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WO2007115945A1 - Microsysteme pour commuter un circuit electrique de puissance - Google Patents

Microsysteme pour commuter un circuit electrique de puissance Download PDF

Info

Publication number
WO2007115945A1
WO2007115945A1 PCT/EP2007/053035 EP2007053035W WO2007115945A1 WO 2007115945 A1 WO2007115945 A1 WO 2007115945A1 EP 2007053035 W EP2007053035 W EP 2007053035W WO 2007115945 A1 WO2007115945 A1 WO 2007115945A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
membrane
microsystem
movable
zone
contact
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/053035
Other languages
English (en)
Inventor
Amalia Garnier
Thierry Musset
Original Assignee
Schneider Electric Industries Sas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Electric Industries Sas filed Critical Schneider Electric Industries Sas
Publication of WO2007115945A1 publication Critical patent/WO2007115945A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/62—Heating or cooling of contacts
    • 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]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H36/00—Switches actuated by change of magnetic field or of electric field, e.g. by change of relative position of magnet and switch, by shielding
    • H01H2036/0093—Micromechanical switches actuated by a change of the magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H01H2050/007—Relays of the polarised type, e.g. the MEMS relay beam having a preferential magnetisation direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005—Details of electromagnetic relays using micromechanics

Definitions

  • the present invention relates to a microsystem for switching a power circuit.
  • the System comprises, in known manner, a mobile element or membrane that can be controlled between two positions, for example by electrostatic, thermal or magnetic effect,
  • the mobile element carries a movable electrical contact for switching an electric circuit.
  • Electromechanical microsystems are now used extensively in the field of Radio Frequency. In these applications, the microsystems switch low currents (a few milliamps) and most often operate in a discontinuous mode. The thermal stresses on microsystems are therefore limited. Numerous documents such as the application US2005 / 162806 have already been interested in the understanding of thermal phenomena in a microsystem used for the Radio Frequency application.
  • the object of the invention is to provide a microsystem that is able to switch an electrical power circuit without undergoing high thermal stresses likely to affect its performance and its life, without profoundly modifying the structure of the microsystem or its method Manufacturing.
  • the invention aims in particular to reduce the strong heating present at the mobile contact.
  • a microsystem for switching an electrical power circuit in which: a substrate supports two fixed electrical contacts, a movable element is mounted on the substrate and carries a movable electrical contact, said movable element being controlled between a position d opening of the electric power circuit and a closing position of the electric power circuit, the moving electrical contact is made of a material having a higher thermal conductivity than that of the movable element, the movable element is a ferromagnetic membrane responsive to the orientation of the field lines of a magnetic field for pivoting between the open position and the closed position, the movable element has at one end an advanced portion occupied by a first zone of the movable electrical contact; the moving contact extends along the movable element by a second zone which is adjacent to the first first zone and enlarged with respect thereto.
  • the movable element has a main portion extended at one end, in the same plane, by the advanced portion consisting of a tongue completely occupied by the first zone of the movable electrical contact.
  • the first zone of the movable contact is extended in length and width, against the main part, by the second zone of the movable contact.
  • the main part is rectangular.
  • the movable electrical contact protrudes from the mobile element at its end.
  • the membrane is made of Fer-Nickel.
  • the movable electrical contact is gold.
  • the specific shape of the membrane is particularly suitable for magnetic actuation modes and the application of the microsystem for switching power current.
  • the presence of the advanced portion carrying the first zone of the movable contact at the end of the membrane allows it to establish a good electrical contact with the fixed contacts, minimizing symmetry defects of the membrane during its deformation and avoiding the contact between ferromagnetic parts of the membrane and the fixed contacts.
  • Figure 1 shows in perspective the microsystem according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a top view of the microsystem of FIG.
  • FIG. 3 represents the microsystem according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the microsystem of FIG.
  • FIG. 5 represents, in a view from above, the underside of the membrane of the microsystem according to the invention.
  • Figures 6 and 7 show, in side view, the microsystem of Figure 1 actuated by a permanent magnet, respectively between an open position and a closed position.
  • Figures 8 to 10 show, in side view, the microsystem of Figure 1 actuated by a permanent magnet and a coil between the open position and the closed position.
  • the microsystem 2, 2 ' according to the invention comprises a substrate 3 made of materials such as silicon, glass, ceramics or in the form of printed circuits, having an upper planar surface on which is mounted a movable element.
