Brevet FR3123343A1 — publié le 20221202

Titre : Microsystème électromécanique L’invention concerne un microsystème électromécanique 1 comprenant un transducteur électromécanique 11, une membrane déformable 12 et une cavité 13 contenant hermétiquement un milieu déformable 14 conservant un volume constant sous l’action d’un changement de pression externe. La membrane déformable forme une paroi de la cavité et présente au moins une zone libre 121 de se déformer de façon élastique. Le transducteur électromécanique est configuré de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, et inversement. La zone libre coopère avec un organe externe 2 de sorte que sa déformation induise, ou soit induite par, un mouvement de l’organe externe. Le microsystème électromécanique 1 est ainsi apte à déplacer l’organe externe ou à capter un mouvement de cet organe. le microsystème électromécanique 1 comprend au moins un pion 122, configuré pour prendre appui sur une portion périphérique 126 de la zone libre 121 de sorte qu’une déformation de la zone libre 121 entraine une inclinaison du pion 122. Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Microsystème électromécanique La présente invention concerne le domaine des microsystèmes électromécaniques. Elle trouve par exemple pour application particulièrement avantageuse l’actionnement ou le déplacement d’objets, y compris sur des distances relativement grandes. Elle trouve également pour application des dispositifs de préhension qui permettent la capture ou l’expulsion d’objets de petites tailles. L’invention trouve également pour application le domaine de la détection par contact. Elle pourra ainsi être mise en œuvre pour réaliser des capteurs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Dans des applications variées, on peut avoir besoin de déplacer, capturer ou expulser des objets microscopiques, voire nanoscopiques, et/ou avoir besoin de capter des mouvements de tels objets. Il existe des microsystèmes qui permettent cela. Lorsque ces microsystèmes sont des actionneurs ou des dispositifs de préhension, leurs performances sont évaluées notamment sur les paramètres suivants: l’amplitude du déplacement, la force déployée, la précision du déplacement généré ou encore la précision de la capture ou de l’expulsion d’un objet. Lorsque ces microsystèmes sont des capteurs, leurs performances sont évaluées notamment sur les paramètres suivants: la capacité à capter un mouvement sur une amplitude importante et la précision de la mesure. Par ailleurs, que les microsystèmes soient des actionneurs, des dispositifs de préhension ou des capteurs, on recherche à ce qu’ils offrent de bonnes performances en termes d’encombrement, de consommation énergétique et de capacité à travailler en fréquence. Toutes les solutions connues présentent des performances faibles pour l’un au moins de ces paramètres. Généralement, les microsystèmes existants présentent des performances trop peu satisfaisantes pour une combinaison de ces paramètres. Un objet de la présente invention est de proposer un microsystème électromécanique qui présente des performances améliorées par rapport aux solutions existantes, au moins pour l’un des paramètres mentionnés ci-dessus, ou qui présente un meilleur compromis concernant au moins deux des paramètres susmentionnés. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUMÉ Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, on prévoit un microsystème électromécanique comprenant: au moins un transducteur électromécanique comprenant une partie mobile entre une position d’équilibre, hors sollicitation, et une position hors équilibre, sous sollicitation, au moins une membrane déformable, une cavité déformable, délimitée par des parois, au moins une partie de la membrane déformable formant au moins une partie d’une première paroi prises parmi lesdites parois de la cavité, la cavité étant configurée pour contenir hermétiquement un milieu déformable propre à conserver un volume sensiblement constant sous l’action d’un changement de pression externe exercée sur le milieu déformable à travers l’une des parois de la cavité. La partie mobile du transducteur électromécanique est configurée de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, ou inversement que son mouvement induise un changement de pression externe. Ladite au moins une partie de la membrane déformable présente au moins une zone libre de se déformer, de préférence de façon élastique, en fonction dudit changement de pression externe. La zone libre présente un pourtour externe et une portion périphérique qui s’étend depuis le pourtour externe et jusqu’à une portion centrale de la zone libre. Ainsi, le microsystème électromécanique proposé permet d’obtenir une inclinaison du pion selon un angle présentant une amplitude élevée relativement à la déformation de la membrane. Il est alors possible, même avec un microsystème électromécanique de petites dimensions d’obtenir de grands débattements. En particulier, la deuxième extrémité du pion, c’est-à-dire l’extrémité du pion opposée à son extrémité en appui sur la membrane, se déplace selon une grande course. Typiquement, le déplacement de la deuxième extrémité de pion