CH615533A5

CH615533A5 -

Info

Publication number: CH615533A5
Application number: CH594376A
Authority: CH
Inventors: Olivier Cahen
Original assignee: Thomson Csf
Priority date: 1975-05-13
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2311410B1; GB1516033A; IT1065875B; NL7605049A; US4059774A; JPS51140416A; BE841688A; SE7605316L; ES451456A1; ES447845A1; FR2311410A1; SE409795B; DE2621084A1

Description

L'invention a pour objet un circuit de commutation intégré à couches minces déposées sur un substrat, pouvant notamment transmettre ou interrompre des communications téléphoniques.

Il existe actuellement deux techniques de commutation téléphonique:

- la commutation spatiale;

- la commutation temporelle.

La commutation temporelle, qui consiste à attribuer à chaque conversation une position dans une trame, est effectuée à l'aide d'un ordinateur qui met en mémoire les signaux représentant chaque conversation, et les restitue sur le fil convenable, dans l'ordre convenable. L'invention ne se rapporte pas à cette technique.

La commutation spatiale, dans le cadre de laquelle se situe l'invention, consiste à ouvrir ou fermer matériellement des circuits par des interrupteurs, à commande automatisée de préférence. Les quatre principales techniques actuellement répandues sont du type:

- à relais électromécaniques (par exemple à bobine et à palette);

- à relais à contacts scellés (relais en ampoule, appelés relais Reed en terminologie anglaise);

- à matrice de relais électromécaniques (type Crossbar) ;

- à circuits de connexion par semi-conducteurs.

Les relais électromécaniques sont coûteux; leur emploi est en régression.

La matrice de contacts Crossbar est universellement utilisée; c'est un assemblage mécanique complexe, fragile, lourd, coûteux à l'achat et en consommation d'énergie, et en outre encombrant (100 contacts par décimètre cube). Le relais Reed est de plus en plus utilisé, mais il exige tout un câblage, et il nécessite de plus un composant séparé pour chaque contact.

Les semi-conducteurs ont certains inconvénients. Les transistors ont une tension de déchet; les thyristors ont une grande consommation d'énergie et on ne sait pas encore les réaliser en circuits intégrés monolithiques.

Le but de l'invention est de fournir un circuit ne présentant pas les inconvénients des solutions précitées.

Cette invention repose sur les propriétés de matériaux, que l'on appellera ici thermoconducteurs, qui, tels le dioxyde de vanadium VO2, présentent une transition brusque de conductivité, avec un changement d'ordre de grandeur, lorsque l'on franchit une certaine température, par ailleurs supportable pour les équipements de commutation. C'est le cas de V02 pour lequel cette température est de 68° C.

Le circuit de commutation, objet de l'invention, est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de commutation comprenant trois couches, à savoir une couche électriquement résistante comportant des extrémités munies de contacts ohmiques, une couche électriquement isolante et thermiquement conductrice, et une couche de matériau thermoconducteur comportant des extrémités munies de contacts ohmiques, ledit élément étant électriquement isolé du substrat si ledit substrat est conducteur.

L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels:

Les fig 1 et 2 représentent respectivement un symbole du circuit le plus simple suivant l'invention, et une coupe technologique;

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La fig. 3 représente un étage d'une matrice de résistances faisant partie d'un circuit de commutation suivant l'invention;

La fig. 4 représente à plus grande échelle un détail de la fig. 3.

Les fig. 5,6,8,9,10 et 11 représentent des schémas de circuits de commutation.

La fig. 7 représente un plan (a) et une coupe (b) d'un exemple de réalisation de circuit de la fig. 6.

La fig. 12 représente la couche résistive et la couche thermo-conductrice du circuit de la fig. 1.

