Brevet FR2509088A1 — publié le 19830107

-2509088 La présente invention concerne les commutateurs électriques et, plus particulièrement, les commutateurs ou relais dont le déplacement de l'élément mobile est commandé par un signal électromagnétique. Les relais à commande électromagnétique sont très largement utilisés dans un grand nombre d'applica- tions des techniques de commutation Ils sont le plus souvent du type électromécanique, dans lequel un ou plusieurs contacts sont manoeuvrés par un système de commande à bobine et armature Bien que ces dispositifs soient très fiables, leur construction en un grand nombre d'éléments implique des coûts de fabrication assez élevés et le courant nécessaire à l'alimentation de la bobine de commande rend leur utilisation également coûteuse à cause de la dissipation d'énergie qui en résulte. Il est, de plus, difficile de fabriquer des bobines qui soient à la fois très petites et efficaces, si bien que des équipements à grande densité de tels relais, par exemple dans les applications de commutation des télécommunications, ne sont pas réalisables Les efforts faits pour surmonter ces problèmes ont conduit à la réalisation du relais à lames souples dans lequel une paire de lames de contact flexibles en matériau magnétique sont actionnées par une bobine entourant les lames Cependant, quoique le relais à lames souples représente une étape significative dans la réduction des dimensions et des coûts de fabrication, il souffre encore de l'inconvénient d'une trop grande dissipation d'énergie. La présente invention a donc pour objet de fournir une unité de contact relativement petite et dissipant peu d'énergie. Une unité de contact conforme à l'invention comprend un élément mobile porteur d'un ou plusieurs contacts et pourvu d'une jonction p-n shuntée par un chemin de court-circuit, de sorte qu'un rayonnement électromagnétique dirigé sur la jonction en présence d'un champ magnétique entraîne la circulation d'un courant induit sur la boucle formée par la jonction et son circuit de shunt, l'interaction de cette boucle de courant avec le champ magnétique provoquant la flexion de l'élément mobile de manière appropriée à la fermeture ou à l'ouverture de contacts électriques dont les pièces mobiles sont constituées par lesdits contacts. Selon une autre caractéristique de l'invention, un dispositif de commutation opto-électrique à unité de contact du type précédent comprend un boîtier, un filament semi-conducteur flexible monté dans le boîtier et muni d'un ou plusieurs contacts mobiles et d'une jonction p-n associée à un chemin de court-circuit, un ou plusieurs contacts fixes montés dans le boîtier en regard desdits contacts mobiles, un moyen de produire un champ magnétique, au moins dans la région de ladite jonction p-n, et un moyen de diriger un faisceau lumineux sur cette jonction afin de créer un photo- courant circulant sur la boucle formée par le chemin de court-circuit, l'orientation mutuelle du champ magnétique appliqué et du champ magnétique induit par le photocourant étant telle que le filament semi- conducteur est fléchi dans une direction appropriée à la fermeture ou à l'ouverture de contacts électriques constitués chacun par l'association d'un contact mobile avec un contact fixe. Le champ magnétique requis pour la commande de l'unité de contact est produit avantageusement par un aimant permanent et cela élimine la dissipation d'énergie associée à l'utilisation d'un électro-aimant Le rayonnement électromagnétique sera en général compris dans la partie visible du spectre, ou dans les régions proches de l'infira-rouge ou de l'ultra-violet La jonction p-n est formée sur le corps semi-conducteur à la manière d'une jonction classique de cellule solaire, mais elle est shuntée par un chemin de court-circuit de façon qu'un courant circule autour de la jonction quand elle est éclairée Le champ magnétique induit par ce courant de court-circuit interagit avec le champ magnétique appliqué, selon la loi de Faraday, en introduisant une force de déplacement du corps semi-conducteur. 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: la figure 1, une vue schématique, en perspective, d'une unité de contact à semi-conducteur conforme à l'invention la figure 2, une vue schématique, en coupe, d'un dispositif de commutation comprenant l'unité de contact de la figure 1. L'unité de contact représentée figure 1 est fabriquée dans un filament semi-conducteur flexible Il qui porte des grains de contact 12 à l'une de ses extrémités Une jonction p-n 13 est définie sur la surface du filament semi-conducteur 11 au voisinage des contacts 12 et cette jonction est pourvue d'un chemin de court- circuit 14 Le chemin 14 est représenté comme une région métallisée mais, pour certaines applications, il pourrait être constitué par une région très fortement dopée du semi-conducteur, à proximité de la Jonction 13 Cette dernière est produite de manière analogue à la jonction d'une cellule solaire ou d'une photodiode Quand un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde appropriée frappe cette jonction, il entraîne la création de porteurs qui produisent un courant électrique à travers la jonction et sur le chemin de court-circuit Le champ magnétique HA associé à ce courant est dirigé le long de l'axe de la boucle constituée par la jonction 13 et le chemin de court-circuit 14 L'application d'un champ magnétique extérieur HB, par exemple au moyen d'un aimant permanent, crée donc une force qui s'exerce sur le filament semi-conducteur à cause de l'interaction des deux champs magnétiques Le filament semi-conducteur flexible est ainsi courbé dans une direction déterminée par l'orientation mutuelle des deux champs. On peut utiliser de nombreux matériaux pour fabriquer cette unité de contact, le silicium étant toutefois préférable En effet, la technologie du silicium est actuellement très bien maîtrisée et ce matériau peut finalement être produit sous forme filamentaire par attaque sélective d'une plaquette de silicium monocristallin Le silicium a également des propriétés photovoltaiquesbien adaptées au dispositif de l'invention et les techniques de fabrication des composants photovoltaiques au silicium sont