INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
La présente invention a pour but d’avoir un réglage et le contrôle de la largeur ou de la profondeur automatique pour que l’outil conserve toujours la même largeur ou profondeur de travail. La présente invention est un système de réglage de largeur, de recentrage et de contrôle de profondeur automatique qui s’adapte sur tout porte-outil et qui permet à l’utilisateur de contrôler la largeur ainsi que la profondeur de travail.
La présente invention protège les plantations, et en même temps, l’utilisateur, car celui-ci étant sûr de travailler dans de bonnes conditions n’aura pas à se retourner sans cesse et pourra adopter une meilleure position de conduite et ainsi éviter des troubles musculosquelettiques.
représente, schématiquement et en perspective, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
représente, schématiquement et en vue de dessus, le premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
représente, schématiquement et en vue de côté, le premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et
représente, schématiquement et sous forme de logigramme, un premier mode de réalisation d’un procédé objet de la présente invention.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
On note dès à présent que les figures 1 à 3 sont à l’échelle.
Lorsque l’on applique une différence de potentiel entre la membrane (0 V) et les électrodes d’activation (+V), on génère une force électrostatique qui attire la membrane (mobile) sur le matériau D 1 . Lors de ce contact, il y a un transfert de charges (électrons e - ) de la membrane dans le matériau D 1 . Ces charges s’accumulent alors au niveau des défauts du matériau D 1 pour y être piégées, au fur et à mesures des commutations. Cette injection de charges dans le matériau diélectrique D 1 dépend de plusieurs facteurs comme le champ électrostatique appliqué, la surface de contact, la température … Cette accumulation de charges dans le matériau diélectrique D 1 génère un champ électrique « parasite » opposé au champ électrique issu de l’actionnement et induisant une dérive de la tension d’actionnement (R.W. Herfst et al., “Characterisation of dielectric charging in RF MEMS capacitive switches”, IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, 2006), voir un collage permanent de la membrane sur le diélectrique D1 (https://menlomicro.com et https://www.analog.com).
En fonction du matériau diélectrique D 1 utilisé (T. Lisec et al., “Dielectric Material Impact on Capacitive RF MEMS Reliability”, 34th European Microwave Conference, 2004), et du stress électrique qui lui est appliqué, l’accumulation des charges est localisée dans le matériau diélectrique sur une certaine profondeur (A. Ziaei et al., “Fast high power capacitive RF-MEMS switch for X-Band applications”, European Solid State Device Research Conference, 2015).
Afin de limiter l’injection de charges dans le matériau diélectrique D 1 , il peut être particulièrement intéressant de réduire de manière drastique la surface qui sera en contact avec la membrane (à l’état bas) en structurant le matériau D1 . Il s’agit de générer des structures comme par exemple des piliers, trous, treillis …de quelques micromètres à quelques centaines de nanomètres dans le matériau diélectrique D1 . Pour le même stress électrique, la quantité de charge Q’ accumulée, au niveau des micro/nano structures (par transfert d’électrons e de la membrane) est plus faible que la quantité de charge Q pour une surface plane (comme le montrent les figures 7a et 7b relatives respectivement à des configurations avec accumulation de charges dans un matériau diélectrique plan et dans un matériau diélectrique structuré, lorsque la membrane est à l’état bas).
Par cette structuration du matériau diélectrique D 1 , on limite ainsi la surface de contact lorsque la membrane est à l’état bas et donc on améliore la fiabilité du composant liée à l’injection de charge. Cette fiabilité sera d’autant plus élevée que la densité des structures sera faible.
Les technologies actuelles permettent de micro/nanostructurer des matériaux isolants tels que le SiN, le SiO 2 , l’Al 2 O 3 … sur plusieurs centaines de nanomètres de profondeur et pour des résolutions inférieures à 100 nm. Il est à noter qu’il est possible de réaliser un dépôt localisé d’un matériau isolant pour générer des micro/nano structures avec les mêmes spécifications dimensionnelles sur les électrodes d’activation qui peuvent être, au préalable, déjà passivées avec un autre isolant.