  • This movable element is a deformable mobile membrane 20 having a thin shape that can be actuated in rotation about an axis of rotation (P) by an actuator between an open position and a closed position of an electric power circuit.
  • the membrane 20 is for example made of fer-nickel ferromagnetic material if the actuator employed is magnetic.
  • the substrate 3 carries on its surface 30 at least two contacts or conductive tracks 31, 32 plane, identical and spaced apart, intended to be electrically connected by a movable contact 21 to obtain the closure of the electric power circuit (not shown) supplying for example an electric charge.
  • the membrane 20 comprises two connecting arms 22a, 22b, 22'a, 22'b which, according to the configuration, are actuated in bending ( Figure 1) or in torsion (Figure 5) for pivoting about its axis (P).
  • the membrane 20 has a longitudinal axis (A) and is connected, at one of its ends, via its connecting arms 22a, 22b to a or several anchoring studs 23 secured to the substrate 3.
  • the membrane 20 is pivotable relative to the substrate 3 along the axis (P) of rotation parallel to the axis described by the contact points of the membrane 20 with the conductive tracks 31, 32 and perpendicular to its longitudinal axis (A).
  • the linking arms 22a, 22b form an elastic connection between the membrane 20 and the anchor pad 23 and are biased during the pivoting of the membrane 20.
  • the membrane 20 has a general shape identical to that of the first configuration but is integral with the substrate 3 via two arms 22a',
  • the membrane 20 is pivotable relative to the substrate 3 along the axis of rotation (P) parallel to the axis described by the contact points of the membrane 20 with the electrodes 31, 32 and perpendicular to its axis longitudinal (A).
  • the axis (P) of rotation of the membrane 20 is offset with respect to the median axis parallel which allows to define on the membrane 20, on either side of its axis (P) of rotation, two distinct parts, a front part and a rear part.
  • the movable electrical contact 21 is disposed under the membrane 20, at the distal end thereof relative to its axis (P) of rotation.
  • the movable contact 21 electrically connects the two tracks 31, 32 fixed conductors disposed on the substrate, to close the power circuit.
  • the movable electrical contact 21 is made of a material having a thermal conductivity greater than that of the ferromagnetic material constituting the membrane 20.
  • the membrane 20 is for example made of Fer-Nickel and the movable contact 21 is for example gold.
  • the membrane 20 has a small thickness and a symmetrical shape relative to its longitudinal axis ( Figures 2 and 4). It is composed of a main portion 200, for example rectangular, connected by the connecting arms 22a, 22b, 22a ', 22b' to the anchoring studs 23, 23a ', 23b', the length of which is oriented along the longitudinal axis (A) the membrane 20, and an advanced portion forming a tongue 201, located at its distal end relative to its axis of rotation (P).
  • a main portion 200 for example rectangular, connected by the connecting arms 22a, 22b, 22a ', 22b' to the anchoring studs 23, 23a ', 23b', the length of which is oriented along the longitudinal axis (A) the membrane 20, and an advanced portion forming a tongue 201, located at its distal end relative to its axis of rotation (P).
  • the movable contact 21 fixed under the membrane 20 is flat and has a first zone 210 occupying the surface defined by the tongue 201.
  • the electrical contact 21 between the contact mobile 21 and the fixed conductive tracks 31, 32 of the substrate 3 is formed by all or part of the first zone 210 of the movable contact 21.
  • the movable contact 21 comprises a second zone 21 1 extending the first zone 210 under the membrane 20 in the direction of the axis of rotation (P) of the membrane 20.
  • This second zone 21 1 extends the first zone 210 along the longitudinal axis (A) of the membrane 20 and is widened relative thereto, symmetrically with respect to the longitudinal axis (A).
  • the second zone 21 1 propagates for example over the entire width of the main portion 200 and over at least part of its length.
  • the movable contact may possibly extend under the entire membrane 20.
  • the movable electrical contact 21 thus conforms to the shape of the membrane 20 over part of its length.
  • the movable electrical contact 21 has a larger area than that necessary for the establishment of the electrical contact with the fixed conductive tracks 31, 32 which makes it possible to eliminate the hot spot at the moving contact 21 by obtaining a better distribution of the temperature on the surface of the membrane 20 when the latter is in the closed position.
  • the mechanical properties of the membrane 20 and its magnetic properties are thus not altered, which makes the functioning of the microsystem more reliable over time.
