WO2004064096A1 - Commutateur micro-mecanique et procede de realisation - Google Patents

Commutateur micro-mecanique et procede de realisation Download PDF

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WO2004064096A1
WO2004064096A1 PCT/FR2003/003641 FR0303641W WO2004064096A1 WO 2004064096 A1 WO2004064096 A1 WO 2004064096A1 FR 0303641 W FR0303641 W FR 0303641W WO 2004064096 A1 WO2004064096 A1 WO 2004064096A1
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conductive
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insulating layer
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Pierre-Louis Charvet
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics

Definitions

  • the invention relates to a micro-mechanical switch, comprising a deformable bridge, connected at its ends to a substrate, and actuating means intended to deform the deformable bridge so as to establish electrical contact between a first conductive element, integral with the substrate and disposed between the bridge and the substrate, and a third conductive element disposed on the substrate at the periphery of the bridge.
  • contact resistance may fluctuate over time or be too high when contact is not intimate enough.
  • a known embodiment comprises a deformable bridge and first conductive elements, intended to be connected to each other, arranged on a substrate between the substrate and the bridge.
  • the bridge has a second conductive element on its underside.
  • the electrical contact between the first conductive elements is established when the bridge is deformed by actuating means so that the second conductive element touches all the first conductive elements.
  • this constitutes a hyperstatic structure (comparable to a table with four legs where one leg is superabundant), that is to say that only one of the contacts is intimate and has a low contact resistance while the contact resistances of the other contacts are higher.
  • very precise precision is required during the manufacture of the switch, which would make manufacture difficult and expensive.
  • Document WO02 / 01584 describes a micro-mechanical switch comprising a metal bridge, arranged on a substrate and deformable by means of an electrostatic actuator, and a conductive element arranged between the bridge and the substrate.
  • the actuation of the electrostatic actuator causes the deformation of the bridge, so as to establish an electrical contact between the bridge and the conductive element.
  • the bridge can undergo hardening, in use, which can lead to its rupture.
  • the invention aims to remedy these drawbacks and, more particularly, to produce a more robust switch, while avoiding the problems of hyperstatic structure.
  • the deformable bridge comprises at least a first insulating layer pierced with an orifice, in which is arranged a conductive material projecting from the face bottom of the bridge so as to form a second conductive element, intended to come into contact with the first conductive element during the deformation of the bridge, a conductive line connecting the second conductive element to the third conductive element being disposed on the first insulating layer.
  • the invention also relates to a method for producing a switch according to the invention, in which the manufacturing of the deformable bridge is carried out by: depositing a sacrificial layer above the first conductive element, depositing a first insulating layer on the sacrificial layer, etching of an orifice in the first insulating layer and in the sacrificial layer, deposition of a metallic layer so as to fill the orifice and to form the second conductive element and the conductive line, removal of the layer sacrificial.
  • FIG. 1 shows a micro-mechanical switch according to the prior art.
  • FIG. 2 represents a micro-mechanical switch according to the invention.
  • FIG. 3 represents a preferred embodiment of a micro-mechanical switch according to the invention.
  • FIG. 4 represents a top view of an embodiment of a switch according to the invention. Description of particular embodiments.
  • the micro-mechanical switch shown in FIG. 1 is composed of a deformable bridge 1, attached at its ends to a substrate 2, and actuation means 3a and 3b intended to deform the deformable bridge 1 so as to establish contact electric between first conductive elements 4 (three in FIG. 1), formed on the substrate 2 between the bridge 1 and the substrate 2, and a second conductive element 5, integral with a lower face of the bridge 1.
  • This switch according to l prior art establishes electrical contact between the first conductive elements 4 when the actuating means 3 deform the bridge
  • the second conductive element 5 is permanently connected, via a conductive line 6 secured to the bridge 1, to a third conductive element 7 disposed on the substrate 2 at the periphery of the bridge 1.
  • the deformation of the bridge 1 establishes an electrical contact, via the conductive line 6 and the second conductive element 5, between the third conductive element 7 and a single first conductive element 4, disposed opposite screw of the second conductive element 5.