Le choix du deuxième matériau diélectrique D 2 définit les performances RF (Paramètres S et tenue en puissance) du composant lorsque la membrane du commutateur MEMS-RF est à l’état bas. Pour cela on prend en considération sa constante diélectrique ainsi que l’épaisseur nécessaire pour tenir la tension correspondant à la puissance injectée lorsque la membrane est à l’état bas suivant la formule où U est la tension en volts, R l’impédance caractéristique du composant (50 ohms pour un circuit RF et pour le calcul dans ce tableau) et P la puissance en Watts injectée dans le composant. Le Tableau 2 ci-après présente, pour différents niveaux de puissance, la tension équivalente susceptible d’être appliquée au deuxième matériau diélectrique D 2 lorsque la membrane est à l’état bas. Puissance (Watts) Tension équivalente (Volts) 1 7,1 5 15,8 10 22,3 15 27,4 20 31,6 30 38,7 50 50 100 70,7
Le matériau diélectrique D 2 n’est soumis qu’au stress lié à la puissance RF admise et, éventuellement, à une tension de quelques volts (appliquée entre la ligne RF et le plan de masse/membrane) pour optimiser le plaquage de la membrane sur le matériau diélectrique D2 . L’équation 1 de la force électrostatique, ci-dessous,
avec « S » : la surface en vis-à-vis entre la membrane et la ligne RF en dessous, ε 0 : la permittivité du vide, V : la tension appliquée aux bornes des électrodes et z : la position de la membrane suivant l’axe z (entre 0 et e g );
La formule montre que la force F appliquée à la membrane est proportionnelle à 1/z 2 , où z représente la distance de la membrane par rapport à la ligne RF. Cela implique que cette force électrostatique devient très importante lorsque la membrane s’approche de la ligne RF recouverte du matériau diélectrique D 2 , même pour une faible tension appliquée. Selon une variante de l’invention, on peut procéder au dépôt d’un métal sur le matériau diélectrique D 2 afin qu’un simple contact de la membrane sur ce métal permette d’obtenir la capacité voulue, à l’état bas, et sans que la membrane n’ait besoin d’être plaquée correctement (l’application d’une tension secondaire sur la ligne RF n’est plus requise). Les figures 8a et 8b représentent des vues schématisées du mode d’actionnement du commutateur MEMS-RF capacitif sans la présence d’un métal additionnel sur le matériau diélectrique D 2 , respectivement à “l’état haut” et à “l’état bas” et ce avec application de champs électrostatiques E ch sur les électrodes d’activation et E’ ch sur la ligne RF. Les figures 8c et 8d représentent des vues schématisées du mode d’actionnement du commutateur MEMS-RF capacitif avec la présence d’un métal additionnel sur le matériau diélectrique D2 , respectivement à “l’état haut” et à “l’état bas” et ce avec application d’un champ électrostatiques E ch sur les électrodes d’activation. Dans ce cas, l’application d’un champ électrique sur la ligne RF n’est plus requise.
Les performances RF du dispositif, à l’état bas, sont donc liées à la capacité générée au niveau du matériau diélectrique D2 et dont la valeur dépend de l’épaisseur du matériau diélectrique D2 , de sa constante diélectrique (à la fréquence considérée), de la surface de contact B*A et de la qualité du contact de la membrane sur le matériau diélectrique D2 (qui peut être idéal en ajoutant un métal M6 sur le matériau diélectrique D2 ). La illustre un exemple d’une croissance d’or électrolytique (équivalent au métal M5 ) de quelques micromètres, en treillis, pour renforcer la rigidité de la membrane, ce dépôt électrolytique ayant été effectué sur une métallisation (type M4 ).
En résumé, le changement d’état de la membrane (d’un état haut vers un état bas) est assuré par les électrodes déportées et c’est le matériau diélectrique D1 qui supporte la tension nécessaire pour commuter la membrane. Le matériau diélectrique D2 assure les performances du composant à l’état bas et la tenue en puissance. On sépare ainsi la partie DC (pour actionner le composant) de la partie RF.
Pour des raisons topographiques, on peut avantageusement choisir l’épaisseur du matériau diélectrique D1 en fonction de la hauteur du matériau diélectrique D2 . L’épaisseur de l’électrode d’activation avec le matériau diélectrique D1 peut être égale à l’épaisseur de la ligne RF sous la membrane avec le matériau diélectrique D2 .
