FR3027448A1

FR3027448A1 - Commutateur microelectromecanique robuste

Info

Publication number: FR3027448A1
Application number: FR1460104A
Authority: FR
Inventors: Pierre Blondy; Romain Stefanini; ling yan Zhang; Abedel Halim Zahr
Original assignee: Airmems
Current assignee: Airmems
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-04-22
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: IL251793B; CN107078000A; EP3210230B1; IL251793A0; WO2016062956A1; CN107078000B; EP3210230A1; US10121623B2; ES2863098T3; FR3027448B1; US20170316907A1

Abstract

La présente invention porte sur un commutateur de système microélectromécanique (1) comprenant une ligne d'amenée de signal (4), une ligne de sortie de signal (5), une membrane conductrice déformable (2) en liaison conductrice avec la ligne (5) et comprenant un plot de contact (9) en regard de la ligne (4), une électrode d'activation (3) de la membrane (2), caractérisé par le fait que la membrane (2) est de forme arrondie, plane, avec une ouverture radiale (2a) dans la direction de la ligne d'amenée de signal (4) s'amincissant de la périphérie vers le centre de la membrane (2), le plot de contact (9) étant formé dans la région centrale de la membrane (2), l'électrode d'activation (3) a la même forme que la membrane (2), et l'espace entre la membrane (2), en regard de l'électrode d'activation (3), et l'électrode d'activation (3) est un espace d'air uniquement.

Description

COMMUTATEUR MICROELECTROMECANIQUE ROBUSTE La présente invention concerne le domaine des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et porte en 5 particulier sur un commutateur microélectromécanique. Les demandes de brevets internationales W02006/023724, W02006/023809, W02007/022500 et W02007/022500 décrivent des commutateurs MEMS. Les systèmes microélectromécaniques 10 radiofréquences (MEMS RF) permettent de réaliser des opérations de commutation pour des applications adressant une large gamme de fréquences (DC-100 GHz). Leur avantage concurrentiel en termes de performances et de faible consommation de puissance au regard de leur taille en font 15 un composant très prisé des systémiers. Néanmoins, pour que ces composants puissent intégrer les systèmes électroniques, ils doivent assurer une certaine stabilité mécanique et thermique. Par exemple, une activation prolongée du 20 composant ne doit pas engendrer une déformation permanente de la membrane mécanique pouvant mener à une défaillance irréversible. De la même manière, une activation répétée ne doit pas accélérer le vieillissement des zones de contact 25 et provoquer une dégradation des performances ou une immobilisation du composant lié à un « collage » du contact. Enfin, les fortes températures subies lors des phases de packaging (« mise en boîtier ») ou de report sur 30 carte ne doivent pas engendrer des déformations qui modifieraient les caractéristiques mécaniques et électriques de manière permanente.

La présente invention a pour objet un commutateur microélectromécanique robuste dont la structure garantit une sensibilité à la température réduite et permet un contact électrique stable avec des phénomènes de collage limités, tout en garantissant les performances inhérentes à la technologie MEMS RF. La présente invention a donc pour objet un commutateur microélectromécanique (MEMS), comprenant : un substrat, - une ligne d'amenée de signal formée sur le substrat, une ligne de sortie de signal formée sur le substrat, - une membrane conductrice deformable, en liaison conductrice avec la ligne de sortie de signal, ladite membrane conductrice deformable étant suspendue dans un plan parallèle à celui du substrat par des ancrages disposés sur le substrat, ladite membrane conductrice deformable comprenant un plot de contact en regard de la ligne d'amenée de signal, de telle sorte que dans un état non déformé de la membrane conductrice deformable, le plot de contact n'est pas en contact avec la ligne d'amenée de signal et que dans un état déformé de la membrane conductrice deformable, ledit plot de contact est en contact avec la ligne d'amenée de signal pour faire passer un signal de la ligne d'amenée de signal à la ligne de sortie de signal, une électrode d'activation, formée sur le substrat sous la membrane conductrice deformable, ladite électrode d'activation étant destinée à déformer ladite membrane conductrice deformable pour réaliser un contact électrique entre le plot de contact de la membrane conductrice deformable et la ligne d'amenée de signal, caractérisé par le fait que : - la membrane conductrice deformable est de forme arrondie, plane, les ancrages étant disposés à sa périphérie de façon à concentrer une raideur plus faible dans la région centrale de la membrane conductrice deformable, avec une ouverture radiale formant un angle aigu dans la direction de la ligne d'amenée de signal s'amincissant de la périphérie vers le centre de la membrane conductrice deformable, le plot de contact étant formé dans la région centrale de la membrane conductrice deformable de telle sorte que l'extrémité de la ligne d'amenée de signal est au droit du plot de contact, - l'électrode d'activation a la même forme que la membrane conductrice deformable, entourant sur le substrat l'extrémité de la ligne d'amenée de signal, et l'espace entre la surface inférieure de la membrane conductrice deformable, en regard de l'électrode d'activation, et l'électrode d'activation est un espace d'air uniquement.

