Microsistemas electromecánicos con separaciones de aire.

Microsistema electromecánico (1) que comprende:

- una base (15) que comprende un sustrato

(20) y un electrodo de sustrato (40) fijado al sustrato,

- una viga móvil (30) suspendida por encima del sustrato (20),

- un generador de tensión (10), conectado mediante un primer borne a la viga (30) y mediante un segundo borne al electrodo de sustrato (40), adaptado para generar una diferencia de potencial entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40), y

- por lo menos un tope mecánico (70) unido a la viga y adaptado para entrar en contacto con la base (15) en el momento de la aplicación de una diferencia de potencial entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40) definiendo una lámina de aire (80) entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40),

estando dicho microsistema electromecánico caracterizado por que comprende además un elemento de bloqueo de cargas eléctricas (50, 52, 100) dispuesto sobre el sustrato (20), enfrente del por lo menos un tope mecánico (70) y conectado eléctricamente a la viga (30).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/063856.

Solicitante: UNIVERSITE DE LIMOGES.

Inventor/es: BLONDY,PIERRE, COURREGES,STANIS, POTHIER,ARNAUD, ORLIANGES,JEAN-CHRISTOPHE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS > DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej.... > B81B3/00 (Dispositivos que tienen elementos flexibles o deformables, p.ej. que tienen membranas o láminas elásticas (B81B 5/00 tiene prioridad))

PDF original: ES-2522846_T3.pdf

 

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Microsistemas electromecánicos con separaciones de aire.
Microsistemas electromecánicos con separaciones de aire.
Microsistemas electromecánicos con separaciones de aire.

Fragmento de la descripción:

Microsistemas electromecánicos con separaciones de aire.

Campo técnico general

La presente solicitud se refiere al campo de los microsistemas electromecánicos.

Estado de la técnica

Los microsistemas electromecánicos (MEMS) se utilizan particularmente en el diseño de circuitos que presentan funciones de conmutación o de circuitos reconfigurables (ágiles) . Los microsistemas electromecánicos presentan por ejemplo una función de accionador.

La figura 1 presenta un microsistema electromecánico 1 según el estado de la técnica, más específicamente un accionador electrostático de placas paralelas.

Este microsistema electromecánico 1 comprende una base 15 que comprende un sustrato 20, un electrodo de sustrato 40 dispuesto sobre dicho sustrato 20, y una viga móvil 30 colocada enfrente del electrodo de sustrato 40.

Una capa de dieléctrico 42 está interpuesta entre el electrodo de sustrato 40 y la viga móvil 30 dejando por otro lado un intervalo o separación electrostática 32. Esta separación presenta normalmente un grosor de algunos micrómetros cuando el microsistema está en posición de reposo. La capa de dieléctrico 42 puede estar colocada sobre el electrodo de sustrato 40 o sobre la viga móvil 30.

Según el modo de realización ilustrado en la figura 1, la capa de dieléctrico 42 está colocada sobre el electrodo de sustrato 40 y la viga móvil 30 está separada de la capa de dieléctrico 42 por la separación electrostática 32.

La viga móvil 30 está ilustrada como estando mantenida por un resorte de suspensión 34 que ilustra la capacidad de deformación elástica de la viga móvil 30.

Un generador de tensión 10 está conectado según sea necesario a la viga 30 y al electrodo de sustrato 40, de manera que se pueda aplicar una diferencia de potencial entre la viga móvil 30 y el electrodo de sustrato 40.

En el momento de la aplicación de una diferencia de potencial entre la viga móvil 30 y el electrodo de sustrato 40, la viga móvil 30 se desplaza y entra en contacto con la capa de dieléctrico 42, por el efecto de la fuerza electrostática generada.

El contacto entre la viga móvil 30 y el electrodo de sustrato 40 tiene lugar entonces a través de la fina capa de dieléctrico 42 que cubre la viga móvil 30 o el electrodo de sustrato 40.

Son posibles diversas variantes.

