WO2006106060A1 - Microsysteme a partie mobile bistable - Google Patents

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WO2006106060A1
WO2006106060A1 PCT/EP2006/061123 EP2006061123W WO2006106060A1 WO 2006106060 A1 WO2006106060 A1 WO 2006106060A1 EP 2006061123 W EP2006061123 W EP 2006061123W WO 2006106060 A1 WO2006106060 A1 WO 2006106060A1
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WO
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movable part
microsystem
junction
fixed
microsystem according
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/061123
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English (en)
Inventor
Laurent Chiesi
Hugues Filiputti
Benoit Grappe
Original Assignee
Schneider Electric Industries Sas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries Sas filed Critical Schneider Electric Industries Sas
Priority to EP06743222A priority Critical patent/EP1866946A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0042—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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H36/00—Switches actuated by change of magnetic field or of electric field, e.g. by change of relative position of magnet and switch, by shielding
    • H01H2036/0093—Micromechanical switches actuated by a change of the magnetic field

Definitions

  • the present invention relates to a microsystem which can be used in an electrical switch device for switching an electrical circuit between an open position and a closed position. More specifically, this microsystem comprises a part movable between two stable states, carrying at least one movable electrical contact coming into contact, in one of the two stable states, with one or more fixed contacts to close the electrical circuit.
  • Patent application WO 02/058089 describes a device having a bistable beam compressed between two anchoring points.
  • the deformation of the beam is carried out from the manufacture of the device by the photolithography technique.
  • the photo-inscribed motif used to shape the beam is curved.
  • the beam is therefore free, by manufacture, to move between two mechanically stable states in a plane parallel to the substrate.
  • the application of a transverse force with respect to the beam allows the beam to pass from one stable state to another.
  • the beam is movable in a plane parallel to the substrate. Such a configuration is not optimal for controlling the surface condition of the fixed and mobile contacts.
  • the manufacturing method used makes it difficult to be able to use different contact materials on the fixed contacts and on the movable contacts.
  • US Pat. No. 6,768,412 proposes a structure in the form of a bridge composed of two successive layers having different internal constraints at a given temperature. Such a device can be applied to the detection of a temperature threshold. The mobile beam switches from one stable state to another when the ambient temperature exceeds a certain threshold or drops below this threshold. For a relay application, the device described in this patent US Pat. No. 6,768,412 has the drawback of being dependent on the ambient temperature.
  • the object of the invention is to propose a microsystem comprising a mobile part between two stable states which can remain in one of its two stable states without consuming energy and whatever the ambient temperature.
  • microsystem used in an electrical switch device comprising:
  • junction element performs a junction between the mobile part and the fixed part and, - the junction element exerts mechanical stresses between the mobile part and the fixed part to keep the mobile part in one or the other two stable states.
  • the advantage of having a bistable structure which is not multilayer in micro-relay applications is to have a mechanism independent of temperature, unlike the mechanism described in US Patent 6,768,412.
  • the microsystem of our invention used as micro-relay can therefore remain in a stable open or closed state for currents of low or high intensities.
  • the movable part comprises at least two beams each having two opposite ends which are integral with each other, a first beam being connected directly to the fixed part by a first end, a second beam being connected by a first end to the part fixed by means of the joining element.
  • the mobile part comprises a third beam having two opposite ends, a first end being connected to the fixed part by means of a junction element and a second end being connected to the second end of the first beam.
  • the junction element exerts mechanical compressive or tensile stresses on the mobile part.
  • the mobile part comprises a beam having two ends, a first end of the beam being connected directly to the fixed part and the junction element effecting the junction between a second end of the beam and the fixed part.
  • the mobile part comprises a beam having two ends, each end of the beam being joined to the fixed part by a separate joining element.
  • the movable part consists of a membrane having a periphery, the junction element effecting the junction between the periphery of the membrane and the fixed part.
  • the junction element exerts mechanical compressive stresses on the movable part.
  • microsystem used in an electrical switch device comprising: - A fixed part carrying a fixed electrical contact,
  • - a mobile part between two stable states, carrying a mobile electrical contact coming into contact, in one of the two stable states, with the fixed contact to close an electrical circuit
  • - the mobile part comprises at least two portions joined together by a joining element, -
  • the joining element exerts mechanical stresses on the two portions of the movable part to maintain it in one or the other of its two stable states.
  • the movable part comprises at least two beams each having two opposite ends, integral with each other at one of their ends and with the fixed part at the other of their ends, the junction element effecting the junction between two portions of one of the beams.
  • the joining element exerts mechanical compressive or tensile stresses on the movable part.
  • the mobile part has two ends, both of which are connected to the fixed part.
  • the mobile part is a membrane having a periphery, connected directly by this periphery to the fixed part.
  • the joining element is made of a material having residual stresses at ambient temperature.
  • the mobile part moves between its two stable states in a direction perpendicular to a substrate constituting the fixed part.
  • the advantage of having a structure which moves perpendicular to the substrate for micro-relay type applications is to allow very good control of the surface condition and the nature of the contacts unlike the relay described in US Pat. No. 6,743,989 .
