Study, design and fabrication of a bistable MEMS switch with mechanical latching

Autor: Fleury, Gatien
Přispěvatelé: Fleury, Gatien, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (CEA-LETI), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Roland FORTUNIER, Sylvain DRAPIER
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2006
Předmět:
Zdroj: Sciences de l'ingénieur [physics]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩
Popis: Within the literature, bistable MEMS switches, that don't need any external power supply to stay in any one of their latched states, usually have a lateral contact. The metallization of this kind of contact is still nowadays a technological challenge. This work describes a switch comprising an electrical contact of plane type. Since their metallization is easier, these contacts usually exhibit a better electric resistance than devices comprising a lateral contact. The design of the bistable device proposed in this work is based on the residual stress of silicon dioxide thin films. The bistable system is obtained through the buckling of a silicon dioxide beam through this residual stress. An analytical model of a beam subjected to an axial stress is developed. It establishes a relation between the properties of the beam (Young modulus, thickness, length and residual stress) and the contact force on one hand, and with the length of the zone of bistability of the switch on the other hand. Good adequacy is found between this analytical model and a model developed with the FEM software ANSYS. The fabrication process of the MEMS prototypes includes fifty technological steps performed with nine photolithographic levels. The device is actuated through thermal actuators made up of inconel. The powers needed for the transition from the bottom to the top position of stability and vice-versa are respectively 235 and 480 mW. This work shows the technological feasibility of a mechanically bistable MEMS switch, which relies on the residual stress of thin films. To improve these prototypes, we propose to focus future work on the actuation system and the integration of the device with its silicon package.
Les commutateurs mécaniquement bistables présentés dans la littérature possèdent généralement un contact électrique de type latéral ; la métallisation de ce type de contact se heurte à de nombreuses difficultés. Ce travail présente un composant comportant un contact de type plan, gage d'une meilleure résistance électrique que les composants possédant un contact de type latéral dans la mesure où la métallisation y est plus aisée. Nous proposons une architecture de commutateur bistable, c'est-à-dire ne consommant pas d'énergie en position de fonctionnement, qui repose sur la mise en compression d'une poutre de silice par les contraintes résiduelles de ce matériau. Un système bistable est ainsi obtenu grâce au flambage de cette poutre par ces contraintes résiduelles. Un modèle analytique d'une poutre soumise à une contrainte axiale est développé. Il permet de relier les propriétés de la poutre (son module d'Young, son épaisseur, sa longueur et ses contraintes résiduelles) avec la force de contact d'une part et la longueur de la zone de bistabilité d'autre part. Une bonne adéquation est trouvée entre ce modèle analytique et un modèle éléments finis développé sous ANSYS. Pour fabriquer ce composant, nous avons développé et utilisé un procédé comportant neuf niveaux de photolithographie, et se déroulant sur une cinquantaine d'étapes technologiques. La mise en mouvement du composant se fait à l'aide d'actionneurs thermiques réalisés en inconel. La puissance mise en œuvre pour la transition de la position de stabilité du haut à celle du bas est de 235 mW, celle pour le passage de la position stable du bas à celle du haut nécessite 480 mW. Nous montrons dans ce travail la faisabilité technologique d'un switch MEMS mécaniquement bistable dont la fabrication repose sur les contraintes résiduelles des couches minces. Pour améliorer ces prototypes, nous proposons de travailler sur le système d'actionnement, et sur l'intégration du composant avec son packaging.
Databáze: OpenAIRE
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