Brevet FR2864059A1 — publié le 20050624

Domaine de l'invention La présente invention concerne une microsoupape intégré comprenant un substrat ayant une première couche fonctionnelle appliquée sur le substrat et une seconde couche fonctionnelle appliquée sur la première couche fonctionnelle. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle microsoupape. En microfluidique on transporte et on traite de faibles quantités de produits gazeux ou liquides encore appelés fluides. Pour to commander la quantité de matière ainsi transférée on utilise des micro-soupapes. De telles microsoupapes servent de limiteurs de débit de liquide transporté dans les composants en techniques microfluidique. La diminution de la taille des soupapes fluidiques diminue la taille des surfaces d'étanchéité si bien que l'on arrive rapidement à des fuites par contamination particulaire. L'étanchéité peut se réaliser par exemple en appliquant une force d'actionnement suffisamment importante ou en utilisant une surface d'étanchéité suffisamment grande. Mais ces solutions sont difficilement réalisables en technique intégrée. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une micro-soupape de construction simple et permettant de commander un flux de fluide d'une manière sûre. Exposé et avantage de l'invention A cet effet, la présente invention concerne une microsou- pape du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans au moins une zone de soupape, la première couche fonctionnelle est réalisée comme membrane, dans la zone de soupape et/ ou dans une zone de canal on enlève la seconde couche fonctionnelle et on dégage du substrat un appui dans la zone de soupape, cet appui étant principalement relié seulement à la membrane, et on applique une plaque sur la seconde zone fonctionnelle pour former une chambre de soupape, la plaque ayant une surface contre laquelle est poussée la membrane pour fermer la microsoupape. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle microsoupape, ce procédé étant caractérisé par les étapes sui- vantes: application d'une première couche fonctionnelle sur un substrat, application d'une seconde couche fonctionnelle sur la première couche fonctionnelle, - mise en structure de la seconde couche fonctionnelle pour enlever cette seconde couche fonctionnelle dans une zone de soupape, mise en structure du substrat pour former un appui qui n'est pratiquement relié qu'à la première couche fonctionnelle, application d'une plaque de fermeture sur la seconde couche fonction- nelle pour former une chambre de soupape. Selon une première caractéristique de l'invention, on réalise une microsoupape intégrée à l'aide d'un substrat muni d'une première couche fonctionnelle appliquée sur le substrat et d'une seconde couche I o fonctionnelle appliquée sur la première couche fonctionnelle. Dans la zone de la soupape on réalise la première couche fonctionnelle comme membrane. Dans la zone de la soupape et/ou dans une zone de canal on en- lève la seconde couche fonctionnelle. On dégage un bossage en relief ou appui dans le substrat au niveau de la zone de la soupape, cet appui n'étant pratiquement relié qu'à la membrane. On place une plaque sur la seconde zone fonctionnelle pour former une chambre de soupape. La plaque présente une surface pressée contre la membrane pour fermer la microsoupape. La microsoupape selon l'invention a l'avantage d'une cons- truction simple car il suffit d'appliquer deux couches fonctionnelles sur le substrat et de donner à ces couches une structure appropriée. La micro- soupape selon l'invention offre également l'avantage que la première couche fonctionnelle dans la zone de la soupape et l'appui formé dans le substrat puissent être déplacés par l'extérieur à l'aide d'un actionneur, ce qui permet d'adapter simplement la force d'actionnement au comporte- ment de fermeture de la soupape et en particulier à son étanchéité. Il est prévu de préférence que la plaque comporte une ouverture dans la zone de soupape pour le passage d'un fluide. Cela permet de commander la sortie ou l'entrée de fluide de la zone de soupape. En variante, l'appui peut comporter dans la zone de la sou-pape un canal d'alimentation pour conduire le fluide. Cela