EP1743349A2 - Microcommutateur a faible tension d"actionnement et faible consommation - Google Patents

Microcommutateur a faible tension d"actionnement et faible consommation

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EP1743349A2
EP1743349A2 EP05751606A EP05751606A EP1743349A2 EP 1743349 A2 EP1743349 A2 EP 1743349A2 EP 05751606 A EP05751606 A EP 05751606A EP 05751606 A EP05751606 A EP 05751606A EP 1743349 A2 EP1743349 A2 EP 1743349A2
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EP
European Patent Office
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microswitch
branches
substrate
membrane
bending
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EP05751606A
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EP1743349B1 (fr
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Philippe Robert
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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Publication of EP1743349B1 publication Critical patent/EP1743349B1/fr
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0063—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] having electrostatic latches, i.e. the activated position is kept by electrostatic forces other than the activation force
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H61/00—Electrothermal relays
    • H01H61/01—Details
    • H01H61/0107—Details making use of shape memory materials

Definitions

  • the invention relates to a microswitch comprising:
  • actuation means intended, from a first stable position of the microswitch, to deform the membrane so as to establish, in a second stable position, an electrical contact between at least one first conductive pad formed on the substrate and at at least one second conductive pad, formed on a lower surface of the membrane,
  • electrostatic holding means intended to maintain the microswitch in the second stable position and comprising complementary electrostatic holding members, respectively integral with the membrane and the substrate.
  • Microswitches are widely used, especially in the telecommunications field for signal routing, impedance tuning networks, gain adjustment of amplifiers, etc.
  • the frequency bands of the signals to be switched can range from a few MHz to several tens of GHz.
  • microswitches originating from microelectronics and used for radio frequency circuits allow integration with electronics circuits and have a low manufacturing cost. However, their performance is limited.
  • silicon FET Field Effect Transistor
  • MESFET Metal Semiconductor Field Effect Transistor
  • GaAs gallium arsenide
  • all these microswitches have a significant insertion loss in the on state, around 1 dB at 2 dB, and a fairly low insulation in the open state, of the order from -20dB to -25dB.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • a low insertion loss typically lower at 0.3dB
  • high insulation typically greater than -30dB
  • low consumption typically greater than -30dB
  • Electrostatic microswitches have the advantage of having a high switching speed and relatively simple technology. However, they encounter reliability problems, in particular because of an increased risk of sticking of the structure of the microswitch, and they only allow small displacements.
  • the thermally actuated microswitches have the advantage of having a low actuation voltage (less than 5V), a high energy density and a high deflection amplitude, but they encounter excessive consumption problems and have a low switching speed.
  • a microswitch 1 conventionally comprises a membrane or a deformable beam 2, attached to a substrate 3 by its two ends.
  • Actuation means 4 make it possible, from a first stable position shown in FIG. 1, to deform the beam 2, so as to establish, in a second stable position shown in FIG. 3, an electrical contact between a first conductive pad 5, formed on the substrate 3 and a second conductive pad 6, integral with a lower face of the beam 2.
  • the actuating means 4 comprise, for example, thermal actuators 7 cooperating with heating resistors 8, inserted in the ends of the beam 2.
  • the microswitch 1 also comprises complementary electrostatic holding members 9, respectively integral with the beam 2 and of the substrate 3. The electrostatic holding members 9 are intended to hold the microswitch 1 in the second stable position (FIG. 3).
  • FIG. 1 The tilting of the microswitch 1 is shown in Figures 1 to 3.
  • the beam 2 is in its first stable position.
  • the actuating means 4 and the electrostatic holding members 9 are not stressed.
  • FIG. 2 the temperature variation generated by the thermal actuator 7, represented by the waves and the arrows 10, causes the deformation of the beam 2.
  • the conductive pad 6 of the beam 2 then enters contact with the conductive pad 5 of the substrate 3 to establish an electrical contact.
  • electrostatic forces 11 between the electrostatic holding members 9 are then generated, to maintain the beam 2 in this stable position.
  • the thermal actuation is interrupted and the stable position is then maintained by the electrostatic forces 11.
  • the electrostatic holding is interrupted, that is to say when the electrostatic forces 1 1 are deactivated, the beam 2 returns to its non-deformed state, that is to say in the first stable position shown in FIG. 1, and the electrical contact is interrupted.
  • FIG 4 In Figure 4 are illustrated the different areas of the deformation of the beam 2, which have more or less significant displacements.
  • the central zone 16, shown in dark gray illustrates the zone of greatest deformation of the beam 2, namely the location of the conductive pad 6 and the zone of contact of the beam 2 with the substrate 3.
  • the intermediate zones 17 and 18 represent the areas of the beam 2 urged by the electrostatic holding members 9.
