WO1998011586A1 - Dispositif de commutation electrique et dispositif d'affichage utilisant ce dispositif de commutation - Google Patents
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- H01H2001/0042—Bistable switches, i.e. having two stable positions requiring only actuating energy for switching between them, e.g. with snap membrane or by permanent magnet
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Definitions
- the field of the invention is that of switching devices and in particular miniaturized devices making it possible to pass from a state 0 to a state 1 using transient low voltage signals
- the air knife capacitor thus formed has a capacity
- the force F is related to the tension applied by the following equation
- VQ is the Poisson's ratio of the order of 0.42 for most hard materials
- the invention provides a switching device using a membrane, the switching of which is effected between two stable states, electrical switching control means being necessary only for switching from one state to the other and not to keep the system in a given state
- the subject of the invention is a switching device comprising at least one membrane made of material M-
- the means for switching from a state 0 to a state 1 comprise a piezoelectric layer deposited on the surface of the membrane, so as to constitute a bimetal system having two stable states 0 and 1
- the substrate can advantageously be made of silicon
- the membrane can advantageously be made of material constrained with respect to silicon, of the silica or silicon nitride type Indeed it is known to use deposition conditions, such as the material M
- the invention also relates to a display device associating a conventional matrix type liquid crystal matrix, the optical state of the pixels of which is electrically controllable and a matrix of elementary switching devices such as those described above.
- Each pixel of the active matrix is opposite the upper electrode for controlling the piezoelectric material of an elementary switching device
- the matrix of elementary switching devices is covered with a dielectric layer and with a metallic ground plane
- FIG. 1 illustrates a switching device according to the known art, using a bimetal system
- FIG. 2 illustrates a switching device according to the invention
- FIG. 3 illustrates the piezoelectric means for controlling a switching device according to the invention
- FIG. 4 illustrates the characteristic parameters of the deformation of a pre-stressed membrane of a switching device of the invention
- FIG. 5 illustrates a top view of a switching device according to the invention, in which the membrane has openings to partially release the membrane from the substrate,
- FIG. 6 illustrates the association of a liquid crystal matrix display device and a matrix of electrical switches according to the invention, making it possible to control said device
- FIG. 7 illustrates a top view of the set of electrodes 15 ,, and 16 ,, allowing the addressing of the switches used to address a matrix of liquid crystal pixels
- the switching device comprises a membrane forced to be curved due to the nature of the constituent materials of the membrane and of the substrate which supports it
- the device comprises means which can advantageously be of the piezoelectric type, the transition from a stable state to another stable state being achieved in this case by a simple pulse.
- FIG. 2 illustrates such a switching device.
- a membrane 11 made of material M- ⁇ is supported by a substrate 12 made of material M2.
- This membrane is shown convex corresponding to the state known as 0, shown in solid lines and denoted 11 Q but by construction. as will be explained later, it can equally be concave and correspond to state 1 (shown in dotted lines and denoted 111)
- the membrane comprises a piezoelectric device consisting of a layer of piezoelectric material 14 inserted between electrodes 15 and 16
- the piezoelectric device is thin in front of the membrane and does little to modify the behavior of the material M-- with respect to the material M2, as illustrated in FIG. 3
- FIG. 4 illustrates the curvature of the membrane 1 1 in the presence of pre-stresses as well as the different parameters d, dg, o and hg 2 ho being representative of the difference between the convex state 0 and the concave state 1
- a layer of thermal silica is created on both sides by annealing at 950 ° C. in the presence of water vapor or at 1050 ° C. under dry oxygen.
- microlithography it is etched with HF acid or a reactive plasma, all the silica on the front face and part of that on the rear face making it possible to produce a rectangular mask later used for chemical or electronic machining of silicon.
- a lower electrode 15 is deposited for the piezoelectric device, for example made of platinum, and this is done through a resin mask which is then removed by conventional microlithography methods.
