La présente invention concerne un micro-contacteur à
lames dont la conformation particulière assure un
fonctionnement fiable, tant pour la fermeture d'un circuit
électrique par rapprochement de deux lames sous
l'influence d'un champ magnétique, que pour l'ouverture
lorsque le champ magnétique est supprimé.
L'invention concerne également un procédé de
fabrication d'un tel micro-contacteur par une méthode de
croissance galvanique à partir d'un substrat.
De façon plus générale, l'invention appartient au
domaine bien connu des contacteurs dits "à tiges", et par
extension "à lames", actionnables par un champ magnétique
extérieur pouvant être, soit parallèle aux tiges ou aux
lames, soit perpendiculaire à celles-ci. Un contacteur à
tiges à champ parallèle est généralement désigné par
contacteur "reed". Le modèle-type d'un tel contacteur
"reed" se compose d'une ampoule cylindrique en verre dans
laquelle pénètre à chaque extrémité une tige magnétisable
et flexible, les extrémités libres de chaque tige pouvant,
par leur rapprochement initial, s'attirer sous l'influence
d'un champ magnétique extérieur pour fermer un circuit
électrique, et être rappelées à leur position initiale par
la force élastique des tiges, respectivement des lames,
lorsque le champ magnétique est supprimé. La
miniaturisation de ce modèle-type est nécessairement
limitée par des facteurs purement techniques, faisant que
les plus petits contacteurs "reed" obtenus ont encore une
longueur de l'ordre de 7,5 mm et un diamètre de l'ordre de
1,5 mm, tout en ayant une stabilité mécanique parfois
discutable.
Ce modèle-type a donc donné lieu à de nombreux
perfectionnements parmi lesquels on retiendra, dans le
cadre de la présente invention, d'une part ceux qui visent
à en réduire l'encombrement, par exemple pour permettre
leur intégration dans un ensemble micro-électronique,
telle qu'une pièce d'horlogerie, d'autre part ceux qui
visent à rendre leur comportement magnéto-mécanique plus
fiable et plus performant.
En ce qui concerne les solutions apportées à la
réduction de l'encombrement, on se reportera
avantageusement au brevet US 5,430, 421 qui décrit un
procédé de fabrication par croissance galvanique à partir
d'un substrat, permettant de fabriquer par lot, ou
"batch", des micro-contacteurs à lames de très petites
dimensions, typiquement des dispositifs dont les lames ont
une longueur L d'environ 500 µm, une largeur a d'environ
100 µm, pour une épaisseur b et un entrefer e de l'ordre
de la dizaine de microns. A l'usage, il est toutefois
apparu que certains micro-contacteurs issus d'un même lot,
c'est-à-dire des micro-contacteurs fabriqués exactement
dans les mêmes conditions, ne répondaient pas aux normes
permettant d'assurer un fonctionnement fiable. En effet,
la construction d'une structure métallique suspendue par
croissance galvanique permet de contrôler de façon
suffisamment précise la géométrie, et notamment
l'épaisseur des dépôts d'un matériau ferromagnétique, mais
ne permet pas de prévoir de façon certaine dans lesdits
dépôts les contraintes résiduelles qui sont, de façon
connue, plus importantes en début de croissance
galvanique. Compte-tenu de la très faible épaisseur des
lames, il en résulte que certains micro-contacteurs
seront, après élimination des couches sacrificielles,
toujours en position fermée, ou au contraire présenteront
un entrefer trop grand pour que les lames soient amenées
en position fermée sous l'influence du champ magnétique
devant normalement être appliqué.
Pour palier aux inconvénients magnéto-mécaniques des
micro-contacteurs ci-dessus mentionnés, on a recherché,
pour des lames obtenues avec un matériau ayant un module
d'élasticité donné et placées dans un champ magnétique
donné, sur quels paramètres de construction il était
possible d'agir pour réduire, voire éliminer les
contraintes résiduelles tout en favorisant la déflexion et
la pression de contact entre les deux lames.
En augmentant l'épaisseur b de la lame on va réduire
l'influence des contraintes résiduelles et obtenir un
meilleur positionnement des deux lames l'une par rapport à
l'autre, mais on va en même temps en augmenter la
rigidité. Pour avoir la flexibilité nécessaire à la
fermeture on devra alors augmenter la longueur L de la
lame, ce qui ne correspond pas à l'objectif de
miniaturisation de l'invention.