Le principe de l'invention est le suivant:

On maintient un thermoconducteur dans une ambiance où, par suite de la température (inférieure à 68° C dans le cas de V02) sa conductibilité est très faible et sa résistance ohmique très grande, au moins de quelques milliers d'ohms. C'est l'état non-passant du circuit de commutation. Pour passer à l'état passant, c'est-à-dire opérer une commutation, en d'autres termes établir une connaxion entre les extrémités (munies de contacts ohmiques) du thermoconducteur, on applique entre les extrémités d'une résistance thermique, une tension électrique capable de provoquer, par effet Joule, un échauffe-ment rapide de la résistance, et, par conduction thermique à travers une mince couche d'isolement, un échauffement également rapide du thermoconducteur. La connexion s'établit par suite de la transition brusque de conductivité dans le matériau thermoconducteur, lequel passe d'une résistance forte à une résistance très faible, par exemple une petite fraction d'ohm. Cette connexion peut être maintenue en assurant un courant de maintien dans la résistance.

Le circuit le plus simple de commutation comporte sur un même substrat un élément résistant couplé thermiquement avec un élément thermoconducteur. On a représenté symboliquement ce circuit fig. 1 par:

- un cercle (repère 11) pour l'élément résistant;

- une croix (repère 12) pour l'élément thermoconducteur.

On a représenté partiellement par une coupe, fig. 2, une réalisation technologique de ce couplage thermique: sur un substrat 10, par exemple en métal conducteur, on trouve successivement une couche isolante 13, une couche électriquement résistante 11, par exemple en tantale, une nouvelle couche isolante 14, puis une couche thermoconductrice 12 en oxyde de vanadium et enfin une dernière couche d'isolement 15. On n'a pas représenté les électrodes d'entrée et de sortie des éléments 11 et 12. L'ensemble peut être réalisé, à partir du substrat, par des évaporations suivies de dépôt ou par des pulvérisations cathodiques. En particulier on sait déposer le dioxyde de vanadium par ce dernier procédé. Toutes les couches peuvent être photogravées pour définir la forme des résistances, des électrodes. Le couplage thermique est très fort pour des couches superposées, même à travers une couche isolante. Par contre le couplage thermique latéral est très réduit. La couche la plus proche du substrat peut être soit la couche résistante, soit la couche thermoconductrice.

La technologie des couches minces permet de choisir, pour chaque matériau, l'épaisseur entre 0,01 et 1 n, et pour les résistances et le thermoconducteur, le rapport longueur/largeur. La valeur des résistances peut être ainsi adaptée Ma. tension d'alimentation si celle-ci est imposée.

Quelques milliwatts suffisent pour porter une couche de thermoconducteur déposée sur un substrat, même si ce dernier est bon conducteur thermique, de la température ambiante à une température de transition telle que celle du VO2:68° C.

La qualité du contact à l'état passant est excellente: en particulier la résistance est faible et sans tension de déchet.

La qualité de l'isolement en régime isolant est aussi excellente: le rapport de résistance est de l'ordre de 104 et la protection contre la diaphonie avec un seul contact série est de 60 dB. Si les contacts série sont doublés, la protection est beaucoup plus grande, de l'ordre de 100 dB.

Un réseau matriciel de points de commutation est réalisable sur un substrat unique en superposant un premier étage comportant une matrice de résistances et un deuxième étage comportant une matrice de même configuration composée de thermoconducteurs. On a représenté fig. 3 une matrice de résistances 23 déposées sur un substrat 20. Ces résistances sont placées aux croisements de 4 lignes 21 et de 4 colonnes 22 alimentées respectivement par des tensions de commande de polarités inverses ( ± 6 volts par exemple). Ces lignes et colonnes sont réalisées par métallisation de bandes découpées par photogravure dans une résine éliminable par un agent chimique. Aux points de croisement 24 pour éviter le court-circuit électrique entre ligne et colonne, on interpose un dépôt de matériau isolant en couche mince, par exemple par masquage et pulvérisation cathodique de silice.

On a représenté fig. 4 les couches inférieures (métallisation et résistance) d'un point de croisement à une échelle très agrandie: on trouve une zone isolante 241 recouvrant une fraction de métallisation en colonne. La résistance est constituée par une couche localisée de tantale 230 recouverte, aux deux extrémités de la zone rectangulaire qui la délimite, des métallisations 231 et 232 qui ne sont autres que des prolongements des métallisations de raccordement aux lignes et aux colonnes.

