EP0861496A1 - Electric switching device and display device using same - Google Patents

Electric switching device and display device using same

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EP0861496A1
EP0861496A1 EP97919091A EP97919091A EP0861496A1 EP 0861496 A1 EP0861496 A1 EP 0861496A1 EP 97919091 A EP97919091 A EP 97919091A EP 97919091 A EP97919091 A EP 97919091A EP 0861496 A1 EP0861496 A1 EP 0861496A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
state
switching device
switching
matrix
Prior art date
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Ceased
Application number
EP97919091A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Philippe Thomson-CSF S.C.P.I. GAUCHER
Jean-Claude Thomson-CSF S.C.P.I. DUBOIS
Erich Thomson-CSF S.C.P.I. SPITZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0861496A1 publication Critical patent/EP0861496A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
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    • H01H2001/0042—Bistable switches, i.e. having two stable positions requiring only actuating energy for switching between them, e.g. with snap membrane or by permanent magnet
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    • H01H57/00—Electrostrictive relays; Piezo-electric relays
    • H01H2057/006—Micromechanical piezoelectric relay
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H67/00—Electrically-operated selector switches
    • H01H67/22—Switches without multi-position wipers

Definitions

  • the air knife capacitor thus formed has a capacity
  • the force F is related to the tension applied by the following equation
  • the subject of the invention is a switching device comprising at least one membrane made of material M-
  • the means for switching from a state 0 to a state 1 comprise a piezoelectric layer deposited on the surface of the membrane, so as to constitute a bimetal system having two stable states 0 and 1
  • the substrate can advantageously be made of silicon
  • the membrane can advantageously be made of material constrained with respect to silicon, of the silica or silicon nitride type Indeed it is known to use deposition conditions, such as the material M
  • the invention also relates to a display device associating a conventional matrix type liquid crystal matrix, the optical state of the pixels of which is electrically controllable and a matrix of elementary switching devices such as those described above.
  • Each pixel of the active matrix is opposite the upper electrode for controlling the piezoelectric material of an elementary switching device
  • FIG. 1 illustrates a switching device according to the known art, using a bimetal system
  • FIG. 2 illustrates a switching device according to the invention
  • FIG. 3 illustrates the piezoelectric means for controlling a switching device according to the invention
  • FIG. 4 illustrates the characteristic parameters of the deformation of a pre-stressed membrane of a switching device of the invention
  • FIG. 5 illustrates a top view of a switching device according to the invention, in which the membrane has openings to partially release the membrane from the substrate,
  • FIG. 6 illustrates the association of a liquid crystal matrix display device and a matrix of electrical switches according to the invention, making it possible to control said device
  • FIG. 7 illustrates a top view of the set of electrodes 15 ,, and 16 ,, allowing the addressing of the switches used to address a matrix of liquid crystal pixels
  • the device comprises means which can advantageously be of the piezoelectric type, the transition from a stable state to another stable state being achieved in this case by a simple pulse.
  • FIG. 2 illustrates such a switching device.
  • a membrane 11 made of material M- ⁇ is supported by a substrate 12 made of material M2.
  • This membrane is shown convex corresponding to the state known as 0, shown in solid lines and denoted 11 Q but by construction. as will be explained later, it can equally be concave and correspond to state 1 (shown in dotted lines and denoted 111)
  • the membrane comprises a piezoelectric device consisting of a layer of piezoelectric material 14 inserted between electrodes 15 and 16
  • the piezoelectric device is thin in front of the membrane and does little to modify the behavior of the material M-- with respect to the material M2, as illustrated in FIG. 3
  • FIG. 4 illustrates the curvature of the membrane 1 1 in the presence of pre-stresses as well as the different parameters d, dg, o and hg 2 ho being representative of the difference between the convex state 0 and the concave state 1
  • a layer of thermal silica is created on both sides by annealing at 950 ° C. in the presence of water vapor or at 1050 ° C. under dry oxygen.
  • microlithography it is etched with HF acid or a reactive plasma, all the silica on the front face and part of that on the rear face making it possible to produce a rectangular mask later used for chemical or electronic machining of silicon.
  • a lower electrode 15 is deposited for the piezoelectric device, for example made of platinum, and this is done through a resin mask which is then removed by conventional microlithography methods.
  • the layer of piezoelectric material 14 is deposited by cent ⁇ fugation or any other technique of depositing in thin layers, a layer of PZT (lead titano-zirconate), which is then etched with acid type HF diluted (having protected the back side with resin)
  • the PZT is crystallized and densified by rapid annealing at a temperature between 600 and 700 ° C for a short time, of the order of 2 minutes, so that the stress of the underlying layer cannot relax. finally deposits an upper electrode 16 similar to the lower electrode
  • the silica membrane is thus released, to relax and take the curved shape illustrated in FIG. 2, (concave or convex shape), carrying with it the piezoelectric capacitor previously formed.
