Brevet FR2852111A1 — publié le 20040910

L'invention concerne le domaine des microsystèmes électromécaniques (MEMS), et plus particulièrement, l'application de ces microsystèmes à l'horlogerie. Les mouvements de montres ou horloges électromécaniques sont généralement générés par un moteur électrique qui entraîne en rotation une série de rouages. Ces montres ou horloges nécessitent des mécanismes complexes de réduction permettant d'adapter la vitesse du moteur à la 10 vitesse de rotation de la roue d'entrée. Or, une préoccupation majeure dans le domaine de l'horlogerie réside dans la miniaturisation des mécanismes de génération de mouvement. Un but de l'invention est de fournir un dispositif d'horloge présentant 15 un mécanisme d'actionnement de très faible encombrement. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'horloge autoassemblé, caractérisé en ce qu'il est formé par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur et qu'il comprend les éléments suivants: - une roue dentée, - un élément d'entraînement apte à engrener séquentiellement avec la roue dentée, - un actionneur apte à déplacer l'élément d'entraînement selon un mouvement d'hystérésis de sorte que l'élément d'entraînement engrène avec des dents successives de la roue. Par "auto-assemblé" on entend dans le cadre de la présente invention un système exempt de toute manipulation et/ou opération d'assemblage dans la fabrication du produit. Dans le dispositif de l'invention, le mouvement de rotation de la roue est généré par un élément d'entraînement qui est déplacé selon un 30 mouvement d'hystérésis. Il en résulte que la roue dentée est entraînée dans un mouvement de rotation pas à pas. Ce dispositif ne nécessite aucun système démultiplicateur ou réducteur. L'élément d'entraînement est par conséquent moins encombrant que dans un dispositif à rouages classique. L'ensemble des éléments du dispositif d'horloge est formé en 5 utilisant la technologie MEMS, par gravure dans un bloc en matériau semiconducteur. Le dispositif forme ainsi un composant intégré dont toutes les fonctions sont réalisées en une seule opération de gravure. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit 10 être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente de manière schématique les éléments composant un dispositif d'horloge selon l'invention, - la figure 2 représente plus en détail un actionneur du dispositif de la figure 1, - les figures 3A à 3D représentent schématiquement les étapes successives de fonctionnement de l'actionneur, - la figure 4 représente le mouvement d'hystérésis imprimé à l'élément d'entraînement par rapport à la roue pendant un cycle, - les figures 5A à 5D représentent les positions A, B, C et D prises 20 par l'élément d'entraînement aux dents de la roue ainsi que l'avancement élémentaire A produit un cycle de déplacement de l'élément d'entraînement, - les figures 6A à 6D représentent les signaux d'adressage appliqués modules élémentaires de l'actionneur, - les figures 7A à 7D illustrent des étapes d'un procédé de 25 fabrication du dispositif d'horloge selon une technique SOI, - les figures 8A à 8H illustrent des étapes d'un procédé de fabrication du dispositif d'horloge selon une technique HARPSS. Sur la figure 1, le dispositif d'horloge comprend une roue circulaire dentée 10 pouvant être entraînée en rotation par trois actionneurs 20, 30, 30 40 répartis autour de la roue et formant entre eux des angles de 120 degrés. Le dispositif d'horloge présente la particularité d'être un dispositif intégré. Les éléments composant le dispositif d'horloge sont formés simultanément par gravure dans un bloc unique en matériau semiconducteur. La portion de bloc non gravée supportant l'ensemble des éléments constitue le substrat. La figure 2 représente plus en détail l'un des actionneurs 20 de la 5 figure 1. L'actionneur 20 se compose principalement d'un module élémentaire d'actionnement radial 201, d'un module élémentaire d'actionnement tangentiel 202 et d'un élément d'entraînement sous la forme d'une dent 250. La dent d'entraînement 250 présente une forme triangulaire. Elle 10 s'étend à proximité de la roue 10 avec la pointe dirigée vers la roue, dans une direction radiale par rapport à celle-ci. La dent d'entraînement 250 est ainsi apte à engrener avec les dents de la roue 10. Dans