On n'a pas représenté la matrice de thermoconducteurs constituant le deuxième étage du réseau matriciel de points de commutation. Cet étage serait réalisé par le même procédé que celui que l'on vient de décrire pour la matrice de résistances. La matrice à deux étages ainsi réalisée est une véritable matrice de commutation.

Si l'on considère le circuit de commutation de la fig. 1, que l'on peut appeler commutateur élémentaire, on va examiner la sortance (en anglais : fan out) du circuit logique équivalent. Si entre les extrémités L et M (fig. 1) de la résistance 11 on établit une différence de potentiel V, les deux bornes P et Q du thermoconducteur sont alors en court-circuit. Au contraire, si les deux extrémités L et M sont mises en court-circuit, les bornes P et Q du thermoconducteur couplé à la résistance 11 sont déconnectées et la différence de potentiel V peut y apparaître. Le rapport entre les résistances du thermoconducteur 12 en régime ouvert et en régime fermé est tel que cette différence de potentiel V peut y apparaître quel que soit le nombre jusqu'à plusieurs dizaines de résistances du type 11, branchées en parallèle entre P et Q. Autrement dit, la sortance du circuit logique élémentaire est très élevée.

Fig 5 on a représenté un circuit de commutation constitué par un assemblage de deux commutateurs élémentaires. Le premier commutateur, à gauche, comporte une résistance 41 de bornes L et M et un thermoconducteur Ti, de bornes P et Q; le deuxième commutateur, à droite, comporte une résistance 42, de bornes M et N, et un thermoconducteur T2, de bornes Q et R. On voit que les résistances et les thermoconducteurs des deux commutateurs élémentaires ont été mises respectivement en série.

Ainsi qu'il est habituel en logique, on désignera par 1 et 0 les états possibles respectifs des bornes L, M, N, P, Q, R. L'état 1 correspond par convention dans ce qui suit au potentiel positif de la source d'alimentation en tension continue du circuit logique (logique dite positive) et 0 désigne le potentiel négatif ou la masse.

L'équation L=M signifie soit que L = 1 et M=0, soit l'inverse, ainsi qu'il est habituel en algèbre binaire.

Il est évident, fig. 5 que:

- si L=M on a Q=P;

- et si M=N on a Q = R.

Une combinaison est interdite: L=M=N, car cette combinaison impose P=Q = R (court-circuit de l'alimentation). Si deux de ces valeurs résultent d'autres combinaisons logiques, il peut y avoir dégradation du circuit. Pour pallier cet inconvénient, on peut mettre des résistances de protection, qui n'interviendront que dans le cas de faute de la logique.

La combinaison L=M=N est inefficace ; en effet la valeur de Q est, dans ce cas, indéterminée, donc inutilisable. Il faut donc que L et N soient opposés: L= N. Autrement dit, deux résistances de commande ne peuvent être mises en série que si les bornes extrêmes de l'assemblage reçoivent en permanence des tensions opposées.

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Fig. 6, on a représenté un inverseur, qui est une application du circuit précédent, dans lequel on impose:

P = L=1 etR=N=0.

Si M=0 on a Q= 1 et réciproquement, si M = 1 on a Q=0 autrement dit on a toujours:

Q=M,

ce qui caractérise la fonction d'inversion.

Fig. 7, on a représenté schématiquement en plan (a) et en coupe (b) un substrat sur lequel est réalisé l'inverseur de la fig. 6. La coupe a été effectuée suivant un plan médian de tracé XX en (a). Pour améliorer la clarté du dessin, on n'a pas représenté de couche isolante par dessus les bandes thermoconductrices T-i et T2 qui apparaissent ainsi en surface. A partir du substrat 60, on trouve successivement une couche isolante 61, une bande continue de matériau résistif constituant les deux résistances 51 et 52 du schéma d'inverseur. Au point commun de ces deux résistances on a déposé une métallisation suivant une bande 62 qui est reliée à une borne M émergeant d'une couche isolante 63 recouvrant les résistances. Des bandes de matériau thermoconducteur Tj et T2 sont déposées suivant des rectangles dont les grands côtés, parallèles entre eux sont perpendiculaires au plan médian de trace XX. Une bande de métallisation 66 réunit deux petits côtés de ces bandes en constituant une borne Q de l'inverseur. Cette disposition en croix de la résistance et du thermoconducteur qui lui est couplé a pour but de faciliter la réalisation pratique de la structure mais ne nuit pratiquement pas au couplage thermique. Les bornes de polarisation + et — sont prises sur des métallisations 64 et 65 reliant les extrémités libres des bandes 51 et 52 à travers la couche isolante 63, respectivement aux extrémités libres des bandes Ti et T2.

