Brevet FR2907774A1 — publié le 20080502

Domaine de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique ayant un microdispositif oscillant pivotant autour d'un axe de rotation et un moyen d'entraînement pour le microdispositif oscillant, le moyen d'entraînement pouvant exercer une force d'entraînement sur le microdispositif oscillant. Etat de la technique On connaît un tel dispositif selon le document EP1 212650 1. Ce dispositif est réalisé par un type particulier de sus-pension du microdispositif oscillant. Le microdispositif oscillant est par exemple excité suivant les oscillations forcées à l'aide de forces d'excitation. Toutefois en général il faut équilibrer la fréquence propre de ces microdispositifs oscillant car les imperfections des procédés de fabrication génèrent une dispersion des propriétés mécaniques et in- 15 fluencent ainsi les fréquences propres. L'inconvénient de cette solution est que la compensation des fréquences propres et aussi d'autres para-mètres entrant dans le comportement oscillant se traduisent par des coûts de fabrication importants du composant micromécanique, par exemple si cette compensation se fait par enlèvement de matière à l'aide 20 d'un usinage par laser et si l'on utilise des techniques complexes de mesure en sortie. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un composant micromécanique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte un 25 capteur pour saisir la position de rotation et/ou le mouvement de rotation du microdispositif oscillant autour de l'axe de rotation, la force d'entraînement du microdispositif oscillant étant variable en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant. 2907774 2 L'invention concerne également un procédé de compensation d'un tel dispositif caractérisé en ce que la fréquence propre du microdispositif oscillant est réglée par modification de la force d'entraînement en fonction de la position de rotation du microdispositif 5 oscillant et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant. L'invention concerne également un procédé du type défini ci-dessus caractérisé par la non linéarité de la suspension du microdispositif oscillant par changement de la force d'entraînement en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant. Le composant micromécanique selon l'invention et son procédé de compensation offrent l'avantage d'éliminer les inconvénients de l'état de la technique ou du moins de les réduire et de permettre l'obtention d'une structure micromécanique relativement compacte et économique à fabriquer en particulier parce que les moyens pour compenser les fréquences propres des microdispositifs oscillants équipant chaque composant sont fortement réduits. Ainsi le composant selon l'invention est économique et peut servir par exemple de projecteur lu-mineux numérique ou afficheur frontal (affichage en tête). Dans ses applications il y a au moins un microdispositif oscillant et de préférence toutefois plusieurs microdispositifs oscillants micromécaniques comme micro miroirs. Il est particulièrement avantageux selon l'invention de ne pas nécessiter de structure supplémentaire au niveau du composant ou du microdispositif oscillant en dehors du moyen d'entraînement et d'un capteur pour saisir la position de rotation et/ou le mouvement de rotation du microdispositif oscillant. Cela permet d'utiliser des procédés de fabrication relativement confirmés et de ce fait économiques pour le composant micromécanique selon l'invention. Selon l'invention il est avantageux que la force d'entraînement du microdispositif oscillant dépende de sa position de rotation et/ou du mouvement de rotation du dispositif pour avoir une fréquence propre du dispositif qui soit variable. Cela permet avantageusement selon l'invention d'éviter des procédés de mesure compliqués en 2907774 3 fin de fabrication ou les étapes de compensation lors de la fabrication du composant micromécanique. En outre, selon l'invention il est avantageux que le microdispositif oscillant soit un micromiroir. Cela permet avantageuse- 5 ment des applications optiques du composant micromécanique avec des moyens simples en particulier des applications mécaniques automobiles telles que les procédés ou des appareils de mesure pour des mesures de distance ou analogues. Il est en outre avantageux selon l'invention de prévoir un 10 capteur pour saisir l'accélération de rotation et que l'entraînement du microdispositif oscillant se fasse en fonction de l'accélération de rotation de ce dispositif. Cela permet de manière simple une compensation c'est-à-dire une variation de la fréquence propre de la microstructure susceptible d'osciller (microdispositif oscillant). 