  • the embodiment has been described for a switching device comprising a membrane
  • the switching device comprises a matrix of elementary switches, produced collectively using all the process steps described above using suitable microlithography masks
  • This type of switch matrix can advantageously be used in visualization by being coupled to a display device, of the liquid crystal matrix type, plasma screen, light-emitting diodes.
  • FIG. 6 illustrates an example of a display device using a switching device according to the invention
  • the display device comprises a matrix of pixels PXLIJ, comprising a common electrode 19 called the upper electrode, each pixel also comprising a electrode 20 ⁇ j called the lower
  • the switching device comprises elementary membranes 11,., Supported by a substrate Each membrane 11 , is covered with an electrode 15, j , called the lower electrode, with a layer of piezoelectric material 14 , and with an electrode called superior 16 ,.
  • an electrode 15, j called the lower electrode
  • a layer of piezoelectric material 14 a layer of piezoelectric material 14
  • an electrode called superior 16 an electrode called superior 16 .
  • HERE represented a liquid crystal matrix
  • FIG. 7 illustrates a top view of the assembly of the lower electrodes 15, and upper 16,. located on either side of the piezoelectric layers

Abstract

The invention concerns a switching device comprising a membrane made of a material (M1) supported by a substrate made of a material (M2), the material (M1) being constrained with respect to the material (M2) at the membrane/ substrate interface, so as to curve said membrane. By piezoelectric control means, the membrane can switch between a stable concave configuration and a stable convex configuration. The invention is useful for displaying devices.

Description

DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRIQUE ET DISPOSITIF D'AFFICHAGE UTILISANT CE DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRIC SWITCHING DEVICE AND DISPLAY DEVICE USING THE SWITCHING DEVICE
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de commutation et notamment des dispositifs miniaturisés permettant de passer d'un état 0 à un état 1 à l'aide de signaux transitoires de faible tensionThe field of the invention is that of switching devices and in particular miniaturized devices making it possible to pass from a state 0 to a state 1 using transient low voltage signals
Actuellement dans ce domaine, les techniques de micro-usinage chimique du silicium permettent de réaliser des microactionneurs électrostatiques basés sur le principe de la force de CoulombCurrently in this field, the techniques of chemical micro-machining of silicon make it possible to produce electrostatic microactuators based on the principle of the Coulomb force.
F = q q'/ πεo d2 F = q q '/ πεo d 2
où q et q' sont les charges électriques que l'on fait apparaître au niveau de deux lames de silicium séparées par une épaisseur d'air , si q et q' sont de signe opposé, la force F est attractivewhere q and q 'are the electric charges which one makes appear at the level of two silicon plates separated by a thickness of air, if q and q' are of opposite sign, the force F is attractive
Le condensateur à lame d'air ainsi forme a une capacitéThe air knife capacitor thus formed has a capacity
C = En S/dC = In S / d
où S est la surface en regard qui supporte les charges q et q' avec q = q' = CV (V étant la tension appliquée audit condensateur)where S is the facing surface which supports the charges q and q 'with q = q' = CV (V being the voltage applied to said capacitor)
La force F est liée à la tension appliquée par l'équation suivanteThe force F is related to the tension applied by the following equation
F = S0 S2 V2 / 471 d4 F = S 0 S 2 V 2/471 d 4
Elle décroît donc très rapidement avec la distance, pour une surface et une tension données Par exemple pour une surface S = 100 XIt therefore decreases very quickly with distance, for a given surface and voltage For example for a surface S = 100 X
100 mm2, une distance de commutation égale à la distance d de 5 μm et une tension appliquée de 10 V, on trouve une capacité de 0,1 pF et une force F de 0,3 mN100 mm 2 , a switching distance equal to the distance d of 5 μm and an applied voltage of 10 V, there is a capacity of 0.1 pF and a force F of 0.3 mN
Ces valeurs sont très faibles, c'est pourquoi les concepteurs d'actionneurs électrostatiques sont souvent obliges d'utiliser des peignes interdigités ou des dessins complexes pour augmenter la capacité du condensateur, au détriment de la fiabilité et de la robustesseThese values are very low, which is why the designers of electrostatic actuators are often obliged to use interdigitated combs or complex designs to increase the capacitance of the capacitor, to the detriment of reliability and robustness.