- the layer of piezoelectric material 14 is deposited by cent ⁇ fugation or any other technique of depositing in thin layers, a layer of PZT (lead titano-zirconate), which is then etched with acid type HF diluted (having protected the back side with resin)
- the PZT is crystallized and densified by rapid annealing at a temperature between 600 and 700 ° C for a short time, of the order of 2 minutes, so that the stress of the underlying layer cannot relax. finally deposits an upper electrode 16 similar to the lower electrode
- the silica membrane is thus released, to relax and take the curved shape illustrated in FIG. 2, (concave or convex shape), carrying with it the piezoelectric capacitor previously formed.
- the embodiment has been described for a switching device comprising a membrane
- the switching device comprises a matrix of elementary switches, produced collectively using all the process steps described above using suitable microlithography masks
- This type of switch matrix can advantageously be used in visualization by being coupled to a display device, of the liquid crystal matrix type, plasma screen, light-emitting diodes.
- FIG. 6 illustrates an example of a display device using a switching device according to the invention
- the display device comprises a matrix of pixels PXLIJ, comprising a common electrode 19 called the upper electrode, each pixel also comprising a electrode 20 ⁇ j called the lower
- the switching device comprises elementary membranes 11,., Supported by a substrate Each membrane 11 , is covered with an electrode 15, j , called the lower electrode, with a layer of piezoelectric material 14 , and with an electrode called superior 16 ,.
- an electrode 15, j called the lower electrode
- a layer of piezoelectric material 14 a layer of piezoelectric material 14
- an electrode called superior 16 an electrode called superior 16 .
- HERE represented a liquid crystal matrix
- FIG. 7 illustrates a top view of the assembly of the lower electrodes 15, and upper 16,. located on either side of the piezoelectric layers
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de commutation comprenant une membrane en matériau (M1) supportée par un substrat en matériau (M2), le matériau (M1) étant contraint par rapport au matériau (M2) à l'interface membrane/substrat, de manière à incurver ladite membrane. Par des moyens électriques de commande, type moyens piézoélectriques, la membrane peut commuter entre un état concave stable et un état convexe stable. Application: dispositif d'affichage.
Description
DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRIQUE ET DISPOSITIF D'AFFICHAGE UTILISANT CE DISPOSITIF DE COMMUTATION
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de commutation et notamment des dispositifs miniaturisés permettant de passer d'un état 0 à un état 1 à l'aide de signaux transitoires de faible tension
Actuellement dans ce domaine, les techniques de micro-usinage chimique du silicium permettent de réaliser des microactionneurs électrostatiques basés sur le principe de la force de Coulomb
F = q q'/ πεo d2
où q et q' sont les charges électriques que l'on fait apparaître au niveau de deux lames de silicium séparées par une épaisseur d'air , si q et q' sont de signe opposé, la force F est attractive
Le condensateur à lame d'air ainsi forme a une capacité
C = En S/d
où S est la surface en regard qui supporte les charges q et q' avec q = q' = CV (V étant la tension appliquée audit condensateur)
La force F est liée à la tension appliquée par l'équation suivante
F = S0 S2 V2 / 471 d4
Elle décroît donc très rapidement avec la distance, pour une surface et une tension données Par exemple pour une surface S = 100 X
100 mm2, une distance de commutation égale à la distance d de 5 μm et une tension appliquée de 10 V, on trouve une capacité de 0,1 pF et une force F de 0,3 mN
Ces valeurs sont très faibles, c'est pourquoi les concepteurs d'actionneurs électrostatiques sont souvent obliges d'utiliser des peignes interdigités ou des dessins complexes pour augmenter la capacité du condensateur, au détriment de la fiabilité et de la robustesse
D'autres études ont montré que l'on pouvait utiliser des couches piézoélectriques pour actionner des poutres ou des plaques en silicium de
