Brevet FR2908124A1 — publié le 20080509

Domaine de l'invention La présente invention concerne un actionneur micromécanique comportant un arbre ou au moins un premier moyen d'entraînement. Etat de la technique Les entraînements électrostatiques et les mécaniques de détection capacitifs sont connus en micromécanique (ou micro-usinage) et en particulier des capteurs micromécaniques. C'est ainsi que par exemple on connaît des capteurs d'accélération exploités de manière l o capacitive par des électrodes en forme de peignes. On connaît également des micromiroirs. Pour assurer le débattement du micromiroir on utilise des actionneurs micromécaniques ayant un arbre mis en torsion par un moyen d'entraînement électrostatique. Le document DE 19728598 Al décrit un actionneur mi- 15 cromécanique ayant un entraînement électrostatique avec des électrodes en surface. Le document US 6891650 B2 décrit un actionneur micromécanique ayant un entraînement électrostatique avec des électrodes en forme de peignes. Souvent, de tels actionneurs doivent répondre à des exi- 20 gences antagonistes : d'une part il faut générer une force aussi importante que possible pour pouvoir dévier l'élément de manière précise et de façon quasi statique et d'autre part, on souhaite avoir un débatte-ment angulaire important pour les éléments. Pour une telle force il faut toutefois une plus grande ex-25 tension des électrodes car pendant l'angle de débattement maximum, à mesure que la longueur augmente, la force diminue. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un actionneur micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'arbre et le pre- 3o mier moyen d'entraînement sont reliés par une première articulation. Dans le cas le plus simple, le premier moyen d'entraînement est relié par une première articulation directement à l'arbre à la distance de l'axe de rotation de l'arbre. De manière avantageuse, il est prévu un premier levier 35 dont une extrémité est reliée à l'arbre et l'autre extrémité est reliée au 2908124 2 premier moyen d'entraînement par la première articulation. De façon avantageuse, le moyen d'entraînement peut ainsi exercer un couple d'intensité souhaitée sur l'arbre. Un développement avantageux de l'actionneur micromé- 5 canique selon l'invention prévoit un second moyen d'entraînement relié à l'arbre par une seconde articulation. Il est également avantageux que le premier ou le second moyen d'entraînement soit relié par une troisième articulation à un moyen d'ancrage. Selon un développement particulièrement avantageux, il est prévu un second levier et le premier moyen d'entraînement et aussi le second moyen d'entraînement sont reliés par une troisième articulation à une extrémité du second levier et le moyen d'ancrage est relié par une quatrième articulation à l'autre extrémité du second levier. De façon particulièrement avantageuse, au moins le premier moyen d'entraînement et aussi le second moyen d'entraînement sont constitués par au moins un entraînement électrostatique ayant au moins une première électrode et une seconde électrode. De façon avantageuse, une première ou plusieurs des articulations permettent également une mobilité en translation pour le 20 premier et le second moyen d'entraînement par rapport à l'arbre. Il est avantageux d'installer l'actionneur à la surface d'un substrat et de relier le moyen d'ancrage au substrat. La présente invention concerne un moyen d'entraînement électrostatique dont ni la longueur des électrodes, ni l'angle de débat- 25 tement des éléments micromécaniques sont soumis aux limitations de l'état de la technique. Par une suspension souple des électrodes (à la fois dans la réalisation en surface et dans la réalisation sous forme de peigne), la force sera déterminée par la surface indépendamment de l'angle et l'angle sera fixé par la longueur des bras de levier de l'axe de 30 rotation indépendamment de la dimension des électrodes. Il en résulte des avantages tels que par exemple une attraction parallèle des paires d'électrodes et une commande plus régulière de la force par la tension appliquée. 2908124 3 De façon avantageuse, les dimensions des électrodes perpendiculairement à l'axe de rotation ne sont par critiques car elles n'entraînent pas de limitation de l'angle de débattement maximum. L'actionneur micromécanique selon l'invention permet de 5 générer des forces importantes. Cela permet d'envisager d'autres domaines d'application. De façon avantageuse, l'angle de débattement maximum (angle de rotation) dépend de la géométrie de l'axe de rotation. L'actionneur micromécanique selon l'invention se fabrique de manière simple et économique. IO En reliant le moyen d'entraînement à l'arbre par une articulation, on peut choisir un montage plus simple des électrodes d'entraînement car il ne faut pratiquement pas de place pour l'oscillation des électrodes du fait du débattement angulaire des électrodes. 