Brevet FR2502390A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne les dispositifs de commutation ou relais électromécaniques et, plus particulièrement, un élément de contact fabriqué dans un corps de matériau résilient et constituant un bon isolant électrique. Les relais à commande électrique sont très largement utilisés dans de nombreuses applications de commutation. Ce sont en général des dispositifs électromécaniques dont un ou plusieurs contacts sont actionnés par une armature elle-même déplacée par le champ d'un solénoïde. Bien que très fiables, ces relais ont un coût de fabrication relativement élevé en raison du grand nombre de pièces dont ils se composent et ils consomment beaucoup d'énergie électrique pour l'excitation, du solénoïde. De plus, comme il est difficile de fabriquer de très petits solénoïdes, ces relais ne se prêtent pas à la réalisation de modules de commutation à haute densité de contacts, par exemple pour des centraux téléphoniques. Les recherches effectuées pour surmonter ce problème ont conduit à l'introduction des relais à lames souples en bottiers scellés. Bien qu'effectivement de taille plus réduite, ceux-ci sont toutefois encore trop coûteux et leur consommation reste élevée. Le principal objet de la présente invention est par conséquent de surmonter les inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, un objet de l'invention est de réaliser un élément de contact électrique qui ne présente pas les inconvénients des éléments de contact connus. Un autre objet de l'invention consiste à développer un dispositif de commutation relativement petit et de faible consommation d'énergie électrique. L'invention concerne également la fabrication d'un dispositif de commutation de construction simple et peu coûteuse, mais de fonctionnement fiable. Un dernier objet de l'invention est une méthode de fabrication d'un élément de contact électrique particulièrement approprié à l'abaissement des coûts de production. Un dispositif de commutation utilisable par la présente invention est décrit dans le brevet britannique n0 08302.78. C'est un relais dont l'action de commutation est produite par le déplacement d'une ou plusieurs pièces de silicium en forme de lame mince et flexible. Chaque lame de silicium utilisée est fixée à 250239 0 ses deux extrémités et son mouvement est commandé par l'action d'une force non-mécanique pour établir des contacts électriques. Le développement conduisant à la présente invention a montré que l'établissement des contacts pouvait être réalisé par l'attraction électrostatique d'un corps articulé en matériau résilient et électriquement isolant. Un élément de contact électrique conforme à l'invention comprend ainsi un support isolant forantn d!une-Sèult pince une armature articulée sur un socle, et au moins un contact électrique monté sur l'armature. L'élément de contact peut encore comprendre des moyens de retenue également intégrés au corps isolant pour restreindre le déplacement de l'armature par rapport au socle. Il est avantageux que le matériau isolant soit du silicium, de préférence dopé au bore, et que le matériau de contact soit de l'or ou un alliage d'or. Une méthode de fabrication d'un tel élément de contact conforme à l'invention est caractérisée par le fait d'usiner une plaque de matériau isolant par enlèvement de matière pour former une armature intégrée et retenue à la plaque par une mince bande de matériau constituant une charnière, et de déposer au moins un contact électrique sur l'armature. Selon une autre caractéristique de l'invention, on fournit un dispositif de commutation comprenant un boîtier, des contacts électriques fixes déposés dans le boîtier, un élément de contact mobile monté dans le boîtier et constitué par un corps de matériau isolant intégrant une armature articulée sur un support, au moins un contact électrique déposé sur l'armature pour établir ou rompre le contact avec les contacts électriques fixes du boîtier en fonction des mouvements de l'armature, et des moyens de déplacer l'armature par rapport au boîtier sous l'influence de forces électrostatiques. L'élément de contact comporte aussi, de préférence, des moyens de retenue à propriétés élastiques qui font partie intégrante du corps de matériau isolant et servent à limiter le déplacement de l'armature par rapport à son support. De manière avantageuse, le matériau isolant peut être du silicium, notamment du silicium dopé au bore. Egalement, des moyens peuvent être prévus pour sceller hermétiquement le boîtier, et celui-ci peut être rempli d'un gaz inerte ou placé sous vide. 250239 0 On peut utiliser un dispositif de très petite dimension en formant l'élément de contact dans un corps semi-conducteur au moyen des techniques d'attaque contrôlée de ce matériau. Avec des dimensions aussi réduites, les forces électrostatiques sont suffisantes pour actionner le commutateur sans exiger de tensions trop,élevées. En outre, comme l'élément de contact est petit et que sa commande n'emploie pas de solénoïde, des modules de commutation à grande densité de contacts peuvent être réalisés, par exemple pour la construction de centraux téléphoniques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent s - la figure 1, une vue en perspective d'un élément de contact conforme à l'invention; - la figure 2, une vue en coupe d'un dispositif de commutation muni d'un élément de contact selon la figure 1; - les figures 