peut s’effectuer sur une longueur de course pouvant s’exprimer sous forme angulaire. Typiquement, la deuxième extrémité du pion se déplace d’un angle d’au moins 45 ° et de préférence comprise entre 0 ° et 90°. Le microsystème électromécanique proposé présente donc une solution particulièrement efficace pour réaliser : – un actionneur à grand débattement. Un tel actionneur autorise le déplacement d’un objet ou d’un organe externe déplacé par le ou les pions, typiquement avec une amplitude de l’ordre de 100 µm. – un dispositif de préhension. En prévoyant plusieurs pions sur la zone libre de la membrane, en particulier sur sa portion périphérique, on parvient à ce que les extrémités des différents pions se rapprochent pour permettre de saisir, capturer ou retenir un objet entre les pions. Inversement, on peut commander l’éloignement des pions pour permettre de libérer ou expulser un objet. De même en prévoyant au moins un pion dont une extrémité libre est conformée pour coopérer avec un objet pour le saisir, le déplacement du pion permet de capturer ou de relâcher un objet. On peut également prévoir que le matériau du pion permette la capture d’un objet, par des forces d’adhésion ou des forces magnétiques. – un capteur, autorisant typiquement à capter un déplacement imposé à au moins un pion. Ce déplacement peut être un déplacement selon une trajectoire courbe. Le microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus est ainsi apte à déplacer le pion ou à capter un mouvement imposé à ce dernier, et ce en présentant, de façon aisément modulable en fonction des applications visées, une capacité suffisante en termes d’amplitude de déplacement et/ou une capacité suffisante en termes de force déployée et/ou une capacité de captation de mouvement, voire de capture, d’un objet et/ou une capacité suffisante à travailler en fréquence et/ou une taille compatible avec les applications visées, et/ou une consommation en énergie réduite. Un autre aspect de l’invention concerne un système ou un microsystème opto-électro-mécanique comprenant au moins un microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus et au moins un microsystème optique. De préférence, le microsystème optique comprend au moins un miroir, de préférence à base de silicium. Le système opto-électro-mécanique est configuré de sorte à ce que le mouvement de la partie mobile du transducteur électromécanique provoque un déplacement, de préférence une inclinaison, de l'au moins un miroir. Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un microsystème électromécanique tel qu’introduit ci-dessus, comprenant, voire étant limité à, des étapes de dépôt et de gravure ordinaires en microélectronique. Le microsystème électromécanique peut en effet être fabriqué par des moyens ordinaires de la microélectronique, ce qui confère à son fabricant tous les avantages découlant de l’utilisation de ces moyens, dont une grande latitude en termes de dimensionnement, d’énergie d’adhésion entre les différents dépôts, d’épaisseur des différents dépôts, d’étendue de gravure, etc. Selon un exemple le procédé de fabrication du microsystème électromécanique comprend les étapes suivantes : une étape de formation, sur un substrat, d’une portion au moins du transducteur électromécanique, puis une étape de dépôt de la membrane déformable, puis une étape de formation d’une cavité ouverte sur la membrane déformable, puis une étape de remplissage avec le milieu déformable et de fermeture de la cavité, et une étape de gravure du substrat pour former une face avant (FAV) du microsystème électromécanique. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La est un schéma de principe d’une vue en coupe d’un microsystème électromécanique selon un premier mode de réalisation de l’invention. La est un schéma de principe en vue du dessus du microsystème électromécanique illustré en . Sur les figures 1 et 2, le microsystème électromécanique est illustré dans une configuration dans laquelle la membrane n’est pas déformée. La représente le microsystème illustré en figures 1 et 2, dans une première configuration de déformation de la membrane. La représente le microsystème illustré en figures 1 et 2, dans une deuxième configuration de déformation de la membrane. La est un schéma de principe d’une vue en coupe d’un microsystème électromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, la zone libre de la membrane coopère avec plusieurs pions. La est un schéma de principe en vue du dessus du microsystème électromécanique illustré en . Sur les figures 4 et 5, le microsystème électromécanique est illustré dans une configuration dans laquelle la membrane n’est pas déformée. Les figures 6A à 6E représentent le microsystème illustré en figures 4 et 5, dans des configurations de déformation de la membrane. Les figures 6A et 6B illustrent une configuration dans laquelle les extrémités libres des pions sont éloignées les unes des autres, par exemple pour capturer un objet. Les figures 6C à 6E illustrent une configuration dans laquelle les extrémités libres des pions sont rapprochées les unes des autres, par exemple pour permettre la saisie d’un objet ou empêcher la libération d’un objet capturé. Les