façon beaucoup plus efficace et sur de plus grandes déformations Le moment réparti exercé sur une poutre par une couche de matériau piézoélectrique d'épaisseur e petite devant l'épaisseur en. de la poutre de longueur L et de module élastique Y, est donné par la formule approchée du système bilame ainsi formé
M = 1/2Y . d3 e0L . V
avec un matériau piézoélectrique du type PZT qui a un coefficient piézoélectrique d3<| égal à 200 pC/N et un module élastique de 4,3 l O^ N/m , on trouve avec une tension appliquée de 10 V, une force F appliquée sur la poutre de longueur L
F = M/L = 1/2 Y d31 en V
F = 4,7 m . N
et donc une valeur 10 fois plus importante que dans les actionneurs électrostatiques précédemment évoqués Cette force est de plus indépendante de la courbure de la poutre (en première approximation), donc de la distance d entre les états de commutation correspondant à un état stable sans tension appliqué et à un état excité lorsqu'une tension est appliquée au niveau du piézoélectrique
La force de rappel (s'opposant à la force F = M/L) exercée par la poutre en silicium, lorsqu'elle est déformée, est liée à la rigidité de flexion yo- yo = Yθ ' C0 3 12 (1 - v0 2)
où VQ est le coefficient de Poisson de l'ordre de 0,42 pour la plupart des matériaux durs
Cette force de rappel F' est définie par l'équation suivante
F' = y0 d / L2
avec d distance séparant les deux états de commutation, soit encore la distance à laquelle une tension appliquée V sur le piézoélectrique est capable d'amener le système bilame comme l'illustre la figure 1 Les traits pointillés schématisent le système bilame sans tension appliquée, les traits pleins montrent le système bilame sous tension V appliquée Le système bilame est représenté sous forme de couche unique intégrant le dispositif piézoélectrique
Pour une distance d *= 5 μm entre les deux états de commutation F' = 5,5 mN (de l'ordre de la force F) il apparaît ainsi que l'on peut équilibrer le système bilame déforme et réaliser deux états de commutation séparés d'une distance de l'ordre de 5 μm avec une tension de l'ordre de 10V
Ce type de commutateur présente néanmoins l'inconvénient de n'être pas très stable dans l'état excité En effet un tel système bilame a tendance à reprendre lentement sa position d'équilibre en raison de champs dépolarisant qui se forment dans le matériau piézoélectrique On ne peut donc pas maintenir le système dans son état excité pendant une durée illimitée, en maintenant une tension continue sur la couche piézoélectrique, contrairement au commutateur électrostatique pour lequel aucun phénomène de charges d'écran n'intervient dans le diélectrique qui est de
Dans ce contexte et pour résoudre les principaux inconvénients précités, l'invention propose un dispositif de commutation utilisant une membrane dont la commutation est effectuée entre deux états stables, des moyens de commande électrique de commutation n'étant nécessaires que pour basculer d'un état à l'autre et non pour maintenir le système dans un état donné
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de commutation comprenant au moins une membrane en matériau M-| , supportée par un substrat en matériau M2 et des moyens pour commuter électriquement ladite membrane entre un état 0 et un état 1 , le dispositif étant caractérisé en ce que le matériau M-j est contraint par rapport au matériau M2 à l'interface membrane-substrat, de manière à incurver ladite membrane dans l'état 0, ou dans l'état 1 , lesdits états étant stables
Selon une variante préférentielle de l'invention, les moyens pour commuter d'un état 0 un état 1 , comprennent une couche piézoélectrique déposée à la surface de la membrane, de manière à constituer un système bilame présentant deux états stables 0 et 1 Le substrat peut avantageusement être en silicium la membrane peut avantageusement être en matériau contraint par rapport au silicium, de type silice ou nitrure de silicium En effet on sait utiliser des conditions de dépôt, telles que le matériau M| constitutif de la membrane de type silice ou nitrure de silicium puisse relaxer ses contraintes par rapport au substrat, ou jouer sur des différences de coefficient de dilatation qui introduisent des contraintes interfaciales au refroidissement
