Brevet FR2907775A1 — publié le 20080502

Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique comprenant un substrat et un micro-dispositif oscillant pivotant autour d'un axe de rotation, le micro-dispositif oscillant étant relié au substrat de manière à pouvoir osciller, le micro-dispositif oscillant s'étendant principalement en surface le long d'une première direction parallèle à l'axe de rotation et le long d'une seconde direction perpendiculaire à l'axe de rotation. Etat de la technique Le document EP 121 2650 B1 décrit un micro-dispositif oscillant ayant un type particulier de suspension. L'inconvénient de ce micro-dispositif oscillant connu ou de son type de suspension est d'être relativement encombrant pour la réalisation des ressorts de torsion de sorte qu'il est d'une fabrication relativement coûteuse. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le micro-dispositif oscillant est relié à deux extrémités opposées selon la seconde direction par une première partie de suspension et par une seconde partie de suspension au substrat. Le composant micromécanique selon l'invention a l'avantage d'avoir une structure micromécanique relativement compacte et économique à fabriquer en particulier parce que l'encombrement de la suspension du micro-dispositif étant réduit, la surface de plaquette oc- cupée diminue. Il est en outre avantageux de ne pas utiliser d'élément de détection tels que des éléments piézo-résistifs avec sa sortie latérale pour détecter le débattement de la suspension du micro-dispositif oscillant selon l'invention ; cela permet de brancher des éléments de détec- tion en particulier sur la première et la seconde partie de suspension en forme de ressort de flexion pour un montage en pont, compensé. Selon l'invention, il est avantageux que la première et la seconde partie de suspension s'étendent pratiquement parallèlement à l'axe de rotation et soient réalisées sous forme de ressort de flexion. L'invention permet ainsi avantageusement d'appliquer les forces de rap-2907775 2 pel résiduelles de la première et de la seconde partie de suspension ce qui permet de différencier de façon significative la fréquence dans la bande des fréquences pour le mode en phase (mode d'oscillation plan parallèle) en opposition de phase (mode d'oscillation en torsion) du 5 micro-dispositif oscillant grâce aux ressorts de flexion excentrés. Il est en outre avantageux selon l'invention que le micro-dispositif oscillant soit un micro-miroir. Cela permet avantageusement d'utiliser des composants micromécaniques à application optique avec des moyens simples en particulier des applications en technique auto- 10 mobile tels que les procédés des appareils de mesure de distance. En outre, selon l'invention il est avantageux que la première partie et la seconde partie de suspension soient constituées par un ressort plié. Un ressort plié dans le contexte de la présente invention ne désigne pas exclusivement une structure seulement allongée, c'est-àdire par exemple une poutre de flexion ou un ressort de flexion cintré par exemple au milieu. Une telle forme de la première ou de la seconde partie de suspension permet une économie supplémentaire d'encombrement. En outre, selon l'invention, il est avantageux de prévoir 20 une troisième partie de suspension entre la première et la seconde partie de suspension notamment d'une manière pratiquement parallèle à l'axe de rotation. Cela permet d'une manière très simple et précise de fixer l'axe de rotation du micro-dispositif oscillant. En outre, selon l'invention, il est avantageux de prévoir 25 au moins un élément capteur piézo-résistant sur la face supérieure et/ou la face inférieure de la première et/ou de la seconde partie de suspension ou d'avoir un ensemble d'éléments de capteur sur la face supérieure et/ou la face inférieure de la première et/ou de la seconde partie de suspension et ces éléments sont montés en pont. Cette réali- 30 sation permet d'installer des éléments de capteur, notamment des résistances piézo-résistantes, le long des ressorts de flexion, c'est-à-dire soit sur la face supérieure, soit sur la face inférieure, soit à la fois sur la face supérieure et la face inférieure pour permettre les contraintes principales qui règnent dans les ressorts de flexion. Cela permet notamment 35 une installation sur le côté de sorte que l'encombrement est réduit de 2907775 3 manière significative ; les ressorts de flexion peuvent être plus étroits et de grands degrés de liberté existent pour la conception du composant. Les éléments de capteur sur la face supérieure ou la face inférieure des ressorts de flexion peuvent être assemblés de façon connue en un pont 5 de Wheatstone qui s'équilibre très bien et conserve cette caractéristique dans une plage étendue de températures. En outre, selon l'invention, si le micro-dispositif oscillant a un mode oscillant en torsion et un mode oscillant en plan parallèle, les deux modes d'oscillation sont séparés en fréquence. Cela permet de 10 fixer d'une manière particulièrement simple et précise l'axe de rotation du micro-dispositif oscillant. L'invention concerne également l'application d'un composant selon l'invention comme micro-miroir. Selon l'invention, il est ainsi possible d'utiliser le composant économique selon l'invention, par 15 exemple pour l'affichage et notamment pour l'affichage frontal HUD. Dans ces applications, au moins un micro-dispositif