FR2884602A1 - Systeme embarque hautement securise pour la mise a feu d'explosifs ou le deploiement d'organes - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne la mise en oeuvre et l'élaboration de micro-interrupteurs pyrotechniques permettant d'actionner des dispositifs de mise à feu pour des applications militaires, spatiales et civiles. Ces initiateurs sont réalisés sur substrat silicium. A une miniaturisation très poussée, ils associent un niveau de fiabilité, de sécurité, et de durabilité extrêmes qui est la conséquence, d'une part de la conception desdits micro-interrupteurs normalement fermés (A) ou ouverts (B) qui sont bistables sans pièces mobiles et actionnables une seule fois de façon irréversible et exclusivement par contrôle thermique et d'autre part, de l'agencement de ces micro-interrupteurs par une mise à la masse lors du traitement des fonctions veille, déverrouillage et stérilisation. Le micro-interrupteur normalement fermé (A) est obtenu par la rupture d'une connexion électrique (10) provoquée par la mise à feu d'une charge pyrotechnique (15) contenu dans une cavité du substrat silicium. Le micro-interrupteur normalement ouvert (B) est obtenu par le court circuit de deux connexions électriques (19) et (20) provoqué par la fusion et le brasage d'une préforme métallique (17) lors de la mise à feu d'une charge pyrotechnique intégré dans une cavité du substrat silicium ou par l'échauffement d'une résistance chauffante. Cette charge pyrotechnique agit de façon directe ou indirecte sur la charge de puissance.

Description

support de présentation. Dans ce cas la fonction de mise à feu est

réalisée par l'application d'un courant électrique sur une résistance. Ce courant y délivre une énergie électrique, qui échauffe la résistance jusqu'à ce qu'elle atteigne la température critique du matériau pyrotechnique pour sa mise à feu. Le problème est donc, et ce problème est

général, de sécuriser le système de mise à feu selon les spécifications suivantes: - en position de veille, aucun événement extérieur de nature électromagnétique ne doit pouvoir initier la mise à feu, - sur décision de plus haut niveau (système ou opérateur), on doit pouvoir déverrouiller cette sécurité et permettre l'opération de mise à feu, - sur décision, le système doit pouvoir à tout instant être stérilisé c'est-à-dire être mis hors service, - sur décision, le système doit pouvoir au moins une fois se reconfigurer en position de veille sécurisée.

Ces fonctions sécuritaires doivent répondre à des exigences strictes en général normalisées. En particulier le système d'initiation doit avoir un seuil de déclenchement élevé pour résister aux perturbations extérieures auxquelles il peut être exposé. Pour être conforme à ces exigences, la technique consiste à placer le fil chaud d'initiation dans un environnement dissipateur thermique de manière à ce que l'énergie électrique apportée ne permette pas d'atteindre la température d'initiation du matériau pyrotechnique. Le choix de baisser ainsi la sensibilité a pour conséquence d'exiger d'énormes apports d'énergie pour rendre l'initiation effective et interdire toute initiation rapide dans la mesure où une constante de temps nécessairement importante découle de l'option de désensibilisation de l'initiateur.

Cet ensemble de fonctions sécuritaires peut aussi être réalisé par des systèmes électriques ou électroniques et par des interrupteurs commandés.

A cet effet, il peut être fait usage de micro interrupteurs mécaniques bistables et réversibles qui ont l'avantage de consommer de l'énergie seulement lors des changements d'état mais qui présentent l'inconvénient d'intégrer des éléments mobiles qui sont source de fragilité. Bien qu'ils présentent l'avantage d'assurer une isolation mécanique en position ouverte, il faut appliquer une force suffisante pour établir et conserver le contact en position fermée, sans le rendre définitif Ainsi le caractère bistable du système peut être altéré par une force de contact trop élevée tandis qu'une force trop faible entraînera une résistance de contact élevée. L'actionnement de ces micro-relais peut être de type électrostatique, électrothermique, piézoélectrique ou bien s'appuyer sur des mécanismes basés sur les propriétés des alliages à mémoire de forme. Certaines de ces solutions sont complexes à mettre en oeuvre engendrant des problèmes de défaillance et/ou fortement consommatrice d'énergie ce qui peut être un facteur limitant pour des applications embarquées.

Pour l'usage des systèmes électroniques hybrides ou intégrés sur silicium, ce qui pose problème est la fragilité et la consommation d'énergie électrique: leur fragilité fait qu'ils ne résistent pas à des surcharges électriques et une alimentation en énergie électrique permanente est nécessaire au maintien en position fermée des interrupteurs.

