Brevet FR2900144A1 — publié le 20071026

MICROSYSTÈME PIÉZOÉLECTRIQUE POUR L'ISOLATION VIBRATOIRE ACTIVE DE COMPOSANTS SENSIBLES AUX VIBRATIONS La présente invention est relative à un microsystème piézoélectrique pour l'isolation vibratoire active de composants sensibles aux vibrations. Elle trouve en particulier avantageusement application dans de nombreux domaines : micro-électronique, micro-optique, MEMS, MOEMS, filtres électromécaniques, capteurs à ondes de surface, transducteurs ultrasonores, etc... PRESENTATION DU DOMAINE TECHNIQUE La stabilité constitue une problématique majeure pour l'utilisation de certains systèmes d'électronique, tels que des générateurs de fréquences, des gyrovribrants, voire pour certains accéléromètres. De façon générale, l'objectif de toute suspension est bien évidemment de limiter l'accélération du système à isoler dans la gamme de 15 fréquences de sollicitations. Classiquement, les solutions connues proposent un compromis entre la raideur et l'amortissement de la liaison : l'atténuation des suspensions modales induite par l'augmentation de l'amortissement du système se traduit par une diminution de la coupure haute fréquence et par une 20 mauvaise isolation dans cette gamme. Il est par conséquent impératif de baisser la fréquence de coupure en limitant la raideur de la liaison, ce qui entraîne généralement une perte de stabilité en basse fréquence. 25 PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION L'invention propose quant à elle une stratégie nouvelle, stable et robuste qui permet de résoudre efficacement le problème du compromis d'isolation. Ainsi, l'invention propose un microsystème pour l'isolation vibratoire active, caractérisé en ce qu'il comporte un support qui comprend un cadre et au moins deux poutres qui se croisent au niveau d'une zone d'intersection et portent ou sont destinées à porter un élément à stabiliser, lesdites poutres portant au moins une couche piézoélectrique et des électrodes qui définissent différentes zones piézo-électriques, dont au moins deux sont des zones piézo-électriques de mesure, adaptées pour délivrer des signaux en sortie et qui sont sensibles aux déformations de la ou des poutre(s) qui les porte, et dont au moins une est une zone piézo-électrique d'activation, commandée en fonction des signaux en sortie des zones piézoélectriques de mesure selon une loi de commande de stabilisation. Le support est préférentiellement en silicium, mais peut être en d'autres matériaux. Avantageusement, le microsystème selon l'invention comporte deux poutres en croix, l'une de ces poutres portant des zones piézoélectriques de mesure, sensibles aux déformations de cette poutre, l'autre portant des zones piézoélectriques d'activation. Préférentiellement, les deux poutres sont perpendiculaires. Par exemple, le microsystème selon l'invention comporte trois zones de mesure, l'une, centrale, disposée au niveau de la zone d'intersection entre les deux poutres en croix, les deux autres disposées sur l'une des deux poutres, de part et d'autre de cette zones centrale, avec une séparation par rapport à celle-ci. Egalement, il comporte deux zones d'activation, disposées sur l'autre poutre, de part et d'autre de la zone centrale. De préférence, l'élément que l'on cherche à stabiliser est situé au niveau de la zone d'intersection des deux poutres. De préférence, le microsystème intègre un composant à stabiliser déposé avec les autres composants du microsystème. De préférence, le microsystème comprend des moyens pour recevoir ultérieurement le composant à stabiliser. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un microsystème conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 composée des figures 2A et 2B, illustre la disposition des électrodes du microsystème de la figure 1 ; la figure 2A est une vue de dessus du microsystème de la figure 1, la figure 2B est une vue de côté de la poutrelle 2b et montre la disposition des électrodes sur cette dernière ; les figures 3a et 3b sont des diagrammes théoriques de Bode d'un microsystème du type de celui de la figure 1, d'une part libre (traits pleins) et d'autre part controlé (traits pointillés) ; la figure 4 est une photographie en vue de dessus d'un microsystème conforme à un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION Le microsystème illustré sur la figure 1 comporte un support en silicium qui comprend d'une part un cadre 1 et d'autre part un réseau 2 de poutrelles qui s'étendent à l'intérieur de ce cadre 1 et qui portent la masse suspendue 3 que l'on cherche à stabiliser. Dans l'exemple ici décrit, le support 1 à une forme générale carrée, tandis que le réseau de poutrelles 2 est constitué de deux poutrelles 2a et 2b, qui s'étendent en croix, perpendiculairement l'une à l'autre, dans le cadre 1. Plus précisément, les deux poutrelles 2a et 2b s'étendent à partir des bords dudit cadre 1, parallèlement à ceux-ci, et se croisent au centre dudit cadre 1, au niveau d'une zone d'intersection 2c, la masse suspendue 3 étant portée par le réseau de poutrelles au niveau de ladite zone d'intersection 2c. Les différentes poutrelles (2a, 2b) du réseau 2 portent une couche mince piézoélectrique 4 (voir figure 2B), sur laquelle sont superposées différentes électrodes qui définissent sur cette couche différentes zones (4a, 4b, 4c): ^ les unes où le matériau de la couche piézoélectrique est utilisé comme piézoélectrique de mesure, sensible aux déformations desdites poutrelles, ^ les autres où le matériau de la couche piézoélectrique est utilisé comme un piézoélectrique d'activation, commandé en fonction des déformations relevées par les piézoélectriques de mesure. Par ailleurs, le support 1 et les poutrelles 2a, 2b portent sur leur face opposée aux zones piézoélectriques 4a, 4b, 4c une couche métallique 10 formant plan de masse (voir la figure 2B ; par souci de simplicité, la figure 25 2B ne montre que la poutre 2b mais par analogieäl'homme du métier saura représenter les électrodes sur la poutre 2a à partir de la figure 2B). Plus spécifiquement, dans l'exemple de la figure 1 et de la figure 2B, il est prévu : - que les poutrelles 2a et 2b et le cadre 1 qui les porte sont en silicium ; une zone piézoélectrique 4c de mesure, définie au niveau de la zone d'intersection 2c et sensible aux déformations au niveau de la zone 2c ; deux zones piézoélectriques 4a de mesure, s'étendant sur le silicium des deux branches de la poutrelle 2a, d'un côté et de l'autre de la zone d'intersection 2c, avec un certain espace de séparation 9 par rapport à la zone piézoélectrique 4c ; les zones 4a de mesure sont de préférence situées aux extrémités de la poutrelle 2a ; deux zones piézoélectriques d'activation 4b, s'étendant sur le silicium des deux branches de la poutrelle 2b, d'un côté et de l'autre de la zone d'intersection 2c ; l'espace 9 qui sépare ces zones d'activation 4b de la zone de mesure 4c est moins important que l'espace qui sépare les zones de mesure 4b de ladite zone 4c, les zones 4b s'étendant sur une longueur de branche plus importante et étant plus large que les zones 4a ; les zones 4b de mesure sont de préférence situées aux extrémités de la poutrelle 2b ; Une disposition possible pour les électrodes permettant de définir ces différentes zones est représentée sur la figure 2. Dans la configuration représentée, la zone 2c comporte une électrode carrée 6c, qui est reliée à 25 une sortie de mesure par une piste 7a s'étendant le long d'une des branches de la poutre 2a, jusqu'au cadre 1. La hauteur d'un bord de cette électrode carrée est par exemple de l'ordre de 500 micromètres. 10 15 20 Les électrodes définissant les zones 4a et 4b sont celles respectivement référencées par 6a et 6b sur la figure 2A. L'épaisseur de la structure en silicium (poutrelles 2a, 2b et cadre 1) est par exemple comprise entre 0,5 et 100 micromètres, tandis que la couche piézoélectrique 4 est par exemple un film mince, d'épaisseur de 0, 1 à 10 micromètres. La largeur des poutrelles 2a et 2b est optimisée pour d'une part permettre un rapport signal/bruit suffisant et d'autre part permettre une optimisation de l'activation. Par exemple, la poutrelle 2a qui porte la zone piézoélectrique de mesure 4a a une largeur égale à la moitié de la largeur de la poutrelle 2b qui porte les électrodes d'activation 