Brevet FR2521387A1 — publié le 19830812

L'invention concerne des commutateurs électromécaniques qui peuvent être utilisés pour donner une indication confirmant des positions discrètes. l)es commutateurs sont connus d'après la demande de brevetanglais n' 81 08280 déposée le 17 mars 1981. Selon la présente invention, un commutateur électromécanique est composé d'un support, d'une armature mobile, d'une charnière reliant le support et l'armature mobile et formée par une feuille flexible de matériau semi-conducteur fixée rigidement à ces deux parties, de zones dopées sur la charnière constituant une jauge de contrainte électrique sensible à la torsion de la charnière et, par conséquent, à la position de l'armature mobile par rapport au support et un circuit de commutation commandé par la jauge de contrainte pour fournir un premier et un deuxième états logiques électriques en réponse respectivement à la première et à la deuxième positions de l'armature mobile. Les deux parties et la charnière sont formées de préférence intégralement à partir d'une pièce en matériau semi-conducteur commune en enlevant partiellement une partie du matériau semi-conduc- teur pour constituer la charnière Le matériau semi-conducteur est de préférence le silicium. En plus de la charnière, on prévoit de préférence une attache formée par une feuille située entre les deux parties pour maintenir ces parties et éviter les mouvements relatifs indésirables et/ou pour assurer une précontrainte L'attache ou les attaches peuvent être plus longues et plus minces que la charnière. Dans un mode de réalisation, une des parties possède deux jambes et l'autre une seule jambe en projection entre les deux jambes et connectée par la charnière à la racine des deux jambes, des attaches connectant les extrémités des deux jambes à la racine de l'autre membre Dans un autre mode de réalisation, les deux parties ont chacune une racine et une seule jambe, une charnière montée entre ces jambes et des attaches s'étendent entre la racine d'un membre et la racine de l'autre, les attaches étant légèrement plus courtes à l'état libre que la distance entre racines définie par la charnière, ce qui permet d'obtenir un commutateur bistable dans lequel la charnière est inclinée vers un côté ou vers l'autre côté par rapport au plan des attaches. L'armature mobile peut être connectée à un élément d'entrée déplacé positivement par une liaison élastique qui cède en réponse au mouvement excessif de l'élément d'entrée afin d'empêcher que des contraintes trop fortes s'appliquent à la charnière La liaison élastique et l'élément d'entrée peuvent être formés en une pièce avec le support et l'armature mobile, la liaison élastique prenant la forme d'une lame obtenue par attaque partielle du matériau commun. Dans un autre mode de réalisation, le support revêt la forme d'une boucle fermée allongée, l'armature mobile est une pièce allongée dans la boucle, la charnière est disposée entre une extrémité. de l'armature mobile et une extrémité de la boucle et une attache est prévue entre l'extrémité opposée de l'armature mobile et l'extrémité adjacente de la boucle. La jauge de contrainte électrique peut être formée par des zones dopées de la charnière arrangées pour constituer les résistances d'un pont résistif Un autre pont résistif formé avec le même type de matériau que la charnière et précontraint d'une façon prédéterminée peut être inclus dans le même circuit électrique que le pont de la jauge de contrainte afin d'assurer la compensation des variations de la résistance du pont en fonction de la température. Les différents objets et caractéristiques de l'invention vont maintenant être exposés de façon plus détaillée dans la descrip- tion qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, une vue en perspective schématique d'une première forme de réalisation du détecteur de position d'un interrup- teur, conforme à l'invention; la figure 2, une deuxième forme de réalisation du détecteur de position qui convient particulièrement bien pour un coumutateur à deux positions; la figure 3, une vue en perspective d'un détecteur de position ayant une sensibilité très élevée la figure 4, un interrupteur limitateur contenant l'un des détecteurs, en particulier le détecteur de la figure 1, conformément à l'une des formes de l'invention; et la figure 5, un circuit de commutation simple que l'on peut utiliser avec l'un quelconque des détecteurs des figures 1 à 3, et plus particulièrement avec le commutateur de la figure 4. Le détecteur de position de la figure 1 est constitué d'un support 11 en forme de "C" présentant une racine 12 et deux jambes 13 et 14 s'étendant parallèlement l'une à l'autre à partir de la racine. Une armature mobile 15 en forme de "T" avec une racine 16 formant la barre du "T" et