Fig. 8, on a représenté schématiquement un circuit logique, constitué à l'aide de deux inverseurs identiques à celui de la fig. 6, alimentés en parallèle par une source continue (pôle + et — ) avec une connexion différente pour les thermoconducteurs (voir le dessin de la fig. 8). Si l'on désigne par A et B les entrées, placées aux points milieux Mi et M2 des inverseurs, et par S la sortie, placée au point Q2 situé entre les thermoconducteurs du deuxième inverseur, la fonction logique réalisée est:

S=ÄB

avec des conventions analogues à celles qui ont été définies à propos de la description de la fig. 5 et en logique positive. En logique négative, on aurait la fonction S=A + B.

On sait qu'à partir d'inverseurs on peut pratiquement réaliser n'importe quelle fonction logique. En conséquence l'invention est applicable à la réalisation sur un même substrat de circuits logiques matérialisant différentes fonctions éventuellement très complexes.

Fig. 9, on a représenté schématiquement un premier exemple de

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circuit de commutation dit «point de commutation simple» réalisant une connexion entre un conducteur L et un conducteur C, lesquels représentent par exemple des conducteurs branchés respectivement sur une ligne (L) et une colonne (C) d'une matrice de commutation d'un central téléphonique.

Le point de commutation présente la forme d'un T avec trois éléments thermoconducteurs Ti, T2, T3 (T3 reliant le point milieu Q de Ti et T2 à la terre). Les résistances chauffantes de Ti et T2 sont reliées en parallèle au pôle + de l'alimentation continue, d'une part, et, d'autre part, à un point milieu M connecté à une borne K de commande de commutation. La résistance chauffante de T3 est branchée entre le pôle — et la borne K.

On voit facilement que:

- si K=0 (pôle moins) LC est passant;

- si K = 1 (pôle plus) LC est bloqué avec le point Q à la terre.

Fig. 10, on a représenté un deuxième exemple de circuit de commutation dit point de commutation adapté, les conducteurs L et C pouvant être mis à la terre (cas de LC bloqué) à travers une résistance Rz qui est égale à l'impédance caractéristique moyenne des lignes à commuter (ou à la moitié de cette impédance, si les deux conducteurs de ligne sont traités symétriquement par rapport à la terre). En plus des trois thermoconducteurs de la fig. 9 on a deux thermoconducteurs T4 et Tj réalisant la connexion à travers Rz grâce à des résistances en parallèle avec celle de T3. La commande K est identique à celle de la figure précédente. Les résistances peuvent être intégrées sur le substrat commun du circuit.

Fig. 11, on a représenté un exemple de circuit de main tien, chargé, à partir de deux entrées logiques A et B, de réaliser, soit le maintien, soit le changement d'état pour un point de commutation dont la borne K est confondue avec la sortie du circuit de maintien. Ce circuit comporte une cascade de deux inverseurs montés comme l'indique le schéma de la fig. 11. On verrait facilement que l'on a:

- maintien, quel que soit l'état antérieur, si: A=B=0;

- passage de l'état bloqué à l'état passant, si: A = 1 et B=0;

- passage de l'état passant à l'état bloqué, si : A = B = 1.

Les avantages des points et circuits de commutation selon l'invention reposent sur les propriétés intrinsèques du relais thermique représenté fig. 1, essentiellement constitué par la superposition d'un élément de couche résistive et d'un élément de couche thermoconductrice. On a représenté fig. 12 ces deux éléments complétés par le dessin des électrodes terminales:

- 111 et 112 pour la résistance 11 ;

- 121 et 122 pour le thermoconducteur 12.

