WO2003085442A1 - Composant comportant au moins une cellule comprenant une structure microelectromecanique - Google Patents

Composant comportant au moins une cellule comprenant une structure microelectromecanique Download PDF

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WO2003085442A1
WO2003085442A1 PCT/FR2003/001115 FR0301115W WO03085442A1 WO 2003085442 A1 WO2003085442 A1 WO 2003085442A1 FR 0301115 W FR0301115 W FR 0301115W WO 03085442 A1 WO03085442 A1 WO 03085442A1
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WO
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magnetic field
cell
component according
matrix
microelectronic component
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PCT/FR2003/001115
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English (en)
Inventor
Philippe Helin
Arnaud Delpoux
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Memscap
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/085—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by electromagnetic means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/04—Networks or arrays of similar microstructural devices

Definitions

  • the invention relates to the field of the electronic industry and more particularly to the sector of micro-electromechanical components commonly called MEMS.
  • the invention relates more precisely to a new type of actuator making it possible to control the movement of MEMS structures within a matrix of such structures.
  • This type of actuator can be used in different types of MEMS components, including in particular but not exclusively, components operating in the field of optical communications, whether they are switches, optical attenuators or even communication systems. projection.
  • Such a matrix therefore comprises a set of elementary cells, arranged according to the arrangements of rows and columns.
  • Each cell includes a micro-electromechanical or MEMS structure which includes a part that can move relative to a fixed frame.
  • the mobile part is connected to the fixed frame by a connecting portion which has a certain deformation capacity to allow the mobile part to adopt different positions relative to the frame.
  • the moving part is moved under the effect of an actuator which, when controlled, makes it possible to exert a force on a part of the structure, and therefore to move the moving part.
  • actuators which act according to different physical principles.
  • actuators are mainly known using electrostatic or magnetic forces.
  • Actuators of the electrostatic type generally operate by allowing the application of a potential difference between an area linked to the fixed frame and an area associated with the movable part.
  • the different facing parts being subjected to a potential difference, they tend to attract each other, thus causing the displacement of the mobile part.
  • Actuators of the electrostatic type have drawbacks in certain configurations, and in particular those in which the displacements have a large amplitude. Indeed, in this case, the intensity of the electrostatic force being a function of the square of the inverse of the distance between the electrodes, there is a great variation in the intensity of this force as the displacement of the mobile part.
  • the use of a potential difference means that the two electrodes do not come into contact with one another, and even do not come too close, to avoid the risk of short-circuiting or of breakdown.
  • the value of the electrostatic forces obtained is also a function of the applied voltages, which induce constraints on the design of the structures.
  • Actuators which use the magnetic force exerted by the application of a magnetic field on a magnetic area produced in the movable part of the MEMS structure.
  • This type of actuator has the advantage of allowing larger displacement strokes, and also of allowing contact between the zone generating the magnetic field and the moving part. Indeed, the magnetic field is generally generated by the passage of a current through a coil located opposite the mobile part. When the actuator must be deactivated, the corresponding control of the electric current in a winding is interrupted.
  • magnetic type actuators have certain drawbacks, in particular because they require the use of magnetic materials.
  • the use of this type of material is relatively delicate, in particular because of the great diversity of the manufacturing processes used.
  • the magnetic field generated for a cell can disturb the neighboring cell or cells due to the configuration of the field lines. This phenomenon is all the more sensitive when one wishes to obtain high strength intensities, and therefore when large magnetic fields are used. We therefore observe crosstalk phenomena which can disrupt the proper functioning of the component, or impose sizing constraints if one wishes to overcome them.
  • This system has several drawbacks, and in particular that of requiring an arrangement of the various magnetic and electrostatic controls, which reduces the response time and complicates the structure of the component and of the control system. In addition, it is necessary to maintain these tensions, as long as it is desired that the mirrors remain in their active position.
  • the invention seeks to take advantage of the advantages of magnetic forces, in particular in terms of intensity, while eliminating the problems of crosstalk.
  • the invention therefore relates to a microelectronic component including at least one cell comprising a microelectronic structure.
  • This structure comprises a movable part which is connected to a fixed frame by at least one connecting portion.
  • This cell also includes means for moving the movable part of the structure.
  • these displacement means comprise means for generating a magnetic field acting on the cell. They also include means for ensuring the passage of an electric current in the connection portion connecting the mobile part to the fixed frame. In this way, the connection portion, when it is traversed by the current and when it is exposed to the magnetic field, undergoes the Laplace forces which cause it to deform by causing the displacement of the mobile part of the cell. .
  • the invention consists in causing a portion of the deformable structure to pass through an electric current which, in the presence of a magnetic field, subjects the structure to the Laplace force. This results in a magnetic force which is localized at the level of the deformable portion of the cell. This force therefore causes the moving part of the cell to move.
  • the Laplace forces used being of magnetic origin, they have intensities significantly higher than actuators equipped with electrostatic type.
  • the principle of the invention can also be used on components including a plurality of cells, distributed according to a matrix architecture for example.
