Dispositif à contact intermittent amélioré par diélectrophorèse |
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申请号 | EP11354040.5 | 申请日 | 2011-08-23 | 公开(公告)号 | EP2423929B1 | 公开(公告)日 | 2016-03-23 |
申请人 | Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives; | 发明人 | Nowodzinski, Antoine; Mandrillon, Vincent; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | L'invention est relative à un dispositif comportant au moins une première et une seconde zones de contact ayant une surface de contact et se déplaçant l'une par rapport à l'autre entre une position de contact commun desdites surfaces de contact et une autre position. Les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) se sont développés au fur et à mesure des années et ils sont maintenant présents dans de très nombreux secteurs technologiques. L'intégration de ces dispositifs au plus près de puces électroniques permet un gain en compacité et en énergie consommée qui ouvre la voie à de nouvelles applications et à de nouveaux marchés. Cependant, comme toutes les pièces mécaniques en mouvement, les systèmes micro-électromécaniques sont sujets à une dégradation de leur performance dans le temps. Dans un dispositif de type interrupteur, un contact électrique intermittent est réalisé entre deux plots de contact. Comme cela est illustré à la Des problèmes de fiabilité du contact ohmique, notamment par des contaminants organiques, ont été soulevés ce qui s'est traduit par une dégradation des performances de l'interrupteur dans le temps. Il est alors nécessaire de remplacer le composant voire tout un ensemble de pièces si ces dernières sont indissociables ce qui peut être problématique si le dispositif n'est pas facilement accessible ou si le dispositif travaille sous vide. Le document Le document On constate qu'il existe un besoin de prévoir un dispositif même muni d'un contact électrique intermittent qui présente une bonne tenue dans le temps et dont la réalisation est facile à mettre en oeuvre. On tend à satisfaire ce besoin au moyen d'un dispositif selon les revendications annexées et plus particulièrement en prévoyant que le dispositif comporte
dispositif dans lequel le dispositif de décontamination et le fluide sont configurés de manière à ce que le premier champ électrique génère sur un contaminant, par diélectrophorèse, une force dirigée vers l'électrode de décontamination. On tend également à satisfaire ce besoin en prévoyant que le dispositif comporte :
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels :
Comme cela est illustré à la De manière générale, les premier 3 et second 4 plots de contact sont mobiles l'un par rapport à l'autre et ils comportent au moins une position de contact commun. Les premier 3 et second 4 plots de contact possèdent chacun une surface de contact et la position de contact commun correspond à la connexion électrique et physique entre ces deux surfaces de contact. La surface de contact peut être une surface plane ou une surface convexe. Un contact ohmique est obtenu afin de faire transiter un signal électrique, c'est-à-dire qu'un courant électrique circule entre les deux plots 3 et 4. Comme cela est illustré aux Un fluide, par exemple un gaz ou un liquide, est disposé entre le premier plot de contact 3 et l'électrode de décontamination 5. Le fluide a une première valeur de permittivité diélectrique et il est soumis au champ électrique généré entre le plot de contact et l'électrode de décontamination. Le fluide peut recouvrir partiellement ou totalement le plot de contact 3 et/ou l'électrode de décontamination 5. Le dispositif de décontamination applique le premier champ électrique non uniforme sur au moins une partie de la zone de contact du premier plot 3, c'est-à-dire la zone à décontaminer, au moyen de l'électrode de décontamination 5. Le dispositif de décontamination et le fluide sont configurés de manière à ce que le champ électrique génère sur les contaminants, par diélectrophorèse, une force dirigée vers l'électrode de décontamination 5. De cette manière, les contaminants disposés dans le champ électrique et dans le fluide sont déplacés de manière à décontaminer le plot de contact 3 ou la zone à décontaminer du plot de contact 3. Lorsque l'espace disposé entre le premier plot 3 et l'électrode de décontamination 5 est rempli par un fluide ayant une permittivité inférieure à la permittivité de la contamination supposée, les lignes de champs sont configurées divergentes en direction du premier plot 3. Lorsque l'espace disposé entre le premier plot 3 et l'électrode de décontamination 5 est rempli par un fluide ayant une permittivité supérieure à la permittivité de la contamination supposée, les lignes de champs sont configurées convergentes en direction du premier plot 3. Le dispositif de génération du premier champ électrique permet l'obtention d'un champ électrique non uniforme ce qui se traduit par l'existence d'un gradient de champ électrique dans la zone à décontaminer. Ce gradient de champ électrique permet par diélectrophorèse d'attirer les particules diélectriques des zones de faible gradient de champ électrique vers les zones à fort gradient de champ électrique lorsque les lignes de champs sont configurées divergentes en direction du premier plot 3, comme cela est illustré aux Le gradient de champ électrique est présent à la surface de la zone à décontaminer