Concernant la partie mécanique (mobile) du commutateur MEMS-RF capacitif, la membrane autoportée se décompose en deux zones, supportées par plusieurs points d’ancrage (dont au moins certains sont situés au niveau des plans de masse pour le cas du MEMS-RF parallèle). Les zones dites « flexibles », pour permettre le basculement de la membrane de l’état haut à l’état bas (figures 8a et 8b), sont situées aux points d’ancrage et constituées de la métallisation M4 . La zone dite « rigide » est constituée de la métallisation M4 sur laquelle on vient faire croitre par électrodéposition une métallisation M5 épaisse (supérieure à 2 micromètres).
Cette métallisation M5 peut être structurée (exemple, en treillis) afin de maintenir la structure robuste et légère. L’image d’un exemple de croissance d’or électrolytique (équivalent au métal M5 ) de quelques micromètres, en treillis, pour renforcer la rigidité de la membrane (dépôt électrolytique effectué sur une métallisation M4 ) est illustré en .
Le but recherché est que cette zone de la membrane reste plane/rigide, comme l’illustre la montrant la zone dite “rigide” ZR , la mettant en évidence les zones dites “flexibles” ZF. La zone rigide de la membrane ne se déforme pas sous l’effet de la puissance incidente. La déformation de la membrane ne reste ainsi permise qu’au niveau des points d’ancrage (zones flexibles).
Comme visible dans le cas de la , une étape de dépôt 52 de la solution précurseur est déposée sur une plaque ou support analogue S, par exemple par coulée goutte-à-goutte en utilisant un instrument 3 à buse ou aiguille et piston ou actionneur similaire. Dans le cas expérimenté ci-dessus, la solution précurseur de PEDOT:PSS peut être déposée sur une plaque de polymère de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou autre matériau équivalent qui facilite le décollement du film tout en étant chimiquement inerte. Un dépôt par impression 3D peut être réalisé dans certaines options.
A l’issue de l’étape de dépôt 52, il est obtenu un film composite de PEDOT:PSS ayant une grande surface, par exemple supérieure à 2 cm². Le support S tel qu’une plaque de polymère polytétrafluoroéthylène (chimiquement inerte même en cas de chauffe) n'interagit pas avec le polymère PEDOT:PSS qui y est déposé. Le support S présente également un coefficient de frottement extrêmement faible, ce qui facilite le décollage du film qui y est déposé.
Le support S est ensuite placé dans un four pour une étape 53 de séchage avec chauffe à une température inférieure à 40 ou 50°C, par exemple réalisée à environ 30°C dans un four pendant une durée suffisante pour éliminer l'eau présente dans la solution de précurseur. Cette durée peut dépasser 10 heures, par exemple de l’ordre de 24 heures. Dans des variantes, l’étape de séchage peut être réalisée sans élément chauffant, par exemple en consistant à faire circuler un flux gazeux le long du film composite.
Après une étape 54 de décollement du support S pour séparer le film constituant la couche de matériau semi-conducteur 40, on peut concevoir la paire d’électrodes 2a, 2b dans une phase 55 de dépôt d’un matériau d’électrode G, typiquement métallique. Dans le cas non limitatif de la , on réalise pendant cette phase 55 : - sur un recto du matériau semi-conducteur 40, un dépôt d’une première électrode 2a par pulvérisation de grains, atomes et/ou particules métalliques en disposant la couche de matériau semi-conducteur 40 sur un support en verre V, en regard d’un élément métallique tel que de l’or (en tant que source de matériau d’électrode G) ; et - sur un verso du matériau semi-conducteur 40, un dépôt d’une deuxième électrode 2b par pulvérisation de grains, atomes et/ou particules métalliques en disposant de manière inversée la couche de matériau semi-conducteur 40, éventuellement sur un même type de support (support en verre V), optionnellement en utilisant le même élément métallique ayant servi pour réaliser la première électrode.
Chaque dépôt est réalisé, dans une chambre sous vide, à une échelle de quelques dizaines de nanomètres, par exemple pour réaliser une cathode en or de 70 nm d’épaisseur environ. Pour chaque dépôt d’électrode 2a ou 2b, le matériau semi-conducteur 40 peut optionnellement s’étendre entre une anode basse et une cathode haute, et on active une pulvérisation. Ceci peut se produire par utilisation de charges (ions) pour éjecter/pulvériser les grains, atomes ou particules issus de la surface d’impact de l’élément métallique, de sorte que la pulvérisation s’effectue au moins en partie en direction de la surface disponible (ici surface supérieure opposée au support en verre V) du matériau semi-conducteur 40. Un contour de la première électrode 2a peut être délimité à l’aide d’un ou plusieurs masques SM. Idem pour un contour de la deuxième électrode 2b. Dans des variantes, un simple chauffage sous vide peut suffire pour le dépôt du matériau d’électrode (par exemple pour le cas d’électrodes en aluminium).
