Brevet FR2848020A1 — publié le 20040604

MICRO-COMMUTATEUR ELECTROSTATIQUE POUR COMPOSANTS A FAIBLE TENSION D'ACTIONNEMENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un micro-commutateur électrostatique à grande fiabilité de fonctionnement et adapté aux composants à faible tension d'actionnement. Sous le terme de micro-commutateur, on inclut les 10 micro-relais, les actionneurs de type MEMS (pour "Micro-Electro-Mechanical-System) et les actionneurs haute fréquence. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE L'article "RF MEMS from a device perspective" de J. Jason Yao, paru dans J. Micromech. Microeng. 10(2000), pages R9 à R38, récapitule les progrès récents accomplis dans le domaine des MEMS pour des applications haute fréquence. Les composants haute fréquence ou RF pour la téléphonie mobile se voient imposer le cahier des charges suivants: - tension d'alimentation inférieure à 5 V, - isolation supérieure à 30 dB, - perte d'insertion inférieure à 0,3 dB, - fiabilité pour un nombre de cycles supérieur à 109, - dimensions inférieures à 0,05 mm2. Les micro-commutateurs sont très largement 30 utilisés dans le domaine des communications: dans le routage des signaux, les réseaux d'accord d'imdépances, l'ajustage de gain d'amplificateurs, etc... En ce qui concerne les bandes de fréquences des signaux à commuter, ces fréquences sont comprises entre quelques MHz et plusieurs dizaines de GHz. Classiquement, pour ces circuits RF, on utilise des commutateurs issus de la microélectronique, qui permettent une intégration avec l'électronique des circuits et qui ont un faible cot 10 de fabrication. En termes de performances, ces composants sont par contre assez limités. Ainsi, des commutateurs de type FET en silicium peuvent commuter des signaux de forte puissance à basse fréquence mais pas à haute fréquence. Les commutateurs de type MESFET 15 en GaAs ou les diodes PIN fonctionnent bien à haute fréquence mais uniquement pour des signaux de faibles niveaux. Enfin, d'une manière générale, au delà de 1 GHz, tous ces commutateurs micro-électroniques présentent une perte d'insertion importante (classiquement autour de 1 à 2 dB) à l'état passant et une isolation assez faible à l'état ouvert (-20 à -25 dB) . Le remplacement de composants conventionnels par des micro-commutateurs MEMS est par conséquent prometteur pour ce type d'application. De par leur conception et leur principe de fonctionnement, les commutateurs MEMS présentent les caractéristiques suivantes - faibles pertes d'insertion (typiquement inférieures à 0,3 dB), - isolation importante du MHz au millimétrique (typiquement supérieure à -30 dB), faible consommation, - pas de non-linéarité de réponse. On distingue deux types de contact pour ces micro-commutateurs MEMS. L'un de ces types de contact est le commutateur à contact ohmique décrit dans l'article "RF MEMS from a device perpective" de J. Jason Yao cité cidessus et dans l'article "A Surface Micromachined Miniature Switch For Telecommunications Applications 10 with Signal Frequencies From DC up to 4 GHz" de J. Jason Yao et M. Franck Chang, paru dans la revue Transducers'95, Eurosensors IX, pages 384 à 387. Dans ce type de contact, les deux pistes RF sont mises en contact par un court-circuit (contact métal-métal). Ce 15 type de contact est adapté aussi bien pour les signaux continus que pour les signaux haute fréquence (supérieure à 10 GHz). L'autre type de contact est le commmutateur capacitif décrit dans l'article "RF MEMS From a device 20 perspective" de J. Jason Yao cité cidessus et dans l'article "Finite Ground Coplanar Waveguide Shunt MEMS Switches for Switched Line Phase Shifters" de George E. Ponchak et al., paru dans 30th European Microwave Conference, Paris 2000, pages 252 à 254. Dans ce type 25 de contact, une couche d'air est ajustée de manière électromécanique pour obtenir une variation de capacité entre l'état fermé et l'état ouvert. Ce type de contact est particulièrement bien adapté aux hautes fréquences (supérieures à 10 GHz) mais inadéquat aux basses 30 fréquences. Dans l'état de l'art, on distingue deux grand principes d'actionnement pour les commutateurs MEMS: les commutateurs à actionnement thermique et les commutateurs à actionnement électrostatique. Les commutateurs à actionnement thermique présentent l'avantage