Brevet FR2838421A1 — publié le 20031017

COMPOSANT CO1PORTANT UNE MATRICE DE CELLULES DE STRUCTURES MICROELECTROMECANIQUES. Domaine Technique L'invention se rattache au domaine de l'industrie électronique et plus particulièrement au secteur des composants microéleckomécaniques communément appelés MEMS. L'invention vise plus précisément un nouveau type d'actionneur permettant de commander le déplacement de structures MEMS au sein d'une matrice de telles structures. Ce type d'actionneur peut être utilisé dans différents types de composants MEMS, dont notamment mais non exclusivement, les composants fonctionnant dans le domaine des communications optiques, qu'il s'agisse de commutateurs, d'atténuateurs optiques ou bien encore des systèmes de projection. Dans le reste de la description, l'invention est donc décrite de façon plus précise dans son application aux composants optiques, et plus précisément aux commutateurs optiques, mais sans que cela constitue une limitation de la portée de l'invention. Techniques antérieures De façon générale, il s'avère avantageux de rassembler un certain nombre de structures MEMS au sein d'une matrice pour effectuer différentes opérations combinées, notamment dans le cadre des applications optiques. Une telle matrice comprend donc un ensemble de cellules élémentaires, disposées selon les arrangements de lignes et de colonnes. Chaque cellule inclut une structure micro-électromécanique ou MEMS qui comporte une partie mobile par rapport à un cadre fixe. La partie mobile est reliée au cadre fixe par une portion de liaison qui présente une certaine capacité de déformation pour permettre à la partie mobile d'adopter différentes positions par rapport au cadre. Le déplacement de la partie mobile s'effectue sous l'effet d'un actionneur qui, lorsqu'il est commandé, permet d'exercer une force sur une partie de Ia structure, et donc de déplacer la partie mobile. Divers types d'actionneurs ont déjà été proposés, et qui agissent selon différents principes physiques. Ainsi, en dehors des actionnements par phénomènes thermiques, on conna^t principalement les actionneurs utilisant des forces électrostatiques ou magnétiques. Les actionneurs du type électrostatique fonctionnent généralement en permettant l'application d'une différence de potentiel entre une zone liée au cadre fixe et une zone associce à la partie mobile. Les différentes parties en regard étant soumises à une différence de potentiel, elles ont tendance à s'attirer, provoquant ainsi le déplacement de la partie mobile. Les actionneurs de type électrostatique présentent des inconvénients dans certaines confgurations, et notamment celles dans lesquelles les déplacements présentent une forte amplitude. En effet, dans ce cas, l'intensité de la force électrostatique étant fonction du carré de l'inverse de la distance entre les électrodes, on observe une grande variation dans l'intensité de cette force au fur et à mesure du déplacement de la partie mobile. En outre, l'utilisation d'une différence de potentiel oblige à ce que les deux électrodes ne viennent pas en contact l'une de l'autre, et même ne se rapprochent pas trop fortement, pour éviter les risques de court-circuit ou de claquage. Par ailleurs, la valeur des forces électrostatiques obtenues est également fonction des tensions appliquées, qui induisent des contraintes sur la conception des structures. Autrement dit, pour obtenir des forces satisfaisantes, il est parfois nécessaire d'employer des valeurs de tension qui sont incompatibles avec certaines géométries de structures. & On conna^t également des actionneurs utilisant la force magnétique exercée par l'application d'un champ magnétique sur une zone magnétique réalisée dans Ia partie mobile de la structure MEMS. Ce type d'actionneur présente l'avantage de permettre des courses de déplacements plus importantes, et de permettre également le contact entre la zone générant le champ magnétique et la partie mobile. En effet, le champ magnétique est généralement généré par le passage d'un courant dans un bobinage situé en regard de la partie mobile. Lorsque l'actionneur doit être désactivé, la commande l 0 correspondante du courant électrique dans un bobinage est interrompue. Toutefois, les actionneurs de type magnétique présentent certains inconvénients, notamment du fait qu'ils nécessitent l'emploi de matériaux magnétiques. Lors des procédés de fabrication des structures MEMS, l'emploi de lS ce type de matériau est relativement délicat, notamment à cause de la grande diversité des procédés de fabrication mis en _uvre.. En ouke, lorsque plusieurs actionneurs sont utilisés pour commander une matrice de structure MEMS, le champ magnétique généré pour une cellule peut perturber la ou les cellules avoisinantes du fait de la configuration des lignes de champ. Ce phénomène est d'autant plus sensible que l'on souhaite obtenir des intensités de force élevée, et donc que l'on emploie des champs magnétiques importants. On observe