D'autres études ont montré que l'on pouvait utiliser des couches piézoélectriques pour actionner des poutres ou des plaques en silicium de façon beaucoup plus efficace et sur de plus grandes déformations Le moment réparti exercé sur une poutre par une couche de matériau piézoélectrique d'épaisseur e petite devant l'épaisseur en. de la poutre de longueur L et de module élastique Y, est donné par la formule approchée du système bilame ainsi forméOther studies have shown that piezoelectric layers can be used to actuate silicon beams or plates much more effectively and on larger deformations The distributed moment exerted on a beam by a layer of piezoelectric material of thickness e small compared to the thickness in. of the beam of length L and elastic modulus Y, is given by the approximate formula of the bimetal system thus formed
M = 1/2Y . d3 e0L . VM = 1 / 2Y. d 3 e 0 L. V
avec un matériau piézoélectrique du type PZT qui a un coefficient piézoélectrique d3<| égal à 200 pC/N et un module élastique de 4,3 l O^ N/m , on trouve avec une tension appliquée de 10 V, une force F appliquée sur la poutre de longueur Lwith a piezoelectric material of the PZT type which has a piezoelectric coefficient d3 <| equal to 200 pC / N and an elastic modulus of 4.3 l O ^ N / m, we find with an applied voltage of 10 V, a force F applied on the beam of length L
F = M/L = 1/2 Y d31 en VF = M / L = 1/2 Y d 31 in V
F = 4,7 m . NF = 4.7 m. NOT
et donc une valeur 10 fois plus importante que dans les actionneurs électrostatiques précédemment évoqués Cette force est de plus indépendante de la courbure de la poutre (en première approximation), donc de la distance d entre les états de commutation correspondant à un état stable sans tension appliqué et à un état excité lorsqu'une tension est appliquée au niveau du piézoélectriqueand therefore a value 10 times greater than in the electrostatic actuators previously mentioned. This force is moreover independent of the curvature of the beam (as a first approximation), therefore of the distance d between the switching states corresponding to a stable state without tension. applied and in an excited state when a voltage is applied at the piezoelectric
La force de rappel (s'opposant à la force F = M/L) exercée par la poutre en silicium, lorsqu'elle est déformée, est liée à la rigidité de flexion yo- yo = Yθ ' C0 3 12 (1 - v0 2)The restoring force (opposing the force F = M / L) exerted by the silicon beam, when it is deformed, is linked to the bending stiffness yo- yo = Yθ 'C 0 3 12 (1 - v 0 2 )
où VQ est le coefficient de Poisson de l'ordre de 0,42 pour la plupart des matériaux durswhere VQ is the Poisson's ratio of the order of 0.42 for most hard materials
Cette force de rappel F' est définie par l'équation suivanteThis restoring force F 'is defined by the following equation
F' = y0 d / L2 avec d distance séparant les deux états de commutation, soit encore la distance à laquelle une tension appliquée V sur le piézoélectrique est capable d'amener le système bilame comme l'illustre la figure 1 Les traits pointillés schématisent le système bilame sans tension appliquée, les traits pleins montrent le système bilame sous tension V appliquée Le système bilame est représenté sous forme de couche unique intégrant le dispositif piézoélectriqueF '= y 0 d / L 2 with d distance separating the two switching states, i.e. again the distance at which an applied voltage V on the piezoelectric is capable of bringing the bimetal system as illustrated in FIG. 1 The dotted lines schematize the bimetallic system without applied voltage, the solid lines show the bimetal system under V applied voltage The bimetal system is represented as a single layer integrating the piezoelectric device
Pour une distance d *= 5 μm entre les deux états de commutation F' = 5,5 mN (de l'ordre de la force F) il apparaît ainsi que l'on peut équilibrer le système bilame déforme et réaliser deux états de commutation séparés d'une distance de l'ordre de 5 μm avec une tension de l'ordre de 10VFor a distance d * = 5 μm between the two switching states F '= 5.5 mN (of the order of the force F) it thus appears that one can balance the deformed bimetal system and achieve two switching states separated by a distance of the order of 5 μm with a voltage of the order of 10V
Ce type de commutateur présente néanmoins l'inconvénient de n'être pas très stable dans l'état excité En effet un tel système bilame a tendance à reprendre lentement sa position d'équilibre en raison de champs dépolarisant qui se forment dans le matériau piézoélectrique On ne peut donc pas maintenir le système dans son état excité pendant une durée illimitée, en maintenant une tension continue sur la couche piézoélectrique, contrairement au commutateur électrostatique pour lequel aucun phénomène de charges d'écran n'intervient dans le diélectrique qui est deThis type of switch nevertheless has the disadvantage of not being very stable in the excited state. Indeed, such a bimetal system tends to slowly return to its equilibrium position due to depolarizing fields which form in the piezoelectric material. cannot therefore keep the system in its excited state for an unlimited period, by maintaining a continuous voltage on the piezoelectric layer, unlike the electrostatic switch for which no phenomenon of screen charges intervenes in the dielectric which is