15 De façon avantageuse, l'actionneur peut se réaliser au-dessus de surfaces à faible profondeur d'usinage micromécanique dans le substrat. Cela permet un usinage d'une face du substrat ce qui simplifie le procédé et se traduit par une économie et un meilleur rende-ment. 20 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1.1 montre un actionneur micromécanique avec un miroir 25 correspondant à l'état de la technique, l'actionneur étant en position de repos, - la figure 1.2 montre un actionneur micromécanique avec un miroir selon l'état de la technique en position actionnée, la figure 2.1 est une section de l'actionneur micromécanique de l'état 30 de la technique avec des électrodes en forme de peigne en position de repos, - les figures 2.2 et 2.3 montrent chacune une section de l'actionneur micromécanique selon l'état de la technique avec des électrodes en forme de peigne et une déviation différente suivant la tension appli- 35 quée, 2908124 4 - la figure 3 montre les conditions géométriques à l'aide d'une section d'une paire d'électrodes d'un actionneur micromécanique selon l'état de la technique, les électrodes étant déviées, et - les figures 4.1-4.6 montrent différents modes de réalisation d'un ac-5 tionneur micromécanique selon l'invention en position de repos et en position actionnée. Description de modes de réalisation La figure 1.1 montre un actionneur micromécanique avec un micromiroir selon l'état de la technique, en position de repos. L'actionneur micromécanique comporte un arbre 10 relié à un premier et à un second moyen d'entraînement 21, 22. Les moyens d'entraînement 21, 22 sont des moyens d'entraînement électrostatiques formés chacun d'un groupe d'électrodes mobiles 61 et d'électrodes fixes 62. Les premières et secondes électrodes 61, 62 forment chacune une structure d'électrodes en peigne. Les premières électrodes ou électrodes mobiles 61 sont fixées à l'arbre 10. Les secondes électrodes ou électrodes fixes 62 sont fixées à un substrat situé sous la structure décrite mais non représentée ici. Une extrémité de l'arbre 10 porte un micromiroir 15. Lorsque l'arbre 10 tourne ou se déplace, à une extrémité, d'un certain angle, le micromiroir 15 tourne ou se déplace de cet angle. L'autre extrémité de l'arbre 10 peut être fixe. La rotation de l'arbre 10 correspond ainsi à une torsion de l'arbre 10. A la figure 1.1, l'actionneur est représenté en position de repos. Le micromiroir 15 n'est pas déplacé. La figure 1.2 montre un actionneur micromécanique relié à un micromiroir selon l'état de la technique en position déviée ou dé-placée. En appliquant une tension U entre les premières et secondes électrodes 61, 62 de l'élément et à un côté des électrodes fixes, on aura une force d'attraction électrostatique. Les électrodes 61, 62 soumises à la tension U se rapprochent. En conséquence l'arbre 10 sera tourné d'un angle. Le micromiroir 15 porté par l'arbre 10 est également dépla- cé. Les figures 2.1, 2.2, 2.3 montrent un actionneur micro-mécanique selon l'état de la technique, une nouvelle fois en vue en coupe. La figure 2.2 montre la coupe de l'actionneur micromécanique selon l'état de la technique avec des électrodes en forme de peigne dans 2908124 5 le premier état de fonctionnement c'est-à-dire la position de repos. Entre les premières et secondes électrodes 61, 62 du premier ou du second moyen d'entraînement 21, 22 il n'y a pas de tension électrique U. Les figures 2.2 et 2.3 montrent chacune une section de l'actionneur micro- 5 mécanique selon l'état de la technique avec des électrodes en peigne, électrodes déviées différemment suivant la tension appliquée. A la figure 2.2, dans la partie supérieure A on a appliqué une tension électrique schématisée par les symboles + et -, entre les premières et secondes électrodes 61, 62 du premier moyen d'entraînement 21. Sous l'action de I o la force électrostatique d'attraction F, les premières électrodes 61 sont attirées entre les secondes électrodes 62 et l'arbre 10 tourne d'un angle de rotation dans la première direction. Dans la partie inférieure B de la figure une tension électrique est appliquée entre les premières et secondes électrodes 61, 62 15 du second moyen d'entraînement 22. Sous l'effet de la force électrostatique d'attraction F, l'arbre 10 tourne dans la seconde direction opposée à la première direction suivant un angle de rotation. La figure 2.3 montre ce qui se passe si l'arbre 10 est tourné au-delà d'un certain angle de rotation : la surface des électrodes qui dépasse en dessous