oscillant ou en va-riante plusieurs tels micro-dispositifs oscillants micromécaniques sont réalisés en forme de micro-miroir. Dessins 20 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 est une vue de dessus schématique d'un premier mode de réalisation d'un micro-dispositif oscillant comme faisant partie d'un 25 composant micromécanique, la figure 2 est une vue de dessus schématique d'un second mode de réalisation d'un micro-dispositif oscillant d'un composant micromécanique, - les figures 3a, 3b, 4 montrent chacune schématiquement une vue en 30 coupe du micro-dispositif oscillant du second mode de réalisation selon deux modes d'oscillation différents, - la figure 5 est une vue de dessus schématique d'un troisième mode de réalisation d'un micro-dispositif oscillant faisant partie d'un composant micromécanique, 2907775 4 - la figure 6 est une vue de dessus schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un micro-dispositif oscillant faisant partie d'un composant micromécanique, et - la figure 7 est une vue schématique de dessus d'un micro-dispositif 5 oscillant correspondant au second mode de réalisation avec une représentation des éléments de capteur. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement en vue de dessus un premier mode de réalisation d'un micro-dispositif oscillant 20 appar- 10 tenant à un composant micromécanique 10 selon l'invention, ce micro-dispositif oscillant 20 pouvant pivoter autour d'un axe de rotation 12. La figure 2 montre le composant 10 selon l'invention avec un micro-dispositif oscillant 20 représenté schématiquement en vue de dessus et correspondant à un second mode de réalisation de l'invention. Les deux 15 figures seront décrites ci-après en commun. Le composant 10 comporte notamment un substrat 11 auquel le micro-dispositif oscillant 20 est relié par une suspension. Le substrat 11 est notamment un substrat semi-conducteur, de préférence un substrat en silicium. Le composant 10 selon l'invention peut être 20 fabriqué de façon connue en soi, par exemple selon un procédé de fabrication en micromécanique de surface ou en micromécanique en volume. Le micro-dispositif oscillant 20 est par exemple dégagé par un procédé de gravure en tranchée et/ou un procédé de gravure à couche sacrificielle de façon que le micro-dispositif oscillant 20 puisse osciller autour 25 de l'axe de rotation 12 défini par la suspension. Le micro-dispositif oscillant 20 est notamment réalisé comme micro-miroir et sera appelé ci-après micro-miroir 20. Selon l'invention, l'application comme micro-miroir n'importe pas mais n'importe quelle structure oscillante peut être réalisée 30 comme micro-dispositif oscillant 20. En outre, il est notamment prévu, selon l'invention, que plusieurs, voire un grand nombre, de micro-dispositifs oscillants 20 ou de micro-miroirs 20 soient installés dans un composant micromécanique 10 selon l'invention, par exemple pour dévier un grand nombre de faisceaux lumineux dans plusieurs directions. 2907775 5 Toutefois, clans un but de simplification, les figures 1 et 2 ne montrent qu'un seul micro-dispositif oscillant 20. La suspension du micro-dispositif oscillant 20 selon le premier et le second mode de réalisation se fait principalement par l'in- 5 termédiaire d'une première partie de suspension 31 et d'une seconde partie de suspension 32. Pour les deux formes de réalisation, on a en plus une troisième partie de suspension 33. Le micro-dispositif oscillant 20 est pratiquement en forme de plaque s'étendant clans deux directions à savoir dans une première direction 21 qui est pratiquement parallèle à l'axe de rotation 12 et dans une seconde direction 22 qui est pratiquement perpendiculaire à l'axe de rotation 12. Selon l'invention, la première et la seconde partie de suspension 31, 32 sont prévues aux extrémités opposées du micro-dispositif oscillant 20 suivant la seconde direction 22 pour la liaison du micro-dispositif oscillant 20. 15 Cela permet deux modes d'oscillation différents pour le micro-dispositif oscillant à savoir un mode d'oscillation plan parallèle représenté aux figures 3a et 3b et un mode d'oscillation en torsion représenté à la figure 4. Dans le cas du mode d'oscillation plan parallèle (figures 2n 3a, 3b), le microdispositif oscillant 20 oscille hors de son plan d'extension principal qui pour la position de repos a une forme plane parallèle et sans effectuer de mouvement de rotation. Dans le cas du mode d'oscillation en torsion (figure 4), le micro-dispositif oscillant 20 oscille autour de l'axe de rotation 12 et son 25 centre de gravité reste pratiquement dans son plan d'extension princi- pal correspondant à la position de repos. Les figures 3a, 3b montrent en trait plein une vue en coupe schématique du micro-dispositif oscillant 20 transversalement à l'axe de rotation 12 en passant sensiblement au milieu du micro- 30 dispositif oscillant 20 avec un débattement instantané vers le haut ; en trait interrompu on a représenté un débattement instantané vers le bas. La flèche 25 désigne aux figures 3a, 3b le mouvement du centre de gravité du micro-dispositif oscillant 20. 