Pour des dispositifs placés dans un champ magnétique
et ayant un très petit entrefer e, la déflexion est
approximativement proportionnelle à L3/b·r, L étant la
longueur de la lame, b son épaisseur et r la longueur de
superposition des deux lames dans l'entrefer e. Tous les
autres paramètres étant égaux par ailleurs, la pression de
contact est approximativement proportionnelle à b2/r2.
On peut obtenir une plus grande déflexion en
augmentant L et/ou en diminuant b. Avec une augmentation
de L, l'encombrement global du micro-contacteur augmente,
ce qui ne correspond pas aux buts visés par l'invention,
et ce qui a également comme effet négatif d'augmenter la
dispersion du champ magnétique dans l'entrefer. Une
diminution de b a pour effet défavorable, d'une part de
diminuer considérablement la pression de contact, d'autre
part comme indiqué précédemment, de rendre la lame plus
sensible aux contraintes résiduelles.
Seule la diminution de la longueur de superposition r
permet d'augmenter simultanément la déflexion et la
pression de contact. Cependant la valeur de r doit rester
sensiblement égale à quelques fois l'épaisseur b, faute de
quoi les effets de dispersion du champ magnétique annulent
l'avantage obtenu.
Il ressort donc des observations précédentes que les
connaissances de l'homme de métier ne permettent pas
d'apporter une solution satisfaisante aux inconvénients
magnéto-mécaniques d'un micro-contacteur construit par
croissance galvanique.
La présente invention a donc pour objet de proposer
une solution dans laquelle, sans modifier l'encombrement
global du micro-contacteur, une géométrie originale d'au
moins une lame permet d'augmenter la flexibilité de ladite
lame sans modifier la force maximale obtenue à son
extrémité.
A cet effet l'invention a pour objet un micro-contacteur
magnétique, réalisé par méthode galvanique à
partir d'un substrat, comportant deux lames conductrices
de longueur L et L' et de largeur a, reliées par leurs
extrémités respectives à des moyens de connexion
électrique, et comprenant chacune une partie distale de
section respective a · b et a · b', dont la superposition
sur une longueur r détermine un entrefer de distance e,
l'une au moins desdites lames étant en un matériau
magnétique et se composant d'une extrémité solidaire du
substrat par l'intermédiaire d'un pied, d'une partie
médiane et d'une partie distale de longueur Lo, flexible
par rapport à la partie distale de la deuxième lame entre
une position ouverte en l'absence d'un champ magnétique et
une position fermée dans laquelle les deux lames sont en
contact l'une avec l'autre sous l'influence du champ
magnétique, ledit micro-contacteur étant caractérisé en ce
que ladite partie médiane de la lame flexible est
conformée avec une section transversale totale inférieure
à celle de la partie distale de façon à présenter une
moindre résistance à la flexion permettant à la lame
d'avoir à la fois une déflexion d'amplitude au moins égale
à e pour établir un contact sous l'influence d'un champ
magnétique et une force de rappel suffisante vers la
position ouverte en absence de champ magnétique.
Lorsque le champ magnétique appliqué est parallèle
aux lames, les deux lames sont réalisées par croissance
galvanique d'un même matériau magnétique.
En appliquant un champ magnétique à saturation de la
partie médiane il est alors possible d'augmenter la
pression de contact entre les lames en augmentant
l'épaisseur b, respectivement b', de la partie distale, de
façon à obtenir des contacts reproductibles à faible
résistance de passage tout en permettant à la lame d'avoir
une déflexion suffisante.
Selon un premier mode de réalisation la lame flexible
a une épaisseur constante b depuis sa fixation au pied
jusqu'à sa partie distale, et la partie médiane qui fait
la jonction entre ces deux extrémités est formée d'un ou
de plusieurs isthmes faisant que la section transversale
totale de ladite partie médiane est plus faible que la
section de la partie distale, en permettant ainsi à la
lame d'avoir une plus grande flexibilité sans augmentation
d'encombrement.
Ces isthmes peuvent délimiter une ou plusieurs
ouvertures dans la lame. Dans le cas où il n'existe qu'un
seul isthme, celui-ci occupe de préférence une position
centrale en délimitant deux échancrures sur les bords de
la lame. Les isthmes peuvent également avoir une section
variable entre l'extrémité fixée au pied et la partie
distale, par exemple en formant des ouvertures jointives
sensiblement rectangulaires ou carrées, ayant des surfaces
de valeurs décroissantes à partir de la fixation au pied.