Dans ce contexte et pour résoudre les principaux inconvénients précités, l'invention propose un dispositif de commutation utilisant une membrane dont la commutation est effectuée entre deux états stables, des moyens de commande électrique de commutation n'étant nécessaires que pour basculer d'un état à l'autre et non pour maintenir le système dans un état donnéIn this context and to resolve the main aforementioned drawbacks, the invention provides a switching device using a membrane, the switching of which is effected between two stable states, electrical switching control means being necessary only for switching from one state to the other and not to keep the system in a given state
Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de commutation comprenant au moins une membrane en matériau M-| , supportée par un substrat en matériau M2 et des moyens pour commuter électriquement ladite membrane entre un état 0 et un état 1 , le dispositif étant caractérisé en ce que le matériau M-j est contraint par rapport au matériau M2 à l'interface membrane-substrat, de manière à incurver ladite membrane dans l'état 0, ou dans l'état 1 , lesdits états étant stables Selon une variante préférentielle de l'invention, les moyens pour commuter d'un état 0 un état 1 , comprennent une couche piézoélectrique déposée à la surface de la membrane, de manière à constituer un système bilame présentant deux états stables 0 et 1 Le substrat peut avantageusement être en silicium la membrane peut avantageusement être en matériau contraint par rapport au silicium, de type silice ou nitrure de silicium En effet on sait utiliser des conditions de dépôt, telles que le matériau M| constitutif de la membrane de type silice ou nitrure de silicium puisse relaxer ses contraintes par rapport au substrat, ou jouer sur des différences de coefficient de dilatation qui introduisent des contraintes interfaciales au refroidissementMore precisely, the subject of the invention is a switching device comprising at least one membrane made of material M- | , supported by a substrate made of M2 material and means for electrically switching said membrane between a state 0 and a state 1, the device being characterized in that the material Mj is constrained relative to the material M2 at the membrane-substrate interface, so as to curve said membrane in state 0, or in state 1, said states being stable According to a preferred variant of the invention, the means for switching from a state 0 to a state 1, comprise a piezoelectric layer deposited on the surface of the membrane, so as to constitute a bimetal system having two stable states 0 and 1 The substrate can advantageously be made of silicon the membrane can advantageously be made of material constrained with respect to silicon, of the silica or silicon nitride type Indeed it is known to use deposition conditions, such as the material M | constituting the silica or silicon nitride type membrane can relax its stresses with respect to the substrate, or play on differences in expansion coefficient which introduce interfacial stresses on cooling
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'affichage associant une matrice classique type matrice a cristal liquide, dont l'état optique des pixels est commandable électriquement et une matrice de dispositifs élémentaires de commutation tels que ceux décrits précédemmentThe invention also relates to a display device associating a conventional matrix type liquid crystal matrix, the optical state of the pixels of which is electrically controllable and a matrix of elementary switching devices such as those described above.
Chaque pixel de la matrice active est en regard de l'électrode supérieure de commande du matériau piézoélectrique d'un dispositif élémentaire de commutationEach pixel of the active matrix is opposite the upper electrode for controlling the piezoelectric material of an elementary switching device
Selon une variante de dispositif d'affichage de l'invention, la matrice des dispositifs élémentaires de commutation est recouverte d'une couche diélectrique et d'un plan de masse métalliqueAccording to a variant of the display device of the invention, the matrix of elementary switching devices is covered with a dielectric layer and with a metallic ground plane
La présente invention sera mieux comprise et d'autre avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée a titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre un dispositif de commutation selon l'art connu, utilisant un système bilame,The present invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows, given without limitation and thanks to the appended figures among which - FIG. 1 illustrates a switching device according to the known art, using a bimetal system,
- la figure 2 illustre un dispositif de commutation selon l'invention,FIG. 2 illustrates a switching device according to the invention,
- la figure 3 illustre les moyens piézo-électπques de commande d'un dispositif de commutation selon l'invention,FIG. 3 illustrates the piezoelectric means for controlling a switching device according to the invention,