une jambe 17 du "T" placée entre les deux jambes 13 et 14 La jambe 17 se termine à ure certaine distance de la racine 12 du support auquel elle est connectée par une charnière en lame 18 La force de la charnière-à lame 18 n'est pas nécessairement suffisante pour contraindre les deux membres 11 et 15 à la position présentée et, pour aider à ce mouvement de contrainte, deux attaches 19 et 21 sont prévues Les attaches vont des extrémités libres des jambes 13 et 14 du support à la racine 16 de l'armature mobile La racine 16 de l'armature mobile 15 est également connectée à un élément d'entrée 22 par une lame de liaison élastique 23. L'ensemble complet tel qu'il vient d'être décrit est réalisé à partir d'une pastille de silicium ou d'un autre matériau semi-conducteur piezorésistif Le support 11, l'armature mobile 15 et l'élement d'entrée 22 conservent tous les trois l'épaisseur originale de la pastille Certaines parties de la pastille sont enlevées complètement pour constituer les espaces entre les parties Le matériau est également enlevé en partie, jusqu'à une profondeur déterminée, pour fournir la charnière en lame 18, les attaches 19 et 21 et la liaison élastique 23 Un dopage au bore permet d'arrêter l'attaque et de rétrécir le réseau cristallin, afin que les attaches soient tendues. L'épaisseur de la charnière en lame doit être de 20 à 40 microns Les attaches 19 et 21 sont beaucoup plus minces que la charnière 18 et elles peuvent avoir une épaisseur de 5 à 10 microns Comme on peut le constater, leur largeur est également inférieure à celle de la charnière 18 et elles sont plus longues que la charnière 18 Grâce à ces proportions, les attaches sont beaucoup plus souples que la charnière 18 afin de permettre un mouvement tournant relatif entre le support 11 et l'armature mobile 15 par rapport à la charnière 18, d'une manière tendant à courber la charnière Toutefois, les attaches constituent une contrainte précieuse contre tout mouvement tournant dans le plan de la pastille qui tendrait à gauchir la charnière La rigidité de la liaison élastique 23 associé à l'élément d'entrée 22 n'étant pas critique, il peut être pratique de la réaliser par attaque à la même profondeur que la charnière 18 Dans de larges limites, les variations requises de la rigidité peuvent être obtenues en modifiant sa largeur. La charnière 18 contient quatre résistances incorporées formées par le dopage sélectif de zones de la charnière Les quatre résistances Rl à R 4 sont représentées schématiquement à la figure 1. Ces résistances sont arrangées en un pont électrique, par exemple conformément,à la description de la demande de brevet anglais ne 81 29644 Comme il est décrit en détail dans cette demande précédente, un deuxième pont peut être monté sur une autre lame du même matériau ou d'un matériau similaire à celui de la charnière 18. Cette autre lame peut être précontrainte à une certaine valeur pour définir la valeur des résistances piezo-résistives et elle peut être incluse dans les mêmes circuits que les résistances piezo-résistives R 1 à R 4 pour procurer la compensation de température dans les circuits. Dans tous les cas, la flexion de la charnière 18 résultant d'un mouvement tournant de l'armature mobile 15 par rapport à la base 11 déséquilibre le réseau contenant Ri à R 4 pour et permet la génération d'un signal électrique correspondant au degré de courbure appliquée à la charnière 18 et indiquant donc la position dans laquelle - l'armature mobile 15 a été mise. Le détecteur de position doit être utilisé comme commutateur à deux positions et il n'est pas indispensable de détecter précisément la position angulaire de l'armature mobile par rapport à la partie fixe si sa connexion mécanique au commutateur est telle qu'elle prend toujours une de deux positions discrètes Par exemple, la racine 16 de l'armature mobile 15 peut être contrainte par deux butées mécaniques afin de demeurer dans une plage limitée et spécifique de déplacement Ceci définit deux états de contrainte dans la charnière 18 et l'exigence concernant le circuit électrique est de reconnaître de façon fiable chacun des deux états L'entrée mécanique vers le commutateur est assurée par un mouvement direct de l'élément d'entrée 22 Tant que le mouvement de l'élément d'entrée est suffisant pour déplacer l'armature 15 entre ces deux butées, l'amplitude effective du mouvement est sans importance parceque le mouvement en excès peut être absorbé par la souplesse de la liaison élastique 23. La figure 2 représente un détecteur de position particulière- ment utile dans un commutateur à deux positions Un support 31 en forme de "T" comporte une racine 32 et une jambe 33 Une armature mobile 34 également en forme de "T" comporte une racine 35 et une jambe 36 montée selon le même axe que la jambe 33 