Chapitre 5 Résultats sur les actionneurs
5.2 Résultats avec un actionneur piston
5.2 Résultats avec un actionneur piston
5.2.1 Principe
L’actionneur piston est considéré comme l’actionneur standard. C’est l’actionneur qui semble optimal pour introduire un déplacement vertical de la plaque miroir. Il peut être relié à cette plaque miroir par un ou plusieurs plots d’attache.
Un actionneur individuel avec un plateau de 200µm*200µm et quatre bras de ressort de 200µm*10µm a été réalisé durant une seconde série avec le procédé PolyMUMPS, [128]. L’actionneur est fabriqué avec la couche de poly2 dans le but d’avoir le plus grand gap disponible ; le gap étant donné par la somme des épaisseurs des deux couches sacrificielles. Une image obtenue avec un microscope électronique à balayage de ce composant est montrée dans la Figure 5-14.
Figure 5-14 Photo MEB de l’actionneur piston
5.2.2 Forme au repos
La forme au repos, mesurée avec l’interférométrie à balayage de phase en mode simple est visible sur la Figure 5-15. Les échelles horizontales sont en pixels (1 pixel=1,34µm), l’échelle verticale est graduée en nanomètres. Le composant présente une courbure générale
K=0,270
±
0,030 mm-1. Cette courbure est légèrement plus faible que celle observée dans la première série, ce qui prouve que le procédé n’est pas totalement reproductible. La courbureChapitre 5 Résultats sur les actionneurs
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Figure 5-15 Forme au repos d’un actionneur piston individuel
La courbure provoquée par le gradient de contraintes résiduelles apparaît clairement
Une simulation de la forme au repos est réalisée, par analogie, en introduisant un gradient de température dans l’épaisseur du composant. Le coefficient de dilatation thermique du silicium valant
α
=4,2.10-6/°K, la valeur de∆
T qui coïncide avec la courbure observée est∆
T=-97°K, ce qui donne une courbure K=0,270mm-1.Dans la Figure 5-16 sont présentés les profils du composant selon la direction xx’ et yy’. Le bon accord des profils mesurés (en rouge) et simulés (en bleu) apparaît clairement. Ce type de simulations basée sur une analogie thermique pourra donc être employé par la suite. Il est important de noter que dans ce composant, les contraintes sont totalement relaxées mais cette valeur de∆
T=-97°K est valable pour tous les composants de cette puce.Figure 5-16 Coupes des formes statiques mesurée et simulée de l’actionneur piston
5.2.3 Actionnement
La mesure par interférométrie à décalage de phase en mode simple permet de mesurer la déformation du composant avec une résolution de quelques nanomètres. La déformée obtenue pour une tension de 3,0 volts appliquée entre les électrodes est montrée dans la Figure 5-17.
5.2 Résultats avec un actionneur piston
Comme dans le cas du miroir orientable, le masque de déroulement de la phase a une géométrie légèrement plus petite que dans la réalité pour éviter toutes les zones qui pourraient entraîner des problèmes de déroulement aux extrémités. Les dimensions dans le plan sont en pixels, un pixel correspondant à 3µm. Un mouvement de piston pur du plateau est observé, seuls les bras de ressort se déformant, ce qui justifie les hypothèses faites dans le paragraphe 3.1. Un déplacement du plateau de 300 nm est mesuré pour 3,5 volts. Cet actionneur est donc nettement moins rigide que l’actionneur orientable où une tension d’une vingtaine de volts était nécessaire pour créer le même déplacement.
Figure 5-17 Déplacement mesuré en nanomètres
Dans la Figure 5-18 est montré le déplacement de l’extrémité d’un bras en fonction de la tension. Une déformation maximale de wmax=400nm est obtenue pour 3,8 volts. Cette courbe d’actionnement peut être interpolée par une réponse du deuxième ordre en fonction de la tension pour les faibles tensions. Pour de plus grandes tensions, le déplacement n’est plus négligeable face au gap et cette approximation n’est plus valide, de plus hauts ordres devant être considérés. Le « Pull-in » se produit lorsque le déplacement est égal au tiers du gap, ce qui fait que le déplacement théorique maximum est de wmax=2750nm/3=916nm. Mais au-delà de 400nm, la pente de la courbe devient trop raide, l’actionneur devient instable et le « pull-in » est observé pour Vpull-in=4,0V. Le gap est estimé autour de gap=1,9µm. L’écart-type de la mesure est voisin de 5nm.
Chapitre 5 Résultats sur les actionneurs
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Cet actionneur est simulé en utilisant les éléments finis. Le gap est ajusté pour coller au mieux aux mesures. La carte des déplacements obtenue pour 3,5 volts est montrée dans la Figure 5-19 a). Dans la Figure 5-19 b) est montrée la différence entre la carte de déplacement mesurée pour 3,5 volts et celle simulée pour la même tension. La moyenne de cette différence est de 2nm et l’écart type est de 10nm.
Figure 5-19 Déplacement simulé et Différence entre mesure et simulation
Le gap trouvé vaut gap=1,78µm (auquel il faut rajouter les 400nm dus à la courbure) au lieu de gap=2,75µm. Le fait de trouver un gap inférieur à la valeur nominale est en bon accord avec la valeur de « pull-in » mesurée. La forme statique non-plane montre la difficulté à prédire le gap réel. En effet, pour un actionneur de forme parabolique, la force électrostatique ne peut pas être exprimée avec les même équations que celles utilisées dans le cas d’un actionneur plat. En particulier, la règle du tiers du gap n’est plus valable. On remplace alors ces équations par le modèle du gap effectif d’un actionneur parabolique qui permet d’obtenir les même valeurs de force électrostatique qu’avec un actionneur plat.
5.2.4 Dynamique
Aucune mesure expérimentale n’a été faite pour cet actionneur. L’étude dynamique menée sur l’actionneur orientable dans le paragraphe 5.1.5 nous a confirmé la fiabilité des simulations en éléments finis. Nous allons donc mettre en œuvre ces simulations dans le cadre de l’étude dynamique de l’actionneur piston. La simulation du comportement dynamique de ce miroir présente un premier mode propre qui est le mode piston avec une fréquence de résonance égale à fpiston=10kHz Les modes suivants sont les modes de basculement à f tip-tilt=16,7kHz. A titre de comparaison, l’étude analytique donne une fréquence de résonance pour le mode piston de fpiston=11kHz.