  • the length of the second zone 21 1 must be sufficient to ensure better distribution and better dissipation of the heat within the membrane
  • the microsystem 2, 2 'of the invention can be realized by a planar duplication technology of the MEMS (for "Micro Electro-Mechanical System") or LEMS (for "Laminated Electro-Mechanical System” type, see US 2005 patent application. / 057,329).
  • the membrane 20 as well as the connecting arms 22a, 22b, 22a ', 22b' are for example derived from the same layer of ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material is for example of the soft magnetic type and can be for example an alloy of iron and nickel ("permalloy" Ni 8 oFe 2 o).
  • microsystem 2, 2 ' is described with a single membrane 20 but the description must be understood as if the microsystem 2, 2' could comprise on the same substrate 3 a plurality of mobile membranes that can be actuated simultaneously by means actuator, for example magnetic such as a permanent magnet.
  • the microsystem 2, 2 ' is actuated between the open position and the closed position of the electric power circuit for example by magnetic effect.
  • the ferromagnetic membrane 20 of the type of the invention is controlled by magnetic effect between two distinct end positions.
  • a first extreme position (FIGS. 6 and 10)
  • the end of the membrane 20 carrying the contact 21 is raised and does not bear against the conductive tracks 31, 32 of the substrate 3.
  • the electrical power circuit associated with the conductive tracks 31, 32 is open.
  • the second extreme position FIGS. 7 to 9
  • the end of the membrane 20 carrying the movable contact 21 bears against the conductive tracks 31, 32.
  • the electric power circuit is closed.
  • the membrane 20 is kept parallel to the surface 30 of the substrate 3 (FIGS. 1 and 3).
  • a first mode of magnetic-type actuation of the microsystem consists in controlling the ferromagnetic membrane 20 of the type of the invention between its two extreme positions thanks to the magnetic field created by a permanent magnet.
  • the ferromagnetic membrane 20 moves between its two extreme positions by aligning with the field lines L of the magnetic field generated by the permanent magnet 10.
  • This type of operation must be distinguished from the "reed" type operation in wherein a movable member is responsive to the magnetic field gradient to move from one position to another and subjected to a mechanical effect to return to its original position.
  • the permanent magnet 10 thus creates a magnetic field having field lines L whose orientation generates a magnetic component BP 0 , BP 1 in the ferromagnetic layer of the membrane 20 of the microsystem 2, 2 'along its longitudinal axis (A).
  • This magnetic component BP 0 , BP 1 generated in the membrane 20 generates a magnetic torque imposing on the membrane 20 to take one of its extreme positions of closure ( Figure 7) or opening ( Figure 6).
  • a second mode of magnetic-type actuation consists in subjecting the membrane 20 to a permanent magnetic field B 0 , which is preferably uniform and, for example, in a direction perpendicular to the surface of the substrate 3 to hold the membrane 20 in each of its extreme positions defined above and to apply a temporary magnetic field BS 1 with the aid of an electromagnet to control the passage of the membrane 20 from one extreme position to the other.
  • the permanent magnetic field B 0 is for example generated by a permanent magnet (not shown) fixed under the substrate 3 while the temporary magnetic field is generated using a planar excitation coil integrated in the substrate or solenoid type surrounding the substrate and the membrane 20.
  • the passage of a current in the excitation coil generates a magnetic field BS 1 direction parallel to the substrate 3 and parallel to the longitudinal axis (A) of the membrane 20 to control the tilting of the membrane 20 from one of its positions to the other of its positions.
  • the meaning of current passing through the excitation coil decides the pivoting of the membrane 20 towards one or other of its extreme positions.
  • the substrate 3 supporting the membrane 20 is placed under the effect of the first magnetic field B 0 .
  • the first magnetic field B 0 initially generates a magnetic component BP 2 in the membrane 20 along its longitudinal axis (A).
  • the magnetic torque resulting from the first magnetic field B 0 and the BP component 2 generated in the membrane 20 holds the membrane 20 in one of its extreme positions, for example the closed position in FIG. 8.
  • the passage of a current, in a defined direction, in the excitation coil generates a second magnetic field BSi whose direction is parallel to the substrate 3 and parallel to the longitudinal axis (A) of the membrane 20, its orientation depending on the direction of the current delivered in the excitation coil.
  • the second magnetic field BSi created by the excitation coil 6 generates a magnetic component BP 3 in the magnetic layer of the membrane 20. If the current is delivered in a suitable direction, this new magnetic component BP 3 opposes the component BP 2 generated in the magnetic layer of the membrane 20 by the first magnetic field B 0 . If the BP component 3 generated by the excitation coil 4 is of greater intensity than that generated by the first magnetic field B 0 , the magnetic torque resulting from the first magnetic field B 0 and this BP 3 component is reversed and causes the tilting of the diaphragm 20 from its closed position to its open position (FIG. 10).
