LEGAGNEUX, Pierre (4 rue Blaise Pascal, Le Mesnil Saint Denis, Le Mesnil Saint Denis, F-78320, FR)
BONDAVALLI, Paolo (79 avenue du Général Leclerc, Paris, Paris, F-75014, FR)
LEGAGNEUX, Pierre (4 rue Blaise Pascal, Le Mesnil Saint Denis, Le Mesnil Saint Denis, F-78320, FR)
REVENDICATIONS
1. Microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur composé de deux armatures dont la première est une membrane flexible (1 1 ) et la seconde comporte au moins une électrode de commande (13), les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz et au moins une couche d'au moins un matériau isolant (13) caractérisé en ce que :
- la première armature comporte des zones {z^, z-ι 2 ) recouvertes de film de nanoparticules de carbone présentant une conductivité élevée ; - lesdites zones étant deux pistes situées sur les deux bords de la membrane.
2. Microcommutateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'épaisseur de film de nanotubes de carbone présente une épaisseur de l'ordre de quelques microns.
3. Microcommutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un radiateur (15) en contact avec la membrane de manière à favoriser l'évacuation de la chaleur.
4. Microcommutateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un matériau d'interface thermique (1 6) entre le radiateur et la membrane.
5. Microcommutateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des nanotubes à la surface du radiateur, lesdits nanotubes (17) étant intégrés au sein du matériau d'interface thermique.
6. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre le dépôt localisé de film de nanotubes de carbone à la surface de la membrane flexible sur des premières zones libres de membrane.
7. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane est réalisée avant le dépôt localisé de film de nanotubes.
8. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane est réalisée après le dépôt localisé de film de nanotubes.
9. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dépôt localisé de nanotubes de carbone comprend les étapes suivantes :
- le dépôt d'une couche de résine ;
- la gravure sélective localisée de ladite résine de manière à laisser apparentes des premières zones libres à la surface de la membrane et des secondes zones recouvertes de résine ;
- le dépôt d'une solution de nanotubes ;
- le retrait des secondes zones de résine.
10. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le retrait des secondes zones de résine est effectué par gravure chimique.
1 1 . Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le dépôt d'une couche de fonctionnalisation sur les premières zones libres.
12. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que la couche de fonctionnalisation comprend de l'aminopropyl triethoxysilane (APTS).
13. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que la couche de fonctionnalisation comprend de l'aminopropyldiethoxymethylsilane (APDS).
14. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que la couche de fonctionnalisation comprend l'aminopropyl monoethoxydimethylsilane (APMS).
15. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de nettoyage avec un plasma d'oxygène des premières zones libres avant dépôt des nanotubes de carbone.
16. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable d'exposition à des vapeurs ou à une solution qui contient des groupes de type « Silanol » des premières zones libres avant dépôt des nanotubes de carbone.
17. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 8 à 16, caractérisé en ce que la résine est de type Polyméthacrylate de méthyl (PMMA).
18. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 17, caractérisé en ce que le dépôt des nanotubes de carbone est effectué à partir d'une solution comportant un solvant de type DiMéthyl-Méthyl-Formamide (DMF) ou DiChlore-Ethane (DCE) ou N-Méthyl- 2-pyrrolidone (NMP) ou DiChloro-Benzene (DCB) ou un mélange d'eau et de Dodécylsulfate de sodium (SDS).
19. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 18, caractérisé en ce que le dépôt localisé de nanotubes est réalisé par imprimante à jet d'encre.
20. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 8 à 18, caractérisé en ce que le dépôt localisé de nanotubes est réalisé par spray d'une solution de nanotubes.
21. Procédé de fabrication d'un microcommutateur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de masquage pour définir les premières zones libres. |
MICROCOMMUTATEUR A ACTUATION ELECTROSTATIQUE
COMPORTANT DES NANOTUBES POUR LA GESTION DE CHALEUR ET
PROCEDE DE REALISATION ASSOCIE
Le domaine de l'invention est celui des composants microsystèmes encore appelés MEMS (acronyme pour Micro Electro Mechanical Systems) et plus particulièrement des microcommutateurs radiofréquence ou hyperfréquence intégrant une membrane déformable sous l'action d'un champ électrostatique. Les domaines d'applications principaux sont les systèmes de télécommunications sans fils et les radars.