  • the deformable bridge 1 is constituted by a first insulating layer pierced with an orifice 10, in which a conductive material is arranged projecting from the underside of the bridge 1 so as to form a second conductive element 5, intended coming into contact with the first conductive element during the deformation of the bridge 1.
  • the underside of the bridge 1 is made of insulating material.
  • the deformable bridge 1 can be formed by a superposition of thin layers.
  • a conductive layer, constituting the conductive line 6 and connecting the second conductive element 5 and the third conductive element 7, can be formed on the first insulating layer.
  • the second conductive element 5 and the conductive line 6 can be constituted by the same conductive layer.
  • a second insulating layer 8 can be formed above the conductive line 6.
  • a conductive line 6 connects the second conductive element 5 to two third conductive elements 7, arranged on either side of the bridge 1.
  • the bridge 1 can have an insulating layer 8 above the conductive line 6.
  • An insulating layer 9 is preferably arranged between the first conductive element 4 and the substrate 2, the insulating layer 9 having lateral dimensions smaller than the lateral dimensions of the first conductive element 4, so that the first conductive element 4 is convex. Thanks to the convex shape of the first conductive element 4, the contact between the first conductive element 4 and the second conductive element 5 forms a contact located at the center of the boss.
  • a switch according to the invention has the advantage of being robust and of having a single contact, which can be made sufficiently intimate by suitable actuation. Therefore, the contact resistance is very low.
  • the micro-mechanical switch can be a normally open radio frequency switch, the actuation means 3 comprising an electrostatic actuator.
  • the first conductive element 4 is a radiofrequency line.
  • the actuating means 3 are preferably constituted by electrodes 3a and 3b of an electrostatic actuator. The electrodes 3a can be placed in the first insulating layer of the bridge
  • the electrodes 3a, integral with the bridge 1, are connected to a voltage source.
  • the electrodes 3b make it possible to establish an attractive electrical force between the electrodes 3a and the electrodes 3b making it possible to deform the bridge 1 when a voltage is applied between the electrodes 3a and 3b.
  • the electrodes 3b serve as a waveguide for the signal transmitted by the radiofrequency line constituting the first conductive element 4.
  • the third conductive elements 7 are constituted by electric ground planes arranged on the substrate 2 on either side of the deformable bridge 1.
  • the radiofrequency switch described above represents the advantage of transmitting, in the on state, the radiofrequency signal without any loss of contact.
  • the entire radiofrequency component can be produced on the substrate 2 by conventional techniques for manufacturing integrated circuits.
  • the surface of the substrate 2, on which the third and first conductive elements 4 and 7 are arranged, must be made of insulating material to avoid a short circuit permanent conductive elements.
  • the insulating material is typically silicon oxide.
  • an insulating layer 9 is deposited on the substrate 2 at the locations of the electrodes 3b and at the location of the first conductive element 4, the insulating layer 9 having lateral dimensions smaller than the lateral dimensions of the electrodes 3b and of the first conductive element 4 respectively.
  • the material of the insulating layer 9 can for example be Si 3 N 4 or Si0 2 .
  • the first conductive element 4 and the electrodes 3b can be deposited on the insulating layer 9 by depositing a metallic layer, preferably made of gold.
  • the sacrificial layer can then be deposited above the first conductive element 4 and the electrodes 3b.
  • the material of the sacrificial layer is typically a polymer material, allowing it to be easily removed after the fabrication of the bridge.
  • a layer of insulating material forming the framework of the bridge 1 is deposited.
  • the insulating material of this layer can for example be Si 3 N 4 or Si0 2 .
  • the electrodes 3a can be manufactured by a metallic deposit on the insulating layer forming the framework of the bridge 1 and covering of the electrodes 3a by an additional insulating layer (not shown), intended to isolate the electrodes 3a from the conductive line 6.
  • the orifice 10 is pierced by etching in the insulating layer forming the framework of the bridge 1, in the additional insulating layer and in the sacrificial layer.
  • the second conductive element 5 and the conductive line 6 are then produced, preferably simultaneously, by depositing a metal layer so as to fill the orifice 10 and to form a layer connecting the second conductive element 5 and the third conductive element 7
  • a second insulating layer Preferably a second insulating layer