et il est orienté de manière à ce que la force imposée par le champ électrique entraîne les contaminants vers l'électrode de décontamination 5. Dans le cas des lignes de champ divergentes en direction du premier plot 3, la valeur du gradient de champ électrique augmente en direction de l'électrode de décontamination, par exemple le long du trajet entre le premier plot 3 et l'électrode de décontamination parallèlement à la surface de la zone à décontaminer. Les contaminants sont concentrés dans les zones ou le gradient de champ électrique est le plus élevé, par exemple à côté de certaines parties de l'électrode de décontamination 5. Dans le cas de lignes de champ électrique convergentes, la valeur du gradient décroît et les contaminants sont chassés des zones ou le gradient est élevé. Le premier champ électrique non uniforme avec des lignes de champ divergentes ou convergentes en direction de la zone à décontaminer et avec un gradient de champ électrique parallèle à la surface à décontaminer augmentant ou diminuant dans la direction de l'électrode de décontamination peut être obtenu par de multiples moyens et avec des configurations variées. Lorsque le premier plot de contact 3 fait partie du dispositif de génération du premier champ électrique, ce dernier et l'électrode de décontamination 5 sont configurés, par exemple, pour que le premier champ électrique présente des lignes de champ électrique qui divergent lorsque l'on se dirige vers la zone à décontaminer, c'est-à-dire qui divergent depuis l'électrode de décontamination 5 vers une partie de la première zone de contact 3 que l'on veut décontaminer. De cette manière, il y a augmentation du champ électrique au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la première zone de contact 3 vers l'électrode de décontamination 5. Le gradient de champ électrique présente une composante parallèle à la surface du plot de manière à attirer les contaminants hors du plot 3. Ensuite, les contaminants suivent la surface du substrat selon le gradient de champ électrique de manière à quitter la zone à décontaminer voire atteindre l'électrode de décontamination 5. Le champ électrique doit présenter des lignes de champ divergentes à la surface de la zone de contact afin de forcer le déplacement des contaminants. Même si il existe des lignes de champ divergentes depuis des faces latérales du substrat, ces dernières n'ont pas un effet direct sur la surface de contact. Les lignes de champs provenant des faces latérales peuvent néanmoins servir au transport des contaminants depuis le plot de contact 3 vers l'électrode de décontamination 5 le long du substrat. Les lignes du champ électrique doivent être divergentes ou principalement divergentes dans une direction parallèle à la surface de contact de manière à générer un mouvement des contaminants qui tend à faire sortir ce dernier du plot de contact 3. Si le champ électrique est divergent dans une direction perpendiculaire à la surface de contact, les contaminants sont bloqués dans une zone particulière de la surface de contact à l'endroit où le gradient de champ électrique est le plus fort. Un résultat similaire peut être obtenu au moyen d'un dispositif de décontamination générant des lignes de champ électrique convergentes en direction du premier plot 3 en association avec un fluide adapté. Comme cela est illustré aux Afin d'avoir la plus grande efficacité énergétique, la surface de contact du premier plot 3 est dans le même plan que la partie de l'électrode de décontamination 5 qui génère les lignes de champ par exemple divergentes. Le premier plot 3 et l'électrode de décontamination 5 sont disposés à la surface du substrat, de préférence légèrement en saillie de la surface du substrat. La surface libre de l'électrode de décontamination peut être dans le même plan que la surface de contact du premier plot, mais il est également envisageable que le plan défini par la surface de contact du premier plot soit au-dessus ou en dessous de la partie de l'électrode de décontamination 5 qui génère les lignes de champ divergentes ou convergentes. Plus la différence de hauteur est importante et plus la composante parallèle est faible ce qui réduit l'efficacité de l'électrode de décontamination. Comme cela est illustré aux Selon les modes de réalisation, les lignes de champ divergent ou convergent depuis les moyens de génération du champ électrique vers la partie du premier plot de contact à décontaminer ou depuis une électrode vers la zone à décontaminer. Le champ électrique présente des lignes de champ électrique qui divergent ou convergent au niveau d'une partie de la surface de contact du premier plot de contact 3 en direction de la zone à décontaminer. Le champ électrique possède une composante dans une direction parallèle à la surface de contact du premier plot de contact 3. Cette composante permet, par diélectrophorèse, d'éliminer les particules diélectriques présentes à la surface du premier plot de contact 3. Dans les régions du champ électrique ou les lignes de champ divergent depuis les moyens de génération vers le premier plot de contact, il y a décontamination si le contaminant a une permittivité diélectrique supérieure à la permittivité du fluide. Les moyens de génération du champ électrique non uniforme comportent une électrode 5 de décontamination à proximité immédiate du premier