  • the second magnetic field BSi created by the excitation coil is only transient and is only useful for pivoting the membrane 20 from one end position to the other.
  • the membrane 20 is then kept in its open position under the effect of the only first magnetic field B 0 creating a new magnetic component BP 4 in the membrane 20.
  • the new magnetic torque created between the first field magnetic B 0 and the BP component 4 generated in the membrane 20 requires the membrane 20 to remain in its open position ( Figure 10).
  • the specific form of the membrane 20 described above is particularly adapted to the magnetic operating modes and to the application of the microsystem 2, 2 'for switching power current.
  • the presence at its end of the tongue 201 in symmetrical position allows it to establish a quality electrical contact with the fixed tracks 31, 32, minimizing the symmetry defects of the membrane 20 during its deformation and avoiding the contact between ferromagnetic parts of the membrane and the fixed contacts.
  • the greater the thickness of the moving contact is increased and the heat dissipation can be improved.
  • microsystem 2, 2 may be made to further improve the heat dissipation, in particular by increasing the size of the membrane 20 or by increasing the thickness of ferromagnetic material.

Landscapes

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Abstract

La présente invention se rapporte à un microsystème pour commuter un circuit électrique de puissance. Le microsystème présente - un substrat (3) supportant deux contacts fixes (31, 32), - un élément mobile (20) monté sur le substrat (3) et portant un contact mobile (21), ledit élément mobile étant piloté entre une position d'ouverture du circuit électrique de puissance et une position de fermeture du circuit électrique de puissance, caractérisé en ce que, - l'élément mobile (20) présente à une extrémité une partie avancée (201) occupée par une première zone (210) du contact mobile, - le contact mobile s'étend le long de l'élément mobile par une deuxième zone (211) qui est adjacente de la première zone (210) et élargie par rapport à celle-ci.

Description

Microsystème pour commuter un circuit électrique de puissance
La présente invention se rapporte à un microsystème pour commuter un circuit électrique de puissance.
Un microsystème électromécanique (MEMS pour "Micro-Electro-Mechanical
System") comporte de manière connue un élément mobile ou membrane pouvant être piloté entre deux positions par exemple par effet électrostatique, thermique ou magnétique. L'élément mobile porte un contact électrique mobile pour commuter un circuit électrique.
Les microsystèmes électromécaniques sont aujourd'hui employés abondamment dans le domaine de la Radio-Fréquence. Dans ces applications, les microsystèmes commutent des courants faibles (quelques milliampères) et fonctionnent le plus souvent en régime discontinu. Les contraintes thermiques subies par les microsystèmes sont donc limitées. De nombreux documents tels que la demande US2005/162806 se sont déjà intéressés à la compréhension des phénomènes thermiques dans un microsystème utilisé pour l'application Radio- Fréquence.
Lorsqu'un microsystème est utilisé dans un circuit électrique de puissance et en régime permanent, c'est-à-dire avec un contact électrique fermé en permanence pour faire passer un courant allant jusqu'à plusieurs Ampères, les contraintes thermiques subies par le microsystème sont beaucoup plus élevées que dans le domaine de la radio-fréquence. Ces contraintes thermiques telles que la naissance d'un point chaud sur le contact mobile entraînent un affaiblissement des propriétés électriques du contact mobile ainsi que des propriétés mécaniques et magnétiques de la membrane si celle-ci est commandée par effet magnétique. La durée de vie du microsystème peut ainsi être particulièrement affectée par ces agressions thermiques.
Le but de l'invention est de proposer un microsystème qui est apte à commuter un circuit électrique de puissance sans subir des contraintes thermiques élevées susceptibles d'affecter ses performances et sa durée de vie, ceci sans modifier profondément la structure du microsystème ni son procédé de fabrication. L'invention vise notamment à réduire le fort échauffement présent au niveau du contact mobile. Ce but est atteint par un microsystème pour commuter un circuit électrique de puissance, dans lequel : un substrat supporte deux contacts électriques fixes, un élément mobile est monté sur le substrat et porte un contact électrique mobile, ledit élément mobile étant piloté entre une position d'ouverture du circuit électrique de puissance et une position de fermeture du circuit électrique de puissance, le contact électrique mobile est réalisé dans un matériau présentant une conductivité thermique plus forte que celle de l'élément mobile, - l'élément mobile est une membrane ferromagnétique sensible à l'orientation des lignes de champ d'un champ magnétique pour pivoter entre la position d'ouverture et la position de fermeture, l'élément mobile présente à une extrémité une partie avancée occupée par une première zone du contact électrique mobile, - le contact mobile s'étend le long de l'élément mobile par une deuxième zone qui est adjacente de la première zone et élargie par rapport à celle- ci.