  • the magnetic field can be unique, and act on the entire matrix. It is also possible to generate several localized magnetic fields each acting on a part of the matrix, which may consist of one or more unit cells.
  • the characteristic forces appear only on the cells which are traversed by the currents themselves controlled in an appropriate manner. Although the magnetic field or fields cover the entire matrix, there is no risk of disturbance from one cell to another, or in other words of crosstalk.
  • the component can also include means for imposing the direction of the electric current flowing in the connection portion, so as to control the direction of the forces undergone by said said connecting portions, and therefore the direction of movement of the movable part of each structure. It is thus possible to move each movable part in one direction or another, and to offset them relative to a rest position.
  • the connecting portions can have two positions of stable equilibrium, between which they can move under the effect of the forces characteristic of Laplace, so that the mobile part of each cell can adopt two stable positions .
  • the deformable connecting portion has a bistable character, that is to say that it has two positions of equilibrium in which it remains when it is not subjected to any external force. The transition from one position to the other takes place when the deformable portion undergoes the forces characteristic of Laplace, with sufficient intensity. Outside these transition phases, no force is required to remain in stable equilibrium positions, which means that it is not necessary to circulate the characteristic electric current in the connecting portions.
  • the device consumes energy only to pass from one state to another, and therefore consumes no energy for the rest of the time.
  • the bistable nature of the connecting portion can be defined by a geometric shape of the connecting portion which can advantageously follow a shape of a beam working in buckling.
  • the component may include metallized zones, covering at least a fraction of the connection portions, and also forming conductive tracks for supplying current to each connection portion.
  • metallized zones can be produced in the same way as are the integrated electrical connections on the MEMS structure.
  • the magnetic field can either be continuous and applied permanently to the matrix, or alternatively be pulsed, that is to say only be applied during the phases where it is desired to move the moving parts, in particular in the case where, as mentioned above, the connecting portions operate in a bistable manner.
  • the magnetic field can be generated by a single winding or several windings distributed over the matrix, or even a plurality of windings each dedicated to a cell.
  • This or these fields can also be generated by one or more permanent magnets.
  • the magnetic field can be parallel to the plane of the matrix.
  • connecting portions being perpendicular to the magnetic field and generally by the plane of the matrix, these connecting portions are subjected to forces perpendicular to the plane of the matrix.
  • the moving parts of the MEMS structures generally move perpendicular to the plane of the matrix.
  • the magnetic field can be perpendicular to the plane of the matrix, so that the current which flows through the connecting portions parallel to the matrix, generates forces also parallel to the matrix.
  • the mobile portions of each MEMS cell therefore move parallel to the plane of the matrix.
  • FIG. 1 is a top view of the active part of a component including an array of optical switches on which various optical fibers are disposed peripherally.
  • FIG. 2 is a partial top view showing certain cells of the matrix for a preferred orientation of the magnetic field and of the electrical circuit implemented on the matrix.
  • Figures 3 and 4 are summary perspective views illustrating the movement of the movable part of this cell in both directions.
  • Figures 5, 6 and 7 are views respectively similar to Figures 2, 3 and 4, illustrating the operation for a second orientation of the magnetic field.
  • FIG. 8 is a top view of part of the matrix showing a third configuration of the electrical tracks.
  • Figure 9 is a cross-sectional view of the component including the switch fabric, as well as the terminations of the optical fibers.
  • the invention relates to an actuation mode for moving a part of a micro-electromechanical structure. It can be implemented on elementary structures, or as in the form illustrated on a matrix of cells each comprising a microelectromechanical structure.
  • Figure 1 illustrates in general a component (1) forming an array of optical switches. More specifically, this component (1) comprises a matrix (2) consisting of a number of elementary cells (3) arranged in rows and columns, in alignment with channels (4) intended for receiving optical fibers (5), the beam of which is then collimated by a collimating member (6).
  • each cell (3) has a movable part (10) accommodating in the illustrated form a reflecting structure (11) which is oriented at 45 °, to allow the reflection of the beams from a given line in the direction of the corresponding column.
  • This mobile part (10) moves relative to a fixed frame (12) formed by the portions framing the different mobile parts (10).
  • the mobile part (10) is connected by a junction zone (14) to a beam (13) forming the connection portion with the frame (12).
  • the matrix comprises a certain number of electrical tracks or more generally of conductive zones, which make it possible to circulate an electric current inside the connection portions (13 ).
  • the connection portion (13) comprises a conductive track (15), itself connected to additional tracks (16,17) allowing the supply of current to the track (15) from one of the corners of the matrix.
  • Each of the cells has a conductive track (15,18,19) on its connecting portion from the movable part to the frame. Provision may be made for interposing an insulating layer between the substrate and the conductive tracks, at least in the areas where several tracks run in parallel.
  • the component also includes a magnetic field source which acts on the entire matrix.
  • This field source can be a winding placed under the matrix, or as in the case corresponding to FIG. 2, a winding assembly located on the opposite side of the matrix, and supplied in the manner of a Helmholtz coil to form a constant field. between them.