6b. La largeur de cette poutrelle 2b est par exemple de l'ordre du mm, pour une longueur totale de l'ordre de 5mm pour chacune des branches des poutres 2a et 2b. Les électrodes 6a sont d'une largeur légèrement inférieure à celle de la poutre 2a, de façon à permettre le passage de la piste 7a. De même, les électrodes 6b sont d'une largeur légèrement inférieure à celle de la branche 2b. Ces électrodes 6a et 6b sont par exemple d'une longueur égale à la moitié de la longueur des branches des poutres 2a et 2b La loi de commande des piézoélectriques contrôlés est choisie de 20 façon à amortir et compenser les déformations du microsystème selon l'invention et à stabiliser de façon active la masse suspendue 3. Le signal y, généré par la zone piézoélectrique 4c lors d'une déformation de la zone d'intersection 2c est envoyé, avec les signaux y2 et y3 générés par les zones piézoélectriques 4a, sur une électronique 5 de 25 conditionnement de signal qui génère la tension V à appliquer aux zones 4b d'activation. Cette électronique 5 de conditionnement de signal (appelé aussi microcontrôleur) comprend un contrôleur de gain 5a, ainsi qu'en entrée de celui-ci un amplificateur de charge 5b et en sortie un amplificateur de tension 5c. De préférence, cette électronique 5 est portée par le support (1) du microsystème. Le gain du contrôleur 5a est par exemple du type : 5 G(s)=g's+a(Yi)+ g2)s+b (y2+Y3) où g1, g2 et a et b sont des constantes et où s=iw , w étant la pulsation du signal. D'autres lois de commande sont bien entendu possibles. Avec un tel système, on observe et on contrôle le mode de pompage fondamental ; les 10 autres modes de la structure ne sont quant à eux pas contrôlés. Ceci permet d'induire une stabilité absolue de la masse dans un repère galiléen sans surtension ni hausse de transmissibilité à haute fréquence. Les composants sensibles (électriques, optiques, etc.) à isoler 15 peuvent être fixés ultérieurement sur le microsystème ou la suspension ou être intégrés directement à celle-ci, s'il s'agit par exemple de composants à base de silicium. Par ailleurs, le dispositif de suspension peut avantageusement être intégré sur des supports électroniques imprimés (PCB ou Printed Circuit 20 Board ) ou dans des systèmes complets. Les couches piézoélectriques sont par exemple des céramiques PZT (Titano-Zirconiate de Plomb) sol gel, intégrées directement sur les substrats de SOI (Silicium sur isolant). D'autres matériaux piézoélectriques peuvent être utilisés comme le 25 Nitrate d'Aluminium (AIN), l'oxide de zinc (ZnO), et d'autres perovskites similaire au PZT, en déposant aussi par d'autre techniques comme le PVD (physical vapor deposition) et le CVD (chemical vapor deposition). Une structure en croix a notamment été réalisée (voir figure 4) à partir d'une plaquette SOI (silicon on insulator) qui contenait une couche de silicium (Si) monocristalline de 5 pm épaisseur sur une couche d'oxide (buried oxide) d'environ 1 pm, tout lié sur un substrat de silicium (Si). Après dépôt et structuration de l'électrode inférieure de plomb (Pt), du PZT, de l'électrode supérieure or/chrome (Au/Cr), le substrat en dessous de la structure est excavé (à partir de la côté inférieure) jusqu'à l'oxide enterré ("buried oxide") par gravure sèche, et la forme de croix est libérée par gravure sèche à partir de la surface supérieure. Pour la gravure du substrat, on pourrait également utiliser la méthode de gravure humide anisotrope du Si dans une solution basique (comme p.ex. la potasse KOH). Les premiers tests réalisés montrent un rendement supérieur à 90 % sur un substrat de Si de 10 centimètres de diamètre. Aucune détérioration du système n'est observée (fatigue, délamination). Les figures 3a et 3b illustrent les diagrammes de Bode obtenus grâce à un tel contrôle actif. La courbe en trait plein est représentative d'un microsystème libre ; la courbe en trait pointillé représente un microsystème sous contrôle actif selon l'invention, Ainsi qu'on le constate sur les figures 3a et 3b, la résonance est fortement atténuée. De cette façon, on dispose d'un système permettant une atténuation d'au moins 40 dB par décade, et une