Selon une particularité, l'élément mobile présente une partie principale prolongée à une extrémité, dans un même plan, par la partie avancée constituée d'une languette occupée en totalité par la première zone du contact électrique mobile.
Selon une autre particularité, la première zone du contact mobile est prolongée en longueur et en largeur, contre la partie principale, par la deuxième zone du contact mobile.
Selon une autre particularité, la partie principale est rectangulaire. Selon une autre particularité, le contact électrique mobile dépasse de l'élément mobile à son extrémité.
Selon une autre particularité, la membrane est en Fer-Nickel. Selon une autre particularité, le contact électrique mobile est en or.
Selon l'invention, la forme spécifique de la membrane est particulièrement adaptée aux modes d'actionnement magnétiques et à l'application du microsystème pour la commutation de courant de puissance. En effet, la présence de la partie avancée portant la première zone du contact mobile à l'extrémité de la membrane lui permet d'établir un contact électrique de qualité avec les contacts fixes, en minimisant les défauts de symétrie de la membrane lors de sa déformation et en évitant le contact entre des parties ferromagnétiques de la membrane et les contacts fixes.
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 représente en perspective le microsystème selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 représente en vue de dessus le microsystème de la figure 1.
La figure 3 représente le microsystème selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 représente en vue de dessus le microsystème de la figure 3.
La figure 5 représente, en vue de dessus, le dessous de la membrane du microsystème selon l'invention.
Les figures 6 et 7 représentent, en vue de côté, le microsystème de la figure 1 actionné par un aimant permanent, respectivement entre une position d'ouverture et une position de fermeture.
Les figures 8 à 10 représentent, en vue de côté, le microsystème de la figure 1 actionné par un aimant permanent et par une bobine entre la position d'ouverture et la position de fermeture.
Le microsystème 2, 2' selon l'invention comporte un substrat 3 fabriqué dans des matériaux comme le silicium, le verre, des céramiques ou sous forme de circuits imprimés, présentant une surface 30 plane supérieure sur laquelle est monté un élément mobile. Cet élément mobile est une membrane 20 mobile déformable présentant une forme mince, pouvant être actionnée en rotation autour d'un axe de rotation (P) par un actionneur entre une position d'ouverture et une position de fermeture d'un circuit électrique de puissance. La membrane 20 est par exemple en matériau ferromagnétique de type Fer-Nickel si l'actionneur employé est magnétique. Le substrat 3 porte sur sa surface 30 au moins deux contacts ou pistes conductrices 31 , 32 planes, identiques et espacées, destinées à être reliées électriquement par un contact mobile 21 afin d'obtenir la fermeture du circuit électrique de puissance (non représenté) alimentant par exemple une charge électrique.
La membrane 20 comporte deux bras de liaison 22a, 22b, 22'a, 22'b qui, selon la configuration, sont actionnés en flexion (figure 1 ) ou en torsion (figure 5) pour pivoter autour de son axe (P). Dans la première configuration du microsystème 2 représentée en figures 1 et 2, la membrane 20 présente un axe longitudinal (A) et est reliée, à l'une de ses extrémités, par l'intermédiaire de ses bras 22a, 22b de liaison à un ou plusieurs plots 23 d'ancrage solidaires du substrat 3. La membrane 20 est apte à pivoter par rapport au substrat 3 suivant l'axe (P) de rotation parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la membrane 20 avec les pistes conductrices 31 , 32 et perpendiculaire à son axe longitudinal (A). Les bras 22a, 22b de liaison forment une liaison élastique entre la membrane 20 et le plot 23 d'ancrage et sont sollicités en flexion lors du pivotement de la membrane 20.