d'une faible tension d'actionnement. Par contre, ils présentent les inconvénients suivants consommation excessive (surtout dans le cas d'applications en téléphonie 10 mobile), vitesse de commutation faible (à cause de l'inertie thermique) et technologie souvent lourde. Les commutateurs à actionnement électrostatique présentent les avantages d'une vitesse de commutation rapide et d'une technologie généralement 15 simple. Par contre, ils présentent l'inconvénient d à des problèmes de fiabilité. Ce point est particulièrement sensible dans le cas de microcommutateurs électrostatiques à faible tension d'actionnement (possibilité d'un collage des structures). En effet, à cause de la configuration des micro-commutateurs à actionnement électrostatiques de l'état de l'art, le dimensionnement de ce type de composant pour avoir une tension d'actionnement faible (inférieure à 10 V, voire inférieure à 5 V) implique 25 nécessairement: - soit une diminution de la raideur mécanique du composant et on observe alors une forte sensibilité du commutateur aux accélérations et aux chocs, ce qui est un problème pour les téléphones 30 mobiles, - soit une augmentation de la surface des électrodes d'actionnement, ce qui induit alors nécessairement une augmentation de l'amortissement et donc un accroissement du temps de commutation, - soit un compromis entre ces deux paramètres. Enfin, quelle que soit l'option choisie, il en résulte une diminution sensible de la fiabilité du micro-commutateur du fait d'un risque accru de collage 10 de la structure. EXPOS DE L'INVENTION Pour pallier aux inconvénients de l'art antérieur, il est proposé selon la présente invention 15 un micro-commutateur qui se distingue de l'état de l'art par son mode de fonctionnement et sa conception. Il possède en effet deux jeux distincts d'électrodes d'actionnement et utilise un mode d'actionnement en deux temps qui lui permet de concilier à la fois une 20 faible tension d'actionnement et un temps de commutation faible tout en conservant une raideur mécanique du micro-commutateur en fonctionnement élevée. L'invention a donc pour objet un micro25 commutateur électrostatique destiné à raccorder électriquement au moins deux pistes électriquement conductrices disposées sur un support, le raccord électrique entre les deux pistes conductrices se faisant au moyen d'un plot de contact prévu sur des 30 moyens déformables en matériau isolant et aptes à se déformer par rapport au support sous l'action d'une force électrostatique générée par des électrodes de commande, le plot de contact réalisant le raccord électrique des extrémités des deux pistes conductrices lorsque les moyens déformables sont suffisamment 5 déformés, caractérisé en ce que les électrodes de commande sont réparties sur les moyens déformables et le support en deux jeux d'électrodes, un premier jeu d'électrodes destiné à la génération d'une première force électrostatique pour amorcer la déformation des 10 moyens déformables, un deuxième jeu d'électrodes destiné à la génération d'une deuxième force électrostatique pour poursuivre la déformation des moyens déformables de façon que le plot de contact raccorde électriquement les extrémités des deux pistes 15 conductrices. Les électrodes de commande réparties sur les moyens déformables peuvent être disposées sur ceuxci de façon que les moyens déformables sont interposés entre elles et les électrodes de commande réparties sur 20 le support. Selon une variante de réalisation, les électrodes de commande réparties sur le support comprennent deux électrodes qui sont chacune une électrode commune pour le premier jeu d'électrodes et 25 pour le deuxième jeu d'électrodes. Les moyens déformables peuvent comprendre une poutre encastrée à ses deux extrémités ou une poutre en porte-à-faux. Dans ce cas, les électrodes de commande réparties sur les moyens déformables peuvent 30 comprendre des électrodes de l'un des deux jeux d'électrodes disposées sur des parties annexes rattachées à la poutre et agencées de chaque coté de la poutre. Dans ce cas aussi, les électrodes de commande réparties sur les moyens déformables peuvent comprendre des électrodes de l'autre des deux jeux d'électrodes 5 disposées sur la poutre et agencées de chaque coté du plot de contact. BR VE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres 10 avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'un 15 micro-commutateur électrostatique selon la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe selon 20 l'axe III-III de la figure 1, - les figures 4 et 5 sont des vues explicatives du fonctionnement du micro-commutateur de l'invention, correspondant à la figure 2, - les figures 6A à 6G sont des vues en 25 coupe illustrant un procédé de réalisation d'un microcommutateur selon la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 est une vue de dessus d'un micro-commutateur électrostatique selon la présente invention. Le micro-commutateur est réalisé à la surface d'un substrat isolant. La surface est pourvue d'un évidement 1 délimité par des bords 2, 12, 22 et 32 le surplombant. Une poutre 3 est formée au-dessus de 10 l'évidement 1 en ayant une première extrémité solidaire du bord 22 et une deuxième extrémité solidaire du bord 32. Il s'agit donc d'une poutre encastrée à ses deux extrémités. La poutre 3 est pourvue de deux parties 15 annexes ou ailettes 13 et 23 situées au même niveau que la poutre 3. Les ailettes 13 et 23 sont situées de part et d'autre de la poutre 3. Elles sont rattachées à la poutre par une partie rétrécie centrale. Elles sont rattachées aux bords 2 et 12 par des parties rétrécies 20 latérales. Les pistes électriquement conductrices à raccorder sont référencées 4 et 5. Elles possèdent des extrémités, respectivement 14 et 15, disposées sous la poutre 3 et alignées selon l'axe longitudinal de la 25 poutre 3, en se faisant face. Le fond de l'évidement 1 supporte deux électrodes inférieures 101 et 102 pouvant être respectivement connectées électriquement par les plots de contact 111 et 112. Les électrodes 101 et 102 sont 30 disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la poutre 3. L'électrode 101 se trouve en regard d'une première partie latérale de la poutre 3 et en regard de l'ailette 13. L'électrode 102 se trouve en regard d'une deuxième partie latérale de la poutre 3 et en regard de l'ailette 23. La poutre 3 supporte plusieurs conducteurs électriques: un plot de contact 6 et deux électrodes 7 et 8. Le plot de contact 6 est situé le long de l'axe longitudinal de la poutre 3 et s'étend jusqu'au-dessus des extrémités 14 et 15 des pistes conductrices 4 et 5. 10 Le plot de contact 6 dépasse de la face inférieure de la poutre 3 ou affleuve au niveau de cette face inférieure de façon à pouvoir relier électriquement les extrémités 14 et 15 si la poutre 3 est suffisamment déformée. Les électrodes 7 et 8 sont situées sur la face de la poutre 3 opposée à l'évidement. Chacune est située sur une partie latérale de la poutre de façon que l'électrode 7 soit située en regard de la partie correspondante de l'électrode inférieure 101 et que 20 l'électrode 8 soit située en regard de la partie correspondante de l'électrode inférieure 102. Les électrodes 7 et 8 peuvent être respectivement connectées électriquement par les plots de contact 17 et 18. L'ailette 13 supporte sur sa face supérieure, c'est-à-dire la face opposée à l'évidement, une électrode 33 pouvant être connectée électriquement par un plot de contact 43. L'électrode 33 se trouve en regard d'une partie de l'électrode inférieure 101. De 30 même, l'ailette 23 supporte sur sa face supérieure une électrode 53 pouvant être connectée électriquement par un plot de contact 63. L'électrode 53 se trouve en regard d'une partie de l'électrode inférieure 102. La figure 2 est une vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1 et la figure 3 est une vue 5 en coupe selon l'axe III-III de la figure 1. Ces figures montrent l'état non défléchi de la poutre 3 en l'absence de potentiels appliqués sur les électrodes. Les figures 4 et 5 sont des vues explicatives du fonctionnement du microcommutateur. 