Brevet FR2884960A1 — publié le 20061027

Micro-condensateur électromécanique à capacité variable et procédé de fabrication d'un tel micro-condensateur Domaine technique de l'invention L'invention concerne un microcondensateur électromécanique ayant une capacité variable en fonction d'une tension électrique d'actionnement et comportant au moins des première et seconde électrodes, la première électrode étant solidaire d'une poutre ayant deux extrémités solidaires d'un support fixé sur un substrat. État de la technique Certains micro-condensateurs électromécaniques à capacité variable ont un fonctionnement basé sur la variation de l'écart entre les deux électrodes du condensateur. Ainsi, la capacité du condensateur est, par exemple, contrôlée par l'actionnement de l'une des électrodes permettant de la rapprocher ou de l'écarter de l'autre électrode. L'actionnement est typiquement réalisé par un actionneur électrostatique. Dans le cas de certains types de micro-condensateurs, les forces électrostatiques entre les électrodes provoquent un brusque collage, ce qui limite la plage de variation de la capacité à une variation de 50%. Le document FR2831705-A1 décrit un micro-condensateur électromécanique à capacité variable comportant une première électrode solidaire d'une poutre suspendue, ou formant la poutre suspendue, ayant deux extrémités solidaires d'un support fixé sur un substrat. Une seconde électrode est disposée sur le substrat. Des électrodes d'actionnement rattachées à la partie centrale de la poutre permettent, en fonction d'une tension électrique d'actionnement, d'attirer la partie centrale de la poutre en direction du substrat et, ainsi, en direction de la seconde électrode. Une couche isolante permet d'éviter le contact électrique entre les première et seconde électrodes. En appliquant, de plus, une tension électrique entre les première et seconde électrodes, la zone de collage entre la première électrode et la seconde électrode s'étend, ce qui permet d'augmenter la capacité du condensateur. Ce condensateur nécessite forcément l'utilisation de deux tensions électriques. Par ailleurs, il est difficile de contrôler l'actionnement de la poutre de telle sorte que seule la partie centrale de la poutre soit proche de la seconde électrode. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, un micro-condensateur électromécanique à capacité variable fonctionnant à basse tension électrique d'actionnement et présentant une capacité stable et une grande plage de variation de la capacité. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que des contraintes résiduelles provoquent un flambement de la poutre, de manière à ce que la flèche de la poutre soit proche de la seconde électrode. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, la poutre comporte une couche isolante disposée en regard de la seconde électrode. La flèche de la poutre peut alors être en contact avec la seconde électrode. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le support est constitué par un anneau fixé au substrat par l'intermédiaire de deux socles de fixation disposés de part et d'autre de l'anneau sur un axe de fixation passant par le centre de l'anneau, la poutre étant disposée sur un diamètre de l'anneau perpendiculaire à l'axe de fixation, l'anneau comportant au moins une couche sous contrainte en traction selon l'axe de fixation. Selon un développement de l'invention, la poutre comporte au moins une couche sous contrainte en compression selon un axe longitudinal de la poutre. La seconde électrode peut, en particulier, être solidaire d'un support supplémentaire, la poutre étant disposé entre le substrat et la seconde électrode. Deux secondes électrodes sont, de préférence, disposées, en regard de la poutre, selon un axe parallèle à l'axe longitudinal de la poutre, respectivement de part et d'autre de la flèche de la poutre. Selon un premier mode de réalisation particulier de moyens d'actionnement, les première et seconde électrodes constituent des moyens d'actionnement électrique, la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre les première et seconde électrodes. Selon un second mode de réalisation particulier de moyens d'actionnement, le micro-condensateur comporte des moyens d'actionnement électrique comportant au moins une électrode supplémentaire solidaire de la poutre, la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre l'électrode supplémentaire et la seconde électrode. Deux électrodes supplémentaires solidaires de la poutre peuvent, notamment, être disposées de part et d'autre d'un axe longitudinal de la poutre. Selon un troisième mode de réalisation particulier de moyens d'actionnement, le micro-condensateur comporte des moyens d'actionnement électrique comportant au moins une électrode supplémentaire solidaire du support