  • the end zones 19, shown in light gray, comprise the thermal actuation means 4 and correspond to the parts of the beam 2 which do not deform, or practically do not.
  • microswitch 1 The main part of the electrical consumption of microswitch 1 is thus limited only to the fraction of time necessary for it to toggle, from the first stable position (FIG. 1) to the second stable position (FIG. 3).
  • the electrostatic holding voltage is reduced, since the forces 11 are applied to the deformed beam 2 ( Figures 3 and 4).
  • the electrical consumption of the microswitch 1, as well as the actuation and electrostatic holding voltages, are therefore relatively low.
  • the holding electrodes 9 being linked to the beam 2, they deform like the beam 2.
  • the area of weak air gap namely the height between the members 9 for electrostatic holding of the beam 2 and of the substrate 3 in the second stable position ( Figure 3), is reduced laterally.
  • the decrease in the holding voltage is consequently limited, in particular compared to a simple electrostatic actuation.
  • the deformation of the electrostatic holding members 9, linked to the beam 2 can cause reliability problems of the microswitch 1.
  • the invention aims to remedy these drawbacks and relates to the production of a reliable microswitch e, having a low actuation voltage and low consumption.
  • the membrane comprises at least:
  • At least one contact branch substantially parallel to the bending branches, arranged between the bending branches and fixed to the bending branches at the level of zones of strong deformation of the bending branches, the contact branch moving substantially parallel to the substrate during actuation of the microswitch and comprising the electrostatic holding members of the membrane and the second conductive pad.
  • Figures 1 to 3 show the tilting of a deformable beam of a microswitch with thermal actuation and electrostatic holding according to the prior art.
  • FIG. 4 represents, in perspective, the deformation of the beam according to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 5 represents, in top view, a first embodiment of a deformable membrane of a microswitch according to the invention.
  • FIG. 6 represents, in perspective, the deformation of the membrane according to FIG. 5.
  • Figure 7 shows, in section along the axis A-A, the membrane according to Figure 6 fixed on a substrate.
  • FIG. 8 represents, in top view, an alternative embodiment of a deformable membrane according to the invention.
  • FIG. 9 represents, in perspective, the deformation of the membrane according to FIG. 8.
  • a deformable membrane 12 of a microswitch 1 with thermal actuation and electrostatic holding comprises two flexion branches 13, substantially parallel and comprising, at their ends, the thermal actuating means 4 of the microswitch 1.
  • the membrane 12 comprises, between the bending branches 1 3, a contact branch 14, substantially parallel to the bending branches 13 and preferably comprising two electrodes 15 for electrostatic holding, arranged on either side of the conductive pad 6 of the membrane 12.
  • the flexing branches 13 are constituted by bimetallic strips, which have good deformation characteristics under the effect of a temperature variation.
  • the thermal actuation means 4 consist, for example, of heating resistors inserted into the ends of the flexing branches 13 of the membrane 12.
  • the deformation of the flexion branches 13 causes the contact branch 14 to move substantially parallel to the substrate 3 (FIG. 7), so that the contact branch 14 does not deform, or practically not, when the microswitch 1 is actuated.
  • Areas 20 of strong deformation of the bending branches 13, shown in dark gray in FIG. 6, are located at the level of the central part of the bending branches 13.
  • the variation in gray levels illustrates a more or less significant deformation of the flexion branches 13.
  • the end zones 21 of the flexion branches 13, shown in light gray, are the zones associated with the thermal actuation of the microswitch 1, namely the zones of weak deformation.
  • the contact branch 14 is connected to the flexion branches 13 at their zones 20 of strong deformation, namely at their central parts.
  • the electrostatic holding electrodes 15, located on this contact branch 14, therefore move substantially parallel to the substrate 3 and do not deform, or practically not, when the microswitch 1 is actuated by thermal effect.
  • the flexing branches 13 are attached to protruding edges of the substrate 3 by their two ends.
  • the conductive pad 6, integral with the contact branch 14 of the membrane 12 is in contact with the conductive pad 5 of the substrate 3.
  • the contact branch 14 is substantially parallel to the substrate 3 and the electrostatic holding electrodes 15, not deformed, are arranged at a very short distance opposite the members 9 for electrostatic holding of the substrate 3, complementary to the electrodes 15, so as to maintain the membrane 12 in this position stable.
  • the contact branch 14 can be lowered until it comes into contact with the electrostatic holding members 9.
  • a dielectric layer (not shown) is then necessary between the contact branch 14 and the electrostatic holding members 9, in order to isolate the branch 14 from the members 9.
  • the electrostatic forces generated in the small gap between the contact branch 14 and the electrostatic holding members 9 of the substrate 3 cause the membrane 12 of the microswitch 1 to be held in this position.