3 et 4, des vues en perspectives du même élément de contact comprenant des zones de contact de type dif- férent. L'élément de contact représenté figure 1 est formé dans un corps de matériau résilient et électriquement isolant, notamment du silicium, et comporte un cadre 11, pratiquement rectangulaire, qui supporte une armature 12 par une eharnière -13 formée d'une bande mince de matériau résilient solidaire d'un côté du cadre. L'armature 12, la charnière 13 et le cadre 11 sont faits d'une seule pièce. La position de repos de l'armature 12 est définie par un mince filament de matériau résilient. Les ressorts 14 font également partie intégrante du cadre 11 et de l'armature 12. L'élément de contact de la figure 1 peut être formé à partir de divers matériaux qui sont à la fois résilients et diélectriques. La fabrication peut être réalisée par usinage au laser ou, si le matériau est cristallin, par un procédé d'attaque sélective. On préfère utiliser le silicium comme matériau de contact car, bien que n'étant pas un isolant au sens strict, mais un semi-conducteur, on a trouvé que sa résistivité était suffisamment élevée pour fournir en pratique une isolation assez 250239 0 bonne des contacts électriques qu'il supporte. Le silicium est normalement considéré comme un matériau électronique mais il possède aussi des propriétés mécaniques extraordinairement bonnes. Ses propriétés intrinsèques combinées à la disponibilité de monocristaux de grande taille et de haute perfection, à un coût modéré, le rendent particulièrement intéressant pour la présente invention. Il dbéit presque parfaitement à la loi de Hooke sous l'action d'une contrainte normale jusqu'au point de rupture, la déformation plastique étant pratiquement absente pour des contraintes modérées. Le silicium a une dureté et une tenacité comparables à celle de l'acier et il a une grande stabilité thermique et chimique. Les connaissances acquises dans le formage chimique du silicium, et en particulier la possibilité d'inhiber l'attaque chimique par un dôpage au bore, sont maintenant assez développées pour permettre la réalisation de structures très compliquées avec une grande précision et une bonne reproductibilité. Les procédés de formage du silicium utilisent des agents d'attaque chimique à action largement préférentielle sur certains plans cristallins et également sensibles aux niveaux de dopage. Une connaissance préalable des différentes vitesses d'attaque le long des différents axes permet d'obtenir la forme désirée en utilisant des moyens photolithographiques. Des volumes sélectionnés du cristal peuvent être protégés du processus d'attaque au moyen du dopage qui est un procédé bien maitrisé dans la technologie classique du silicium. La vitesse d'attaque du silicium est pratiquement annulée par une concentration en bore d'environ 4 x 1019 atomes par cm. On peut ainsi facilement réaliser des bandes ou des membranes très fines, jusqu'à une épaisseur de quelques micromètres. L'élément de contact de la figure 1 peut donc être produit dans un corps de silicium par application d'une technique d'attaque sélective. Typiquement, le silicium est dopé sélective- ment avec du bore, à un niveau d'au moins 4 x 1019 atomes par cm2, dans les régions qui constituent l'élément de contact. La pastille de silicium est ensuite attaquée chimiquement, par exemple avec un mélange d'hydroxyde de potassium, d'alcool isopropylique et d'eau. L'action chimique d'une telle composition est sélective pour le silicium dopé au bore. On passe brutalement de la vitesse d'attaque normale du silicium non dopé à une vitesse pratiquement nulle dans les régions dopées, si bien que la configuration des régions non attaquées est précisément définie par le profil de dopage. En pratique, un corps de silicium monocristallin est dopé au bore à travers un masque dans les régions o l'attaque ne doit pas se produire, puis il est soumis au traitement d'attaque chimique pour enlever seulement le matériau non dopé. De telles techniques sont décrites de façon plus détaillée dans le brevet britannique n0 1 211 496. Bien qu'un seul élément de contact soit représenté figure 1, il est clair qu'on peut fabriquer simultanément une pluralité de tels éléments de contact, par exemple sur une seule pastille de matériau semi-conducteur, cette dernière étant ensuite dé- coupée par des techniques classiques pour séparer les éléments de contact individuels. On se reporte maintenant à la figure 2 qui représente une coupe d'un dispositif de commutation électrostatique à trois couches, certaines dimensions ayant été exagérées pour des raisons de clarté. L'assemblage comprend un substrat isolant 21, par exemple en verre, sur lequel sont formés des électrodes fixes 22 et des contacts fixes 23. La couche intermédiaire est constituée par l'élément de contact 10 de la figure 1. La couche supérieure est un couvercle 26 qui agit aussi comme une butée pour l'armature 12 dans sa position de repos. La cavité 24 définie par l'assemblage peut être hermétiquement fermée et on peut y faire le vide ou la remplir d'un gaz inerte de façon que le champ électrique nécessaire à l'attraction de l'armature puisse être établi sans risque de dissipation électrique. Le vide ou le gaz inerte évite également la contamination des contacts 23 et 31. Pour éviter le fléchissement de la partie centrale de l'armature en cours de fonctionnement, une ou plusieurs butées isolantes 25 