Les composants microsystèmes se sont développés depuis quelques années à partir des technologies mises en œuvre pour la réalisation des circuits électroniques. Le schéma de principe d'un microcommutateur est donné en figure 1 . Une membrane ou une poutre métallique 1 de faible épaisseur est maintenue suspendue par des supports 4 au-dessus de surfaces conductrices 2 et 3 isolées entre elles. Une électrode de commande 5 placée sous les surfaces conductrices et éventuellement séparée desdites surfaces conductrices par une couche isolante 6 complète le dispositif. L'ensemble membrane - électrode de commande est soumis à une tension électrique T au moyen de l'électrode de commande 5. En l'absence de tension appliquée, la membrane est suspendue au-dessus des surfaces conductrices et il n'y a aucun contact électrique entre celles-ci (Etat OFF). Dans ce cas, aucun signal électrique ne peut passer entre 2 et 3. Lorsque l'on soumet l'ensemble membrane - électrode à une tension T croissante, la membrane est soumise à une force électrostatique qui la déforme jusqu'à ce que la membrane entre en contact avec les surfaces conductrices pour une tension T c . Le signal électrique passe alors de 2 à 3 (Etat ON). On réalise ainsi un microcommutateur. En général, on n'utilise pas les microcommutateurs MEMS radiofréquence ou hyperfréquence en interrupteur simple. En effet, le contact direct entre la membrane et les surfaces conductrices ou l'électrode de commande diminue notablement la durée de vie du dispositif. On interpose entre les surfaces et la membrane une couche de diélectrique. On transforme ainsi la fonction simple ON/OFF en variation de capacité d'un condensateur dont les armatures sont constituées d'une part de la
membrane et d'autre part de l'électrode de commande en regard. La capacité varie alors d'une valeur C 0n à une valeur C Off .
Ce type de dispositif représente une avancée technique majeure par rapport aux dispositifs électroniques classiques fonctionnant notamment à partir de diodes PIN (acronyme pour Positive-Inthnsic-Negative) dès que la vitesse de commutation n'est plus un paramètre majeur, c'est à dire dès que le temps de commutation recherché peut rester supérieur à quelques microsecondes.
Les principaux avantages de ce type de dispositif sont essentiellement :
• Les techniques de réalisation qui sont dérivées des technologies classiques de fabrication de circuits intégrés électroniques. Elles permettent de simplifier la réalisation et l'intégration et par conséquent, d'obtenir des coûts de fabrication faibles comparés à ceux d'autres technologies, tout en garantissant une fiabilité élevée ;
• Les très faibles puissances électriques consommées, quelques nanojoules étant nécessaires à l'activation ;
• L'encombrement. On réalise ainsi un microcommutateur dans une surface de l'ordre du dixième de millimètre carré, permettant d'atteindre une forte capacité d'intégration ;
• Les performances en utilisation hyperfréquence. Ce type de microcommutateur présente des pertes d'insertion très faibles, de l'ordre du dixième de déciBel, bien inférieures à celles de dispositifs assurant les mêmes fonctions. En général, la membrane supérieure déformable est réalisée par dépôt sur un substrat de base d'une ou plusieurs couches de matériaux, au moins l'une de ces couches étant un matériau conducteur. Ces matériaux sont ceux habituellement utilisés en micro-électronique.
Une application particulièrement intéressante de ces microsystèmes réside dans leur utilisation en tant que commutateurs hyperfréquences à haute puissance. Le fonctionnement de ce type de commutateur est notamment illustré en figure 2, 3 et 4.
Dans la position initiale, la membrane 1 1 se trouve à une distance d par rapport à une ligne RF 12, sur laquelle une couche de nitrure 13 est
déposée comme illustré en figure 2. En supposant que la ligne RF soit également utilisée comme électrode, les deux extrémités de la membrane sont à la masse 14 comme illustré en figure 3.
Si on applique une différence de potentiel V entre l'électrode et la membrane, les deux parties sont rapprochées en attirant la membrane vers l'électrode inférieure (la piste RF).
A une valeur V de la tension, le déplacement de la membrane dépasse le tiers du gap initial. Ainsi la membrane collapse sur l'électrode inférieure comme illustré en figure 4. Le switch est dit en position « down » et cette valeur de tension est dénommée tension de « Pull-in ».
Quand la membrane est en position « up», illustrée en figure 2, le signale RF passe directement par la ligne RF.
Quand la membrane est en position « down » le signal passe par la membrane. A partir de simulations effectuées pour analyser le passage du signal RF dans la membrane, il est possible d'observer que ce même signal SRF se propage en restant sur le bord de la membrane comme illustré en figure 5. Cette bande de préférence pour la propagation du signal est d'environ 10% par rapport à la totalité de la largeur de la membrane. En supposant qu'une puissance très élevée passe par la ligne
RF, le matériau qui constitue la membrane doit être le plus épais possible afin de supporter la puissance qui passe à travers le switch.