2907775 6 La figure 4 montre en trait plein et en trait interrompu chacune des deux déviations en torsion du micro-dispositif oscillant 20 dans des directions différentes. L'axe de rotation 12 du premier mode de réalisation est 5 assuré uniquement par la première et la seconde partie de suspension 31, 32 ; en revanche, dans le second mode de réalisation, il y a en plus la troisième partie de suspension 33 qui s'ajoute pratiquement comme un pur élément de torsion. Dans le second mode de réalisation on a une séparation significative dans la bande des fréquences pour la position IO de la fréquence correspondant aux deux modes d'oscillation envisagés. La troisième partie de suspension 33 peut avoir une caractéristique de torsion relativement molle car la troisième partie de suspension 33 a uniquement pour but de décaler la fréquence de l'oscillation en opposition de phase (voir figures 3a et 3b) vers les fréquences supérieures, ce 15 qui correspond à une sollicitation en traction de la troisième partie de suspension 33 réalisée comme ressort de torsion. La figure 5 montre schématiquement une vue de dessus d'un troisième mode de réalisation du micro-dispositif oscillant 20 comme partie du composant micromécanique 10. Dans le troisième 20 mode de réalisation, la troisième partie de suspension 33 est peu encombrante et du point de vue des contraintes de torsion, elle est relativement molle. La troisième partie de suspension 33 est réalisée comme ressort plié de sorte que, par une charge en torsion de la troisième partie de suspension 33, globalement, on a une contrainte de flexion dans 25 la zone du pli 33' qui domine. Les mêmes références qu'aux figures ci-dessus correspondent aux mêmes composants ou éléments du composant 10 selon le troisième mode de réalisation. La figure 6 montre schématiquement une vue de dessus d'un quatrième mode de réalisation du micro-dispositif oscillant 20 faisant partie du composant micromécanique 10. Le quatrième mode de réalisation permet de donner à la première et à la seconde partie de suspension 31, 32 une forme peu encombrante et relativement molle du point de vue du débattement du micro-dispositif oscillant 20. En plus de la troisième partie de suspension 33, on donne également à la pre- 35 mière et à la seconde partie de suspension 31, 32 la forme d'un ressort 2907775 7 plié de sorte que la charge en flexion, au niveau des plis 31', 32', permet de rendre les ressorts de flexion plus mous. Les mêmes références que dans les figures précédentes correspondent aux mêmes composants et mêmes éléments du composant 10 selon le quatrième mode de réalisa- 5 tion. La figure 7 est une vue schématique de dessus du micro-dispositif oscillant 20 correspondant au second mode de réalisation pré-sentant une possibilité de montage d'éléments capteurs 50 et de leur ligne de liaison 51 pour avoir notamment un montage en pont. Les élé- 10 ments capteurs 50 sont notamment des résistances piézo-résistantes installées de préférence dans les zones allongées ou contractées (lors du débattement du micro-dispositif oscillant 20) de la première et de la seconde partie de suspension 31, 32, ce qui permet d'avoir une très forte sensibilité. A titre d'exemple, les éléments capteurs 50 peuvent être 15 branchés sous la forme d'un mont de Wheatstone pour qu'une mesure aux points de sortie permette de déterminer le déplacement instantané du micro-dispositif oscillant 20. 20 REVENDICATIONS 1 ) Composant micromécanique (10) comprenant un substrat (11) et un micro-dispositif oscillant (20) pivotant autour d'un axe de rotation (12), le micro-dispositif oscillant (20) étant relié au substrat (11) de manière à pouvoir osciller, le micro-dispositif oscillant (20) s'étendant principalement en surface le long d'une première direction (21) parallèle à l'axe de rotation (12) et le long d'une seconde direction (22) perpendiculaire à l'axe de rotation (12), caractérisé en ce que le micro-dispositif oscillant (20) est relié à deux extrémités opposées (23, 24) selon la seconde direction (22) par une première partie de suspension (31) et par une seconde partie de suspension (32) au substrat (11). 2 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de suspension (31) et la seconde partie de suspension (32) sont pratiquement parallèles à l'axe de rotation (12). 3 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de suspension (31) et la seconde partie de suspension (32) sont réalisées chacune par des ressorts de flexion. 4 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de suspension (31) et la seconde partie de suspension (32) sont des ressorts pliés. 5 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé par une troisième partie de suspension (33) entre la première et la seconde partie de suspension (31, 32) notamment pratiquement parallèle à l'axe de rotation (12). 2907775 9 6 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé par au moins un élément capteur piézo-résistant (50) dans la zone de la face supérieure et/ou de la zone de la face inférieure de la première 5 et/ou de la seconde partie de suspension (31, 32). 7 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs éléments de capteur (50) sont reliés au niveau de la face su-10 périeure et/ou au niveau de la face inférieure de la première et/ou de la seconde partie de suspension (31, 32) pour former un montage en pont. 8 ) Composant micromécanique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 le micro-dispositif oscillant (20) présente un mode d'oscillation en torsion et un mode d'oscillation plan parallèle, les deux modes d'oscillation ayant une fréquence distincte. 9 ) Application d'un composant (10) selon l'une des revendications 1 20 à 8, comme dispositif à micro-miroir. 25