Brevet FR3090612A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : ARTICULATION HORS-PLAN POUR SYSTEMES MICRO ET NANOELECTROMECANIQUES A NON-LINEARITE REDUITE [pool DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0002] La présente invention se rapporte à une articulation hors-plan pour systèmes micro- électromécaniques et/ou nanoélectro mécaniques offrant une non-linéarité 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-phm, 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 lA à 1C. 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 1B) n'est plus négligeable. Il en résulte que la force de rappel exercée par la membrane sur la masse est non linéaire (figure 1C) 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 apte à présenter une faible non-linéarité et un système MEMS ou M&NEMS dont la partie mobile peut avoir un déplacement en translation 2 hors-plan important tout en présentant une faible non-linéarité. [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, une deuxième partie reliée à la première partie et destinée à être reliée au premier élément, la deuxième partie destinée à s'étendre dans le plan du système, et apte à être déformée en flexion dans la direction hors-plan, et deux troisièmes parties configurées pour se déformer en flexion dans le plan, les deux troisièmes parties étant reliées chacune à une extrémité de la première partie de sorte que, lorsqu'il y a un déplacement relatif entre le premier et le deuxième élément dans la première direction, la deuxième partie se déforme en flexion dans la direction hors-plan et les deux troisièmes parties se déforment en flexion selon une direction du plan. Les troisièmes parties offrent alors un allongement dans le plan permettant de limiter la déformation de la deuxième partie dans le plan, et donc réduit la non-linéarité de l'articulation. [0009] Grâce à l'invention, la déformation dans le plan de la deuxième partie est réduite, voire évitée par les mises en légères flexion des troisièmes parties qui accompagnent la deuxième partie, via la première partie, dans son déplacement dans le plan. [0010] En d'autres termes, on réalise une articulation composite comportant plusieurs parties qui assurent chacune une fonction et qui permet de réduire la non-linéarité de l'articulation. L'articulation combine à la fois une articulation obtenue par un élément sollicité en flexion dans la direction hors-plan et une articulation obtenue par des éléments configurés à se déformer en flexion selon une direction dans le plan, ce qui permet d'offrir la possibilité d'un déplacement de grande amplitude dans la direction hors-plan en conservant un faible degré de non-linéarité. [0011] De manière très avantageuse, chaque partie peut être conçue pour adapter les propriétés de l'articulation en fonction des besoins, par exemple on peut faire varier la souplesse dans la direction hors-plan et/ou améliorer le guidage dans une direction donnée. [0012] De manière avantageuse, un système MEMS ou M&NEMS comporte au moins deux articulations ce qui assure un très bon guidage dans la direction hors-plan et au moins un guidage dans une direction dans le plan. [0013] Très avantageusement, le système MEMS ou M&NEMS comporte au moins trois ar- ticulations, 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. [0014] 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, ledit premier élément et ledit deuxième élément étant mobiles l'un par rapport à l'autre au 3 moins dans une direction hors-plan, ladite articulation comportant une première partie rigide, une deuxième partie solidaire de la première partie par une extrémité et destinée à être ancrée au premier élément, ladite deuxième partie étant configurée pour être deformable en flexion dans une première direction, et deux troisièmes parties solidaires de la première partie et destinées à être ancrées sur le deuxième élément, les troisièmes parties étant configurécs pour se déformer en flexion le long d'une deuxième direction orthogonal à la première direction. [0015] Dans un exemple avantageux, dans un état non déformé, les troisièmes parties s'étendent dans un plan orthogonal à un plan dans lequel s'étend la deuxième partie. [0016] De préférence, la deuxième partie présente une dimension dans la première direction réduite par rapport aux dimensions dans les autres