- la figure 4 illustre les paramètres caractéristiques de la déformation d'une membrane pré-contrainte d'un dispositif de commutation de l'invention,FIG. 4 illustrates the characteristic parameters of the deformation of a pre-stressed membrane of a switching device of the invention,
- la figure 5 illustre une vue de dessus d'un dispositif de commutation selon l'invention, dans lequel la membrane présente des ouvertures pour libérer partiellement la membrane du substrat,- Figure 5 illustrates a top view of a switching device according to the invention, in which the membrane has openings to partially release the membrane from the substrate,
- la figure 6 illustre l'association d'un dispositif d'affichage type matrice à cristal liquide et d'une matrice de commutateurs électriques selon l'invention, permettant d'assurer la commande dudit dispositif,FIG. 6 illustrates the association of a liquid crystal matrix display device and a matrix of electrical switches according to the invention, making it possible to control said device,
- la figure 7 illustre une vue de dessus de l'ensemble de électrodes 15,, et 16,, permettant l'adressage des commutateurs utilisés pour adresser une matrice de pixels à cristal liquide- Figure 7 illustrates a top view of the set of electrodes 15 ,, and 16 ,, allowing the addressing of the switches used to address a matrix of liquid crystal pixels
Le dispositif de commutation selon l'invention, comprend une membrane contrainte à être incurvée en raison de la nature des matériaux constitutifs de la membrane et du substrat qui la supporteThe switching device according to the invention comprises a membrane forced to be curved due to the nature of the constituent materials of the membrane and of the substrate which supports it
Pour faire commuter la membrane d'un état stable vers un autre état stable, le dispositif comprend des moyens qui peuvent avantageusement être de type piézoélectriques, le passage d'un état stable vers un autre état stable étant réalisé dans ce cas par une simple impulsion électriqueTo switch the membrane from a stable state to another stable state, the device comprises means which can advantageously be of the piezoelectric type, the transition from a stable state to another stable state being achieved in this case by a simple pulse. electric
La figure 2 illustre un tel dispositif de commutation Une membrane 11 en matériau M-\ est supportée par un substrat 12 en matériau M2 Cette membrane est représentée convexe correspondant à l'état dit 0, représentée en traits pleins et notée 11 Q mais par construction comme cela sera explicité ultérieurement elle peut de manière équiprobable être concave et correspondre à l'état 1 (représentée en traits pointillés et notée 111 ) La membrane comporte un dispositif piézoélectrique constitué d'une couche de matériau piézoélectrique 14 insérée entre des électrodes 15 et 16FIG. 2 illustrates such a switching device. A membrane 11 made of material M- \ is supported by a substrate 12 made of material M2. This membrane is shown convex corresponding to the state known as 0, shown in solid lines and denoted 11 Q but by construction. as will be explained later, it can equally be concave and correspond to state 1 (shown in dotted lines and denoted 111) The membrane comprises a piezoelectric device consisting of a layer of piezoelectric material 14 inserted between electrodes 15 and 16
De préférence le dispositif piézoélectrique est de faible épaisseur devant la membrane et modifie peu le comportement du matériau M-- vis-à- vis du matériau M2, comme illustré en figure 3Preferably the piezoelectric device is thin in front of the membrane and does little to modify the behavior of the material M-- with respect to the material M2, as illustrated in FIG. 3
Pour réaliser ce type de dispositif on utilise des technologies classiques de micro usinage silicium et de soudure ou micro-assemblage silicium-silicium ou silice-silicium Ceci conduit a libérer une partie d'un substrat en silicium recouvert d'une couche en matériau contraint par rapport au silicium pour former une membrane reliée au substrat ladite membrane pouvant au préalable être équipée du dispositif piézoélectrique, et ce en usinant chimiquement le substrat II peut s'agir d'un usinage volumique en face dite arrière (côté opposé à la couche de matériau contraint) ou d'un usinage surfacique en utilisant une couche sacrificielle intermédiaire Après usinage la membrane relâche ses contraintes par le phénomène de "flambage", connu en mécanique des plaques La membrane prend alors naturellement une courbure convexe (correspondant à l'état dit 0) ou une courbure concave (correspondant à l'état dit 1 )To make this type of device, conventional silicon micro-machining and soldering or silicon-silicon or silicon-silicon micro-assembly technologies are used. This leads to the release of part of a silicon substrate covered with a layer of material constrained by compared to silicon to form a membrane connected to the substrate said membrane can be fitted beforehand with the piezoelectric device, and this by chemically machining the substrate II can be a volume machining on the so-called rear face (side opposite to the layer of constrained material) or surface machining using a layer sacrificial intermediate After machining the membrane releases its constraints by the phenomenon of "buckling", known in plate mechanics The membrane then naturally takes a convex curvature (corresponding to the so-called state 0) or a concave curvature (corresponding to the so-called state) 1)