  • the fixed and mobile contacts of our invention are parallel to the substrate. Their surface condition depends on the surface condition of the substrate and the graininess of the materials deposited. In addition, it is easier in our case to deposit different materials on the fixed and movable contacts (hard material and soft material for example).
  • the mobile part carries at least one layer made of a magnetic material.
  • the microsystem comprises means for actuating the movable part of the electrostatic, thermal, piezoelectric or magnetic type.
  • microsystem according to the invention can be used for micro-relay, micro-switch or micro-switch applications.
  • Other characteristics and advantages will appear in the detailed description which follows with reference to an embodiment given by way of example and represented by the appended drawings in which:
  • FIG. 1 illustrates a top view of a first configuration of the microsystem according to the invention.
  • FIG. 2 represents, in side view, the first configuration of the microsystem according to the invention.
  • FIG. 3 shows in perspective the deformation undergone by the mobile part of the microsystem in its first configuration.
  • FIGS 4A and 4B show, in top view, two alternative embodiments of a second configuration of the microsystem according to the invention.
  • FIG. 5 illustrates, in top view, a third configuration of the microsystem according to the invention.
  • Figure 6 illustrates, in section, the second or third configuration of the microsystem according to the invention.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate two alternative embodiments of the first configuration and of the second configuration of the microsystem according to the invention, respectively.
  • - Figures 8A to 8E show in section along A-A in Figure 1 and in a simplified manner, the successive steps of a method of manufacturing a microsystem according to the invention.
  • a microsystem can be used as an electrical switch device to switch an electrical circuit between two positions.
  • This microsystem is mounted on a substrate 2 and typically includes a mobile part
  • the movable part 1, 10, 100 carrying a movable electrical contact 6.
  • This movable part 1, 10, 100 is fixed to one or more anchoring pads 4, 40, 41, 400 secured to the substrate 2.
  • the substrate 2 carries for example two fixed electrical contacts 21, 22 intended to be electrically connected by the movable contact 6 in order to obtain the closure of an electrical circuit.
  • the mobile part 1 is able to take two stable states aligned along a straight line perpendicular to the substrate 2.
  • the mobile part 1, 10, 100 is maintained in each of its stable states only by mechanical effect. No particular means, for example of the magnetic type, is necessary to maintain it in each of its stable states.
  • the passage of the mobile part 1, 10, 100 from one stable state to another can be achieved using actuation means of different types.
  • the actuating means must be able to generate a force sufficient to exceed the equilibrium point of the movable part 1, 10, 100.
  • the movable part 1, 10, 100 may for example comprise a layer of ferromagnetic material (not shown) which can magnetize under the influence of an external magnetic field.
  • the direction of the resultant magnetic force present in the movable part drives it towards one or the other of its two stable states.
  • the magnetization of the mobile part can be obtained by moving a permanent magnet above the mobile part or using an electromagnet creating a magnetic field of appropriate direction.
  • FIG. 2 shows the presence of a permanent magnet 5 above the movable part 1 generating a magnetic field whose field lines L induce a magnetization of the movable part 1 so that the latter is forced to pass from a stable state (solid line) to its other stable state (dotted line).
  • Means for actuating the movable part of the electrostatic, thermal or piezoelectric type can also be used.
  • the principle of the invention consists in using a junction element 3a, 3b, 3 ', 30a, 30b, 30', 300 exerting stresses at ambient temperature in the mobile part 1, 10, 100 of the microsystem.
  • the stresses generated by the junction element 3a, 3b, 3 ', 30a, 30b, 30', 300 are exerted continuously and whatever the outside temperature which gives a permanent and irreversible bistability to the microsystem according to the invention. These residual stresses can be obtained during the manufacture of the microsystem.
  • the mobile part 1 has the form of a lever able to pivot relative to the substrate along an axis (R) parallel to the axis described by the contact points of the mobile part 1 with the fixed contacts 21, 22 carried by the substrate 2.
  • the mobile part 1 comprises three parallel beams 1 1, 12, 13 whose axes are perpendicular to the axis of rotation (R) of the mobile part 1, a central beam 12 and two external beams 11, 13 located on either side of the central beam 12. These three beams 1 1, 12, 13 each have two ends, and are interconnected at one of their ends by a beam 14 of axis parallel to the axis of rotation (R) of the movable part 1. At its opposite end, the central beam 13 is connected directly to the anchoring stud 20. At the opposite end of each of the external beams 11, 13, a junction element 3a, 3b performs the junction between the beam 11, 13 and the anchoring stud 4.
  • each junction element 3a, 3b permanently exerts mechanical compressive or tensile stresses between each of the external beams 1 1, 13 and the anchoring stud 4.
  • each element of junction 3a, 3b exerting mechanical compressive stresses on the external beams 11, 13, these are of length greater than that of the central beam 12.
  • the movable part 1 deforms (see Figure 3) and takes a curved shape in each of its stable states. In a first stable state (in solid lines in FIG. 2), the mobile part 1 comes to close an electrical circuit.
  • the mobile part 10 has the shape of a beam fixed at its two ends so as to form a bistable bridge.