peuvent être formées sur le substrat 21 ou sur l'armature 12. Les figures 3 et 4 représentent deux variantes de configurations des contacts sur un élément de contact conforme à l'invention. Selon la figure 3, l'armature porte une piste conductrice 31 en forme de L dont la branche longitudinale traverse la charnière et aboutit à une connexion extérieure (non représentée). Quand l'armature est en position fermée, la piste 31 s'appuie contre une piste conductrice fixe 32 disposée sur la base du boîtier de relais. La variante représentée figure 4 correspond à un dispositif de commutation qui ne nécessite pas de connexion avec le contact de l'armature. Celui-ci est une bande conductrice transversale 33 proche de l'extrémité libre de l'armature. Quand l'armature est fermée, le contact 33 relie une paire de contacts fixes 34 et 35 connectés chacun à un conducteur extérieur. Les contacts fixes et mobiles sont de préférence déposés par évaporation d'or -au d'un alliage d'or. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Elément de contact électrique caractérisé par le fait qu'il comprend un substrat en matériau isolant constituant d'une seule pièce un socle (11) et une armature (12) articulée sur le socle, et au moins un contact électrique (31, 33) disposé sur ladite armature. 2. Elément de contact selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des éléments de retenue (14) faisant aussi partie intégrante dudit substrat isolant, pour restreindre le déplacement de l'armature (12) par rapport au socle (11). 3. Elément de contact selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau isolant est du silicium. 4. Elément de contact selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le silicium est dopé au bore. 5. Elément de contact selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit contact électrique (31, 33) est fait d'un matériau contenant de l'or. 6. Elément de contact selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit matériau de contact est de l'or. 7. Elément de contact selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit matériau de contact est un alliage d'or. 8. Elément de contact électrique caractérisé par le fait qu'il comprend un substrat de silicium constitué par une plaque de base (18) sur laquelle est définie un évidement, une armature (12), une partie flexible (13) intégrée à la plaque comme à l'armature et constituant une charnière par laquelle l'armature s'articule sur la plaque de base et peut être déplacée entre une première position définie par l'encastrement de l'armature dans ledit évidement et une seconde position dans laquelle l'armature sort au moins partiel- lement de l'évidement, et au moins un ressort filiforme (14) faisant également partie intégrante de l'armature et de la plaque de base et agissant pour restreindre le déplacement de ladite armature par rapport à ladite plaque. 9. Dispositif de commutation caractérisé par le fait qu'il comprend un boîtier (21,26), des contacts électriques fixes (23) disposés dans le boîtier, un élément de contact mobile (10) monté dans le boîtier et constitué par un corps de matériau isolant intégrant une armature (12) articulée sur un support (11), au moins un contact électrique (31) disposé sur l'armature pour établir ou rompre le contact avec les contacts électriques fixes du boîtier en fonction des mouvements de l'armature, et des moyens de déplacer l'armature par rapport au boîtier sous l'influence de forces électrostatiques (22). 10. Dispositif de commutation selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit élément de contact (10) comprend des moyens élastiques de retenue (14) faisant partie intégrante dudit corps isolant et servant à limiter le déplacement de ladite armature (12) par rapport audit support (11). 11. Dispositif de commutation selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit matériau isolant est du silicium. 12. Dispositif de commutation selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le silicium est dopé au bore. 13. Dispositif de commutation selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend aussi des moyens de scellement hermétique (24) dudit boîtier (21,26). 14. Dispositif de commutation selon la revendication 13, caractéris4 par le fait que ledit boîtier est rempli d'un gaz inerte. 15. Dispositif de commutation selon la revendication 13, caractérisé par le fait que l'on a fait le vide à l'intàrieur dudit boîtier. 16. Centre de télécommunication, caractérisé par le fait qu'il c3mprend une pluralité de dispositifs de commutation comportant chacun un boîtier (21, 26), des contacts électriques fixes (23) disposés dans le boîtier, un élément de contact mobile (10) monté dans le boîtier et constitué par un corps de matériau isolant intégrant une armature (12) articulée sur un support (11), au moins un contact électrique (31) disposé sur l'armature pour établir ou rompre le contact avec les contacts électriques fixes du boîtier en fonction des mouvements de l'armature, et des moyens de déplacer l'armature par rapport au boîtier sous l'influence de forces électrostatiques..(22). 17. Mb'thdde de fabrication d'un élément de contact électrique, caractérisée par le fait de procéder à un enlèvement de matière dans une plaque de matériau isolant (11) pour former une armature (12) intégrée et articulée sur cette plaque, et de déposer au moins un contact électrique (31,33) sur cette armature.