Dans la seconde configuration du microsystème 2' représentée en figures 3 et 4, la membrane 20 présente une forme générale identique à celle de la première configuration mais est solidaire du substrat 3 par l'intermédiaire de deux bras 22a',
22b' de liaison reliant ladite membrane 20 à deux plots d'ancrage 23a', 23b' disposés symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal (A) de la membrane 20. Par torsion des deux bras de liaison 22a', 22b', la membrane 20 est apte à pivoter par rapport au substrat 3 suivant l'axe de rotation (P) parallèle à l'axe décrit par les points de contact de la membrane 20 avec les électrodes 31 , 32 et perpendiculaire à son axe longitudinal (A). Dans cette seconde configuration, l'axe (P) de rotation de la membrane 20 est décalé par rapport à l'axe médian parallèle ce qui permet de définir sur la membrane 20, de part et d'autre de son axe (P) de rotation, deux parties distinctes, une partie avant et une partie arrière.
La description qui suit se prête aux microsystèmes des deux configurations décrites ci-dessus.
Le contact électrique mobile 21 est disposé sous la membrane 20, à l'extrémité distale de celle-ci par rapport à son axe (P) de rotation. Lorsque la O
membrane est en position de fermeture, le contact mobile 21 relie électriquement les deux pistes 31 , 32 conductrices fixes disposées sur le substrat, pour fermer le circuit électrique de puissance. Le contact électrique mobile 21 est réalisé dans un matériau présentant une conductivité thermique supérieure à celle du matériau ferromagnétique constituant la membrane 20. La membrane 20 est par exemple en Fer-Nickel et le contact mobile 21 est par exemple en or.
La membrane 20 présente une épaisseur faible et une forme symétrique par rapport à son axe longitudinal (figures 2 et 4). Elle est composée d'une partie principale 200 par exemple rectangulaire reliée par les bras de liaison 22a, 22b, 22a', 22b' aux plots d'ancrage 23, 23a', 23b', dont la longueur est orientée suivant l'axe longitudinal (A) de la membrane 20, et d'une partie avancée, formant une languette 201 , située à son extrémité distale par rapport à son axe de rotation (P).
En référence à la figure 5, le contact mobile 21 fixé sous la membrane 20 est plat et présente une première zone 210 occupant la surface définie par la languette 201. Lorsque la membrane 20 est en position de fermeture, le contact électrique 21 entre le contact mobile 21 et les pistes conductrices fixes 31 , 32 du substrat 3 est réalisé par tout ou partie de la première zone 210 du contact mobile 21. Le contact mobile 21 comporte une deuxième zone 21 1 prolongeant la première zone 210 sous la membrane 20 en direction de l'axe de rotation (P) de la membrane 20. Cette deuxième zone 21 1 prolonge la première zone 210 suivant l'axe longitudinal (A) de la membrane 20 et est élargie par rapport celle-ci, symétriquement par rapport à l'axe longitudinal (A). La deuxième zone 21 1 se propage par exemple sur la largeur entière de la partie principale 200 et sur une partie au moins de sa longueur. Le contact mobile pourra éventuellement s'étendre sous la totalité de la membrane 20. A l'extrémité de la membrane 20, le contact électrique mobile 21 épouse ainsi la forme de la membrane 20 sur une partie de sa longueur.
Selon l'invention, le contact électrique mobile 21 présente une surface plus étendue que celle nécessaire à l'établissement du contact électrique avec les pistes conductrices fixes 31 , 32 ce qui permet de faire disparaître le point chaud au niveau du contact mobile 21 en obtenant une meilleure répartition de la température à la surface de la membrane 20 lorsque celle-ci est en position de fermeture. Les propriétés mécaniques de la membrane 20 et ses propriétés magnétiques ne sont ainsi pas altérées ce qui permet de fiabiliser le fonctionnement du microsystème au cours du temps. La longueur de la deuxième zone 21 1 doit être suffisante pour assurer une meilleure répartition et une meilleure dissipation de la chaleur au sein de la membrane
20 mais pas trop importante pour conserver et garantir un actionnement mécanique satisfaisant du microsystème 2, 2'. Le microsystème 2, 2' de l'invention peut être réalisé par une technologie de duplication planaire de type MEMS (pour "Micro Electro-Mechanical System") ou LEMS (pour "Laminated Electro-Mechanical System", voir demande de brevet US 2005/057329). La membrane 20 ainsi que les bras de liaison 22a, 22b, 22a', 22b' sont par exemple issus d'une même couche de matériau ferromagnétique. Le matériau ferromagnétique est par exemple du type magnétique doux et peut être par exemple un alliage de fer et de nickel (« permalloy » Ni8oFe2o).