L'invention appliquée à la commutation téléphonique permet de commuter des signaux à très large bande de fréquences.

Elle peut être appliquée à la distribution par câbles de signaux de télévision.

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Claims

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1. Circuit de commutation intégré à couches minces déposées sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de commutation comprenant trois couches, à savoir une couche électriquement résistante comportant des extrémités munies de contacts ohmiques, une couche électriquement isolante et ther-miquement conductrice, et une couche de matériau thermoconducteur dont la résistance électrique varie rapidement en fonction de la température, au voisinage d'une température de transition entre un état isolant et un état conducteur, ladite couche de matériau thermoconducteur comportant des extrémités munies de contacts ohmiques, ledit élément étant électriquement isolé du substrat, si ledit substrat est conducteur.

2. Circuit de commutation intégré suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un deuxième élément de commutation, une première borne commune (M) à laquelle est reliée une extrémité de chacune des deux couches résistantes

(51, 52) et une deuxième borne commune (Q) à laquelle est reliée une extrémité de chacune des deux couches thermoconductrices (Ti, T2), les extrémités libres des couches résistante (51) et thermoconductrice (Ti) du premier élément étant destinées à être reliées à un pôle d'une alimentation en tension continue et les extrémités libres des couches résistante (52) et thermoconductrice (T2) du deuxième élément étant destinées à être reliées à l'autre pôle opposé de ladite alimentation de façon à ce que ledit circuit constitue un inverseur dont l'entrée est formée par la première borne commune (M) et la sortie par la deuxième borne commune (Q).

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REVENDICATIONS

3. Circuit de commutation intégré suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier, un deuxième et un troisième éléments de commutation, une première borne commune (Q), à laquelle est reliée une extrémité de chacune des couches thermoconductrices (Ti, T2, T3, fig. 9), une deuxième borne commune (M), à laquelle est reliée une extrémité de chacune des couches résistantes (91,92,93) et une borne de commande (K) reliée à la deuxième borne commune (M), les extrémités libres des première et deuxième couches thermoconductrices (Ti, T2) étant respectivement reliées à un premier et à un deuxième conducteur (L, C) et l'extrémité libre de la troisième couche thermoconductrice (T3) étant reliée à la terre, les extrémités libres des première et deuxième couches résistantes (91,92) étant reliées ensemble à un pôle d'une alimentation en tension continue et l'extrémité libre de la troisième couche résistante (93) étant reliée à l'autre pôle, de façon à ce que si on met la borne de commande (K) au potentiel de l'un ou de l'autre pôle de l'alimentation, on provoque soit la mise à la terre de la première borne commune (Q) en même temps que la déconnexion mutuelle des premier et deuxième conducteurs (L, C) soit la connexion mutuelle de ceux-ci en même temps que la déconnexion entre la première borne commune (Q) et la terre.

4. Circuit de commutation intégré suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un quatrième et un cinquième éléments de commutation, ainsi qu'une première et une deuxième résistances ohmiques (101,102), les quatrième et cinquième couches thermoconductrices (T4, T5) de ces quatrième et cinquième éléments ayant une extrémité reliée respectivement au premier et au deuxième conducteur (L, C) et l'extrémité libre reliée à la terre respectivement à travers les première et deuxième résistances ohmiques (101,102), enfin les quatrième et cinquième couches résistantes (104,105) des quatrième et cinquième éléments ayant chacune une extrémité reliée à la deuxième borne commune (M) et l'extrémité libre à l'autre pôle de l'alimentation en tension continue.

5. Circuit de commutation intégré suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau thermoconducteur est le dioxyde de vanadium.

6. Utilisation du circuit de commutation intégré suivant la revendication 1 dans un circuit logique.

7. Utilisation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le circuit logique comporte des inverseurs intégrés sur le même substrat.

8. Utilisation suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'une pluralité d'éléments de commutation sont combinés avec une pluralité de conducteurs disposés en lignes et en colonnes, chacun des éléments de commutation étant disposé à un point de croisement où sa couche résistante est reliée par une extrémité à un conducteur de ligne et, par l'autre extrémité, à un conducteur de colonne.