Selon un deuxième mode de réalisation la lame ne
présente ni ouverture, ni échancrure, mais sa partie
médiane a une épaisseur inférieure à l'épaisseur b de la
partie distale, en formant en quelque sorte une encoche
dans l'épaisseur de la lame, ladite encoche pouvant être
ménagée sur l'une ou l'autre des faces de la lame.
Comme cela a déjà été indiqué, la partie médiane n'a
qu'une faible influence sur le comportement magnétique du
micro-contacteur, notamment lorsque celui-ci est placé
dans un champ magnétique parallèle à la longueur des
lames. En d'autres termes, la zone active est la partie
distale de longueur Lo. Dans ce cas il est alors
avantageux, lorsque la deuxième lame est solidaire du
substrat, que sa longueur L' soit égale à Lo et que son
épaisseur b' soit égale à l'épaisseur b de la lame
flexible, de façon à éviter au maximum une dispersion du
champ magnétique.
Lorsque le micro-contacteur est placé dans un champ
magnétique perpendiculaire aux lames et que la deuxième
lame est solidaire du substrat, il est suffisant que la
longueur L' de cette deuxième lame soit égale à la
longueur de recouvrement r, le matériau la constituant
pouvant être magnétique ou non, et son épaisseur b'
pouvant être supérieure à l'épaisseur b de la lame
flexible.
Au lieu d'être solidaire du substrat, la deuxième
lame peut également être solidaire dudit substrat par
l'intermédiaire d'un autre pied. Cette deuxième lame sera
alors également flexible et pourra être structurée selon
l'un des modes précédemment décrits, sans avoir
nécessairement la même structuration que la première lame.
Le micro-contacteur selon l'invention permet
également, sans en modifier l'encombrement global d'agir
sur les valeurs b, b' de l'épaisseur de lames et sur la
valeur e de l'entrefer. En effet, une augmentation de b,
b' entraíne une diminution de la flexibilité et
corrélativement un meilleur positionnement relatif des
deux lames permettant de réduire la valeur e de
l'entrefer.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaítront à la lecture de la description détaillée
d'exemples de réalisation, donnés à titre illustratif et
non limitatif, en référence aux figures annexées dans
lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un
premier exemple de micro-contacteur ayant une seule lame
flexible, avec indication de toutes les longueurs
caractéristiques;
- les figures 2 à 5 sont des vues en perspective de
quatre autres exemples de réalisation dans lesquels une
seule lame est flexible;
- la figure 6 est une vue en perspective d'un
sixième exemple de réalisation dans lequel les deux lames
sont flexibles;
- la figure 7 représente la coupe selon la ligne
VII-VII de la figure 1, avant l'élimination des couches
sacrificielles, et
- la figure 8 représente la coupe selon la ligne
VIII-VIII de la figure 1, avant élimination des couches
sacrificielles.
En se référant à la figure 1, on a représenté un
premier exemple de micro-contacteur, une fois isolé de son
lot de fabrication. On voit que celui-ci comporte deux
lames 1, 2 supportées par un substrat 10, à partir duquel
il a été construit par croissance galvanique comme cela
sera expliqué plus loin.
Dans cet exemple, le micro-contacteur est destiné à
être soumis à un champ magnétique parallèle aux lames. Le
matériau formant les deux lames devra être
ferromagnétique, par exemple un alliage fer-nickel
présentant une faible hystérèse magnétique pour permettre
une ouverture reproductible lorsque le champ magnétique
est supprimé.