Selon l'invention, comme représenté sur les figures 2 et 6, le contact mobile
21 peut dépasser du contour de la membrane, ceci afin d'éviter, notamment au niveau de la languette 201 , le contact entre le matériau ferromagnétique de la membrane 21 et les pistes fixes 31 , 32 (figures 2 et 4).
Dans cette description, le microsystème 2, 2' est décrit avec une seule membrane 20 mais la description doit être comprise comme si le microsystème 2, 2' pouvait comporter sur un même substrat 3 une pluralité de membranes mobiles pouvant être actionnée simultanément par un moyen d'actionnement, par exemple magnétique tel qu'un aimant permanent.
Selon l'invention, le microsystème 2, 2' est actionné entre la position d'ouverture et la position de fermeture du circuit électrique de puissance par exemple par effet magnétique. Pour cela, la membrane 20 ferromagnétique du type de l'invention est pilotée par effet magnétique entre deux positions extrêmes distinctes. Dans une première position extrême (figures 6 et 10), l'extrémité de la membrane 20 portant le contact 21 est relevée et n'est pas en appui contre les pistes conductrices 31 , 32 du substrat 3. Le circuit électrique de puissance associé aux pistes conductrices 31 , 32 est donc ouvert. Dans sa seconde position extrême (figures 7 à 9), l'extrémité de la membrane 20 portant le contact mobile 21 , est en appui contre les pistes conductrices 31 , 32. Dans cette seconde position, le circuit électrique de puissance est fermé. En l'absence d'un minimum de champ rémanent, la membrane 20 est maintenue parallèle à la surface 30 du substrat 3 (figures 1 et 3). Les deux modes d'actionnement décrits ci-dessous sont applicables aux deux configurations de microsystème 2, 2' décrites ci-dessus.
En référence aux figures 6 et 7, un premier mode d'actionnement de type magnétique du microsystème consiste à piloter la membrane 20 ferromagnétique du type de l'invention entre ses deux positions extrêmes grâce au champ magnétique créé par un aimant permanent. La membrane 20 ferromagnétique se déplace entre ses deux positions extrêmes en s'alignant sur les lignes de champ L du champ magnétique généré par l'aimant permanent 10. Ce type d'actionnement doit être distingué de l'actionnement de type "reed" dans lequel un élément mobile est sensible au gradient de champ magnétique pour passer d'une position à l'autre et soumis à un effet mécanique pour revenir dans sa position initiale.
En référence aux figures 6 et 7, l'aimant permanent 10 crée donc un champ magnétique présentant des lignes de champ L dont l'orientation génère une composante magnétique BP0, BP1 dans la couche ferromagnétique de la membrane 20 du microsystème 2, 2' suivant son axe longitudinal (A). Cette composante magnétique BP0, BP1 générée dans la membrane 20 engendre un couple magnétique imposant à la membrane 20 de prendre l'une de ses positions extrêmes de fermeture (figure 7) ou d'ouverture (figure 6).
En référence aux figures 8 à 10, un second mode d'actionnement de type magnétique consiste à soumettre la membrane 20 à un champ magnétique permanent B0, préférentiellement uniforme et par exemple de direction perpendiculaire à la surface du substrat 3 pour maintenir la membrane 20 dans chacune de ses positions extrêmes définies ci-dessus et à appliquer un champ magnétique temporaire BS1 à l'aide d'un électroaimant pour piloter le passage de la membrane 20 d'une position extrême à l'autre. Le champ magnétique permanent B0 est par exemple généré par un aimant permanent (non représenté) fixé sous le substrat 3 tandis que le champ magnétique temporaire est généré à l'aide d'une bobine d'excitation planaire intégrée au substrat ou de type solénoïde entourant le substrat et la membrane 20. Le passage d'un courant dans la bobine d'excitation génère un champ magnétique BS1 de direction parallèle au substrat 3 et parallèle à l'axe longitudinal (A) de la membrane 20 pour commander le basculement de la membrane 20 de l'une de ses positions vers l'autre de ses positions. Le sens du courant traversant la bobine d'excitation décide du pivotement de la membrane 20 vers l'une ou l'autre de ses positions extrêmes.