directions. [0017] Par exemple, la première partie s'étend, dans la première direction, entre un premier plan et un deuxième plan et la deuxième partie comporte une face située dans l'un des premier et deuxième plans. [0018] De manière préférée, les troisièmes parties comportent au moins deux lames, s'étendant sur une partie au moins de la dimension de la première partie dans la première direction, par exemple sur toute la dimension de la première partie dans la première direction [0019] Dans un exemple de réalisation chaque troisième partie comporte une lame, les deux lames étant coplanaires et étant disposées de sorte à également se déformer en torsion. L'articulation est alors plus souple dans la direction hors-plan. [0020] Dans un autre exemple de réalisation, chaque troisième partie comporte deux lames, une lame de chaque troisième partie étant coplanaire avec une lame de l'autre troisième partie et les deux lames d'une troisième partie sont disposées l'une par rapport de sorte à ne pas ou peu se déformer en torsion. Les lames permettent d'obtenir la linéarité de l'articulation sans peu ou pas modifier la raideur hors-plan de l'articulation. [0021] Les deuxièmes parties peuvent avantageusement comporter une structure en treillis de sorte à assurer une souplesse dans la première direction et une certaine rigidité dans au moins une troisième direction orthogonale aux première et deuxième directions. [0022] Par exemple, la deuxième partie a une épaisseur dans la première direction comprise entre une centaine de nm et quelques microns, une longueur dans la troisième direction et une largeur dans la deuxième direction comprises entre quelques 'lm et quelques centaines de pm. [0023] Par exemple, les troisièmes parties ont une épaisseur dans la première direction comprise entre 10 pm et quelques dizaines de pm, une largeur dans la deuxième direction du plan comprise entre 100 nm et quelques micromètres et une longueur dans la troisième direction comprise entre quelques pm et quelques dizaines de pm. 100241 Par exemple, la première partie a une épaisseur dans la première direction, une longueur dans la troisième direction et une largeur dans la deuxième direction comprises entre quelques pm et quelques centaines de pm. [0025] La présente invention a également pour objet un système microélectromécanique comportant un premier élément et au moins un deuxième élément mobiles l'un par rapport à l'autre au moins dans une direction hors-plan, et au moins deux articulations selon l'invention, chacune ancrées 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. [0026] Les au moins deux articulations sont disposées symétriquement par rapport à un plan de symétrie de la partie mobile, ledit plan médian contenant la direction hors-plan. [0027] Par exemple, le deuxième plan est du côté de la partie fixe et la deuxième partie comporte une face s'étendant dans le deuxième plan. [0028] Le système peut comporter au moins quatre articulations de sorte que les axes des torsions des troisièmes parties des articulations soient disposés orthogonalement les uns par rapport aux autres. [0029] Selon une caractéristique additionnelle, le système microélectromécanique comporte des moyens de mise en mouvement du deuxième élément au moins dans une direction hors-plan. [0030] Le système microélectromécanique est par exemple un microphone. Brève description des dessins [0031] La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: [0032] [fig. I A] [0033] [fig. I B] 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, [0034] [fig. I C] est une représentation graphique de l'allongement de l'articulation des figures I A et 113, dans la direction X en fonction du déplacement de la masse dans la direction Z, [0035] [fig.2] est une vue en perspective d'un exemple d'articulation selon l'invention, [0036] [fig.3] est une vue de détail de la figure 2, [0037] [fig.4] est une est une vue de dessus de l'articulation de la figure 2, [0038] [fig.5] est une vue en perspective d'un exemple de système M&NEMS comportant des arti- culations selon l'invention, [0039] [fig.6] est une vue de dessus d'un autre exemple de système M&NEMS comportant des arti- culations selon l'invention, [0040] [fig.7] est une vue de dessus d'un autre exemple de système comportant des articulations selon l'invention dans un état repos