On constate donc qu'il est capital de proposer pour le pilotage des initiateurs pyrotechniques, des interrupteurs normalement fermés ou normalement ouverts qui soient simultanément insensibles aux perturbations extérieures et très peu consommateurs d'énergie. L'ensemble du système de commande de ces interrupteurs doit être lui aussi insensible à ces mêmes perturbations extérieures de nature à provoquer des actions indésirables.

D'autres dispositifs sécurisés de l'art antérieur sont basés sur des dispositifs mécaniques escamotables pour passer en mode armé et inversement pour passer en mode sécurisé. Les inconvénients de ce genre de dispositif sont doubles. Premièrement il est difficile de concevoir des actuateurs miniaturisés suffisamment puissants pour mettre des parties mécaniques en mouvement. Deuxièmement, si la puissance de l'actuateur est suffisante, il faut éviter les phénomènes de grippage ou de collage, ce qui est extrêmement difficile pour des microsystèmes.

L'objet de la présente invention est donc de proposer un dispositif de commande et/ou d'actionnement sécurisé basé sur un ou une combinaison de microsystèmes à commande électrothermique. L'invention permet en particulier de réduire le poids et le volume tout en maintenant un niveau de sécurité élevé. Les dispositifs de la présente requièrent un minimum d'énergie électrique.

INVENTION

Ce sont ces considérations qui ont conduit les inventeurs à effectuer de nombreuses recherches et à proposer un nouveau dispositif de commande et/ou d'actionnement sécurisés. Ce dispositif est composé des microinterrupteurs normalement fermés ou normalement ouverts monocoup, d'un nouveau type eux-mêmes intégrés dans un système ou microsystème architecturé de telle façon que l'ensemble élève considérablement le niveau de fiabilité de tout actionnement à distance de dispositifs de mise à feu ou de déploiement d'organes et ceci que ce soit sur Terre, Air, Mer. La présente invention réside non seulement dans le procédé global d'agencement ou de combinaison de ces microsystèmes d'un nouveau type mais aussi dans le concept d'élaboration desdits microsystèmes ainsi que dans leurs caractéristiques fonctionnelles de base essentielles qui sont le fait qu'ils soient bistables sans pièces mobiles c'est-à-dire statiques et actionnables une seule fois de façon irréversible. La présente invention reste fondée sur le principe de l'initiateur thermique simple mais elle est applicable à tout dispositif d'initiation sécurisable par mise à la masse électrique de son alimentation.

Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, les microsystèmes de la présente invention sont à commande électrothermique.

Le procédé de commande et/ou d'actionnement sécurisé selon l'invention permet d'opérer de façon directe ou indirecte sur les charges de puissance. La façon directe est obtenue par l'action sans intermédiaire, de la charge pyrotechnique sur la charge de puissance ou la charge à allumer. La façon indirecte est obtenue par l'action intermédiaire, par exemple d'un élément mécanique entre la charge pyrotechnique et la charge de puissance ou la charge à allumer.

Selon une autre caractéristique, il est utilisé des microsystèmes comme des micro-interrupteurs monocoups c'est-à-dire actionnables une seule fois et dont l'agencement permet une sécurisation de fonctionnement extrême par une mise à la masse embarquée sur le système d'initiation de ses terminaux. Il est à noter que ce principe de sécurisation par mise à la masse est connu et couramment appliqué mais uniquement lors de phase de stockage par une mise à la masse mécanique sachant que celle ci est supprimée lors du montage sur le système opérationnel en mode fonctionnement. A ce titre, le brevet numéro US20020316613 prévoit que l'initiateur pyrotechnique soit sécurisé pendant son stockage par une mise à la masse mécanique, qui se trouve ensuite supprimée manuellement lors du montage sur le système opérationnel.

La fonction de veille sécurisée est totale si les deux extrémités de la résistance d'initiation sont court-circuitées et connectées à la masse électrique du système. En effet toute sollicitation électrique malveillante ou intempestive ne provoquera aucun échauffement sur une résistance nulle.

Le déverrouillage est réalisé par un interrupteur normalement fermé qui, sur commande extérieure peut interrompre le court circuit de mise à la masse, rendant ainsi une connexion de la résistance potentiellement active.

