WO2024033770A1 - Commutateur mems à multiples déformations et commutateur comprenant un ou plusieurs commutateurs mems - Google Patents

Commutateur mems à multiples déformations et commutateur comprenant un ou plusieurs commutateurs mems Download PDF

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WO2024033770A1
WO2024033770A1 PCT/IB2023/057909 IB2023057909W WO2024033770A1 WO 2024033770 A1 WO2024033770 A1 WO 2024033770A1 IB 2023057909 W IB2023057909 W IB 2023057909W WO 2024033770 A1 WO2024033770 A1 WO 2024033770A1
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mems switch
cavity
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Romain STEFANINI
Pierre Blondy
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Airmems
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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Airmems
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
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    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
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Definitions

  • the present invention relates to the field of microelectromechanical systems, designated by the acronym MEMS, and relates more particularly to a MEMS switch having at least two deformable elements and to a switch comprising one or more MEMS switches according to the invention.
  • the MEMS switch according to the present invention can be any type of switch allowing, depending on its state, to block or convey an electrical or electronic signal, whatever its waveform, its frequency, its power level. This can be for example, without limitation:
  • an electrical switch also called a remote control switch or electrical contactor
  • DC direct
  • AC alternating
  • circuit breaker allowing the power supply to an installation to be cut off in the event of an overload or electrical short circuit
  • RF switch of ohmic or capacitive type allowing switching operations to be carried out on a 50 Ohm or 75 Ohm impedance on signals up to 200 GHz.
  • MEMS switch technology naturally has interesting advantages to meet demand, namely galvanic isolation, a purely metallic contact and a sufficiently small size to be able to be produced in volume at lower cost.
  • the structure of a MEMS switch generally comprises a deformable element (in whole or in part metallic or semiconductor) suspended opposite a substrate (in whole or in part insulating or semiconductor) and secured to the substrate at means of at least one anchor.
  • a deformable element in whole or in part metallic or semiconductor
  • It can be for example a beam (in English cantilever beam or more simply beam or sometimes by shortcut cantilever) or a membrane, which must be able to be deformable between two states: a first state in which an electrical contact is produced by the deformable element between a signal input line and a signal output line of the MEMS switch, and a second state in which electrical insulation is produced by the deformable element between the signal input line and the signal output line of the MEMS switch.
  • An ideal MEMS switch must both guarantee infinite electrical isolation in the open state and allow perfect electrical contact in the closed state. To get closer, engineers must either compromise on performance or design larger membranes and use specific materials that directly impact manufacturing costs.
  • the Applicants have therefore sought to resolve this problem, by proposing a MEMS switch making it possible to increase the force on the electrical contact in the closed state and/or to increase the electrical insulation in the open state, by introducing at least two additional deformable elements secured to the substrate, in particular formed in the substrate or on the substrate used for the manufacture of the MEMS switch.
  • the present invention therefore relates to a switch with microelectromechanical systems (MEMS), comprising:
  • each contact zone being electrically connected to the at least one input line or to the at least one output line
  • the MEMS switch being configured to open or close an electrical path between the at least one input line and the at least one output line via at least one contact zone
  • the switch being in the closed position when an electric current flows from at least one input line to at least one output line by contact of the contact membrane on at least one contact zone and in the open position when the assembly input lines are electrically isolated from all of the output lines by absence of contact of the contact membrane with all of the contact zones,
  • the contact membrane constituting a first entity
  • the contact base constituting a second entity
  • the at least one anchoring base constituting a third entity
  • at least two entities among the first entity, the second entity and the third entity are deformable, each by an independent actuation means, to bring the contact membrane closer to or further from the contact zone, to move the contact membrane from an initial open position to a closed position or from an initial closed position to an open position and accentuate at least one of the insulation in the open position and the contact force in the closed position.
  • the contact membrane is therefore at least partially conductive to make it possible to form an electrical path between the at least one input line and the at least one output line when the contact membrane is in the closed position.
  • the anchor base is defined as the surface of a material on which an anchor rests or several anchors rest in order to support it(s), the anchor base may or may not be deformable.
  • the anchoring base When the anchoring base is not deformable, it may in particular but not exclusively consist of the surface of the substrate located under the anchoring considered or by a surface integral with the substrate.
  • the contact zone base is defined as the surface of a material on which the contact zone rests in order to support it, the contact zone base may or may not be deformable. When the contact zone base is not deformable, it may in particular but not exclusively consist of the surface of the substrate located under the contact zone considered or by a surface integral with the substrate.
  • each contact zone of a MEMS switch at least two entities among the contact membrane, the contact zone base and the at least one anchoring base are deformable.
  • each contact zone can have different deformable elements, depending on the intended application.
  • the actuation means of each deformable entity are physically independent but can be electrically connected to each other when they make it possible to jointly improve a state of the switch and present the same electrical control signal.
  • the actuation means may be electrostatic and/or thermal and/or piezoelectric and/or magnetic in nature.
  • Vb the breakdown voltage in Volts and g0 the initial gap in ⁇ m.
  • a contact zone base 6b placed under the contact zone of a MEMS beam 5 with the output line 4 can accentuate the distance between the contacts by providing an additional space ⁇ g between the membrane of contact 5 and the signal output line 4 when the contact zone base 6b is deformed as in Figure B1 such that:
  • the invention makes it possible to design more efficient MEMS switches with dimensions equal to those of the state of the art, or as efficient with reduced dimensions.
  • the switch of the present invention may be normally open or normally closed.
  • the contact membrane generally provides in its closed position the electrical connection between the at least one input line and the at least one output line in at least one contact zone and makes it possible to convey an electrical signal , electronic or radio frequency on an electrical path thus created by the contact membrane between the at least one input line and the at least one output line.
  • an RF switch it is also possible for the contact membrane to touch a dielectric contact zone and form a MIM (Metal Insulator Metal) capacitance with the output line to allow for RF signals to flow better from the input to the output.
  • MIM Metal Insulator Metal
  • deformable contact membrane is meant a membrane designed to be able to flex during electrostatic, thermal, piezoelectric or magnetic actuation.
  • the contact membrane can take any shape: straight line, broken line (angle formed between the inlet side and the outlet side of the contact membrane), have more than two branches, etc., and can have a or several contact pawns (called “dimple” in English).
  • the contact membrane can also be made up of several layers of materials, at least one of which is conductive.
  • the membrane can also integrate a waveguide between the at least one input line and the at least one output line, as described in European patent application EP 3465724, incorporated by reference in the present application.
  • the means of actuating the contact membrane makes it possible to exert additional pressure on the contact zone, the deformation of the anchoring base when it is deformable making it possible to close the contact without creating deflection on the contact membrane ( Figure B2).
  • the invention also makes it possible to limit the mechanical forces on the contact membrane which can in fact be made from less expensive conventional electrically conductive materials (Al, Cu, AlCu).
  • the anchoring bases and the contact zone bases allow, when they are deformable, to move away or bring together until causing contact between the contact membrane and the at least one contact zone in vis à vis.
  • the anchoring base or contact zone is integral with the substrate. It can be located:
  • deformable base we mean the surface of a layer of material integral with the substrate, capable of being deformed (a membrane for example) by an existing electrostatic, thermal, piezoelectric or magnetic actuation means.
  • non-deformable base we mean the surface of a layer of material designed to remain immobile and not having its own means of actuation.
  • a switch may consist of several deformable anchoring bases and/or several deformable contact zone bases for the same contact membrane as long as the deformation of the bases makes it possible to move the contact membrane away or closer with at least a contact zone facing each other.
  • the deformable anchor base or deformable contact zone can be on the surface of a membrane secured to the substrate and can take any shape (rectangular, circular, etc.).
  • the anchoring base or contact zone can be located on the surface of a membrane covering a cavity defined on the surface or within the base substrate (Bulk in English).
  • the anchoring base or contact zone is advantageously made of a thermally and mechanically stable material, not very sensitive to creep and fatigue.
  • the base is not necessarily a good conductor.
  • the anchoring base or contact zone when it is deformable is made up on the surface of a thin layer of silicon suspended above a cavity defined within the insulator, the silicon base (Bulk) constituting the bottom of the cavity.
  • the silicon base (Bulk) constituting the bottom of the cavity.
  • a potential difference between the bottom of the cavity and the base creates an electrostatic force which deforms the base.
  • the thin layer of silicon is advantageously monocrystalline silicon known for its temperature stability and mechanical robustness.
  • the anchoring base or contact zone when it is deformable, it is constituted by an insulating layer, electrodes which can be formed on the lower surface of the base, facing the bottom of the cavity, to form as in the previous case, a potential difference between the electrodes and the bottom of the cavity making it possible to deflect the base by electrostatic actuation.
  • the electrostatic actuation means the base or electrodes formed on the underside of the base, is parallel to the surface forming the bottom of the cavity.
  • the cavity is hermetically closed allows it to be filled with gas or evacuated, to make the actuation of the bases more robust, particularly to breakdown phenomena.
  • each deformable base is advantageously parallel to the surface of the contact membrane, for simplicity of production.
  • the MEMS switch of the present invention confers at least one of the following advantages:
  • the MEMS switch according to the present invention is capable of carrying more electrical current than a MEMS switch according to the state of the art.
  • the MEMS switch according to the present invention is capable of isolating more electrical voltage than a MEMS switch according to the state of the art.
  • the MEMS switch of the present invention is potentially less expensive to manufacture than MEMS switches of the state of the art having the same performance.
  • the contact membrane is connected to one of the at least one input line and the at least one output line. Contact is thus only made between the contact membrane and the at least one line among the at least one input line and the at least one output line with which the contact membrane is not connected .
  • This contact is made at the contact zone.
  • the line can be made, without limitations, in gold, copper, aluminum or a conductive alloy.
  • the contact zone can be on the corresponding input or output line, therefore like it in copper, aluminum or a conductive alloy, or preferably but without limitations, be made distinct from the input line or corresponding output but formed on it, the contact zone then being in ruthenium, tungsten, platinum.
  • the input and output lines can be isolated from the substrate by a dielectric layer, for example, of the oxide (SiO2) or nitride (SiN, AlN) type.
  • the contact membrane is isolated from the at least one input line and from the at least one output line in the open position, preferably completely open.
  • the contact membrane must come into contact with both the at least one input line and the at least one output line to obtain an electrical connection in the closed position, at at least one zone. contact membrane/input line contact zone and at least one contact membrane/output line contact zone.
  • the at least one input line and the at least one output line are formed on the substrate.
  • the at least one input line and the at least one output line are formed parallel to the substrate, on one of a secondary substrate glued opposite the substrate and an anchor secured to the substrate.
  • the secondary substrate can be insulating or semiconductor. Bonding is by slice bonding and can be carried out without limitations by anodic, eutectic, direct sealing, or by sintered glass.
  • each deformable base whether it is an anchoring base or a contact zone base, is constituted by a cavity membrane covering at least partially a hole formed in the substrate to constitute a cavity covered at least partially by the base.
  • the base can thus cover all or part of the cavity.
  • the substrate is of the silicon-on-insulator type, the cavity membrane being made of silicon, the cavity being formed between a first layer of silicon constituted by the substrate and a second layer of silicon constituted by the cavity membrane, the cavity membrane actuation means being configured to apply a potential difference between the substrate and the cavity membrane for electrostatic actuation of the cavity membrane, the applied potential difference deforming the cavity membrane.
  • the actuation means still being a potential difference application device
  • the actuation means still being a potential difference application device
  • the actuation means still being a potential difference application device.
  • Electrostatic actuation has the advantage of being compact, consuming little energy, being fast and having good temperature stability compared to other means of actuation (thermal, magnetic, piezoelectric, etc.).
  • thermal, magnetic, piezoelectric, etc. we can see for example A Review of Actuation and Sensing Mechanisms in MEMS-Based Sensor Devices, Algamili, A.S., Khir, M.H.M., Dennis, J.O. et al., Nanoscale Res Lett 16, 16 (2021).
  • each base is constituted by a cavity membrane carried by cavity membrane anchors secured to the substrate to be suspended facing the substrate and form an at least partially closed cavity between the substrate, the cavity membrane and its anchors, the means for actuating the cavity membrane being configured to apply a potential difference between the cavity membrane and the surface of the substrate for electrostatic actuation of the cavity membrane, the applied potential difference deforming the membrane of cavity.
  • the cavity membrane can be made without limitations in dielectric (SiN, SiO2, Ta2O5), metal, semiconductor or by a set of layers of materials, as long as electrostatic actuation is made possible.
  • the means for actuating the contact membrane is configured to apply a potential difference between the contact membrane and the surface located under the contact membrane for electrostatic actuation of the contact membrane, the difference applied potential deforming the contact membrane.
  • the means for actuating the contact membrane is electrostatic and it is implemented by an electrode placed opposite the contact membrane.
  • the electrode can be, without limitation, made from a semiconductor, a metal or a resistive material.
  • the base when it is deformable, whether it is an anchoring base or a contact zone, a tension applied between the base and the substrate creates a force of attraction between the base and the substrate which bends the base, causing the base to bend. anchoring of the contact membrane for an anchoring base or the contact zone for a contact zone base, an additional attractive force being further created between the contact membrane and the upper surface of the base, to ensure optimized and maximum contact of the contact membrane on the at least one input line and/or the at least one output line.
  • the present invention relies on a larger electrostatic actuation surface compared to a MEMS switch of the state of the art, which induces a greater contact force and resistance (Ron) weaker during contact of the contact membrane with the at least one input line and/or the at least one output line, the electrostatic actuation being able to be done both by the contact membrane and by a or several bases.
  • Ron contact force and resistance
  • the contact membrane is encapsulated in an encapsulation space, preferably hermetic, formed by one of a wafer bonding and a thin film.
  • the substrate used for encapsulation by wafer bonding can be, without limitation, semiconductor (silicon) or insulator (glass).
  • Wafer bonding can be carried out by anodic, eutectic, direct sealing, or by sintered glass.
  • Encapsulation by thin film can in particular but not exclusively be carried out by an oxide (SiO2) or a nitride (SiN).
  • the encapsulation space of the contact membrane contains one of a gas and a vacuum.
  • the gas may in particular, but not exclusively, consist of Argon, Nitrogen, Oxygen, SF6 or their mixtures, under different pressure levels.
  • each cavity is closed, preferably hermetically, and contains one of a gas and a vacuum.
  • the gas may in particular, but not exclusively, consist of Argon, Nitrogen, Oxygen, SF6 or their mixtures, under different pressure levels.
  • each anchor of the contact membrane is formed on or near the maximum bending point of the anchor base when the anchor base is deformable and each contact zone is formed on or near the point maximum flexion of the contact zone base when the contact zone base is deformable. Maximum deformation in the deformed base position is thus obtained.
  • the anchors and contact zones can also be at other points of the associated base, provided that the maximum deformation position at this point allows a significant distance or ruzement, in particular at least one tenth of the initial distance. (gap in English) separating the contact zone and the contact membrane.