Dans une option, des électrodes d'une épaisseur de 70 nm et d'une surface de 34 mm x 4 mm sont déposées symétriquement sur les deux surfaces du film composite de PEDOT:PSS par la technique de pulvérisation, au moyen d'un masque SM perforé ou masque découpé de façon adéquate. Plus généralement, il peut être réalisé des cathodes de forme allongée et recouvrant seulement de façon partielle la face correspondante du matériau 40. La couche 4 peut ainsi dépasser les cathodes dans son extension longitudinale, et également dans le sens/extension de la largeur dans des options de réalisation. Une fois les électrodes 2a, 2b réalisées, le film est par exemple laissé au repos, en laissant éventuellement passer au moins 3 heures avant de déposer les fils conducteurs 5a, 5b respectifs à l'aide d'une colle (CW2400 – Chemtronics®, à titre d’exemple non limitatif) en tant que matériau de connexion 5c. Pour les deux faces du film pourvues d’une couche mince constitutive de l’électrode, un fil conducteur respectif 5a, 5b est déposé sur l'électrode correspondante 2a, 2b, en laissant sécher la colle. La durée de séchage de colle est adaptée, pouvant atteindre ou dépasser 24 heures (entre chaque face et avant de procéder à toute caractérisation/mesure).
Dans certaines expériences, les films obtenus ont une épaisseur maximale d'environ 25 µm (sans prise en compte de la connexion des fils conducteurs 5a, 5b) pour obtenir des dispositifs flexoélectriques 1 qui sont extrêmement flexibles, comme bien visible par exemple sur la . Le film composite de PEDOT:PSS étant sensible à l'humidité (à cause du PSS hygroscopique), il peut être prévu de couvrir les faces externes du dispositif 1 par un matériau de protection tel que PET (polyéthylène téréphtalate), prenant en sandwich la structure tri-couche telle que représentée sur la . La illustre un exemple d’encapsulation, en recouvrant les deux faces opposées du dispositif 1 par un premier film 7a ou feuille mince de polymère et un deuxième film 7b ou feuille mince de polymère, qui est un polymère résistant à l’eau.
Dans des exemples de réalisation, ces films sont en PET ou polymère robuste équivalent afin de protéger le matériau 40, ici incluant PEDOT et PSS, des contraintes mécaniques et de l'humidité. Avant ou après l’étape 55, on encapsule complètement le film composite /matériau semi-conducteur 40 et les électrodes 2a, 2b entre deux feuilles de 35 µm d'épaisseur de PET. Un appareil lamineur peut permettre de s’assurer d’une bonne adhérence entre les faces externes du dispositif 1 et les feuilles de PET. Plus généralement, la structure flexoélectrique du dispositif 1 peut être encapsulée dans un ensemble de protection extérieur, définissant notamment deux faces principales externes d’un capteur C, en débordant de part et d’autre des bords longitudinaux L4 de la couche 4 supportant les électrodes 2a, 2b.
Une fois encapsulés, les dispositifs 1 peuvent résister à de grandes déformations, allant par exemple jusqu’à accoler les deux extrémités opposées du dispositif 1 en accentuant le pliage avec un rayon de courbure pouvant descendre localement en dessous de 10 ou 15 mm. Ils peuvent en outre être plongés intégralement dans un milieu aqueux sans perte d’aptitude dans leur fonction/coefficient de réponse flexoélectrique, ce qui permet d'étendre leur champ d'utilisation lorsqu’il s’agit d’intégrer PSS en tant que polymère conjugué dans le mélange servant à obtenir le matériau semi-conducteur 40.