supplémentaire, la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre l'électrode supplémentaire et la première électrode. Deux électrodes supplémentaires solidaires du support supplémentaire peuvent, notamment, être disposées de part et d'autre d'un axe longitudinal du support supplémentaire. L'invention a également pour but un procédé de fabrication d'un microcondensateur selon l'invention, comportant le dépôt sous contrainte d'au moins l'un des éléments choisis parmi la poutre et le support, de manière à ce que des contraintes résiduelles provoquent un flambement de la poutre. Selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, le procédé comporte la réalisation, sur une couche sacrificielle, de la poutre et de l'anneau en un seul empilement de couches, de manière à ce que, après enlèvement de la couche sacrificielle, l'anneau soit sous contrainte en traction selon l'axe de fixation. Selon un autre mode de réalisation particulier du procédé de l'invention, le procédé comporte la réalisation, sur un ensemble formé par une couche sacrificielle et le support, de la poutre par dépôt d'au moins une couche sous contrainte en compression selon un axe longitudinal de la poutre. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente, en vue de dessus, un mode de réalisation particulier d'un o micro-condensateur selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent, respectivement en coupe selon l'axe A-A et selon l'axe B-B, le micro-condensateur selon la figure 1. La figure 4 illustre, en coupe selon l'axe B-B, le fonctionnement du micro-condensateur selon la figure 1. La figure 5 représente, en coupe selon l'axe B-B, une étape d'un mode de réalisation particulier d'un procédé de fabrication d'un microcondensateur selon la figure 1. La figure 6 représente, en vue de dessus, un autre mode de réalisation particulier d'un micro-condensateur selon l'invention. Les figures 7 et 8 représentent, en coupe selon l'axe C-C, deux étapes d'un mode de réalisation particulier d'un procédé de fabrication d'un micro-condensateur selon la figure 6. Les figures 9 et 10 illustrent schématiquement, en vue de dessus, deux modes de réalisation particuliers des électrodes supplémentaires d'un micro- condensateur selon l'invention. La figure 11 représente, en coupe selon B-B, une variante de réalisation du micro-condensateur selon la figure 1. Description de modes particuliers de réalisation Le micro-condensateur électromécanique à capacité variable représenté aux figures 1 à 3 comporte une poutre 1 ayant deux extrémités 2 solidaires d'un anneau 3 fixé à un substrat 4 par l'intermédiaire de deux socles 5 de fixation. L'anneau 3 constitue, ainsi, un support S pour la poutre 1. Les socles 5 de fixation sont disposés de part et d'autre de l'anneau 3, sur un axe de fixation A-A passant par le centre P de l'anneau 3. La poutre 1 est disposée sur un diamètre de l'anneau 3 perpendiculaire à l'axe de fixation A-A défini par les o socles de fixation 5. Sur la figure 1, la poutre 1 est disposée selon un axe B-B. Sur la figure 3, le micro-condensateur comporte une première électrode 6 solidaire de la poutre 1 et deux secondes électrodes 7, non-représentées aux figures 1 et 2 pour des raisons de clarté. Sur la figure 2, une surface pointillée 1 a représente une face inférieure de la poutre 1. Dans le mode de réalisation particulier représenté aux figures 1 à 3, le micro-condensateur comporte un support supplémentaire 8 rattaché au substrat 4 par l'intermédiaire de deux socles supplémentaires 9. Sur la figure 3, les secondes électrodes 7 sont solidaires du support supplémentaire 8 et la poutre 1 est disposée entre le substrat 4 et les secondes électrodes 7. Des contraintes résiduelles dues à la fixation de l'anneau 3 sur le substrat 4 provoquent un flambement de la poutre 1, de manière à ce que la flèche 10 de la poutre 1 soit proche des secondes électrodes 7. Le flambement se produit notamment lorsque l'anneau 3 est constitué par au moins une couche sous contrainte en traction selon l'axe de fixation A-A ou lorsqu'il comporte au moins une telle couche. La contrainte en traction de l'anneau 3 selon l'axe de fixation A-A provoque un rétrécissement de l'anneau 3 selon le diamètre de l'anneau 3 perpendiculaire à l'axe de fixation A-A, et se traduit alors par une contrainte en compression de la poutre 1 selon son axe longitudinal. Comme représenté à la figure 3, la poutre 1 comporte, de préférence, une couche isolante 11 supérieure disposée en regard des secondes électrodes 7. Ainsi, la flèche 10 de la poutre 1 peut être en contact avec la seconde électrode 7 sans créer un contact électrique entre la première électrode 6 et les secondes électrodes 7. Dans un autre mode de réalisation, une couche isolante peut être déposée sur les secondes électrodes 7, en regard