parfaitement au point. On se reporte maintenant à la figure 2 qui représente une coupe longitudinale d'un dispositif de commutation comportant l'unité de contact de la figure 1. Le dispositif de commutation comprend une plaque de base 21 recouverte d'une couche isolante 22 sur laquelle sont déposés des contacts fixes 23 La plaque de base 21 comporte une partie surélevée 24 sur laquelle une extrémité du filament semi-conducteur 11 est fixée, de sorte que les grains de contact 12 portés par l'extrémité libre du filament sont situés au-dessus des grains de contact 23 de la plaque de base La distance entre les contacts 12 et 23 est quelque peu exagérée pour améliorer la lisibilité de la figure 2. Le filament Il est placé de façon que sa partie photo-sensible 13 soit située dans un champ magnéto- statique créé par un ou plusieurs aimants permanents montés au voisinage du filament Ces aimants sont de préférence des éléments en terres rares à champ intense. Ces matériaux ont en effet une coercivité élevée qui les rend particulièrement adaptés à la fabrication de petits aimants permanents de grande puissance. Le dispositif de commutation est hermétiquement scellé par un couvercle 25 comportant une ouverture traversée par une fibre optique 26 L'extrémité 27 de la fibre 26 est située juste au-dessus de la jonction p- n 13 de façon que le faisceau lumineux guidé par la fibre tombe sur la jonction Dans certaines applications, la fibre pourrait être traversée par un dispositif à lentille capable de focaliser le faisceau sur la jonction. Quand la jonction p-n 13 est éclairée par la fibre optique 26, le champ magnétique induit par le photo- courant circulant dans la boucle de court-circuit entraîne la flexion du filament 11 vers la plaque de base 21 et, par conséquent, l'établissement d'une connexion électrique entre les contacts 23 et 12 A la disparition du signal de commande optique, le courant de court-circuit s'annule et le filament 11 retourne à sa position initiale en ouvrant le contact électrique précédemment établi. Un développement de l'invention conduit à fabriquer une pluralité de dispositifsde -contact conformes à la figure 1 dans une seule pastille de matériau semi- conducteur Le procédé de fabrication consiste à doper et attaquersélectivement le substrat semi-conducteur de façon qu'une rangée de filaments 11 reste attachéeau substrat par l'extrémité opposée aux contacts 12 du filament, ce qui conduit à une structure en forme de peigne Des techniques d'attaque sélective de matériaux semi-conducteurs qui conviennent ici sont décritespar exemple, dans le brevet britannique n O 1 211 499 La pastille portant la pluralité d'éléments de contact ainsi formés est montée face à un réseau de contacts fixes, de sorte que la commande optique d'un ou plusieurs éléments de contact entraîne la connexion électrique d'une ou plusieurs paires de contacts correspondants L'ensemble peut être monté dans un boîtier qui protège les contacts de tout risque de contamination. Un tel arrangement est particulièrement adapté aux systèmes de commutation de télécommunications, car il constitue un sélecteur compact à contacts multiples qui peut être utilisé pour constituer des matrices de connexion de très faibles dimensions. De nombreux matériaux magnétiques sont utilisables pour créer le champ magnétostatique nécessaire au fonctionnement des commutateurs conforme à l'invention. On préfère cependant employer des matériaux contenant des terres rares car ceux-ci permettent la fabrication d'aimants très petits qui fournissent un champ de grande intensité et présentent une grande stabilité. REVENDICATIONS 1 Unité de contact opto-électrique, caractérisée par le fait qu'elle comprend un élément mobile ( 11) pofteur d'un ou plusieurs contacts ( 12) et pourvu d'une jonction p-n ( 13) shuntée par un élément de courtcircuit ( 14), de sorte qu'un rayonnement électromagnétique dirigé sur ladite jonction en présence d'un champ magnétique (HB) entraîne la circulation d'un courant induit sur la boucle formée par la jonction p-n ( 13) et son élément de court-circuit ( 14), l'interaction de cette boucle de courant avec le champ magnétique (HB) provoquant la flexion de l'élément de contact mobile ( 11) de manière appropriée à la fermeture ou à l'ouverture de contacts électriques constitués par l'association de contacts fixes avec lesdits contacts ( 12) de l'élément mobile ( 11). 2 Dispositif de commutation opto-électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend un boîtier ( 21,25), un élément semi-conducteur flexible ( 11) monté dans le boîtier et muni d'un ou plusieurs contacts mobiles ( 12) ainsi que d'une jonction p-n ( 13) associée à un chemin de court-circuit ( 14), un ou plusieurs contacts fixes ( 23) montés dans le boîtier en regard desdits contacts mobiles ( 12), un moyen de produire un champ magnétique (HB) au moins dans la région de ladite jonction ( 13) et un moyen ( 26) de guidage de la lumière sur ladite jonction pour entraîner la circulation d'un courant sur la boucle formée par la jonction et son chemin de court-circuit ( 14), l'orientation mutuelle du champ magnétique appliqué (HB) et du champ magnétique (HA) induit par ladite boucle de courant étant telle que l'élément semi-conducteur ( 11) se courbe dans une direction appropriée à la fermeture ou à l'ouverture de contacts électriques constitués chacun par une paire de contacts associés, l'un fixe ( 23) et l'autre mobile ( 12). 3 Dispositif de commutation conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que le semi- conducteur constituant le matériau de l'élément de contact mobile ( 11) est du silicium. 4 Dispositif de commutation conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que l'élément de contact flexible ( 11) est formé dans une plaque de silicium découpée en forme de peigne. Dispositif de commutation conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que ledit champ magnétique (HB) est fourni par un aimant permanent monté dans le boitier ( 21, 25) du dispositif. 6 Système de commutation de télécommunications, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de dispositifs de commutation conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 5.