Brevet FR3090613A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : ARTICULATION POUR SYSTEMES MICRO ET NANOELECTROMECANIQUES A DEPLACEMENT HORS-PLAN OFFRANT UNE NON-LINEARITE REDUITE [pool DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0002] La présente invention se rapporte à une articulation pour systèmes micro et nanoélec- tromécaniques offrant une non-linéarité au moins réduite et à un système mettant en oeuvre au moins deux telles articulations. [0003] Les systèmes microélectromécaniques ou MEMS (microelectromechanical systems en terminologie anglo-saxonne) et les systèmes micro et nanoélectromécaniques ou systèmes M&NEMS (micro & nanoelectromechanical systems en terminologie anglo-saxonne) sont utilisés pour réaliser des capteurs ou des actionneurs. Ils comportent au moins un élément mobile par rapport à un substrat. Par exemple dans le cas d'un capteur, le déplacement de la partie mobile ou masse est mesurée et peut être traduit en une caractéristique à détecter, par exemples une accélération, et dans le cas d'un actionneur, l'élément mobile est déplacé par exemple au moyen de forces électrostatiques, par exemple pour déplacer un micromiroir. [0004] L'élément mobile est suspendu par rapport au substrat et suivant les applications on peut souhaiter qu'il ait un déplacement dans le plan du système ou un déplacement hors-plan, i.e. orthogonalement au plan du système. [0005] Lorsque l'élément mobile a un déplacement de grande amplitude dans la direction hors-plan, la zone de liaison peut présenter une non-linéarité importante. [0006] Ce comportement non-linéaire est illustré sur les figures 12A à 12C. La masse mobile M est suspendue au substrat S par une articulation A formée par une membrane fine. Le déplacement dans la direction Z de la masse M provoque une déformation de la membrane au premier ordre dans la direction Z et au second ordre dans la direction X. Lorsque le déplacement de la masse dans la direction Z est important, l'allongement de la membrane dans la direction X (figure 12B) n'est plus négligeable. Il en résulte que la force de rappel exercée par la membrane sur la masse est non linéaire (figure 12C) et varie de manière importante avec le déplacement dans la direction Z. Cette non-linéarité peut affecter sensiblement la réponse du système, par exemple dans le cas d'un capteur, et peut rendre celui-ci peu fiable. Exposé de l'invention [0007] C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une articulation pour système MEMS ou M&NEMS assurant un guidage des déplacements hors-plans d'au moins deux parties mobiles l'une par rapport à l'autre, tout en présentant une non- 2 linéarité au moins réduite même pour des déplacements hors-plans de grandes amplitudes. [0008] Le but énoncé ci-dessus est atteint par une articulation destinée à relier un premier élément et un deuxième élément d'un système MEMS ou M&NEMS, comportant une première partie rigide dans les trois directions de l'espace, au moins une deuxième partie reliée à la première partie et destinée à être reliée au premier élément, la deuxième partie étant apte à être déformée en flexion dans la direction hors-plan, et au moins une troisième partie reliée à la première partie et apte à être déformée en flexion dans la direction hors-plan, la deuxième et la troisième parties s'étendant au repos sur le même plan. [0009] Les deuxième et troisième parties sont agencées par rapport à la première partie et aux deux éléments du système de sorte que, lors du déplacement relatif du premier élément et du deuxième élément dans la direction hors-plan, la deuxième partie et la troisième partie subissent chacune une déformation dans le plan, les amplitudes des déformations des deuxième et troisième parties dans le plan sont au moins proches et se compensent au moins en partie. De manière très avantageuse, les déformations dans le plan des deuxième et troisième parties sont identiques et se compensent entièrement. [0010] Tl en résulte que l'articulation subit peu, voire pas de déformation dans le plan au niveau des attaches au premier et deuxième élément, et présente donc peu ou pas de non-linéarité et ceci même lors de déplacements hors-plans de grande amplitude. En effet quel que soit le déplacement hors-plan relatif des deux éléments, les déformations dans le plan de l'articulation sont au moins en partie compensées. [0011] En d'autres termes, de manière très avantageuse on réalise une articulation qui auto- annule au moins en partie les déformations dans le plan responsables d'un comportement non linéaire. L'invention ne limite pas la déformation dans le plan, mais compense celle-ci