  • the electrodes 15 do not deform, or practically not, which leads to an improvement in the reliability of the microswitch 1.
  • each bending branch 13 thus has a first end integral with the substrate 3 (not shown) and a second end secured to the contact branch 14.
  • the end of each flexure branch 13 secured to the substrate 3 comprises the thermal actuation means 4, for example, heating resistors.
  • the contact branch 14, arranged between the two flexion branches 13, may comprise only a single electrostatic holding electrode 15, the conductive stud 6 of the membrane 12 then being placed on the side of the contact branch 14.
  • the zones 20 of strong deformation of the flexing branches 13 of the membrane 12 are the two integral ends of the contact branch 14.
  • the two adjacent flexing branches 13 are therefore connected to the contact branch 14 opposite, that is to say that the first end of a bending branch 13 is secured to the substrate 3, while its second end is secured to a first end of the contact branch 14.
  • the first end of the bending branch 13 adjacent to the first is then secured to the second end of the contact branch 14, while the second end of the bending branch
  • the zones 20 of strong deformation, represented in dark gray, are therefore the ends of the bending branches 13 integral with the contact branch 14, while the zones 21 of small deformation, represented in light gray, are the ends of the bending branches 13 attached to the substrate 3 and comprise the thermal actuation means 4.
  • the substrate 3 (not shown for this embodiment) is then shaped so as to cooperate with the membrane 12. It comprises a conductive pad 5, opposite the conductive pad 6 of the contact branch 14, and holding members 9 electrostatic, opposite the electrode 15 of the contact branch 14.
  • Such a deformable embrane 12 according to FIGS. 8 and 9 makes it possible to obtain a more compact microcomputer 1.
  • the switching of the microswitch 1 is as follows.
  • the mem brane 12 is substantially horizontal and parallel to the substrate 3, to which it is attached by the protruding edges of the substrate 3.
  • the bimetallic strips of the bending branches 13 are stressed, for example, by the passage of a current in the heating resistors.
  • the actuation of the flexion branches 13 causes the membrane 12 of the microswitch 1 to deflect, as far as the vicinity or in contact between the conductive pads 5 and 6.
  • a potential difference is then applied between the electrostatic electrodes 15, arranged on the lower surface of the contact branch 14, and the complementary members 9, produced on the substrate 3.
  • the micro-feeder 1 remains in its second stable position (FIGS. 6, 7 and 9).
  • the potential difference applied between the electrodes 15 and the electrostatic holding members 9 is canceled, which causes the membrane 12 to rise to its initial position, that is to say the first stable position.
  • the microswitch 1, comprising a membrane 12 according to FIGS. 5 and 8, is produced according to techniques known in microelectronics.
  • the materials used for manufacturing the microswitch 1 are silicon oxide (Si0 2 ) or silicon nitride (Si x N y ) for the substrate 3, aluminum (Al) for the actuator for the thermal bimetal, titanium nitride (TiN) for the heating resistance, titanium (Ti), aluminum (Al) or a chromium-gold alloy (Cr / Au) for the electrodes 15 and the organs 9 for electrostatic holding, gold (Au) or platinum (Pt) for the conductive pads 5 and 6.
  • the contact branch 14 carrying the electrostatic holding electrodes 15 is, preferably, elongated.
  • the contact branch 14 has a length greater than half the length of the flexion branches 3.
  • the contact branch 14 has a length close to the length of the flexion branches 13. This results in a significant saving in space, since it is possible to produce a very reliable microswitch 1, of low consumption and with dimensions which may be less than 100 / vm 2 .
  • microswitch 1 provides the following advantages, namely a low actuation and electrostatic holding voltage, of the order of 5V, low consumption, conservation of all the advantages actuation by bimetallic strip (high deflection amplitude, high energy density, low actuation voltage) and a technological achievement compatible with integrated circuit technology.
  • the microswitch 1 having two stable positions, the first position in which the electrical contact is interrupted and the second position in which the electrical contact is established, only the passage from one position to the other consumes energy and the microswitch 1 can, after actuation, remain in the first stable position without additional energy supply and in the second stable position with a very limited energy supply (holding voltage) due to the proximity of the electrodes 15 and the electrostatic holding members 9 in this position.
  • the invention is not limited to the embodiments described above.
  • the actuation means 4 of the microswitch 1 may in particular comprise a piezoelectric actuator.
  • the flexion branches 13 then comprise at least one layer of piezoelectric material. They can optionally be constituted by bimetallic strips SiN / piezoelectric layer and are provided with excitation electrodes on their upper and lower face.
  • a voltage is then applied to the piezoelectric layer of the bending branches 13, to cause the deformation of the bending branches 13.
  • the materials used for the realization of the actuator piezoelectric are lead titano-zirconate (PZT), aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO).