  • the means for actuating the contact membrane is formed under the contact membrane on the surface of the substrate on the base or outside the base.
  • the contact membrane maintains its parallelism with the electrode in the event of deflection of the base during its movement towards the contact zone, with or without bending of the contact membrane by actuation thereof, making it possible to obtain a greater contact force in the closed state.
  • the present invention also relates to a switch, characterized in that it comprises one or more MEMS switches as described above, arranged together in a configuration among parallel, in series and both in parallel and in series.
  • a switch formed of several elementary MEMS switches as described above is thus formed, making it possible to distribute the currents over several elementary switches to obtain a switch supporting a higher current, but also to distribute the voltages over the switches arranged in series to improve the dielectric strength of the component.
  • the switch further comprises a control circuit integrated into the substrate, preferably in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the control circuit thus makes it possible to control, for each elementary switch, the at least two actuation means, and can have other functions, such as for example, without the list being exhaustive, protection against electrostatic discharges ( ESD), DC/DC conversion, a charge pump, protection during switching or even the integration of sensors.
  • FIG. 1 represents a block diagram of a MEMS switch according to the state of the art, in the open position.
  • FIG. 1 represents a block diagram of a MEMS switch according to the invention, in the open position.
  • FIG. 1 represents a MEMS switch according to a first embodiment of the invention, in side view in the open position.
  • FIG. 1 is a figure analogous to the of a variant of the MEMS switch according to the first embodiment, with a partially open cavity.
  • FIG. 1 is a figure analogous to the of the variant of the MEMS switch according to the first embodiment, with a partially open cavity.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a third embodiment of the present invention in the rest position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a fourth embodiment of the present invention in the closed position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to the fourth embodiment of the present invention in the open position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a fifth embodiment of the present invention in the closed position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to the fifth embodiment of the present invention in the open position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a sixth embodiment of the present invention in the open position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to the sixth embodiment of the present invention in a closed position.
  • FIG. 1 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a variant of the sixth embodiment of the present invention, in the closed position.
  • FIG. 1 is a schematic view representing a first control circuit of a MEMS switch according to the variant of the sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view representing a second control circuit of a MEMS switch according to the variant of the sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a view analogous to the of a MEMS switch according to a seventh embodiment of the present invention in the rest position.
  • FIG. 10 is a view analogous to the of a MEMS switch according to an eighth embodiment of the present invention in the open position.
  • FIG. 9 is a schematic representation of a MEMS switch according to a ninth embodiment, in the closed position.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a MEMS switch according to the ninth embodiment in the open position.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a MEMS switch according to a tenth embodiment in a first open position.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a MEMS switch according to the tenth embodiment in the closed position.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a MEMS switch according to the tenth embodiment in a second open position.
  • FIG. 1 is a side view of a switch according to the present invention, based on MEMS switches.
  • FIG. 1 is a top view of the switch of the .
  • FIG. 1 is a schematic representation of a component integrating a switch of the .
  • a MEMS switch 11 in side view in several positions, in front view along line AA of the and in top view is shown.
  • the MEMS switch 11 is formed on a substrate 12.
  • a signal input line 13 and a signal output line 14 are formed on the surface of the substrate 12. Although only one signal input line 13 and one only signal output line 14 have been shown, the invention is not limited in this regard and can be applied to several signal input lines and/or several signal output lines, man of the trade knowing how to design the architecture of the corresponding MEMS switch.
  • the contact membrane 15 is anchored on the anchoring base 16 by means of an anchoring 15c, constituting the trunk of the T, formed on the upper surface of the anchoring base 16.
  • the anchoring base 16 is deformable by a first actuation means, described in more detail below, either by bending downwards as in Figures 4, 5B and 6, or by bending towards the top as on the .
  • a first actuation means described in more detail below, either by bending downwards as in Figures 4, 5B and 6, or by bending towards the top as on the .
  • the contact membrane 15 and the anchoring base 16 can be independently of each other pre-stressed and therefore be initially deflected upwards, downwards, or not deflected.
  • a person skilled in the art will be able to choose, depending on the application, the initial position of the anchoring base 16, and the actuation means making it possible to deform the anchoring base 16 in all the positions illustrated.
  • the contact membrane 15 makes the electrical connection between the signal input line 13 (also called by shorthand in the present application input line) and the signal output line 14 (also called by shorthand in the present application line Release).
  • the contact membrane 15 is in contact neither with the input line 13 nor with the output line 14: no current can flow between the line of input 13 and the output line 14 and the MEMS switch 11 is therefore open, no electrical path existing between the input line 13 and the output line 14.
  • the movement of the contact membrane 15 is obtained by electrostatic, thermal, piezoelectric or magnetic actuation (not shown).
  • the MEMS switch 11 On the , the MEMS switch 11 is in the fully open position, the contact membrane 15 being in its position furthest from the input line 13 and the output line 14.
  • the MEMS switch 11 is in another open position, the contact membrane 15 not being in contact with the input line 13 and with the output line 14, but being in a position less distant than on the .
  • the simple bending of the anchoring base 16 is sufficient to achieve contact by the contact membrane 15, in other words a single actuation means, that of the anchoring base 16, is necessary to close the MEMS switch 11.
  • other actuation means arranged at the level of the contact membrane 15 provides in this case more contact force.
  • the simple bending of the anchoring base 16 is not enough to make contact.
  • the deformation of the two branches 15a and 15b of the contact membrane 15, by a second actuation means described in more detail below also allows the contact membrane 15 to be brought together by the deformation of the anchoring base 16, to make contact with the entry line 13 and the exit line 14, if the stroke of the contact membrane 15 during maximum bending of the anchoring base 16 does not allow the branches 15a and 15b to come into contact with the input line 13 and the output line 14.
  • the contact of the branches 15a and 15b of the contact membrane 15 with the input line 13 and the output line 14 is made at the level of contact zones, respectively A1 and A2 (identified in ), more or less extended depending on the overhang of the branches 15a and 15b of the contact membrane 15 above the inlet 13 and outlet 14 lines and the height of the contact membrane 15 above above the surface of the substrate 12.
  • the contact membrane 15 can also have a contact pin (called “dimple” in English, not shown) if it provides better mechanical stability to the contact and better insulation.
  • the anchoring base 16' only partially covers the cavity 17', two elongated through holes 18' being formed on each side between the anchoring base 16' and the substrate 12', the structure of the membrane contact 15', with its two branches 15'a and 15'b and its anchoring 15'c on the anchoring base 16', the entry line 13' and the exit line 14' being identical to the structure described for the MEMS switch in Figures 1-6 and therefore not described in further detail (common elements having the same reference number with a "'" character after the associated reference number).
  • the anchoring base 16, 16' and the contact membrane 15, 15' can be deformed by any means (electrostatic, piezoelectric , magnetic, thermal).
  • the surface under the input line 13, 13' and under the output line 14, 14' at the contact zones A1 and A2 in the two variants of the first embodiment is constituted by the substrate. This surface, designated by contact zone base, is therefore non-deformable in this first embodiment.
  • the MEMS switch 101 is formed on a substrate 102, with a signal input line 103 formed integrally with the contact membrane 105, forming a bridge over the signal output line 104, formed transversely on the substrate 102 in the direction of the input line 103.
  • the output line 104 is therefore formed in the space 107 under the contact membrane 105.
  • the contact membrane 105 comprises two anchors 105c, to frame the signal output line 104.
  • the two anchors 105c are each formed on an anchor base, respectively 106a, 106b, deformable as in the first embodiment.
  • the surface under the contact zones between the contact membrane and the input 103 and output 104 lines is constituted by the substrate. This surface, designated by contact zone base, is therefore non-deformable in this second embodiment.
  • the anchoring bases 106a, 106b are not deformed, and the contact membrane 105 does not electrically connect the signal input line 103 with the signal output line 104, no electrical path being created between them.
  • the two anchoring bases 106a, 106b are deformed, with a downward bending on the causing a movement of the contact membrane 105 towards the signal output line 104, by descent of the anchors 105c downwards.
  • the actuation means present at the contact membrane 105 also provides in this case more contact force.
  • the MEMS switch 201 comprises a T-shaped contact membrane 205, comprising an anchor 205c forming the trunk of the T and two branches 205a, 205b forming the cap of the T.
  • the anchor 205c is formed directly on the substrate 202, the base of anchor, designating the surface on which the anchor 205c rests, therefore being in this embodiment non-deformable.
  • the input line 203 is formed partially on the substrate 202 and partially on a first contact zone base 206a formed partially in line with the branch 205a of the contact membrane 205
  • the output line 204 is formed partially on the substrate 202 and partially on a second contact zone base 206b formed partially in line with the branch 205b of the contact membrane 205.
  • a first actuation means allows the bending of the branches 205a, 205b of the contact membrane 205, respectively towards the input line 203 and towards the line output 204
  • a second actuation means being configured to bend the contact zone bases 206a and 206b, which allow, by their actuation, to bring the signal input line 203 closer or further away and the signal output line 204 of the branches 205a and 205b of the contact membrane 205.
  • the represents the rest position of the MEMS switch 201.
  • the distance of the contact membrane 205 relative to the signal input line 203 and to the signal output line 204 is not maximum, there is no so no connection and the MEMS switch 201 is therefore open.
  • the contact zone bases 206a and 206b are not activated to bend but the two branches 205a, 205b of the contact membrane 205 are activated to bend towards the input line 203 and the line output 204.
  • the MEMS switch 201' is in the open position: the branches 205'a and 205'b of the contact membrane 205 are not in contact with the input line 203' and with the output line 204'.
  • the MEMS switch 201' is in the fully open position: analogously to the , the deformable contact zone bases 206'a and 206'b are activated to move the input line 203' and the output line 204' away from the contact membrane 205'.
  • this embodiment does not exclude actuation of the branches 205'a and 205'b to reinforce their contact with the input line 203' and the output line 204' respectively.
  • the MEMS switch 301 is formed on a substrate 302.
  • a signal input line 303 is formed with a part on the substrate 302, a vertical part 303a and a cantilever part 303b above the substrate 302.
  • a signal output line 304 is formed with a part on the substrate 302, a vertical part 304a and a cantilever part 304b above the substrate 302.
  • the contact membrane 305 is formed in the space 308 under the cantilever parts 303b and 304b of the inlet line 303 and the outlet line 304 and has substantially the same T shape as in the first embodiment, with two branches 305a and 305b carried by an anchor 305c, corresponding to the trunk of the T, formed on a deformable anchor base 306 closing a cavity 307 (represented only in part in the Figures) formed in the substrate 302.
  • the branches 305a, 305b of the contact membrane are in contact respectively with the lower part of the parts cantilevered 303b and 304b from the input line 303 and the output line 304, forming an electrical contact between the input and the output of the MEMS switch 301, which is therefore normally closed, unlike the other modes of realization described so far.
  • the MEMS switch 301 has two deformable elements, the contact membrane 305 and the anchor base 306, an actuation of the anchor base 306 bending it towards the interior of the substrate 302, lowering the anchoring 305c and therefore the entirety of the contact membrane 305, and an actuation of the contact membrane allowing the deformation towards the substrate 302 of the branches 305a, 305b of the contact membrane 305.
  • the contact zone base is constituted by the surface of the substrate 302 under the vertical parts 303a and 304a.
  • This fifth embodiment is similar to the fourth embodiment in that the MEMS switch 401 is normally closed.
  • the MEMS switch 401 is therefore formed on a substrate 402.
  • Another substrate 408 is glued to the substrate 402 by a connection line 409.
  • the input 403 and output 404 lines are formed on the upper surface of the substrate 408, and pass through the substrate 408 via vias, respectively 403a and 404a, to form in the ceiling a space 410 between the two substrates 402 and 408 two contact pads, respectively 403b and 404b.
  • the contact membrane 405 is, as in the previous embodiment, T-shaped with two cantilever branches 405a and 405b above the upper surface of the substrate 402, carried by an anchor 405c supported by a deformable anchoring base 406 closing a cavity 407.
  • the branches of the contact membrane 405, respectively 405a, 405b are in contact with the contact pads of the input lines 403 and 404, respectively 403b and 404b, to form an electrical path between the input and the output of the MEMS switch 401.
  • the MEMS switch 401 has two actuation means, a first actuation means allowing deformation of the anchor base 406 towards the depth direction of the cavity 407, causing the anchor 405c to descend. and therefore the entirety of the contact membrane 405, and a second actuation means allowing the deformation towards the substrate 402 of the branches 405a, 405b of the contact membrane 405.
  • the contact zone base non-deformable in this embodiment, is constituted by the surface of the substrate 402 under the connection lines 409.
  • a silicon-on-insulator (SOI) substrate structure is adopted, the substrate 508 being made of silicon.
  • An insulating layer, by way of non-limiting example, of SiO 2 502 is formed on the substrate 508, with a cavity 507 formed in the layer of SiO 2 502, the cavity 507 being closed at its upper end by a layer of silicon 506, acting as a deformable anchoring base, on which rests the contact membrane 505, formed in a T with two branches 505a and 505b cantilevered above the layer 506, and a trunk 505c making anchor office, a strain of SiO 2 510 being interposed between the base of the anchor 505c and the anchor base 506.
  • the input line 503, respectively the output line 504, is formed on the layer 506, with the interposition of a layer of SiO 2 511, respectively 509.
  • the layer 506 can completely or partially close the cavity 507, without the invention being limited in this regard.
  • the input line 503, the output line 504 and the contact membrane 505 are made of a material or alloy of electrically conductive materials.
  • the contact membrane 505 can be made up of several layers, including at least one conductive one intended to come into contact with the input lines 503 and output lines 504.
  • the normally open MEMS switch 501 is in the open state.
  • the branches 505a and 505b of the contact membrane 505 are cantilevered above the inlet 503 and outlet 504 lines.
  • the MEMS switch 501 is in the closed state, with the two deformable elements (contact membrane 505 and anchoring base 506) deformed.
  • the substrate 508 being grounded, a voltage V is applied to the layer 506.
  • the voltage V can be positive or negative but is high enough for the induced electrostatic force to generate a force making it possible to deform the anchoring base 506.
  • the potential difference between the anchoring layer/base 506 and the substrate 508 constituting the first means of actuating the anchoring base 506 will cause, by electrostatic effect, a bending of the part of the layer 506 forming the anchoring base towards the inside of cavity 507.
  • the potential difference between the layer 506 and the branches 505a and 505b of the contact membrane 505 constituting a second actuation means will cause the branches 505a and 505b to be pressed respectively on the signal input line 503 and on signal output line 504.
  • a high value resistance (greater than 100 kOhms) connected to ground makes it possible to indirectly bring the ground to the contact membrane 505 when the MEMS switch 501 is open.
  • the resistance is too high to impact the transmitted electrical, electronic or radio frequency signal.