et dans un état de déplacement hors-plan, [0041] [fig.8] est une vue de dessus d'un autre exemple de système comportant trois articulations selon l'invention, [0042] [fig.9] est une vue de dessus d'un autre exemple de système comportant quatre articulations selon l'invention, [0043] [fig.10] est une vue de dessus d'un autre exemple de réalisation d'une articulation dans lequel les troisième parties se déforment sensiblement uniquement en flexion. [0044] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0045] Dans la présente demande, on désigne par « système microélectromécanique » 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 2, 3 et 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. [0049] La direction hors-plan Z est orthogonale au plan du système. [0050] L'articulation comporte une première partie rigide 4. [0051] 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 6 d'un capteur ou d'un actionneur dans un fonctionnement normal. [0052] Dans l'exemple représenté la première partie 4 a la forme d'une poutre parallélé- pipédique présentant une épaisseur Th, une largeur Wb et une longueur Lb. La première partie s'étend dans la direction Z entre un premier plan P1 et un deuxième plan P2 parallèles. [0053] L'épaisseur Th correspond à la dimension de la poutre selon la direction Z, la largeur Wb correspond à la dimension de la poutre selon la direction X et la longueur Lb correspond à la dimension de la poutre selon la direction Y. [0054] Les dimensions Tb, Wh et Lb sont par exemple comprises entre quelques pm et quelques centaines de pm. [0055] L'articulation 2 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. Les rapports Tm/Wm et TraLm sont par exemple compris entre 1/100 et 1/10. [0056] Par exemple son épaisseur Tm est comprise entre une centaine de nm et quelques centaines de nm, sa longueur Lm et sa largeur Wm sont comprises entre quelques pm et quelques centaines de pm. [0057] La deuxième partie 6 présente alors la forme d'une membrane qui est solidarisée à la première partie 4 par un premier bord 6.1 s'étendant selon la direction Y, et par un deuxième bord 6.2 parallèle au première bord 6.1 et destiné à être solidarisé à la masse M. [0058] La membrane est disposée dans l'exemple représenté sur le plan P2 délimitant la face inférieure de la première partie dans l'exemple représenté. En outre, dans l'exemple représenté la face inférieure de la masse M est également contenue dans le plan P2. [0059] En variante, la membrane pourrait être ancrée à la partie mobile dans toute position entre les plans PI et P2. [0060] L'articulation 2 comporte deux troisièmes parties 8 formant des lames et solidarisées par un bord 8.1 à une extrémité de la poutre 4.1, 4.2 le long de la direction Y. En outre les lames s'étendent dans le plan YZ. [0061] Les lames sont dimensionnées pour pouvoir se déformer en flexion dans la direction X. Par exemple les lames présentent une épaisseur Tl comprise entre 10 pm et quelques dizaines de pm, une largeur Wl comprise entre 100 nm et quelques micromètres et une longueur Ll comprise entre quelques 'lm et quelques dizaines de pm. [0062] Dans l'exemple représenté, les lames 8 s'étendent dans un plan R médian de la poutre parallèle au plan YZ. [0063] Les lames 8 sont destinées à être ancrées sur la partie fixe S par un bord 8.2 parallèle au bord 8.1. [0064] Sur la figure 5, on peut voir un système MEMS 10 mettant en oeuvre deux arti- 7 culations 2. Les articulations 2 sont ancrées sur la partie mobile M de manière symétrique par rapport à un plan de symétrie de la partie mobile M parallèle au plan YZ. [0065] Les membranes 6 sont ancrées sur des faces parallèles M.1, M.2 de la partie mobile M. [0066] Les lames sont ancrées sur la partie fixe S. [0067] Dans la représentation de la figure 5, la partie mobile M a un mouvement hors-plan vers le haut, les membranes sont déformées en flexion et les lames 8 sont déformées en flexion dans la direction X. Les deux lames 8 vont également se déformer en torsion autour de l'axe Y, ce qui permet d'abaisser la raideur de l'articulation. [0068] Le fonctionnement de l'articulation va maintenant être décrit en utilisant la figure 5. [0069] Considérant l'application à un capteur, par exemple un accéléromètre destiné à mesurer l'accélération dans la direction Z. [0070] Lorsque la partie mobile a un