Chacune des deux lames comporte des moyens de
connexion à un circuit électrique, non représenté,
schématisé par les conducteurs 21 et 22, l'homme de métier
pouvant parfaitement concevoir d'autres moyens de
connexion, notamment lorsque ledit micro-contacteur est
destiné à être intégré dans un ensemble électronique plus
complexe. Les deux lames ont sensiblement la même largeur
a, comprise entre 50 et 150 µm par exemple 100 µm, et une
épaisseur b, b' de l'ordre de 10 µm. La lame 1, solidaire
du substrat 10 par l'intermédiaire d'un pied 9, a une
longueur totale L, typiquement comprise entre 300 et
900 µm par exemple 500 µm. Cette lame 1 comprend trois
zones ayant sensiblement la même longueur et assumant des
fonctions différentes. Une extrémité 3 de la lame permet
la fixation au pied 9, le reste de la lame étant suspendu
au-dessus du substrat 10. L'autre extrémité 5, de longueur
Lo, désignée par "partie distale", assure le
fonctionnement magnétique. La partie médiane 4 en assure
le fonctionnement mécanique en permettant d'ajuster la
flexibilité de la lame 1, c'est-à-dire en fait la
déflexion maximale de l'extrémité distale 5 dans un champ
magnétique donné. A cet effet, la partie médiane 4
comporte en son centre une ouverture 6 carrée délimitant
sur les bords de la lame 1 deux isthmes 8a et 8b reliant
l'extrémité 3 solidaire du pied à la partie distale 5.
Dans cette partie médiane, la section transversale totale
est donc inférieure à la section a · b de la partie
distale 5, ce qui confère à la lame une plus grande
flexibilité pour un matériau ayant un module d'élasticité
donné. La deuxième lame 2, solidaire du substrat, a une
épaisseur b' et une longueur L' et ne présente aucune
structuration particulière. Toutefois son épaisseur b'
sera de préférence sensiblement égale à l'épaisseur b de
la lame 1 flexible. Les deux lames sont positionnées l'une
par rapport à l'autre de telle sorte qu'elles se
superposent sur une longueur r, en définissant entre leurs
surfaces en regard un entrefer e compris entre 10 et 50 µm
par exemple 5 µm La longueur r de superposition des deux
lames sera de préférence égale à quelque fois l'épaisseur
b, b' choisie pour les lames, de façon à réduire les
effets de dispersion du champ magnétique.
Selon sa destination finale, le micro-contacteur peut
être encapsulé sous air ou atmosphère contrôlée, par
exemple au moyen d'un capot plastique non représenté,
collé ou soudé à la surface du substrat, soit encore par
montage dans un boítier adéquat.
On va maintenant brièvement décrire, en référence aux
figures 7 et 8 un procédé de réalisation du micro-contacteur
représenté à la figure 1, par croissance
galvanique à partir d'un substrat 10. Ce procédé consiste
essentiellement à adapter au moins une étape du procédé
décrit dans le document US 5,430,421, auquel on pourra se
reporter pour plus de détails. A la figure 7, on a
représenté avant élimination des couches sacrificielles
une coupe longitudinale à travers un isthme 8a d'un seul
micro-contacteur isolé de son lot de fabrication. Le
substrat 10 n'est en effet qu'une portion d'une plaquette,
ou "wafer" en un matériau isolant, ou semi-conducteur
voire conducteur recouvert d'une couche isolante
permettant de fabriquer en un seul lot une multitude de
micro-contacteurs. On effectue d'abord par évaporation
thermique le dépôt d'une couche d'accrochage 12a et 13a,
par exemple de titane ou de chrome, puis d'une couche de
protection 12b et 13b par exemple en or, de façon à créer
deux pistes 12 et 13 isolées électriquement par gravage de
la surface selon des techniques connues. On dépose
ensuite, par exemple à la tournette, des couches
successives 14, 15 et 16 de photorésist épais, chaque
couche de photorésist étant configurée au moyen d'un
masque (non représenté) pour ménager des ouvertures
permettant d'effectuer par étapes la croissance
galvanique. La première couche 14 est configurée avec deux
ouvertures permettant la croissance galvanique d'un
premier étage 9a du pied 9 et de la lame 2. La deuxième
couche 15 est configurée avec une seule ouverture
permettant d'obtenir par croissance galvanique le deuxième
étage 9b du pied 9. Avant d'effectuer le dépôt de la
troisième couche 16 de photorésist on effectue une
nouvelle double métallisation 17. Cette troisième couche
16 est configurée pour laisser libre pour la croissance
galvanique une ouverture correspondant à l'extrémité 3
solidaire du pied 9, à la partie distale 5 et aux isthmes
8a et 8b, comme cela apparaít plus clairement sur la
figure 8. Dans cet exemple, toutes les étapes de
croissance galvanique peuvent être conduites avec le même
matériau ferromagnétique, par exemple un alliage FerNickel
20-80. Il est également possible d'améliorer le
contact électrique des lames lorsqu'elles seront soumises
à un champ magnétique, en recouvrant d'or leurs surfaces
en regard, c'est-à-dire après le premier dépôt galvanique
et avant le dernier dépôt galvanique. La microstructure
ainsi obtenue est ensuite soumise à un réactif d'attaque
pour éliminer, en une ou plusieurs fois, le photorésist et
la couche de métallisation intermédiaire 17 et libérer le
micro-contacteur. Comme déjà indiqué, toutes ces
opérations s'effectuent sur un lot de micro-contacteurs
qu'il est possible d'encapsuler avant de les isoler par
découpage, soit de façon unitaire, soit par groupes selon
une disposition déterminée en fonction de leur destination
finale.