donc des phénomènes de diaphonie qui peuvent perturber le bon fonctionnement du composant, ou imposer des contraintes de dimensionnement si l'on souhaite s'en affranchir Il a été également envisagé de combiner les phénomènes électrostatiques et magnétiques, pour commander une matrice de structure MEMS, comme décrit dans le document "MAGNETICALLY ACTUATED MICROMIRORS FOR FIBER OPTIC Switching", publié dans Solid-State Sensor an Actuator Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, June 8-l l, 1998, pages 273 à 276. Plus précisément, le principe décrit dans ce document consiste à assurer un déplacement global de l'ensemble des structures mobiles sous l'effet d'un champ magnétique. Le champ magnétique est ici avantageusement utilisé pour effectuer les déplacements de relativement grande amplitude de l'ensemble de s structures mobiles. Lors que le s différentes structures mobiles se trouvent en position active, la position de certaines d'entre elles peut être maintenue sous l'effet d'une force électrostatique qui est appliquée sur les seules cellules qui doivent être maintenues dans une position déterminée. Ce système présente plusieurs inconvénients, et notamment celui de nécessiter un agencement des différentes commandes magnétiques et lO électrostatiques, ce qui diminue le temps de réponse et complexifie la structure du composant et du système de commande. En outre, il est nécessaire de maintenir ces tensions, tant que l'on souhaite que les miroirs restent dans leur position active. L'invention cherche à profter des avantages des forces magnétiques, l 5 notamment en terme d'intensité, en éliminant toutefois les problèmes de diaphonie: Exposé de l'Invention Ltinvention concerne donc un composant micro-électronique incluant une matrice de cellules de structures microélectroniques. Chaque structure comporte une partie mobile qui est reliée à un cadre fixe par au moins une portion de liaison. Cette matrice comporte également des moyens pour assurer le déplacement sélectif de la partie mobile de chaque structure. Conformément à l'invention, ces moyens de déplacement comportent des moyens pour générer un champ magnétique agissant sur l'intégralité de la matrice. Ils comportent également des moyens pour assurer de façon sélective, pour chaque cellule, le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison reliant la partie mobile au cadre fixe. De la sorte, la portion de liaison, lorsqu'elle est parcourue par le courant et qu'elle est exposée au champ magnétique, subit les forces de Laplace qui font qu'elle se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile de la cellule sélectionnée. Aukement dit, l'invention consiste à sélectionner les cellules dont on souhaite modifier l'état, et à les faire parcourir sélectivement par un courant électrique. Ce courant éleckique, lorsqu'il kaverse la portion de liaison déformable, est soumis au champ magnétique. Il en résulte une force magnétique qui est localisée au niveau de la portion déformable de la cellule considérée. Cette force provoque donc le déplacement de la partie mobile de la cellule en question. Les forces de Laplace utilisées étant d'origine magnétique, elles présentent des intensités nettement supérieures aux actionneurs équipés de type lO électrostatique. Les forces caractéristiques n'apparaissent que sur les cellules qui sont parcourues par les courants eux-mêmes commandés de façon appropriée. Bien que le champ magnétique couvre l'ensemble de la matrice, il n'y a pas de nsque de perturtation d'une cellule à l'autre, ou autrement dit de diaphonie. l5 Selon une autre caractéristique de l'invention, le composant peut également comporter des moyens pour imposer le sens du courant électrique circulant dans la portion de liaison, de manière à contrôler le sens des forces subies par lesdites portions de liaison, et par conséquent le sens du mouvement de la partie mobile de chaque skucture. Il est ainsi possible de déplacer chaque partie mobile dans un sens ou dans un aukre, et de les décaler par rapport à une position de repos. De la même manière, en conkôlant l'intensité du courant, il est possible de déterminer l'amplitude de déplacement de la partie mobile de chaque structure MEMS. Selon une variante avantageuse de réalisation, les portions de liaison peuvent présenter deux positions d'équilibre stable, entre lesquelles elles peuvent se déplacer sous l'effet des forces caractéristiques de Laplace, de sorte que la partie mobile de chaque cellule peut adopter deux positions stables. Aukement dit, la portion de liaison déformable présente un caractère bistable, c'est-à-dire qu'elle possède deux positions d'équilibre dans lesquelles elle demeure lorsqu'elle n'est soumise à aucune force extérieure. Le passage d'une position à l'anke se fait lorsque la portion déformable subit les forces caractéristiques de Laplace, avec une intensité suffisante. En dehors de ces phases de transition, aucune force n'est requise pour demeurer dans des positions