  • the membrane 2 may comprise flexion arms 13, contact branches 14, electrodes 15 and additional conductive pads 6, the electrodes 15 and the conductive pads 6 always being arranged on the contact branches 14.
  • the contact branches 14 are then fixed in the same way to the adjacent bending branches 13, with the ends of the bending branches 13 fixed "in opposition" .
  • Preferred applications for microswitch 1 are, in general, all applications using microswitches in the fields of electronics and microelectronics, and more particularly radio frequency applications, namely antenna microswitches, transmitters / receivers, band microswitches, etc.

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)

Abstract

Le microcommutateur comporte une membrane déformable (12) comprenant deux branches de flexion (13), sensiblement parallèles, fixées à un substrat par au moins une extrémité et comportant des moyens d’actionnement thermique (4). Une branche de contact (14) allongée, sensiblement parallèle aux branches de flexion (13), est disposée entre les branches de flexion (13) et fixée à celles-ci au niveau de leurs zones de forte déformation. La branche de contact (14) se déplace sensiblement parallélement au substrat lors de l’actionnement du microcommutateur et comporte des électrodes (15) de maintien électrostatique et un plot conducteur (6).

Description

Microcommutateur à faible tension d'actionnement et faible consommation
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un microcommutateur comportant :
- une membrane deformable, rattachée à un substrat,
- des moyens d'actionnement destinés, à partir d'une première position stable du microcommutateur, à déformer la membrane de manière à établir, dans une seconde position stable, un contact électrique entre au moins un premier plot conducteur formé sur le substrat et au moins un deuxième plot conducteur, formé sur une surface inférieure de la membrane,
- et des moyens de maintien électrostatique, destinés à maintenir le microcommutateur dans la seconde position stable et comportant des organes de maintien électrostatique complémentaires, respectivement solidaires de la membrane et du substrat.
Etat de la technique
Les microcommutateurs sont très largement utilisés, notamment dans le domaine des télécommunications pour le routage des signaux, les réseaux d'accord d'impédances, l'ajustage de gain d'amplificateurs, etc. Les bandes de fréquences des signaux à commuter peuvent aller de quelques MHz à plusieurs dizaines de GHz.
Classiquement, les microcommutateurs issus de la microélectronique et utilisés pour des circuits radiofréquences permettent une intégration avec l'électronique des circuits et ont un faible coût de fabrication. Cependant, leurs performances sont limitées.
À titre d'exemple, les microcommutateurs de type FET (« Field Effect Transistor ») en silicium peuvent commuter des signaux de forte puissance uniquement à basse fréquence. Les microcommutateurs de type MESFET (« Métal Semiconductor Field Effect Transistor »), en arséniure de gallium (GaAs), fonctionnent bien à haute fréquence, mais uniquement pour des signaux de faibles niveaux. D'une manière générale, au-delà de 1GHz, tous ces microcommutateurs présentent une perte d'insertion importante à l'état passant, autour de 1 dB à 2dB, et une isolation assez faible à l'état ouvert, de l'ordre de -20dB à -25dB.
Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé des microcommutateurs de type MEMS (« Micro Electro Mechanical System »), qui présentent, de par leur conception et leur principe de fonctionnement, les caractéristiques suivantes : une faible perte d'insertion (typiquement inférieure à 0,3dB), une isolation importante (typiquement supérieure à -30dB), une faible consommation et une linéarité de réponse.
Deux grands principes d'actionnement sont connus pour de tels microcommutateurs de type MEMS, à savoir l'actionnement électrostatique et l'actionnement thermique. Les microcommutateurs à actionnement électrostatique présentent l'avantage d'avoir une vitesse de commutation élevée et une technologie relativement simple. Ils rencontrent cependant des problèmes de fiabilité, notamment à cause d'un risque accru de collage de la structure du microcommutateur, et ils n'autorisent que de faibles déplacements. Les microcommutateurs à actionnement thermique présentent l'avantage d'avoir une faible tension d'actionnement (inférieure à 5V), une forte densité d'énergie et une forte amplitude de déflexion, mais ils rencontrent des problèmes de consommation trop importante et présentent une vitesse de commutation faible.
Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé de combiner ces deux grands types de microcommutateurs et de réaliser un microcommutateur à actionnement thermique et à maintien électrostatique.
Comme représenté sur les figures 1 à 3, un microcommutateur 1 comporte classiquement une membrane ou une poutre 2 deformable, rattachée à un substrat 3 par ses deux extrémités. Des moyens d'actionnement 4 permettent, à partir d'une première position stable représentée figure 1 , de déformer la poutre 2, de manière à établir, dans une seconde position stable représentée figure 3, un contact électrique entre un premier plot conducteur 5, formé sur le substrat 3 et un deuxième plot conducteur 6, solidaire d'une face inférieure de la poutre 2.