Le substrat 3 supportant la membrane 20 est placé sous l'effet du premier champ magnétique B0. Comme représenté en figure 8, le premier champ magnétique B0 génère initialement une composante magnétique BP2 dans la membrane 20 suivant son axe longitudinal (A). Le couple magnétique résultant du premier champ magnétique B0 et de la composante BP2 générée dans la membrane 20 maintient la membrane 20 dans l'une de ses positions extrêmes, par exemple la position de fermeture sur la figure 8. En référence à la figure 9, le passage d'un courant, dans un sens défini, dans la bobine d'excitation génère un second champ magnétique BSi dont la direction est parallèle au substrat 3 et parallèle à l'axe longitudinal (A) de la membrane 20, son orientation dépendant du sens du courant délivré dans la bobine d'excitation. Le second champ magnétique BSi créé par la bobine 6 d'excitation génère une composante magnétique BP3 dans la couche magnétique de la membrane 20. Si le courant est délivré dans un sens approprié, cette nouvelle composante magnétique BP3 s'oppose à la composante BP2 générée dans la couche magnétique de la membrane 20 par le premier champ magnétique B0. Si la composante BP3 générée par la bobine 4 d'excitation est d'intensité supérieure à celle générée par le premier champ magnétique B0, le couple magnétique résultant du premier champ magnétique B0 et de cette composante BP3 s'inverse et provoque le basculement de la membrane 20 de sa position de fermeture vers sa position d'ouverture (figure 10).
Une fois le basculement de la membrane 20 effectué, l'alimentation en courant de la bobine d'excitation n'est plus nécessaire. Selon l'invention, le second champ magnétique BSi créé par la bobine d'excitation n'est que transitoire et n'est utile que pour faire pivoter la membrane 20 d'une position extrême à l'autre. Comme représenté en figure 10, la membrane 20 est ensuite maintenue dans sa position d'ouverture sous l'effet du seul premier champ magnétique B0 créant une nouvelle composante magnétique BP4 dans la membrane 20. Le nouveau couple magnétique créé entre le premier champ magnétique B0 et la composante BP4 générée dans la membrane 20 impose à la membrane 20 de se maintenir dans sa position d'ouverture (figure 10). Selon l'invention, la forme spécifique de la membrane 20 décrite ci-dessus est particulièrement adaptée aux modes d'actionnement magnétiques et à l'application du microsystème 2, 2' pour la commutation de courant de puissance. En effet, la présence à son extrémité de la languette 201 en position symétrique lui permet d'établir un contact électrique de qualité avec les pistes fixes 31 , 32, en minimisant les défauts de symétrie de la membrane 20 lors de sa déformation et en évitant le contact entre des parties ferromagnétiques de la membrane et les contacts fixes.
Selon l'invention, plus l'épaisseur du contact mobile est augmentée et plus la dissipation thermique peut être améliorée.
Selon l'invention, d'autres modifications peuvent être apportées au microsystème 2, 2' pour améliorer encore la dissipation thermique, notamment en augmentant la taille de la membrane 20 ou en augmentant l'épaisseur de matériau ferromagnétique.
II est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Microsystème (2, 2') pour commuter un circuit électrique de puissance, dans lequel : un substrat (3) supporte deux contacts fixes (31 , 32), un élément mobile (20) est monté sur le substrat (3) et porte un contact mobile (21 ), ledit élément mobile étant piloté entre une position d'ouverture du circuit électrique de puissance et une position de fermeture du circuit électrique de puissance, le contact mobile (21 ) est réalisé dans un matériau présentant une conductivité thermique plus forte que celle de l'élément mobile, caractérisé en ce que, l'élément mobile est une membrane (20) ferromagnétique sensible à l'orientation des lignes de champ d'un champ magnétique pour pivoter entre la position d'ouverture et la position de fermeture, l'élément mobile (20) présente à une extrémité une partie avancée (201 ) occupée par une première zone (210) du contact mobile, le contact mobile s'étend le long de l'élément mobile par une deuxième zone (211 ) qui est adjacente de la première zone (210) et élargie par rapport à celle-ci.
2. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'élément mobile (20) présente une partie principale (200) prolongée à une extrémité, dans un même plan, par la partie avancée (201 ) constituée d'une languette occupée en totalité par la première zone (210) du contact mobile (21 ).
3. Microsystème selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première zone (210) du contact mobile (21 ) est prolongée en longueur et en largeur, contre la partie principale (200), par la deuxième zone (21 1 ) du contact mobile.
4. Microsystème selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la partie principale (200) est rectangulaire.
5. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contact mobile (21 ) dépasse de l'élément mobile (20) à son extrémité.
6. Microsystème selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la membrane (20) est en Fer-Nickel.
7. Microsystème selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contact mobile (21 ) est en or.
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