  • connection portion (13) is the seat of a Laplace force (F ⁇ i ⁇ ⁇ B), which is oriented as illustrated in the figures perpendicular to the plane of the substrate .
  • this connecting portion (13) deforms and bends above the plane of the substrate, thereby causing the rise of the movable part (10).
  • the position illustrated in FIG. 3 can correspond to a stable equilibrium position in which the link portion (3) works in buckling.
  • connection portion (13) When the current flowing in the track (15) is oriented in the opposite direction to FIG. 2, the force undergone by the connection portion (13) is also perpendicular to the plane of the substrate, but in the opposite direction, that is to say - say facing down.
  • this force causes the deformation of the connection portion (13) to cause the bending downwards, and consequently the descent of the movable part relative to the plane of the substrate.
  • this movement can be a stable position of the beam (13), so that the movable part (10) remains in this position when the electric current or the magnetic field disappears.
  • the actuator's bistability constitutes an advantageous property, but which is not compulsory.
  • the invention therefore covers variants in which the actuator is not bistable, but operates under the effect of Laplace forces.
  • the configuration illustrated in FIG. 2 has the advantage of not generating Laplace force at the level of the portions (17) for supplying the current to the connecting beams (13), since the direction of the current is collinear with that of the field .
  • Other configurations can be adopted to obtain the displacements of the mobile part, and in particular those illustrated in FIGS. 5 to 7.
  • the magnetic field is perpendicular to the main plane of the substrate. It can for example be generated by a flat winding situated parallel by the substrate, under the matrix (2), as illustrated in FIG. 9.
  • the force exerted on the connecting portion (13) is, as illustrated in Figure 5, parallel to the plane of the substrate, and oriented towards the movable part. It can therefore move as illustrated in Figure 6 by approaching the side (21) of the housing (22) receiving the movable part (10).
  • the force F undergone by the connection portion (13) also changes direction, so that the movable part (10) moves as illustrated in FIG. 7, in the direction of the side (23 ) of the frame (12).
  • the configuration illustrated in FIG. 5 has the advantage of keeping the mobile parts (10) of the cells in the same horizontal plane, which makes it possible to increase their robustness, generally the robustness of the assembly.
  • the current flowing in the different tracks not being parallel to the magnetic field, it generates Laplace forces F c which are exerted on the frame.
  • These forces can advantageously be used in mechanisms for amplifying the deformation of the connecting portion (13). The effect of these forces can be canceled or reduced when the overall structure rests on a frame, as illustrated in Figure 9.
  • connection portion illustrated in the figures follows a particularly simple and basic form of beam, in order to allow the understanding of the invention.
  • the invention also covers variants in which the connecting portions take on more complex shapes, as soon as they deform under the effect of Laplace forces when they are traversed by electric currents.
  • Movements of the mobile part similar to those illustrated in FIGS. 3 and 4, can be obtained in the architecture illustrated in FIG. 8, in which the magnetic field is parallel to the plane of the substrate, and the different tracks for bringing the current (25,26) are essentially parallel to the track (15) traversing the connecting portion (13).
  • forces F c are exerted on the frame in accordance with the orientations illustrated in FIG. 8.
  • Forces can for example advantageously be used to apply a prestress on the whole of the matrix, so as to increase its rigidity in material. shock, and especially for accelerations perpendicular to the plane of the substrate.
  • the component according to the invention can be produced according to different technologies, using in particular silicon substrates according to different surface machining methods, or even methods known under the names SCREAM or SBM.
  • the substrate used can also be based on SOI, and as illustrated in FIG. 9.
  • the platform (8) of the mobile part (10) is produced in the upper layer of the SOI substrate
  • the connecting portion ( 13) is itself produced in the lower layer (9) of the SOI substrate, going below the insulating layer (27).
  • the matrix (2) can itself be arranged on a machined substrate (30) and produced independently. This substrate (30) receives on its underside the coil (32) generating a field (B) on the whole of the matrix (2).
  • the production method from an SOI substrate can for example be that described in document WO 02/44781 of the Applicant.
  • the component according to the invention has multiple advantages, and in particular: a high intensity of the force exerted on the deformable parts of the MEMS structure; an almost total absence of crosstalk; good safety with regard to electromagnetic disturbances, because the movements require the combined presence of a magnetic field and a current; a greatly reduced energy consumption, and more precisely only limited to the transition phases, when the mechanical structure is of the bistable type; - the possibility of generating forces on the frame of the matrix to generate prestresses.
  • the invention is not limited to this single application. It can in particular be used to form optical attenuators, or even projection systems including controls for mirrors.
  • the invention is also not limited only to optical applications, but can also find an interest in very many MEMS structures organized in the form of arrays or elementary cells. It finds a very particular advantage in applications requiring a high level of operational safety, or operating in a restrictive environment.