au moins en partie au moyen d'une articulation composite. [0012] L'articulation selon l'invention présente en outre l'avantage de permettre d'ajuster aisément sa rigidité en choisissant les dimensions des deuxième et troisième parties. [0013] De manière avantageuse, les deuxième et troisième parties sont des membranes et ont les mêmes dimensions, présentant ainsi les mêmes comportements mécaniques lorsqu'elles sont déformées en flexion. [0014] De manière avantageuse, un système M&NEMS comporte au moins deux arti- culations ce qui assure un très bon guidage dans la direction hors-plan et au moins un guidage dans une direction dans le plan. [0015] De manière encore plus avantageuse, le système M&NEMS comporte au moins trois articulations, et encore plus avantageusement quatre articulations, permettant d'assurer un guidage dans la direction hors-plan et un très bon maintien dans les deux directions du plan. 3 [0016] La présente invention a alors pour objet une articulation entre au moins un premier élément et au moins un deuxième élément d'un système microélectromécanique, lesdits premier élément et deuxième éléments étant mobiles l'un par rapport à l'autre au moins dans une direction hors-plan, ladite articulation comportant une première partie rigide, au moins une deuxième partie solidaire d'une première face de la première partie par une extrémité et destinée à être ancrée au premier élément ou au deuxième élément par une deuxième extrémité, les première et deuxième extrémités de la deuxième partie étant considérées le long d'une deuxième direction, ladite deuxième partie étant configurée pour être deformable en flexion dans une première direction, au moins une troisième partie solidaire de la première face de la première partie par une première extrémité, et destinée à être ancrée au deuxième élément ou au premier élément par une deuxième extrémité, les première et deuxième extrémités de la troisième partie étant considérées le long de la deuxième direction, la troisième partie étant configurée pour se déformer en flexion dans la première direction, et, dans un état non déformé la deuxième partie et la troisième partie étant situées sur un même plan orthogonal à la première direction. [0017] De manière préférée, les deuxième et troisième parties sont configurées pour présenter des déformations d'amplitudes proches ou identiques dans la deuxième direction, lors d'une déformation de l'articulation dans la première direction. [0018] L'articulation peut comporter m deuxièmes parties et n troisièmes parties, avec m et n des entiers strictement positifs, m et n pouvant être égaux ou différents. De préférence, les m deuxièmes parties et les n troisièmes parties présentent une dimension proche ou égale dans la première direction, et la dimension équivalente des m deuxièmes parties dans une troisième direction orthogonale à la première direction et à la deuxième direction est proche ou égale à la dimension équivalente dans la troisième direction des n troisièmes parties. [0019] La première partie est avantageusement une poutre dont la plus grande dimension s'étend dans la troisième direction. Par exemple la première partie présente des dimensions dans les première, deuxième et troisième directions comprises entre quelques pm et quelques centaines de pm. [0020] De préférence, la deuxième partie présente une dimension dans la première direction réduite par rapport aux dimensions dans les autres directions. [0021] Les deuxième et troisième parties peuvent avoir une dimension dans la première direction comprise entre une centaine de nm et quelques microns, une dimension dans la deuxième direction comprise entre quelques pm et quelques centaines de pm et une dimension équivalente dans la troisième direction comprise entre quelques pm et quelques centaines de pm. [0022] Par exemple, l'articulation comporte une deuxième partie et deux troisièmes parties disposées de part et d'autre de la deuxième partie. [0023] La présente invention a également pour objet un système microélectromécanique comportant un premier élément et un deuxième élément mobiles l'un par rapport dans une direction hors-plan, et au moins deux articulations selon l'invention, chacune ancrée au premier élément et au deuxième élément, et les articulations sont orientées de sorte que la première direction soit la direction hors-plan et les deuxième et troisième directions soient les directions dans le plan. Par exemple, le premier élément est une partie fixe du système. [0024] De préférence, les au moins deux articulations sont disposées symétriquement par rapport à un plan médian du deuxième élément, ledit