Les moyens d'actionnement 4 comportent, par exemple, des actionneurs thermiques 7 coopérant avec des résistances chauffantes 8, insérées dans les extrémités de la poutre 2. Le microcommutateur 1 comporte également des organes de maintien électrostatique 9 complémentaires, respectivement solidaires de la poutre 2 et du substrat 3. Les organes 9 de maintien électrostatique sont destinés à maintenir le microcommutateur 1 dans la seconde position stable (figure 3).
Le basculement du microcommutateur 1 est représenté aux figures 1 à 3. Sur la figure 1 , la poutre 2 est dans sa première position stable. Les moyens d'actionnement 4 et les organes 9 de maintien électrostatique ne sont pas sollicités. Sur la figure 2, la variation de température engendrée par l'actionneur thermique 7, représentée par les vagues et les flèches 10, entraîne la déformation de la poutre 2. Le plot conducteur 6 de la poutre 2 entre alors en contact avec le plot conducteur 5 du substrat 3 pour établir un contact électrique. Sur la figure 3, des forces électrostatiques 11 entre les organes 9 de maintien électrostatique sont alors générées, pour maintenir la poutre 2 dans cette position stable. Lorsque la position stable est atteinte, l'actionnement thermique est interrompu et la position stable est alors conservée par les forces électrostatiques 11. Lorsque le maintien électrostatique est interrompu, c'est-à- dire lorsque les forces électrostatiques 1 1 sont désactivées, la poutre 2 revient dans son état non-déformé, c'est-à-dire dans la première position stable représentée figure 1 , et le contact électrique est interrompu.
Sur la figure 4 sont illustrées les différentes zones de la déformée de la poutre 2, qui présentent des déplacements plus ou moins importants. La zone centrale 16, représentée en gris sombre, illustre la zone de plus forte déformation de la poutre 2, à savoir l'emplacement du plot conducteur 6 et la zone de contact de la poutre 2 avec le substrat 3. Les zones intermédiaires 17 et 18 représentent les zones de la poutre 2 sollicitées par les organes 9 de maintien électrostatique. Les zones extrêmes 19, représentées en gris clair, comportent les moyens d'actionnement thermique 4 et correspondent aux parties de la poutre 2 qui ne se déforment pas, ou pratiquement pas.
L'essentiel de la consommation électrique du microcommutateur 1 est ainsi limité uniquement à la fraction de temps nécessaire à son basculement, de la première position stable (figure 1) à la seconde position stable (figure 3). La tension de maintien électrostatique est réduite, puisque les forces 11 sont appliquées sur la poutre déformée 2 (figures 3 et 4). La consommation électrique du microcommutateur 1 , ainsi que les tensions d'actionnement et de maintien électrostatique, sont donc relativement faibles. Cependant, les électrodes de maintien 9 étant liées à la poutre 2, elles se déforment comme la poutre 2. La zone de faible entrefer, à savoir la hauteur entre les organes 9 de maintien électrostatique de la poutre 2 et du substrat 3 dans la seconde position stable (figure 3) , est donc réduite latéralement. La diminution de la tension de maintien est en conséquence limitée, notamment par rapport à un simple actionnement électrostatique. Par ailleurs, la déformation des organes 9 de maintien électrostatique, liés à la poutre 2, peut provoquer des problèmes de fiabilité du microcommutateur 1.
Objet de l'invention
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour objet la réalisation d'un microcommutateur fiabl e, présentant une faible tension d'actionnement et une faible consommation .
Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que la membrane comprend au moins :
- deux branches de flexion, sensiblement parallèles, fixées au substrat par au moins une de leurs extrémités et comportant les moyens d'actionnement,
- et au moins une branche de contact, sensiblement parallèle aux branches de flexion, disposée entre les branches de flexion et fixée aux branches de flexion au niveau de zones de forte déformation des branches de flexion, la branche de contact se déplaçant sensiblement parallèlement au substrat lors de l'actionnement du microcommutateur et comportant les organes de maintien électrostatique de la membrane et le deuxième plot conducteur. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figures 1 à 3 représentent le basculement d'une poutre deformable d'un microcommutateur à actionnement thermique et maintien électrostatique selon l'art antérieur.
La figure 4 représente, en perspective, la déformée de la poutre selon les figures 1 à 3.
La figure 5 représente, en vue de dessus, un premier mode de réalisation d'une membrane deformable d'un microcommutateur selon l'invention. La figure 6 représente, en perspective, la déformée de la membrane selon la figure 5.
La figure 7 représente, en coupe selon l'axe A-A, la membrane selon la figure 6 fixée sur un substrat.