et vers celle-ci. Les jambes 33 et 36 sont jointes par une charnière 37 Les attaches 38 et 39 connectent les racines 32 et 35 des deux pièces 31 et 34 Un élément d'entrée 41 est connecté à l'armature mobile 35 par un élément de liaison élastique 42 La construction du détecteur de position de la figure 2 est basée sur les mêmes principes que celui de la figure 1, la fabrication se faisant à partir d'une seule pastille de silicium De plus, quatre piezorésistances sont réalisées dans la charnière 37, et elles peuvent être connectées pour constituer un circuit électrique, de la même façon qu'à la figure 1. Par une précontrainte appropriée résultant d'un dopage au bore comme il a été dit précédemment, la longueur du pont est légèrement augmentée En d'autres termes, la distance entre les racines 32 et 35 des deux pièces telles que définies par les attaches 38 et 39 est légèrement inférieure à la distance qui est définie par les jambes 33 et 36 et la charnière 37 lorsque ces composants sont à leur état libre De ce fait, la charnière 35 et les jambes 33 et 36 tendent à s'incliner légèrement dans une direction ou dans l'autre par rapport au plan contenant les attaches 38 et 39 Ceci constitue un dispositif mécanique bistable qui peut être commuté de l'un à l'autre de ses états stables par un mouvement mécanique d'entrée appliqué à l'élément d'entrée 41 Le pont piezo-résistif constitué des résistances de la charnière 37 peut être inclus dans un circuit électrique tel que les deux états mécaniques stables puissent être distingués aisément Les signaux représentant les résistances donnent une indication claire de l'état dans lequel a été mis le détecteur de position. La figure 3 représente une autre construction possible caractérisée par une forte sensibilité Le support 143 revêt la forme d'une boucle rectangulaire fermée et l'armature mobile 44 est une pièce allongée disposée dans la boucle La charnière 45 connecte une extrérmité de l'armature mobile 44 à une extrémité de l'intérieur de la boucle L'autre extrémité de l'armature mobile 44 est connectée par une attache 46 à l'extrémité opposée de la boucle, à partir de la charnière 45 La charnière 45 est particulièrement courte afin de lui donner un plus grand degré de courbure pour une déviation déterminée de l'armature mobile et augmenter ainsi la sensibilité L'attache 46 est particulièrement longue afin de permettre ces mouvements L'entrée mécanique vers le système se fait par un effet direct sur l'extrémité de l'armature mobile 44 adjacente à l'attache 46. Quant aux autres aspects, la construction et le fonctionnement du dispositif de la figure 3 correspondent à ceux des figures 1 et 2 et le dispositif peut être utilisé soit comme détecteur linéraire pour détecter une position quelconque sur un grand domaine ou comme commutateur avec détection d'un nombre fini de positions discrètes. La figure 4 représente une coupe d'un microrupteur réalisé en accord avec une des formes de l'invention Le commutateur est composé d'un boîtier en matière plastique moulée 50 avec un couvercle 51, il contient un détecteur de position 52 semblable à celui décrit à la figure 1, bien que ceux des figures 2 et 3 auraient également pu être utilisés après des modifications mécaniques appropriées de la position de l'élément 55 et du ressort 54. L'élément 12 est maintenu fermement dans une fente 53 et l'élément d'entrée 22 est disposé entre l'extrémité d'un ressort 54 et celle d'une pièce de détection de mouvement 55 qui passe à travers et peut glisser dans un trou de guidage 56 aménagé dans le couvercle 51; l'extrémité opposée'57 détecte le mouvement du ressort 58 et, en réponse à ce mouvement, déplace l'élément d'entrée 22 et donc la racine 16 de l'armature mobile 15 pour déformer la charnière 18 Ceci provoque la modification de l'état du circuit de commutation 59 aux bornes de connexion 60, 61, et 62 du fait que le pont présente une variation de sa résistance; il est représenté connecté par des fils souples 63 au circuit de commutation 59. Le ressort 58 est maintenu dans une fente 64 du couvercle 51. Un circuit de commutation simple 59 est présenté à la figure 5; les composants contenus dans la ligne en traits interrompus 7. existent dans le commerce sous forme d'un circuit intégré le type 710. L'ensemble est constitué d'un générateur de courant constant 70 et d'une porte transistorisée OU composée des transistors 71 et 72 commandés par le pont-jauge de contrainte Le potentiel relatif du point a par rapport à celui du point c détermine celui des transistors 71 ou 72 qui conduit et cela dépend du degré de la contrainte de la lame 18. Un amplificateur différentiel 73 fournit en sortie un 1 logique ou un O logique, suivant le cas Si le pont est déséquilibré en position de repos de l'interrupteur et que