plan médian s'étendant dans la direction hors-plan. [0025] De manière avantageuse, le système comporte au moins quatre articulations et les premières parties de chaque articulation sont des poutres, les axes des poutres étant orthogonaux deux à deux. [0026] Dans un exemple de réalisation, le système microélectromécanique comporte des moyens de mise en mouvement du deuxième élément au moins dans une direction hors-plan. [0027] Le système microélectromécanique est par exemple un microphone. Brève description des dessins [0028] La présente invention sera mieux comprise sur la hase de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: [0029] [fig. I J est une représentation en perspective d'un exemple d'articulation, les éléments entre lesquels l'articulation est disposée étant représentés en pointillés. [0030] [fig.2] est une vue de détail de la figure I. [0031] [fig.31 est une vue de face de l'articulation dela figure I. [0032] [fig.4] est une vue de dessus de l'articulation de la figure 1. [0033] [fig.SA] est une vue de côté représentant schématiquement la deuxième partie de l'articulation de la figure 1 dans un état déformé. [0034] [fig.5B] est une vue de côté représentant schématiquement la troisième partie de l'articulation de la figure 1 dans un état déformé. [0035] [fig.6] est une vue en perspective d'un exemple de système M&NEMS comportant deux arti- culations de la figure 1 dans une position hors-plan. [0036] [fig.7] est une représentation en perspective d'un autre exemple d'articulation, les éléments entre lesquels l'articulation est disposée étant représentés en pointillés. [0037] [fig.8] est une vue de détail de la figure 7. [0038] [fig.9] est une vue de face de l'articulation de la figure 7. [0039] [fig.10] est une vue de dessus de l'articulation de la figure 7. [0040] [fig.11] est une vue en perspective d'un exemple de système M&NEMS comportant deux ar- ticulations de la figure 7 dans une position hors-plan. [0041] [fig.12A] [0042] [fig.12B] sont des vues de côté d'un système MEMS de l'état de la technique à l'état repos et dans un état où la masse s'est déplacée dans la direction hors-plan et illustrant l'allongement de l'articulation. [0043] [fig.12C] est une représentation graphique de l'allongement de l'articulation des figures 12A et 12B, dans la direction X en fonction du déplacement de la masse dans la direction Z. [0044] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0045] Dans la présente demande, on désigne par « système rnicroélectromécanique » ou système MEMS », un système micro et/ou nanoélectromécanique, i.e. comportant des éléments ayant des dimensions micrométriques et/ou des éléments ayant des dimensions nanométriques. [0046] Sur les figures 1 à 4, on peut voir un exemple d'une articulation 2 selon l'invention. En traits interrompus sont représentées une partie fixe ou substrat S d'un système microélectromécanique et une partie mobile ou masse M destinée à être suspendue au substrat S par l'articulation 2. Il sera compris que l'articulation peut réaliser l'articulation entre deux parties mobiles entre elles, et elles-mêmes mobiles par rapport à un substrat fixe. [0047] L'articulation 2 est destinée à permettre un déplacement hors-plan de la partie mobile M. [0048] Le plan du système est défini par les directions X et Y et correspond au plan moyen du système dans lequel s'étend la masse mobile M, c'est aussi le plan moyen de la partie fixe. 6 [0049] La direction hors-plan Z est orthogonale au plan du système. [0050] Sur la figure 2 la masse et le substrat ne sont pas représentés. [0051] L'articulation comporte une première partie rigide 4. [0052] On entend par « partie ou élément rigide » un élément qui ne se déforme pas ou peu sous l'effet des contraintes généralement appliquées à un système MEMS dans le cas d'un capteur ou d'un actionneur dans un fonctionnement normal. [0053] Dans l'exemple représenté, la première partie 4 a la forme d'une poutre parallélé- pipédique présentant une épaisseur Th, une largeur Wh et une longueur Lb. La première partie s'étend dans la direction Z entre un premier plan Pl et un deuxième plan P2 parallèles entre eux. [0054] L'épaisseur correspond à la dimension selon Z, la largeur correspond à la dimension selon X et la longueur correspond à la dimension selon Y. [0055] Les dimensions Tb, Wh et Lb sont par exemple comprises entre quelques pm et quelques centaines de p.m. [0056] L'articulation comporte une deuxième partie 6 présentant une épaisseur Tm faible par rapport à sa longueur Lm et à sa largeur Wm, de sorte à permettre sa déformation en flexion selon la direction Z, de préférence 1/10