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Abstract

Le commutateur micro-mécanique comporte un pont (1) déformable, rattaché par ses extrémités à un substrat (2), et des moyens d'actionnement (3) destinés à déformer le pont (1) déformable de manière à établir un contact électrique entre un premier élément conducteur (4) formé sur le substrat (2), entre le pont (1) et le substrat (2), et un deuxième élément conducteur (5), solidaire d'une face inférieure du pont. Le deuxième élément conducteur (5) est connecté en permanence, par l'intermédiaire d'une ligne conductrice (6) solidaire du pont (1), à un troisième élément conducteur (7) disposé sur le substrat (2) à la périphérie du pont (1). Le pont (1) comporte une première couche isolante percée d'un orifice (10), dans lequel est disposé un matériau conducteur faisant saillie à la face inférieure du pont (1) de manière à former le deuxième élément conducteur (5).

Description

Commutateur micro-mécanique et procédé de réalisation
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un commutateur micro-mécanique, comportant un pont deformable, rattaché par ses extrémités à un substrat, et des moyens d'actionnement destinés à déformer le pont deformable de manière à établir un contact électrique entre un premier élément conducteur, solidaire du substrat et disposé entre le pont et le substrat, et un troisième élément conducteur disposé sur le substrat à la périphérie du pont.
Etat de la technique
Les commutateurs micro-mécaniques présentent souvent des problèmes concernant les résistances de contact. Par exemple, la résistance de contact peut fluctuer dans le temps ou être trop élevée lorsque le contact n'est pas suffisamment intime.
Pour commuter un signal radiofréquence avec un interrupteur micro-mécanique, une réalisation connue comporte un pont deformable et des premiers éléments conducteurs, destinés à être connectés entre eux, disposés sur un substrat entre le substrat et le pont. Le pont comporte un deuxième élément conducteur à sa face inférieure. Le contact électrique entre les premiers éléments conducteurs est établi lorsque le pont est déformé par des moyens d'actionnement de manière à ce que le deuxième élément conducteur touche tous les premiers éléments conducteurs. Or, ceci constitue une structure hyperstatique (comparable à une table à quatre pieds où un pied est surabondant), c'est-à-dire qu'un seul des contacts est intime et présente une faible résistance de contact tandis que les résistances de contact des autres contacts sont plus élevées. Pour assurer que les résistances de contacts des différents contacts électriques soient sensiblement égales, il faudrait une précision très importante lors de la fabrication du commutateur, ce qui rendrait la fabrication difficile et coûteuse.
Le document WO02/01584 décrit un commutateur micro-mécanique comportant un pont métallique, disposé sur un substrat et deformable au moyen d'un actionneur électrostatique, et un élément conducteur disposé entre le pont et le substrat. L'actionnement de l'actionneur électrostatique provoque la déformation du pont, de manière à établir un contact électrique entre le pont et l'élément conducteur. Le pont peut subir un écrouissage, à l'usage, qui peut conduire à sa rupture.
Objet de l'invention
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, plus particulièrement, de réaliser un commutateur plus robuste, tout en évitant les problèmes de structure hyperstatique.
Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, en particulier, par le fait que le pont deformable comporte au moins une première couche isolante percée d'un orifice, dans lequel est disposé un matériau conducteur faisant saillie à la face inférieure du pont de manière à former un deuxième élément conducteur, destiné à venir en contact avec le premier élément conducteur lors de la déformation du pont, une ligne conductrice connectant le deuxième élément conducteur au troisième élément conducteur étant disposée sur la première couche isolante.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un commutateur selon l'invention, dans lequel la fabrication du pont deformable est réalisée par : dépôt d'une couche sacrificielle au-dessus du premier élément conducteur, dépôt d'une première couche isolante sur la couche sacrificielle, gravure d'un orifice dans la première couche isolante et dans la couche sacrificielle, dépôt d'une couche métallique de manière à remplir l'orifice et à former le deuxième élément conducteur et la ligne conductrice, enlèvement de la couche sacrificielle.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente un commutateur micro-mécanique selon l'art antérieur. La figure 2 représente un commutateur micro-mécanique selon l'invention. La figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel d'un commutateur micro-mécanique selon l'invention.
La figure 4 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un commutateur selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation.
Le commutateur micro-mécanique représenté à la figure 1 est composé d'un pont deformable 1 , rattaché par ses extrémités à un substrat 2, et des moyens d'actionnement 3a et 3b destinés à déformer le pont deformable 1 de manière à établir un contact électrique entre des premiers éléments conducteurs 4 (trois sur la figure 1), formés sur le substrat 2 entre le pont 1 et le substrat 2, et un deuxième élément conducteur 5, solidaire d'une face inférieure du pont 1. Ce commutateur selon l'art antérieur établit le contact électrique entre les premiers éléments conducteurs 4 lorsque les moyens d'actionnement 3 déforment le pont
1.
Dans le commutateur micro-mécanique représenté à la figure 2, le deuxième élément conducteur 5 est connecté en permanence, par l'intermédiaire d'une ligne conductrice 6 solidaire du pont 1 , à un troisième élément conducteur 7 disposé sur le substrat 2 à la périphérie du pont 1. La déformation du pont 1 établit un contact électrique, par l'intermédiaire de la ligne conductrice 6 et du deuxième élément conducteur 5, entre le troisième élément conducteur 7 et un premier élément conducteur 4 unique, disposé vis-à-vis du deuxième élément conducteur 5.