de la première électrode 6. La figure 3 représente le micro-condensateur dans une position de repos, c'est-à-dire lorsque la tension d'actionnement est nulle. Le microcondensateur selon l'invention permet, en fonction d'une tension d'actionnement, d'attirer davantage la poutre 1 en direction de la seconde électrode. Ainsi, en augmentant la tension d'actionnement, une partie de plus en plus importante de la première électrode 6 s'approche de la seconde électrode 7, comme représenté à la figure 4, et la capacité du condensateur est fortement augmentée. Le micro-condensateur présente l'avantage que, dans sa position de repos (figure 3), une partie centrale de la première électrode 6 est automatiquement proche des secondes électrodes 7 et, ainsi, les forces électrostatiques sont importantes localement, même en appliquant une tension électrique faible. Ces forces électrostatiques locales permettent notamment de faire propager l'attraction entre les électrodes de proche en proche le long des électrodes 6 et 7 et ainsi, d'agrandir la zone de contact entre la poutre 1 et les secondes électrodes 7. Sur la figure 3, les deux secondes électrodes 7 sont disposées en regard de la poutre 1, selon un axe parallèle à l'axe longitudinal de la poutre 1, respectivement de part et d'autre de la flèche 10 de la poutre 1. Ainsi, les secondes électrodes 7 ne sont pas disposées en regard de la flèche 10 elle-même, ce qui permet de réduire la capacité du condensateur dans la position de repos de la poutre 1 et ainsi, d'élargir la plage de variation de capacité. Un procédé de fabrication du micro-condensateur selon l'invention comporte le dépôt sous contrainte de la poutre 1 et/ou du support S de la poutre, de manière à ce que des contraintes résiduelles provoquent un flambement de la poutre 1. Par exemple, la poutre 1 et l'anneau 3 peuvent être réalisés en un seul o empilement de couches sur une première couche sacrificielle 14, comme représenté à la figure 5. Ledit empilement comporte une couche isolante 12 inférieure, une couche conductrice 13 constituant la première électrode 6 et la couche isolante 11 supérieure. La couche conductrice 13 peut être limitée à la partie de l'empilement correspondant à la poutre 1, comme représenté à la figure 5. Ainsi, l'anneau 3 est uniquement constitué par les couches isolantes inférieure 12 et supérieure 11. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 5, le dépôt de la couche isolante 12 inférieure est effectué sur une la première couche sacrificielle 14. Une seconde couche sacrificielle 15 permet de réaliser le support supplémentaire 8. L'empilement constituant la poutre 1 et l'anneau 3 est déposé de manière à ce que, après enlèvement des première et seconde couches sacrificielles 14 et 15, l'empilement soit sous contrainte en traction selon l'axe de fixation A-A. Ainsi, la contrainte en traction de l'anneau 3 provoque un étirement de l'anneau selon l'axe de fixation A-A et, ainsi, le flambement de la poutre 1 selon son axe longitudinal. Dans un autre mode de réalisation particulier représenté aux figures 6 à 8, la poutre comporte elle-même au moins une couche sous contrainte en compression selon un axe longitudinal C-C de la poutre 1. Le support S est simplement constitué par deux socles de fixation. Comme représenté à la figure 7, la poutre 1 peut être réalisée par dépôt, sur un ensemble formé par une première couche sacrificielle 14 et les deux socles constituant le support S. Ainsi, des contraintes résiduelles dues à la fixation de la poutre 1 sur les socles de fixation (S) provoquent le flambement de la poutre 1, de manière à ce que la flèche 10 de la poutre 1 soit proche de la seconde électrode 7, après io enlèvement de la première couche sacrificielle 14, comme représenté à la figure 8. Les contraintes résiduelles peuvent être maîtrisées en jouant par exemple sur les épaisseurs, les dimensions, la géométrie et les matériaux (module de Young, coefficient de Poisson) des couches déposées. On utilise, par exemple, des composés nitrurés sous contrainte en traction ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 micron pour l'anneau 3. Le niveau de la contrainte en traction, nécessaire pour que la flèche 10 de la poutre 1 soit proche de la seconde électrode 7, peut être étudié par des simulations par éléments finis en faisant varier les valeurs des contraintes pour calculer le flambement de la poutre 1. Ainsi, on détermine la valeur de la contrainte pour laquelle le flambement présente une amplitude telle que la poutre 1 touche en un point la seconde électrode 7. On peut également déterminer empiriquement les paramètres ci-dessus par des essais et/ou ajuster les paramètres de dépôt du nitrure, par exemple la température ou la puissance de dépôt. La première électrode 6, qui est mobile, peut être en nitrure