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Abstract

Composant micro-électronique comportant au moins une cellule comportant une structure micro-électromécaniques, ladite structure comportant une partie mobile reliée à un cadre fixe (12) par au moins une portion de liaison (13), ladite cellule comportant également des moyens pour assurer le déplacement sélectif de la partie mobile de chaque la structure, caractérisé</u> en ce que lesdits moyens de déplacement comportent: des moyens pour générer un champ magnétique (B) agissant sur la cellule; des moyens pour assurer le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison (13) reliant la partie mobile au cadre fixe (12), de telle sorte que ladite portion de liaison (13) subissant les forces de Laplace se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile de la cellule. Le composant peut comporter une cellule élementaire, ou une pluralité de cellules organisées sous forme d'une matrice.

Description

COMPOSANT COMPORTANT AU MOINS UNE CELLULE COMPRENANT UNE STRUCTURE MICROELECTROMECANIOUE.
Domaine Technique
L'invention se rattache au domaine de l'industrie électronique et plus particulièrement au secteur des composants micro-électromécaniques communément appelés MEMS.
L'invention vise plus précisément un nouveau type d'actionneur permettant de commander le déplacement de structures MEMS au sein d'une matrice de telles structures. Ce type d'actionneur peut être utilisé dans différents types de composants MEMS, dont notamment mais non exclusivement, les composants fonctionnant dans le domaine des communications optiques, qu'il s'agisse de commutateurs, d'atténuateurs optiques ou bien encore des systèmes de projection.
Dans le reste de la description, l'invention est donc décrite de façon plus précise dans son application aux composants optiques, et plus précisément aux commutateurs optiques, mais sans que cela constitue une limitation de la portée de l'invention.
Techniques antérieures
De façon générale, il s'avère avantageux de rassembler un certain nombre de structures MEMS au sein d'une matrice pour effectuer différentes opérations combinées, notamment dans le cadre des applications optiques.
Une telle matrice comprend donc un ensemble de cellules élémentaires, disposées selon les arrangements de lignes et de colonnes. Chaque cellule inclut une structure micro-électromécanique ou MEMS qui comporte une partie mobile par rapport à un cadre fixe. La partie mobile est reliée au cadre fixe par une portion de liaison qui présente une certaine capacité de déformation pour permettre à la partie mobile d'adopter différentes positions par rapport au cadre. Le déplacement de la partie mobile s'effectue sous l'effet d'un actionneur qui, lorsqu'il est commandé, permet d'exercer une force sur une partie de la structure, et donc de déplacer la partie mobile.
Divers types d'actionneurs ont déjà été proposés, et qui agissent selon différents principes physiques. Ainsi, en dehors des actionnements par phénomènes thermiques, on connaît principalement les actionneurs utilisant des forces électrostatiques ou magnétiques.
Les actionneurs du type électrostatique fonctionnent généralement en permettant l'application d'une différence de potentiel entre une zone liée au cadre fixe et une zone associée à la partie mobile. Les différentes parties en regard étant soumises à une différence de potentiel, elles ont tendance à s'attirer, provoquant ainsi le déplacement de la partie mobile.
Les actionneurs de type électrostatique présentent des inconvénients dans certaines configurations, et notamment celles dans lesquelles les déplacements présentent une forte amplitude. En effet, dans ce cas, l'intensité de la force électrostatique étant fonction du carré de l'inverse de la distance entre les électrodes, on observe une grande variation dans l'intensité de cette force au fur et à mesure du déplacement de la partie mobile. En outre, l'utilisation d'une différence de potentiel oblige à ce que les deux électrodes ne viennent pas en contact l'une de l'autre, et même ne se rapprochent pas trop fortement, pour éviter les risques de court-circuit ou de claquage. Par ailleurs, la valeur des forces électrostatiques obtenues est également fonction des tensions appliquées, qui induisent des contraintes sur la conception des structures. Autrement dit, pour obtenir des forces satisfaisantes, il est parfois nécessaire d'employer des valeurs de tension qui sont incompatibles avec certaines géométries de structures. On connaît également des actionneurs utilisant la force magnétique exercée par l'application d'un champ magnétique sur une zone magnétique réalisée dans la partie mobile de la structure MEMS.
Ce type d'actionneur présente l'avantage de permettre des courses de déplacements plus importantes, et de permettre également le contact entre la zone générant le champ magnétique et la partie mobile. En effet, le champ magnétique est généralement généré par le passage d'un courant dans un bobinage situé en regard de la partie mobile. Lorsque l'actionneur doit être désactivé, la commande correspondante du courant électrique dans un bobinage est interrompue.
