Estructura de tipo MEMS con una membrana flexible y medios de accionamiento eléctrico mejorados.

Una estructura de tipo MEMS que comprende una membrana (6) flexible,

que tiene un eje (6a) longitudinal principal que define una dirección (X) longitudinal, al menos un pilar (3, 3') debajo de la membrana (6) flexible, medios (7) de accionamiento eléctrico de bajada que están adaptados para doblar hacia abajo la membrana (6) flexible a un estado forzado hacia abajo, medios (8) de accionamiento eléctrico de subida que están adaptados para doblar hacia arriba la membrana (6) flexible a un estado forzado hacia arriba, y en el que los medios (7) de accionamiento eléctrico de bajada o los medios (8) de accionamiento eléctrico de subida comprenden una zona (7c u 8c) de accionamiento, que se extiende debajo de una parte de la membrana (6), caracterizada porque la zona (7c u 8c) de accionamiento está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre la membrana (6) simultáneamente en ambos lados de dicho al menos un pilar (3) en la dirección (X) longitudinal.

Estructura de tipo MEMS con una membrana flexible y medios de accionamiento eléctrico mejorados.

Campo técnico La presente invención se refiere al campo técnico de los Sistemas Micro Electromecánicos (MEMS) y, más especialmente, a una novedosa estructura MEMS que tiene una membrana flexible y a unos medios de accionamiento eléctrico mejorados para doblar dicha membrana. Esta novedosa estructura MEMS puede ser usada en diversas aplicaciones y, en particular, puede ser usada, ventajosamente, por ejemplo, para la fabricación de conmutadores MEMS (conmutadores de contacto óhmico o conmutadores de contacto capacitivo) , más particularmente conmutadores de Radio Frecuencia (RF) , o puede ser usada, ventajosamente, por ejemplo, para la fabricación de estructuras ópticas de tipo MEMS, denominadas también Sistemas Micro-Opto-Electro-Mecánicos (MOEMS) .

Técnica anterior Las estructuras de tipo Sistemas Micro Electromecánicos (MEMS) , son ampliamente usadas, en la actualidad, para la fabricación de conmutadores de RF (conmutadores de contacto óhmico o conmutadores de contacto capacitivo) o conmutadores ópticos. Estas estructuras de tipo MEMS son usadas, más particularmente, en sistemas de telecomunicaciones, para fabricar, por ejemplo, agrupaciones de antenas controladas por fase, desfasadores, componentes de sintonización conmutables, etc.

Una estructura de tipo MEMS comprende, generalmente, medios de conmutación micromecánicos que son movibles entre al menos dos posiciones, y medios de accionamiento eléctrico que están adaptados para generar fuerzas sobre los medios de conmutación mecánicos para mover estos últimos entre sus al menos dos posiciones.

Pueden usarse diferentes técnicas de accionamiento para implementar los medios de accionamiento eléctrico de una estructura de tipo MEMS. Estos medios de accionamiento eléctrico pueden ser medios de accionamiento electrostáticos, electromagnéticos, piezoeléctricos o electrotérmicos. Sin embargo, el accionamiento electrostático es la técnica usada predominantemente hasta la fecha, ya que permite conseguir tiempos de conmutación más cortos (típicamente, inferiores a 200 µs) y un consumo de energía casi nulo y una completa compatibilidad tecnológica con el flujo de procesamiento CMOS clásico. Además, en los diseños de conmutadores de tipo MEMS de RF, pueden combinarse diferentes técnicas de accionamiento (por ejemplo, un elemento de retención de voltaje electrostático puede estar acoplado con un accionamiento térmico) .

Los medios de conmutación micromecánicos de una estructura de tipo MEMS pueden comprender un elemento rígido móvil, tal como, por ejemplo, una barra rígida movible o una membrana flexible.

Una estructura de tipo MEMS que comprende un elemento de conmutación movible, rígido, se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente US No. 2005/0001701, o en la solicitud de patente europea EP-A-1 489 639.