  • the first actuation means is therefore the potential difference applied between the layer 506 and the substrate 508, and the second actuation means is the potential difference between the layer 506 and the contact membrane 505.
  • the actuation described here is an actuation by electrostatic field created by potential difference, but other actuations are possible in the context of the present invention, for example piezoelectric actuation (displacement or deformation by piezoelectric effect), magnetic (controlled magnets allow deformation of the anchoring base 506 and/or a movement of the contact membrane 505) or even thermal (a controlled temperature modifies the shape of the anchoring base 506 and/or the contact membrane 505).
  • the contact zones constituted by the surface located under the part of the input line 503 and under the part of the output line 504 in contact with the contact membrane 505 on the , are formed on the substrate 508.
  • the contact zone bases defined as the surface under the contact zone, are therefore non-deformable in this embodiment.
  • the layer of SiO 2 502' formed between the substrate 508 and the layer 506' extends under the input line 503 and under the output line 504 (while in Figures 19 and 20 , the SiO 2 layer 502 is at the right of the end of the input line 503 and the output line 504) to form a narrower cavity 507'. Consequently, rectilinear parts 506'a and 506'b are formed on the projecting parts of the layer 506' relative to the ends of the input line 503 and the output line 504.
  • the two actuation means with deformation of the layer 506' by potential difference between the layer 506', to which a voltage V is applied, and the substrate 508, to ground, and deformation of the branches 505a and 505b, by potential difference between layer 506', at voltage V, and branches 505a and 505b of contact membrane 505, connected by a high resistance (>100 kOHms) to ground.
  • the branches 505a and 505b of the contact membrane 505 close the MEMS switch 501' while remaining parallel to the surface of the substrate 506. This parallelism between the SOI substrate 508 and the membrane
  • contact membrane 505 ensures a higher electrostatic field on the actuating means of the contact membrane 505 and provides better contact force. It also limits the mechanical forces of the contact membrane and allows those skilled in the art to use conventional materials.
  • Figures 22 and 23 illustrate two variants for applying a potential difference between layer 506' and contact membrane 505 and layer 506' and substrate 508.
  • a controller which can be, without limitations, any electronic circuit of the processor type, microprocessor, microcontroller, digital signal processor, programmable gate array (FPGA), specific application integrated circuit (ASIC), or even a computer, controls a voltage generator which applies the voltage V to the layer 506', the contact membrane 505 and the substrate 508 being grounded.
  • a driver controlled by a microcontroller injects a voltage V onto the layer 506', obtained by a DC/DC converter powered by a voltage 3.3V or 5V, the contact membrane 505 and the substrate 508 being grounded.
  • the cavity allowing deformation is not formed in the substrate, but above it.
  • the MEMS switch 601 comprises an insulating substrate 602, to the upper surface of which is attached a thin dielectric layer (without limitations, made of SiO 2 , SiN, Ta2O5, Al2O3).
  • the input line 603 and the output line 604, made of electrically conductive material or alloys of materials, are formed on the upper surface of the thin dielectric layer.
  • the contact membrane 605 made of electrically conductive material or alloys, is, as in the other embodiments, T-shaped with two branches 605a and 605b cantilevered above the thin dielectric layer. , and a trunk serving as a vertical anchor 605c for the contact membrane 605, the base of the vertical anchor 605c passing through the thin dielectric layer at the level of a dome 606c formed by the thin dielectric layer and defining a cavity 607c, and extends into an electrode 608 applied to the internal upper surface of the cavity 607c.
  • the upper face of the 606c dome constitutes a deformable anchoring base.
  • An electrode 609c is formed on the substrate 602 substantially to the right of the contact membrane 605, under the thin dielectric layer.
  • the input line 603 extends onto a cavity 607a formed by a dome 606a formed by the thin dielectric layer.
  • the upper face of the dome 606a constitutes a deformable contact zone base for the contact zone between the contact membrane 605 (branch 605a) and the input line 603.
  • An electrode 609a is formed at the bottom of the cavity 607a, covered by an insulating layer 610a.
  • the output line 604 extends onto a cavity 607b formed by a dome 606b formed by the thin dielectric layer.
  • the upper face of the dome 606b constitutes a deformable contact zone base for the contact zone between the contact membrane 605 (branch 605b) and the output line 604.
  • An electrode 609b is formed in the bottom of the cavity 607b, covered by an insulating layer 610b.
  • the electrodes 609a and 609b are activated by a voltage V to move the input line 603 and the output line 604 away from the contact membrane 605, the MEMS switch 601 then being in the fully open position.
  • the electrode 609c is activated by a voltage V, the other elements remaining grounded, to lower the contact membrane 605 into contact with the input line 603 and the output line 604: the MEMS switch 601 is in the closed position.
  • a MEMS switch 701 according to a seventh embodiment.
  • the MEMS switch 701 comprises a T-shaped contact membrane 705, resting on an anchor 705c.
  • the MEMS switch 701 is formed on a substrate 708 on which a layer 702 is formed, in which three cavities 707a, 707b and 707c are formed, respectively under the input line 703, the output line 704 and the anchor 705c, the cavities being covered and closed by a layer 706, insulated respectively from the entry line 703, the exit line 704 and the base of the anchoring 705c by insulating layers respectively 711, 710 and 709. Openings I in layer 706 make it possible to electrically isolate the different pieces of layer 706.
  • An encapsulation is created by a bell 713 formed for example from a thin film dielectric (in SiO 2 , SiN, Ta2O5, Al2O3 for example), defining an encapsulation space in which the switch 701 is located and creating a hermetic cavity 712 on the contact membrane 705.
  • a bell 713 formed for example from a thin film dielectric (in SiO 2 , SiN, Ta2O5, Al2O3 for example), defining an encapsulation space in which the switch 701 is located and creating a hermetic cavity 712 on the contact membrane 705.
  • This cavity 712 can in particular be filled with gas, and makes it possible to make the switch 701 more robust.
  • switch 701 is otherwise identical to what has been previously described and will not be repeated in detail here.
  • Cavity 712 includes a gas or vacuum, and may or may not be pressurized relative to the exterior of the encapsulation space.
  • the cavity present under the anchoring base on which the contact membrane is anchored may also comprise a gas or a vacuum, and may or may not be under pressure relative to the outside. of the MEMS switch.
  • the anchoring of the contact membrane will preferably be positioned at the point of maximum flexion of the anchoring base, with the aim of allowing the greatest possible travel.
  • the contact membrane 705, the anchoring base closing the cavity 707c and the contact zone bases closing the cavities 707a and 707b are deformable.
  • the means of actuation of these different deformable elements can be, without limitation, as described previously.
  • the switch 801 comprises a substrate 802 on which is formed a contact membrane 805, an input line 803, an output line 804, and two deformable contact area bases 806a, 806b, extending not as in the other embodiments under the anchoring 805c of the contact membrane 805, but under the ends of the input lines 803 and output 804 intended to come into contact with the branches 805a and 805b of the contact membrane 805 to form the areas of contact with it.
  • the anchor base the surface on which the anchor rests, is non-deformable in this embodiment.
  • the switch 801 normally closed, sees its contact membrane 805 in contact with the input lines 803 and output lines 804, the respective contact zone bases 806a and 806b being in their undeformed states.
  • the actuation means present at the level of the contact membrane 805 also provides in this case more contact force.
  • the switch 801 is in the open position, with the contact zone bases 806a and 806b deformed by downward bending, in a manner analogous to what has been described in connection with the previous embodiments, to move the lines of input 803 and output 804 of the contact membrane 805, to obtain an open position of the MEMS switch 801.
  • a MEMS switch 901 is shown according to a tenth embodiment, representing a combination of the ninth embodiment with the previous embodiments.
  • the switch 901 in SOI structure, has a silicon substrate 908, a layer of SiO 2 902 in which cavities 907a, 907b, 907c are formed covered by a layer of silicon to form three deformable bases , respectively contact zone bases 906a, 906b and an anchoring base 906c, electrically isolated from each other respectively by openings I formed in the silicon layer.
  • the first contact zone base 906a is located under the end of the input line 903
  • the second anchor base 906c is located under the anchor 905c of the contact membrane 905
  • the third contact zone base 906b located under the end of the output line 904.
  • the contact membrane 905, comprising its branches 905a, 905b and its anchoring 905c is made of a material or alloy of electrically conductive materials, just like the input line 903 and the output line 904.
  • the contact membrane 905 can consist of a stack of several materials or even have a waveguide structure as described above with reference to the .
  • SiO 2 layers 909, 910 and 911 are formed respectively under the output line 904, the anchor 905c and the input line 903.
  • the contact membrane 905 is indirectly connected to ground via a high resistance (>100kOhms), the contact zone bases 906a, 906b, the anchoring base 906c, and the substrate 908 are directly connected to the mass.
  • switch 901 is in the closed position.
  • the contact zone bases 906a and 906b respectively under the input line 903 and the output line 904, are put at voltage V, the other elements, including the contact membrane 905, are directly or indirectly maintained to the mass.
  • the deformation of the contact zone bases 906a and 906b downwards moves the input line 903 and the output line 904 away from the branches 905a and 905b of the contact membrane 905, leading to a second open position of the switch 901, in which the insulation obtained is stronger: the MEMS switch 901 is in the fully open position.
  • this embodiment where a deformable contact zone base is arranged under the signal lines is also applicable to cases where the contact membrane is linked to the input or output line, the zone base deformable contact then being arranged under the line among the input line and the output line which is not linked to the contact membrane.
  • the potential difference between the anchor base 906c and the contact membrane also provides more contact force in this case.
  • Table 1 indicates some of the possible configurations permitted by a MEMS switch according to the present invention, top representing that the element considered is deformable with an upward deformation, bottom representing that the element considered is deformable with a downward deformation , - representing the fact that the element is not deformable, NO representing a normally open type switch, NF representing a normally closed type switch, + an improvement of the parameter considered compared to the state of the art, + + a strong improvement of the parameter considered compared to the state of the art.
  • a switch 1000 is shown, consisting of several MEMS switches 1002, 1003, 1004 according to one or more of the embodiments described above.
  • the MEMS switches 1002, 1003 and 1004 of the switch 1000 are of the SOI type, as described with reference to Figures 19 to 23, with a silicon substrate 1001, input/output lines 1008, 1009, 1010, 1011, switches 1002, 1003, 1004 made of material or alloys of electrically conductive materials, and a layer of SiO 2 1005 in which the cavities 1012, 1013, 1014 are formed closed by the bases formed by the parts of the silicon layer 1006 on on which rest the anchors of the MEMS switches 1002, 1003 and 1004.
  • a layer of SiO 2 1007 is interposed between the input/output lines 1008, 1009, 1010, 1011 and the layer 1006 and between the anchors of the MEMS switches 1002, 1003 and 1004 and layer 1006.
  • the switch 1000 is made up of several MEMS switches 1002, 1003, 1004 in series and in parallel, making it possible to support higher current and voltage levels than a single MEMS switch, and greater switching possibilities.
  • the invention is obviously not limited to this architecture and any switch can be designed from a MEMS switch matrix according to any one or more of the embodiments of the invention, in series and/or in parallel.
  • this switch 1000 can be formed with an application specific integrated circuit (ASIC) 1020, which can control the switching of each individual MEMS switch of the switch 1000 and can also serve as protection against electrostatic discharge (ESD), for conversion DC/DC, a charge pump, protection during switching or even the integration of sensors.
  • ASIC application specific integrated circuit

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Abstract

Commutateur MEMS à multiples déformations et commutateur comprenant un ou plusieurs commutateurs MEMS L'invention a pour objet un commutateur à systèmes microélectromécaniques (MEMS) (201'), comprenant un substrat (202'), au moins une ligne d'entrée de signal (203'), au moins une ligne de sortie de signal (204'), au moins une zone de contact formée sur un socle de zone de contact (206'a, 206'b) solidaire du substrat, une membrane de contact (205') maintenue par au moins un socle d'ancrage (206'c) solidaire du substrat, dans lequel pour chaque zone de contact, la membrane de contact (205') constituant une première entité, le socle de contact (206'a, 206'b) constituant une deuxième entité et l'au moins un socle d'ancrage (206'c) constituant une troisième entité, au moins deux entités parmi la première entité, la deuxième entité et la troisième entité sont déformables, chacune par un moyen d'actionnement indépendant, pour rapprocher ou éloigner la membrane de contact de la zone de contact.

Description

Commutateur MEMS à multiples déformations et commutateur comprenant un ou plusieurs commutateurs MEMS
La présente invention concerne le domaine des systèmes microélectromécaniques, désignés par l’acronyme MEMS, et porte plus particulièrement sur un commutateur MEMS ayant au moins deux éléments déformables et sur un commutateur comprenant un ou plusieurs commutateurs MEMS selon l’invention.
Le commutateur MEMS selon la présente invention peut être tout type de commutateur permettant, selon son état, de bloquer ou véhiculer un signal électrique ou électronique, quels que soient sa forme d’onde, sa fréquence, son niveau de puissance. Ceci peut être par exemple, sans limitations :
- un commutateur électrique (aussi appelé télérupteur ou contacteur électrique) permettant le routage de signaux continus (CC) ou alternatifs (CA) d’un appareil ou d’un réseau électrique (12V-5000 V, 1-200 A, DC-50 Hz) ;
- un disjoncteur permettant de couper l’alimentation d’une installation au moment d’une surcharge ou d’un court-circuit électrique ;
- un commutateur électronique permettant le contrôle de signaux digitaux de faible puissance (5 V, 0,5 A) ;
- un commutateur radiofréquences (RF) de type ohmique ou capacitif permettant de réaliser des opérations de commutation sur une impédance 50 Ohms ou 75 Ohms sur des signaux pouvant atteindre jusqu’à 200 GHz.
Les systèmes électriques ou radiofréquences actuels évoluent vers des architectures plus sobres énergétiquement, plus complexes et plus denses. Ainsi, les composants réalisant des fonctions électroniques essentielles comme les commutateurs se retrouvent démultipliés et doivent satisfaire de nouvelles contraintes :
- de coût (taille, matière, procédés de fabrication…) ;
- de performance (tenue en puissance, fréquence de fonctionnement, consommation d’énergie…) ;
- de fiabilité (nombre de commutations, tenue en température, tenue aux vibrations…).
La technologie de commutateur MEMS dispose naturellement d’atouts intéressants pour répondre à la demande, à savoir une isolation galvanique, un contact purement métallique et une taille suffisamment réduite pour pouvoir être produite en volume à moindre coût.
La structure d’un commutateur MEMS comprend généralement un élément déformable (en tout ou partie métallique ou semi-conducteur) suspendu en vis-à-vis d’un substrat (en tout ou partie isolant ou semi-conducteur) et solidaire du substrat au moyen d’au moins un ancrage. Il peut s’agir par exemple d’une poutre (en anglais cantilever beam ou plus simplement beam ou parfois par raccourci cantilever) ou d’une membrane, qui doit pouvoir être déformable entre deux états : un premier état dans lequel un contact électrique est réalisé par l’élément déformable entre une ligne d’entrée de signal et une ligne de sortie de signal du commutateur MEMS, et un second état dans lequel une isolation électrique est réalisée par l’élément déformable entre la ligne d’entrée de signal et la ligne de sortie de signal du commutateur MEMS.