déplacement hors-plan sous l'effet d'une accélération selon Z, les deux membranes 6 sont déformées en flexion accompagnant le déplacement de la partie mobile selon Z, les lames 8 sont déformées en flexion le long de la direction X et également en torsion autour de l'axe Y. [0071] Les déformations en flexion des lames 8 selon X permet aux poutres 4 de sc déplacer dans la direction X, et aux bords des poutres 4, auxquels sont fixés les bords 6.1 des membranes, d'accompagner les membranes 6 dans leur déformation selon la direction X. Il en résulte une réduction de la variation de la rigidité de la structure, et donc une réduction du degré de non-linéarité. Les membranes sont principalement déformées dans la direction Z et ne sont plus étirées selon X. Grâce à l'invention, les articulations conservent un faible degré de non-linéarité même pour des déplacements selon Z de forte amplitude. [0072] La partie mobile est guidée selon la direction Z. [0073] Les articulations 2 présentent une grande rigidité selon la direction Y, la partie mobile est donc très bien maintenue dans la direction Y. En outre, les articulations 2 assurent également un maintien de la partie mobile M dans la direction X. [0074] Afin d'améliorer le maintien dans la direction X, il est avantageux d'ajouter au moins une troisième articulation 2, les trois articulations 2 étant réparties à 120° les unes par rapport aux autres autour de la masse mobile M' comme cela est représenté schématique sur la figure 8. [0075] Sur la figure 9, le système comporte quatre articulations 2 disposées à 90° les unes par rapport aux autres. Chaque articulation 2 est ancrée sur un bord de la masse mobile [0076] Les configurations des systèmes des figures 8 et 9 assurent un très bon maintien des parties mobiles M dans le plan XY et leur guidage dans la direction Z. [0077] Sur la figure 10, on peut voir un autre exemple de réalisation d'une articulation, dans 8 lequel les lames 8' se déforment quasiment uniquement en flexion dans la direction X. [0078] Dans cet exemple l'articulation comporte une paire de lames 8' à chaque extrémité de la poutre 4. [0079] Les lames 8' dc chaque paire sont positionnées parallèlement l'une par rapport à l'autre dans le plan YZ. Dans cet exemple, une de leur face est alignée avec une face de la poutre parallèle au plan YZ. La mise en oeuvre de deux lames 8' parallèles à chaque extrémité permet de bloquer la déformation en torsion de chacune des lames. Les deux lames 8' dc chaque paire ont individuellement tendance à se déformer en torsion, mais en combinaison chaque lame 8' empêche la déformation en torsion de l'autre lame 8' lors du déplacement hors-plan de la partie mobile M. Les lames se déforment alors principalement en flexion et accompagnent le déplacement de la membrane 6 dans le plan. La rigidité non-linéaire de l'articulation est sensiblement réduite. [0080] De préférence, les membranes sont structurées pour présenter des formes assurant une grande souplesse selon Z et une grande raideur dans le plan, par exemple elles comportent des croisillons ou treillis et/ou sont ajourées. [0081] On constate donc que la rigidité de l'articulation dans les différentes directions est déterminée à la fois par les dimensions de la membrane et les dimensions des lames, ainsi il est possible d'ajuster finement ces rigidités en agissant sur les dimensions de la membrane et/ou sur les dimensions des lames. En augmentant l'épaisseur de la membrane et/ou la largeur des lames, la rigidité des articulations est augmentée, on peut également maîtriser le déplacement de la masse dans la direction Z. [0082] L'articulation présente l'avantage d'offrir un très bon guidage selon Z tout en étant relativement compact du fait de sa faible épaisseur. [0083] Il sera compris que les articulations peuvent être configurées pour permettre un dé- placement souhaité selon la direction X. Dans ce cas, les lames peuvent être allongées dans la direction de la poutre et/ou rendues plus fines, offrant une certaine souplesse dans la direction X. [0084] Sur la figure 6, on peut voir un autre exemple de système MEMS comportant deux articulations disposées symétriquement par rapport à la partie mobile M et dans lequel les lames 8 sont ancrées sur la partie mobile M et les membranes sont ancrées sur la partie fixe S. [0085] Le fonctionnement est