  • the beam is connected directly at one of its ends to an anchoring stud 41 and at its other end, a junction element 30a identical to that described above performs the junction between the beam and a second anchoring stud 40.
  • a separate junction element 30a, 30b can perform the junction between each end of the beam and an anchoring stud 40, 41 of the substrate 2.
  • the joining element (s) 30a, 30b exert compression stresses between the beam and the anchoring stud (s) 40, 41. These compressive stresses force the beam to deform and take one or the other of its two stable states.
  • the beam carries for example a central movable contact 60 intended to come to electrically connect the fixed contacts 21, 22 carried by the substrate 2 when it is in its low position (in solid line in FIG. 6).
  • the application of a transverse force of sufficient intensity to pass the beam beyond its point of equilibrium causes the reversal of the beam which changes stable state to pass in its high position (dotted on the Figure 6), causing the opening of the electrical circuit.
  • the movable part 100 has the shape of a membrane, for example circular.
  • a junction element 300 in the form of a ring surrounding the membrane makes the junction between the membrane and an anchoring stud 400 which is itself circular.
  • the junction element 300 exerts compression stresses between the anchoring pad 400 and the membrane.
  • the membrane takes two stable states by bulging in the direction of the substrate 2 or in a direction opposite to it.
  • the membrane carries for example in its center a movable electrical contact 600 intended to come to connect electrically the fixed contacts 21, 22 carried by the substrate 2.
  • a first stable state in solid line in FIG. 6
  • the membrane is curved in direction of the substrate 2 and comes to close the electrical circuit.
  • the membrane returns to its second stable state, causing the opening of the electrical circuit.
  • junction element (s) 3a, 3b, 30a, 30b, 300 can take different positions in the mobile parts and can either make the junction between an anchoring stud 4, 40 , 41, 400 and the mobile part 1, 10, 100 but between two spaced-apart portions of the mobile part 1, 10, 100.
  • a joining element 30 ′ can be placed at any point on the beam, for example in the middle of this one. ci, and no longer connect the beam to the anchoring stud 40, 41 but two portions of the beam. As before, in such a situation, the joining element 30 ′ exerts compression stresses on the two portions of the beam, causing it to deform.
  • junction element 3 ′ can then exert tensile or compressive stresses on the two portions of the movable part 1.
  • a method for manufacturing a microsystem according to the first configuration takes place as follows:
  • a sacrificial layer CS is deposited on a substrate 2.
  • an etching of part of the sacrificial layer CS is carried out, for example by a photolithography process followed by micro-machining. This etching consists in digging a well through the sacrificial layer CS to achieve the anchoring.
  • a layer of a first material is deposited which is etched, for example by photolithography / micro-machining so as to form in the well an anchoring stud 4 and a layer spaced from the anchoring stud forming the movable part 1.
  • a layer of a second material is deposited and this layer is etched, for example by photolithography / micro-machining, so as to fill the space existing between the mobile part 1 and the stud d anchoring 4.
  • the junction element 3b is thus created between the mobile part 1 and the anchoring stud 4.
  • a fifth step (FIG. 8E), the sacrificial layer CS is eliminated in order to obtain the final product.
  • the second material constituting the junction element 3a, 3b, 3 ', 30a, 30b, 300, 30' introducing the stresses in the mobile part 1, 10, 100 can for example:
  • Sacrificial CS For example, it could involve depositing a first metallic material at a certain low temperature and depositing a second metallic material at a higher temperature. Once at room temperature, the second material deposited at high temperature has residual stresses.
  • the second material is heat sensitive or photosensitive (such as polymeric materials or epoxy adhesives), annealing or UV illumination can transform the second material so as to create tensile stresses on the first material or compression.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un microsystème pouvant être utilisé dans un appareil électrique interrupteur pour commuter un circuit électrique entre une position ouverte et une position fermée. Plus précisément, ce microsystème comporte une partie mobile (1, 10, 100) entre deux états stables, portant au moins un contact électrique mobile (6, 60, 600) venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec un ou plusieurs contacts fixes (21 , 22) d'une partie fixe pour fermer le circuit électrique. Selon l'invention, un élément de jonction (3a, 3b, 30a, 30b, 300) effectue la jonction entre la partie mobile (1, 10, 100) et la partie fixe (2, 4, 40, 41 , 400) et l'élément de jonction (3a, 3b, 30a, 30b, 300) exerce des contraintes mécaniques entre la partie mobile (1, 10, 100) et la partie fixe pour maintenir la partie mobile (1, 10, 100) dans l'un ou l'autre de ses deux états stables.

Description

Microsystème à partie mobile bistable
La présente invention se rapporte à un microsystème pouvant être utilisé dans un appareil électrique interrupteur pour commuter un circuit électrique entre une position ouverte et une position fermée. Plus précisément, ce microsystème comporte une partie mobile entre deux états stables, portant au moins un contact électrique mobile venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec un ou plusieurs contacts fixes pour fermer le circuit électrique.