Toutefois, les actionneurs de type magnétiques présentent certains inconvénients, notamment du fait qu'ils nécessitent l'emploi de matériaux magnétiques. Lors des procédés de fabrication des structures MEMS, l'emploi de ce type de matériau est relativement délicat, notamment à cause de la grande diversité des procédés de fabrication mis en œuvre. En outre, lorsque plusieurs actionneurs sont utilisés pour commander une matrice de structure MEMS, le champ magnétique généré pour une cellule peut perturber la ou les cellules avoisinantes du fait de la configuration des lignes de champ. Ce phénomène est d'autant plus sensible que l'on souhaite obtenir des intensités de force élevée, et donc que l'on emploie des champs magnétiques importants. On observe donc des phénomènes de diaphonie qui peuvent perturber le bon fonctionnement du composant, ou imposer des contraintes de dimensionnement si l'on souhaite s'en affranchir
Il a été également envisagé de combiner les phénomènes électrostatiques et magnétiques, pour commander une matrice de structure MEMS, comme décrit dans le document "MAGNETICALLY ACTUATED MICROMIRORS FOR FIBER- OPTIC Switching". publié dans Solid-State Sensor an Actuator Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, June 8-11, 1998, pages 273 à 276. Plus précisément, le principe décrit dans ce document consiste à assurer un déplacement global de l'ensemble des structures mobiles sous l'effet d'un champ magnétique. Le champ magnétique est ici avantageusement utilisé pour effectuer les déplacements de relativement grande amplitude de l'ensemble des structures mobiles. Lorsque les différentes structures mobiles se trouvent en position active, la position de certaines d'entre elles peut être maintenue sous l'effet d'une force électrostatique qui est appliquée sur les seules cellules qui doivent être maintenues dans une position déterminée.
Ce système présente plusieurs inconvénients, et notamment celui de nécessiter un agencement des différentes commandes magnétiques et électrostatiques, ce qui diminue le temps de réponse et complexifie la structure du composant et du système de commande. En outre, il est nécessaire de maintenir ces tensions, tant que l'on souhaite que les miroirs restent dans leur position active.
L'invention cherche à profiter des avantages des forces magnétiques, notamment en terme d'intensité, en éliminant toutefois les problèmes de diaphonie.
Exposé de l'Invention
L'invention concerne donc un composant micro-électronique incluant au moins une cellule comportant une structure micro-électronique. Cette structure comporte une partie mobile qui est reliée à un cadre fixe par au moins une portion de liaison. Cette cellule comporte également des moyens pour assurer le déplacement de la partie mobile de la structure.
Conformément à l'invention, ces moyens de déplacement comportent des moyens pour générer un champ magnétique agissant sur la cellule. Ils comportent également des moyens pour assurer le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison reliant la partie mobile au cadre fixe. De la sorte, la portion de liaison, lorsqu'elle est parcourue par le courant et qu'elle est exposée au champ magnétique, subit les forces de Laplace qui font qu'elle se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile de la cellule. Autrement dit, l'invention consiste à faire parcourir une partie.de la structure déformable par un courant électrique qui en présence d'un champ magnétique soumet la structure à la force de Laplace. Il en résulte une force magnétique qui est localisée au niveau de la portion déformable de la cellule. Cette force provoque donc le déplacement de la partie mobile de la cellule.
Les forces de Laplace utilisées étant d'origine magnétique, elles présentent des intensités nettement supérieures aux actionneurs équipés de type électrostatique .
Le principe de l'invention peut également être utilisé sur des composants incluant une pluralité de cellules, réparties selon une architecture matricielle par exemple. Dans ce cas, le champ magnétique peut être unique, et agir sur l'intégralité de la matrice. Il est également possible de générer plusieurs champs magnétiques localisés agissant chacun sur une partie de la matrice, qui peut être constitué d'une ou plusieurs cellules unitaires.
Les forces caractéristiques n'apparaissent que sur les cellules qui sont parcourues par les courants eux-mêmes commandés de façon appropriée. Bien que le ou les champs magnétiques couvrent l'ensemble de la matrice, il n'y a pas de risque de perturbation d'une cellule à l'autre, ou autrement dit de diaphonie.
Il est également important de noter que les déplacements des parties mobiles ne peuvent intervenir que lorsque d'une part le champ magnétique est présent, et d'autre part, le courant caractéristique est appliqué. Autrement dit, cette combinaison rend le système très sûr, notamment au regard des perturbations électromagnétiques, en réduisant donc très fortement le risque de déplacements inopinés.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le composant peut également comporter des moyens pour imposer le sens du courant électrique circulant dans la portion de liaison, de manière à contrôler le sens des forces subies par lesdites portions de liaison, et par conséquent le sens du mouvement de la partie mobile de chaque structure. Il est ainsi possible de déplacer chaque partie mobile dans un sens ou dans un autre, et de les décaler par rapport à une position de repos.
De la même manière, en contrôlant l'intensité du courant, il est possible de déterminer l'amplitude de déplacement de la partie mobile de chaque structure
MEMS.
Selon une variante avantageuse de réalisation, les portions de liaison peuvent présenter deux positions d'équilibre stable, entre lesquelles elles peuvent se déplacer sous l'effet des forces caractéristiques de Laplace, de sorte que la partie mobile de chaque cellule peut adopter deux positions stables. Autrement dit, la portion de liaison déformable présente un caractère bistable, c'est-à-dire qu'elle possède deux positions d'équilibre dans lesquelles elle demeure lorsqu'elle n'est soumise à aucune force extérieure. Le passage d'une position à l'autre se fait lorsque la portion déformable subit les forces caractéristiques de Laplace, avec une intensité suffisante. En dehors de ces phases de transition, aucune force n'est requise pour demeurer dans des positions d'équilibre stables, ce qui signifie qu'il n'est pas nécessaire de faire circuler le courant électrique caractéristique dans les portions de liaison. En d'autres termes, le dispositif ne consomme de l'énergie que pour passer d'un état à l'autre, et donc ne consomme aucune énergie pendant le reste du temps.