Un commutateur MEMS idéal doit à la fois garantir une isolation électrique infinie à l’état ouvert et permettre un contact électrique parfait à l’état fermé. Pour s’en rapprocher, les ingénieurs doivent soit faire des compromis sur les performances, soit concevoir des membranes plus volumineuses et utiliser des matériaux spécifiques qui impactent directement les coûts de fabrication.
Les documents FR3090615B1, WO9963562A1, EP1535296A1, EP1535297A1, WO200778589A1, EP1840924A2, EP1850360A1, EP3378087A1, US20200102213A1, US6701779B2 décrivent l’état de la technique dans le domaine.
Les Demandeurs ont donc cherché à résoudre ce problème, en proposant un commutateur MEMS permettant d’accentuer la force sur le contact électrique à l’état fermé et/ou d’augmenter l’isolation électrique à l’état ouvert, en introduisant au moins deux éléments déformables supplémentaires solidaires du substrat, notamment formés dans le substrat ou sur le substrat utilisé pour la fabrication du commutateur MEMS.
La présente invention a donc pour objet un commutateur à systèmes microélectromécaniques (MEMS), comprenant :
- un substrat,
- au moins une ligne d’entrée de signal,
- au moins une ligne de sortie de signal,
- au moins une zone de contact formée sur un socle de zone de contact solidaire du substrat, chaque zone de contact étant électriquement connectée à l’au moins une ligne d’entrée ou à l’au moins une ligne de sortie,
- une membrane de contact maintenue en regard de chaque zone de contact par l’un parmi un ancrage formé sur un socle d’ancrage solidaire du substrat et plusieurs ancrages formés sur au moins un socle d’ancrage solidaire du substrat,
le commutateur MEMS étant configuré pour ouvrir ou fermer un chemin électrique entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie par au moins une zone de contact,
le commutateur étant en position fermée lorsqu’un courant électrique circule d'au moins une ligne d’entrée vers au moins une ligne de sortie par contact de la membrane de contact sur au moins une zone de contact et en position ouverte lorsque l’ensemble des lignes d’entrées sont électriquement isolées de l’ensemble des lignes de sortie par absence de contact de la membrane de contact avec l’ensemble des zones de contact,
caractérisé par le fait que pour chaque zone de contact, la membrane de contact constituant une première entité, le socle de contact constituant une deuxième entité et l’au moins un socle d’ancrage constituant une troisième entité, au moins deux entités parmi la première entité, la deuxième entité et la troisième entité sont déformables, chacune par un moyen d’actionnement indépendant, pour rapprocher ou éloigner la membrane de contact de la zone de contact, pour faire passer la membrane de contact d’une position initiale ouverte à une position fermée ou d’une position initiale fermée à une position ouverte et accentuer au moins l’une parmi l’isolation dans la position ouverte et la force de contact dans la position fermée.
La membrane de contact est donc au moins partiellement conductrice pour permettre de former un chemin électrique entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie lorsque la membrane de contact est en position fermée.
Le socle d’ancrage est défini comme la surface d’un matériau sur laquelle s’appuie un ancrage ou s’appuient plusieurs ancrages afin de le(s) soutenir, le socle d’ancrage pouvant être déformable ou non. Lorsque le socle d’ancrage n’est pas déformable, il peut notamment mais non exclusivement être constitué par la surface du substrat située sous l’ancrage considéré ou par une surface solidaire du substrat.
Le socle de zone de contact est défini comme la surface d’un matériau sur laquelle s’appuie la zone de contact afin de la soutenir, le socle de zone de contact pouvant être déformable ou non. Lorsque le socle de zone de contact n’est pas déformable, il peut notamment mais non exclusivement être constitué par la surface du substrat située sous la zone de contact considérée ou par une surface solidaire du substrat.
Ainsi, pour chaque zone de contact d’un commutateur MEMS selon l’invention, au moins deux entités parmi la membrane de contact, le socle de zone de contact et l’au moins un socle d’ancrage sont déformables. Au sein d’un même commutateur ayant plusieurs zones de contact, chaque zone de contact peut avoir des éléments déformables différents, en fonction de l’application envisagée.
Les moyens d’actionnement de chaque entité déformable sont physiquement indépendants mais peuvent être électriquement connectés entre eux lorsqu’ils permettent d’améliorer ensemble un état du commutateur et présentent le même signal électrique de commande. Les moyens d’actionnement peuvent être de nature électrostatique et/ou thermique et/ou piézoélectrique et/ou magnétique.
De ce fait, lorsque l’état de la technique représenté sur les Figures A1 et A2 présente un commutateur MEMS 1 formé sur un substrat 2 avec une poutre MEMS 5, qui prolonge une ligne d’entrée de signal 3, et une ligne de sortie de signal 4, le contact de la poutre MEMS 5 avec la ligne de sortie de signal 4 étant fermé par un actionnement électrostatique par une électrode (non représentée), et la distance (gap en anglais) au repos entre la poutre MEMS 5 et la ligne de sortie de signal 4 étant g0, la force de contact Fc est définie par :
Fc = a.Fe –k. Δx,
avec a un coefficient pondérateur lié au design de l’électrode, Fe la force électrostatique générée sur la poutre MEMS 1 par l’électrode, k la constante de raideur de la poutre MEMS 5 et Δx=g0 la course réalisée par le contact entre l’état ouvert et l’état fermé.
Dans le cadre de l’invention dont le principe général est représenté sur les Figures B1 et B2, les éléments identiques à ceux des Figures A1 et A2 portant le même chiffre de référence, un socle d’ancrage 6a placé sous l’ancrage 5c d’une poutre MEMS 5 strictement identique à celle décrite en liaison avec les Figures A1 et A2 peut réduire la course entre la membrane de contact 5 et la ligne de sortie de signal 4 à Δx=0 et permettre à la force de contact de bénéficier pleinement de la force électrostatique de telle sorte que :
Fc = a.Fe
Cet avantage a pour conséquence une diminution de la résistance de contact et donc une amélioration de la tenue en courant de passage du commutateur.
De la même manière, lorsque l’état de la technique présente une poutre MEMS dont le contact est ouvert par un espace (gap en anglais) « g0 » compris entre 0,1 et 5 µm, la tenue diélectrique Vb du commutateur peut être approchée (voir par exemple « The Transition to Paschen’s Law for Microscale Gas Breakdown at Subatmospheric Pressure » - La transition vers la loi de Paschen pour la décomposition des gaz à l'échelle microscopique à une pression subatmosphérique, Loveless, A.M., Meng, G., Ying, Q. et al., Sci Rep 9, 5669 (2019)) par :
Vb ~ 375+25.g0
avec Vb la tension de claquage en Volts et g0 le gap initial en µm.
Dans le cadre de l’invention, un socle de zone de contact 6b placé sous la zone de contact d’une poutre MEMS 5 avec la ligne de sortie 4 peut accentuer la distance entre les contacts en apportant un espace additionnel Δg entre la membrane de contact 5 et la ligne de sortie de signal 4 lorsque le socle de zone de contact 6b est déformé comme en Figure B1 de telle sorte que :
Vb ~ 375+25.(g0+Δg), la tenue diélectrique s’en retrouvant améliorée.
Ainsi, l’invention permet de concevoir des commutateurs MEMS plus performants à dimensions égales à ceux de l’état de la technique, ou aussi performants à dimensions réduites.
Le commutateur de la présente invention peut être normalement ouvert ou normalement fermé.
Dans cette invention, la membrane de contact réalise généralement dans sa position fermée la liaison électrique entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie en au moins une zone de contact et permet de véhiculer un signal électrique, électronique ou radiofréquence sur un chemin électrique ainsi créé par la membrane de contact entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie. Dans le cas particulier d’un commutateur RF, il est également possible que la membrane de contact vienne toucher une zone de contact en diélectrique et former une capacité MIM (Métal Isolant Métal ou Metal Insulator Metal en anglais) avec la ligne de sortie pour permettre aux signaux RF de mieux circuler de l’entrée vers la sortie.
Par membrane de contact déformable, on entend une membrane conçue pour être apte à fléchir lors d’un actionnement de type électrostatique, thermique, piézoélectrique ou magnétique.
La membrane de contact peut prendre n’importe quelle forme : ligne droite, ligne brisée (angle formé entre le côté entrée et le côté sortie de la membrane de contact), avoir plus de deux branches, etc., et peut disposer d’un ou plusieurs pions de contact (appelés « dimple » en anglais). La membrane de contact peut également être constituée de plusieurs couches de matériaux dont au moins un est conducteur. La membrane peut aussi intégrer un guide d’ondes entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie, comme décrit dans la demande de brevet européen EP 3465724, incorporée par référence dans la présente demande.
Avantageusement, le moyen d’actionnement de la membrane de contact permet d’exercer une pression supplémentaire sur la zone de contact, la déformation du socle d’ancrage lorsqu’il est déformable permettant de fermer le contact sans pour autant créer de déflexion sur la membrane de contact (Figure B2).
Ainsi l’invention permet également de limiter les efforts mécaniques sur la membrane de contact qui de fait pourra être réalisée à partir de matériaux conducteurs d’électricité conventionnels moins chers (Al, Cu, AlCu).
Toujours dans cette invention, les socles d’ancrage et les socles de zone de contact permettent lorsqu’ils sont déformables d’éloigner ou de rapprocher jusqu’à provoquer un contact entre la membrane de contact et l’au moins une zone de contact en vis-à-vis.
Le socle d’ancrage ou de zone de contact est solidaire du substrat. Il peut être situé :
- directement à la surface du substrat de base (Bulk en anglais),
- à la surface d’une couche ou d’un ensemble de couches de matériaux recouvrant le substrat de base, ou
- à la surface d’une couche ou d’un ensemble de couches de matériaux ancré sur le substrat et suspendu en regard du substrat de base.
Par socle déformable, on entend la surface d’une couche de matériau solidaire du substrat, capable d’être déformée (une membrane par exemple) par un moyen d’actionnement de type électrostatique, thermique, piézoélectrique ou magnétique existant.
Par socle non déformable, on entend la surface d’une couche de matériau conçu pour rester immobile et ne disposant pas de moyen d’actionnement propre.
Un commutateur peut être constitué de plusieurs socles d’ancrage déformables et/ou de plusieurs socles de zone de contact déformables pour une même membrane de contact du moment que la déformation des socles permet d’éloigner ou de rapprocher la membrane de contact avec au moins une zone de contact en vis-à-vis.
Le socle d’ancrage déformable ou de zone de contact déformable peut être à la surface d’une membrane solidaire du substrat et peut prendre n’importe quelle forme (rectangulaire, circulaire…).
Lorsqu’il est déformable, le socle d’ancrage ou de zone de contact peut être situé à la surface d’une membrane recouvrant une cavité définie en surface ou au sein du substrat de base (Bulk en anglais).
Le socle d’ancrage ou de zone de contact est avantageusement constitué d’un matériau stable thermiquement et mécaniquement, peu sensible au fluage et à la fatigue. Le socle n’est pas nécessairement un bon conducteur.
Par exemple, pour un substrat de structure Silicium sur Isolant (SOI), le socle d’ancrage ou de zone de contact lorsqu’il est déformable est constitué à la surface d’une fine couche de silicium suspendue au-dessus d’une cavité définie au sein de l’isolant, la base de silicium (Bulk) constituant le fond de la cavité. Dans cette configuration, une différence de potentiel entre le fond de la cavité et le socle crée une force électrostatique qui déforme le socle. La fine couche de silicium est avantageusement du silicium monocristallin connu pour sa stabilité en température et sa robustesse mécanique.
Dans d’autres configurations, lorsque le socle d’ancrage ou de zone de contact est déformable, il est constitué par une couche isolante, des électrodes pouvant être formées sur la surface inférieure du socle, en regard du fond de la cavité, pour former comme dans le cas précédent une différence de potentiel entre les électrodes et le fond de la cavité permettant de défléchir le socle par actionnement électrostatique.
Dans les deux cas, le moyen d’actionnement électrostatique, le socle ou des électrodes formées sur la face inférieure du socle, est parallèle à la surface formant le fond de la cavité.
Le fait que la cavité soit fermée hermétiquement permet de la remplir de gaz ou de faire le vide, pour rendre l’actionnement des socles plus robuste, notamment aux phénomènes de claquage.
La surface de chaque socle déformable est avantageusement parallèle à la surface de la membrane de contact, par simplicité de réalisation.
Ainsi, par rapport à l’état de la technique indiqué ci-avant, le commutateur MEMS de la présente invention confère au moins l’un des avantages suivants :
- la possibilité d’utiliser des matériaux communs sans dégradation de la fiabilité et des performances,
- une plus grande force de contact lorsque le commutateur est fermé,
- une distance d’isolation entre les contacts plus importante lorsque le commutateur est ouvert.
Par la plus grande force de contact à l’état fermé, le commutateur MEMS selon la présente invention est capable de véhiculer plus de courant électrique qu’un commutateur MEMS selon l’état de la technique.
Par ailleurs, par la plus grande capacité d’isolation à l’état complètement ouvert, le commutateur MEMS selon la présente invention est capable d’isoler plus de tension électrique qu’un commutateur MEMS selon l’état de la technique.
Par sa capacité à intégrer des matériaux conventionnels, le commutateur MEMS de la présente invention est potentiellement moins cher à fabriquer que des commutateurs MEMS de l’état de la technique ayant les mêmes performances.
Selon un mode de réalisation, la membrane de contact est reliée à l’une parmi l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie. Le contact ne se fait ainsi qu’entre la membrane de contact et l’au moins une ligne parmi l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie avec laquelle la membrane de contact n’est pas reliée. Ce contact est réalisé au niveau de la zone de contact. La ligne peut être réalisée, sans limitations, en or, en cuivre, en aluminium ou par un alliage conducteur. La zone de contact peut être sur la ligne d’entrée ou de sortie correspondante, donc comme elle en or en cuivre, en aluminium ou par un alliage conducteur, ou de préférence mais sans limitations, être réalisée distincte de la ligne d’entrée ou de sortie correspondante mais formée sur celle-ci, la zone de contact étant alors en ruthénium, tungstène, platine. Lorsque le substrat est semi-conducteur, les lignes d’entrée et de sortie peuvent être isolées du substrat par une couche diélectrique, par exemple, de type oxyde (SiO2) ou nitrure (SiN, AlN).