La demande de brevet WO 02/058089 décrit un dispositif présentant une poutre bistable comprimée entre deux points d'ancrage. Dans cette demande de brevet, la déformation de la poutre est réalisée dés la fabrication du dispositif par la technique de photolithographie. Selon cette technique, le motif photoinscrit utilisé pour façonner la poutre est courbe. La poutre est donc libre, par fabrication, de se déplacer entre deux états mécaniquement stables dans un plan parallèle au substrat. L'application d'une force transversale par rapport à la poutre permet de faire passer la poutre d'un état stable à l'autre.
Un tel dispositif est repris dans le brevet US 6,743,989 portant sur un micro- relais. Dans ce brevet, deux actionneurs permettent de faire basculer la poutre d'un état mécaniquement stable à l'autre pour ouvrir ou fermer des contacts électriques.
Dans ces deux documents WO 02/058089 et US 6,743,989, la poutre est mobile dans un plan parallèle au substrat. Une telle configuration n'est pas optimale pour contrôler l'état de surface des contacts fixes et mobiles. En outre, dans le brevet US 6,743,989 le procédé de fabrication utilisé permet difficilement de pouvoir utiliser des matériaux de contact différents sur les contacts fixes et sur les contacts mobiles.
Pour obtenir un dispositif présentant une poutre mobile entre deux états stables, non plus dans un plan parallèle au substrat mais suivant une droite perpendiculaire au substrat, le brevet US 6,768,412 propose une structure en forme de pont composée de deux couches successives présentant des contraintes internes différentes à une température donnée. Un tel dispositif peut être appliqué à la détection d'un seuil de température. La poutre mobile bascule d'un état stable à l'autre lorsque la température ambiante dépasse un certain seuil ou descend au-dessous de ce seuil. Pour une application relais, Le dispositif décrit dans ce brevet US 6,768,412 présente l'inconvénient d'être dépendant de la température ambiante.
Le but de l'invention est de proposer un microsystème comportant une partie mobile entre deux états stables pouvant rester dans l'un de ses deux états stables sans consommer d'énergie et quelle que soit la température ambiante.
Ce but est atteint par un microsystème utilisé dans un appareil électrique interrupteur, comportant :
- Une partie fixe portant un contact électrique fixe, une partie mobile entre deux états stables, portant un contact électrique mobile venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec le contact fixe pour fermer un circuit électrique, caractérisé en ce que,
- un élément de jonction effectue une jonction entre la partie mobile et la partie fixe et, - l'élément de jonction exerce des contraintes mécaniques entre la partie mobile et la partie fixe pour maintenir la partie mobile dans l'un ou l'autre des deux états stables.
Selon l'invention, l'avantage d'avoir une structure bistable qui ne soit pas multicouche dans des applications de micro-relais est d'avoir un mécanisme indépendant de la température, contrairement au mécanisme décrit dans le brevet US 6,768,412. Le microsystème de notre invention utilisé comme micro-relais peut donc rester dans un état stable ouvert ou fermé pour des courants de faibles ou de grandes intensités.
Selon une première configuration, la partie mobile comporte au moins deux poutres présentant chacune deux extrémités opposées et solidaires entre elles, une première poutre étant reliée directement à la partie fixe par une première extrémité, une deuxième poutre étant reliée par une première extrémité à la partie fixe par l'intermédiaire de l'élément de jonction.
Selon une particularité ce cette première configuration, la première poutre et la deuxième poutre sont parallèles entre elles et reliées entre elles par leur deuxième extrémité. Selon un mode de réalisation avantageux de cette première configuration, la partie mobile comporte une troisième poutre présentant deux extrémités opposées, une première extrémité étant reliée à la partie fixe par l'intermédiaire d'un élément de jonction et une deuxième extrémité étant reliée à la deuxième extrémité de la première poutre.
Selon une autre particularité de cette première configuration, l'élément de jonction exerce des contraintes mécaniques de compression ou de traction sur la partie mobile.
Selon une deuxième configuration, la partie mobile comporte une poutre présentant deux extrémités, une première extrémité de la poutre étant reliée directement à la partie fixe et l'élément de jonction effectuant la jonction entre une seconde extrémité de la poutre et la partie fixe.
Selon une variante de réalisation de cette deuxième configuration, la partie mobile comporte une poutre présentant deux extrémités, chaque extrémité de la poutre étant jointe à la partie fixe par un élément de jonction distinct.
Selon une troisième configuration, la partie mobile est constituée d'une membrane présentant un pourtour, l'élément de jonction effectuant la jonction entre le pourtour de la membrane et la partie fixe.
Selon une particularité de la deuxième et de la troisième configurations, l'élément de jonction exerce des contraintes mécaniques de compression sur la partie mobile.
Ce but est également atteint par un microsystème utilisé dans un appareil électrique interrupteur, comportant : - Une partie fixe portant un contact électrique fixe,
- une partie mobile entre deux états stables, portant un contact électrique mobile venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec le contact fixe pour fermer un circuit électrique, caractérisé en ce que, - la partie mobile comporte au moins deux portions jointes entre elles par un élément de jonction, - l'élément de jonction exerce des contraintes mécaniques sur les deux portions de la partie mobile pour la maintenir dans l'un ou l'autre de ses deux états stables.