forte atténuation à la fréquence de résonance. On notera également que le pic avant résonance ("overshoot") est relativement faible ce qui permet de ne pas avoir d'amplification de la réponse du système aux fréquences liées au pic. Enfin, le microsystème proposé permet un contrôle linéaire 5 sensiblement lisse, c'est-à-dire sans réémission d'énergie en haute fréquence. Enfin, le microsystème selon l'invention peut être intégré ou disposé sur une carte électronique ou un support optique. REVENDICATIONS 1. Microsystème pour l'isolation vibratoire active caractérisé en ce qu'il comporte un support qui comprend un cadre (1) et au moins deux poutres (2a, 2b) qui se croisent au niveau d'une zone d'intersection (2c) et portent ou sont destinées à porter un élément à stabiliser (3), lesdites poutres (2a, 2b) comprenant différentes zones piézo-électriques (4a, 4b, 4c), dont au moins deux (4a, 4c) sont des zones piézo- électriques de mesure adaptées pour délivrer des signaux en sortie et qui sont sensibles aux déformations de la ou des poutre(s) qui les porte, et dont au moins une (4b) est une zone piézo-électrique d'activation, et qui est commandée en fonction des signaux en sortie des zones piézoélectriques (4a, 4c) de mesure selon une loi de commande de stabilisation. 2. Microsystème selon la revendication 1 caractérisé en ce que les poutres (2a) et 2b comportent au moins une couche piézoélectrique 4, et des électrodes (6a, 6b, 6c) qui définissent les zones piézoélectriques de mesure (4a, 4c) et les zones piézoélectriques d'activation 4b. 3. Microsystème selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le support comprenant le cadre et les poutres est en silicium. 4. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte deux poutres (2a, 2b) en croix, l'une (2a) de ces poutres portant des zones piézoélectriques de mesure (4a, 4c), sensibles aux déformations de cette poutre, l'autre (2b) portant au moins une zone piézoélectrique d'activation (4b). 5. Microsystème selon la revendication 4, caractérisé en ce que les poutres (2a, 2b) sont perpendiculaires. 6. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisé en ce qu'il comporte trois zones piézoélectriques de mesure, l'une, centrale (4c), disposée au niveau de la zone d'intersection (2c) entre les deux poutres en croix, les deux autres (4a) disposées sur l'une (2a) des deux poutres, de part et d'autre de cette zone centrale (4c), avec une séparation 9 par rapport à celle-ci. 7. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux zones d'activation (4b), 10 disposées sur l'autre poutre (2b), de part et d'autre de la zone centrale (4c). 8. Microsystème selon les revendications 6 et 7 caractérisé en ce que les zones piézoélectriques de mesure (4a) à l'exception de la zone piézoélectrique centrale (4c) et les zones piézoélectriques 15 d'activation (4b) sont situées respectivement aux extrémités des poutres (2a) et (2b). 9. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 , caractérisé en ce qu'il comporte un microcontrôleur (5) apte à générer la loi de commande stabilisation. 20 10. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la loi de commande est de type : G(s) =gis + a (yl) + (-g2) s + b (y2 + y3) où g1, g2 et a et b sont des constantes et où s=ici , co étant la pulsation des vibrations, yl étant le signal en sortie de la zone piézoélectrique 25 centrale (4c), y2 et y3 étant les signaux en sortie des deux autres zones piézoélectriques (4a) de mesure. 11. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'élément (3) à stabiliser est situé au niveau de la zone d'intersection (2c) des deux poutres (2a, 2b). 12. Microsystème selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il intègre un composant (3) à stabiliser déposé avec le autres composants du microsystème. 13. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour recevoir ultérieurement un composant (3) à stabiliser. 14. Carte électronique caractérisé en ce qu'elle comporte un microsystème selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Support optique caractérisé en ce qu'il comporte un microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.