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'affichage associant une matrice classique type matrice a cristal liquide, dont l'état optique des pixels est commandable électriquement et une matrice de dispositifs élémentaires de commutation tels que ceux décrits précédemment
Chaque pixel de la matrice active est en regard de l'électrode supérieure de commande du matériau piézoélectrique d'un dispositif élémentaire de commutation
Selon une variante de dispositif d'affichage de l'invention, la matrice des dispositifs élémentaires de commutation est recouverte d'une couche diélectrique et d'un plan de masse métallique
La présente invention sera mieux comprise et d'autre avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée a titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre un dispositif de commutation selon l'art connu, utilisant un système bilame,
- la figure 2 illustre un dispositif de commutation selon l'invention,
- la figure 3 illustre les moyens piézo-électπques de commande d'un dispositif de commutation selon l'invention,
- la figure 4 illustre les paramètres caractéristiques de la déformation d'une membrane pré-contrainte d'un dispositif de commutation de l'invention,
- la figure 5 illustre une vue de dessus d'un dispositif de commutation selon l'invention, dans lequel la membrane
présente des ouvertures pour libérer partiellement la membrane du substrat,
- la figure 6 illustre l'association d'un dispositif d'affichage type matrice à cristal liquide et d'une matrice de commutateurs électriques selon l'invention, permettant d'assurer la commande dudit dispositif,
- la figure 7 illustre une vue de dessus de l'ensemble de électrodes 15,, et 16,, permettant l'adressage des commutateurs utilisés pour adresser une matrice de pixels à cristal liquide
Le dispositif de commutation selon l'invention, comprend une membrane contrainte à être incurvée en raison de la nature des matériaux constitutifs de la membrane et du substrat qui la supporte
Pour faire commuter la membrane d'un état stable vers un autre état stable, le dispositif comprend des moyens qui peuvent avantageusement être de type piézoélectriques, le passage d'un état stable vers un autre état stable étant réalisé dans ce cas par une simple impulsion électrique
La figure 2 illustre un tel dispositif de commutation Une membrane 11 en matériau M-\ est supportée par un substrat 12 en matériau M2 Cette membrane est représentée convexe correspondant à l'état dit 0, représentée en traits pleins et notée 11 Q mais par construction comme cela sera explicité ultérieurement elle peut de manière équiprobable être concave et correspondre à l'état 1 (représentée en traits pointillés et notée 111 ) La membrane comporte un dispositif piézoélectrique constitué d'une couche de matériau piézoélectrique 14 insérée entre des électrodes 15 et 16
De préférence le dispositif piézoélectrique est de faible épaisseur devant la membrane et modifie peu le comportement du matériau M-- vis-à- vis du matériau M2, comme illustré en figure 3
Pour réaliser ce type de dispositif on utilise des technologies classiques de micro usinage silicium et de soudure ou micro-assemblage silicium-silicium ou silice-silicium Ceci conduit a libérer une partie d'un substrat en silicium recouvert d'une couche en matériau contraint par rapport au silicium pour former une membrane reliée au substrat ladite membrane
pouvant au préalable être équipée du dispositif piézoélectrique, et ce en usinant chimiquement le substrat II peut s'agir d'un usinage volumique en face dite arrière (côté opposé à la couche de matériau contraint) ou d'un usinage surfacique en utilisant une couche sacrificielle intermédiaire Après usinage la membrane relâche ses contraintes par le phénomène de "flambage", connu en mécanique des plaques La membrane prend alors naturellement une courbure convexe (correspondant à l'état dit 0) ou une courbure concave (correspondant à l'état dit 1 )
Si σ est la contrainte de la couche de matériau M-, l'allongement Δ d de la membrane de longueur d est défini par l'équation suivante
Δd = σ d / en