de titane TiN ou de l'or. L'épaisseur de la première électrode 6 est, par exemple, comprise entre 0,3 et 0,4 microns. io L'anneau 3 a, par exemple, un diamètre intérieur de 400 microns et un diamètre extérieur de 450 microns. La poutre 1 a donc une longueur de 400 microns et peut, par exemple, avoir une largeur de 60 microns. Le flambement est, par 5 exemple, tel que la flèche 10 de la poutre 1 est surélevée de 12 microns. L'actionnement du micro-condensateur peut être effectué par l'intermédiaire des première et seconde électrodes. Ainsi, la tension électrique d'actionnement est appliquée entre la première électrode 6 et les secondes électrodes 7, c'est-à-dire que la tension d'actionnement est identique à la tension aux bornes du micro-condensateur, dont la capacité varie ainsi en fonction de la tension appliquée à ses bornes. Pour des applications radiofréquence, il est avantageux de dissocier les bornes du micro-condensateur et les électrodes d'actionnement, de manière à séparer la zone d'actionnement de la zone active définissant la valeur de la capacité variable. En effet, un signal radiofréquence de forte puissance superposé à la tension d'actionnement pourrait perturber le fonctionnement du micro-condensateur. Dans ce cas, des électrodes supplémentaires peuvent être utilisées pour l'actionnement. On peut, par exemple, utiliser des premières et secondes électrodes supplémentaires pour l'actionnement électrostatique et dissocier complètement l'actionnement des première (6) et seconde (7) électrodes du microcondensateur. Il est également possible d'utiliser l'une des première et seconde électrodes pour l'actionnement. Par exemple, le micro-condensateur comporte au moins une électrode supplémentaire 16a solidaire de la poutre 1. La tension électrique d'actionnement est ainsi appliquée entre l'électrode supplémentaire 16a et les secondes électrodes 7. Comme représenté à la figure 9, deux électrodes supplémentaires 16a solidaires de la poutre 1 peuvent être disposées de part et d'autre de l'axe B-B qui est l'axe longitudinal de la poutre 1. La largeur des secondes électrodes 7 est adaptée à la largeur de l'ensemble des deux électrodes supplémentaires 16a et de la première électrode 6. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'actionnement, le microcondensateur comporte une électrode supplémentaire 16b solidaire du support supplémentaire 8. La tension électrique d'actionnement est ainsi appliquée entre l'électrode supplémentaire 16b et la première électrode 6. Comme représenté à o la figure 10, deux électrodes supplémentaires 16b solidaires du support supplémentaire 8 peuvent, par exemple, être disposées de part et d'autre d'un axe longitudinal du support supplémentaire 8. Ainsi, les deux électrodes supplémentaires 16b sont disposées respectivement de part et d'autre de la seconde électrode 7 unique, disposée sur l'axe B-B qui correspond à l'axe longitudinal du support supplémentaire 8 et de la poutre 1. La largeur de la première électrode 6 est alors adaptée à la largeur de l'ensemble des deux électrodes supplémentaires 16b et de la seconde électrode 7. Dans une variante de réalisation, la poutre 1 du micro-condensateur comporte une couche en matériau piézoélectrique (AIN, PZT, etc.) ou en matériau apte à se dilater thermiquement (Al, AlSi, InconelTM, etc.). Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 11 en position de repos, cette couche 17 forme, à la surface inférieure de la poutre 1, deux zones distinctes 17a et 17b, respectivement disposées aux extrémités longitudinales de la poutre 1. Une électrode d'actionnement 18, par exemple en Titane (Ti), nitrure de titane (TiN), platine (Pt) ou or, recouvre au moins une partie de la couche 17. Sur la figure 11, deux électrodes d'actionnement 18a et 18b recouvrent partiellement respectivement les zones 17a et 17b de la couche 17. L'application d'une tension d'actionnement entre les électrodes 6 et 18 provoque la dilatation du matériau, piézoélectrique ou apte à se déformer thermiquement, de la couche 17. La dilatation de ce matériau étant supérieur à celle des matériaux (SiN, oxyde, Si, etc.) constituant les couches structurelles de la poutre, il se produit un effet de bilame, qui provoque l'apparition d'un couple mécanique, augmentant ainsi la zone de collage. La longueur de la couche 17 peut être inférieure ou égale à la longueur L de la poutre. Dans un mode de réalisation préférentiel, chaque zone 17a et 17b a une longueur sensiblement voisine de L/3. La largeur de la couche 17 est inférieure ou égale à la largeur de la poutre et son épaisseur est, de préférence, comprise entre 0,2 et 1 m. Cette épaisseur peut être calibrée en fonction du déplacement désiré. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés. En particulier, le nombre des première et seconde électrodes peut être quelconque. Par exemple, le micro-condensateur peut comporter plusieurs premières électrodes 6 et/ou une seule seconde électrode 7 ou plus de deux secondes électrodes 7. Revendications 1. Micro-condensateur électromécanique ayant une capacité variable en fonction d'une tension électrique d'actionnement et comportant au moins des première (6) et seconde (7) électrodes, la première électrode (6) étant solidaire d'une poutre (1) ayant deux extrémités (2) solidaires d'un support (S) fixé sur un substrat (4), micro-condensateur caractérisé en ce que des contraintes résiduelles provoquent un flambement de la poutre (1), de manière à ce que la flèche (10) de la poutre (1) soit proche de la seconde électrode (7). 2. Micro-condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poutre (1) comporte une couche isolante (11) disposée en regard de la seconde électrode (7). 3. Micro-condensateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la flèche (10) de la poutre (1) est en contact avec la seconde électrode (7). 4. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support (S) est constitué par un anneau (3) fixé au substrat (4) par l'intermédiaire de deux socles de fixation (5) disposés de part et d'autre de l'anneau (3) sur un axe de fixation (A-A) passant par le centre (P) de l'anneau (3), la poutre (1) étant disposée sur un diamètre de l'anneau (3) perpendiculaire à l'axe de fixation (A-A), l'anneau (3) comportant au moins une couche sous contrainte en traction selon l'axe de fixation (A-A). 5. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la poutre (1) comporte au moins une couche sous contrainte en compression selon un axe longitudinal (B-B) de la poutre (1) . 6. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde électrode (7) est solidaire d'un support supplémentaire (8), la poutre (1) étant disposé entre le substrat (4) et la seconde électrode (7). 7. Micro-condensateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux secondes électrodes (7) sont disposées, en regard de la poutre (1), selon un axe parallèle à l'axe longitudinal de la poutre (1), respectivement de part et d'autre de la flèche (10) de la poutre (1). 8. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les première (6) et seconde (7) électrodes constituent des moyens d'actionnement électrique, la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre les première (6) et seconde (7) électrodes. 9. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la poutre (1) comporte une couche (17) en matériau choisi parmi les matériaux piézoélectriques et les matériaux déformables thermiquement et recouverte au moins partiellement par une électrode d'actionnement (18), la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre l'électrode d'actionnement (18) et la première électrode (6). 10. Micro-condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'actionnement électrique comportant au moins une électrode supplémentaire (16a) solidaire de la poutre (1), la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre l'électrode supplémentaire (16a) et la seconde électrode (7). 11. Micro-condensateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que deux électrodes supplémentaires (16a) solidaires de la poutre (1) sont disposées de part et d'autre d'un axe longitudinal de la poutre (1). 12. Micro-condensateur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'actionnement électrique comportant au moins une électrode supplémentaire (16b) solidaire du support supplémentaire (8), la tension électrique d'actionnement étant destinée à être appliquée entre l'électrode supplémentaire (16b) et la première électrode (6). 13. Micro-condensateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que deux électrodes supplémentaires (16b) solidaires du support supplémentaire (8) sont disposées de part et d'autre d'un axe longitudinal du support supplémentaire (8). 14. Procédé de fabrication d'un micro-condensateur électromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte le dépôt sous contrainte d'au moins l'un des éléments choisis parmi la poutre (1) et le support (S), de manière à ce que des contraintes résiduelles provoquent un flambement de la poutre (1). 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte la réalisation, sur une couche sacrificielle (14), de la poutre (1) et de l'anneau (3) en un seul empilement de couches, de manière à ce que, après enlèvement de la couche sacrificielle (14), l'anneau (3) soit sous contrainte en traction selon l'axe de fixation (A-A). 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte la réalisation, sur un ensemble formé par une couche sacrificielle (14) et le support (S), de la poutre (1) par dépôt d'au moins une couche sous contrainte en compression selon un axe longitudinal (B-B) de la poutre (1) .