permet de créer une conduite d'arrivée ou de sortie de fluide dans le substrat si bien que dans la structure de la microsoupape, la plaque sera pratiquement non structurée. Cela facilite considérablement la fabrication de la microsou- pape selon l'invention car il n'est pas nécessaire de relier de manière ajustée et définie deux composants structurés. En particulier, la seconde zone fonctionnelle peut comporter un canal de fluide relié à la chambre de soupape formée dans la zone de soupape. Cela per iiiet de former une alimentation ou une sortie de fluide de la microsoupape à l'aide d'un canal de fluide intégré. La réalisation du canal de fluide se fait de manière simple avec la fabrication de la zone de soupape, en particulier par gravure de la seconde couche fonctionnelle. De manière préférentielle, la microsoupape est couplée au capteur de fluide par un canal de fluide pour mesurer le débit de fluide. La microsoupape peut en particulier être commandée en fonction du débit de fluide mesuré. La première et/ou la seconde zone fonctionnelle sont de préférence réalisées comme couches épitaxiales, notamment comme cou- ic) ches épitaxiales de silicium sur le substrat. Selon une autre caractéristique, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une microsoupape. Pour cela, on applique une première couche fonctionnelle sur un substrat et sur cette première couche fonctionnelle on applique une couche d'arrêt de gravure dans la zone de soupape de manière à arrêter l'opération de gravure profonde effectuée ensuite. Puis on applique une seconde couche fonctionnelle sur la première couche fonctionnelle et sur la couche d'arrêt de gravure. Ensuite, on masque la seconde couche fonctionnelle pour enlever la seconde couche fonctionnelle par l'étape de gravure profonde dans la zone de la soupape. Au cours de l'étape de gravure profonde effectuée ensuite on réalise une gravure profonde de la seconde couche fonctionnelle dans la zone de soupape et selon le masque. On structure le substrat notamment par gravure de tranchée pour former un bossage ou appui relié pratiquement seule-ment à la première couche fonctionnelle. Pour terminer la microsoupape on applique une plaque sur la seconde couche fonctionnelle pour former la chambre de soupape. Ce procédé de fabrication d'une microsoupape a l'avantage d'être simple à réaliser et de pouvoir obtenir les principales structures dans un substrat sur lequel sont appliquées les couches fonctionnelles. La microsoupape se forme par application d'une plaque pratiquement non structurée sur la seconde couche fonctionnelle. Il est en outre possible d'actionner la soupape par un actionneur non intégré, ce qui permet d'adapter la force d'actionnement aux conditions respectives. De manière préférentielle on applique la première et/ou la 35 seconde couche fonctionnelle par dépôt d'une couche épitaxiale de silicium polycristallin. La plaque de fellneture est appliquée sur la seconde couche fonctionnelle, de préférence par liaison anodique. Cela correspond à un procédé relativement simple pour relier une plaque notamment une plaque en un verre approprié tel que par exemple du verre de borosilicate, solidairement à la seconde couche fonctionnelle en silicium. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation préférentiels représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - les figures la-1f montrent un premier mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une microsoupape, o les figures 2a-2f montrent un second mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une microsoupape selon l'invention, - la figure 3 montre une microsoupape combinée à un capteur de débit et des buses de pulvérisation intégrées. Description de modes de réalisation de l'invention Les figures la-1f montrent un premier mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une microsoupape selon l'invention. Selon la figure la, un substrat 1, qui est de préférence un substrat de silicium 1, reçoit par dépôt une première couche fonctionnelle 2. La première couche fonctionnelle est de préférence en polysilicium ob- tenue notamment par un procédé de dépôt épitaxial comme couche épitaxiale de polysilicium ayant une couche de