avec en l'épaisseur de la membrane et le rayon de la courbure correspondant RQ est relié à la longueur finale de la membrane dn = d + Δd
Δd / d = dg / 4R0
soit encore
Ainsi pour une pré-contrainte de 1 GPa, une membrane en nitrure de silicium de module élastique de 20 GPa et de longueur d = 100 μm, conduit à un rayon de courbure RQ = 0,5 mm
La figure 4 illustre la courbure de la membrane 1 1 en présence de pré-contraintes ainsi que les différents paramètres d, dg, o et hg 2 ho étant représentatif de l'écart entre l'état convexe 0 et l'état concave 1 On peut encore écrire ho = do2 4Ro = o σn/Yo ce qui fournit une valeur ho de 5 μm
Lorsque la membrane est dans un état 0 ou 1 , on la fait commuter dans l'autre état respectivement 1 ou 0, en appliquant une tension V sur la couche de matériau piézoélectrique II suffit pour cela de créer à l'interface membrane/substrat une contrainte σ qui annule la contrainte initiale OQ
Par l'effet piézoélectrique, on sait électriquement introduire une contrainte de cisaillement σ liée à la variation de polarisation ΔP dans le matériau piézoélectrique avec σ = ΔP / d3-| dβ-j étant un coefficient piézoélectrique du matériau, ou encore
ΔP = χ ΔF = (1 + ε0ε) V/ e ~ εoεv/e
e étant l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique on obtient ainsi avec e = 0,5 μm ε = 1 000 ε0 = 8,8 pF/m d3 = 200 pC/N une tension V nécessaire, égale a 10 V
On est ainsi en mesure de faire passer la membrane d'un premier état stable 0 a un deuxième état stable 1 , grâce a une tension de l'ordre d'une dizaine de volts
Il est à noter que lorsque la membrane a été commutée dans son second état stable, il n'est plus nécessaire d'appliquer de tension Dans un tel dispositif de commutation, les effets de relaxation rencontres dans l'art antérieur, n'interviennent plus il suffit d'alimenter le dispositif piézoélectrique, uniquement au moment de la commutation II s'agit donc d'un dispositif consommant peu d'énergie
Exemple de réalisation
A partir d'un substrat de silicium (1 ,0,0), on crée sur les deux faces une couche de silice thermique par recuit à 950° C en présence de vapeur d'eau ou à 1 050° C sous oxygène sec
Par microlithographie, on grave avec de l'acide HF ou un plasma réactif, toute la silice de la face avant et une partie de celle de la face arrière permettant de réaliser un masque rectangulaire utilisé ultérieurement pour l'usinage chimique ou électronique du silicium
On dépose sur la face avant une couche de silice S1O2 ou de nitrure de silicium S13N4, fortement contrainte, par exemple par PE - CVD
(dépôt par voie chimique assisté par plasma) à basse température comprise entre 300 et 600° C Puis on grave cette couche localement de manière à former un motif sur la face avant permettant à la future membrane d'être
moins contrainte par rapport au substrat Les ouvertures ainsi réalisées 17 et 18 sont illustrées en figure 5
On dépose une électrode inférieure 15 pour le dispositif piézoélectrique, par exemple en platine, et ce à travers un masque en résine que l'on enlève ensuite par des procédés classiques de microlithographie
On procède au dépôt de la couche de matériau piézoélectrique 14 par centπfugation ou toute autre technique de dépôt en couches minces, d'une couche de PZT (Titano-zirconate de plomb), que l'on grave ensuite avec de l'acide type HF dilué (en ayant protégé ie face arrière avec de la résine)
On cristallise et densifie le PZT par recuit rapide à une température comprise entre 600 et 700° C pendant un temps court, de l'ordre de 2 minutes, de telle façon que la contrainte de la couche sous- jacente ne puisse pas se relaxer On dépose enfin une électrode supérieure 16 analogue a l'électrode inférieure
Une vue de dessus du commutateur ainsi obtenu est illustré en figure 5
Pour définir la partie membrane, on usine le silicium avec de la potasse ou toute autre solution couramment utilisée qui possède la propriété de ne pas attaquer la silice
La membrane en silice est ainsi libérée, pour se détendre et prendre la forme courbe illustrée en figure 2, (forme concave ou convexe), entraînant avec elle le condensateur piézoélectrique précédemment formé L'exemple de réalisation a été décrit pour un dispositif de commutation comprenant une membrane