la dépression du poussoir 55 a pour effet que le pont passe par l'état équilibré pour parvenir à l'état déséquilibré opposé, il y a changement du niveau logique. Il serait possible de fabriquer les composants du circuit de commutation sur le détecteur de position adjacent au pont-jauge de contrainte par l'application de techniques appropriées de dopage et d'attaque du silicium. La forme décrite aux figures 4 et 5 serait utilisée comme commutateur de fin de course Le circuit de la figure 5 pourrait être utilisé avec les détecteurs des figures 2 et 3 pour constituer le commutateur. Il est bien évident que les descriptions qui précèdent n'ont été fournies qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. j 2521387 REVENDICATIONS 1 Commutateur électromécanique caractérisé en ce qu'il est compo- sé d'un support ( 11), d'une armature mobile ( 15), d'une charnière ( 18) joignant les deux éléments précédents et formée par une lame souple de matériau semi-conducteur fixée rigidement aux deux éléments, des zones dopées de la charnière (Rl à R 4) constituant une jauge de contrainte électrique sensible à la torsion de la charnière en lame et, par consé- quent, à la position de l'armature mobile par rapport au support et un circuit de commutation ( 59) commandé par la jauge de contrainte pour fournir-un premier et un deuxième états logiques électriques en réponse respectivement à la première et à la deuxième positions de l'armature mobile. 2 Commutateur conforme à la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier ( 50) et un membre détecteur de mouvement ( 55) ayant une première partie pour déceler un mouvement externe au boîtier et une deuxième partie réagissant pour déplacer l'armature mobile, ainsi qu'un montage de rappel ( 54) pour solliciter le membre détecteur vers une position de repos. 3 Commutateur conforme à l'une des revendications 1 ou 2 caracté- risé en ce que le support, l'armature mobile et la charnière sont formés intégralement à partir d'une pièce en matériau semi-conducteur, une attaque partielle d'une partie du matériau réalisant la charnière. 4 Commutateur conforme à l'une des revendications 1, 2 ou 2, caractérisé en ce que le matériau est du silicium. Commutateur conforme à une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une autre lame semi-conductrice ( 19, 21) entre lesdits éléments pour jouer le rôle d'attache. 6 Commutateur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que l'attache ou les attaches sont faites de silicium dopée au bore. 7 Commutateur conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les attaches sont plus longues et plus minces que la charnière. 8 Commutateur conforme à l'une des revendications 5, 6, ou 7, caractérisé en ce qu'un des éléments a deux jambes ( 13, 14), l'autre a une seule jambe ( 17) disposée entre les deux jambes du premier et connectée par la charnière à la racine entre les deux jambes, des attaches respectives ( 19, 21) joignant les extrémités des deux jambes à une racine dudit autre élément. 9 Commutateur conforme à l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que chacun des deux éléments comprend une racine et une jambe dirigée vers l'autre élément, une charnière entre les extrémités des jambes, des attaches s'étendant de la racine d'un élément à la racine de l'autre élément, ces attaches étant plus courtes à l'état libre que la distance entre les racines définies à travers la charnière, ce qui procure un commutateur bistable dans lequel la charnière est inclinée vers un c 6 té ou-vers l'autre du plan des attaches, à l'état libre du détecteur de position. Commutateur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'armature mobile est connectée à un élément d'entrée ( 22) déplacé positivement, par une liaison élastique ( 23) qui cède en cas de mouvement excessif de l'élément d'entrée, pour empêcher que des contraintes excessives soient appliquées à la charnière. 11 Commutateur conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que la liaison élastique et l'élément d'entrée sont constitués dans une seule pièce avec le support et l'armature mobile et dans lequel la liaison élastique est formée par attaque partielle de l'épaisseur du matériau semi conducteur. 12 Commutateur conforme à l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la jauge de contrainte est formée par des résistances réalisées par des zones dopées sélectivement de la charnière et organisées en un réseau résistif. 13 Commutateur conforme à la revendication 12, caractérisé en ce qu'un autre pont formé du même type de matériau que la charnière et précontraint à une valeur prédéterminée est inclus dans le même circuit qu le pont de la jauge de contrainte pour assurer la compensation des varia- tions de la résistance en fonction de la température.