La mise en oeuvre de cette procédure de déverrouillage est basée sur la rupture de la connexion de mise à la masse conséquence de la destruction de la membrane support de cette connexion. Cette destruction résulte d'une augmentation de la pression dans la cavité sous la membrane. L'invention revendique tous les procédés d'accroissement de la pression dont celui d'utiliser les gaz issus de la combustion issus de matériaux énergétiques divers ou autres combustibles.

Sur le même principe, considérant que l'on peut ainsi sur des membranes réaliser des fonctions de rupture de connexion ou de raccordement de connexion, il est proposé de coupler la fonction basique de sécurisation par mise à la masse de la résistance d'initiation par des fonctions extrêmement utiles qui sont des fonctions de stérilisation et de reconfiguration: On appelle stérilisation, la possibilité de détruire toute connexion physique avec l'alimentation de la résistance d'initiation. Cette opération de stérilisation inclus l'établissement d'un court circuit à la masse des deux terminaux de la résistance d'initiation.

On appelle reconfiguration la possibilité de changer l'architecture du circuit de protection en actionnant des dispositifs de rupture de connexion ou de rétablissement de connexion. En particulier, la possibilité de désarmer puis de réarmer le système un certain nombre de fois.

Les fonctions intermédiaires de stérilisation et de reconfiguration peuvent être effectuées de la façon suivante: La stérilisation est obtenue par un interrupteur normalement fermé qui déconnecte le 30 système de sa source d'alimentation et d'un interrupteur normalement ouvert qui remet de façon définitive l'initiateur en court circuit à la masse.

La reconfiguration est réalisée par un interrupteur normalement ouvert que l'on connecte, annihilant ainsi les effets des interrupteurs normalement fermés précédents. En particulier l'association en série d'un interrupteur normalement fermé et d'un interrupteur normalement ouvert permet de désarmer puis de réarmer à nouveau le système (établissement ou rupture du court circuit à la masse). Ceci peut être renouvelé en fonction des besoins en associant parallèlement à nouveau deux interrupteurs en série, l'un normalement fermé, l'autre normalement ouvert.

Selon la description précédente une autre caractéristique de l'invention consiste à utiliser des micro-interrupteurs qui sont statiques c'est-àdire sans pièce mobile permettant le passage d'un état à un autre état qui est fermé ou ouvert. A cet effet, ces micro-interrupteurs sont bistables et actionnables une seule fois de façon irréversible. Le fait qu'ils soient ainsi confère une fiabilité très élevée au système et définit une consommation d'énergie nulle jusqu'à leur mise en service qui peut intervenir après plusieurs années d'attente voire des décennies.

Selon une autre caractéristique ces micro-interrupteurs statiques et actionnables une seule fois de façon irréversible sont activés par un contrôle thermique localisé.

Selon une autre caractéristique, les microsystèmes statiques proposés par la présente invention, peuvent être de taille très réduite inférieure au millimètre et extrêmement bon marché car ils peuvent être intégrés sur un substrat électronique en silicium notamment et donc être produits selon les procédés collectifs de la microélectronique et des micro systèmes.

Selon une autre caractéristique de l'invention et selon un mode préférentiel de réalisation, les microsystèmes statiques sont intégrés sur un substrat silicium présentant au moins une zone de faible épaisseur (membrane) dont la première face est en contact avec un matériau pyrotechnique et dont la seconde face porte d'au moins une résistance de mise à feu. Dans le cas des micro-interrupteurs, la seconde face comportera également les connexions électriques à fermer ou à ouvrir.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le fonctionnement d'un micro-interrupteur statique, thermique consistant à assurer l'ouverture ou la fermeture d'un circuit électrique actionnable de façon unique et irréversible est obtenu par le passage d'un courant électrique dans la résistance de mise à feu, provoquant un échauffement du support dans la zone de faible épaisseur ce qui entraîne une mise à feu du matériau pyrotechnique situé en contact avec la première face de cette zone de faible épaisseur. La combustion du matériau pyrotechnique a pour conséquence soit de créer une surpression dans la cavité pour rompre un circuit normalement fermé, soit de provoquer une élévation de température pour créer la continuité d'un circuit normalement ouvert selon la méthode décrite ci-après.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le substrat silicium comporte en plus de la ou des connexions électriques à ouvrir ou à fermer et de la résistance de mise à feu, des circuits électroniques intégrés pour permettre l'adressage la commande et éventuellement le test des micro-interrupteurs. Cette disposition garantissant une miniaturisation extrême, un niveau de sécurité et de fiabilité maximum.