10 Ces vues correspondent à la section représentée à la figure 2. Une tension Vl est d'abord appliquée sur le premier jeu d'électrodes constitué par les électrodes 33 et 53 d'une part et par les électrodes 101 et 102 15 d'autre part. La tension Vl, tension d'amorçage de la déformation, est choisie pour venir plaquer le centre de la poutre sur les électrodes inférieures 101 et 102 comme le montre la figure 4. Dans le cas d'une poutre en porte-à-faux ou cantilever, ce premier jeu 20 d'électrodes aurait pour fonction de plaquer l'extrémité de la poutre sur les électrodes inférieures. L'application de la tension Vl au premier jeu d'électrodes place le micro-commutateur en 25 fonctionnement mais à l'état non commuté. Ce déplacement de la poutre n'étant activé que pour amorcer le commutateur (par exemple à la mise en route d'un téléphone portable), l'amortissement amené par la grande surface de ces électrodes n'a aucune conséquence 30 sur le temps de commutation de l'interrupteur en fonctionnement. il Ce premier jeu d'électrodes présente une surface suffisante pour permettre la mise en butée de la poutre pour une tension inférieure à 10 V, voire inférieure à 5V. Une tension V2 est ensuite appliquée sur le deuxième jeu d'électrodes constitué par les électrodes 7 et 8 d'une part et par les électrodes 101 et 102 d'autre part. La tension V2, tension de commutation, est choisie pour déformer la poutre 3 jusqu'à la mise 10 en contact des extrémités 14 et 15 à connecter avec le plot de contact 6 de la poutre comme le montre la figure 5. La proximité des électrodes en regard du deuxième jeu d'électrodes, due à la flexion de la poutre lors de l'amorçage de la déformation, permet 15 d'actionner le micro-commutateur avec une faible tension tout en conservant une raideur de poutre élevée. La disposition et le nombre des électrodes peuvent être variables. Une ou plusieurs électrodes 20 peuvent être constitutives de la poutre. La déformation de la poutre sous l'effet d'une tension d'amorçage permet de diminuer très fortement la tension de maintien de la poutre déformée lors de la commutation. L'invention procure une grande stabilité et une grande fiabilité du microcommutateur en fonctionnement. Ceci est d à la raideur mécanique importante du micro-commutateur en fonctionnement, c'est-à-dire après l'amorçage de la déformation. Il en 30 résulte une très faible sensibilité aux chocs et aux accélérations lors du fonctionnement, ainsi qu'aux effets possibles de piégeage de charges dans la couche diélectrique. Le temps de commutation est réduit, étant donné le faible déplacement de la poutre entre la 5 position non commutée et la position commutée (déplacement d'air limité donc amortissement limité). L'isolation haute fréquence est optimisée à cause de l'éloignement important des deux pistes à connecter. Un autre avantage de l'invention consiste dans la fabrication de ce micro-commutateur selon une technique compatible avec la technique de fabrication des circuits intégrés. En termes de performance, le dispositif de 15 l'invention se distingue des micro-commutateurs de l'art antérieur par les caractéristiques suivantes. La tension d'actionnement est faible tout en conservant une faible sensibilité aux accélérations, une grande fiabilité de fonctionnement, un temps de commutation et 20 de relaxation mécanique faible. Le mode de fonctionnement en deux étapes distingue aussi le dispositif selon l'invention des micro-commutateurs de l'art antérieur. La phase d'amorçage de la déformation est effectuée avec une 25 tension d'actionnement faible et sans contrainte forte sur le temps de réponse, le risque de collage électrostatique et la sensibilité aux accélérations. La phase de commutation est effectuée à faible tension d'actionnement répondant aux critères de faible 30 sensibilité aux accélérations, de faible sensibilité aux risques de collage électrostatique et de faible temps de commutation. Les figures 6A à 6G sont des vues en coupe illustrant un procédé de réalisation d'un micro5 commutateur selon l'invention. La figure 6A montre un substrat de silicium recouvert d'un dépôt d'oxyde de silicium 71 qui a subi une opération de lithogravure afin de définir un encastrement. Le dépôt d'oxyde peut avoir 2,um 10 d'épaisseur et la profondeur de la gravure peut être de 1,7 pm. La gravure a défini un évidement 72 et des logements pour plots de contact d'électrodes et pistes conductrices dont un, le logement 73 est visible. Un dépôt métallique est ensuite effectué 15 sur la structure gravée. Il peut s'agir d'un bicouche comprenant une couche d'accrochage en Cr de 0, 05 pm d'épaisseur et une couche d'or de 0,9 pm d'épaisseur. On réalise une lithographie de la couche métallique présente dans l'évidement et dans les logements de 20 plots pour définir les pistes à connecter et les électrodes d'amorçage et de commutation