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de commutation comprend une matrice de commutateurs élémentaires, réalisés de manière collective en utilisant toutes les étapes de procédé décrites - dessus à l'aide de masques de microlithographie adaptés
Ce type de matrice de commutateurs peut avantageusement être utilisée en visualisation en étant couplée a un dispositif d'affichage, type matrice à cristal liquide, écran à plasma, diodes électroluminescentes
La figure 6 illustre un exemple de dispositif d'affichage utilisant un dispositif de commutation selon l'invention
Le dispositif d'affichage comprend une matrice de pixels PXLIJ, comportant une électrode commune 19 dite électrode supérieure, chaque pixel comportant également une électrode 20ιj dite inférieure
Le dispositif de commutation comprend des membranes élémentaires 11 ,., supportées par un substrat Chaque membrane 11 ,, est recouverte d'une électrode 15,j, dite électrode inférieure, d'une couche de matériau piézoélectrique 14,, et d'une électrode dite supérieure 16,. Pour assurer une bonne connexion électrique entre le dispositif matriciel de commutation et le dispositif d'affichage (ICI représenté une matrice à cristal liquide) on peut élaborer un plan de masse PM Pour cela une couche de matériau diélectrique est déposée sur l'ensemble des éléments piézoélectriques et une électrode constitutive du plan de masse est déposée à la surface de cette couche Lorsqu'une impulsion de tension est envoyée sur tel ou tel élément piézoélectrique, la membrane associée change d'incurvation et connecte ou déconnecte électriquement le plan de masse au pixel cristal liquide PXL,; associé comme illustré en figure 6 Tant qu'une nouvelle impulsion n'est pas initiée au niveau d'une membrane élémentaire, l'état d'adressage du pixel associé reste inchangé
La figure 7 illustre une vue de dessus de l'ensemble des électrodes inférieures 15,, et supérieures 16,. situées de part et d'autre des couches piézoélectriques
L'adressage desdites couches piézoélectriques et par la-même des pixels cristal liquide, peut se faire suivant la règle bien connue des -1/3, 2/3 en tension Seul le pixel recevant la tension V sera excité pour basculer dans un état opposé, les autres pixels ne recevant pas assez de tension pour que la contrainte générée atteigne la valeur de la contrainte σo précédemment évoquée
Claims
REVENDICATIONS
1 Dispositif de commutation comprenant au moins une membrane en matériau (M-- ) supportée par un substrat en matériau (M2) et des moyens pour commuter électriquement ladite membrane entre un état (0) et un état (1 ), caractérisé en ce que le matériau (M-| ) est contraint par rapport au matériau (M2) à l'interface membrane substrat, de manière à incurver ladite membrane dans l'état (0), ou dans l'état (1 ), lesdits états étant stables
2 Dispositif de commutation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour commuter d'un état (0) à un état (1 ), comprennent une électrode inférieure (15) déposée sur la membrane, une couche de matériau piézoélectrique (14) sur l'électrode (15) et une électrode supérieure (16) sur ladite couche (14)
3 Dispositif de commutation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat est en silicium 4 Dispositif de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est en silice
5 Dispositif de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est en nitrure de silicium
6 Dispositif d'affichage comprenant une matrice de pixel (Px,j) dont l'état optique est commandable électriquement, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice de dispositifs élémentaires de commutation selon l'une des revendications 2 à 5, chaque pixel (Px,,) étant en regard de l'électrode supérieure (16,.) d'un dispositif de commutation de manière à rentrer en contact avec ledit pixel (Px,,) lorsque la membrane (1 ,.) associée est dans l'un de ses deux états stables (0) ou (1 )
7 Dispositif d'affichage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice de dispositifs élémentaires de commutation est recouverte d'une couche diélectrique et d'un plan de masse métallique (PM) assurant le contact électrique de ladite matrice avec la matrice de pixels
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