Concernant le module de Young du matériau 40, il a été mesuré à 424 ou 430 MPa, respectivement pour le cas d’un ratio 1 :6 et 1 :2,5 pour PEDOT :PSS. Il s’agit ainsi de cas avec grande flexibilité, tout à fait équivalente. La conductivité électrique dans le plan telle que mesurée en moyenne (par réalisation d’au moins quatre mesure) est bonne dans les deux cas, en étant supérieure à 0,10 S/m. La teneur plus faible en PSS dans le composite obtenu avec le mélange PEDOT :PSS en ratio molaire 1 :2,5 permet d’avoir une conductivité électrique dans le plan supérieure à 0,50 S/m et comparativement plus élevée que dans le cas avec un ratio molaire 1 :6. Par ailleurs, il a été vérifié qu’une encapsulation dans une feuille de protection suffisamment flexible comme le PET ou plastique similaire à une épaisseur du même ordre de grandeur que l’épaisseur du dispositif 1 (sans multiplier par 10 l’épaisseur totale du matériau 40 par exemple), avec une protection déposée sur les deux faces du dispositif 1, n’influence pas significativement/de manière négative les propriétés susmentionnées : il n’y a ni abaissement du coefficient de réponse flexoélectrique ni perte de souplesse limitant l’application de capteur de courbure. Ce type de protection peut limiter les pertes diélectriques, en réduisant les influences de l’environnement extérieur sur le dispositif 1.
Des tests utilisant des rouleaux (à rayon fixe) définissant une courbure connue par avance ont été pratiqués pour des dispositif 1 ayant une structure tri-couche avec les électrodes 2a, 2b directement fixées sur le matériau semi-conducteur 40 à base d’un mélange PEDOT :PSS (1 :6) et ne fournissant pas de courant significatif avant la déformation (donc avec une distribution des ions uniforme dans le film composite). Le dispositif 1 suit la courbure du rouleau pour atteindre un état de flexion prédéfini.
Il a été observé, lors de la mesure entre les deux bornes formées par les fils 5a, 5b, que la succession des quatre phases suivantes : Entraînement en flexion par le rouleau / Relâchement/ Nouvelle flexion / Nouveau relâchement, des variations de courant atteignant les mêmes extrêmes à chaque cycle rapide, en enchaînant ces quatre phases sur une durée totale de 1 seconde. Le pic de décroissance puis de croissance de courant atteint par exemple 3,5 microampères (-3,5 et +3,5) pour une longueur du dispositif 1 comprise entre 25 et 80 mm, par exemple de l’ordre de 50 mm avec des électrodes réalisées en or et allongées sur 34 mm, en ayant une largeur du dispositif 1 n’excédant pas 10 mm.
Des coefficients effectifs de flexoélectricité (coefficient transverse Coeff) ont pu être déterminés expérimentalement avec la relation (R1) suivante : [Math. 1] où i est le courant flexoélectrique induit, f est la fréquence d'excitation du rouleau, b est la largeur de chaque électrode, l est la longueur de chaque électrode et C éch est la courbure imposée à l'échantillon constitué par un dispositif 1, respectivement. En répétant les expériences pour différentes fréquences f et pour différents rayons du rouleau, il a pu être établi une relation linéaire entre le courant et la courbure (tests réalisés avec des fréquences f respectivement de 0,5 Hz, de 1 Hz, de 1,5 Hz et 2 Hz). La linéarité est très bonne pour l’échantillon incluant le matériau composite à base du mélange PEDOT/PSS (1 :6).
Par la relation (R1) susmentionnée, le coefficient flexoélectrique Coeff est calculé pour les différentes fréquences, comme reporté sur la avec la constatation que le coefficient Coeff reflétant la réponse flexoélectrique évolue en fonction de la fréquence ; il baisse avec l’augmentation de fréquence. En revanche, il est indépendant du niveau de courbure atteint (ici déviation de +/- 1,6 µC.m -1 ). Il est intéressant de voir que le coefficient flexoélectrique est supérieur à 50 µC.m -1 , dès lors que la fréquence utilisée pour le test reste supérieure ou égale à 1Hz. Même à une fréquence de 2 Hz pour le test, le coefficient est significativement supérieur à 30 µC.m -1 . C’est notablement supérieur par comparaison à des coefficients déterminés avec des matériaux connus (de l’ordre de 0,01 µC.m -1 ), tout en permettant de se courber de façon importante, par exemple avec des rayons de courbure allant de 10 à 18 mm (correspondant au cas avec courbure à 55 m -1 ou 62 m -1 sur la ).