d'équilibre stables, ce qui signifie qu'il n' est p as néc es s aire de faire circuler le courant électrique caractéristique dans le s portions de liaison. En d'autres termes, Ie dispositif ne consomme de l'énergie que pour passer d'un état à l'autre, et donc ne consomme aucune énergie pendant le reste du temps. Le caractère bistable de la portion de liaison peut être défini par une forme géométrique de la portion de liaison qui peut avantageusement épouser une forme de poutre travaillant en flambage. En pratique, le composant peut comporter des zones métallisées, recouvrant au moins une fraction des portions de liaison, et formant également des pistes conductrices pour l'amence du courant à chaque portion de liaison. Ces zones métallisées peuvent être réalisées de la même manière que le sont des connexions électriques intégrées sur la structure MEMS. En pratique, le champ magnétique peut être soit continu et appliqué de façon permanente sur la matrice, ou bien encore être pulsé, c'est-à-dire n'être appliqué que pendant les phases o l'on souhaite déplacer les parties mobiles, notamment dans le cas o, comme évoqué ci-avant, les portions de liaison fonctionnent de facon bistable. Avantageusement, en pratique, le champ magnétique peut être généré par un enroulement unique, lui-même parcouru par un courant, ou bien encore par des aimants permanents. Différentes configurations peuvent être adaptées en ce qui concerne le sens du champ magnétique et le sens de déformation des portions de liaison. Ainsi, le champ magnétique peut ê*e parallèle au plan de la matrice. Dans ce cas, les portions de liaison étant perpendiculaires au champ magnétique et généralement par le plan de la matrice, ces portions de liaison subissent des forces perpendiculaires au plan de la matrice. Dans ce cas, les parties mobiles des structures MEMS se déplacent généralement perpendiculairement au plan de la matrice. Dans une autre configuration, le champ magnétique peut 8tre perpendiculaire au plan de la matrice, de sorte que le courant qui parcourt les portions de liaison parallèles à la matrice, génère des forces également parallèles à la matrice. Les portions mobiles de chaque cellule MEMS se déplacent donc parallèlement au plan de la matrice. Description sommaire des fieures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre d'exemple non limitatif, à l'appui des figures annexces dans lesquelles: La figure 1 est une vue de dessus de la partie active d'un composant incluant une matrice de commutateurs optiques sur laquelle sont disposés de façon périphérique différentes fibres optiques. La figure 2 est une vue partielle de dessus montrant certaines cellules de la matrice pour une orientation préférée du champ magnétique et du circuit électrique mis en place sur la matoce. Les figures 3 et 4 sont des vues en perspective sommaire illustrant le déplacement de la partie mobile de cette cellule selon les deux sens. Les figures 5, 6 et 7 sont des vues respectivement analogues aux figures 2, 3 et 4, illustrant le fonctionnement pour une seconde orientation du champ magnétique. La figure 8 est une vue de dessus d'une partie de la matrice montrant une troisième configuration des pistes électriques. La figure 9 est une vue en coupe transversale du composant incluant la matrice de commutateurs, ainsi que les terminaisons des fibres optiques. Manière de réaliser l' invention La fgure 1 illustre de façon générale un composant (1) formant une matrice de commutateurs optiques. Plus précisément, ce composant (1) comprend une matrice (2) constituée d'un certain nombre de cellules élémentaires (3) disposées en lignes et en colonnes, en alignement avec des canaux (4) destinés à accueillir des fibres optiques (5), dont le faisceau est ensuite collimaté par un organe de collimation (6). De façon générale, chaque cellule (3) comporte une partie mobile (10) accueillant dans la forme illustrée une structure réfléchissante (11) qui est orientée à 45 , pour permettre la réflexion des faisceaux issus d'une ligne donnée en direction de la colonne correspondante. Cette partie mobile (10) se déplace par rapport à un cadre fixe (12) constitué par les portions encadrant les différentes parties mobiles (10). La partie mobile (10) est reliée par une zone de jonction (14) à une poutre (13) formant la portion de liaison avec le cadre (12). Conformément à l'invention, et tel qu'illustré à la figure 2, la matrice comporte un certain nombre de pistes électriques ou plus généralement de zones conductrices, qui permettent de faire circuler un courant électrique à l'intérieur des portions de liaison (13). Ainsi, comme illustré à la figure 2, la portion de liaison (13) comporte une piste conductrice (15), elle-méme reliée à des pistes supplémentaires (16,17) permettant l'amence du courant à la piste (15) depuis un des coins de la matrice. Chacune des cellules possède sur sa portion de liaison de la partie mobile au cadre une piste conductrice (15,18,19). On peut