Les différentes variantes à géométrie symétrique et dissymétrique

1) Variantes symétriques « type 1 » et antisymétriques « type 2 »

Pour pouvoir comparer les résultats expérimentaux avec le modèle analytique qui a été présenté auparavant, nous souhaitions fabriquer des prototypes dont les conditions d’encastrement de la poutre étaient symétriques. Nous présenterons donc ci-dessous deux types d’architectures semblables, qui diffèrent par la présence ou non d’actionneurs thermiques situés sous la poutre. Une vue générale de haut de ces structures est donnée sur la Figure 87.

Figure 87 : vue générale d’une puce de type 1 ou type 2 (avant libération)

Sur la Figure 88 ci-dessous est représentée selon une coupe dans la longueur de la poutre (coupe AA indiquée sur la Figure 87), la variante de type 1 qui comporte un actionneur thermique sur chaque face de la poutre, au niveau de ses encastrements.

Connectique en or Couche sacrificielle

de tungstène Couche sacrificielle en polymère

Poutre portant le

contact électrique Actionneurs du châssis

Actionneurs de la poutre A B B Encastrement du châssis sur le substrat

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Figure 88 : empilement de la variante de type 1 a) avant et b) après libération (coupe AA)

Sur la Figure 88, on voit que les deux actionneurs situés aux encastrements de la poutre sont placés l’un au dessus de l’autre. Cette variante, proposée aussi par [ROB 05] a cependant un inconvénient qui a été mis en lumière par des analyses thermiques réalisées au cours de cette thèse. L’état stationnaire de répartition de la température s’installe rapidement (dans un temps inférieur au temps de commutation du composant), et la température est quasiment homogène dans l’épaisseur de la structure. La différence de température entre les actionneurs situés sur les deux faces de la poutre va ainsi être très faible. Clairement, il est donc difficile d’utiliser l’effet bilame pour l’actionnement de telles structures ; en revanche ces structures étaient bien adaptées pour comparer le modèle analytique avec des prototypes.

La variante de type 2, illustrée sur la Figure 89, remédie à cet inconvénient, puisque les actionneurs ne sont placés que sur les faces du dessus de la poutre.

Figure 89 : empilement de la variante de type 2 a) avant et b) après libération (coupe AA)

Le choix de l’empilement proposé sur la Figure 88 et la Figure 89 avait été dicté par la nécessité de mettre au point le procédé de fabrication le plus simple possible. Ces deux

Piste à commuter

Contact électrique

a) b)

Actionneurs de la poutre

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Gatien Fleury

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empilements sont constitués par l’alternance d’une couche d’isolants et de conducteurs, ce qui est indispensable pour ne pas avoir de court-circuit entre les deux actionneurs. Par ailleurs, l’alimentation des résistances est rendue possible par l’utilisation de vias qui sont percés juste avant le dépôt du dernier niveau métallique. Ce dernier niveau est en or et sert en même temps à faire la connectique d’alimentation des résistances et les contacts situés sur la poutre, comme illustré sur la Figure 87. Dans la suite est présentée la variante de type 3 qui est la seule à avoir été fabriquée.

2) Variantes dissymétriques simplifiées (« type 3 »)

La différence fondamentale entre les deux variantes présentées précédemment et la variante de type 3 réside dans la géométrie des actionneurs thermiques situés sur le châssis. Dans les deux variantes présentées précédemment, les actionneurs du châssis étaient situés de part et d’autre de la couche de SiO2 dans laquelle est réalisée la poutre, comme illustré sur la Figure 90-a qui

représente une coupe (cf. Figure 87 pour la définition de cette coupe). Ces actionneurs sont donc situés de part et d’autre de la fibre neutre du châssis.

Figure 90 : vues en coupe d’une structure a) de type 1 ou 2, et b) de type 3(coupe BB)

Piste à commuter

a)

b)

Actionneurs du châssis

Poutre

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Dans la variante de type 3, en revanche, la fibre neutre du châssis est placée prés du centre des actionneurs thermiques. Cette géométrie va limiter le nombre de couches déposées, ce qui entraîne une simplification du procédé de fabrication des prototypes. Par ailleurs cette variante ne nécessite qu’une couche sacrificielle en polymère. Pour fabriquer les variantes de type 1 et 2, il fallait en revanche deux couches sacrificielles, comme illustré sur la Figure 91 ci-dessous :

Figure 91 : illustration de la couche sacrificielle a) en tungstène, et b) en polymère pour les types 1 et 2

Ces deux couches sacrificielles étaient nécessaires car d’une part le tungstène ne supporte pas de passage de marche, et d’autre part, il n’est pas possible de réaliser, au cours de la fabrication, une gravure débouchant sur la couche sacrificielle en polymère que nous utilisons.

Concernant la variante de type 3, le premier matériau que l’on dépose sur la couche sacrificielle est le matériau de la poutre. Il est donc possible de n’utiliser qu’une seule couche sacrificielle en polymère, comme c’est illustré sur la Figure 92-a.

Cette variante de type 3 a cependant l’inconvénient de n’avoir des actionneurs thermiques que vers la fibre neutre du châssis. Au cours de la conception, il semblait possible que la déformation du châssis possède une composante de flexion. Par ailleurs, pour que les actionneurs thermiques du châssis puissent appliquer une déformation équivalente, le niveau métallique qui sert d’actionneur thermique doit par ailleurs être plus épais pour la variante de type 3 que pour les variantes de type 1 et 2. Couche sacrificielle en tungstène Couche sacrificielle en polymère Couche de

SiN du bas Actionneurs du bas

b) a)

Encastrement du châssis sur le substrat

Partie 3 : Fabrication et caractérisation des composants

Gatien Fleury

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Figure 92 : a) couche sacrificielle et b) structure complète avant libération (type 3)

Contrairement aux variantes de type 1 et 2, la couche sacrificielle en polymère de la variante de type 3 est placée directement sous la poutre et le châssis de la structure, comme illustré sur la Figure 92-b.

Dans la mesure où la variante de type 3 comporte moins d’étapes que les deux autres variantes, nous nous sommes concentrés sur sa fabrication. De nombreux problèmes technologiques ayant émergé lors du développement de cette variante, la fabrication des types 1 et 2 n’a malheureusement pas pu être réalisée dans le cadre de ce travail.

Dans la partie suivante, la méthodologie de conception de l’empilement du composant sera présentée.