démarrage de développement épitaxial et une couche de polysilicium obtenue par développement épitaxial. L'épaisseur de la première couche fonctionnelle 2 ainsi dé- posée et/ou un éventuel procédé final de traitement de surface (procédé de polissage) permet d'obtenir de manière précise l'épaisseur de la première couche fonctionnelle 2 et ainsi l'épaisseur de la membrane de la micro-soupape. Sur cette première couche fonctionnelle 2 on dépose et on structure une couche d'arrêt de gravure 3 pour définir une zone de sou- pape. La couche d'arrêt de gravure 3 se trouve après sa mise en structure, c'est-à-dire seulement aux endroits de la surface de la première couche fonctionnelle 2, là où l'on veut arrèter l'opération de gravure exécutée au cours d'un procédé de gravure profonde ultérieur, pour former une mem- brane. Sur la première couche fonctionnelle 2 et la couche d'arrêt de gra- vure 3 on dépose une seconde couche fonctionnelle 4, de préférence sous la forme d'une couche de polysilicium épitaxiale, en procédant pratique- ment de la même manière que pour la première couche fonctionnelle 2. En particulier, la seconde couche fonctionnelle se compose de préférence d'une seconde couche de démarrage épitaxiale et d'une seconde couche épitaxiale de polysilicium. Ensuite, on peut exécuter une opération d'aplanissement pour faciliter la fermeture des canaux à la fin du traite- ment par exemple par liaison anodique. La figure lb montre comment on dégage une partie en relief formant un appui dans le substrat par gravure de tranchée; cette appui en relief appelé ci-après simplement appui est relié pratiquement qu'à la première couche fonctionnelle 2. Le dégagement de l'appui 14 se fait par o masquage de la surface du substrat 1 en regard de la surface munie des couches fonctionnelles rapportées 2, 4 et ensuite gravure de tranchée. Le réglage de la profondeur de gravure exécuté pendant l'opération de gravure de tranchée peut se faire par une action de la gravure commandée dans le temps ou encore en utilisant une couche d'arrêt de gravure non représentée, prévue entre le substrat et la première couche fonctionnelle; de manière à arrêter ainsi l'opération de gravure. La couche d'arrêt de gravure sera intégrée dans le substrat en fonction des autres structures à prévoir soit en surface entre le substrat et une première couche fonctionnelle soit uniquement aux endroits des sillons de l'appui 14. L'appui 14 a de préférence une section circulaire et ainsi les sillons tels que représentés entourent l'appui 14 suivant une foi Hie de cercle. Selon la figure 1c, après la mise en structure du substrat, on masque la surface de la seconde couche fonctionnelle 4 avec une couche de masquage 6 pour dégager la zone de soupape et la zone de canal pour l'opération de gravure en profondeur effectuée ensuite. La couche de masquage 6 couvrant la seconde couche fonctionnelle 4 a une forme essentiellement complémentaire de la structure de la couche d'arrêt de gravure 3 pour développer la microsoupape. Le procédé de gravure en profondeur attaque la seconde couche fonctionnelle 4 dans les zones non couvertes par la couche de masquage 6 jusqu'à la couche d'arrêt de gravure 3 en dégageant ainsi la membrane 7 dans la zone de la soupape. Ensuite, on applique une plaque plane 8 sur la seconde couche fonctionnelle 4 qui subsiste. Cette plaque comporte une ouverture 9 au niveau de la soupape 7. La plaque est réalisée de préférence en un verre approprié et elle est appliquée sur la seconde couche fonctionnelle 4 en silicium, de préférence par liaison anodique. Pour que la plaque 8 s'appuie pratiquement sur toutes les zones de la seconde couche fonctionnelle 4 et soit reliée de manière étanche à celle-ci, avant la mise en structure des couches fonctionnelles 2, 4, on peut exécuter une opération d'aplanissement, par exemple une étape de polissage qui permet égale-ment d'enlever la couche de masquage 6. La figure ld montre la micro-soupape correspondant au premier mode de réalisation de l'invention, la soupape étant présentée à l'état ouvert et la veine de fluide traversant l'ouverture 9 de la plaque 8. En même temps que l'on réalise la structure de la zone de la microsoupape on peut également