Si σ est la contrainte de la couche de matériau M-, l'allongement Δ d de la membrane de longueur d est défini par l'équation suivanteIf σ is the stress of the material layer M-, the elongation Δ d of the membrane of length d is defined by the following equation
Δd = σ d / enΔd = σ d / in
avec en l'épaisseur de la membrane et le rayon de la courbure correspondant RQ est relié à la longueur finale de la membrane dn = d + Δdwith the thickness of the membrane and the corresponding radius of curvature RQ is related to the final length of the membrane dn = d + Δd
Δd / d = dg / 4R0 Δd / d = dg / 4R 0
soit encoreeither again
Ainsi pour une pré-contrainte de 1 GPa, une membrane en nitrure de silicium de module élastique de 20 GPa et de longueur d = 100 μm, conduit à un rayon de courbure RQ = 0,5 mmThus for a pre-stress of 1 GPa, a silicon nitride membrane of elastic module of 20 GPa and of length d = 100 μm, leads to a radius of curvature RQ = 0.5 mm
La figure 4 illustre la courbure de la membrane 1 1 en présence de pré-contraintes ainsi que les différents paramètres d, dg, o et hg 2 ho étant représentatif de l'écart entre l'état convexe 0 et l'état concave 1 On peut encore écrire ho = do2 4Ro = o σn/Yo ce qui fournit une valeur ho de 5 μmFIG. 4 illustrates the curvature of the membrane 1 1 in the presence of pre-stresses as well as the different parameters d, dg, o and hg 2 ho being representative of the difference between the convex state 0 and the concave state 1 On can still write ho = do 2 4Ro = o σn / Yo which gives a ho value of 5 μm
Lorsque la membrane est dans un état 0 ou 1 , on la fait commuter dans l'autre état respectivement 1 ou 0, en appliquant une tension V sur la couche de matériau piézoélectrique II suffit pour cela de créer à l'interface membrane/substrat une contrainte σ qui annule la contrainte initiale OQ Par l'effet piézoélectrique, on sait électriquement introduire une contrainte de cisaillement σ liée à la variation de polarisation ΔP dans le matériau piézoélectrique avec σ = ΔP / d3-| dβ-j étant un coefficient piézoélectrique du matériau, ou encoreWhen the membrane is in a state 0 or 1, it is switched to the other state respectively 1 or 0, by applying a voltage V to the layer of piezoelectric material. It suffices for this to create at the membrane / substrate interface a constraint σ which cancels the initial constraint OQ By the piezoelectric effect, it is known electrically to introduce a shear stress σ linked to the variation of polarization ΔP in the piezoelectric material with σ = ΔP / d3- | dβ-j being a piezoelectric coefficient of the material, or
ΔP = χ ΔF = (1 + ε0ε) V/ e ~ εoεv/eΔP = χ ΔF = (1 + ε 0 ε) V / e ~ εoεv / e
e étant l'épaisseur de la couche de matériau piézoélectrique on obtient ainsi avec e = 0,5 μm ε = 1 000 ε0 = 8,8 pF/m d3 = 200 pC/N une tension V nécessaire, égale a 10 Ve being the thickness of the piezoelectric material layer, we thus obtain with e = 0.5 μm ε = 1000 ε 0 = 8.8 pF / md 3 = 200 pC / N a voltage V necessary, equal to 10 V
On est ainsi en mesure de faire passer la membrane d'un premier état stable 0 a un deuxième état stable 1 , grâce a une tension de l'ordre d'une dizaine de voltsWe are thus able to pass the membrane from a first stable state 0 to a second stable state 1, thanks to a voltage of the order of ten volts.
Il est à noter que lorsque la membrane a été commutée dans son second état stable, il n'est plus nécessaire d'appliquer de tension Dans un tel dispositif de commutation, les effets de relaxation rencontres dans l'art antérieur, n'interviennent plus il suffit d'alimenter le dispositif piézoélectrique, uniquement au moment de la commutation II s'agit donc d'un dispositif consommant peu d'énergieIt should be noted that when the membrane has been switched to its second stable state, it is no longer necessary to apply tension. In such a switching device, the relaxation effects encountered in the prior art no longer occur. it suffices to supply the piezoelectric device, only at the time of switching. It is therefore a device consuming little energy
Exemple de réalisationExample of realization
A partir d'un substrat de silicium (1 ,0,0), on crée sur les deux faces une couche de silice thermique par recuit à 950° C en présence de vapeur d'eau ou à 1 050° C sous oxygène secFrom a silicon substrate (1.0, 0.0), a layer of thermal silica is created on both sides by annealing at 950 ° C. in the presence of water vapor or at 1050 ° C. under dry oxygen.
Par microlithographie, on grave avec de l'acide HF ou un plasma réactif, toute la silice de la face avant et une partie de celle de la face arrière permettant de réaliser un masque rectangulaire utilisé ultérieurement pour l'usinage chimique ou électronique du siliciumBy microlithography, it is etched with HF acid or a reactive plasma, all the silica on the front face and part of that on the rear face making it possible to produce a rectangular mask later used for chemical or electronic machining of silicon.