Dans le cas d'une action indirecte du système d'actionnement deux éléments sécuritaires sont revendiqués dans notre procédé d'intégration monolithique. Il s'agit de composants autres que microélectroniques, associés à nos micro-interrupteurs qui assurent des fonctions sécuritaires précises: - Il s'agit de capteurs réalisés sur la plaquette silicium de manière compatible, en particulier d'accéléromètres micro usinés en même temps que sont usinés les micro-interrupteurs et micro- initiateurs. L'accéléromètre ainsi réalisé est constitué d'une simple masse associée à un bras de levier équipé de jauges de contraintes en polysilicium intégrées sur ce même bras. En fonction de l'application, on réalise des formes spécifiques pour réaliser des mesures dans les trois directions x, y et z. - Il s'agit d'un micro-actionneur mécanique qui réalise la fonction mécanique d'obturation entre l'initiateur (et sa charge primaire) et la charge à allumer. Dans ce cas la fonctionnalité de base consiste à pousser une pièce mécanique mobile par effet pneumatique qui peut être consécutif à l'allumage d'un initiateur particulier. Il est à noté que, pour satisfaire à certaines demandes sécuritaires, l'obturateur pourra être déplacé sous l'effet d'événements extérieurs liés aux fonctionnement du système: forces d'accélération, actionnement sous l'effet de gaz issus d'un système de propulsion adjacent.

Il faut souligner que dans les deux cas précédents, la technique est totalement compatible (même procédé technologique) avec les techniques des micro-interrupteurs.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la zone de faible épaisseur du substrat pouvant être du silicium ou une couche déposée sur le silicium est obtenue par usinage ou gravure du substrat. De cette manière il est possible d'obtenir des cavités pouvant être borgnes et qui peuvent servir de réceptacle au matériau pyrotechnique.

Pour protéger et rendre étanche la cavité contenant le matériau pyrotechnique il est possible de les sceller par le collage du substrat silicium sur un autre substrat isolant tel que du verre. Evidemment d'autres types de substrats peuvent être utilisés sans sortir du champ de la présente invention.

Selon une autre caractéristique de l'invention, un micro-interrupteur 1 o normalement fermé est obtenu en réalisant un dépôt métallique continu sur la deuxième face extérieur de la zone de faible épaisseur. Ce dépôt métallique continu constitue en fait le premier état stable du microinterrupteur normalement fermé, le deuxième état stable sera procuré par la rupture de cette connexion électrique se présentant sous la forme d'un dépôt métallique. La mise en oeuvre du micro-interrupteur normalement fermé ainsi obtenu consiste donc à faire passer un courant dans la résistance de mise à feu placée elle aussi sur la membrane provoquant ainsi l'échauffement de la zone de faible épaisseur et une mise à feu du matériau pyrotechnique. La mise à feu du matériau pyrotechnique provoque un dégagement de gaz qui brise la zone de faible épaisseur et rompt de ce fait la connexion électrique de façon irréversible.

Selon une autre caractéristique de l'invention, un micro-interrupteur normalement ouvert peut être obtenu dans son premier état stable en réalisant au moins deux dépôts métalliques brasables disjoints sur la deuxième face de la zone de faible épaisseur et en déposant une préforme métallique fusible au dessus des dépôts métalliques brasables et en maintenant un isolement entre la préforme et au moins un dépôt métallique. Le deuxième état stable est obtenu par la fusion de la préforme et son brasage simultané sur les deux dépôts métalliques constituant ainsi un court circuit assurant la fermeture du circuit électrique. De plus selon une autre caractéristique de l'invention, il est judicieux d'intercaler une résine décapante entre la préforme et les dépôts métalliques disjoints. Cette résine garantissant un bon brasage de la préforme sur au moins deux dépôts métalliques disjoints lors de l'échauffement. Cette résine décapante peut également intégrer d'autres fonctionnalités comme le maintien en position de la préforme sur le dessus des dépôts métalliques, l'isolement électrique, la protection de la préforme et des dépôts métalliques disjoints. Avantageusement, la résine alliant toutes ces fonctions peut être de la colophane naturelle ou synthétique. Dans ce cas, l'ensemble dépôts métalliques brasables disjoints et préforme métallique constitue la connexion électrique destinée à être fermée. La mise en oeuvre du micro- interrupteur normalement ouvert ainsi obtenu consiste donc à faire passer un courant dans la résistance de mise à feu provoquant ainsi l'échauffement de la zone de faible épaisseur et une mise à feu du matériau pyrotechnique. La mise à feu du matériau pyrotechnique provoque un échauffement suffisamment intense et long de la zone de faible épaisseur pour provoquer la fusion de la préforme métallique et la formation d'un court-circuit entre au moins deux dépôts métalliques disjoints. Ce court-circuit ayant pour effet de fermer de façon irréversible la connexion électrique ainsi obtenue. Dans ce mode de réalisation de micro interrupteur statique bistable et sans pièce mobile normalement ouvert, il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser une charge pyrotechnique pour assurer la fusion de l'alliage d'établissement de court circuit; en effet et selon une autre caractéristique une résistance chauffante seule provoque la fusion et le brasage de la préforme d'apport.