former un canal de fluide 10 du moins en enlevant également la seconde couche fonctionnelle 4. Suivant la sec- to tion plus ou moins grande que doit présenter le canal de fluide 10, pour former ce canal on pourra ne pas utiliser de couche d'arrêt de gravure et la commande de l'intensité ou de la durée de l'étape de gravure en profondeur permettront d'enlever non seulement la seconde couche fonctionnelle 4 mais également des parties de la première couche fonctionnelle 2 ou l'ensemble de cette première couche fonctionnelle 2. La figure le montre la microsoupape selon l'invention en position de fermeture. Par un capteur de position externe non représenté, on presse la membrane avec son appui contre la face inférieure de la plaque 8 pour que la membrane se déforme au niveau de la gravure en pro- fondeur du substrat 1 et ferme l'ouverture 9. La figure 1f est une vue de dessus de la microsoupape selon l'invention. Dans cet exemple, la microsoupape a une section circulaire; la membrane ou la zone de soupape formée par l'appui sont installées concentriquement à l'ouverture dans la plaque 8. Les figures 2a-2f présentent un second mode de réalisation du procédé de fabrication d'une microsoupape selon l'invention. A la figure 2a on utilise au départ pratiquement la même structure stratifiée que celle ayant servi à la fabrication de la microsoupape du premier mode de réalisation. De la même manière on grave un appui en relief ou plus simple- ment appui dans le substrat par un procédé de gravure par tranchée; par exemple concentriquement à la forme de l'appui on grave un passage de fluide à travers le substrat 1. Le passage de fluide traverse le substrat 1 et la première couche fonctionnelle 2. Pour que le procédé de gravure de tranchée servant à dégager l'appui s'arrête dans la première couche fonc- tionnelle et que l'on puisse néanmoins graver le passage de fluide jusqu'à la seconde couche fonctionnelle, on peut interposer une autre couche d'arrêt de gravure 13 entre le substrat et la première couche fonctionnelle 2 au niveau des sillons 12; cette autre couche d'arrêt de gravure ne sera pas prévue au niveau du passage de fluide. La gravure du passage de fluide se termine alors seulement au niveau de la couche d'arrêt de gravure 3 entre la première couche fonctionnelle 2 et la seconde couche fonctionnelle 4. Après avoir développé l'appui comme représenté à la figure 2c, on grave la seconde couche fonctionnelle 4 en appliquant le procédé décrit ci- dessus en relation avec le premier mode de réalisation. La couche de masquage 6 masque la zone de soupape et le canal de fluide 10 pour les rendre accessibles à un procédé de gravure profonde exécuté ensuite. lo Ce procédé de gravure profonde s'arrête au niveau de la couche d'arrêt de gravure 3 prévue dans la zone de la soupape entre la première et la seconde couche fonctionnelle 2, 4. La microsoupape est terminée par l'application d'une plaque non structurée, notamment d'une plaque 12 en verre approprié, sur la seconde couche fonctionnelle 4. La plaque 12 peut être reliée à la seconde couche fonctionnelle 4 par exemple par liaison anodique. Pour cela, il faut aplanir la seconde couche fonctionnement 4 pour que la plaque 12 s'appuie pratiquement de façon régulière sur toute la surface de la seconde couche fonctionnelle 4. Cela peut se faire par exemple par un pro- cédé d'aplanissement tel que par exemple un procédé de polissage. Ce procédé permet également d'éliminer la couche de masquage 6. En actionnant l'appui 14 par exemple à l'aide d'un capteur de position externe on pousse la membrane 7 contre la surface de la plaque 12 associée au substrat et on ferme ainsi le passage de fluide 11. La figure 2d montre la soupape en position fermée et la figure 2e montre la soupape en position ouverte. Le canal de fluide est réalisé de la même manière que la microsoupape ou microvalve selon le premier mode de réalisation. La figure 2f montre une vue de dessus de la microsoupape selon l'invention. On remarque que la plaque 12 est pour l'essentiel non struc- turée si bien que lors de la fabrication de la microsoupape il n'est pas nécessaire de faire un ajustage entre la structure de la microsoupape et la plaque de