la suite du texte, l'expression " radial " qualifie tout élément s'étendant suivant une direction radiale par rapport à la roue 10 et 15 l'expression " tangentiel " qualifie tout élément s'étendant suivant une direction tangentielle par rapport à la roue, les directions radiale et tangentielle étant considérées au point de la roue o est localisée la dent d'entraînement. L'expression " fixe " qualifie tout élément encastré sur le substrat et 20 l'expression " mobile " qualifie tout élément maintenu à quelques microns d'altitude du substrat, au moyens de suspensions élastiques également encastrées sur le substrat. La dent d'entraînement 250 est reliée par une tige radiale 211 au module d'actionnement radial et par une tige tangentielle 212 au module 25 d'actionnement tangentiel. Les modules d'actionnement radial 201 et tangentiel 202 sont des modules électrostatiques présentant une structure à peignes (connus sous l'appellation anglo-saxonne de " comb drive "). Ce type de structure comprend des paires de peignes interdigités. On va décrire de manière plus précise les modules d'actionnement radial 201 et tangentiel 202 de la structure de l'actionneur 20. Le module d'actionnement radial 201 est formé d'une partie fixe 221 et d'une partie mobile 231 à laquelle est reliée la tige radiale 211. La partie fixe 221 comprend une électrode radiale 223 à partir de laquelle s'étendent suivant une direction tangentielle un ensemble de peignes fixes parallèles 225. Chaque peigne 225 est formé d'une tige principale et d'une série de doigts ou cils parallèles connectés à la tige et s'étendant perpendiculairement par rapport à celle-ci. La partie mobile 231 comprend un cadre mobile 233 présentant une forme générale en U et s'étendant autour de la partie fixe 221. Le cadre mobile 233 est connecté à chacune de ses extrémités au substrat au moyen de liaisons encastrement 237, 239 constituant des suspensions élastiques. 10 Des peignes 235 s'étendent à partir du cadre mobile 233 dans une direction générale radiale. Ces peignes 235 sont formés d'une tige principale et d'une série de doigts ou cils parallèles connectés à la tige et s'étendant perpendiculairement à celle-ci. Les peignes 225 de la partie fixe 221 et les peignes 235 de la partie 15 mobile 231 sont disposés parallèlement les uns aux autre et intercalés les uns avec les autres. En outre, chaque peigne mobile 235 est disposé en regard d'un peigne fixe 225 de sorte que leurs doigts s'intercalent les uns entre les autres, formant ainsi une paire de peignes dits " interdigités ". Le module d'actionnement tangentiel 202 présente une structure 20 similaire à celle du module d'actionnement radial 201, excepté qu'il est orienté perpendiculairement à ce dernier. Il est formé d'une partie fixe 222 et d'une partie mobile 232 à laquelle est reliée la tige tangentielle 211. La partie fixe 222 comprend une électrode tangentielle 224 à partir de laquelle s'étendent suivant une direction radiale un ensemble de peignes 25 fixes parallèles 226. La partie mobile 232 comprend un cadre mobile 232 connecté a chacune de ses extrémités au substrat au moyen de liaisons encastrement 238, 240 constituant des suspensions élastiques. Des peignes 236 s'étendent à partir du cadre mobile 232 dans une direction générale 30 tangentielle. Les peignes 226 de la partie fixe 222 et les peignes 236 de la partie mobile 232 sont disposés parallèlement les uns aux autre et intercalés les uns avec les autres. En outre, chaque peigne mobile 236 est disposé en regard d'un peigne fixe 226 de sorte que leurs doigts s'intercalent les uns entre les autres, formant ainsi une paire de peignes interdigités. On va maintenant décrire le fonctionnement des modules radial et tangentiel. Les doigts intercalés des peignes interdigités s'apparentent à des condensateurs plans dont l'une des armatures est reliée à l'électrode 223 ou 222 et l'autre armature est reliée à la masse via les liaisons encastrement 237, 239 ou 238, 240. Lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode radiale 223, cette 10 tension crée une différence de potentiels entre la partie fixe 221 et la partie mobile 231 du module d'actionnement 201. Un champ électrique s'établit entre les armatures des condensateurs formées par les doigts des peignes 225 et 235. Ce champ électrique génère une