15 Selon l'invention il en outre avantageux que le capteur du composant selon l'invention présente une structure piézo-résistante ou que l'entraînement du microdispositif oscillant soit un moyen d'entraînement capacitif et/ ou inductif. Cela permet d'effectuer avantageusement et d'une manière relativement précise à la fois une mesure 20 de l'état de mouvement ou de la position de rotation du microdispositif oscillant et aussi d'assurer un entraînement efficace. L'invention concerne également un procédé de compensation d'un composant selon l'invention pour régler la fréquence propre du microdispositif oscillant en modifiant la force d'entraînement selon la 25 position de rotation du microdispositif oscillant et/ou en fonction du mouvement de rotation de ce dispositif. Cela permet avantageusement en influençant la commande du moyen d'entraînement de supprimer toute compensation compliquée des caractéristiques mécaniques du microdispositif oscillant ou de diminuer cette adaptation. 30 Selon l'invention il est en outre avantageux de régler la non linéarité de la suspension du microdispositif oscillant en modifiant la force d'entraînement selon la position de rotation du microdispositif oscillant et/ou selon le mouvement de rotation de ce dispositif. Cela permet avantageusement de neutraliser largement d'autres différences du composant liées par exemple à des dispersions résultant du procédé 2907774 4 de fabrication sans avoir à effectuer des mesures de compensation compliquées. En outre, selon l'invention le composant comporte une unité de traitement où une unité de traitement est associée au compo- 5 sant et en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant et/ou en fonction des mouvements de rotation de ce microdispositif, l'unité de traitement change la force d'entraînement. Cela permet une compensation particulièrement efficace de la dispersion des composants. 10 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisations représentés dans les dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un microdispositif 15 oscillant faisant partie d'un composant micromécanique, et - la figure 2 est un schéma de la position en coupe d'un microdisposi- tif oscillant faisant partie d'un composant micromécanique. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement en vue de dessus 20 un composant micromécanique 10 selon l'invention comportant un microdispositif oscillant 20 pivotant autour d'un axe de rotation 12. Le composant 10 comporte en outre un substrat 11 auquel le microdispositif oscillant 20 est relié par une suspension 21. Le substrat 11 est notamment un substrat semi-conducteur de préférence un substrat en 25 silicium ; toutefois, ce substrat est simplement représenté schématiquement par une ligne à la figure 1. Le composant 10 selon l'invention peut être réalisé de façon connue par exemple par un procédé de fabrication en micromécanique de surface ou en micromécanique en volume. Le microdispositif oscillant 20 est par exemple obtenu par la gravure 30 d'une couche sacrificielle, qui le dégage pour que le microdispositif os-cillant 20 puisse osciller autour de l'axe de rotation 12 défini par la suspension 21. Le microdispositif oscillant 20 est notamment prévu comme miroir et il sera appelé ci-après micro miroir 20. Selon l'invention ce n'est pas l'utilisation comme micro miroir qui importe 35 mais on peut utiliser n'importe quelle structure susceptible d'osciller 2907774 5 comme microdispositif oscillant 20. En outre il est notamment prévu selon l'invention que plusieurs voire un grand nombre de microdispositifs oscillants 20 ou micro miroirs 20 appartiennent au composant micromécanique 10 selon l'invention par exemple pour dédier un grand 5 nombre de rayons lumineux dans plusieurs directions. Toutefois, dans un but de simplification les figures 1 et 2 montrent uniquement un microdispositif oscillant 20. Le composant 10 comporte en outre un moyen d'entraînement ou moteur 30. Il peut s'agir par exemple d'un moteur 10 capacitif 30 ou d'un moteur inductif 30 ou aussi d'un moteur capacitif et inductif combiné. Comme exemple de moyen d'entraînement ou moteur capacitif 30 il y a par exemple les entraînements de type peigne ou les entraînements avec des condensateurs à plaque. Le composant 10 comporte également un capteur 15 qui 15 détecte la position de rotation ou le mouvement de rotation du micro-dispositif oscillant 20 autour de l'axe 12. Le capteur 15 fournit un signal de mesure à l'unité de traitement 40 dépendant de la position de rotation ou du mouvement de rotation du microdispositif oscillant 20. L'unité de traitement 40 fournit ensuite un signal de commande 