Selon un mode de réalisation, la membrane de contact est isolée de l’au moins une ligne d’entrée et de l’au moins une ligne de sortie dans la position ouverte, de préférence complètement ouverte. Ainsi, la membrane de contact doit venir en contact avec à la fois l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie pour obtenir une liaison électrique dans la position fermée, au niveau d’au moins une zone de contact membrane de contact/ligne d’entrée et d’au moins une zone de contact membrane de contact/ligne de sortie.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie sont formées sur le substrat.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie sont formées parallèlement au substrat, sur l’un parmi un substrat secondaire collé en regard du substrat et un ancrage solidaire du substrat. Le substrat secondaire peut être isolant ou semi-conducteur. Le collage est par collage de tranche et peut s’effectuer sans limitations par un scellement anodique, eutectique, direct, ou par verre fritté.
Selon un mode de réalisation, chaque socle déformable, que ce soit un socle d’ancrage ou un socle de zone de contact, est constitué par une membrane de cavité recouvrant au moins partiellement un trou formé dans le substrat pour constituer une cavité recouverte au moins partiellement par le socle. Le socle peut ainsi recouvrir tout ou partie de la cavité.
Selon un mode de réalisation, le substrat est de type silicium sur isolant, la membrane de cavité étant en silicium, la cavité étant formée entre une première couche de silicium constituée par le substrat et une deuxième couche de silicium constituée par la membrane de cavité, le moyen d’actionnement de la membrane de cavité étant configuré pour appliquer une différence de potentiel entre le substrat et la membrane de cavité pour un actionnement électrostatique de la membrane de cavité, la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de cavité.
Sans limitations, d’autres type de substrats peuvent intégrer des cavités et être utilisés dans le cadre de la présente invention :
- POI (piézoélectrique sur isolant – piezo on insulator), ce qui nécessite des électrodes sur le matériau piézoélectrique et un dispositif d’application de tension sur les électrodes en tant que moyen d’actionnement,
- GeOI (Germanium sur isolant - Germanium on Insulator), le moyen d’actionnement étant encore un dispositif d’application de différence de potentiel,
- GOI (GaAs sur isolant - GaAs on insulator), le moyen d’actionnement étant encore un dispositif d’application de différence de potentiel,
- SoG (silicium sur verre - Silicon on Glass), ce qui nécessite des électrodes sur le verre (la base du substrat étant isolante), le moyen d’actionnement étant encore un dispositif d’application de différence de potentiel.
L’actionnement électrostatique a l’avantage d’être compact, de consommer peu d’énergie, d’être rapide et de présenter une bonne stabilité en température par rapport aux autres moyens d’actionnement (thermiques, magnétiques, piézoélectriques…). On pourra voir par exemple A Review of Actuation and Sensing Mechanisms in MEMS-Based Sensor Devices (Etude des mécanismes d'actionnement et de détection dans les dispositifs de détection à base de MEMS), Algamili, A.S., Khir, M.H.M., Dennis, J.O. et al., Nanoscale Res Lett 16, 16 (2021).
Selon un mode de réalisation, chaque socle est constitué par une membrane de cavité portée par des ancrages de membrane de cavité solidaires du substrat pour être suspendue en regard du substrat et former une cavité au moins partiellement fermée entre le substrat, la membrane de cavité et ses ancrages, le moyen d’actionnement de la membrane de cavité étant configuré pour appliquer une différence de potentiel entre la membrane de cavité et la surface du substrat pour un actionnement électrostatique de la membrane de cavité, la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de cavité. La membrane de cavité peut être réalisée sans limitations en diélectrique (SiN, SiO2, Ta2O5), en métal, en semiconducteur ou par un ensemble de couches de matériaux, tant que l’actionnement électrostatique est rendu possible.
Selon un mode de réalisation, le moyen d’actionnement de la membrane de contact est configuré pour appliquer une différence de potentiel entre la membrane de contact et la surface située sous la membrane de contact pour un actionnement électrostatique de la membrane de contact, la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de contact.
Selon un mode de réalisation, le moyen d’actionnement de la membrane de contact est électrostatique et il est mis en œuvre par une électrode disposée en regard de la membrane de contact. L’électrode peut être, sans limitations, réalisée à partir d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un matériau résistif.
Ainsi, lorsque le socle est déformable, que ce soit un socle d’ancrage ou de zone de contact, une tension appliquée entre le socle et le substrat crée une force d’attraction entre le socle et le substrat qui fléchit le socle, entraînant l’ancrage de la membrane de contact pour un socle d’ancrage ou la zone de contact pour un socle de zone de contact, une force d’attraction supplémentaire étant en outre créée entre la membrane de contact et la surface supérieure du socle, pour garantir un contact optimisé et maximal de la membrane de contact sur l’au moins une ligne d’entrée et/ou l’au moins une ligne de sortie.
A taille de membrane équivalente, la présente invention s’appuie sur une surface d’actionnement électrostatique plus grande par rapport à un commutateur MEMS de l’état de la technique, ce qui induit une plus grande force de contact et une résistance (Ron) plus faible lors du contact de la membrane de contact avec l’au moins une ligne d’entrée et/ou l’au moins une ligne de sortie, l’actionnement électrostatique pouvant se faire à la fois par la membrane de contact et par un ou plusieurs socles.
D’autres moyens d’actionnement sont toutefois également envisagés dans le cadre de la présente invention qui n’est pas limitée à cet égard : actionnement par déplacement de la membrane de contact par effet piézoélectrique, par voie thermique, par voie magnétique. Ces alternatives d’actionnement sont bien connues de l’homme du métier.
Selon un mode de réalisation, la membrane de contact est encapsulée dans un espace d’encapsulation, de préférence hermétique, formé par l’un parmi un collage de tranche et un film mince. Le substrat utilisé pour l’encapsulation par collage de tranche peut être, sans que cela soit limitatif, semiconducteur (silicium) ou isolant (verre). Le collage de tranche peut s’effectuer par un scellement anodique, eutectique, direct, ou par verre fritté. L’encapsulation par film mince peut notamment mais non exclusivement être réalisée par un oxyde (SiO2) ou un nitrure (SiN).
Selon un mode de réalisation, l’espace d’encapsulation de la membrane de contact contient l’un parmi un gaz et du vide. Le gaz peut notamment, mais non exclusivement, être constitué d’Argon, d’Azote, d’Oxygène, de SF6 ou leurs mélanges, sous différents niveaux de pression.
Selon un mode de réalisation, chaque cavité est fermée, de préférence hermétiquement, et contient l’un parmi un gaz et du vide. Le gaz peut notamment, mais non exclusivement, être constitué d’Argon, d’Azote, d’Oxygène, de SF6 ou leurs mélanges, sous différents niveaux de pression.
Selon un mode de réalisation, chaque ancrage de la membrane de contact est formé sur ou au voisinage du point de flexion maximal du socle d’ancrage lorsque le socle d’ancrage est déformable et chaque zone de contact est formée sur ou au voisinage du point de flexion maximal du socle de zone de contact lorsque le socle de zone de contact est déformable. Une déformation maximale dans la position socle déformé est ainsi obtenue. Les ancrages et les zones de contact peuvent également toutefois être en d’autres points du socle associé, pour autant que la position de déformation maximale en ce point permette un éloignement ou un rapprochement significatif, notamment d’au moins un dixième de la distance initiale (gap en anglais) séparant la zone de contact et la membrane de contact.
Selon un mode de réalisation, le moyen d’actionnement de la membrane de contact est formé sous la membrane de contact à la surface du substrat sur le socle ou en dehors du socle. Lorsque le moyen d’actionnement de la membrane de contact est formé en dehors du socle, la membrane de contact conserve son parallélisme avec l’électrode en cas de déflexion du socle lors de son déplacement vers la zone de contact, avec ou sans fléchissement de la membrane de contact par actionnement de celle-ci, permettant d’obtenir une plus grande force de contact à l’état fermé.
Il est à noter que, selon la présente invention, il est également possible d’envisager une membrane de contact entrant en contact avec plusieurs lignes d’entrée et/ou plusieurs lignes de sortie définissant plusieurs chemins électriques entre l’entrée et la sortie du commutateur MEMS, situées à différents niveaux de hauteurs dans la course de la membrane de contact entre sa position fermée et sa position complètement ouverte, les différentes positions de la membrane de contact entre ses deux positions extrémales permettant d’activer tout ou partie des chemins électriques en fonction de la position de la membrane.
La présente invention a également pour objet un commutateur, caractérisé par le fait qu’il comprend un ou plusieurs commutateurs MEMS tels que décrits ci-dessus, agencés entre eux selon une configuration parmi en parallèle, en série et à la fois en parallèle et en série. Un commutateur formé de plusieurs commutateurs MEMS élémentaires tels que décrits ci-dessus est ainsi formé, permettant de répartir les courants sur plusieurs commutateurs élémentaires pour obtenir un commutateur supportant un plus fort courant, mais aussi de répartir les tensions sur les commutateurs disposés en série pour améliorer la tenue diélectrique du composant.
Selon un mode de réalisation, le commutateur comprend en outre un circuit de commande intégré au substrat, de préférence sous la forme d’un circuit intégré à application spécifique (ASIC). Le circuit de commande permet ainsi de commander, pour chaque commutateur élémentaire, les au moins deux moyens d’actionnement, et peut avoir d’autres fonctions, comme par exemple, sans que la liste ne soit exhaustive, une protection contre les décharges électrostatiques (ESD), une conversion CC/CC, une pompe de charge, une protection lors de la commutation ou encore l’intégration de capteurs.
Pour mieux illustrer l’objet de la présente invention, plusieurs modes de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, vont maintenant être décrits, en liaison avec les dessins annexés.
Sur ces dessins :
représente un schéma de principe d’un commutateur MEMS selon l’état de la technique, dans la position ouverte.
représente un commutateur selon la Figure A1 dans la position fermée.
représente un schéma de principe d’un commutateur MEMS selon l’invention, dans la position ouverte.
représente un commutateur selon la Figure B1 dans la position fermée.
représente un commutateur MEMS selon un premier mode de réalisation de l’invention, en vue de côté en position ouverte.
représente le commutateur MEMS de la vu selon la coupe AA de la .
représente le commutateur MEMS de la vu de dessus.
représente le commutateur MEMS de la en vue de côté en position fermée.
représente le commutateur MEMS de la en vue de côté en position plus ouverte que sur la .
représente le commutateur MEMS de la en vue de côté dans encore une autre position ouverte.
représente le commutateur MEMS de la dans une autre position fermée.
est une figure analogue à la d’une variante du commutateur MEMS selon le premier mode de réalisation, avec une cavité partiellement ouverte.
est une figure analogue à la de la variante du commutateur MEMS selon le premier mode de réalisation, avec une cavité partiellement ouverte.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un second mode de réalisation de la présente invention.
est une vue analogue à la du commutateur MEMS selon le second mode de réalisation.
est une vue analogue à la du commutateur MEMS selon le second mode de réalisation.
est une vue analogue à la du commutateur MEMS selon le second mode de réalisation.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un troisième mode de réalisation de la présente invention en position de repos.
est une vue du commutateur de la en position complètement ouverte.
est une vue du commutateur de la en position fermée.
est une vue d’une variante du commutateur de la en position de repos.
est une vue du commutateur de la en position complètement ouverte.
est une vue du commutateur de la en position fermée.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un quatrième mode de réalisation de la présente invention en position fermée.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon le quatrième mode de réalisation de la présente invention en position ouverte.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un cinquième mode de réalisation de la présente invention en position fermée.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon le cinquième mode de réalisation de la présente invention en position ouverte.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un sixième mode de réalisation de la présente invention en position ouverte.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon le sixième mode de réalisation de la présente invention dans une position fermée.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon une variante du sixième mode de réalisation de la présente invention, dans la position fermée.
est une vue schématique représentant un premier circuit de commande d’un commutateur MEMS selon la variante du sixième mode de réalisation.
est une vue schématique représentant un second circuit de commande d’un commutateur MEMS selon la variante du sixième mode de réalisation.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un septième mode de réalisation de la présente invention dans la position de repos.
est une vue du commutateur MEMS de la dans la position complètement ouverte.
est une vue du commutateur MEMS de la dans la position complètement fermée.
est une vue analogue à la d’un commutateur MEMS selon un huitième mode de réalisation de la présente invention en position ouverte.
est une représentation schématique d’un commutateur MEMS selon un neuvième mode de réalisation, en position fermée.
est une représentation schématique d’un commutateur MEMS selon le neuvième mode de réalisation en position ouverte.
est une représentation schématique d’un commutateur MEMS selon un dixième mode de réalisation dans une première position ouverte.
est une représentation schématique d’un commutateur MEMS selon le dixième mode de réalisation dans la position fermée.
est une représentation schématique d’un commutateur MEMS selon le dixième mode de réalisation dans une seconde position ouverte.
est une vue de côté d’un commutateur selon la présente invention, à base de commutateurs MEMS.
est une vue de dessus du commutateur de la .
est un schéma électrique équivalent du commutateur de la .
est une représentation schématique d’un composant intégrant un commutateur de la .
Les Figures A1, A2, B1 et B2 ayant déjà été décrites en préambule ne seront donc pas décrites à nouveau.
Si l’on se réfère aux Figures 1 à 6, un commutateur MEMS 11 selon un premier mode de réalisation de l’invention en vue de côté dans plusieurs positions, en vue de face selon la ligne AA de la et en vue de dessus est représenté.
Le commutateur MEMS 11 est formé sur un substrat 12. Une ligne d’entrée de signal 13 et une ligne de sortie de signal 14 sont formées à la surface du substrat 12. Bien qu’une seule ligne d’entrée de signal 13 et une seule ligne de sortie de signal 14 aient été représentées, l’invention n’est pas limitée à cet égard et peut trouver à s’appliquer à plusieurs lignes d’entrée de signal et/ou plusieurs lignes de sortie de signal, l’homme du métier sachant concevoir l’architecture du commutateur MEMS en correspondance.
Une membrane de contact 15, ayant ici la forme d’un T avec deux éléments en porte-à-faux 15a et 15b, est formée sur un socle d’ancrage 16 recouvrant une cavité 17 formée dans le substrat 12.
La membrane de contact 15 est ancrée sur le socle d’ancrage 16 au moyen d’un ancrage 15c, constituant le tronc du T, formé sur la surface supérieure du socle d’ancrage 16.
Dans ce mode de réalisation, le socle d’ancrage 16 est déformable par un premier moyen d’actionnement, décrit plus en détail ci-après, soit en fléchissement vers le bas comme sur les Figures 4, 5B et 6, soit en fléchissement vers le haut comme sur la . Il est bien entendu que la membrane de contact 15 et le socle d’ancrage 16 peuvent être indépendamment l’un de l’autre pré-contraints et donc être initialement défléchis vers le haut, vers le bas, ou non défléchis. L’homme du métier saura choisir en fonction de l’application la position initiale du socle d’ancrage 16, et le moyen d’actionnement permettant de déformer le socle d’ancrage 16 dans toutes les positions illustrées.