similaire à celui du système de la figure 5. On obtient un très bon maintien dans la direction Y et un guidage selon la direction Z avec un faible degré de non-linéarité. [0086] Sur la figure 7, on peut voir un autre exemple de système MEMS comportant quatre articulations. Deux articulations 102 sont ancrées à un premier bord M.1 de la masse mobile M et deux articulations 102 sont ancrées à un deuxième bord M.2 de la masse 9 mobile M parallèle au premier bord. [0087] Dans cet exemple la longueur Lb de la première partie 104 est faible compara- tivement à la longueur Lm des lames 108. En outre les membranes 104 présentent une largeur Lm grande par rapport à leur longueur Lm. [0088] A titre d'exemple, les articulations du système de la figure 7 peuvent présenter les di- mensions suivantes : [0089] Tm= 1 pm ; Lm = lOpm ; Wm = 35pm [0090] Th = 20pm ; Lb = lOpm ; Wh = 4pm [0091] TI = 18pm ; LI = 84pm ; WI = lpm [0092] Un jeu de quatre articulations présente une raideur de 80N/m [0093] Sur la figure 7, on peut voir la partie mobile M à l'état repos, et dans une position hors-plan en cours de déplacement. Dans l'exemple représenté, le déplacement dans la direction Z est de l'ordre de 40 nm. Une telle structure permet un déplacement compris entre environ 100 nm et environl pm. [0094] Il sera compris que plus de deux articulations côte à côte peuvent être mises en oeuvre. [0095] En outre des nombres différents d'articulations ancrées aux bords de la partie mobile peuvent être mis en oeuvre. [0096] Par exemple, on peut prévoir dans le système de la figure 7 de mettre en oeuvre une articulation sur le bord M.3 de la parie mobile et une articulation sur le bord M.4 de la partie mobile. [0097] Les articulations des figures Set 6 peuvent être combinées, par exemple la structure comporte une partie mobile suspendue par deux articulations selon l'invention, l'une est solidarisée à la partie mobile par sa deuxième partie (figure 5) et l'autre est solidarisée à sa partie mobile par ses troisièmes parties. [0098] L'articulation selon l'invention peut être mise en oeuvre dans des capteurs MEMS pour cela des moyens de détection du mouvement de la masse selon Z sont prévus, par exemple des moyens capacitifs ou des jauges de contraintes piézorésistives ou piézoélectriques. [0099] L'articulation selon l'invention peut être mise en oeuvre dans des actionneurs MEMS, pour cela des moyens d'actionnement 12 de la partie mobile dans la direction Z sont prévus, par exemple des moyens électrostatiques représentés schématiquement sur la figure 7. Les moyens électrostatiques comportent au moins une paire d'électrodes, l'une étant formée sur le substrat sous la partie mobile M et l'autre électrode étant formée sur la partie mobile M en regard de l'électrode sur le substrat S. L'application d'une différence de potentiels génère des forces électrostatiques entre les deux électrodes et donc un déplacement hors-plan de la masse mobile M par rapport au substrat S. [0100] De manière très avantageuse, un système MEMS comportant les articulations selon l'invention peut être utilisé pour réaliser un microphone. Sur la figure 7, la partie mobile M peut former un piston pouvant se déplacer en Z sous l'effet d'un différentiel de pression entre ses deux faces, dû à une onde sonore [0101] L'articulation et le système MEMS peuvent être avantageusement fabriqués par des procédés connus de la rnicroélectronique par dépôt de couches et gravures. Par exemple les exemples de procédé de fabrication décrits dans le document FR2941533 peuvent être mis en oeuvre pour réaliser un tel système MEMS. [0102] Par exemple, les membranes sont formées par la couche supérieure d'un substrat silicium sur isolant ou SOI (Silicon on Insulator en terminologie anglo-saxonne) et la première partie et les lames sont réalisées par gravure et libération. En variante, les membranes sont réalisées par le dépôt d'une couche d'une épaisseur de quelques centaines de nm et la première partie et les lames sont réalisées par gravure et libération. [0103] De manière très avantageuse, au moins la première partie et les troisièmes parties sont réalisées dans la même couche dans laquelle sont réalisées la partie mobile et une partie de la partie fixe. [0104] Le système est par exemple réalisé en matériau semi-conducteur, tel que le silicium ou le SiGe. 11