En effet, cette puissance peut provoquer une dégradation très importante des caractéristiques mécaniques de la membrane et donc de ses performances. Ceci peut entraîner une forte réduction du temps de vie du dispositif.
Le problème pour la réalisation d'une membrane plus épaisse est lié à la forte augmentation de la tension de « pull-in ».
Où A est la surface sur laquelle la force est appliquée, ε la constante diélectrique de la couche de et k est donnée par :
Yh 3
Jt = -
12(1 - v 2 )
où Y est le module de Young qui dépend du matériau qui constitue la membrane, h est l'épaisseur de la membrane et v est le « Poisson's ratio ».
Naturellement selon le type de procédé utilisé pour la croissance de la membrane, on obtient un matériau avec une rigidité différente.
Il apparaît alors une tension de « pull-in » proportionnelle à h 3/2 : Ceci permet d'en déduire qu'en augmentant l'épaisseur de la membrane on augmente également de façon importante la valeur de la tension de « pull- in ».
Pour cette raison il peut être particulièrement intéressant de réaliser sur les deux bords de la membrane, deux pistes conductrices localisées a et b en correspondance du passage du signal RF comme illustré en figure 6.
De cette façon la tension de « pull-in » n'est pas augmentée de manière déterminante.
La fonction de ces deux pistes est double :
- favoriser l'échange thermique avec l'extérieur afin d'éviter un sur-échauffement de la membrane : les deux pistes couvrent la fonction de « radiateurs » ;
- ajouter de la résistivité au bord de la membrane afin qu'elle puisse supporter le passage de fortes puissances sans se fragiliser mécaniquement.
Seulement une des deux pistes effectivement réalise ces deux fonctions. Le signal RF en effet passe bien par la piste a. La piste b a simplement la fonction d'équilibrer mécaniquement la membrane, elle est donc ajoutée pour simple règle de symétrie. Les matériaux qui constituent les pistes, peuvent être exactement les mêmes que ceux utilisés pour réaliser la membrane ou des matériaux caractérisés par une conductivité électrique supérieure.
Dans la mesure où les deux pistes n'ont pas une fonction mécanique, en effet elles ne doivent pas rigidifier la membrane, elles peuvent
être réalisées avec des matériaux malléables très conducteurs comme l'or par exemple.
Dans ce contexte la présente invention propose d'améliorer les performances de ce type de microcommutateur en terme notamment de dissipation de chaleur en superposant à la surface de la membrane des zones offrant d'excellentes propriétés de conduction thermique et ce grâce à l'emploi de film de nanoparticules de carbone.
En effet, les tapis de nanotubes présentent le grand intérêt d'offrir des coefficients de conductivité thermique très élevés de l'ordre de 300 W/m.K (tapis alignés). En réalisant des films constitués de nanotubes de carbone, il est donc possible de maintenir au niveau des performances de l'ensemble des propriétés de conduction encore très élevées.
En effet si l'on compare la valeur de la conductivité thermique d'un tapis de nanotubes à celui d'une couche de diamant (jusqu'à maintenant considéré comme le matériau avec les meilleures performances), on observe que la conductivité thermique de cette dernière commence à se dégrader à une température supérieure à environ 150°C contrairement aux films de nanotubes alignés. Ces derniers, à ces températures, gardent en effet une valeur constante qui approche les 250 W/m.K. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un microcommutateur à actuation électrostatique de type condensateur composé de deux armatures dont la première est une membrane flexible et la seconde comporte au moins une électrode de commande, les deux armatures étant séparées par une épaisseur de vide ou de gaz et au moins une couche d'au moins un matériau isolant caractérisé en ce que :
- la première armature comporte des zones recouvertes de film de nanoparticules de carbone présentant une conductivité élevée ;
- lesdites zones étant deux pistes situées sur les deux bords de la membrane. Selon une variante de l'invention, le film de nanotubes de carbone présente une épaisseur de l'ordre de quelques microns.
Selon une variante de l'invention, le microcommutateur comporte en outre un radiateur en contact avec la membrane de manière à favoriser l'évacuation de la chaleur.
Selon une variante de l'invention, le microcommutateur comprend en outre un matériau d'interface thermique entre le radiateur et la membrane.
Selon une variante de l'invention, le microcommutateur comporte des nanotubes à la surface du radiateur, lesdits nanotubes étant intégrés au sein du matériau d'interface thermique.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un microcommutateur comportant en outre le dépôt localisé de film de nanotubes de carbone à la surface de la membrane flexible. Selon une variante de l'invention la membrane est réalisée avant le dépôt localisé de film de nanotubes.