En se référant maintenant à la figure 2, on a
représenté un autre exemple de micro-contacteur destiné à
être placé dans un champ magnétique parallèle aux lames et
dans lequel on a toujours une seule lame flexible. La
partie médiane 4 de la lame flexible comporte deux
ouvertures rectangulaires 6a et 6b, délimitées par trois
isthmes 8a, 8b et 8c. Comme on le voit, en comparant les
figures 1 et 2, la deuxième lame 2 solidaire du substrat a
une longueur L' = Lo, les deux lames ayant la même
épaisseur b = b', d'une valeur supérieure à celle
représentée à la figure 1, avec corrélativement une plus
petite valeur pour l'entrefer e.
Le micro-contacteur représenté à la figure 3 est
destiné à être placé dans un champ magnétique
perpendiculaire aux lames. En fait, comme on le voit la
deuxième lame 2 solidaire du substrat peut être réduite à
un plot de contact ayant une longueur L' au moins égale à
la longueur de recouvrement r des deux lames, et une
épaisseur b' supérieure à l'épaisseur b de la lame
flexible. Dans cet exemple, il est également possible
d'effectuer la première étape de croissance, pour former
le premier étage du pied et la lame 2 avec un matériau non
magnétique, par exemple de l'or. La partie médiane
comporte trois ouvertures 6a, 6b et 6c sensiblement
rectangulaires et jointives, formant une unique ouverture
délimitée sur chaque bord de la lame par des isthmes 8a et
8b composés de trois zones s, m et l dont la largeur va en
croissant à partir du pied
A la figure 4, le micro-contacteur représenté,
destiné à être placé dans un champ magnétique parallèle
aux lames, comporte dans la partie médiane de sa lame
flexible un seul isthme 8c délimitant des échancrures 6d
et 6e sur les bords de la lame.
Dans le micro-contacteur représenté à la figure 5,
l'augmentation de la flexibilité de la lame mobile par
rapport à la lame 2 solidaire du substrat 10 est obtenu en
configurant la partie médiane 4 avec une épaisseur b''
inférieure à l'épaisseur b de la partie distale 5. Dans
l'exemple représenté, cette configuration correspond à une
encoche 6f ouverte vers le substrat. Pour réaliser cette
micro-structure par croissance galvanique, il conviendra
bien entendu d'effectuer une étape supplémentaire pour
configurer l'encoche 6f.
A la figure 6, on a représenté un micro-contacteur
destiné à être placé dans un champ magnétique parallèle
aux lames et dans lequel les deux lames sont mobiles l'une
par rapport à l'autre. Une première lame 1 est solidaire
du substrat 10 par l'intermédiaire d'un pied 9 et comporte
dans sa partie médiane une ouverture 6. Une deuxième lame
2 est solidaire du substrat 10 par l'intermédiaire d'un
pied 11. Dans l'exemple représenté, cette deuxième lame
comporte également dans une partie médiane une ouverture
rectangulaire 7. Cette partie peut également avoir l'une
quelconque des conformations décrites précédemment pour la
lame 1, soit encore avoir une section totale constante de
son extrémité fixée au pied 1 jusqu'à son extrémité
distale. Pour réaliser cette micro-stucture par croissance
galvanique, il conviendra bien entendu d'effectuer une
étape supplémentaire, pour configurer le pied 11, et de
procéder à une métallisation supplémentaire avant de
configurer et de faire croítre par dépôt galvanique la
lame 2 et un étage supplémentaire du pied 9.
Sans sortir du cadre de la présente invention,
l'homme de métier est en mesure d'imaginer d'autres
configurations de la partie médiane d'au moins une lame
pour avoir une plus grande flexibilité et en conséquence
obtenir un micro-contacteur ayant des caractéristiques
magnéto-mécaniques améliorées.