fabrication du micro-actionneur 10 et du miroir 20 selon la présente invention peut être obtenu selon les étapes décrites ci-après. On vient former par gravure dans la première tranche de silicium 11 les canaux 45,46, 47,48, et le miroir 20 et l'ouverture 14. Dans le cas où la première tranche 11 est constituée de silicium monocristallin, on peut venir graver le silicium, comme cela est connu, suivant les plans privilégiés du cristal de façon à obtenir directement par gravure des canaux 45, 46,47, 48 en forme de"V". La couche d'oxyde de silicium 13 joue le rôle d'arrêt de gravure. On grave ensuite la deuxième tranche 12 de silicium de façon à réaliser le micro-actionneur 10. La couche d'oxyde de silicium 13 joue également le rôle d'arrêt de gravure. On élimine finalement la couche d'oxyde de silicium 13 exposée du côté de la première tranche 11 par gravure de façon à libérer les parties mobiles du micro-actionneur 10. Il est bien sûr possible de former le micro-actionneur 10 avant le miroir 20. La présente invention apporte de nombreux avantages. Premièrement, le micro-actionneur et le miroir sont réalisés dans des tranches physiquement séparées ce qui permet d'utiliser des procédés adaptés pour la fabrication de chacun d'entre eux. En particulier, les deux tranches peuvent être de nature différente ou être des tranches de silicium monocristallin d'orientations différentes, la première tranche étant choisie pour optimiser les propriétés optiques du miroir. En outre, il est possible de réaliser un miroir de grande dimension étant donné que la hauteur du miroir et donc l'épaisseur de la première tranche n'est pas limitée par la présence du micro-actionneur. Des revêtements métalliques peuvent être réalisés sur le miroir pour, par exemple, améliorer le coefficient de réflexion des parois du miroir. La réalisation des canaux venant supporter les fibres optiques par une gravure humide adaptée permet d'obtenir directement la forme en V des canaux avec un angle de 450 parfait, ainsi qu'un miroir parfaitement vertical et une très bonne qualité de surface du miroir. Deuxièmement, la disposition des différents canaux n'est pas limitée par la présence du micro-actionneur. En outre, l'ensemble formé par le miroir et le micro-actionneur occupe un espace restreint par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Troisièmement, la position de repos du support, en l'absence de toutes forces électrostatiques, correspond à une position où les doigts de peigne de l'une des branches pénètrent pratiquement au maximum entre les doigts du peigne d'un premier élément fixe. Ainsi, lorsque le support se déplace vers le second élément fixe, les bras principaux et secondaires exercent des forces de rappel qui s'opposent au déplacement. A l'inverse, lorsque le support revient vers le premier élément fixe, les forces de rappel des bras s'ajoutent aux forces électrostatiques, si bien que l'on peut obtenir, pour ce déplacement, des vitesses de déplacement importantes, et ainsi augmenter la vitesse de commutation d'un système de commutation à miroir actionné par le micro-actionneur selon la présente invention. Quatrièmement, la tolérance aux mouvements du support selon la direction perpendiculaire aux tranches est importante dans la mesure où les parties mobiles du micro-actionneur ne peuvent pas venir, dans cette direction, en contact avec un autre élément du substrat. Enfin, la position du miroir peut être facilement ajustée sur la branche centrale du micro-actionneur selon les besoins. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le micro-actionneur a été décrit pour une utilisation avec un miroir optique. Il est clair que le microactionneur peut être utilisé pour déplacer toutes pièces mobiles. De plus, le micro-actionneur a été décrit comportant quatre peignes interdigités deux à deux. Il est clair qu'il pourrait comporter une unique paire de peignes assurant le déplacement du support vers une première position, tandis que le déplacement vers une seconde position ne serait obtenu que par les forces de rappel élastiques. En outre, la position de repos du support mobile du micro-actionneur, en l'absence de forces électrostatiques, pourrait être équidistante des deux éléments fixes, le support se déplaçant, sous l'action des forces électrostatiques, vers l'un ou l'autre des éléments fixes. Enfin, pour déplacer le support mobile, au lieu de relier un élément fixe à la masse, et l'autre élément fixe à une tension continue, il est possible de relier les deux éléments fixes à des tensions continues de signe opposé. REVENDICATIONS 1. Micro-actionneur (10) d'une pièce mobile (20) formé à partir de première (11) et deuxième (12) tranches de silicium séparées par une couche isolante (13), caractérisé en ce que la pièce mobile (20) est réalisée dans la première tranche (11) de silicium et en ce que le micro-actionneur (10) est réalisé dans la deuxième tranche (12) de silicium. 2. Micro-actionneur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un support (15) de la pièce mobile (20) en forme de H dont les deux branches (17,18) parallèles comprennent des doigts parallèles entre eux et au sens de déplacement de la pièce mobile (20) interdigités avec des doigts d'éléments fixes (27,28), les branches (17,18) étant reliées à un plot fixe (39,40) par un bras élastique (29,30, 35,36, 37, 38). 3. Micro-actionneur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les doigts des branches (17,18) du support (15) sont alimentés par une source d'alimentation à un premier potentiel déterminé, les doigts de l'un des éléments fixes (27, 28) étant alimentés par une source d'alimentation à un deuxième potentiel de façon à produire des forces électrostatiques pour déplacer le support (15) par rapport aux tranches (11,12). 4. Micro-actionneur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux branches (17,18) sont reliées par une branche centrale (16) supportant la pièce mobile (20). 5. Micro-actionneur (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités en vis-à-vis de chaque branche (17,18) sont reliées l'une à l'autre par un bras élastique principal (29,30) qui s'étend en partie parallèlement aux branches (17,18), et en partie parallèlement à la branche centrale (16) et au voisinage de celui-ci, le bras principal (29,30) étant relié au plot fixe (39,40) par un bras élastique secondaire (35,36, 37,38) parallèle aux branches (17,18). 6. Micro-actionneur (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'en l'absence de forces électrostatiques, les doigts de l'une des branches (17,18) pénètrent davantage entre les doigts de l'élément fixe associé (27,28) que les doigts de la branche opposée (17,18) entre les doigts de l'élément fixe associé (27,28). 7. Micro-actionneur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce mobile (20) est un miroir mobile. 8. Micro-actionneur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première tranche (11) comprend un ensemble de canaux (45,46, 47,48) recevant chacun une fibre optique et agencé en étoile autour du micro-actionneur (10). 9. Procédé de fabrication d'un micro-actionneur (10) de pièce mobile (20) dans des première (11) et deuxième (12) tranches de silicium séparées par une couche isolante (13), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - graver les tranches (11, 12) de silicium, la couche isolante (13) formant un arrêt de gravure, pour former respectivement dans la première tranche (11) la pièce mobile (20) et une ouverture sensiblement au niveau de parties mobiles du microactionneur (10), et dans la deuxième tranche (12) le microactionneur (10) ; et - graver la couche isolante (13) exposée du côté de la première tranche (11).