Sin embargo, el uso de una membrana flexible permite conseguir, de manera ventajosa, tiempos de conmutación más cortos, en comparación con el uso del elemento de conmutación movible, rígido.

La membrana flexible puede estar anclada en ambos extremos sobre un sustrato para formar un puente. Las estructuras de tipo MEMS, que comprenden un elemento de conmutación constituido por dicha una membrana flexible doblemente anclada, se describen en las publicaciones siguientes: solicitud de patente US 2004/0050674, solicitud de patente US 2004/0091203, solicitud de patente europea EP-A-1 343 189, solicitud PCT WO-A-2004/076341, solicitud de patente europea EP1672661, patente US 5.867.302.

La membrana flexible puede estar anclada también sobre un sustrato únicamente en un extremo, con el fin de formar un voladizo. Las estructuras de tipo MEMS, que comprenden un elemento de conmutación constituido por dicha una membrana flexible en voladizo, se divulgan, por ejemplo, en la patente US 5.638.946.

La membrana flexible también puede estar soportada libremente sobre un sustrato, tal como se divulga, por ejemplo, en la solicitud de patente europea EP-A-1 705 676. Dicha una membrana flexible, libre, está sometida, de manera ventajosa, a un esfuerzo mecánico menor que las membranas flexibles doblemente ancladas o membranas en voladizo y, de esta manera, la vida útil de la estructura de tipo MEMS es aumentada ventajosamente.

En la realización de las Figuras 1 y 2 de la solicitud de patente europea EP-A-1 705 678, la membrana flexible está soportada libremente sobre dos pilares y está adaptada para tener dos estados: un estado forzado hacia arriba (mostrado en la Figura 2 ) y un estado de reposo (mostrado en la Figura 1) . Con el fin de doblar la membrana a su estado forzado hacia arriba, la estructura de tipo MEMS comprende unos medios de accionamiento eléctrico de subida que están adaptados para doblar la membrana flexible para subir la parte funcional de la membrana. En esta realización particular, la parte funcional de la membrana es la parte de la membrana situada entre los dos pilares. Estos medios de accionamiento eléctrico de subida están constituidos, más particularmente, por dos electrodos externos, que están posicionados debajo de la membrana, entre cada extremo de la membrana y el pilar más cercano, y que están adaptados para ejercer fuerzas de empuje electrostáticas sobre ambos extremos de la membrana, cuando se aplica un voltaje de accionamiento a los electrodos. Estas fuerzas de empuje, combinadas con un efecto de palanca sobre los pilares, permiten doblar hacia arriba la membrana, a su estado forzado hacia arriba. Cuando el voltaje de accionamiento en los electrodos es cero, la membrana vuelve a su posición de reposo de la Figura 1, gracias a la rigidez de la membrana.

Objetivo de la Invención Existe una necesidad de tener una estructura de tipo MEMS con al menos dos estados forzados para la membrana, es decir, una estructura de tipo MEMS en la que la membrana flexible puede tener un estado forzado hacia arriba, y un estado forzado hacia abajo y, si es necesario, un estado de reposo entre el estado forzado hacia arriba y el estado forzado hacia abajo.

Dicha una estructura de tipo MEMS podría ser obtenida, por ejemplo, a partir de la realización de las Figuras 1 y 2 de la solicitud de patente europea EP, añadiendo medios de accionamiento eléctrico de bajada que están adaptados para doblar hacia abajo la membrana flexible, para bajar la parte funcional de la membrana, debajo de la posición de reposo horizontal de la membrana. Estos medios de accionamiento eléctrico de bajada pueden estar constituidos, por ejemplo, por electrodos internos adicionales que están posicionados debajo de la membrana, entre los dos pilares que soportan la membrana. Dichos electrodos internos están adaptados para ejercer fuerzas electrostáticas de empuje sobre la parte funcional de la membrana, cuando un voltaje de accionamiento es aplicado a los electrodos.