Le caractère bistable de la portion de liaison peut être défini par une forme géométrique de la portion de liaison qui peut avantageusement épouser une forme de poutre travaillant en flambage.
En pratique, le composant peut comporter des zones métallisées, recouvrant au moins une fraction des portions de liaison, et formant également des pistes conductrices pour l'amenée du courant à chaque portion de liaison. Ces zones métallisées peuvent être réalisées de la même manière que le sont des connexions électriques intégrées sur la structure MEMS. En pratique, le champ magnétique peut être soit continu et appliqué de façon permanente sur la matrice, ou bien encore être puisé, c'est-à-dire n'être appliqué que pendant les phases où l'on souhaite déplacer les parties mobiles, notamment dans le cas où, comme évoqué ci-avant, les portions de liaison fonctionnent de façon bistable.
Avantageusement, en pratique, le champ magnétique peut être généré par un enroulement unique ou plusieurs enroulements répartis sur la matrice, voire même une pluralité d'enroulements dédiés chacun à une cellule. Ce ou ces champs peuvent également être générés par un ou des aimants permanents.
Différentes configurations peuvent être adaptées en ce qui concerne le sens du champ magnétique et le sens de déformation des portions de liaison.
Ainsi, le champ magnétique peut être parallèle au plan de la matrice.
Dans ce cas, les portions de liaison étant perpendiculaires au champ magnétique et généralement par le plan de la matrice, ces portions de liaison subissent des forces perpendiculaires au plan de la matrice. Dans ce cas, les parties mobiles des structures MEMS se déplacent généralement perpendiculairement au plan de la matrice.
Dans une autre configuration, le champ magnétique peut être perpendiculaire au plan de la matrice, de sorte que le courant qui parcourt les portions de liaison parallèles à la matrice, génère des forces également parallèles à la matrice. Les portions mobiles de chaque cellule MEMS se déplacent donc parallèlement au plan de la matrice. Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre d'exemple non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est une vue de dessus de la partie active d'un composant incluant une matrice de commutateurs optiques sur laquelle sont disposés de façon périphérique différentes fibres optiques.
La figure 2 est une vue partielle de dessus montrant certaines cellules de la matrice pour une orientation préférée du champ magnétique et du circuit électrique mis en place sur la matrice.
Les figures 3 et 4 sont des vues en perspective sommaire illustrant le déplacement de la partie mobile de cette cellule selon les deux sens.
Les figures 5, 6 et 7 sont des vues respectivement analogues aux figures 2, 3 et 4, illustrant le fonctionnement pour une seconde orientation du champ magnétique.
La figure 8 est une vue de dessus d'une partie de la matrice montrant une troisième configuration des pistes électriques.
La figure 9 est une vue en coupe transversale du composant incluant la matrice de commutateurs, ainsi que les terminaisons des fibres optiques.
Manière de réaliser l'invention
Comme déjà évoqué, l'invention concerne un mode d'actionnement pour assurer le déplacement d'une partie d'une structure micro-électromécanique. Elle peut être mise en œuvre sur des structures élémentaires, ou comme dans la forme illustrée sur une matrice de cellules comportant chacune une structure microélectromécanique.
Ainsi, la figure 1 illustre de façon générale un composant (1) formant une matrice de commutateurs optiques. Plus précisément, ce composant (1) comprend une matrice (2) constituée d'un certain nombre de cellules élémentaires (3) disposées en lignes et en colonnes, en alignement avec des canaux (4) destinés à accueillir des fibres optiques (5), dont le faisceau est ensuite collimaté par un organe de collimation (6).
De façon générale, chaque cellule (3) comporte une partie mobile (10) accueillant dans la forme illustrée une structure réfléchissante (11) qui est orientée à 45°, pour permettre la réflexion des faisceaux issus d'une ligne donnée en direction de la colonne correspondante. Cette partie mobile (10) se déplace par rapport à un cadre fixe (12) constitué par les portions encadrant les différentes parties mobiles (10). La partie mobile (10) est reliée par une zone de jonction (14) à une poutre (13) formant la portion de liaison avec le cadre (12).
Conformément à l'invention, et tel qu'illustré à la figure 2, la matrice comporte un certain nombre de pistes électriques ou plus généralement de zones conductrices, qui permettent de faire circuler un courant électrique à l'intérieur des portions de liaison (13). Ainsi, comme illustré à la figure 2, la portion de liaison (13) comporte une piste conductrice (15), elle-même reliée à des pistes supplémentaires (16,17) permettant l'amenée du courant à la piste (15) depuis un des coins de la matrice. Chacune des cellules possède sur sa portion de liaison de la partie mobile au cadre une piste conductrice (15,18,19). On peut prévoir d'interposer une couche isolante entre le substrat et les pistes conductrices, au moins dans les zones où plusieurs pistes cheminent parallèlement.