Selon une première configuration, la partie mobile comporte au moins deux poutres présentant chacune deux extrémités opposées, solidaires entre elles à l'une de leurs extrémités et de la partie fixe à l'autre de leurs extrémités, l'élément de jonction effectuant la jonction entre deux portions de l'une des poutres.
Selon une particularité de cette première configuration, l'élément de jonction exerce des contraintes mécaniques de compression ou de traction sur la partie mobile. Selon une deuxième configuration la partie mobile présente deux extrémités reliées toutes deux à la partie fixe.
Selon une troisième configuration, la partie mobile est une membrane présentant un pourtour, reliée directement par ce pourtour à la partie fixe.
Selon l'invention, l'élément de jonction est dans un matériau présentant des contraintes résiduelles à température ambiante.
Selon l'invention, la partie mobile se déplace entre ses deux états stables suivant une direction perpendiculaire à un substrat constituant la partie fixe. L'avantage d'avoir une structure qui se déplace perpendiculairement au substrat pour des applications de type micro-relais est de permettre un très bon contrôle de l'état de surface et de la nature des contacts contrairement au relais décrit dans le brevet US 6,743,989. En effet, les contacts fixes et mobiles de notre invention sont parallèles au substrat. Leur état de surface dépend de l'état de surface du substrat et de la granulosité des matériaux déposés. De plus, il est plus facile dans notre cas de déposer des matériaux différents sur les contacts fixes et mobiles (matériau dur et matériau mou par exemple). Ces avantages conditionnent d'autant plus les performances du micro-relais qu'on augmente la puissance le traversant.
Selon l'invention, la partie mobile porte au moins une couche faite dans un matériau magnétique. Ainsi l'actionnement de la partie mobile entre ses deux états stables pourra être réalisé par effet magnétique. Selon l'invention, le microsystème comporte des moyens d'actionnement de la partie mobile de type électrostatique, thermique, piézoélectrique ou magnétique.
Le microsystème selon l'invention peut être utilisé pour des applications de micro-relais, micro-interrupteur ou micro-commutateur. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 illustre en vue de dessus une première configuration du microsystème selon l'invention.
La figure 2 représente, en vue de côté, la première configuration du microsystème selon l'invention.
- La figure 3 représente en perspective la déformation subie par la partie mobile du microsystème dans sa première configuration. - Les figures 4A et 4B représentent, en vue de dessus, deux variantes de réalisation d'une deuxième configuration du microsystème selon l'invention.
La figure 5 illustre, en vue de dessus, une troisième configuration du microsystème selon l'invention. - La figure 6 illustre, en coupe, la deuxième ou la troisième configuration du microsystème selon l'invention.
Les figures 7A et 7B illustrent deux variantes de réalisation respectivement de la première configuration et de la deuxième configuration du microsystème selon l'invention. - Les figures 8A à 8E représentent en coupe selon A-A sur la figure 1 et de manière simplifiée, les étapes successives d'un procédé de fabrication d'un microsystème selon l'invention.
De manière connue, un microsystème peut être utilisé comme appareil électrique interrupteur pour commuter un circuit électrique entre deux positions. Ce microsystème est monté sur un substrat 2 et comporte typiquement une partie mobile
1 , 10, 100 portant un contact électrique 6 mobile. Cette partie mobile 1 , 10, 100 est fixée à un ou plusieurs plots d'ancrage 4, 40, 41 , 400 solidaires du substrat 2. Le substrat 2 porte par exemple deux contacts électriques fixes 21 , 22 destinées à être reliées électriquement par le contact mobile 6 afin d'obtenir la fermeture d'un circuit électrique. Pour cela, la partie mobile 1 est apte à prendre deux états stables alignés suivant une droite perpendiculaire au substrat 2. Selon l'invention, la partie mobile 1 , 10, 100 est maintenue dans chacun de ses états stables uniquement par effet mécanique. Aucun moyen particulier, par exemple de type magnétique, n'est nécessaire pour la maintenir dans chacun de ses états stables. Le passage de la partie mobile 1 , 10, 100 d'un état stable à l'autre peut être réalisé à l'aide de moyens d'actionnement de différents types. Ces moyens d'actionnement doivent pouvoir générer une force suffisante pour dépasser le point d'équilibre de la partie mobile 1 , 10, 100. Lorsque ce point d'équilibre est dépassé la partie mobile passe d'un état stable à l'autre. La partie mobile 1 , 10, 100 peut comporter par exemple une couche en matériau ferromagnétique (non représentée) pouvant se magnétiser sous l'influence d'un champ magnétique externe. Le sens de la force magnétique résultante présente dans la partie mobile entraîne celle-ci vers l'un ou l'autre de ses deux états stables. La magnétisation de la partie mobile pourra être obtenue en déplaçant un aimant permanent au-dessus de la partie mobile ou à l'aide d'un électroaimant créant un champ magnétique de direction appropriée. La figure 2 montre la présence d'un aimant permanent 5 au-dessus de la partie mobile 1 générant un champ magnétique dont les lignes de champ L induisent une magnétisation de la partie mobile 1 de sorte que celle-ci est forcée à passer d'un état stable (en trait plein) à son autre état stable (en pointillés). Des moyens d'actionnement de la partie mobile de type électrostatique, thermique ou piézoélectrique peuvent également être utilisés.