La membrane de contact 15 réalise la connexion électrique entre la ligne d’entrée de signal 13 (également appelée par raccourci dans la présente demande ligne d’entrée) et la ligne de sortie de signal 14 (également appelée par raccourci dans la présente demande ligne de sortie).
Ainsi, sur les Figures 1, 2 et 5A-5B, la membrane de contact 15 n’est en contact ni avec la ligne d’entrée 13, ni avec la ligne de sortie 14 : aucun courant ne peut circuler entre la ligne d’entrée 13 et la ligne de sortie 14 et le commutateur MEMS 11 est donc ouvert, aucun chemin électrique n’existant entre la ligne d’entrée 13 et la ligne de sortie 14. Dans ces figures, le déplacement de la membrane de contact 15 est obtenue par un actionnement électrostatique, thermique, piézoélectrique ou magnétique (non représenté).
Sur la , le commutateur MEMS 11 est dans la position complètement ouverte, la membrane de contact 15 étant dans sa position la plus éloignée de la ligne d’entrée 13 et de la ligne de sortie 14.
Sur la , le commutateur MEMS 11 est dans une autre position ouverte, la membrane de contact 15 n’étant pas en contact avec la ligne d’entrée 13 et avec la ligne de sortie 14, mais étant dans une position moins éloignée que sur la .
Sur les Figures 4 et 6, le commutateur MEMS 11 est fermé, la membrane de contact 15 étant en contact, par sa branche 15a avec la ligne d’entrée 13 et par sa branche 15b avec la ligne de sortie 14.
Sur la , le simple fléchissement du socle d’ancrage 16 suffit à réaliser le contact par la membrane de contact 15, autrement dit un seul moyen d’actionnement, celui du socle d’ancrage 16, est nécessaire pour fermer le commutateur MEMS 11. L’autre moyen d’actionnement disposé au niveau de la membrane de contact 15 apporte dans ce cas plus de force de contact.
Sur la , le simple fléchissement du socle d’ancrage 16 ne suffit pas à réaliser le contact. Dans ce cas, la déformation des deux branches 15a et 15b de la membrane de contact 15, par un second moyen d’actionnement décrit plus en détail ci-après, permet en plus du rapprochement de la membrane de contact 15 engendré par la déformation du socle d’ancrage 16, de réaliser le contact avec la ligne d’entrée 13 et la ligne de sortie 14, si la course de la membrane de contact 15 lors du fléchissement maximal du socle d’ancrage 16 ne permet pas aux branches 15a et 15b d’entrer en contact avec la ligne d’entrée 13 et la ligne de sortie 14. Le contact des branches 15a et 15b de la membrane de contact 15 avec la ligne d’entrée 13 et la ligne de sortie 14 se fait au niveau de zones de contact, respectivement A1 et A2 (identifiées en ), plus ou moins étendues en fonction du porte-à-faux des branches 15a et 15b de la membrane de contact 15 au-dessus des lignes d’entrée 13 et de sortie 14 et de la hauteur de la membrane de contact 15 au-dessus de la surface du substrat 12. La membrane de contact 15 peut également disposer d’un pion de contact (appelé « dimple » en anglais, non représenté) s’il apporte une meilleure stabilité mécanique au contact et une meilleure isolation.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 7 et 8, on peut voir que l’on y a représenté une variante 11’ du commutateur MEMS selon le premier mode de réalisation.
Dans cette variante, le socle d’ancrage 16’ recouvre uniquement partiellement la cavité 17’, deux trous traversants allongés 18’ étant formés de chaque côté entre le socle d’ancrage 16’ et le substrat 12’, la structure de la membrane de contact 15’, avec ses deux branches 15’a et 15’b et son ancrage 15’c sur le socle d’ancrage 16’, la ligne d’entrée 13’ et la ligne de sortie 14’ étant identiques à la structure décrite pour le commutateur MEMS des Figures 1-6 et n’étant donc pas décrite plus en détail (les éléments communs portant le même chiffre de référence avec un caractère « ‘ » après le chiffre de référence associé).
Dans ces deux variantes du premier mode de réalisation (avec socle d’ancrage fermé ou semi-ouvert), le socle d’ancrage 16, 16’ et la membrane de contact 15, 15’ peuvent être déformés par tout moyen (électrostatique, piézoélectrique, magnétique, thermique). La surface sous la ligne d’entrée 13, 13’ et sous la ligne de sortie 14, 14’ au niveau des zones de contact A1 et A2 dans les deux variantes du premier mode de réalisation est constituée par le substrat. Cette surface, désignée par socle de zone de contact, est donc non déformable dans ce premier mode de réalisation.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 9 à 12, on peut voir que l’on y a représenté un commutateur MEMS 101 selon un second mode de réalisation.
Le commutateur MEMS 101 est formé sur un substrat 102, avec une ligne d’entrée de signal 103 formée d’un seul tenant avec la membrane de contact 105, formant un pont au-dessus de la ligne de sortie de signal 104, formée transversalement sur le substrat 102 à la direction de la ligne d’entrée 103. La ligne de sortie 104 est donc formée dans l’espace 107 sous la membrane de contact 105.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la membrane de contact 105 comprend deux ancrages 105c, pour encadrer la ligne de sortie de signal 104.
Les deux ancrages 105c sont formés chacun sur un socle d’ancrage, respectivement 106a, 106b, déformables comme dans le premier mode de réalisation. Comme pour le premier mode de réalisation, la surface sous les zones de contact entre la membrane de contact et les lignes d’entrée 103 et de sortie 104 est constituée par le substrat. Cette surface, désignée par socle de zone de contact, est donc non déformable dans ce deuxième mode de réalisation.
Ainsi, dans la configuration ouverte représentée , les socles d’ancrage 106a, 106b sont non déformés, et la membrane de contact 105 ne relie pas électriquement la ligne d’entrée de signal 103 avec la ligne de sortie de signal 104, aucun chemin électrique n’étant créé entre elles.
Dans la configuration fermée représentée , les deux socles d’ancrage 106a, 106b sont déformés, avec un fléchissement vers le bas sur la provoquant un déplacement de la membrane de contact 105 vers la ligne de sortie de signal 104, par descente des ancrages 105c vers le bas. Le moyen d’actionnement présent au niveau de la membrane de contact 105 (non représenté) apporte dans ce cas également plus de force de contact.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 13A-13C, on peut voir que l’on y a représenté un commutateur MEMS 201 selon un troisième mode de réalisation. L’actionnement n’est pas représenté pour ne pas surcharger les Figures.
Le commutateur MEMS 201 comprend une membrane de contact 205 en T, comportant un ancrage 205c formant le tronc du T et deux branches 205a, 205b formant le chapeau du T. L’ancrage 205c est formé directement sur le substrat 202, le socle d’ancrage, désignant la surface sur laquelle s’appuie l’ancrage 205c, étant donc dans ce mode de réalisation non déformable.
La ligne d’entrée 203 est formée partiellement sur le substrat 202 et partiellement sur un premier socle de zone de contact 206a formé partiellement au droit de la branche 205a de la membrane de contact 205, et la ligne de sortie 204 est formée partiellement sur le substrat 202 et partiellement sur un deuxième socle de zone de contact 206b formé partiellement au droit de la branche 205b de la membrane de contact 205.
Ainsi, pour ce commutateur 201 selon ce troisième mode de réalisation, un premier moyen d’actionnement (non représenté) permet le fléchissement des branches 205a, 205b de la membrane de contact 205, respectivement vers la ligne d’entrée 203 et vers la ligne de sortie 204, un second moyen d’actionnement (non représenté) étant configuré pour faire fléchir les socles de zone de contact 206a et 206b, qui permettent par leur actionnement, de rapprocher ou d’éloigner la ligne d’entrée de signal 203 et la ligne de sortie de signal 204 des branches 205a et 205b de la membrane de contact 205.
Ainsi, la représente la position de repos du commutateur MEMS 201. Le distance de la membrane de contact 205 par rapport à la ligne d’entrée de signal 203 et à la ligne de sortie de signal 204 n’est pas maximale, il n’y a pour autant pas de connexion et le commutateur MEMS 201 est donc ouvert.
La représente une position dans laquelle les socles de zone de contact déformables 206a et 206b sont activés pour fléchir vers le bas et éloigner la ligne d’entrée 203 et la ligne de sortie 204 de la membrane de contact 205. La distance entre la membrane de contact 205 et la ligne d’entrée 203 et la ligne de sortie 204 est donc plus importante que sur la , la position de la représente donc la position complètement ouverte du commutateur 201.
La représente la position fermée du commutateur 201 : les socles de zone de contact 206a et 206b ne sont pas activés pour fléchir mais les deux branches 205a, 205b de la membrane de contact 205 sont activés pour fléchir vers la ligne d’entrée 203 et la ligne de sortie 204.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 14A-14C, on peut voir que l’on y a représenté un commutateur MEMS 201’ selon une variante du troisième mode de réalisation.
Les éléments communs avec les Figures 13A-13C porteront le même chiffre de référence avec un caractère « ‘ » après le chiffre de référence associé et ne seront pas décrits plus en détail.
La différence dans cette variante, par rapport au commutateur MEMS 201 des Figures 13A-13C, réside dans la présence d’un socle d’ancrage déformable 206’c formé dans le substrat 202’ sous l’ancrage 205’c de la membrane de contact 205’.
Sur la , le commutateur MEMS 201’ est dans la position ouverte : les branches 205’a et 205’b de la membrane de contact 205 ne sont pas en contact avec la ligne d’entrée 203’ et avec la ligne de sortie 204’.
Sur la , le commutateur MEMS 201’ est dans la position complètement ouverte : de manière analogue à la , les socles de zone de contact 206’a et 206’b déformables sont activés pour éloigner la ligne d’entrée 203’ et la ligne de sortie 204’ de la membrane de contact 205’.
Sur la , on voit que le commutateur 201’ est fermé non pas par fléchissement des branches 205’a et 205’b comme sur la , mais par actionnement du socle d’ancrage 206’c, les socles de zone de contact 206’a et 206’b restant non actionnés.
Il est à noter que ce mode de réalisation n’exclut pas un actionnement des branches 205’a et 205’b pour renforcer leur contact avec respectivement la ligne d’entrée 203’ et la ligne de sortie 204’.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 15 et 16, on peut voir que l’on y a représenté un commutateur MEMS selon un quatrième mode de réalisation.
Dans ce quatrième mode de réalisation, le commutateur MEMS 301 est formé sur un substrat 302.
Une ligne d’entrée de signal 303 est formée avec une partie sur le substrat 302, une partie verticale 303a et une partie en porte-à-faux 303b au-dessus du substrat 302.
De la même manière, une ligne de sortie de signal 304 est formée avec une partie sur le substrat 302, une partie verticale 304a et une partie en porte-à-faux 304b au-dessus du substrat 302.
La membrane de contact 305 est formée dans l’espace 308 sous les parties en porte-à-faux 303b et 304b de la ligne d’entrée 303 et de la ligne de sortie 304 et a sensiblement la même forme de T que dans le premier mode de réalisation, avec deux branches 305a et 305b portées par un ancrage 305c, correspondant au tronc du T, formé sur un socle d’ancrage déformable 306 fermant une cavité 307 (représentée seulement en partie sur les Figures) formée dans le substrat 302.
Dans ce quatrième mode de réalisation, lorsque le commutateur MEMS 301 est dans l’état où le socle d’ancrage 306 n’est pas déformé, les branches 305a, 305b de la membrane de contact sont en contact respectivement avec la partie inférieure des parties en porte-à-faux 303b et 304b de la ligne d’entrée 303 et de la ligne de sortie 304, formant un contact électrique entre l’entrée et la sortie du commutateur MEMS 301, qui est donc normalement fermé, contrairement aux autres modes de réalisation décrits jusqu’ici.
Comme pour les autres modes de réalisation, le commutateur MEMS 301 a deux éléments déformables, la membrane de contact 305 et le socle d’ancrage 306, un actionnement du socle d’ancrage 306 le fléchissant vers l’intérieur du substrat 302, faisant descendre l’ancrage 305c et donc l’intégralité de la membrane de contact 305, et un actionnement de la membrane de contact permettant la déformation vers le substrat 302 des branches 305a, 305b de la membrane de contact 305.
Ces deux niveaux d’actionnement permettent une meilleure isolation électrique entre l’entrée et la sortie du commutateur MEMS 301 dans son état ouvert représenté en . Le socle de zone de contact, non déformable dans ce mode de réalisation, est constitué par la surface du substrat 302 sous les parties verticales 303a et 304a.
Si l’on se réfère maintenant aux Figures 17 et 18, on peut voir que l’on y a représenté un commutateur MEMS 401 selon un cinquième mode de réalisation.
Ce cinquième mode de réalisation est semblable au quatrième mode de réalisation en ce que le commutateur MEMS 401 est normalement fermé.
Le commutateur MEMS 401 est donc formé sur un substrat 402.
Un autre substrat 408 est collé au substrat 402 par une ligne de liaison 409.
Les lignes d’entrée 403 et de sortie 404 sont formées sur la surface supérieure du substrat 408, et traversent le substrat 408 par des vias, respectivement 403a et 404a, pour former dans le plafond d’un espace 410 entre les deux substrats 402 et 408 deux plages de contact, respectivement 403b et 404b.
La membrane de contact 405 est, comme dans le précédent mode de réalisation, en forme de T avec deux branches en porte-à-faux 405a et 405b au-dessus de la surface supérieure du substrat 402, portées par un ancrage 405c supporté par un socle d’ancrage 406 déformable fermant une cavité 407.
Dans l’état normalement fermé en , les branches de la membrane de contact 405, respectivement 405a, 405b, sont en contact avec les plages de contact des lignes d’entrée 403 et 404, respectivement 403b et 404b, pour former un chemin électrique entre l’entrée et la sortie du commutateur MEMS 401.
Comme pour les autres modes de réalisation, le commutateur MEMS 401 a deux moyens d’actionnement, un premier moyen d’actionnement permettant une déformation du socle d’ancrage 406 vers la direction de profondeur de la cavité 407, faisant descendre l’ancrage 405c et donc l’intégralité de la membrane de contact 405, et un second moyen d’actionnement permettant la déformation vers le substrat 402 des branches 405a, 405b de la membrane de contact 405.
Ces deux moyens d’actionnement permettent une meilleure isolation électrique entre l’entrée et la sortie du commutateur MEMS 401 dans son état ouvert représenté en . Le socle de zone de contact, non déformable dans ce mode de réalisation, est constitué par la surface du substrat 402 sous les lignes de liaison 409.
Si l’on se réfère aux Figures 19 à 23, on peut voir que l’on a représenté un commutateur MEMS 501 selon un sixième mode de réalisation.
Dans ce sixième mode de réalisation, une structure de substrat silicium sur isolant (SOI) est adoptée, le substrat 508 étant en silicium.