L'extrémité de la ligne d'amenée de signal est au droit du plot de contact signifie que la ligne d'amenée de signal se prolonge légèrement sous la membrane conductrice deformable, au-delà du plot de contact afin que celui-ci puisse entrer en contact avec la ligne d'amenée de signal lorsque la membrane conductrice deformable se déforme. L'électrode d'activation et la membrane conductrice deformable ont la même forme ou sensiblement la même forme signifie que la projection de la forme de la membrane conductrice deformable dans le plan du substrat est identique ou quasi-identique à celle de l'électrode d'activation, moyennant les ajustements dus au fait que l'électrode d'activation ne doit pas entrer en contact avec les ancrages ou la ligne d'amenée de signal.

L'ouverture radiale aiguë formée dans la membrane conductrice deformable permet d'avoir le minimum de surface de la ligne d'amenée de signal en regard de la membrane conductrice deformable, ce qui permet de réduire la 5 capacité électrique entre la ligne d'amenée de signal et la membrane conductrice deformable, assurant ainsi une bonne isolation du commutateur. L'angle aigu peut par exemple être compris entre 5° et 135°, de préférence de 50°, sans que ces valeurs ne soient limitatives. La membrane 10 conductrice deformable a ainsi la forme d'un diagramme circulaire avec un secteur aigu représentant l'ouverture radiale et un secteur complémentaire représentant la membrane conductrice deformable. Le fait que l'électrode d'activation et la 15 membrane conductrice deformable aient sensiblement la même forme et soient situées l'une au-dessus de l'autre permet de générer un maximum de force d'attraction. En outre, la zone de contact « plot de contact/ligne d'amenée de signal » est entourée de 20 l'électrode d'activation grâce à l'ouverture radiale, ce qui permet la génération d'une force de contact localisée élevée et assure une stabilité de la résistance de contact lors de l'activation. La forme de la membrane conductrice deformable et 25 son épaisseur au regard du déplacement maximal limitent les déformations permanentes de celle-ci et assurent une meilleure stabilité thermique. L'absence de diélectrique entre la surface inférieure de la membrane conductrice et l'électrode 30 d'activation réduit les phénomènes de chargement, facilite la fabrication du commutateur microélectromécanique selon l'invention et diminue son coût.

Selon un mode de réalisation, un ancrage est formé dans l'axe médian de l'ouverture radiale, les autres ancrages étant formés symétriquement par rapport à cet axe médian.

Cet alignement permet de concentrer la zone la plus faible mécaniquement au voisinage du plot de contact. Selon un mode de réalisation, au moins une ouïe est formée sur la membrane conductrice deformable entre deux ancrages diamétralement opposés sur un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable. La ou les ouïes permettent de s'accommoder des déformations du composant à haute température lors de la mise en boîtier par exemple, mais aussi de réduire la 15 tension d'activation du composant. Selon un mode de réalisation, une ouïe est formée sur la membrane conductrice deformable au voisinage de chaque ancrage, les ouïes étant formées sur le contour d'un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la 20 membrane conductrice deformable et, de préférence, de rayon inférieur d'au moins la largeur de l'ouïe. La ou les ouïes peuvent traverser l'épaisseur de la membrane conductrice deformable. Selon un mode de réalisation, le plot de contact 25 est légèrement excentré de la partie mécanique la plus faible de la membrane conductrice deformable (c'est-à-dire situé à une distance du centre de la membrane conductrice deformable inférieure à 30% du rayon de la membrane conductrice deformable). Cette position du plot de contact 30 légèrement excentrée limite les phénomènes de collage. Selon un mode de réalisation, des trous traversants sont formés sur un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable.

Le ou les trous traversent l'épaisseur de la membrane conductrice deformable et favorisent le processus de libération lors de l'étape de fabrication, sans modifier les propriétés électriques et mécaniques du composant.

Selon un mode de réalisation, un ou des plots d'arrêt sont formés sur la surface inférieure de la membrane conductrice deformable, chaque plot d'arrêt étant en regard d'un îlot métallique électriquement isolé de l'électrode d'activation.