prévoir d'interposer une couche isolante entre le sub strat et les pistes c onductric es, au moins dans les zones o plusieurs pistes cheminent parallèlement. Complémentairement, le composant comprend également une source de champ magnétique qui agit sur l'ensemble de la matrice. Cette source de champ peut être un enroulement disposé sous la matrice, ou comme dans le cas correspondant à la figure 2, un ensemble de bobinage situé de côté opposé de la matrice, et alimenté à la manière de bobine de Helwholtz pour former un champ constant entre elles. Dans ce cas, lorsque le courant circule comme illustré à la figure 2, la portion de liaison (13) est le siège d'une force de Laplace (=il AB), qui est orientée comme illustrée aux figures perpendiculairement au plan du substrat. De la sorte, et comme illustré à la figure 3, cette portion de liaison (13) se déforme et se cintre au dessus du plan du substrat, entraînant par là même la montée de Ia partie mobile (10). De façon avantageuse, la position illustrée à la figure 3 peut correspondre à une position d'équilibre stable dans laquelle la portion de liaison (3) travaille en flambage. Lorsque le courant circulant dans la piste (15) est orientée en sens opposé à la figure 2, la force que subit la portion de liaison (13) est également perpendiculaire au plan du substrat, mais dans le sens opposé, c'est-à-dire orientée vers le bas. Dans ce cas, comme illustré à la figure 4, cette force provoque la déformation de la portion de liaison (13) pour provoquer le cintrage vers le bas, et par conséquent la descente de la partie mobile par rapport au plan du substrat. Comme évoqué ci-avant, ce déplacement peut être une position stable de la poutre (13), de sorte que la partie mobile (10) demeure dans cette position lorsque le courant électrique ou le champ magnétique disparaît. Par application d'un courant dans le sens illustré à la figure 2, et en présence du champ, la partie mobile peut transiter de la position illustrée à la figure 4 à celle illustrée à la figure 3. Toutefois, on notera que la bistabilité de l'actionneur constitue une propriété avantageuse, mais qui n'est pas obligatoire. 0 2838421 L'invention couvre donc des variantes dans lesquelles l'actionneur n'est pas bistable, mais fonctionne sous l'effet des forces de Laplace. La configuration illustrée à la figure 2 présente l'avantage de ne pas générer de force de Laplace au niveau des portions (17) d'amenée du courant aux poutres de liaison (13), puisque la direction du courant est colinéaire à celle du champ. D'autres configurations peuvent être adoptées pour obtenir les déplacements de la partie mobile, et notamment celles illustrées aux fgures 5 à 7. Dans ce cas, le champ magnétique est perpendiculaire au plan principal du substrat. Il peut par exemple être généré par un bobinage plan situé parallèlement par le substrat, sous la matrice (2), tel qu'illustré à la figure 9. lS Dans ce cas, la force exercée sur la portion de liaison (13) se trouve, comme illustré à la figure 5, parallèle au plan du substrat, et orientée en direction de la partie mobile. Celle-ci peut donc se déplacer comme illustré à la figure 6 en se rapprochant du côté (21) du Iogement (22) recevant la partie mobile (lO). Lorsque le courant électrique y change de sens, la force F subie par la portion de liaison (13) change de sens également, de sorte que la partie mobile (lO) se déplace comme illustré à la figure 7, en direction du côté (23) du cadre (12). Comme évoqué ci-avant, les deux positions illustrées aux fgures 6 et 7 peuvent correspondre dans une forme avantageuse à des états *équilibre stables de la portion de liaison (13). La configuration illustrée à la figure 5 présente l'avantage de conserver les parties mobiles (lO) des cellules dans un même plan horizontal, ce qui permet d'en augmenter leur robustesse, d'une façon générale la robustesse de l'ensemble. En outre, et comme illustré à la figure 5, le courant circulant dans les différentes pistes n'étant pas parallèle au champ magnétique, il génère des forces de Laplace Fc qui s'exercent sur le cadre. Ces forces peuvent avantageusement étre utilisées dans des ., 11 2838421 mécanismes d'amplification de la déformation de la portion de liaison (13) . L'effet de ces forces peut être annulé ou diminué lorsque la structure globale repose sur un cadre, comme illustré à la figure 9. A cet égard, on notera que la portion de liaison illustrée aux figures épouse une forme de poutre particulièrement simple et basique, et ce afm de permettre la compréhension de l'invention. Toutefois, l'invention couvre également des variantes dans lesquelles les portions de liaison épousent des formes plus complexes, dès lors qu'elles se déforment sous l'effet de forces de Laplace lorsqu'elles sont parcourues par des courants électriques. Des mouvements de la partie mobile analogues à ceux illustrés aux figures 3 et 4, peuvent être obtenus dans l'architecture illustrée à la figure 8, dans lesquels le