On dépose sur la face avant une couche de silice S1O2 ou de nitrure de silicium S13N4, fortement contrainte, par exemple par PE - CVDA layer of silica S1O2 or silicon nitride S13N4, which is highly stressed, is deposited on the front face, for example by PE - CVD
(dépôt par voie chimique assisté par plasma) à basse température comprise entre 300 et 600° C Puis on grave cette couche localement de manière à former un motif sur la face avant permettant à la future membrane d'être moins contrainte par rapport au substrat Les ouvertures ainsi réalisées 17 et 18 sont illustrées en figure 5(chemical deposition assisted by plasma) at low temperature between 300 and 600 ° C. Then this layer is etched locally so as to form a pattern on the front face allowing the future membrane to be less stress compared to the substrate The openings thus produced 17 and 18 are illustrated in FIG. 5
On dépose une électrode inférieure 15 pour le dispositif piézoélectrique, par exemple en platine, et ce à travers un masque en résine que l'on enlève ensuite par des procédés classiques de microlithographieA lower electrode 15 is deposited for the piezoelectric device, for example made of platinum, and this is done through a resin mask which is then removed by conventional microlithography methods.
On procède au dépôt de la couche de matériau piézoélectrique 14 par centπfugation ou toute autre technique de dépôt en couches minces, d'une couche de PZT (Titano-zirconate de plomb), que l'on grave ensuite avec de l'acide type HF dilué (en ayant protégé ie face arrière avec de la résine)The layer of piezoelectric material 14 is deposited by centπfugation or any other technique of depositing in thin layers, a layer of PZT (lead titano-zirconate), which is then etched with acid type HF diluted (having protected the back side with resin)
On cristallise et densifie le PZT par recuit rapide à une température comprise entre 600 et 700° C pendant un temps court, de l'ordre de 2 minutes, de telle façon que la contrainte de la couche sous- jacente ne puisse pas se relaxer On dépose enfin une électrode supérieure 16 analogue a l'électrode inférieureThe PZT is crystallized and densified by rapid annealing at a temperature between 600 and 700 ° C for a short time, of the order of 2 minutes, so that the stress of the underlying layer cannot relax. finally deposits an upper electrode 16 similar to the lower electrode
Une vue de dessus du commutateur ainsi obtenu est illustré en figure 5A top view of the switch thus obtained is illustrated in Figure 5
Pour définir la partie membrane, on usine le silicium avec de la potasse ou toute autre solution couramment utilisée qui possède la propriété de ne pas attaquer la siliceTo define the membrane part, we machine the silicon with potash or any other commonly used solution which has the property of not attacking the silica
La membrane en silice est ainsi libérée, pour se détendre et prendre la forme courbe illustrée en figure 2, (forme concave ou convexe), entraînant avec elle le condensateur piézoélectrique précédemment formé L'exemple de réalisation a été décrit pour un dispositif de commutation comprenant une membraneThe silica membrane is thus released, to relax and take the curved shape illustrated in FIG. 2, (concave or convex shape), carrying with it the piezoelectric capacitor previously formed. The embodiment has been described for a switching device comprising a membrane
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de commutation comprend une matrice de commutateurs élémentaires, réalisés de manière collective en utilisant toutes les étapes de procédé décrites - dessus à l'aide de masques de microlithographie adaptésAccording to another variant of the invention, the switching device comprises a matrix of elementary switches, produced collectively using all the process steps described above using suitable microlithography masks
Ce type de matrice de commutateurs peut avantageusement être utilisée en visualisation en étant couplée a un dispositif d'affichage, type matrice à cristal liquide, écran à plasma, diodes électroluminescentesThis type of switch matrix can advantageously be used in visualization by being coupled to a display device, of the liquid crystal matrix type, plasma screen, light-emitting diodes.
La figure 6 illustre un exemple de dispositif d'affichage utilisant un dispositif de commutation selon l'invention Le dispositif d'affichage comprend une matrice de pixels PXLIJ, comportant une électrode commune 19 dite électrode supérieure, chaque pixel comportant également une électrode 20ιj dite inférieureFIG. 6 illustrates an example of a display device using a switching device according to the invention The display device comprises a matrix of pixels PXLIJ, comprising a common electrode 19 called the upper electrode, each pixel also comprising a electrode 20ιj called the lower
Le dispositif de commutation comprend des membranes élémentaires 11 ,., supportées par un substrat Chaque membrane 11 ,, est recouverte d'une électrode 15,j, dite électrode inférieure, d'une couche de matériau piézoélectrique 14,, et d'une électrode dite supérieure 16,. Pour assurer une bonne connexion électrique entre le dispositif matriciel de commutation et le dispositif d'affichage (ICI représenté une matrice à cristal liquide) on peut élaborer un plan de masse PM Pour cela une couche de matériau diélectrique est déposée sur l'ensemble des éléments piézoélectriques et une électrode constitutive du plan de masse est déposée à la surface de cette couche Lorsqu'une impulsion de tension est envoyée sur tel ou tel élément piézoélectrique, la membrane associée change d'incurvation et connecte ou déconnecte électriquement le plan de masse au pixel cristal liquide PXL,; associé comme