engendre 20 une force de rappel FR qui s'oppose à la force de débattement F et limite ainsi le débattement maximum possible. Dans le cas d'électrodes en surface, superposées, à la place des électrodes en peigne telles que représentées, le débattement est limité d'emblée par la géométrie. Lorsque les électrodes mobiles 61 rencontrent les électrodes fixes 62, cela limite 25 mécaniquement le débattement. Une telle limitation mécanique du dé-battement existe également dans les cas des électrodes en forme de peigne lorsque les électrodes mobiles 61 rencontrent le substrat qui se trouve en dessous de cette structure. La figure 3 montre les conditions géométriques à l'aide 30 d'une section d'une paire d'électrodes d'un actionneur micromécanique selon l'état de la technique en position déviée. La figure 3 montre la relation entre la longueur 1 de l'électrode mobile et l'angle a qui est l'angle de rotation ou angle de déviation et l'épaisseur d. cela correspond à la relation suivante : 35 1=d/tan a 2908124 6 Pour l'angle souhaité a = 10 et une épaisseur des électrodes d = 20 m, on aura par exemple une longueur maximale pour les électrodes de l'ordre de 1 = 113 m. La force maximale F possible ne peut être augmentée qu'en allongeant l'axe de rotation ou en branchant 5 en parallèle plusieurs électrodes ou moyens d'entraînement ce qui augmente toutefois la surface de base nécessaire à cette structure sur le substrat. Les figures 4.1-4.6 montrent différents modes de réalisation de l'actionneur micromécanique selon l'invention représenté en po-10 sition de repos et en position déviée. La figure 4.1 montre un premier mode de réalisation d'un actionneur micromécanique selon l'invention représenté en position de repos. L'actionneur micromécanique comprend un substrat 100 portant une électrode fixe 62. Au-dessus du substrat 100 il y a un arbre 10 et 15 une électrode mobile 61. L'électrode mobile 61 et l'électrode fixe 62 forment en combinaison un premier moyen d'entraînement 21. L'électrode mobile 61 faisant partie du premier moyen d'entraînement 21 est reliée à l'arbre 10 par une première articulation 31. L'articulation peut être constituée par un ressort souple. La première articulation 31 est ainsi 20 reliée à un premier levier 41 lui-même relié solidairement à l'arbre 10. En variante, la première articulation 31 peut également être reliée directement à l'arbre 10 à une certaine distance de l'axe de rotation de l'arbre 10. L'électrode mobile 61 et l'électrode fixe 62 sont des électrodes en forme de peigne. L'articulation 31 est réalisée sous la forme d'une 25 liaison souple au moins en partie conductrice. La liaison au moins en partie conductrice assure ainsi une liaison électroconductrice entre l'électrode mobile 61 et l'arbre 10. La position représentée ici est la première position de fonctionnement de l'actionneur micromécanique c'est-à-dire la position de repos. 30 La figure 4.2 montre le premier mode de réalisation de l'actionneur micromécanique selon l'invention en position déviée. L'état dévié ou actionné correspond au second état de fonctionnement de l'actionneur micromécanique. Dans cet état, l'arbre 10 est tourné dans un premier sens de rotation. Du fait de l'application de la tension élec- 35 trique, comme cela a d'ailleurs été représenté dans l'état de la technique 2908124 7 ci-dessus, les premières et secondes électrodes 61, 62 en forme d'électrodes en peigne du premier moyen d'entraînement 21 sont attirées les unes dans les autres par la force électrostatique. L'articulation 31 selon l'invention permet, contrairement à l'état de la technique, à 5 l'électrode mobile 61 de rester parallèle à l'électrode fixe 62 et au substrat 100, et non suivant un angle différent de zéro pour être tirée vers ou dans l'électrode fixe. Les figures 4.3 et 4.4 montrent un second mode de réalisation d'un actionneur micromécanique selon l'invention représenté en 10 position de repos et en position déviée. A la différence du premier mode de réalisation, il est prévu ici un moyen d'ancrage 50 fixé au substrat 100. Il est également prévu un second levier 42. Le premier moyen d'entraînement 21 est relié par une troisième articulation 33 à la première extrémité du second levier 42. Le moyen d'ancrage 52 est relié par 15 une quatrième articulation 34 à l'autre extrémité du second levier 42. Les figures 4.5 et 4.6 montrent un troisième mode de réalisation d'un actionneur micromécanique selon l'invention, en position de repos et en position déviée. A la différence des exemples de réalisation précédents, il est prévu un second moyen d'entraînement 22 de 20 même type que le premier moyen d'entraînement 21, en position opposée à celui-ci par rapport à l'arbre 10 ; ce second moyen d'entraînement sert à dévier le dispositif dans le sens de rotation opposé. Le second moyen d'entraînement 22 est relié par une seconde articulation 32 à l'arbre 10 de la même manière que le premier moyen d'entraînement 21. 