Selon une variante de l'invention, la membrane est réalisée après le dépôt localisé de film de nanotubes.
Selon une variante de l'invention, le dépôt localisé de nanotubes est réalisé par imprimante à jet d'encre à haute résolution qui peut déposer localement un tapis de nanotubes dilués.
Selon une variante de l'invention, le dépôt localisé de nanotubes est réalisé par spray d'une solution de nanotubes.
Selon une variante de l'invention, le dépôt localisé par spray ou par imprimante à jet d'encre ou par simple dépôt avec une micropipette de nanotubes de carbone comprend les étapes suivantes :
- le dépôt d'une couche de résine ;
- la gravure sélective localisée de ladite résine de manière à laisser apparentes des premières zones libres à la surface de la membrane et des secondes zones recouvertes de résine ;
- le dépôt d'une solution de nanotubes ;
- le retrait des secondes zones de résine.
Selon une variante de l'invention, le retrait des secondes zones de résine est effectué par gravure chimique. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend en outre le dépôt d'une couche de fonctionnalisation sur les premières zones libres.
Selon une variante de l'invention, la couche de fonctionnalisation comprend de l'aminopropyl thethoxysilane (APTS) ou l'aminopropyldiethoxymethylsilane (APDS) ou l'aminopropyl monoethoxydimethylsilane (APMS).
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une étape préalable de nettoyage avec un plasma d'oxygène des premières zones libres avant dépôt des nanotubes de carbone.
Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une étape préalable d'exposition à des vapeurs ou à une solution qui contient des groupes de type « Silanol » des premières zones libres avant dépôt des nanotubes de carbone.
Selon une variante de l'invention, la résine est de type Polyméthacrylate de méthyl (PMMA). Selon une variante de l'invention, le dépôt des nanotubes de carbone est effectué à partir d'une solution comportant un solvant de type DiMéthyl-M éthyl-Formamide (DMF) ou DiChlore-Ethane (DCE) ou N-Méthyl- 2-pyrrolidone (NMP) ou DiChloro-Benzene (DCB) ou un mélange d'eau et de Dodécylsulfate de sodium (SDS). Selon une variante de l'invention, le procédé de fabrication de microcommutateur comprend une étape de masquage pour définir les premières zones libres.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre le schéma de principe d'un microcommutateur selon l'art connu ;
- les figures 2, 3 et 4 illustrent le fonctionnement de ce type de commutateur en tant que commutateur hyperfréquence à haute puissance ;
- la figure 5 illustre la propagation du signal dans le microcommutateur illustré sur les figures précédentes ;
- la figure 6 illustre un microcommutateur présentant deux lignes conductrices déposées sur la membrane d'un microcommutateur de l'art connu ;
- la figure 7 illustre un premier exemple de microcommuateur selon l'invention ;
- la figure 8 illustre une seconde variante de l'invention dans laquelle le microcommutateur comporte un radiateur revêtu de nanotubes de carbone ;
- les figures 9a à 9e illustrent les différentes étapes de dépôt localisé de nanotubes à la surface de la membrane du microcommutateur dans un premier exemple de procédé de fabrication selon l'invention ;
- les figures 10a à 1 Of illustrent les différentes étapes de dépôt localisé de nanotubes à la surface de la membrane du microcommutateur dans un second exemple de procédé de fabrication selon l'invention.
De manière générale, le microcommutateur selon l'invention comporte en face supérieure des zones constituées de nanotubes de carbone pour favoriser l'évacuation de points chauds qui se forment en cours de fonctionnement.
La figure 7 illustre un premier exemple de microcomutateur selon l'invention, comportant deux zones
La figure 8 illustre un second exemple de microcommutateur selon l'invention, présentant pour accroître encore la dissipation thermique, un radiateur positionné au dessus de la membrane. Le radiateur 15 est solidarisé au substrat où réside la membrane via un matériau d'interface thermique 16 couramment dénommé TIM pour « Thermal Interface Matérial ». Avantageusement il peut s'agir de matériau de type polymère dont les propriétés de conduction thermique peuvent être augmentées en y dispersant des particules métalliques. Les performances peuvent encore être améliorées en intégrant au niveau de la surface du radiateur des nanotubes de carbone 17 représentés
sur la figure 8. On obtient ainsi un excellent report de chaleur depuis la membrane comportant ces premières zones de films de nanotubes, via cette seconde série de nanotubes en direction du radiateur et de l'extérieur. Ce report de chaleur est illustré sur la figure 8, partant de points chauds représentés par des cercles via des flèches, jusqu'au radiateur 15.