champ magnétique est parallèle au plan du substrat, et les différentes pistes d'amenée du courant (25,26) sont essentiellement parallèles à la piste (15) parcourant la portion de liaison (13). Dans ce cas, des forces Fc sont exercées sur le cadre conformément aux orientations illustrées à la figure 8. Des forces peuvent par exemple avantageusement être utilisées pour appliquer une précontrainte sur l'ensemble de la matrice, de façon à augmenter sa rigidité en matière de choc, et spécialement pour les accélérations perpendiculaires au plan du substrat. Le composant conforme à l'invention peut être réalisé selon différentes technologies, utilisant notamment des substrats de silicium selon différents procédés d'usinage de surface, ou bien encore des procédés connus sous les appellations SCREAM ou SBM. Le substrat utilisé peut également être à base de SOI, et comme illuské à la figure 9. Dans ce cas, la plateforme (8) de la partie mobile (10) est réalisée dans la couche supérieure du substrat SOI, la portion de liaison (13) est elle-même réalisée dans la couche inférieure (9) du substrat SOI, allant en dessous de la couche d'isolant (27). La matrice (2) peut elle-même être disposée sur un substrat usiné (30) et réalisé de façon indépendante. Ce substrat (30) reçoit sur sa face inférieure le bobinage (32) générant un champ (B) sur l'ensemble de la matrice (2). Le procédé de réalisation à partir d'un subskat SOI peut par exemple être celui décrit dans la demande de brevet FR 00.15625 du Demandeur. I1 ressort de ce qui précède que le composant conforme à 1'invention présente de multiples avantages, et notamment: - une intensité élevée de la force exercée sur les parties défomables de la skucture MEMS; - une absence quasi-totale de diaphonie; - une consommation d'énergie fortement réduite, et plus précisément uniquement limitée aux phases de kansition, lorsque la structure mécanique est du type bistable; - la possibilité de générer des forces sur le cadre de la makrice pour générer des précontraintes. Applications industrielles: Bien que décrite dans le cas d'une makice de commutateurs optiques, l'invention ne se limite pas à cette seule application. Elle peut notamment êke utilisée pour former des atténnateurs optiques, ou bien encore des systèmes de projection incluant des commandes de miroirs. L'invention n'est pas non plus limitée aux seules applications optiques, mais peut également trouver un intérêt dans de kès nombreuses skuctures MEMS organisées sous forme de makices. 3 2838421 REVENDICATIONS 1/ Composant micro-électronique (1) comportant une matrice de cellules (2) de structures micro électromécaniques, chaque cellule comportant une partie mobile (10) reliée à un cadre fixe (12) par au moins une portion de liaison (13), Iadite matrice comportant également des moyens pour assurer le déplacement sélectif de la partie mobile de chaque structure, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comportent: des moyens pour générer un champ magnétique (B) agissant sur l'intégralité de la matrice (2); des moyens pour assurer de façon sélective, pour chaque cellule, le passage d'un courant électrique dans la portion de liaison (13) reliant la partie mobile (10) au cadre fixe (12), de telle sorte que ladite portion de liaison (13) subissant les forces de Laplace se déforme en provoquant le déplacement de la partie mobile (10) de la cellule sélectionnée. 2/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour imposer le sens du courant électrique circulant dans la portion de liaison (13), de manière à contrôler le sens des forces subies par lesdites portions de liaison (13). 3/ Composant micro-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portions de liaison (13) présentent deux positions d'équilibre stable, entre lesquelles elles peuvent se déplacer sous l'effet des forces de Laplace, de sorte que la partie mobile (10) de chaque cellule peut adopter deux positions stables. 4/ Composant micro-électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portions de liaison (13) présentent une forme générale en poutre, travaillant en flambage. :4 2838421 / Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des zones métallisées (15-19), recouvrant au moins une Daction des portions de liaison (13), et formant également des pistes conductrices (16,17) pour l'amenée du courant à chaque portion de liaison (13). 6/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est continu ou pulsé. 7/ Composant micro-électronique seIon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est généré par un enroulement unique (32). 8/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est parallèle au plan de la matrice. 9/ Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions de liaison sont sensiblement perpendiculaires au champ magnétique. / Composant micro-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est perpendiculaire au plan de la matrice. DEPOSANT: MEMSCAP MANDATAIRE: Cabinet LAURENT & CHARRAS; l