Les plots d'arrêt permettent de limiter la déformation de la membrane conductrice deformable et d'assurer une isolation électrique entre la membrane conductrice deformable et l'électrode d'activation, ce qui assure une longévité plus importante du composant, et évite également un collage de la membrane conductrice deformable sur l'électrode d'activation. Selon un mode de réalisation, le plot de contact, et le cas échéant les plots d'arrêt, sont constitués d'un métal du groupe du platine ou leurs oxydes ou les deux.

L'utilisation d'un métal du groupe du platine permet d'obtenir un plot de contact, le cas échéant des plots d'arrêt, de dureté élevée, capables de résister aux chocs mécaniques dus à la fermeture du commutateur. Aussi, ils assurent une meilleure tenue en température du commutateur microélectromécanique de l'invention lors du passage de courants élevés dans le plot de contact par exemple. Selon un mode de réalisation, la membrane conductrice deformable est faite d'un multi-couches 30 associant couches diélectriques et couches métalliques. Selon un mode de réalisation, la membrane conductrice deformable est en or, ou est un alliage de métaux ou un ensemble de couches comprenant au moins un conducteur. Selon un mode de réalisation, l'électrode d'activation est en or ou tout autre matériau conducteur ou 5 semi-conducteur. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, nous allons en décrire ci-après, à titre illustratif et non limitatif, un mode de réalisation particulier, avec référence au dessin annexé. 10 Sur ce dessin : - la Figure 1 est une vue de dessus d'un commutateur microélectromécanique selon un mode de réalisation 15 particulier de la présente invention, en pointillés l'électrode d'activation étant représentée ; - la Figure 2 est une vue analogue à la Figure 1, avec les éléments situés sous la membrane conductrice deformable représentés en pointillés ; 20 - la Figure 3 est une vue en coupe du commutateur de la Figure 1 selon la ligne A-A', dans sa position au repos ; 25 - la Figure 4 est une vue en coupe du commutateur de la Figure 1 selon la ligne A-A', dans sa position activée ; - la Figure 5 présente une simulation de la déflection de la membrane du commutateur de la Figure 1 pour 30 différentes températures, selon l'axe y indiqué sur la vue de détail, la membrane simulée étant en or ; - la Figure 6 présente la mesure de l'évolution de la résistance de contact du commutateur de la Figure 1 en fonction du nombre de cycles, un cycle étant défini comme l'alternance d'une action d'activation (état passant) puis de repos (état isolant) du commutateur, le commutateur étant cycle à une fréquence de 4 kHz ; et - la Figure 7 présente la mesure de l'évolution de la tension d'activation du commutateur de la Figure 1 en fonction du nombre de cycles, à une fréquence de 4 kHz. Si l'on se réfère aux Figures 1 à 4, on peut voir que l'on y a représenté un commutateur microélectromécanique (MEMS) 1 selon l'invention.

Le commutateur microélectromécanique 1 est formé sur un substrat S, et comprend principalement une membrane conductrice deformable 2, une électrode d'activation 3, une ligne d'amenée de signal 4 et une ligne de sortie de signal 5.

La ligne d'amenée de signal 4, la ligne de sortie de signal 5 et l'électrode d'activation sont formées sur le substrat S. La membrane conductrice deformable 2 est plane, de forme généralement ronde, avec une ouverture radiale 2a dans la direction de la ligne d'amenée de signal 4, s'amincissant de la périphérie vers le centre de la membrane conductrice deformable 2. La membrane conductrice deformable 2 est formée suspendue au-dessus de l'électrode d'activation 3, au moyen d'ancrages 6, répartis à sa périphérie, de manière à concentrer la zone de raideur la plus faible de la membrane conductrice deformable 2 au niveau du plot de contact avec la ligne d'amenée de signal 4 (décrit ci-après) situé à une distance du sommet de l'ouverture radiale inférieure à 30% du rayon de la membrane conductrice deformable 2. L'un des ancrages 6 est situé dans le prolongement de la ligne d'amenée de signal 4, et permet de 5 réaliser une liaison conductrice entre la membrane conductrice deformable 2 et la ligne de sortie de signal 5. Les autres ancrages 6 sont répartis par paires, opposés par rapport au centre du cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable 2. Il est à noter que, bien 10 que le mode de réalisation représenté possède cinq ancrages 6, l'invention n'est pas limitée à cet égard dans le cadre de la présente invention. Selon un mode de réalisation préféré, le nombre d'ancrages est impair, l'un des ancrages 6 étant donc situé 15 sur l'axe médian de l'ouverture radiale 2a, dans le prolongement de la ligne d'amenée de signal 4. Chaque ancrage 6 est constitué par une patte s'étendant perpendiculairement à la surface de la membrane conductrice deformable 2, vers le substrat S, ladite patte 20 se prolongeant selon deux languettes 6a, encadrant un bloc 6b solidaire du substrat S, les deux languettes 6a étant suspendues dans le même plan que la membrane conductrice deformable 2, assurant une répartition optimale des contraintes lors de la montée en température. 25 Des ouïes 7 sont formées sur la membrane conductrice deformable 2, devant chaque ancrage 6, les ouïes 7 étant alignées sur un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable 2. Enfin, des trous 8 sont formés sur un cercle plus 30 petit, de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable 2. Ces trous sont facultatifs dans le cadre de l'invention.