figures 7A et 7B sont des schémas de principe, vue en coupe, d’un microsystème électromécanique selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel l’actionneur électromécanique entoure la zone libre de la membrane. Dans ce mode de réalisation, des butées latérales sont prévues. Sur la , la membrane est représentée déformée selon une première configuration. Sur la , la membrane est représentée déformée selon une deuxième configuration. La est un schéma de principe en vue du dessus du microsystème électromécanique illustré en figures 7A et 7B. Les figures 8A et 8B sont des schémas, plus détaillés que ceux des figures 7A et 7B, et représentant des microsystèmes électromécaniques structurellement proches de ceux illustrés sur les figures 7A et 7B respectivement. Les figures 9A à 15A représentent schématiquement des étapes d’un exemple de procédé de réalisation d’un microsystème électromécanique illustré en . Les figures 9B à 15B représentent schématiquement des étapes d’un exemple de procédé de réalisation d’un microsystème électromécanique illustré en . La représente schématiquement un microsystème électromécanique proche de celui illustré en , mais avec un niveau de détail plus élevé. Les figures 17A à 17D représentent schématiquement des variantes du microsystème opto-électro-mécanique selon l’invention. La représente schématiquement un exemple de microsystème électromécanique comprenant un microsystème électromécanique. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs des différentes couches, parois et organes illustrés ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité. Microsystème électromécanique (1) comprenant : au moins un transducteur électromécanique (11) comprenant une partie mobile (111) entre une position d’équilibre, hors sollicitation, et une position hors équilibre, sous sollicitation, au moins une membrane déformable (12), une cavité (13) déformable, délimitée par des parois (131, 132, 133), au moins une partie de la membrane déformable (12) formant au moins une partie d’une première paroi (131) prises parmi lesdites parois (131, 132, 133) de la cavité (13), la cavité (13) étant configurée pour contenir hermétiquement un milieu déformable (14) propre à conserver un volume sensiblement constant sous l’action d’un changement de pression externe exercée sur le milieu déformable (14) à travers l’une paroi des parois (131, 132, 133) de la cavité (13), dans lequel la partie mobile (111) du transducteur électromécanique (11) est configurée de sorte que son mouvement soit fonction dudit changement de pression externe, ou inversement que son mouvement induise un changement de pression externe, et dans lequel ladite au moins une partie de la membrane déformable (12) présente au moins une zone libre (121) de se déformer, de préférence de façon élastique, en fonction dudit changement de pression externe, la zone libre (121) présentant un pourtour externe (129) et une portion périphérique (126) qui s’étend depuis le pourtour externe (129) et jusqu’à une portion centrale (125) de la zone libre (121), le microsystème électromécanique (1) comprenant au moins un pion (122), configuré pour prendre appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121) de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison du pion (122). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente dans lequel en l’absence de déformation, la zone libre (121) de la membrane (12) s’étend principalement dans un plan (xy), dit plan hors déformation, et la perpendiculaire à la tangente en un point donné de la zone libre (121) s’étend selon une direction T1 perpendiculaire au plan hors déformation, et lorsque la membrane (12) se déforme, la perpendiculaire à la tangente en un point donné de la portion périphérique (126) de la zone libre (121) s’étend selon une direction Ti inclinée d’un angle αi par rapport à la direction T1, l’angle αi augmentant au fur à mesure que l’on s’éloigne de la portion centrale (125) et que l’on se rapproche du pourtour externe (129) de la zone libre (121). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente dans lequel le pion (122) s’étend principalement selon une direction longitudinale (122c) et dans lequel lorsque la membrane (12) n’est pas déformée, la direction longitudinale (122c) du pion (122) est sensiblement perpendiculaire à un plan (xy) dans lequel s’étend principalement une face externe (12e) de la membrane (12) lorsque la membrane (12) n’est pas déformée, le microsystème électromécanique étant configuré de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison de la première extrémité (122a) en direction de la portion centrale (124) de la zone libre (121). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion centrale (125) comprend un centre (124) qui correspond au barycentre de la zone libre (121). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente dans lequel, la zone libre (121) forme un disque, une ellipse ou un polygone. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone libre (121) est délimitée par un pourtour externe (129), le pion (122) étant situé à une distance minimale D122 du pourtour externe (129), telle que D122 est inférieure à k fois une distance D124, D122 étant mesurée entre et le pion (122) et le point (128) du pourtour externe (129) le plus proche du pion (122), et la distance D124 étant mesurée entre ce même point (128) et le centre (124) de la zone libre (121), k étant inférieur à 0,7, de préférence k étant inférieur à 0,5, de préférence k étant inférieur à 0,3. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de pions (122), prenant chacun appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121) de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine une inclinaison des pions (122). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel les pions (122) présentent une extrémité libre (122b), opposée à l’extrémité (122a) par laquelle ils prennent appui sur la portion périphérique (126) de la zone libre (121), les pions (122) étant conformés de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine sélectivement un rapprochement ou un éloignement des extrémités libres (122b) des pions (122). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les pions (122) sont conformés de sorte qu’une déformation de la zone libre (121) de la membrane (12) entraine sélectivement une mise en contact ou un éloignement des extrémités libres (122b) des pions (122). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel les pions (122) sont répartis sur la portion périphérique (126) de sorte que le rapprochement de leurs extrémités libres (122b) permette de former une cage au-dessus de la zone libre (121). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ou les pions (122) sont configurés pour coopérer avec un objet formant un organe externe (2) de sorte que le mouvement de la partie mobile (111) du transducteur électromécanique (11) soit fonction d’un déplacement du ou des pions (122) entrainés par l’organe externe (2) ou inversement que le mouvement de la partie mobile (111) du transducteur électromécanique (11) induise un déplacement, en particulier une inclinaison, de l’organe externe (2) par l’intermédiaire du ou des pions (122). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel le ou les pions (122) sont configurés pour pouvoir être solidarisé avec l’organe externe (2) par collage ou magnétisme. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, comprenant en outre au moins une butée latérale (15), de préférence supportée par ladite première paroi (131) de la cavité (13), configurée pour guider le mouvement de l’organe externe (2) . Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le ou les pions (122) sont fixés sur ladite zone libre (121), de préférence au contact directe de ladite zone libre (121). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une pluralité de transducteurs électromécaniques (11). Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente dans lequel au moins certains des transducteurs électromécaniques (11) de ladite pluralité sont configurés pour que, sous sollicitation, leurs parties mobiles (111), induisent des déformations de la zone libre (121) de la membrane (12) entrainant une inclinaison de l’au moins un pion (122) dans un même sens. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel au moins certains des transducteurs électromécaniques (11) de ladite pluralité sont configurés pour que, sous sollicitation, leurs parties mobiles (111), induisent des déformations de la zone libre (121) de la membrane (12) entrainant une inclinaison de l’au moins un pion (122) dans deux sens opposés. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant plusieurs zones libres (121), séparées les unes des autres d’une distance non nulle. Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane déformable (12) est configurée de sorte que sa zone libre (121) est capable de se déformer avec une amplitude d’au moins 50 µm, voire d’environ 100 µm . Microsystème électromécanique (1) selon la revendication précédente, dans lequel le transducteur électromécanique (11) entoure entièrement la zone libre (121) de la membrane déformable (12), le transducteur électromécanique (11) présentant de préférence une forme annulaire dont le centre circulaire défini l’étendue de la zone libre (121) de la membrane déformable (12). Microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une butée (16) dite basse supportée par la paroi (132) de la cavité (13) opposée à la zone libre (121) de la membrane déformable (12), la butée basse (16) s’étendant dans la cavité (13) vers la zone libre (121) et présentant une forme et des dimensions configurées pour limiter la déformation de la zone libre (121) de la membrane déformable (12) ou limiter la surface de contact entre la membrane et la paroi (132) de la cavité (13) opposée à la zone libre (121) de la membrane déformable (12). Système opto-électro-mécanique (3) comprenant au moins un microsystème électromécanique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et au moins un microsystème optique (31), le microsystème optique (31) comprenant au moins un miroir, de préférence à base de silicium, le système opto-électro-mécanique (3) étant configuré de sorte à ce que le mouvement de la partie mobile (111) du transducteur électromécanique provoque un déplacement de l'au moins un miroir.