La viga móvil 30 puede estar por ejemplo fija por un extremo y libre por el otro, entrando el extremo libre entonces en contacto con la capa de dieléctrico 42 en el momento de la aplicación de una diferencia de potencial entre la viga móvil 30 y el electrodo de sustrato 40.

La viga móvil 30 también puede estar fijada por sus extremos sobre la base 15, pero puede presentar una flexibilidad intrínseca de manera que la deformación de la viga móvil 30, en el momento de la aplicación de una diferencia de potencial, conllevan el contacto del centro de la viga móvil 30 con la base 15.

Sin embargo, estos componentes presentan fallos rápidos y no reversibles que conllevan una vida útil y una fiabilidad limitadas, normalmente del orden de algunos minutos, cuando la viga móvil 30 se mantiene constantemente en el estado deformado y es sometida a una alimentación con tensión unipolar.

Este inconveniente está provocado por una inyección de cargas en la base 15 en el momento del contacto entre la viga 30 y la base 15.

En efecto, la inyección de cargas provoca la aparición de una tensión de carga que, según el tipo de carga, se opone o se superpone a la diferencia de potencial aplicada entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

A medida que se inyectan cargas en la base 15, o más particularmente en la capa de dieléctrico 42, y por lo tanto a medida que se acumulan cargas, esta tensión de carga aumenta, hasta bloquear el accionador. Esto da como resultado un fallo rápido del accionador, por ejemplo del orden de algunas decenas de minutos, muy a menudo no reversible en lapsos de tiempo cortos.

Se han propuesto varias soluciones para reducir la inyección de cargas o para evacuar las cargas inyectadas en la capa de dieléctrico, pero estas soluciones no permiten obtener una vida útil suficiente, en particular para temperaturas superiores a 25º C.

Las figuras 2 y 3 presentan, respectivamente en posición de reposo y en posición activada, un microsistema electromecánico 1 en el que se ha suprimido la capa de dieléctrico 42. Este microsistema electromecánico 1 está provisto de topes mecánicos 70 unidos a la periferia de la viga 30.

Los topes mecánicos 70 pueden estar fabricados a partir de metal, semimetal, semiconductor o cualquier otro material adaptado.

En las figuras 2 y 3 se puede observar un microsistema electromecánico 1 que comprende una base 15 que comprende un sustrato 20, un electrodo de sustrato 40 fijo dispuesto sobre el sustrato 20 y una viga móvil 30 enfrente del electrodo de sustrato 40.

El sustrato puede estar realizado por ejemplo en silicio o cualquier otro material adaptado.

De la misma manera que para la figura 1, la viga 30 se ilustra como estando unida a un resorte de suspensión 34 que ilustra la capacidad de deformación elástica de la viga móvil 30. La viga 30 presenta una forma adaptada para definir un espacio interno 25 entre dicho sustrato 20 y la viga 30.

El electrodo de sustrato 40 está dispuesto sobre el sustrato 20, sustancialmente en el centro de dicho espacio interno 25.

Un generador 10 está conectado a la viga 30 y al electrodo de sustrato 40, de manera que se aplica según sea necesario una diferencia de potencial entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

La figura 2 presenta el microsistema electromecánico 1 en posición de reposo, es decir cuando no se aplica ninguna diferencia de potencial entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

No hay entonces contacto entre la viga 30 y el sustrato 20, o entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40. La viga 30 se mantiene separada del sustrato 20 y del electrodo de sustrato 40 mediante el resorte de suspensión 34, que representa físicamente la rigidez de la viga 30.

La figura 3 presenta el microsistema electromecánico 1 en posición de activación, en la que se aplica una diferencia de potencial entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

En estado de activación, la diferencia de potencial aplicada entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40 conlleva una entrada en contacto de los topes 70 y del sustrato 20. Los topes 70 mantienen una lámina de aire 80 entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

Por lo tanto, no hay contacto entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40. La lámina de aire 80 desempeña la función de aislante eléctrico entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40.