plot de contact 3. Dans l'exemple de la L'intensité et la direction du champ électrique sont choisies de manière à écarter les contaminants vers l'électrode 5 de décontamination ce qui permet de décontaminer le premier plot de contact 3. A titre d'exemple, ce champ électrique non uniforme permet de diminuer la concentration en contaminants organiques à la surface du premier plot de contact 3. La diminution de la pollution organique à la surface du premier plot de contact 3 permet d'augmenter la fiabilité du contact entre les premier 3 et second 4 plots de contact en réduisant les risques de carbonisation de ces molécules organiques. Une électrode 5, de préférence de forme annulaire, entoure le premier plot de contact 3. L'électrode annulaire 5 est électriquement distincte des premier 3 et second 4 plots de contact. L'électrode annulaire 5 peut avoir une forme carrée, ronde ou quelconque. De manière préférentielle, la partie intérieure de l'électrode 5 suit la forme du premier plot de contact 3 de manière à avoir des formes sensiblement complémentaires. L'électrode de décontamination est préférentiellement disposée autour de la zone à décontaminer, ici autour de la première zone de contact, pour former un gradient de champ électrique autour de la zone à décontaminer. Dans la suite de la description, l'électrode 5 de décontamination est considérée comme annulaire mais d'autres formes sont également envisageables. Selon les modes de réalisation, l'électrode annulaire 5 est continue ou discontinue. La forme annulaire de l'électrode 5 permet de protéger le premier plot de contact 3 de l'environnement extérieur en réduisant l'arrivée de contaminants extérieurs. Dans son mode de réalisation dit « continue » et illustré par exemple aux Dans le mode de réalisation illustré aux Dans des modes de réalisation privilégiés illustrés aux Dans les modes de réalisation illustrés à la Dans son mode de réalisation dit « discontinu » illustré aux Dans un mode de réalisation particulier, le champ électrique maximal entre l'électrode annulaire 5 et le premier plot de contact 3 est supérieur ou égal à un kilovolt par centimètre (kV/cm). L'effet de décontamination est d'autant plus important que la valeur du champ électrique est élevée. Cependant, le champ électrique maximum est limité par le claquage du milieu dans lequel est formé le champ électrique. Par exemple, pour de l'air, la valeur maximale est de l'ordre de 10 à 80kV/cm. De manière préférentielle, le champ électrique est essentiellement orienté selon une direction parallèle à la surface de contact entre les premier et second plots de contact afin d'avoir le maximum de rendement énergétique pour la décontamination. Plus le gradient de champ et le champ sont importants et plus la décontamination est efficace. Dans un mode de réalisation préférentiel, la distance entre l'électrode 5 et le premier plot de contact 3 n'est pas constante ce qui permet l'obtention d'un champ électrique non homogène. Dans un premier cas illustré à la Dans un autre cas illustré à la Dans encore un autre mode de réalisation qui peut être combiné aux précédents, une polarisation variable dans le temps est appliquée entre l'électrode 5 et le premier plot de contact 3. Cette modulation dans le temps permet de modifier la forme du gradient et de faciliter la décontamination dans certaines zones. Cela permet également de sélectionner certaines espèces à décontaminer. La modulation dans le temps peut servir à créer des ondes stationnaires, ce qui autorise la création d'un champ électrique plus indépendant de la géométrie des électrodes. Le dispositif peut comporter des moyens d'application d'une polarisation variable dans le temps entre l'électrode 5 et le plot de contact 3. Cette mise en oeuvre est particulièrement intéressante dans l'exemple de réalisation illustré aux Lorsque l'électrode 5 est formée par une pluralité d'électrodes élémentaires comme cela est illustré aux Le dispositif de décontamination est configuré pour appliquer le premier champ électrique non uniforme entre le premier plot de contact 3 et la première électrode de décontamination 5 et un deuxième champ électrique non uniforme sur au moins une seconde partie de la zone de contact du premier plot 3 au moyen d'une deuxième électrode de décontamination 5b. Un deuxième fluide est disposé entre le premier plot de contact 3 et la deuxième électrode de décontamination 5. Le deuxième fluide a une deuxième valeur de permittivité diélectrique qui peut être égale ou différente de celle du premier fluide. Le dispositif de décontamination et le deuxième fluide sont configurés de manière à ce que le deuxième champ électrique génère sur le contaminant, par diélectrophorèse, une force dirigée vers la deuxième électrode de décontamination 5b. Il est alors possible d'avoir des lignes de champ électrique convergentes entre le plot 3 et une des électrodes de décontamination 5 et des lignes de champ électrique divergentes entre le plot 3 et une autre électrode de décontamination 5. Dans une autre variante de réalisation pouvant être illustrée aux Dans un autre mode de réalisation pouvant être illustrée aux Dans le mode de réalisation illustré à la De cette manière, il est possible durant une première période de réaliser la décontamination du plot 3 au moyen de la première électrode ou de la première série d'électrodes puis