Sur la figure 2, le pont 1 deformable est constitué par une première couche isolante percée d'un orifice 10, dans lequel est disposé un matériau conducteur faisant saillie à la face inférieure du pont 1 de manière à former un deuxième élément conducteur 5, destiné à venir en contact avec le premier élément conducteur lors de la déformation du pont 1. Ainsi, la face inférieure du pont 1 est en matériau isolant. Une ligne conductrice 6, disposée sur la première couche isolante, connecte le deuxième élément conducteur 5 au troisième élément conducteur 7. Le pont deformable 1 peut être formé par une superposition de couches minces. Ainsi, une couche conductrice, constituant la ligne conductrice 6 et reliant le deuxième élément 5 conducteur et le troisième élément 7 conducteur, peut être formée sur la première couche isolante. Dans une variante de réalisation, le deuxième élément conducteur 5 et la ligne conductrice 6 peuvent être constitués par une même couche conductrice. Comme représenté à la figure 3, une deuxième couche isolante 8 peut être formée au-dessus de la ligne conductrice 6.
Dans le commutateur représenté à la figure 3, une ligne conductrice 6 relie le deuxième élément conducteur 5 à deux troisièmes éléments conducteurs 7, disposés de part et d'autre du pont 1. Le pont 1 peut comporter une couche isolante 8 au-dessus de la ligne conductrice 6. Une couche isolante 9 est, de préférence, disposée entre le premier élément conducteur 4 et le substrat 2, la couche isolante 9 ayant des dimensions latérales inférieures aux dimensions latérales du premier élément conducteur 4, de manière à ce que le premier élément 4 conducteur soit convexe. Grâce à la forme convexe du premier élément conducteur 4, le contact entre le premier élément conducteur 4 et le deuxième élément conducteur 5 forme un contact localisé au centre de la bosse.
Un commutateur selon l'invention présente l'avantage d'être robuste et d'avoir un seul contact, qui peut être rendu suffisamment intime par un actionnement approprié. Par conséquent, la résistance de contact est très faible.
A titre d'exemple, le commutateur micro-mécanique peut être un interrupteur radiofréquence normalement ouvert, les moyens d'actionnement 3 comportant un actionneur électrostatique. Dans ce cas, comme représenté à la figure 4, le premier élément conducteur 4 est une ligne radiofréquence. Lorsque le commutateur est ouvert, le signal radiofréquence peut passer par la ligne radiofréquence constituant le premier élément conducteur 4, les pertes de contact étant ainsi évitées. Les moyens d'actionnement 3 sont, de préférence, constitués par des électrodes 3a et 3b d'un actionneur électrostatique. Les électrodes 3a peuvent être disposées dans la première couche isolante du pont
1 , comme représenté à la figure 3. Les électrodes 3a, solidaires du pont 1 , sont connectées à une source de tension. Les électrodes 3b, formées sur le substrat
2, entre le pont deformable 1 et le substrat 2, de part et d'autre de la ligne radiofréquence constituant le premier élément conducteur 4, constituent deux plans de masse sensiblement parallèles à la ligne radiofréquence. Elles remplissent ainsi une double fonction. D'une part, les électrodes 3b permettent d'établir une force électrique attractive entre les électrodes 3a et les électrodes 3b permettant de déformer le pont 1 lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes 3a et 3b. D'autre part les électrodes 3b servent de guide d'onde pour le signal transmis par la ligne radiofréquence constituant le premier élément conducteur 4. Dans l'application considérée, les troisièmes éléments conducteurs 7 sont constitués par des plans de masse électrique disposés sur le substrat 2 de part et d'autre du pont deformable 1. Ainsi, l'actionnement du commutateur met en contact la ligne radiofréquence et les plans de masse électrique constituant les troisièmes éléments conducteurs 7. Le signal électrique est alors absorbé par la masse électrique. L'interrupteur radiofréquence décrit ci-dessus représente l'avantage de transmettre, dans l'état passant, le signal radiofréquence sans aucune perte de contact.
L'ensemble du composant radiofréquence peut être réalisé sur le substrat 2 par des techniques classiques de fabrication de circuits intégrés. La surface du substrat 2, sur laquelle sont disposés les troisième et premier éléments conducteurs 4 et 7, doit être en matériau isolant pour éviter un court-circuit permanent des éléments conducteurs. Le matériau isolant est typiquement de l'oxyde de silicium. Dans un mode de réalisation préférentiel, une couche isolante 9 est déposée sur le substrat 2 aux emplacements des électrodes 3b et à l'emplacement du premier élément conducteur 4, la couche isolante 9 ayant des dimensions latérales inférieures aux dimensions latérales des électrodes 3b et du premier élément conducteur 4 respectivement. Le matériau de la couche isolante 9 peut être par exemple du Si3N4 ou du Si02. Le premier élément conducteur 4 et les électrodes 3b peuvent être déposés sur la couche isolante 9 par dépôt d'une couche métallique, préférentiellement en or. La couche sacrificielle peut ensuite être déposée au-dessus du premier élément conducteur 4 et des électrodes 3b. Le matériau de la couche sacrificielle est typiquement un matériau polymère, permettant d'être enlevé facilement après la fabrication du pont. Sur la couche sacrificielle, une couche de matériau isolant formant l'ossature du pont 1 est déposée. Le matériau isolant de cette couche peut par exemple être du Si3N4 ou du Si02. Pour réaliser un actionneur électrostatique, les électrodes 3a peuvent être fabriquées par un dépôt métallique sur la couche isolante formant l'ossature du pont 1 et couverture des électrodes 3a par une couche isolante supplémentaire (non-représentée), destinée à isoler les électrodes 3a de la ligne conductrice 6. L'orifice 10 est percé par gravure dans la couche isolante formant l'ossature du pont 1 , dans la couche isolante supplémentaire et dans la couche sacrificielle. Le deuxième élément conducteur 5 et la ligne conductrice 6 sont alors réalisés, de préférence simultanément, par dépôt d'une couche métallique de manière à remplir l'orifice 10 et à former une couche reliant le deuxième élément conducteur 5 et le troisième élément conducteur 7. De préférence, une deuxième couche isolante
8 (Si3N4 ou Si02) est déposée au-dessus des éléments conducteurs. La couche sacrificielle est ensuite enlevée.