41 au 20 moyen d'entraînement 30. La figure 2 est une vue schématique en coupe du composant micromécanique 10 avec le microdispositif oscillant 20. Le micro-dispositif oscillant 20 peut pivoter autour de l'axe de rotation 12 et de préférence au niveau de la suspension 21 dans certaines limites. La li- 25 gne à traits interrompus désigne par exemple un réglage du microdispositif oscillant 20 dévié de sa position d'équilibre. L'angle de déviation 25 est représenté pour cette position déviée. En outre, on a représenté schématiquement le moyen d'entraînement 30 pour obtenir cette position déviée du microdispositif oscillant 20 développant une force 30 d'entraînement 35 s'exerçant sur le microdispositif oscillant 20. Le moyen d'entraînement 30 est représenté aux figures 1 et 2 sous la forme d'une partie du moyen d'entraînement ou moteur 30 prévu de chaque côté de l'axe de rotation 12 en exerçant ainsi de chaque côté une force d'entraînement 35 ; les forces d'entraînement sont de 35 préférence opposées si bien que des deux côtés on aura un couple dirigé 2907774 6 dans le même sens et s'exerçant sur le microdispositif oscillant 20 au-tour de l'axe de rotation 12. A titre d'exemple, il est possible avec le moyen d'entraînement 30 sous la forme d'un condensateur à plaques (moyen d'entraînement ou moteur électrostatique) avec chaque fois une 5 plaque d'un condensateur à plaques des deux côtés de l'axe de rotation 12 et entre le microdispositif oscillant 20 et le substrat 11. Ces plaques font partie d'un condensateur à plaques et le microdispositif oscillant 20 ou une zone d'électrodes (non représentée) du microdispositif os-cillant 20 forme pour les deux côtés la contreplaque du condensateur à 10 plaques. En appliquant une tension de commande appropriée (source de tension non représentée) aux électrodes respectives du moyen d'entraînement 30 on peut exercer la force d'entraînement 35. En va-riante ou en plus, il est prévu selon l'invention un moyen d'entraînement moteur magnétique ou inductif 30. Dans ce cas 15 l'application d'un courant de commande ou de plusieurs courants de commande (cela n'est pas représenté) au moyen d'entraînement 30 permet d'exercer la force d'entraînement 35 sur le microdispositif os-cillant 20. L'équilibrage du mouvement du microdispositif oscillant 20 20 se décrit par exemple dans le cas d'un entraînement électrostatique comme suit : ,ICI+flot ' + ka = Mes + Mext Dans cette formule, a représente l'angle de rotation 25 du microdispositif oscillant 20. 25 a' représente la vitesse de rotation du microdispositif os-cillant 20. représente l'accélération de rotation du microdispositif oscillant 20. J représente le moment d'inertie du microdispositif os- 30 cillant 20 par rapport à l'axe de rotation 12. f3 représente la constante d'amortissement du mouvement de rotation. k représente la rigidité en torsion. Mes represente le couple électrostatique généré. 35 2907774 7 Mext représente le couple de rotation engendrée par des forces d'entraînement externes. Pour le couple de rotation dû aux forces électrostatiques du moyen d'entraînement 30 des deux côtés, et par superposition de la 5 tension d'entraînement périodique Ul avec une tension de correction U, on a l'équation suivante : Mes = const •C(a) [(U+Ui)2 - (U - U1)2 J = const •4 • C(a) • U • U~ Dans cette formule, C(a) = capacité du moyen d'entraînement en fonction de 10 l'angle 25 connu. Si la tension de correction U est choisie avec un paramètre de compensation Uo et en fonction de l'angle 25 c'est-à-dire en fonction de la position de rotation a du microdispositif oscillant 20 (ter cas) on aura par exemple la formule suivante : 15 U0 . a U= 4• UI • C(a) ou bien en fonction du mouvement de rotation de l'accélération de rotation à du microdispositif oscillant 20 (2e cas) on 20 aura par exemple la formule suivante : U0. k U= 4• UI • C(a) On obtient ainsi une variation de la fréquence propre du 25 système considéré c'est-à-dire du microdispositif oscillant 20. Cela per-met d'adapter la fréquence propre du microdispositif oscillant 20 par le choix de la tension U dépendant de la position de rotation ou du mouvement de rotation ou avec le paramètre de compensation Uo. Selon l'invention on peut à la fois diminuer la fréquence propre et aussi 30 l'augmenter. A titre d'exemple pour le premier cas, on aurait une fréquence propre égale à : fo = 1 k - const • Uo 2ir 1 J Pour le second cas, on aurait une fréquence propre de : 2907774 fo= 1 ~ k 211 J -const Uo 5 De façon correspondante, mais non représentée, on peut également compenser ou équilibrer dans le cas d'un moyen d'entraînement inductif selon l'invention. A la place de la tension d'entraînement