force électrostatique qui tend à attirer les peignes mobiles 225 vers les peignes fixes 235. Cette force 15 électrostatique entraîne la déformation du cadre 233 et par conséquent la translation de la dent d'entraînement 250 par action de la tige 211 dans une direction radiale par rapport à la roue 10. De même, le même phénomène se produit lorsqu'une tension est appliquée à l'électrode 224. La force électrostatique créée entraîne la 20 déformation du cadre 212 et la translation de la dent d'entraînement 250 par action de la tige 212 dans une direction tangentielle par rapport à la roue 10. On notera que la flexibilité latérale de chacune des tiges permet la déformation de celle-ci sous l'action de l'autre tige. Les deux tiges flexibles 25 radiale et tangentielle 211 et 212 assurent un découplage mécanique des deux modules d'actionnement 201 et 202. En effet, la flexibilité des tiges autorise un déplacement de la dent d'entraînement indépendamment suivant deux degrés de liberté élémentaires, à savoir: suivant les deux directions de translation radiale et tangentielle. Les figures 3A à 3D illustrent les étapes successives de fonctionnement de l'actionneur 20, permettant de générer un mouvement cyclique d'hystérésis de la dent d'entraînement 250. Sur la figure 3A, le module élémentaire d'actionnement radial 201 et le module élémentaire d'actionnement tangentiel 202 sont au repos. A cette étape, la dent d'entraînement 250 est disposée entre des dents 12 et 13 de la roue dentée 10. Sur la figure 3B, le module d'actionnement tangentiel 202 est commandé de manière à exercer sur la dent d'entraînement 250 une force tangentielle par l'intermédiaire de la tige tangentielle 212. La dent 250 est alors déplacée tangentiellement à la roue 10, dans le sens horaire (comme indiqué par la flèche). La tige 211 est déformée. A cette étape la dent 10 d'entraînement 250 engrène avec la dent 13 de la roue 10 et entraîne celleci en rotation. Sur la figure 3C, le module d'actionnement radial 201 est commandé de manière à exercer sur la dent d'entraînement une force radiale par l'intermédiaire de la tige radiale 211. A cette étape, la dent 15 d'entraînement 250 est écartée de la roue 10 (comme indiqué par la flèche) de sorte qu'elle n'engrène plus avec celle-ci. La dent 250 est alors débrayée. Sur la figure 3D, le module d'actionnement tangentiel 202 est au repos. La dent 250 est alors déplacée tangentiellement à la roue 10, dans le 20 sens anti-horaire (comme indiqué par la flèche) pour être positionnée en face des dents 11 et 12. L'étape de la figure 3A est alors renouvelée. Le module d'actionnement radial 201 et le module d'actionnement tangentiel 202 sont à nouveau au repos. La dent d'entraînement 250 est alors déplacée vers la 25 roue et disposée entre les dents 11 et 12 de celle-ci. Le mouvement d'hystérésis de la dent d'entraînement 250 alterne les phases d'entraînement (figures 3A et 3B) et de débrayage (figures 3C et 3D). Ce mouvement permet à la dent d'entraînement 250 d'engrener avec les dents successives de la roue 10 et d'entraîner la roue 10 dans un 30 mouvement de rotation pas à pas dans le sens horaire. La roue 10 est entraînée en rotation, et ce par des excursions de l'élément d'entraînement d'amplitude réduites (de l'ordre du micromètre). La figure 4 représente le mouvement d'hystérésis imprimé à la dent 250 par rapport à la roue pendant un cycle. Les figures 5A à 5D représentent les positions A, B, C et D prises par la dent d'entraînement 250 par rapport aux dents de la roue. Cette 5 figure illustre également l'avancement élémentaire A de la roue 10 généré par un cycle de déplacement de la dent 250. Les figures 6A à 6D représentent les signaux d'adressage appliqués aux électrodes 224 et 223 des modules d'actionnement tangentiel 202 et radial 201. Ces signaux sont des signaux périodiques en créneau, le 10 signal de commande de l'électrode 223 étant déphasé d'un quart de période par rapport au signal de commande de l'électrode 224. La fréquence des signaux d'adressage dépend du pas A de la roue dentée 10 et de son diamètre. En considérant par exemple que la roue 10 est liée à l'aiguille des secondes (trotteuse), la fréquence d'adressage des 1 5 modules d'actionnement est de l'ordre de 10 Hz. Les fréquences d'adressage seront divisées par 60 et 720 respectivement