Selon l'invention, plusieurs configurations de microsystème sont évoquées ci- dessous. Les formes présentées ci-dessous ne sont nullement limitatives et il est bien entendu que d'autres configurations permettant d'obtenir le même résultat pourraient être envisagées.
Le principe de l'invention consiste à employer un élément de jonction 3a, 3b, 3', 30a, 30b, 30', 300 exerçant des contraintes à température ambiante dans la partie mobile 1 , 10, 100 du microsystème. Selon l'invention, les contraintes générées par l'élément de jonction 3a, 3b, 3', 30a, 30b, 30', 300 s'exercent en permanence et quelle que soit la température extérieure ce qui confère une bistabilité permanente et irréversible au microsystème selon l'invention. Ces contraintes résiduelles peuvent être obtenues lors de la fabrication du microsystème. Dans une première configuration représentée en figure 1 , la partie mobile 1 a la forme d'un levier apte à pivoter par rapport au substrat suivant un axe (R) parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la partie mobile 1 avec les contacts fixes 21 , 22 portés par le substrat 2. La partie mobile 1 comporte trois poutres 1 1 , 12, 13 parallèles dont les axes sont perpendiculaires à l'axe de rotation (R) de la partie mobile 1 , une poutre centrale 12 et deux poutres externes 11 , 13 situées de part et d'autre de la poutre centrale 12. Ces trois poutres 1 1 , 12, 13 présentent chacune deux extrémités, et sont reliées entre elles à une de leurs extrémités par une poutre 14 d'axe parallèle à l'axe de rotation (R) de la partie mobile 1. A son extrémité opposée, la poutre centrale 13 est reliée directement au plot d'ancrage 20. A l'extrémité opposée de chacune des poutres externes 11 , 13, un élément de jonction 3a, 3b effectue la jonction entre la poutre 11 , 13 et le plot d'ancrage 4.
Dans cette première configuration, chaque élément de jonction 3a, 3b exerce en permanence des contraintes mécaniques de compression ou de traction entre chacune des poutres externes 1 1 , 13 et le plot d'ancrage 4. Ainsi comme représenté en figure 3, chaque élément de jonction 3a, 3b exerçant des contraintes mécaniques de compression sur les poutres externes 11 , 13, celles-ci sont de longueur supérieure à celle de la poutre centrale 12. Pour compenser la différence de longueur entre la poutre centrale 12 et les poutres externes 1 1 , 13, la partie mobile 1 se déforme (voir figure 3) et prend une forme courbe dans chacun de ses états stables. Dans un premier état stable (en trait plein sur la figure 2), la partie mobile 1 vient fermer un circuit électrique. Si une force transversale d'intensité suffisante permet de la faire passer au-delà de son point d'équilibre, la partie mobile pivote vers son deuxième état stable (en pointillés sur la figure 2) entraînant l'ouverture du circuit électrique. Une variante évidente de cette première configuration consisterait à relier directement les poutres externes 11 , 13 au plot d'ancrage 4 et à effectuer la jonction de la poutre centrale 12 avec le plot d'ancrage 4 par un élément de jonction 3a, 3b en matériau contraint. Une autre variante est présentée en figure 7B et sera décrite ultérieurement.
Selon une deuxième configuration du microsystème selon l'invention, représentée en figures 4A et 4B, la partie mobile 10 a la forme d'une poutre fixée à ses deux extrémités de manière à former un pont bistable. Dans cette deuxième configuration, en référence à la figure 4A, la poutre est reliée directement à l'une de ses extrémités à un plot d'ancrage 41 et à son autre extrémité, un élément de jonction 30a identique à celui décrit ci-dessus effectue la jonction entre la poutre et un second plot d'ancrage 40. Selon une variante représentée en figure 4B, un élément de jonction distinct 30a, 30b peut effectuer la jonction entre chaque extrémité de la poutre et un plot d'ancrage 40, 41 du substrat 2.
Dans cette deuxième configuration, le ou les éléments de jonction 30a, 30b exercent des contraintes de compression entre la poutre et le ou les plots d'ancrage 40, 41 . Ces contraintes de compression forcent la poutre à se déformer et à prendre l'un ou l'autre de ses deux états stables. Comme représenté en figure 6, la poutre porte par exemple un contact mobile 60 central destiné à venir relier électriquement les contacts fixes 21 , 22 portés par le substrat 2 lorsqu'elle est dans sa position basse (en trait plein sur la figure 6). L'application d'une force transversale d'intensité suffisante pour faire passer la poutre au-delà de son point d'équilibre, entraîne le retournement de la poutre qui change d'état stable pour passer dans sa position haute (en pointillés sur la figure 6), provoquant l'ouverture du circuit électrique.