Claims

Revendications
1. Commutateur micro-mécanique, comportant un pont (1) deformable, rattaché par ses extrémités à un substrat (2), et des moyens d'actionnement (3) destinés à déformer le pont (1) deformable de manière à établir un contact électrique entre un premier élément conducteur (4), solidaire du substrat (2) et disposé entre le pont (1) et le substrat (2), et un troisième élément conducteur (7) disposé sur le substrat (2) à la périphérie du pont (1), commutateur caractérisé en ce que le pont (1) deformable comporte au moins une première couche isolante percée d'un orifice (10), dans lequel est disposé un matériau conducteur faisant saillie à la face inférieure du pont (1) de manière à former un deuxième élément conducteur (5), destiné à venir en contact avec le premier élément conducteur (4) lors de la déformation du pont (1), une ligne conductrice' (6) connectant le deuxième élément conducteur (5) au troisième élément conducteur (7) étant disposée sur la première couche isolante.
2. Commutateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens d'actionnement (3) comportent un actionneur électrostatique.
3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur électrostatique comporte des électrodes (3a) disposées dans la première couche isolante du pont (1).
4. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier élément conducteur (4) est une ligne radiofréquence et le troisième élément conducteur (7) est un plan de masse électrique disposé sur le substrat (2).
5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que deux plans de masse sont disposés sur le substrat (2) de part et d'autre du pont (1) et connectés au deuxième élément conducteur (5), la ligne conductrice (6) reliant le deuxième élément conducteur (5) aux deux plans de masse.
6. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le pont (1) deformable comporte au moins une couche conductrice constituant la ligne conductrice (6).
7. Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième élément conducteur (5) et la ligne conductrice (6) sont constitués par une même couche conductrice.
8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pont (1) deformable comporte au moins une deuxième couche isolante (8) au-dessus de la ligne conductrice (6).
9. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une troisième couche isolante (9) est disposée entre le premier élément conducteur (4) et le substrat (2), la troisième couche isolante ayant des dimensions latérales inférieures aux dimensions latérales du premier élément conducteur (4), de manière à ce que le premier élément conducteur (4) soit convexe.
10. Procédé de réalisation d'un commutateur micro-mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte la fabrication du pont (1) deformable par : dépôt d'une couche sacrificielle au-dessus du premier élément conducteur (4), dépôt d'une première couche isolante sur la couche sacrificielle, gravure d'un orifice (10) dans la première couche isolante et dans la couche sacrificielle, dépôt d'une couche métallique de manière à remplir l'orifice (10) et à former le deuxième élément conducteur (5) et la ligne conductrice (6), enlèvement de la couche sacrificielle.
PCT/FR2003/003641 2002-12-10 2003-12-09 Commutateur micro-mecanique et procede de realisation WO2004064096A1 (fr)

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