Si l'on se réfère plus particulièrement à la Figure 2, on peut voir que la surface inférieure de la membrane conductrice deformable 2, en regard de l'électrode d'activation 3, porte un plot de contact 9, au voisinage du sommet de l'ouverture 2a, destiné, sous déformation de la membrane conductrice deformable 2 par l'électrode d'activation 3, à entrer en contact avec l'extrémité de la ligne d'amenée de signal 4. Des plots d'arrêts 10, formés sensiblement sur les mêmes cercles que les trous 8 et les ouïes 7, sont formés sur la surface inférieure de la membrane conductrice deformable 2, leur rôle étant décrit plus détail ci-dessous. L'électrode d'activation 3 a sensiblement la même 15 forme que la membrane conductrice deformable 2, et entoure l'extrémité de la ligne d'amenée de signal 4. Si l'on se réfère à la Figure 2, on peut voir que des îlots 3a, électriquement isolés du reste de l'électrode d'activation, sont formés au droit des plots d'arrêt 10. 20 Le rôle des plots d'arrêt 10 et des îlots 3a est de permettre, lors de la déformation de la membrane conductrice deformable 2 attirée par l'électrode d'activation, de limiter la déformation de la membrane conductrice deformable 2 par contact des plots d'arrêt 10 25 sur les îlots 3a. Bien que la présence des îlots 3a et des plots d'arrêt 10 soit préférée, car limitant la déformation de la membrane conductrice deformable 2 et permettant de les isoler électriquement, un commutateur ne présentant pas ceux-ci entre également dans le cadre de la présente 30 invention, qui n'est pas limitée à cet égard. Les formes sensiblement identiques de la membrane conductrice deformable 2 et de l'électrode d'activation 3 permettent de garantir une déformation homogène et uniforme H tout en assurant la génération d'une force électrostatique élevée. La forme générale du commutateur microélectromécanique 1 selon l'invention, rond avec une ouverture 2a sur la ligne d'amenée de signal 4, permet de garantir une force de contact importante, localisée au centre du cercle du fait de de la position des ancrages et de la forme de la membrane, ce qui garantit un contact électriquement stable avec l'extrémité de la ligne d'amenée de signal 4. L'ouverture 2a permet également de limiter la surface, de la membrane conductrice deformable 2, en regard de la ligne d'amenée de courant 4, ce qui réduit les couplages électriques entre celles-ci.

Les Figures 3 et 4 illustrent les deux positions, respectivement ouvert et fermé, du commutateur microélectromécanique 1 selon l'invention. Sur la Figure 3, on peut remarquer un intervalle d'air entre la membrane conductrice deformable 2 et l'électrode d'activation 4. Le commutateur microélectromécanique 1 est ouvert, le signal ne passe pas entre la ligne d'amenée de signal 4 et la ligne de sortie de signal 5. Sur la Figure 4, on peut remarquer que le plot de 25 contact 9 est en contact avec l'extrémité de la ligne d'amenée de signal 4, les plots d'arrêt 10 étant en contact des îlots 3a. Le commutateur microélectromécanique 1 est fermé, le signal passe entre la ligne d'amenée de signal 4 et la ligne de sortie de signal 5. 30 Sur la Figure 5, on peut observer la faible déflection (<0,15 pm) de la membrane selon l'invention lorsqu'elle est soumise à de fortes contraintes en température (500°C) Sur la Figure 6, on peut observer la stabilité de la résistance de contact due à la force de contact localisée importante que génère la présente invention, durant plus d'un milliard d'activation.

Sur la Figure 7, on peut observer la stabilité de la tension d'activation due à la déformation homogène et l'espace d'air que permet l'invention. Le substrat est avantageusement du silicium. L'électrode d'activation est avantageusement en 10 or, mais peut également être tout autre matériau conducteur ou semi-conducteur. La membrane conductrice deformable 2 est avantageusement en or, mais peut également être un alliage de métaux ou un ensemble de couches comprenant au moins un 15 conducteur. Les plots de contact 9 et d'arrêt 10 sont formés d'un seul tenant avec la membrane conductrice deformable 2. Ils peuvent avantageusement être recouverts d'un matériau plus dur pour augmenter leur résistance.