La réalisation du microcommutateur et de sa membrane appartenant à l'art connu, seules les étapes de dépôt localisé de nanotubes sont décrites dans les paragraphes suivants donnés à titre indicatif et non limitatif. .
Premier exemple de réalisation de microcommutateur selon l'invention : Les différentes étapes sont illustrées en figures 9a-9d :
1 ) On procède au dépôt d'une résine à la surface de la membrane préalablement élaborée comme illustré en figure 9a. Cette résine ne doit pas être soluble dans le solvant d'enduction utilisé pour les nanotubes, typiquement on choisit ainsi une résine de type PMMA, le solvant dans lequel on disperse les nanotubes étant avantageusement de type alcool.
2) On grave de manière sélective la résine de manière à laisser des premières zones libres à la surface de la membrane, comme illustré en figure 9b.
3) On procède à l'enduction de l'ensemble de la surface par une solution de nanotubes de carbone dispersés dans un solvant. Typiquement ce solvant peut être de type DiMéthyl-Méthyl-Formamide (DMF) ou DiChlore- Ethane (DCE) ou N-Méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou DiChloro-Benzene (DCB) ou Eau+ Dodécylsulfate de sodium (SDS) comme illustré en figure 9c. La méthode utilisée pour obtenir une dispersion optimale peut être la suivante :
- l'ajout d'environ 1 mg de nanotubes de carbone dans 20 ml de solvant.
- l'emploi d'un appareil qui envoie des ultra-sons appelé sonificateur par intermittence pour « sonifier » ladite solution.
En effet les ultra-sons aident à désolidariser les cordes de nanotubes qui ont tendance à se former en raison de forces de Van Der WaIIs.
- la centrifugation de la solution au sein d'un récipient de manière à retenir en fond de récipient toutes les cordes non- désolidarisées lors de la sonification, et les autres formes d'impuretés, par exemple des résidus des catalyseurs métalliques.
La solution ainsi obtenue peut alors être déposée de manière classique à la surface du substrat comportant les composants électroniques. Typiquement on peut procéder à l'enduction d'une solution par centrifugation ou par pulvérisation avec un spray de solution.
Après évaporation du solvant, on obtient un tapis de nanotubes répartis de manière aléatoire.
Afin d'améliorer les propriétés de conductivité thermique du tapis de nanotubes de carbone formés à la surface des composants électroniques, on peut également employer des techniques permettant de faire de l'enduction dirigée. Pour cela on peut avoir recours à des techniques telles l'électrophorèse, l'utilisation d'un champ magnétique, le dépôt puis séchage sous flux de gaz dirigé,...
4) Après évaporation du solvant on obtient comme illustré en figure 9d un film de nanotubes de carbone à la surface de l'ensemble de la membrane.
5) On procède enfin au retrait de la résine recouverte de film de nanotubes par gravure chimique, de manière à ne laisser que des zones recouvertes de nanotubes comme illustré en figure 9e. Typiquement ces zones peuvent avantageusement correspondre aux lignes conductrices
Deuxième exemple de réalisation de microcommutateur selon l'invention : Les différentes étapes sont illustrées en figures 10a-1 Of :
1 ) et 2) : Les première et seconde étapes illustrées en figures 10a et 10b sont identiques à celles du premier exemple de procédé illustrées en figures 9a et 9b.
3) On procède ensuite au nettoyage avec un plasma d'oxygène et à une exposition à des vapeurs ou à une solution qui contient des groupes de type « Silanol » de la surface correspondant aux premières zones libres, comme illustré en figure 10c.
4) On dépose alors une couche de fonctionnalisation afin de favoriser l'adhérence de nanotubes de carbone et ce en utilisant par exemple de l'aminopropyl thethoxysilane (APTS), comme illustré en figure 1 Od. Il est tout aussi bien possible d'employer de l'aminopropyl diethoxymethylsilane (APDS) ou de l'aminopropyl monoethoxydimethylsilane (APMS).
5) Les étapes suivantes correspondent exactement à celles correspondant aux étapes 3, 4 et 5 du premier exemple de procédé de fabrication et illustrées respectivement en figures 9c, 9d et 9e.
Ainsi après le dépôt d'une solution d'enduction de nanotubes CNTs dispersés dans un solvant et l'évaporation dudit solvant comme illustré en figure 10e, on procède au retrait de la résine comme illustré en figure 1 Of.
Next Patent: MICROCAPSULES HAVING RADIATION-INDUCED RELEASE