pour les aiguilles des minutes et des heures. On va maintenant décrire les étapes d'un procédé de fabrication du dispositif d'horloge selon une technique SOI (Silicon-On-Insulator). Selon une première étape de fabrication représentée à la figure 7A, on forme un bloc en déposant sur une couche 1 de substrat en silicium présentant une épaisseur de l'ordre de 360 microns, une couche 2 d'oxyde de silicium présentant une épaisseur d'environ 2 microns puis une couche 3 de silicium présentant une épaisseur de l'ordre de 50 à 100 microns. Selon une deuxième étape représentée à la figure 7B, on dépose sur le bloc une couche de résine 4 selon un motif délimitant les différents éléments du dispositif d'horloge. Cette couche 4 de résine forme un masque destiné à protéger certaines parties du bloc. La résine est classiquement déposée par une technique de photolithographie permettant de définir par 30 projection des formes géométriques planes avec une précision de l'ordre du micromètre. Selon une troisième étape représentée à la figure 7C, les parties du bloc non protégées par le masque sont gravées jusqu'à la couche d'oxyde de silicium 2 qui constitue une couche d'arrêt. A cet effet, différentes techniques de gravure existent. Le bloc peut par exemple être exposé à un 5 bombardement ionique (Reactive Ion Etching) qui dissout la couche de silicium. La couche de résine 4 est ensuite éliminée en appliquant un solvant. Selon une quatrième étape représentée à la figure 7D, la couche 10 d'oxyde de silicium 2 est dissoute par une solution d'acide fluorhydrique. Les zones dissoutes libèrent les parties mobiles du mécanisme (roue, peignes mobiles, tiges). La roue 10 est complètement libérée de la couche de substrat 1. Elle est maintenue dans son logement par un moyeu central fixe 11 constituant son axe de rotation. Le dispositif d'horloge peut également être fabriqué selon une technique HARPSS (High Aspect Ratio combined Poly and Single-cristal Silicon). Selon une première étape de fabrication représentée à la figure 8A, un bloc constitué d'une couche 1 de silicium ou wafer est recouvert d'une 20 couche de résine 4 selon un motif déterminant les formes de la structure interne des différents éléments du futur dispositif d'horloge. Selon une deuxième étape représentée à la figure 8B, les parties du bloc non protégées sont gravées. Une contrainte de l'utilisation de la technologie HARPSS est que les motifs doivent présenter une largeur 25 identique partout afin de garantir une profondeur de gravure constante sur toute la surface du wafer (environ 50 à 100 microns). La couche de résine 4 est ensuite éliminée en appliquant un solvant. Selon une troisième étape représentée à la figure 8C, le wafer est 30 recouvert d'une couche d'oxyde silicium 2 d'environ 1 micron d'épaisseur. Cette couche d'oxyde de silicium recouvre les parois verticales des motifs gravés et constitue une couche d'arrêt. Selon une quatrième étape représentée à la figure 8D, on dépose sur la couche d'oxyde de silicium 2, une couche 5 de nitrure de 0,5 microns d'épaisseur destinée à isoler les futures éléments du dispositif d'horloge du substrat et également les uns des autres. Selon une cinquième étape représentée à la figure 8E, on effectue un premier dépôt de polysilicium 6 sur la couche de nitrure 5, ce premier dépôt étant destiné à recouvrir les parois verticales des motifs gravés. Selon une sixième étape représentée à la figure 8F, on effectue un deuxième dépôt de polysilicium 6 pour combler les espaces formés par les 10 motifs gravés et achever la structure verticale. Le dépôt du polysilicium en deux étapes permet de garantir un dopage complet de la couche de polysilicium sur toute la hauteur des motifs gravés. Selon une septième étape, représentée à la figure 8G, le wafer est 15 recouvert d'une couche de résine 7 selon un motif délimitant les différents éléments du dispositif d'horloge. Selon une huitième étape représentée à la figure 8H, les parties du bloc non protégées par le masque de résine 7 sont gravées. La couche verticale d'oxyde de silicium 2 constitue des murs d'arrêt qui limitent l'action 20 de gravure. Cette couche d'oxyde de silicium permet également de graver le wafer sous les structures verticales de manière à détacher les parties mobiles du mécanisme (roue, peignes mobiles, tiges). La