Pero con dicha una estructura de tipo MEMS, de dos estados forzados, para poder hacer que la membrana se mueva entre el estado forzado hacia arriba y el estado forzado hacia abajo, sin fallo y, si es necesario, a tasas elevadas, es necesario:

usar una membrana rígida y grandes deformaciones de membrana, para obtener una fuerza de recuperación mecánica de la membrana que sea suficientemente grande para doblar de nuevo la membrana hacia su posición de reposo,

usar un voltaje de accionamiento alto, debido al gran hueco entre la membrana en su estado forzado hacia arriba y los electrodos de accionamiento de bajada o entre la membrana en su estado forzado hacia abajo y los electrodos de actuación de subida; además, cuanta mayor sea la rigidez de la membrana, más alto debe ser el voltaje de accionamiento.

Dicho aumento del voltaje de accionamiento es perjudicial, ya que consume energía, particularmente debido a la adición de un convertidor DC/DC, y hace que la estructura de tipo MEMS sea más difícil de diseñar, particularmente en términos de restricciones de compacidad y de costes de fabricación.

De esta manera, el objetivo de la invención es proponer una novedosa estructura de tipo MEMS, que tiene una membrana flexible que puede ser accionada entre al menos un estado forzado hacia arriba y un estado forzado hacia abajo, y que ha sido mejorada para reducir el voltaje de accionamiento y/o la rigidez de la membrana sin perjuicio de la eficiencia de la estructura de tipo MEMS. Dentro del alcance de la invención, esta estructura de tipo MEMS puede comprender... [Seguir leyendo]

1. Una estructura de tipo MEMS que comprende una membrana (6) flexible, que tiene un eje (6a) longitudinal principal que define una dirección (X) longitudinal, al menos un pilar (3, 3') debajo de la membrana (6) flexible, medios (7) de accionamiento eléctrico de bajada que están adaptados para doblar hacia abajo la membrana (6) flexible a un estado forzado hacia abajo, medios (8) de accionamiento eléctrico de subida que están adaptados para doblar hacia arriba la membrana (6) flexible a un estado forzado hacia arriba, y en el que los medios (7) de accionamiento eléctrico de bajada o los medios (8) de accionamiento eléctrico de subida comprenden una zona (7c u 8c) de accionamiento, que se extiende debajo de una parte de la membrana (6) , caracterizada porque la zona (7c u 8c) de accionamiento está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre la membrana (6) simultáneamente en ambos lados de dicho al menos un pilar (3) en la dirección (X) longitudinal.

2. La estructura de tipo MEMS de la reivindicación 1, en la que la membrana (6) comprende una parte (60) funcional, flexible, que está posicionada sobre dicho al menos un pilar (3, 3') y que está adaptada para ser doblada hacia abajo o hacia arriba por un efecto de palanca sobre dicho al menos un pilar (3, 3') , y al menos una parte (61b) no funcional, lateral, flexible, que está posicionada fuera de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (Y) transversal, y que se extiende a ambos lados de dicho al menos un pilar (3 ó 3') en la dirección (X) longitudinal, y en la que la zona (7c) de accionamiento de los medios (7) de accionamiento eléctrico de bajada o la zona (8c) de accionamiento de los medios (8) de accionamiento eléctrico de subida se extiende debajo de dicha al menos una parte (61b) no funcional, lateral, y está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre la dicha al menos una parte (61b) no funcional, lateral, de la membrana (6) simultáneamente en ambos lados de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (X) longitudinal.

3. La estructura de tipo MEMS de la reivindicación 1, en la que la membrana (6) comprende al menos dos partes (61b) no funcionales, laterales, flexibles, que están posicionadas a cada lado de la parte (60) funcional de la membrana (6) en la dirección (Y) transversal.