fermeture 12. La figure 3 montre un exemple de composant fluidique inté- gré muni d'une microsoupape ou microvalve 20 selon l'invention. La mi- crosoupape 20 est reliée à un capteur de flux 22 par un canal de fluide 21. Ce capteur mesure le flux de fluide par exemple en appliquant le pro- cédé du point chaud. En aval du capteur de flux 22 on a des buses de pulvérisation 23 à fonctionnement piézo-électrique; ces buses sont fabri- quées de la même manière selon la structure stratifiée prédéfinie. Pour faire fonctionner les buses de pulvérisation on a prévu un actionneur piézo-électrique 25 prévu dans ou sur la plaque 24 servant à fermer les structures microfluidiques. REVENDICATIONS 1 ) Microsoupape intégrée comprenant un substrat (1) ayant une première couche fonctionnelle (2) appliquée sur le substrat et une seconde couche fonctionnelle (4) appliquée sur la première couche fonctionnelle (2), s dans laquelle dans au moins une zone de soupape, la première couche fonctionnelle (2) est réalisée comme membrane, dans la zone de soupape et/ou dans une zone de canal on enlève la seconde couche fonctionnelle (4) et on dégage du substrat (1) un appui (4) o dans la zone de soupape, cet appui étant principalement relié seulement à la membrane, et on applique une plaque (8) sur la seconde zone fonctionnelle (4) pour for-mer une chambre de soupape, la plaque (8) ayant une surface contre laquelle est poussée la membrane pour fermer la microsoupape. 2 ) Microsoupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque (8) comporte une ouverture (9) dans la zone de soupape pour le passage d'un fluide. 3 ) Microsoupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'appui (14) comporte un canal d'alimentation en fluide (11) dans la zone de la soupape pour le passage d'un fluide. 4 ) Microsoupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde zone fonctionnelle (4) comporte un canal de fluide relié à une chambre de soupape formée dans la zone de soupape. 5 ) Microsoupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle est couplée par un canal de fluide à un capteur de flux pour mesurer la débit de fluide. 6 ) Microsoupape selon la revendication 5, caractérisée en ce qu' to elle est commandée par une unité de commande en fonction du débit de fluide mesuré. 7 ) Microsoupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première et/ou la seconde zone fonctionnelle (4) est une couche épitaxiale, notamment une couche épitaxiale de silicium. 8 ) Procédé de fabrication d'une microsoupape selon l'une des revendica-1 o fions 1 à 7, caractérisé par les étapes suivantes: - application d'une première couche fonctionnelle (2) sur un substrat, application d'une seconde couche fonctionnelle (4) sur la première couche fonctionnelle (2), mise en structure de la seconde couche fonctionnelle (4) pour enlever cette seconde couche fonctionnelle (4) dans une zone de soupape (7), mise en structure du substrat (1) pour former un appui (14) qui n'est pratiquement relié qu'à la première couche fonctionnelle (2), application d'une plaque de fermeture (8, 12) sur la seconde couche fonctionnelle (4) pour former une chambre de soupape. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la mise en structure de la seconde couche fonctionnelle consiste à appli- quer une couche d'arrêt de gravure sur la première couche fonctionnelle (2) et à graver en profondeur de manière sélective la seconde couche fonctionnelle (2) dans la zone de la chambre de soupape. 10 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on applique la première et/ou la seconde couche fonctionnelle (4) par dépôt comme couche épitaxiale de silicium polycristallin. 11 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on relie la plaque de fermeture (8, 12) par liaison anodique à la seconde couche fonctionnelle (4). 12 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on réalise une autre couche d'arrêt de gravure (13) entre le substrat (1) et la première couche fonctionnelle (2) pour que lorsqu'on dégage l'appui (14) on arrête la mise en structure du substrat (1) par gravure profonde dans le substrat au niveau de l'autre couche d'arrêt de gravure (13). 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