présente invention peut trouver de nombreuses applications, par exemple sous forme d'un moteur de chronomètre. La présente invention permet une alimentation des actionneurs à fréquence élevée. Elle autorise par conséquent une rotation à une vitesse de plusieurs milliers de tours par minute. La présente invention se prête en particulier à la réalisation des dispositifs précédemment décrits au moyen d'un procédé collectif dérivé de 30 la technologie des circuits intégrés, ce qui signifie que plusieurs centaines d'horloges sont simultanément gravées dans un même bloc en matériau semi-conducteur. La présente invention permet de simplifier considérablement les rouages d'entraînement classiques en remplaçant les trains d'engrenages ou réducteurs auxiliaires de vitesse traditionnels par une roue dentée unique 10, solidaire de l'aiguille à entraîner. A titre d'exemple non limitatif les principaux ordres de grandeurs caractéristiques des dispositifs d'horloges conformes à la présente invention sont les suivants: - Diamètre de la roue dentée 10 de l'ordre de 2 mm (ce diamètre peut cependant être réduit à quelques centaines de microns) 10 - Pas de roue dentée 10: 15 microns - Largeur des cils élémentaires (226): 3 microns - Largeur de l'entrefer (gap d'air entre deux cils): 2 microns - Longueur d'un peigne: typiquement quelques centaines de microns - Surface d'un module actionneur (radial ou tangentiel): - 0.25mm2 - Epaisseur (ou altitude) de l'horloge (couche "SOI"): 50 microns - Epaisseur du substrat: - 360 microns REVENDICATIONS 1. Dispositif d'horloge auto-assemblé, caractérisé en ce qu'il est formé par gravure dans un bloc en matériau semi-conducteur et qu'il comprend les éléments suivants: - une roue dentée (10), - un élément d'entraînement (250) apte à engrener séquentiellement avec la roue dentée (10), - un actionneur (20) apte à déplacer l'élément d'entraînement (250) 10 selon un mouvement d'hystérésis de sorte que l'élément d'entraînement (250) engrène avec des dents (11, 12, 13) successives de la roue (10). 2. Dispositif selon l'une des revendications 1, caractérisé en ce que l'actionneur (20) comprend un premier module d'actionnement (201) apte à déplacer l'élément d'entraînement (250) selon une première direction par 15 rapport à la roue (10) et un deuxième module d'actionnement (202) apte à déplacer l'élément d'entraînement (250) dans une deuxième direction par rapport à la roue (10), les modules d'actionnement (201, 202) étant aptes à être commandés simultanément pour générer un mouvement combiné d'hystérésis de l'élément d'entraînement (250). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier module d'actionnement (201) est apte à déplacer l'élément d'entraînement (250) selon une direction radiale par rapport à la roue (10) et le deuxième module d'actionnement (202) est apte à déplacer l'élément d'entraînement (250) selon une direction axiale par rapport à la roue (10) . 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'entraînement (250) est relié par une tige flexible radiale (211) au module d'actionnement radial (201) et par une tige flexible tangentielle (212) au module d'actionnement tangentiel (202), les tiges flexibles (211, 212) autorisant le déplacement de l'élément d'entraînement (250) 30 indépendamment sous l'action l'un ou l'autre des modules d'actionnement (201, 202). 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les modules d'actionnement (201, 202) comprennent des peignes interdigités (225, 235, 226, 236). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 5 que les modules d'actionnement (201, 202) sont signaux périodiques présentant un déphasage d'un par rapport à l'autre. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 qu'il est obtenu par une technique de gravure SOI. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce commandés par des quart de période l'un à 6, caractérisé en ce à 6, caractérisé en ce qu'il est obtenu par une technique de gravure HARPSS. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est obtenu par un procédé collectif consistant à graver simultanément un grand nombre de dispositifs élémentaires d'horloge dans 15 un bloc en matériau semi-conducteur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la roue dentée (10) est directement solidaire d'une aiguille à entraîner.