La figure 8 représente, en vue de dessus, une variante de réalisation d'une membrane deformable selon l'invention.
La figure 9 représente, en perspective, la déformée de la membrane selon la figure 8.
Description de modes particuliers de réalisation
Sur les figures 5 à 7, une membrane 12 deformable d'un microcommutateur 1 à actionnement thermique et maintien électrostatique comporte deux branches de flexion 13, sensiblement parallèles et comportant, à leurs extrémités, les moyens d'actionnement thermique 4 du microcommutateur 1. La membrane 12 comporte, entre les branches de flexion 1 3, une branche de contact 14, sensiblement parallèle aux branches de flexion 13 et comportant, de préférence, deux électrodes 15 de maintien électrostatique, disposées de part et d'autre du plot conducteur 6 de la membrane 12.
À titre d'exemple, les branches de flexion 13 sont constituées par des bilames, qui présentent de bonnes caractéristiques en déformation sous l'effet d'une variation de température. Les moyens d'actionnement thermique 4 sont constitués, par exemple, par des résistances chauffantes insérées dans les extrémités des branches de flexion 13 de la membrane 12.
Comme représenté sur les figures 6 et 7, la déformation des branches de flexion 13 entraîne le déplacement de la branche de contact 14 sensiblement parallèlement au substrat 3 (figure 7), de manière à ce que la branche de contact 14 ne se déforme pas, ou pratiquement pas, lors de l'actionnement du microcommutateur 1. Des zones 20 de forte déformation des branches de flexion 13, représentées en gris sombre sur la figure 6, sont situées au niveau de la partie centrale des branches de flexion 13. Sur la figure 6, la variation des niveaux de gris illustre une déformation plus ou moins importante des branches de flexion 13. Les zones extrêmes 21 des branches de flexion 13, représentées en gris clair, sont les zones associées à l'actionnement thermique du microcommutateur 1 , à savoir les zones de faible déformation.
La branche de contact 14 est reliée aux branches de flexion 13 au niveau de leurs zones 20 de forte déformation, à savoir au niveau de leurs parties centrales. Les électrodes 15 de maintien électrostatique, situées sur cette branche de contact 14, se déplacent donc sensiblement parallèlement au substrat 3 et ne se déforment pas, ou pratiquement pas, lors de l'actionnement du microcommutateur 1 par effet thermique.
Sur la figure 7, les branches de flexion 13 sont rattachées à des rebords en saillie du substrat 3 par leurs deux extrémités. Dans cette seconde position stable, qui correspond à la position commutée du microcommutateur 1 , le plot conducteur 6, solidaire de la branche de contact 14 de la membrane 12, est en contact avec le plot conducteur 5 du substrat 3. La branche de contact 14 est sensiblement parallèle au substrat 3 et les électrodes 15 de maintien électrostatique, non déformées, sont disposées à très faible distance en regard des organes 9 de maintien électrostatique du substrat 3, complémentaires des électrodes 15, de manière à maintenir la membrane 12 dans cette position stable. Sous l'effet de la tension de maintien électrostatique, la branche de contact 14 peut s'abaisser jusqu'à entrer en contact avec les organes 9 de maintien électrostatique. Dans ce cas, une couche diélectrique (non représentée) est alors nécessaire entre la branche de contact 14 et les organes 9 de maintien électrostatique, afin d'isoler la branche 14 des organes 9.
Les forces électrostatiques générées dans le faible entrefer compris entre la branche de contact 14 et les organes 9 de maintien électrostatique du substrat 3 entraînent le maintien de la membrane 12 du microcommutateur 1 dans cette position. Les électrodes 15 ne se déforment pas, ou pratiquement pas, ce qui entraîne une amélioration de la fiabilité du microcommutateur 1.
Le mode de réalisation représenté aux figures 8 et 9 se distingue du mode de réalisation précédent par la forme des branches de flexion 13 et de la branche de contact 14 de la membrane 12. En effet, les branches de flexion 13 sont fixées au substrat 2 par seulement une de leurs extrémités. Chaque branche de flexion 13 comporte ainsi une première extrémité solidaire du substrat 3 (non représenté) et une seconde extrémité solidaire de la branche de contact 14. L'extrémité de chaque branche de flexion 13 solidaire du substrat 3 comporte les moyens d'actionnement thermique 4, par exemple, des résistances chauffantes. La branche de contact 14, disposée entre les deux branches de flexion 13, peut ne comporter qu'une seule électrode 15 de maintien électrostatique, le plot conducteur 6 de la membrane 12 étant alors disposé sur le côté de la branche de contact 14.