4. La estructura de tipo MEMS de la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, que comprende además un substrato (1) , en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida al menos en un extremo, en la dirección (X) longitudinal, por una parte (61a) no funcional, central, en la que dicha parte (61a) no funcional, central, está extendida en la dirección transversal por al menos una parte (61b) no funcional, lateral, que está posicionada fuera de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (Y) transversal y que se extiende a ambos lados de dicho al menos un pilar (3 ó 3') en la dirección (X) longitudinal, y en la que el hueco (g2) en reposo entre el substrato (1) y dicha parte (61b) no funcional, lateral, es menor que el hueco (g1) en reposo entre la parte (60) funcional de la membrana y el sustrato (1) .

5. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida al menos en un extremo, en la dirección (X) longitudinal, por una parte (61a ) no funcional, central, en la que dicha parte (61a) no funcional, central, está extendida en la dirección transversal por al menos una parte (61b) no funcional, lateral, que está posicionada fuera de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (Y) transversal y que se extiende a ambos lados de dicho al menos un pilar (3 ó 3') en la dirección (X) longitudinal, y el espesor de la parte (61b) no funcional, lateral, es menor que el espesor de la parte (60) funcional de la membrana.

6. La estructura de tipo MEMS de la reivindicación 2 ó la reivindicación 3, que comprende además un substrato (1) , en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida al menos en un extremo, en la dirección (X) longitudinal, por una parte (61a) no funcional, central, en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida en la dirección transversal al menos por una parte (61b) , no funcional, lateral, que está posicionada fuera de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (Y) transversal, y que se extiende a ambos lados de dicho al menos un pilar (3 ó 3') en la dirección (X) longitudinal, y en el que el hueco (g2) en reposo entre el substrato (1) y dicha parte (61b) no funcional, lateral, es menor que el hueco (g1) en reposo entre la parte (61a) no funcional, central, de la membrana y el sustrato (1) .

7. La estructura de tipo MEMS de la reivindicación 2 ó la reivindicación 3 ó la reivindicación 6, en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida al menos en un extremo, en la dirección (X) longitudinal, por una parte ( 61a) no funcional, central, en la que la parte (60) funcional de la membrana (6) está extendida en la dirección transversal al menos por una parte (61b) no funcional, lateral, que está posicionada fuera de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (Y) transversal, y que se extiende a ambos lados de dicho al menos un pilar (3 ó 3') en la dirección (X) longitudinal, y en la que el espesor de la parte (61b) no funcional, lateral, es menor que el espesor de la parte (61a) no funcional, central, de la membrana.

8. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que los medios (7) de

accionamiento eléctrico de bajada comprenden una zona (7c) de accionamiento que se extiende bajo una parte de la membrana (6) y que está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre dicha parte de la membrana (6) simultáneamente en ambos lados de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (X) longitudinal, y los medios (8) de accionamiento eléctrico de subida comprenden una zona (8c) de accionamiento, que se extiende bajo otra parte

de la membrana (6) y que está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre dicha otra parte de la membrana (6) simultáneamente en ambos lados de dicho al menos un pilar (3, 3') en la dirección (X) longitudinal.

9. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la membrana (6) está posicionada sobre al menos dos pilares (3, 3') que están separados entre sí en la dirección (X) longitudinal, y en la

que los medios (7) de accionamiento eléctrico de subida o los medios (8) de accionamiento eléctrico de bajada comprenden, para cada pilar (3, 3') , una zona (7c u 8c) de accionamiento que se extiende bajo una parte de la membrana (6) y que está adaptada para ejercer fuerzas de empuje sobre dicha parte de la membrana (6) simultáneamente en ambos lados del pilar (3 ó 3') correspondiente en la dirección (X) longitudinal.

10. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la membrana (6) es una membrana libre cuyos dos extremos (6b, 6c) no están anclados a un substrato (1) , y está soportada en reposo por dicho al menos un pilar.

11. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la membrana (6) es una 20 membrana en voladizo que está anclada en un extremo (6a) a un substrato (1) .

12. La estructura de tipo MEMS de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la membrana (6) es una membrana (6) doblemente anclada que está anclada en ambos extremos (6b, 6c) a un substrato (1) .