de transférer les contaminants depuis la première électrode (ou la première série d'électrodes) vers la deuxième électrode (ou la deuxième série d'électrodes). Les première et deuxième électrodes de décontaminations peuvent être alignées avec le plot. La première électrode peut avoir une forme différente de la deuxième électrode et/ou être réalisée dans des matériaux différents. Par exemple, la première électrode est avantageusement discontinue et la deuxième électrode est formée par une série d'électrodes élémentaires, mais il est également possible d'avoir une organisation opposée. Dans un mode de réalisation préférentiel, l'électrode de décontamination 5 est encastrée dans le substrat afin de limiter la hauteur de sa partie en saillie par rapport à la surface du substrat. De manière encore plus préférentielle, la surface supérieure de l'électrode de décontamination 5 est dans le même plan que la surface du substrat afin de ne pas gêner le déplacement des contaminants. Dans une variante de réalisation illustrée à la Le couple plot 3 / électrode de décontamination 5 est celui illustré à la Dans ce mode de réalisation, il est préférable d'intégrer des moyens de génération d'un gradient de champ électrique plus important entre les deux électrodes 5 et 6 comparé au champ électrique présent entre l'électrode 5 et la surface de contact à décontaminer du premier plot de contact 3. Cette électrode annulaire 6 additionnelle associée à un gradient de champ électrique plus important permet de concentrer les particules polluantes entre ces deux électrodes 5 et 6. Le dispositif de génération du champ électrique non uniforme comporte l'électrode additionnelle et l'électrode de décontamination et la surface à décontaminer est la surface située entre les deux électrodes 5 et 6. Cette architecture permet également de ne pas imposer un champ électrique décontaminant entre le plot 3 et l'électrode de décontamination 5, par exemple en appliquant le même potentiel sur le plot 3 et l'électrode de décontamination 5. Le champ électrique décontaminant est alors appliqué entre l'électrode de décontamination et l'électrode additionnelle 6. Les molécules contaminantes sont concentrées entre les deux électrodes annulaires 5 et 6 ce qui permet d'obtenir, en plus, un déplacement accru de ces molécules hors du premier plot de contact 3 à cause de la différence de concentration qui existe entre le premier plot de contact 3 et l'électrode 5. En effet, bien que le premier plot 3 ne soit pas soumis au gradient de champ électrique de l'électrode additionnelle 6, il y a appauvrissement en contaminant à proximité du premier plot 3. L'homogénéisation de la concentration en contaminant sur la surface du substrat va se traduire par une décontamination de la surface du premier plot 3. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des électrodes annulaires qui forment un barrage autour du premier plot. Dans un mode de réalisation préférentiel, un revêtement anti-adhésif est formé, à la surface du substrat, entre la première zone de contact 3 et les moyens de génération du champ électrique non uniforme, de préférence entre la première zone de contact et l'électrode de décontamination 5. Ce revêtement anti-adhésif peut être obtenu au moyen du dépôt d'un matériau adapté ou au moyen d'un traitement de surface spécifique, par exemple par voie plasma ou par voie liquide. De manière préférentielle, un traitement chimique laissant à la surface un greffage de molécules de Polytétrafluoroéthylène à terminaison silane est utilisé. Le premier plot de contact 3 et le second plot de contact 4 sont formés par un matériau électriquement conducteur, de préférence un matériau métallique. Les électrodes 5 et 6 sont formées par un matériau électriquement conducteur, de préférence un matériau métallique ou par un polymère synthétique comme le polypropylène, le polyéthylène téréphtalate dans le cas des électrets. Il est également possible de former des électrets dans un oxyde de silicium qui est utilisé dans le dispositif. Les électrodes 5 et 6 peuvent également être recouvertes par un matériau isolant. Afin d'obtenir une décontamination maximale du premier plot de contact 3, la surface de contact de ce dernier est au même niveau ou en saillie par rapport à la surface environnante immédiate. De plus, le plan contenant l'électrode annulaire 5 contient également le premier plot de contact 3. Dans un autre mode de réalisation, une autre électrode est également formée à proximité du second plot de contact 4, de préférence autour du second plot de contact 4, afin de faciliter la décontamination de ce dernier. Les différentes variantes de réalisation présentées pour le premier plot de contacts 3 sont utilisables pour le second plot de contact 4. Si le second plot de contact 4 réalise une connexion électrique entre le premier plot de contact 3 et un plot adjacent (non représenté), l'électrode annulaire 5 peut entourer le premier plot de contact ou les deux plots de contact. Il est également envisageable d'utiliser deux électrodes annulaires jointives formant, par exemple un « 8 ». Selon les modes de réalisation, le champ électrique non uniforme peut être obtenu au moyen de la première zone de contact 3 et d'une électrode de décontamination 5 ou au moyen de deux ou plus électrodes de décontamination 5 ou par tout autre technique adaptée. |