Comme représenté sur la figure 9, les zones 20 de forte déformation des branches de flexion 13 de la membrane 12 sont les deux extrémités solidaires de la branche de contact 14. Les deux branches de flexion 13 adjacentes sont donc reliées à la branche de contact 14 de façon opposée, c'est-à-dire que la première extrémité d'une branche de flexion 13 est solidaire du substrat 3, tandis que sa seconde extrémité est solidaire d'une première extrémité de la branche de contact 14. La première extrémité de la branche de flexion 13 adjacente à la première est alors solidaire de la seconde extrémité de la branche de contact 14, tandis que la seconde extrémité de la branche de flexion
13 adjacente à la première est solidaire du substrat 3. La déformée de la membrane 12, représentée figure 9, illustre cette fixation « en opposition » des branches de flexion 13, avec la branche de contact 14 se déplaçant sensiblement parallèlement au substrat 3.
Les zones 20 de forte déformation, représentées en gris sombre, sont donc les extrémités des branches de flexion 13 solidaires de la branche de contact 14, tandis que les zones 21 de faible déformation, représentées en gris clair, sont les extrémités des branches de flexion 13 rattachées au substrat 3 et comportent les moyens d'actionnement thermique 4. Le substrat 3 (non représenté pour ce mode de réalisation) est alors conformé de manière à coopérer avec la membrane 12. Il comporte un plot conducteur 5, en regard du plot conducteur 6 de la branche de contact 14, et des organes 9 de maintien électrostatique, en regard de l'électrode 15 de la branche de contact 14.
Une telle embrane deformable 12 selon les figures 8 et 9 permet d'obtenir un microcomrnutateur 1 plus compact.
Le basculement du microcommutateur 1 selon les modes de réalisation décrits ci-dessus est le suivant. Dans la première position stable du microcommutateur 1 , la mem brane 12 est sensiblement horizontale et parallèle au substrat 3, auquel elle est rattachée par les rebords en saillie du substrat 3. Les bilames des branches de flexion 13 sont sollicités, par exemple, par le passage d'un courant dans les résistances chauffantes. L'actionnement des branches de flexion 13 entraîne la déflexion de la membrane 12 du microcommutateur 1 , jusqu'au voisinage ou au contact entre les plots conducteurs 5 et 6. Une différence de potentiel est ensuite appliquée entre les électrodes 15 de maintien électrostatique, disposées sur la surface inférieure de la branche de contact 14, et les organes 9 complémentaires, réalisés sur le substrat 3. Enfin, après arrêt de l'alimentation des résistances chauffantes, le microcomrnutateur 1 reste dans sa deuxième position stable (figures 6, 7 et 9). Pour le basculement inverse du microcomrnutateur 1 , la différence de potentiel appliquée entre les électrodes 15 et les organes 9 de maintien électrostatique est annulée, ce qui entraîne la remontée de la membrane 12 jusqu'à sa position initiale, c'est-à-dire la première position stable.
Le microcommutateur 1 , comportant une membrane 12 selon les figures 5 et 8, est réalisé selon des techniques connues de la microélectronique. À titre d'exemple, les matériaux utilisés pour la fabrication du microcommutateur 1 sont de l'oxyde de silicium (Si02) ou du nitrure de silicium (SixNy) pour le substrat 3, de l'aluminium (Al) pour l'actionneur du bilame thermique, du nitrure de titane (TiN) pour la résistance chauffante, du titane (Ti), de l'aluminium (Al) ou un alliage de chrome et d'or (Cr/Au) pour les électrodes 15 et les organes 9 de maintien électrostatique, de l'or (Au) ou du platine (Pt) pour les plots conducteurs 5 et 6.
Quel que soit le mode de réalisation du microcommutateur 1 , la branche de contact 14 portant les électrodes 15 de maintien électrostatique est, de préfére nce, allongée. Dans le mode particulier de réalisation du microcommutateur 1 , représenté sur les figures 5 et 6, la branche de contact 14 présente une longueur supérieure à la moitié de la longueur des branches de flexion 3. Dans la variante de réalisation du microcommutateur 1 , représenté sur les figures 8 et 9, la branche de contact 14 présente une longueur proche de la longueur des branches de flexion 13. Il en résulte un gain significatif de place, car il est possible de réaliser un microcommutateur 1 très fiable, de faible consommation et avec des dimensions pouvant être inférieures à 100/vm2.
Les différents modes de réalisation du microcommutateur 1 décrits ci-dessus procure nt notamment les avantages suivants, à savoir une faible tension d'action nement et de maintien électrostatique, de l'ordre de 5V, une faible consommation, une conservation de tous les avantages de l'actionnement par bilame (forte amplitude de déflexion, forte densité d'énergie, faible tension d'actionnement) et une réalisation technologique compatible avec la technologie des circuits intégrés.