ou de la tension de correction, on utilisera donc le cas d'un moyen entraînement inductif de préférence les intensités 10 d'entraînement ou intensités de correction. L'avantage principal du composant selon l'invention, ou du procédé de compensation selon l'invention se situe dans la possibilité de compenser les irrégularités du procédé de fabrication par le paramètre de compensation Uo (ou Io dans le cas d'un entraînement inductif) et de la fonction connue C(a). Le pro- 15 cédé selon l'invention suppose un traitement rapide approprié du signal par l'unité de traitement 40. Selon l'invention, il est avantageux qu'à la fois la compensation et aussi l'excitation du microdispositif oscillant 20 pour des oscillations forcées se fassent avec la même structure à savoir avec le 20 moyen d'entraînement 30 ou sa commande et selon le même principe. Pour cela, on combine la tension d'équilibrage (dépendant du mouvement de rotation) la tension d'excitation ou la tension de fonctionne-ment excitant les oscillations de façon accordée à la fréquence comme représenté. Le principe selon l'invention de détection de l'angle de rota- 25 tion ou de l'accélération de rotation par le capteur 15 puis le traitement consécutif du signal dans l'unité de traitement 40 et l'émission de la tension totale comme signal de commande 41 permettent de représenter pratiquement n'importe quelle relation fonctionnelle entre le couple exercé sur le microdispositif oscillant 20 en fonction de l'angle de rota- 30 tion ou de sa dérivée selon le temps. Ainsi selon l'invention, cela permet également de compenser d'éventuels défauts. Cela permet de compenser selon l'invention par exemple les défauts de linéarité de la part de torsion ou de la suspension 20. 8 35 REVENDICATIONS 1 ) Composant micromécanique (10) ayant un microdispositif oscillant pivotant autour d'un axe de rotation (12) et un moyen d'entraînement (30) pour le microdispositif oscillant (20), le moyen d'entraînement (30) pouvant exercer une force d'entraînement (35) sur le microdispositif oscillant (20), caractérisé en ce que le composant (10) comporte un capteur (15) pour saisir la position de rotation et/ou le mouvement de rotation du microdispositif oscillant (20) autour de l'axe de rotation (12), et on peut modifier la force d'entraînement (35) du microdispositif oscillant (20), en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant (20) et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant (20). 2 ) Composant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force d'entraînement (35) du microdispositif oscillant (20) est modifié en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant (20) et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant (20), pour que le microdispositif oscillant (20) atteigne une fréquence propre prédéfinie. 3 ) Composant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microdispositif oscillant (20) est un micro-miroir. 4 ) Composant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (15) est prévu pour saisir l'accélération de rotation et le moyen d'entraînement (30) du microdispositif oscillant (20) est prévu en fonction de l'accélération de rotation du microdispositif oscillant (20). 5 ) Composant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (15) a une structure piézo-résistante. 2907774 lo 6 ) Composant (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement (30) du microdispositif oscillant (20) est un moyen d'entraînement capacitif et/ ou inductif. 5 7 ) Procédé d'équilibrage d'un composant (10) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fréquence propre du microdispositif oscillant (20) est réglé par modi- 10 fication de la force d'entraînement (35) en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant (20) et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant (20). 8 ) Procédé de compensation d'un composant (10) selon l'une des re-15 vendications 1 à 6, caractérisé par la non linéarité de la suspension du microdispositif oscillant (20) par changement de la force d'entraînement (35) en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant (20) et/ ou en fonction du mouve- 20 ment de rotation du microdispositif oscillant (20). 9 ) Procédé de compensation d'un composant (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que 25 le composant (10) comporte une unité de traitement (40) ou une unité de traitement (40) est associée au composant (10), et à l'aide de l'unité de traitement (40), en fonction de la position de rotation du microdispositif oscillant (20) et/ou en fonction du mouvement de rotation du microdispositif oscillant (20) on modifie la force d'entraînement (35). 30 35