Selon une troisième configuration représentée en figure 5, la partie mobile 100 a la forme d'une membrane, par exemple circulaire. Un élément de jonction 300 en forme d'anneau entourant la membrane effectue la jonction entre la membrane et un plot d'ancrage 400 lui-même circulaire.
Dans cette troisième configuration, comme précédemment, l'élément de jonction 300 exerce des contraintes de compression entre le plot d'ancrage 400 et la membrane. Ainsi la membrane prend deux états stables en se bombant en direction du substrat 2 ou dans une direction opposée à celui-ci. La membrane porte par exemple en son centre un contact électrique 600 mobile destiné à venir relier électriquement les contacts fixes 21 , 22 portés par le substrat 2. Dans un premier état stable (en trait plein sur la figure 6), la membrane est bombée en direction du substrat 2 et vient fermer le circuit électrique. En exerçant une force d'intensité suffisante pour faire passer la membrane au-delà de son point d'équilibre, la membrane se retourne vers son deuxième état stable, provoquant l'ouverture du circuit électrique.
La coupe représentée en figure 6 est similaire pour la deuxième configuration et la troisième configuration. Les références se rapportant à ces deux configurations sont donc indiquées sur cette figure. Selon l'invention, il est bien entendu que le ou les éléments de jonction 3a, 3b, 30a, 30b, 300 peuvent prendre des positions différentes dans les parties mobiles et peuvent réaliser la jonction non plus entre un plot d'ancrage 4, 40, 41 , 400 et la partie mobile 1 , 10, 100 mais entre deux portions espacées de la partie mobile 1 , 10, 100.
En référence à la figure 7A, dans le cas où la partie mobile 10 est une poutre fixée à ses deux extrémités, un élément de jonction 30' peut être placée à n'importe quel endroit de la poutre, par exemple au milieu de celle-ci, et relier non plus la poutre au plot d'ancrage 40, 41 mais deux portions de la poutre. Comme précédemment, dans une telle situation, l'élément de jonction 30' exerce des contraintes de compression sur les deux portions de la poutre, entraînant sa déformation.
De même dans la première configuration, en référence à la figure 7B, on peut imaginer utiliser un ou plusieurs éléments de jonction 3' reliant deux portions de la poutre centrale 12 (voir figure 7B) ou des poutres externes 11 , 13. Comme dans la première configuration, l'élément de jonction 3' peut alors exercer des contraintes de traction ou de compression sur les deux portions de la partie mobile 1 .
Selon l'invention, afin d'obtenir une déformation cohérente et symétrique de la partie mobile 1 , 10, 100, il s'avère nécessaire de respecter une symétrie dans la disposition des éléments de jonction 3a, 3b, 3', 30a, 30b, 30', 300 dans la partie mobile.
En référence aux figures 8A à 8E, un procédé de fabrication d'un microsystème selon la première configuration se déroule de la manière suivante :
- Dans une première étape (figure 8A), on dépose sur un substrat 2 une couche sacrificielle CS.
Dans une deuxième étape (figure 8B), on effectue une gravure d'une partie de la couche sacrificielle CS par exemple par un procédé de photolithographie suivi d'un micro-usinage. Cette gravure consiste à creuser un puits traversant la couche sacrificielle CS pour réaliser l'ancrage.
- Dans une troisième étape (figure 8C), on dépose une couche d'un premier matériau que l'on grave, par exemple par photolithographie/micro-usinage de manière à former dans le puits un plot d'ancrage 4 et une couche espacée du plot d'ancrage formant la partie mobile 1.
Dans une quatrième étape (figure 8D), on dépose une couche d'un second matériau et on grave cette couche, par exemple par photolithographie/micro-usinage, de manière à remplir l'espace existant entre la partie mobile 1 et le plot d'ancrage 4. On crée ainsi l'élément de jonction 3b entre la partie mobile 1 et le plot d'ancrage 4.
Dans une cinquième étape (figure 8E), on élimine la couche sacrificielle CS afin d'obtenir le produit final.
Selon l'invention, le second matériau constituant l'élément de jonction 3a, 3b, 3', 30a, 30b, 300, 30' introduisant les contraintes dans la partie mobile 1 , 10, 100 peut par exemple :
Soit présenter des contraintes thermiques résiduelles. Dans ce cas la déformation de la partie mobile 1 apparaît durant l'élimination de la couche
CS sacrificielle. Par exemple, il pourrait s'agir de déposer un premier matériau métallique à une certaine température basse et de déposer un second matériau métallique à une température plus élevée. Une fois à température ambiante, le second matériau déposé à température élevée présente des contraintes résiduelles.
Soit être contraint par une étape spécifique du processus de fabrication. Si le second matériau est sensible à la chaleur ou photosensible (comme par exemple des matériaux polymères ou des colles époxy), un recuit ou une illumination UV peut permettre de transformer le second matériau de manière à créer sur le premier matériau des contraintes de traction ou de compression.
Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Microsystème utilisé dans un appareil électrique interrupteur, comportant :
- Une partie fixe (2, 4, 40, 41 , 400) portant un contact électrique fixe (21 , 22),
- une partie mobile (1 , 10, 100) entre deux états stables, portant un contact électrique mobile (6, 60, 600) venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec le contact fixe (21 , 22) pour fermer un circuit électrique, caractérisé en ce que, un élément de jonction (3a, 3b, 30a, 30b, 300) effectue une jonction entre la partie mobile (1 , 10, 100) et la partie fixe (2, 4, 40, 41 , 400) et,
- l'élément de jonction (3a, 3b, 30a, 30b, 300) exerce des contraintes mécaniques entre la partie mobile (1 , 10, 100) et la partie fixe pour maintenir la partie mobile dans l'un ou l'autre des deux états stables.
2. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la partie mobile (1 ) comporte au moins deux poutres (11 , 12, 13) présentant chacune deux extrémités opposées et solidaires entre elles, une première poutre (12) étant reliée directement à la partie fixe (4) par une première extrémité, une deuxième poutre (11 , 13) étant reliée par une première extrémité à la partie fixe (4) par l'intermédiaire de l'élément de jonction (3a, 3b).
3. Microsystème selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première poutre (12) et la deuxième poutre (1 1 , 13) sont parallèles entre elles et reliées entre elles par leur deuxième extrémité.
4. Microsystème selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie mobile (1 , 10, 100) comporte une troisième poutre (13) présentant deux extrémités opposées, une première extrémité étant reliée à la partie fixe (4) par l'intermédiaire d'un élément de jonction (3b) et une deuxième extrémité étant reliée à la deuxième extrémité de la première poutre (12).
5. Microsystème selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément de jonction (3a, 3b) exerce des contraintes mécaniques de compression ou de traction sur la partie mobile (1 ).
6. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la partie mobile (10) comporte une poutre présentant deux extrémités, une première extrémité de la poutre étant reliée directement à la partie fixe (41 ) et l'élément de jonction (30a) effectuant la jonction entre une seconde extrémité de la poutre et la partie fixe (40).
7. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la partie mobile (10) comporte une poutre présentant deux extrémités, chaque extrémité de la poutre étant jointe à la partie fixe (40, 41 ) par un élément de jonction (30a, 30b) distinct.
8. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la partie mobile (100) est constituée d'une membrane présentant un pourtour, l'élément de jonction (300) effectuant la jonction entre le pourtour de la membrane et la partie fixe (400).
9. Microsystème selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'élément de jonction (30a, 30b, 300) exerce des contraintes mécaniques de compression sur la partie mobile (10, 100).
10. Microsystème utilisé dans un appareil électrique interrupteur, comportant : Une partie fixe (2, 4, 40, 41 , 400) portant un contact électrique fixe (21 , 22),
- une partie mobile (1 , 10, 100) entre deux états stables, portant un contact électrique mobile (6, 60, 600) venant en contact, dans l'un des deux états stables, avec le contact fixe (21 , 22) pour fermer un circuit électrique, caractérisé en ce que, la partie mobile (1 , 10, 100) comporte au moins deux portions jointes entre elles par un élément de jonction (3', 30'),
- l'élément de jonction (3', 30') exerce des contraintes mécaniques sur les deux portions de la partie mobile (1 , 10, 100) pour la maintenir dans l'un ou l'autre de ses deux états stables.
1 1. Microsystème selon la revendication 10, caractérisé en ce que la partie mobile (1 ) comporte au moins deux poutres (11 , 12, 13) présentant chacune deux extrémités opposées, solidaires entre elles à l'une de leurs extrémités et de la partie fixe (2, 4) à l'autre de leurs extrémités, l'élément de jonction (3') effectuant la jonction entre deux portions de l'une des poutres (11 , 12, 13).
12. Microsystème selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que l'élément de jonction (3') exerce des contraintes mécaniques de compression ou de traction sur la partie mobile (1 ).
13. Microsystème selon la revendication 10, caractérisé en ce que la partie mobile (10) présente deux extrémités reliées toutes deux à la partie fixe (40, 41 ).
14. Microsystème selon la revendication 10, caractérisé en ce que la partie mobile (100) est une membrane présentant un pourtour, reliée directement par ce pourtour à la partie fixe.
15. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'élément de jonction (3a, 3b, 3', 30a, 30b, 300, 30') est dans un matériau présentant des contraintes résiduelles à température ambiante.
16. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la partie mobile (1 , 10, 100) se déplace entre ses deux états stables suivant une direction perpendiculaire à un substrat (2) constituant la partie fixe.
17. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la partie mobile (1 , 10, 100) porte au moins une couche faite dans un matériau magnétique.
18. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'actionnement de la partie mobile de type électrostatique, thermique, piézoélectrique ou magnétique.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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MATOBA H ET AL: "A bistable snapping microactuator", MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS, 1994, MEMS '94, PROCEEDINGS, IEEE WORKSHOP ON OISO, JAPAN 25-28 JAN. 1994, NEW YORK, NY, USA,IEEE, 25 January 1994 (1994-01-25), pages 45 - 50, XP010207742, ISBN: 0-7803-1833-1 *

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