25 La représentation de la zone de l'actionneur avec le second moyen d'entraînement n'est que partielle. La représentation faite du premier moyen d'entraînement 21 s'applique exactement de la même manière au second moyen d'entraînement 22. Comme ce premier moyen d'entraînement 21, le premier et le second moyen d'entraînement 21, 22 30 sont reliés directement à un moyen d'ancrage 50 par une troisième articulation 33. Le second moyen d'entraînement 22 peut également assister la déviation dans le premier sens de rotation en appliquant des charges de même type aux premières et secondes électrodes du second 35 moyen d'entraînement. 2908124 8 Dans un autre état de fonctionnement, on peut appliquer de la même manière une tension U au premier moyen d'entraînement 21 et au second moyen d'entraînement 22 pour avoir un mouvement de translation de l'arbre 10 par rapport au substrat 100 sans produire de 5 rotation. Les mouvements de déviation en translation et en rotation peuvent également se combiner selon un autre état de fonctionnement. On peut également envisager d'autres formes de réalisation de l'invention notamment d'autres combinaisons de l'enseignement de l'invention et de sa disposition. 10 La forme et la longueur des leviers 41 et aussi 42 telles que décrites peuvent être adaptées à l'application souhaitée ; il en est de même de l'ancrage 50 au substrat 100. En particulier, cela permet d'adapter le couple et l'angle de rotation. On peut par exemple envisager de réaliser différemment la troisième articulation 33 avec des ressorts 15 plus longs qui, le cas échéant, permettent d'assurer l'isolation électrique par rapport au substrat 100 ou encore sans ancrage propre 50 en fixant directement au substrat 100. En variante, l'invention peut également s'utiliser pour des électrodes en surface à la place d'électrodes en forme de peigne. Dans ce cas, la contre-électrode fixe 62 est structurée dans le 20 substrat 100 et en appliquant une tension électrique U, on réduit simplement la distance entre les deux électrodes. Le débattement maximum est donné par le contact mécanique entre les électrodes 61 et 62. De plus, une ou plusieurs des articulations 31, 32, 33, 34 selon l'invention peuvent être élastiques ou d'une souplesse d'un autre type ; 25 on peut également modifier la longueur et la mobilité en translation du premier et du second moyen d'entraînement 21, 22, notamment la mobilité en translation de l'électrode mobile 61 par rapport à l'arbre 10. 30 REVENDICATIONS 1 ) Actionneur micromécanique comprenant un arbre (10) et au moins un premier moyen d'entraînement (21), caractérisé en ce que l'arbre (10) et le premier moyen d'entraînement (21) sont reliés par une première articulation (31). 2 ) Actionneur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé par l0 un premier levier (41) dont : - la première extrémité est reliée à l'arbre (10), - l'autre extrémité est reliée par une première articulation (31) au premier moyen d'entraînement (21). 15 3 ) Actionneur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé par un second moyen d'entraînement (22) et l'arbre (10) et le second moyen d'entraînement (22) sont reliés par une seconde articulation (32). 20 4 ) Actionneur micromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier et/ou le second moyen d'entraînement (21, 22) sont reliés par une troisième articulation (33) à un moyen d'ancrage (50). 25 5 ) Actionneur micromécanique selon la revendication 4, caractérisé par un second levier (42), et le premier et le second moyen d'entraînement (21, 22) sont reliés par la 30 troisième articulation (33) à une extrémité du second levier (42), le moyen d'ancrage (50) est relié par une quatrième articulation (34) à l'autre extrémité du second levier (42). 6 ) Actionneur micromécanique selon l'une quelconque des revendica-35 tions 1 à 5, 2908124 caractérisé en ce qu' au moins le premier et/ou le second moyen d'entraînement (21, 22) sont constitués par un moyen d'entraînement électrostatique ayant au moins une première électrode (61) et une seconde électrode (62). 5 7 ) Actionneur micromécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'articulation (31, 32, 33, 34) présente également une mobilité en 10 translation pour le premier et/ou le second moyen d'entraînement (21, 22) par rapport à l'arbre (10). 8 ) Actionneur micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur est prévu à la surface d'un substrat (100) et l'ancrage (50) est relié au substrat (100).20