Une couche d’isolant, à titre d’exemple non limitatif, du SiO2 502 est formée sur le substrat 508, avec une cavité 507 formée dans la couche de SiO2 502, la cavité 507 étant fermée à son extrémité supérieure par une couche de silicium 506, faisant office de socle d’ancrage déformable, sur laquelle repose la membrane de contact 505, formée en T avec deux branches 505a et 505b en porte-à-faux au-dessus de la couche 506, et un tronc 505c faisant office d’ancrage, une souche de SiO2 510 étant interposée entre la base de l’ancrage 505c et le socle d’ancrage 506.
La ligne d’entrée 503, respectivement la ligne de sortie 504, est formée sur la couche 506, avec interposition d’une couche de SiO2 511, respectivement 509.
Il est à noter que la couche 506 peut fermer totalement ou partiellement la cavité 507, sans que l’invention ne soit limitée à cet égard.
La ligne d’entrée 503, la ligne de sortie 504 et la membrane de contact 505 sont en un matériau ou alliage de matériaux conducteurs d’électricité. A titre de variante, la membrane de contact 505 peut être constituée de plusieurs couches, dont au moins une conductrice destinée à entrer en contact avec les lignes d’entrée 503 et de sortie 504.
Sur la , le commutateur MEMS 501, normalement ouvert, est dans l’état ouvert. Les branches 505a et 505b de la membrane de contact 505 sont en porte-à-faux au-dessus des lignes d’entrée 503 et de sortie 504.
Sur la , le commutateur MEMS 501 est à l’état fermé, avec les deux éléments déformables (membrane de contact 505 et socle d’ancrage 506) déformés.
Le substrat 508 étant mis à la masse, une tension V est appliquée à la couche 506. La tension V peut être positive ou négative mais est suffisamment élevée pour que la force électrostatique induite génère une force permettant de déformer le socle d’ancrage 506.
Ainsi, la différence de potentiel entre la couche/socle d’ancrage 506 et le substrat 508 constituant le premier moyen d’actionnement du socle d’ancrage 506 va provoquer, par effet électrostatique, un fléchissement de la partie de la couche 506 formant le socle d’ancrage vers l’intérieur de la cavité 507.
De même, la différence de potentiel entre la couche 506 et les branches 505a et 505b de la membrane de contact 505 constituant un second moyen d’actionnement va provoquer un plaquage des branches 505a et 505b respectivement sur la ligne d’entrée de signal 503 et sur la ligne de sortie de signal 504.
Sur la , une résistance de forte valeur (supérieure à 100 kOhms) reliée à la masse permet d’amener indirectement la masse sur la membrane de contact 505 lorsque le commutateur MEMS 501 est ouvert. Lorsque le contact est réalisé entre la membrane de contact 505 et la ligne d’entrée 503 et la ligne de sortie 504 comme sur la , la résistance est trop élevée pour impacter le signal électrique, électronique ou radiofréquence transmis.
A titre de variante, il serait envisageable de dissocier la ligne de signal de la masse au sein de la membrane comme décrit dans la demande de brevet européen EP 3465724. Cette variante permettrait notamment de s’affranchir de la résistance reliée à la masse.
Le premier moyen d’actionnement est donc la différence de potentiel appliquée entre la couche 506 et le substrat 508, et le second moyen d’actionnement est la différence de potentiel entre la couche 506 et la membrane de contact 505. L’actionnement décrit ici est un actionnement par champ électrostatique créé par différence de potentiel, mais d’autres actionnements sont envisageables dans le cadre de la présente invention, par exemple un actionnement piézoélectrique (déplacement ou déformation par effet piézoélectrique), magnétique (des aimants commandés permettent une déformation du socle d’ancrage 506 et/ou un déplacement de la membrane de contact 505) ou encore thermique (une température commandée modifie la forme du socle d’ancrage 506 et/ou de la membrane de contact 505).
Les zones de contact, constituées par la surface située sous la partie de la ligne d’entrée 503 et sous la partie de la ligne de sortie 504 en contact avec la membrane de contact 505 sur la , sont formées sur le substrat 508. Les socles de zone de contact, définis comme la surface sous la zone de contact, sont donc non déformables dans ce mode de réalisation.
La représente une variante du sixième mode de réalisation du commutateur MEMS 501’.
Dans cette variante, les éléments communs à ceux des Figures 19 et 20 porteront le même chiffre de référence et ne seront pas décrits plus en détail.
Dans cette variante, on peut voir que la couche de SiO2 502’ formée entre le substrat 508 et la couche 506’ se prolonge sous la ligne d’entrée 503 et sous la ligne de sortie 504 (alors que sur les Figures 19 et 20, la couche de SiO2 502 est au droit de l’extrémité de la ligne d’entrée 503 et de la ligne de sortie 504) pour former une cavité 507’ plus étroite. En conséquence, des parties rectilignes 506’a et 506’b sont formées sur les parties en saillie de la couche 506’ par rapport aux extrémités de la ligne d’entrée 503 et de la ligne de sortie 504.
On retrouve, comme pour la , les deux moyens d’actionnement avec déformation de la couche 506’ par différence de potentiel entre la couche 506’, à laquelle une tension V est appliquée, et le substrat 508, à la masse, et déformation des branches 505a et 505b, par différence de potentiel entre la couche 506’, à la tension V, et les branches 505a et 505b de la membrane de contact 505, connectée par une résistance élevée (>100 kOHms) à la masse.
Ainsi, par actionnement du socle d’ancrage 506’, les branches 505a et 505b de la membrane de contact 505 viennent fermer le commutateur MEMS 501’ tout en restant parallèles à la surface du substrat 506. Ce parallélisme entre le substrat SOI 508 et la membrane
de contact 505 assure un champ électrostatique plus élevé sur le moyen d’actionnement de la membrane de contact 505 et procure une meilleure force de contact. Il limite également les efforts mécaniques de la membrane de contact et permettent à l’homme du métier d’utiliser des matériaux conventionnels.
Les Figures 22 et 23 illustrent deux variantes pour appliquer une différence de potentiel entre la couche 506’ et la membrane de contact 505 et la couche 506’ et le substrat 508.
Dans la variante de la , un contrôleur, qui peut être, sans limitations, tout circuit électronique de type processeur, microprocesseur, microcontrôleur, processeur de signaux numériques, matrice prédiffusée programmable (FPGA pour Field Programmable Gate Array en anglais), circuit intégré à application spécifique (ASIC), voire un ordinateur, commande un générateur de tension qui applique la tension V à la couche 506’, la membrane de contact 505 et le substrat 508 étant à la masse.
Dans la variante de la , un pilote commandé par un microcontrôleur injecte sur la couche 506’ une tension V, obtenue par un convertisseur DC/DC alimenté par une tension 3,3V ou 5V, la membrane de contact 505 et le substrat 508 étant à la masse.
Ces deux modes d’application d’une tension V sont décrits à titre illustratif et non limitatif, l’invention n’étant pas limitée à cet égard.
L’homme du métier saura apprécier, en fonction de la conception et de l’architecture du commutateur MEMS, comment créer une différence de potentiel pour obtenir une déformation du socle d’ancrage sur lequel repose la membrane de contact et un déplacement de la membrane. Il en va de même pour les socles de zone de contact lorsqu’ils sont déformables.
Si l’on se réfère aux Figures 24A-24C, on peut voir que l’on a représenté un commutateur MEMS 601 selon un septième mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, la cavité permettant la déformation n’est pas formée dans le substrat, mais au-dessus.
Le commutateur MEMS 601 comprend un substrat 602 isolant, à la surface supérieure duquel est rapportée une couche diélectrique mince (sans limitations, en SiO2, SiN, Ta2O5, Al203). La ligne d’entrée 603 et la ligne de sortie 604, en matériau ou alliages de matériaux conducteurs d’électricité, sont formées sur la surface supérieure de la couche diélectrique mince.
La membrane de contact 605, en matériau ou alliages de matériaux conducteurs d’électricité, est comme dans les autres modes de réalisation, en forme de T avec deux branches 605a et 605b en porte-à-faux au-dessus de la couche diélectrique mince, et un tronc faisant office d’ancrage vertical 605c pour la membrane de contact 605, la base de l’ancrage vertical 605c traversant la couche diélectrique mince au niveau d’un dôme 606c formé par la couche diélectrique mince et définissant une cavité 607c, et se prolonge en une électrode 608 appliquée à la surface supérieure interne de la cavité 607c. La face supérieure du dôme 606c constitue un socle d’ancrage déformable.
Une électrode 609c est formée sur le substrat 602 sensiblement au droit de la membrane de contact 605, sous la couche diélectrique mince.
La ligne d’entrée 603 se prolonge sur une cavité 607a formée par un dôme 606a formé par la couche diélectrique mince. La face supérieure du dôme 606a constitue un socle de zone de contact déformable pour la zone de contact entre la membrane de contact 605 (branche 605a) et la ligne d’entrée 603.
Une électrode 609a est formée dans le fond de la cavité 607a, recouverte par une couche isolante 610a.
De la même manière, la ligne de sortie 604 se prolonge sur une cavité 607b formée par un dôme 606b formé par la couche diélectrique mince. La face supérieure du dôme 606b constitue un socle de zone de contact déformable pour la zone de contact entre la membrane de contact 605 (branche 605b) et la ligne de sortie 604.
Une électrode 609b est formée dans le fond de la cavité 607b, recouverte par une couche isolante 610b.
La représente la position au repos, la membrane 605 et les électrodes 609a, 609b et 609c étant reliées directement ou indirectement (via une résistance élevée) à la masse.
Sur la , les électrodes 609a et 609b sont activées par une tension V pour éloigner la ligne d’entrée 603 et la ligne de sortie 604 de la membrane de contact 605, le commutateur MEMS 601 étant alors dans la position complètement ouverte.
Sur la , l’électrode 609c est activée par une tension V, les autres éléments restant à la masse, pour descendre la membrane de contact 605 au contact de la ligne d’entrée 603 et de la ligne de sortie 604 : le commutateur MEMS 601 est dans la position fermée.
Sur la , on a représenté un commutateur MEMS 701 selon un septième mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, le commutateur MEMS 701 comprend une membrane de contact 705 en T, reposant sur un ancrage 705c.
Le commutateur MEMS 701 est formé sur un substrat 708 sur lequel une couche 702 est formée, dans laquelle sont formées trois cavités 707a, 707b et 707c, respectivement sous la ligne d’entrée 703, la ligne de sortie 704 et l’ancrage 705c, les cavités étant recouvertes et fermées par une couche 706, isolée respectivement de la ligne d’entrée 703, de la ligne de sortie 704 et de la base de l’ancrage 705c par des couches isolantes respectivement 711, 710 et 709. Des ouvertures I dans la couche 706 permettent d’isoler électriquement les différents morceaux de la couche 706.
Une encapsulation est créée par une cloche 713 formée par exemple en diélectrique en film mince (en SiO2, SiN, Ta2O5, Al203 par exemple), définissant un espace d’encapsulation dans lequel se trouve le commutateur 701 et créant une cavité hermétique 712 sur la membrane de contact 705.
Cette cavité 712 peut notamment être remplie de gaz, et permet de rendre le commutateur 701 plus robuste.
Le fonctionnement du commutateur 701 est sinon identique à ce qui a été précédemment décrit et ne sera pas repris en détail ici.
La cavité 712 comprend un gaz ou du vide, et peut être sous pression ou non par rapport à l’extérieur de l’espace d’encapsulation.
Pour tous les modes de réalisation décrits jusqu’à présent, la cavité présente sous le socle d’ancrage sur lequel est ancrée la membrane de contact peut également comprendre un gaz ou du vide, et être ou non sous pression par rapport à l’extérieur du commutateur MEMS.
Pour tous les modes de réalisation décrits, l’ancrage de la membrane de contact sera de préférence disposé au droit du point de flexion maximale du socle d’ancrage, dans le but de permettre la plus grande course possible.
Il est bien entendu que l’homme du métier saura dimensionner la hauteur de la membrane de contact, la longueur de la ou des branches de la membrane de contact destinées à venir en contact avec les lignes d’entrée et de sortie en fonction de l’agencement des lignes d’entrée et de sortie, pour obtenir l’isolation souhaitée dans la position ouverte et la force de contact souhaitée dans la position fermée. Le second moyen d’actionnement présent au niveau de la membrane de contact (non représenté) apporte dans ce cas également plus de force de contact.
Dans ce mode de réalisation, la membrane de contact 705, le socle d’ancrage fermant la cavité 707c et les socles de zone de contact fermant les cavités 707a et 707b sont déformables. Les moyens d’actionnement de ces différents éléments déformables peuvent être, non limitativement, comme décrits précédemment.
Si l’on se réfère aux Figures 26 et 27, on peut voir que l’on a représenté un commutateur MEMS 801 selon un neuvième mode de réalisation.
Le commutateur 801 comprend un substrat 802 sur lequel est formée une membrane de contact 805, une ligne d’entrée 803, une ligne de sortie 804, et deux socles de zone de contact déformables 806a, 806b, s’étendant non pas comme dans les autres modes de réalisation sous l’ancrage 805c de la membrane de contact 805, mais sous les extrémités des lignes d’entrée 803 et de sortie 804 destinées à venir en contact avec les branches 805a et 805b de la membrane de contact 805 pour former les zones de contact avec celle-ci. Le socle d’ancrage, surface sur laquelle s’appuie l’ancrage, est non déformable dans ce mode de réalisation.
Ainsi, contrairement aux autres modes de réalisation décrits jusqu’ici, au lieu de rapprocher ou d’éloigner la membrane de contact 805 des lignes d’entrée et de sortie fixes 803 et 804, c’est la membrane de contact 805 qui est fixe et les lignes d’entrée 803 et de sortie 804 qui de déplacent, un moyen d’actionnement de la membrane de contact 805 étant également prévu pour permettre de déformer la membrane de contact 805.
Sur la , le commutateur 801, normalement fermé, voit sa membrane de contact 805 en contact avec les lignes d’entrée 803 et de sortie 804, les socles de zone de contact 806a et 806b respectifs étant dans leurs états non déformés.
Le moyen d’actionnement présent au niveau de la membrane de contact 805 (non représenté) apporte dans ce cas également plus de force de contact.
Sur la , le commutateur 801 est en position ouverte, avec les socles de zone de contact 806a et 806b déformés par fléchissement vers le bas, de manière analogue à ce qui a été décrit en liaison avec les modes de réalisation précédents, pour éloigner les lignes d’entrée 803 et de sortie 804 de la membrane de contact 805, pour obtenir une position ouverte du commutateur MEMS 801.
Si l’on se réfère aux Figures 28 à 30, on peut voir que l’on a représenté un commutateur MEMS 901 selon un dixième mode de réalisation, représentant une combinaison du neuvième mode de réalisation avec les modes de réalisation précédents.