Por ejemplo, esta lámina de aire 80 puede presentar un valor del orden de 0, 1 μma2 μm. Este valor resulta de la geometría, de la colocación y de la altura de los topes 70.

El grosor de la lámina de aire 80 puede variar para obtener diferentes valores de capacidad.

La ausencia de contacto entre la viga 30 y el electrodo de sustrato 40 gracias a la lámina de aire 80 permite por un lado evitar un cortocircuito eléctrico y por otro lado aumentar la vida útil de estos elementos.

En efecto, en los modos de realización convencionales en los que un material aislante está situado entre la viga 30 y el electrodo 40, se observa un fenómeno de captura de las cargas eléctricas en el material aislante 42 en el momento del accionamiento del microsistema electromecánico 1 tal como se presenta en la figura 1.

En el modo de realización conocido representado en las figuras 2 y 3, la ausencia de este material aislante... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Microsistema electromecánico (1) que comprende:

- una base (15) que comprende un sustrato (20) y un electrodo de sustrato (40) fijado al sustrato, -una viga móvil (30) suspendida por encima del sustrato (20) , -un generador de tensión (10) , conectado mediante un primer borne a la viga (30) y mediante un segundo 10 borne al electrodo de sustrato (40) , adaptado para generar una diferencia de potencial entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40) , y -por lo menos un tope mecánico (70) unido a la viga y adaptado para entrar en contacto con la base (15) en el momento de la aplicación de una diferencia de potencial entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40) 15 definiendo una lámina de aire (80) entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40) , estando dicho microsistema electromecánico caracterizado por que comprende además un elemento de bloqueo de cargas eléctricas (50, 52, 100) dispuesto sobre el sustrato (20) , enfrente del por lo menos un tope mecánico (70) y conectado eléctricamente a la viga (30) .

2. Microsistema electromecánico según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho elemento de bloqueo de cargas eléctricas está constituido por lo menos por un clavija (50) colocada enfrente de un tope mecánico (70) de la viga (30) .

3. Microsistema electromecánico según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho elemento de bloqueo de cargas eléctricas está constituido por una capa (100) de material cuya resistividad eléctrica está comprendida entre 100 MOhm·cuadrado y 10 kOhm·cuadrado.

4. Microsistema electromecánico según la reivindicación 3, caracterizado por que por lo menos una clavija metálica 30 (50) está dispuesta sobre dicha capa de material (100) , enfrente de un tope mecánico de la viga (30) .

5. Microsistema electromecánico según una de las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado por que dicho material que constituye el elemento de bloqueo de cargas eléctricas (100) es una aleación de silicio-cromo, carbono de estructura de diamante, silicio implantado o un óxido conductor.

6. Microsistema electromecánico según la reivindicación 1, caracterizado por que dicho elemento de bloqueo de cargas eléctricas comprende por lo menos una clavija metálica (50) conectada a una base conductora dispuesta sobre el sustrato y conectada a la viga móvil (30) , estando dicha base conductora coronada por una capa eléctricamente aislante (90) , sobre la que está dispuesto el electrodo de sustrato (40) .

7. Microsistema electromecánico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho sustrato (20) está realizado en un material de entre por lo menos uno de los materiales siguientes: cerámica, zafiro, cuarzo, sílice fundida, sustratos cristalinos, semiconductores, polímeros.

8. Microsistema electromecánico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la viga móvil (30) está realizada en metal, tal como oro, aleación de oro, aluminio, aleación de aluminio o semiconductor, tal como polisilicio o silicio monocristalino.

9. Microsistema electromecánico según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho 50 elemento de bloqueo de cargas eléctricas comprende por lo menos una clavija (50) realizada en material metálico, seleccionado preferentemente de la familia del platino, tal como el rodio, el rutenio, el platino, semimetal o semiconductor.

10. Microsistema electromecánico capacitivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que 55 dicho tope (70) está adaptado para mantener un grosor de aire (80) entre la viga (30) y el electrodo de sustrato (40) comprendido entre 0, 1 y 2 μm.