illustré en figure 6 Tant qu'une nouvelle impulsion n'est pas initiée au niveau d'une membrane élémentaire, l'état d'adressage du pixel associé reste inchangéThe switching device comprises elementary membranes 11,., Supported by a substrate Each membrane 11 ,, is covered with an electrode 15, j , called the lower electrode, with a layer of piezoelectric material 14 ,, and with an electrode called superior 16 ,. To ensure a good electrical connection between the matrix switching device and the display device (HERE represented a liquid crystal matrix), it is possible to develop a ground plane PM. For this, a layer of dielectric material is deposited on all of the elements. piezoelectric and an electrode constituting the ground plane is deposited on the surface of this layer When a voltage pulse is sent to such and such a piezoelectric element, the associated membrane changes curvature and electrically connects or disconnects the ground plane to the pixel liquid crystal PXL ,; associated as illustrated in FIG. 6 As long as a new pulse is not initiated at the level of an elementary membrane, the addressing state of the associated pixel remains unchanged
La figure 7 illustre une vue de dessus de l'ensemble des électrodes inférieures 15,, et supérieures 16,. situées de part et d'autre des couches piézoélectriquesFIG. 7 illustrates a top view of the assembly of the lower electrodes 15, and upper 16,. located on either side of the piezoelectric layers
L'adressage desdites couches piézoélectriques et par la-même des pixels cristal liquide, peut se faire suivant la règle bien connue des -1/3, 2/3 en tension Seul le pixel recevant la tension V sera excité pour basculer dans un état opposé, les autres pixels ne recevant pas assez de tension pour que la contrainte générée atteigne la valeur de la contrainte σo précédemment évoquée The addressing of said piezoelectric layers and by the same liquid crystal pixels, can be done according to the well-known rule of -1/3, 2/3 in voltage Only the pixel receiving the voltage V will be excited to switch to an opposite state , the other pixels not receiving enough tension so that the stress generated reaches the value of the stress σo previously mentioned

Claims

REVENDICATIONS
1 Dispositif de commutation comprenant au moins une membrane en matériau (M-- ) supportée par un substrat en matériau (M2) et des moyens pour commuter électriquement ladite membrane entre un état (0) et un état (1 ), caractérisé en ce que le matériau (M-| ) est contraint par rapport au matériau (M2) à l'interface membrane substrat, de manière à incurver ladite membrane dans l'état (0), ou dans l'état (1 ), lesdits états étant stables1 switching device comprising at least one membrane of material (M--) supported by a substrate of material (M2) and means for electrically switching said membrane between a state (0) and a state (1), characterized in that the material (M- |) is constrained with respect to the material (M2) at the substrate membrane interface, so as to curve said membrane in state (0), or in state (1), said states being stable
2 Dispositif de commutation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens pour commuter d'un état (0) à un état (1 ), comprennent une électrode inférieure (15) déposée sur la membrane, une couche de matériau piézoélectrique (14) sur l'électrode (15) et une électrode supérieure (16) sur ladite couche (14)2 switching device according to claim 1, characterized in that the means for switching from a state (0) to a state (1), comprise a lower electrode (15) deposited on the membrane, a layer of piezoelectric material (14 ) on the electrode (15) and an upper electrode (16) on said layer (14)
3 Dispositif de commutation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat est en silicium 4 Dispositif de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est en silice3 switching device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the substrate is made of silicon 4 switching device according to claim 3, characterized in that the membrane is made of silica
5 Dispositif de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane est en nitrure de silicium5 switching device according to claim 3, characterized in that the membrane is made of silicon nitride
6 Dispositif d'affichage comprenant une matrice de pixel (Px,j) dont l'état optique est commandable électriquement, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice de dispositifs élémentaires de commutation selon l'une des revendications 2 à 5, chaque pixel (Px,,) étant en regard de l'électrode supérieure (16,.) d'un dispositif de commutation de manière à rentrer en contact avec ledit pixel (Px,,) lorsque la membrane (1 ,.) associée est dans l'un de ses deux états stables (0) ou (1 )6 display device comprising a pixel matrix (Px, j ) whose optical state is electrically controllable, characterized in that it comprises a matrix of elementary switching devices according to one of claims 2 to 5, each pixel (Px ,,) being opposite the upper electrode (16 ,.) of a switching device so as to come into contact with said pixel (Px ,,) when the associated membrane (1,.) Is in l one of its two stable states (0) or (1)
7 Dispositif d'affichage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice de dispositifs élémentaires de commutation est recouverte d'une couche diélectrique et d'un plan de masse métallique (PM) assurant le contact électrique de ladite matrice avec la matrice de pixels 7 Display device according to claim 6, characterized in that the matrix of elementary switching devices is covered with a dielectric layer and with a metallic ground plane (PM) ensuring the electrical contact of said matrix with the matrix of pixels
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