Complémentairement, le composant comprend également une source de champ magnétique qui agit sur l'ensemble de la matrice. Cette source de champ peut être un enroulement disposé sous la matrice, ou comme dans le cas correspondant à la figure 2, un ensemble de bobinage situé de côté opposé de la matrice, et alimenté à la manière de bobine de Helmholtz pour former un champ constant entre elles.
Dans ce cas, lorsque le courant circule comme illustré à la figure 2, la portion de liaison (13) est le siège d'une force de Laplace (F ≈ iï ΛB), qui est orientée comme illustrée aux figures perpendiculairement au plan du substrat. De la sorte, et comme illustré à la figure 3, cette portion de liaison (13) se déforme et se cintre au dessus du plan du substrat, entraînant par là même la montée de la partie mobile (10).
De façon avantageuse, la position illustrée à la figure 3 peut correspondre à une position d'équilibre stable dans laquelle la portion de liaison (3) travaille en flambage.
Lorsque le courant circulant dans la piste (15) est orientée en sens opposé à la figure 2, la force que subit la portion de liaison (13) est également perpendiculaire au plan du substrat, mais dans le sens opposé, c'est-à-dire orientée vers le bas.
Dans ce cas, comme illustré à la figure 4, cette force provoque la déformation de la portion de liaison (13) pour provoquer le cintrage vers le bas, et par conséquent la descente de la partie mobile par rapport au plan du substrat. Comme évoqué ci-avant, ce déplacement peut être une position stable de la poutre (13), de sorte que la partie mobile (10) demeure dans cette position lorsque le courant électrique ou le champ magnétique disparaît. Par application d'un courant dans le sens illustré à la figure 2, et en présence du champ, la partie mobile peut transiter de la position illustrée à la figure 4 à celle illustrée à la figure 3.
Toutefois, on notera que la bistabilité de l'actionneur constitue une propriété avantageuse, mais qui n'est pas obligatoire.
L'invention couvre donc des variantes dans lesquelles l'actionneur n'est pas bistable, mais fonctionne sous l'effet des forces de Laplace.
La configuration illustrée à la figure 2 présente l'avantage de ne pas générer de force de Laplace au niveau des portions (17) d'amenée du courant aux poutres de liaison (13), puisque la direction du courant est colinéaire à celle du champ. D'autres configurations peuvent être adoptées pour obtenir les déplacements de la partie mobile, et notamment celles illustrées aux figures 5 à 7.
Dans ce cas, le champ magnétique est perpendiculaire au plan principal du substrat. Il peut par exemple être généré par un bobinage plan situé parallèlement par le substrat, sous la matrice (2), tel qu'illustré à la figure 9.
Dans ce cas, la force exercée sur la portion de liaison (13) se trouve, comme illustré à la figure 5, parallèle au plan du substrat, et orientée en direction de la partie mobile. Celle-ci peut donc se déplacer comme illustré à la figure 6 en se rapprochant du côté (21) du logement (22) recevant la partie mobile (10). Lorsque le courant électrique y change de sens, la force F subie par la portion de liaison (13) change de sens également, de sorte que la partie mobile (10) se déplace comme illustré à la figure 7, en direction du côté (23) du cadre (12).
Comme évoqué ci-avant, les deux positions illustrées aux figures 6 et 7 peuvent correspondre dans une forme avantageuse à des états d'équilibre stables de la portion de liaison (13).
La configuration illustrée à la figure 5 présente l'avantage de conserver les parties mobiles (10) des cellules dans un même plan horizontal, ce qui permet d'en augmenter leur robustesse, d'une façon générale la robustesse de l'ensemble. En outre, et comme illustré à la figure 5, le courant circulant dans les différentes pistes n'étant pas parallèle au champ magnétique, il génère des forces de Laplace Fc qui s'exercent sur le cadre. Ces forces peuvent avantageusement être utilisées dans des mécanismes d'amplification de la déformation de la portion de liaison (13). L'effet de ces forces peut être annulé ou diminué lorsque la structure globale repose sur un cadre, comme illustré à la figure 9.
A cet égard, on notera que la portion de liaison illustrée aux figures épouse une forme de poutre particulièrement simple et basique, et ce afin de permettre la compréhension de l'invention. Toutefois, l'invention couvre également des variantes dans lesquelles les portions de liaison épousent des formes plus complexes, dès lors qu'elles se déforment sous l'effet de forces de Laplace lorsqu'elles sont parcourues par des courants électriques.
Des mouvements de la partie mobile analogues à ceux illustrés aux figures 3 et 4, peuvent être obtenus dans l'architecture illustrée à la figure 8, dans lesquels le champ magnétique est parallèle au plan du substrat, et les différentes pistes d'amenée du courant (25,26) sont essentiellement parallèles à la piste (15) parcourant la portion de liaison (13). Dans ce cas, des forces Fc sont exercées sur le cadre conformément aux orientations illustrées à la figure 8. Des forces peuvent par exemple avantageusement être utilisées pour appliquer une précontrainte sur l'ensemble de la matrice, de façon à augmenter sa rigidité en matière de choc, et spécialement pour les accélérations perpendiculaires au plan du substrat.