inférieures. Le métal non protégé est gravé pour obtenir la structure représentée à la figure 6B. Sur cette figure, la référence 74 représente un plot de contact d'une 25 électrode de commande inférieure, les références 75 et 76 représentent les extrémités des pistes conductrices à connecter, la référence 77 représente une électrode de commande inférieure. La figure 6C montre qu'une couche 30 sacrificielle 78, par exemple en polyimide, a été déposé sur la structure et planarisée jusqu'au sommet de la couche d'oxyde 71. La figure 6D montre qu'une couche de matériau diélectrique 79 a été déposée sur la structure 5 afin de constituer la poutre. Il peut s'agir d'une couche de Si3N4 de 0,5 pum d'épaisseur. Une ouverture 80 est pratiquée, par lithogravure, dans la couche 79 pour définir l'emplacement du plot de contact du microcommutateur au niveau des extrémités de pistes 75 et 10 76. Un dépôt métallique est ensuite réalisé sur la structure. Il peut s'agir d'une couche d'or de 0,5pm d'épaisseur. Une lithographie de cette couche est effectuée pour définir le plot de contact des pistes 15 conductrices et les électrodes d'amorçage et de commutation supérieures. La gravure de cette couche permet d'obtenir ces éléments conducteurs. La figure 6E montre le plot de contact 81, un plot de contact 82 des électrodes d'amorçage (non représentées), une électrode 20 de commutation 83 et un plot de contact 84 d'une électrode de commutation. La couche 79 est ensuite traitée par lithogravure pour définir la poutre 85 avec arrêt de la gravure sur la couche sacrificielle 78 (voir la figure 25 6F). La couche sacrificielle est ensuite éliminée par gravure sèche, par exemple du type plasma d'oxygène. On obtient la structure représentée à la 30 figure 6G. REVENDICATIONS 1 - Micro-commutateur électrostatique destiné à raccorder électriquement au moins deux pistes 5 électriquement conductrices (4,5) disposées sur un support, le raccord électrique entre les deux pistes conductrices (4,5) se faisant au moyen d'un plot de contact (6) prévu sur des moyens déformables (3) en matériau isolant et aptes à se déformer par rapport au 10 support, sous l'action d'une force électrostatique générée par des électrodes de commande, le plot de contact (6) réalisant le raccord électrique des extrémités (14,15) des deux pistes conductrices (4,5) lorsque les moyens déformables sont suffisamment 15 déformés, caractérisé en ce que les électrodes de commande sont réparties sur les moyens déformables et le support en deux jeux d'électrodes, un premier jeu d'électrodes (101, 102, 33, 53) destiné à la génération d'une première force électrostatique pour amorcer la 20 déformation des moyens déformables (3), un deuxième jeu d'électrodes (101, 102, 7, 8) destiné à la génération d'une deuxième force électrostatique pour poursuivre la déformation des moyens déformables (3) de façon que le plot de contact (6) raccorde électriquement les 25 extrémités (14, 15) des deux pistes conductrices. 2 - Micro-commutateur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de commande (7, 8, 33, 53) réparties sur les 30 moyens déformables (3) sont disposées sur ceux-ci de façon que les moyens déformables sont interposés entre elles et les électrodes de commande (101, 102) réparties sur le support. 3 - Micro-commutateur électrostatique selon 5 la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de commande réparties sur le support comprennent deux électrodes (101, 102) qui sont chacune une électrode commune pour le premier jeu d'électrodes et pour le deuxième jeu d'électrodes. 4 - Micro-commutateur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens déformables (3) comprennent une poutre encastrée à ses deux extrémités ou une poutre en porte-à-faux. 15 - Microcommutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes de commande réparties sur les moyens déformables comprennent des électrodes (33, 53) de l'un des deux 20 jeux d'électrodes disposées sur des parties annexes (13, 23) rattachées à la poutre (3) et agencées de chaque coté de la poutre. 6 - Micro-commutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes de commande réparties sur les moyens déformables comprennent des électrodes (7, 8) de l'autre des deux jeux d'électrodes disposées sur la poutre (3) et agencées de chaque coté du plot de contact (6).