Par ailleurs, le microcommutateur 1 ayant deux positions stables, la première position dans laquelle le contact électrique est interrompu et la seconde position dans laquelle le contact électrique est établi, seul le passage d'une position à l'autre consomme de l'én ergie et le microcommutateur 1 peut, après actionnement, rester dans la première position stable sans apport d'énergie supplémentaire et dans la seconde position stable avec un apport d'énergie (tension de maintien) très limité en raison de la proximité des électrodes 15 et des organes 9 de maintien électrostatique dans cette position.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Les moyens d'actionnement 4 du microcommutateur 1 peuvent notamment comporter un actionneur piézoélectrique. Les branches de flexion 13 comportent alors au moins une couche de matériau piézoélectrique Elles peuvent éventuellement être constituées par des bilames SiN/couche piézoélectrique et sont munies d'électrodes d'excitation sur leur face supérieure et inférieure.
Dans le cas d'un actionneur piézoélectrique, une tension est alors appliquée à la couche piézoélectrique des branches de flexion 13, pour provoquer la déformation des branches de flexion 13. À titre d'exemple, les matériaux utilisés pour la réalisation de l'actionneur piézoélectrique sont du titano-zirconate de plomb (PZT), du nitrure d'aluminium (AIN) ou de l'oxyde de zinc (ZnO).
Par ailleurs, la membrane 2 peut comporter des bras de flexion 13 , des branches de contact 14, des électrodes 15 et des plots conducteurs 6 supplémentaires, les électrodes 15 et les plots conducteurs 6 étant toujours disposés sur les branches de contact 14. Dans le cas d'une membrane 12 selon la figure 8 comportant des branches de flexion 13 supplémentaires, les branches de contact 14 sont alors fixées de la même façon aux branches de flexion 13 adjacentes, avec les extrémités des branches de flexion 13 fixées « en opposition ». Des applications préférées pour le microcommutateur 1 sont, de manière générale, toutes les appl ications utilisant des microcommutateurs dans les domaines de l'électronique et de la microélectronique, et plus particulièrement les applications radiofrequences, à savoir les microcommutateurs d'antenne, les émetteurs/récepteurs, les microcommutateurs de bandes, etc.

Claims

Revendications
1. Microcommutateur (1) comportant : - une membrane deformable (12), rattachée à un substrat (3),
- des moyens d'actionnement (4) destinés, à partir d'une première position stable du microcommutateur (1) , à déformer la membrane (12) de manière à établir, dans une seconde position stable, un contact électrique entre au moins un premier plot conducteur (5) formé sur le substrat (3) et au moins un deuxième plot conducteur (6) , formé sur une surface inférieure de la membrane (12),
- et des moyens de maintien électrostatique, destinés à maintenir le microcommutateur (1 ) dans la seconde position stable et comportant des organes (15, 9) de maintien électrostatique complémentaires, respectivement solidaires de la membrane (12) et du substrat (3), microcommutateur caractérisé en ce que la membrane (12) comprend au moins:
- deux branches de flexion (13), sensiblement parallèles, fixées au substrat (3) par au moins une de leurs extrémités et comportant les moyens d'actionnement (4), - et au moins une branche de contact (14), sensiblement parallèle aux branches de flexion (13), disposée entre les branches de flexion (13) et fixée aux branches de flexion (13) au niveau de zones (20) de forte déformation des branches de flexion (13), la branche de contact (14) se déplaçant sensiblement parallèlement au substrat (3) lors de l'actionnement du microcommutateur (1 ) et comportant les organes (15) de maintien électrostatique de la membrane (12) et le deuxième plot conducteur (6).
2. Microcommutateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la branche de contact (14) portant les organes (15) de maintien électrostatique est allongée.
3. Microcommutateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux extrémités des branches de flexion (13) sont solidaires du substrat (3), la branche de contact (14) étant reliée, par sa partie centrale, aux branches de flexion (13) au niveau de leurs parties centrales respectives.
4. Microcommutateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque branche de flexion (13) comporte une première extrémité solidaire du substrat (3) et une seconde extrémité solidaire de la branche de contact (14), les secondes extrémités de deux branches de flexion (13) adjacentes étant respectivement solidaires d'extrémités opposées de la branche de contact (14) correspondante.
5. Microcommutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement (4) du microcommutateur (1) comportent un actionneur thermique (7).
6. Microcommutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'actionneur thermique (7) comprend une résistance chauffante (8), insérée dans au moins une extrémité des branches de flexion (13).
7. Microcommutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement (4) du microcommutateur (1) comportent un actionneur piézoélectrique.
8. Microcommutateur selon l'une qu elconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les branches de flexion (13) sont des bilames.
9. Microcommutateur selon l'une qu elconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les organes de maintien électrostatique de la membrane (12) comportent au moins une électrode (15).
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