Le composant conforme à l'invention peut être réalisé selon différentes technologies, utilisant notamment des substrats de silicium selon différents procédés d'usinage de surface, ou bien encore des procédés connus sous les appellations SCREAM ou SBM. Le substrat utilisé peut également être à base de SOI, et comme illustré à la figure 9. Dans ce cas, la plateforme (8) de la partie mobile (10) est réalisée dans la couche supérieure du substrat SOI, la portion de liaison (13) est elle-même réalisée dans la couche inférieure (9) du substrat SOI, allant en dessous de la couche d'isolant (27). La matrice (2) peut elle-même être disposée sur un substrat usiné (30) et réalisé de façon indépendante. Ce substrat (30) reçoit sur sa face inférieure le bobinage (32) générant un champ (B) sur l'ensemble de la matrice (2).
Le procédé de réalisation à partir d'un substrat SOI peut par exemple être celui décrit dans le document WO 02/44781 du Demandeur.
II ressort de ce qui précède que le composant conforme à l'invention présente de multiples avantages, et notamment : une intensité élevée de la force exercée sur les parties déformables de la structure MEMS ; une absence quasi-totale de diaphonie ; une bonne sûreté au regard des perturbations électromagnétiques, du fait que les déplacements nécessitent la présence combinée d'un champ magnétique et d'un courant ; une consommation d'énergie fortement réduite, et plus précisément uniquement limitée aux phases de transition, lorsque la structure mécanique est du type bistable ; - la possibilité de générer des forces sur le cadre de la matrice pour générer des précontraintes.
Applications industrielles :
Bien que décrite dans le cas d'une matrice de commutateurs optiques, l'invention ne se limite pas à cette seule application. Elle peut notamment être utilisée pour former des atténuateurs optiques, ou bien encore des systèmes de projection incluant des commandes de miroirs. L'invention n'est pas non plus limitée aux seules applications optiques, mais peut également trouver un intérêt dans de très nombreuses structures MEMS organisées sous forme de matrices ou de cellules élémentaires. Elle trouve un avantage tout particulier dans les applications nécessitant un haut niveau de sécurité de fonctionnement, ou fonctionnant en environnement contraignant

Claims

REVENDICATIONS
1/ Composant micro-électronique (1) comportant au moins une cellule (2) comprenant une structure micro-électromécanique, ladite structure comportant une partie mobile (10) reliée à un cadre fixe (12) par au moins une portion de liaison (13), ladite cellule comportant également des moyens pour assurer le déplacement de la partie mobile de chaque structure, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comportent : * des moyens pour générer un champ magnétique (B) agissant sur la cellule (2) ; des moyens pour assurer le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison (13) reliant la partie mobile (10) au cadre fixe (12), de telle sorte que ladite portion de liaison (13) subissant les forces de Laplace se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile
(10) de la cellule.
2/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour imposer le sens du courant électrique circulant dans la portion de liaison (13), de manière à contrôler le sens des forces subies par ladite portion de liaison (13).
3/ Composant micro-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion de liaison (13) présente deux positions d'équilibre stable, entre lesquelles elle peut se déplacer sous l'effet des forces de Laplace, de sorte que la partie mobile (10) de la structure peut adopter deux positions stables.
4/ Composant micro-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portions de liaison (13) présente une forme générale en poutre, travaillant en flambage. 5/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des zones métallisées (15-19), recouvrant au moins une fraction de la portion de liaison (13), et formant également des pistes conductrices (16,17) pour l'amenée du courant à la portion de liaison (13).
6/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est continu ou puisé.
Il Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est généré par un enroulement unique (32).
8/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est parallèle au plan de la cellule.
9/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion de liaison est sensiblement perpendiculaire au champ magnétique.
10/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est perpendiculaire au plan de la cellule.
11/ Composant micro-électronique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de cellules (2) de structures microélectromécaniques, chaque cellule comportant une partie mobile (10) reliée à un cadre fixe (12) par au moins une portion de liaison (13), ladite matrice comportant également des moyens pour assurer le déplacement sélectif de la partie mobile de chaque structure, lesdits moyens de déplacement comportant : des moyens pour générer un champ magnétique (B) agissant sur la matrice (2) ; * des moyens pour assurer de façon sélective, pour chaque cellule, le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison (13) reliant la partie mobile (10) au cadre fixe (12), de telle sorte que ladite portion de liaison (13) subissant les forces de Laplace se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile (10) de la cellule sélectionnée.
12/ Composant selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour générer le champ magnétique (B), génèrent un champ magnétique unique agissant sur l'intégralité de la matrice (2).
13/ Composant selon la revendication 11, caractérisé en ce que des moyens pour générer le champ magnétique (B), génèrent plusieurs champs magnétiques localisés agissant chacun sur une partie de la matrice.
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