20 A titre d'exemple non limitatif, un commutateur selon l'invention est inscrit dans un cercle de rayon 140 pm. Dans un mode de réalisation, l'épaisseur du commutateur est de 7 pm, sa tension d'abaissement est de 25 55V, sa force de rappel est de 1,8 mN et sa force de contact est comprise entre 2 et 4 mN à 70 V.

Claims

REVENDICATIONS1 - Commutateur microélectromécanique (MEMS) (1), comprenant : - un substrat (S), une ligne d'amenée de signal (4) formée sur le substrat (S), une ligne de sortie de signal (5) formée sur le substrat (S), - une membrane conductrice deformable (2), en liaison conductrice avec la ligne de sortie de signal (5), ladite membrane conductrice deformable (2) étant suspendue dans un plan parallèle à celui du substrat (S) par des ancrages (6) disposés sur le substrat (S), ladite membrane conductrice deformable (2) comprenant un plot de contact (9) en regard de la ligne d'amenée de signal (4), de telle sorte que dans un état non déformé de la membrane conductrice deformable (2), le plot de contact (9) n'est pas en contact avec la ligne d'amenée de signal (4) et que dans un état déformé de la membrane conductrice deformable (2), ledit plot de contact (9) est en contact avec la ligne d'amenée de signal (4) pour faire passer un signal de la ligne d'amenée de signal (4) à la ligne de sortie de signal (5), - une électrode d'activation (3), formée sur le substrat (S) sous la membrane conductrice deformable (2), ladite électrode d'activation (3) étant destinée à déformer ladite membrane conductrice deformable (2) pour réaliser un contact électrique entre le plot de contact (9) de la membrane conductrice deformable (2) et la ligne d'amenée de signal (4), caractérisé par le fait que :- la membrane conductrice deformable (2) est de forme arrondie, plane, les ancrages (6) étant disposés à sa périphérie de façon à concentrer une raideur plus faible dans la région centrale de la membrane conductrice deformable (2), avec une ouverture radiale (2a) formant un angle aigu dans la direction de la ligne d'amenée de signal (4) s'amincissant de la périphérie vers le centre de la membrane conductrice deformable (2), le plot de contact (9) étant formé dans la région centrale de la membrane conductrice deformable (2) de telle sorte que l'extrémité de la ligne d'amenée de signal (4) est au droit du plot de contact (9), l'électrode d'activation (3) a la même forme que la membrane conductrice deformable (2), entourant sur le substrat (S) l'extrémité de la ligne d'amenée de signal (4), et l'espace entre la surface inférieure de la membrane conductrice deformable (2), en regard de l'électrode d'activation (3), et l'électrode d'activation (3) est un espace d'air uniquement.
2 - Commutateur microélectromécanique (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un ancrage (6) est formé dans l'axe médian de l'ouverture radiale (2a), les autres ancrages (6) étant formés symétriquement par rapport à l'axe médian de l'ouverture radiale (2a).
3 - Commutateur microélectromécanique (1) selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'au moins une ouïe (7) est formée sur la membrane conductrice deformable (2) entre deux ancrages (6) diamétralement opposés sur un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable (2).
4 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le faitqu'une ouïe (7) est formée sur la membrane conductrice deformable (2) au voisinage de chaque ancrage (6), les ouïes (7) étant formées sur le contour d'un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable (2).
5 - Commutateur microélectromécanique (1) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la ou les ouïes (7) traversent l'épaisseur de la membrane conductrice deformable (2).
6 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que des trous (8) traversants sont formés sur un cercle de même centre que le cercle circonscrit à la membrane conductrice deformable (2).
7 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un ou des plots d'arrêt (10) sont formés sur la surface inférieure de la membrane conductrice deformable (2), chaque plot d'arrêt (10) étant en regard d'un îlot métallique (3a) électriquement isolé de l'électrode d'activation (3).
8 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le plot de contact (9), et le cas échéant les plots d'arrêt (10), sont constitués d'un métal du groupe du platine ou leurs oxydes ou les deux.
9 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la membrane conductrice deformable (2) est en or, ou est un alliage de métaux ou un ensemble de couches comprenant au moins un conducteur.
10 - Commutateur microélectromécanique (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait quel'électrode d'activation (3) est en or ou tout autre matériau conducteur ou semi-conducteur.