Dans ce dixième mode de réalisation, le commutateur 901, en structure SOI, présente un substrat en silicium 908, une couche de SiO2 902 dans laquelle sont formées des cavités 907a, 907b, 907c recouvertes par une couche de silicium pour former trois socles déformables, respectivement des socles de zone de contact 906a, 906b et un socle d’ancrage 906c, électriquement isolés entre eux respectivement par des ouvertures I formées dans la couche de silicium.
Le premier socle de zone de contact 906a se trouve sous l’extrémité de la ligne d’entrée 903, le deuxième socle d’ancrage 906c se trouve sous l’ancrage 905c de la membrane de contact 905, le troisième socle de zone de contact 906b se trouvant sous l’extrémité de la ligne de sortie 904.
La membrane de contact 905, comprenant ses branches 905a, 905b et son ancrage 905c est en matériau ou alliage de matériaux conducteurs de l’électricité, tout comme la ligne d’entrée 903 et la ligne de sortie 904. A titre de variante, la membrane de contact 905 peut être constituée d’un empilement de plusieurs matériaux voire avoir une structure guide d’ondes comme décrit ci-avant en référence à la .
Des couches de SiO2 909, 910 et 911 sont formées respectivement sous la ligne de sortie 904, l’ancrage 905c et la ligne d’entrée 903.
Sur la , la membrane de contact 905 est indirectement reliée à la masse par l’intermédiaire d’une résistance élevée (>100kOhms), les socles de zone de contact 906a, 906b, le socle d’ancrage 906c, et le substrat 908 sont directement reliés à la masse.
Le commutateur 901 est donc au repos.
Sur la , le socle 906c sous l’ancrage 905c de la membrane de contact 905 est mis à la tension V (de manière analogue à ce qui a été décrit en liaison avec les Figures 19 à 23), les autres éléments restant directement ou indirectement reliés à la masse : le commutateur 901 est dans la position fermée.
Sur la , les socles de zone de contact 906a et 906b, respectivement sous la ligne d’entrée 903 et la ligne de sortie 904, sont mis à la tension V, les autres éléments, y compris la membrane de contact 905, sont directement ou indirectement maintenus à la masse.
La déformation des socles de zone de contact 906a et 906b vers le bas éloigne la ligne d’entrée 903 et la ligne de sortie 904 des branches 905a et 905b de la membrane de contact 905, conduisant à une seconde position ouverte du commutateur 901, dans laquelle l’isolation obtenue est plus forte : le commutateur MEMS 901 est dans la position complètement ouverte.
On voit ainsi que l’on peut obtenir différents états du commutateur MEMS, dans lesquels soit la force de contact dans l’état fermé est plus grande, soit l’isolation dans l’état ouvert est plus grande, en fonction de l’emplacement des socles déformables, sous les ancrages de la membrane de contact et/ou sous les zones de contact des lignes d’entrée et/ou de sortie.
Il est bien entendu que ce mode de réalisation où un socle de zone de contact déformable est disposé sous les lignes de signal est également applicable aux cas où la membrane de contact est liée à la ligne d’entrée ou de sortie, le socle de zone de contact déformable étant alors disposé sous la ligne parmi la ligne d’entrée et la ligne de sortie qui n’est pas liée à la membrane de contact. La différence de potentiel entre le socle d’ancrage 906c et la membrane de contact apporte dans ce cas également plus de force de contact.
Le tableau 1 suivant indique certaines des configurations possibles permises par un commutateur MEMS selon la présente invention, haut représentant que l’élément considéré est déformable avec une déformation vers le haut, bas représentant que l’élément considéré est déformable avec une déformation vers le bas, - représentant le fait que l’élément n’est pas déformable, NO représentant un commutateur de type normalement ouvert, NF représentant un commutateur de type normalement fermé, + une amélioration du paramètre considéré par rapport à l’état de la technique, ++ une forte amélioration du paramètre considéré par rapport à l’état de la technique.
Actionnement membrane de contact Actionnement socle d’ancrage Actionnement socle de zone de contact Type Avantages
Force contact Isolation
Bas Bas - NF +
Bas Bas - NO +
Haut Bas - NF +
Bas Haut - NO +
Haut Haut - NF +
Haut Haut - NO +
Bas Bas Bas NF ++
Bas Bas Bas NO + +
Haut Bas Bas NF + +
Haut Bas Bas NO ++
- Bas Bas NF +
- Bas Bas NO +
Bas Haut Bas NO ++
Haut Haut Bas NF ++
Haut Haut Bas NO + +
- Haut Bas NO +
Bas - Bas NO +
Haut - Bas NF +
Haut - Bas NO +
Bas Bas Haut NF ++
Bas Bas Haut NO + +
Haut Bas Haut NF ++
- Bas Haut NF +
Bas Haut Haut NF ++
Bas Haut Haut NO + +
Haut Haut Haut NF + +
Haut Haut Haut NO ++
- Haut Haut NF +
- Haut Haut NO +
Bas - Haut NF +
Bas - Haut NO +
Haut - Haut NF +
Si l’on se réfère aux Figures 31 à 33, on peut voir que l’on a représenté un commutateur 1000, constitué de plusieurs commutateurs MEMS 1002, 1003, 1004 selon un ou plusieurs des modes de réalisation décrits ci-dessus.
Les commutateurs MEMS 1002, 1003 et 1004 du commutateur 1000 sont de type SOI, comme décrit en référence aux Figures 19 à 23, avec un substrat 1001 en silicium, des lignes d’entrée/sortie 1008, 1009, 1010, 1011, des commutateurs 1002, 1003, 1004 en matériau ou alliages de matériaux conducteurs de l’électricité, et une couche de SiO2 1005 dans laquelle sont formées les cavités 1012, 1013, 1014 fermées par les socles formés par les parties de la couche de silicium 1006 sur lesquelles reposent les ancrages des commutateurs MEMS 1002, 1003 et 1004. Une couche de SiO2 1007 est interposée entre les lignes d’entrée/sortie 1008, 1009, 1010, 1011 et la couche 1006 et entre les ancrages des commutateurs MEMS 1002, 1003 et 1004 et la couche 1006.
Comme on peut le voir sur la et le schéma électrique équivalent de la , le commutateur 1000 est constitué de plusieurs commutateurs MEMS 1002, 1003, 1004 en série et en parallèle, permettant de supporter des niveaux de courants et de tensions plus importants qu’un unique commutateur MEMS, et des possibilités de commutation plus importantes.
L’invention n’est évidemment pas limitée à cette architecture et tout commutateur peut être conçu à partir d’une matrice de commutateur MEMS selon un quelconque ou plusieurs des modes de réalisation de l’invention, en série et/ou en parallèle.
Comme représenté en , ce commutateur 1000 peut être formé avec un circuit intégré à application spécifique (ASIC) 1020, qui permet de commander la commutation de chaque commutateur MEMS individuel du commutateur 1000 et peut également servir de protection contre les décharges électrostatiques (ESD), pour une conversion DC/DC, une pompe de charge, une protection lors de la commutation ou encore l’intégration de capteurs.

Claims (16)

  1. – Commutateur à systèmes microélectromécaniques (MEMS) (1 ; 11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 301 ; 401 ; 501 ; 501’ ; 601 ; 701 ; 801 ; 901), comprenant :
    - un substrat (2 ; 12 ; 12’ ; 102 ; 202 ; 202’ ; 302 ; 402 ; 502 ; 502’ ; 602 ; 702 ; 802 ; 908),
    - au moins une ligne d’entrée de signal (3 ; 13 ; 13’ ; 103 ; 203 ; 203’ ; 303 ; 403 ; 503 ; 603 ; 703 ; 803 ; 903),
    - au moins une ligne de sortie de signal (4 ; 14 ; 14’ ; 104 ; 204 ; 204’ ; 304 ; 404 ; 504 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904),
    - au moins une zone de contact (A1, A2) formée sur un socle de zone de contact (6b ; 206a, 206b ; 206’a, 206’b ; 606a, 606b ; 806a, 806b ; 906a, 906b) solidaire du substrat, chaque zone de contact étant électriquement connectée à l’au moins une ligne d’entrée ou à l’au moins une ligne de sortie,
    - une membrane de contact (5 ; 15 ; 15’ ; 105 ; 205 ; 205’ ; 305 ; 405 ; 505 ; 605 ; 705 ; 805 ; 905) maintenue en regard de chaque zone de contact par l’un parmi un ancrage (5c ; 15c ; 15c’ ; 105c ; 205c ; 205’c ; 305c ; 405c ; 505c ; 605c ; 705c ; 805c ; 905c) formé sur un socle d’ancrage (6a ; 16 ; 16’ ; 206’c ; 306 ; 406 ; 506 ; 506’ ; 606c ; 705 ; 906c) solidaire du substrat et plusieurs ancrages formés sur au moins un socle d’ancrage solidaire du substrat,
    le commutateur MEMS étant configuré pour ouvrir ou fermer un chemin électrique entre l’au moins une ligne d’entrée et l’au moins une ligne de sortie par au moins une zone de contact,
    le commutateur étant en position fermée lorsqu’un courant électrique circule d'au moins une ligne d’entrée vers au moins une ligne de sortie par contact de la membrane de contact sur au moins une zone de contact et en position ouverte lorsque l’ensemble des lignes d’entrées sont électriquement isolées de l’ensemble des lignes de sortie par absence de contact de la membrane de contact avec l’ensemble des zones de contact,
    caractérisé par le fait que pour chaque zone de contact, la membrane de contact constituant une première entité, le socle de contact constituant une deuxième entité et l’au moins un socle d’ancrage constituant une troisième entité, au moins deux entités parmi la première entité, la deuxième entité et la troisième entité sont déformables, chacune par un moyen d’actionnement indépendant, pour rapprocher ou éloigner la membrane de contact de la zone de contact, pour faire passer la membrane de contact d’une position initiale ouverte à une position fermée ou d’une position initiale fermée à une position ouverte et accentuer au moins l’une parmi l’isolation dans la position ouverte et la force de contact dans la position fermée.
  2. - Commutateur MEMS (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la membrane de contact (5) est reliée à l’une parmi l’au moins une ligne d’entrée (3) et l’au moins une ligne de sortie (4).
  3. - Commutateur MEMS (11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 301 ; 401 ; 501 ; 501’ ; 601 ; 701 ; 801 ; 901)selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la membrane de contact (15 ; 15’ ; 105 ; 205 ; 205’ ; 305 ; 405 ; 505 ; 605 ; 705 ; 805 ; 905) est isolée de l’au moins une ligne d’entrée (13 ; 13’ ; 103 ; 203 ; 203’ ; 303 ; 403 ; 503 ; 603 ; 703 ; 803 ; 903) et de l’au moins une ligne de sortie (14 ; 14’ ; 104 ; 204 ; 204’ ; 304 ; 404 ; 504 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904) dans la position ouverte.
  4. - Commutateur MEMS (1 ; 11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 501 ; 501’ ; 701 ; 801 ; 901) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l’au moins une ligne d’entrée (13 ; 13’ ; 103 ; 203 ; 203’ ; 503 ; 703 ; 803 ; 903) et l’au moins une ligne de sortie (14 ; 14’ ; 104 ; 204 ; 204’ ; 504 ; 704 ; 804 ; 904) sont formées sur le substrat.
  5. - Commutateur MEMS (401 ; 601) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l’au moins une ligne d’entrée (403 ; 603) et l’au moins une ligne de sortie (404 ; 604) sont formées parallèlement au substrat (402 ; 602), sur l’un parmi un substrat secondaire (408) collé en regard du substrat (402) et un ancrage solidaire (606a, 606b) du substrat (602).
  6. - Commutateur MEMS (1 ; 11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 301 ; 401 ; 501 ; 501’ ; 601 ; 701 ; 801 ; 901) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que chaque socle déformable est constitué par une membrane de cavité recouvrant au moins partiellement un trou formé dans le substrat pour constituer une cavité recouverte au moins partiellement par le socle.
  7. - Commutateur MEMS (901) selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le substrat (908) est de type silicium sur isolant, la membrane de cavité étant en silicium, la cavité étant formée entre une première couche de silicium (908) constituée par le substrat et une deuxième couche de silicium constituée par la membrane de cavité, le moyen d’actionnement de la membrane de cavité étant configuré pour appliquer une différence de potentiel entre le substrat (908) et la membrane de cavité pour un actionnement électrostatique de la membrane de cavité, la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de cavité.
  8. - Commutateur MEMS (601) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que chaque socle (606a, 606b, 606c) est constitué par une membrane de cavité portée par des ancrages de membrane de cavité solidaires du substrat (602) pour être suspendue en regard du substrat (602) et former une cavité au moins partiellement fermée entre le substrat (602), la membrane de cavité et ses ancrages, le moyen d’actionnement de la membrane de cavité étant configuré pour appliquer une différence de potentiel entre la membrane de cavité et la surface du substrat pour un actionnement électrostatique de la membrane de cavité, la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de cavité.
  9. - Commutateur MEMS (901) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le moyen d’actionnement de la membrane de contact est configuré pour appliquer une différence de potentiel entre la membrane de contact (905) et la surface située sous la membrane de contact (905) pour un actionnement électrostatique de la membrane de contact (905), la différence de potentiel appliquée déformant la membrane de contact (905).
  10. - Commutateur MEMS (601) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le moyen d’actionnement de la membrane de contact (605) est une électrode (608) disposée en regard de la membrane de contact.
  11. - Commutateur MEMS (701) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que la membrane de contact (705) est encapsulée dans un espace d’encapsulation (712) formé par l’un parmi un collage de tranche et un film mince.
  12. - Commutateur MEMS (701) selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l’espace d’encapsulation (712) de la membrane de contact (705) contient l’un parmi un gaz et du vide.
  13. - Commutateur MEMS (1 ; 11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 301 ; 401 ; 501 ; 501’ ; 601 ; 701 ; 801 ; 901) selon l’une des revendications 6 à 12, caractérisé par le fait que chaque cavité est fermée, et contient l’un parmi un gaz et du vide.
  14. – Commutateur MEMS (1 ; 11 ; 11’ ; 101 ; 201 ; 201’ ; 301 ; 401 ; 501 ; 501’ ; 601 ; 701 ; 801 ; 901) selon l’une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que chaque ancrage de la membrane de contact est formé sur ou au voisinage du point de flexion maximal du socle d’ancrage et chaque zone de contact est formée sur ou au voisinage du point de flexion maximal du socle de zone de contact.
  15. – Commutateur (1000) comprenant un ou plusieurs commutateurs MEMS selon l’une des revendications 1 à 14 agencés entre eux selon une configuration parmi en parallèle, en série et à la fois en parallèle et en série.
  16. – Commutateur (1000) selon la revendication 15, caractérisé par le fait qu’il comprend en outre un circuit de commande (1020) intégré au substrat, de préférence sous la forme d’un circuit intégré à application spécifique (ASIC).
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