Selon une autre caractéristique de l'invention l'isolement entre les dépôts métalliques disjoints et la préforme fusible peut être obtenu par une résine isolante et fusible en température. A titre d'exemple non limitatif, cette résine peut être de la colophane naturelle ou synthétique qui par son pouvoir décapant permet en plus un bon brasage de la préforme sur les dépôts métalliques lors de la montée en température de la zone de faible épaisseur.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'isolement d'au moins un dépôt métallique disjoint peut être obtenu par la forme de la préforme fusible et la distance entre les dépôts métalliques disjoints. A cet effet, la préforme peut être une sphère dont le diamètre est tel qu'elle ne peut pas toucher deux dépôts métalliques disjoints simultanément. Pour maintenir la préforme en place sur le dessus des dépôts métalliques il est judicieux d'utiliser une résine adhérente isolante et fusible en température. Là encore, cette résine sera avantageusement de la colophane naturelle ou synthétique pour son caractère décapant qui permettra un bon brasage de la préforme sur les dépôts métalliques disjoints. Pour protéger et maintenir la préforme en place, il est également envisageable d'enrober l'ensemble par un vernis ou une colle.

Selon une autre caractéristique de l'invention, pour favoriser la formation d'un court-circuit entre deux dépôts métalliques disjoints, il est judicieux que ces derniers présentent des formes géométriquement imbriquées.

Selon une autre caractéristique, l'architecture du système implique que les commandes des interrupteurs thermiques doivent être suffisamment insensibles pour pouvoir supporter les perturbations auxquelles le système complet sera soumis sans s'actionner. En effet une sensibilité importante de ces éléments de commande pourrait déclencher l'armement, la stérilisation ou bien la reconfiguration du système. Ainsi, pour les interrupteurs, normalement fermés ou normalement ouverts, intégrant des matériaux pyrotechniques, la sensibilité sera ajustée par le choix d'un matériau spécifique. Pour les interrupteurs normalement ouverts n'intégrant pas de matériaux pyrotechniques, on adaptera le design de la résistance chauffante.

Selon une autre caractéristique, le micro actionneur de la présente invention est associée et commande un élément mécanique déverrouillable et pouvant être mis en mouvement par la mise à feu d'un ou plusieurs matériau(x) pyrotechnique(s) (15). Ce type de commande pouvant être qualifiée d'indirecte.

D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans le descriptif des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs.

La figure 1 représente un schéma électrique de mise en oeuvre de microinterrupteurs statiques bistables, sans pièces mobiles et monocoups organisés selon la présente invention pour la sécurisation, la stérilisation et la reconfiguration (réversibilité de l'armement) d'un initiateur pyrotechnique.

La figure 2 représente en vue éclatée un micro-interrupteur normalement fermé selon la présente invention.

La figure 3 représente en vue éclatée un micro-interrupteur normalement ouvert selon la présente invention. L'énergie thermique est fournie par une résistance chauffante placée sous la préforme métallique (fig. 3a) ou bien par les gaz de combustion d'un matériau pyrotechnique (fig. 3b).

La figure 4, montre par une vue d'artiste l'intégration sur substrat 30 silicium d'un micro-interrupteur normalement ouvert et d'un microinterrupteur normalement fermé.

La figure 5, montre en vue de coupe l'état avant et après actionnement de l'interrupteur normalement fermé.

La figure 6 montre en vue de coupe l'état avant et après actionnement de l'interrupteur normalement ouvert. Dans cette représentation nous avons choisi la solution d'un échauffement par combustion d'un matériau pyrotechnique.

La figure 7 représente une vue de dessus de dépôts métalliques (19) (20) imbriqués pour favoriser la formation d'un court-circuit lors du passage en fusion de la préforme métallique (17) non représentée.

La figure 8 représente un micro actionneur en coupe, selon la présente 10 invention.

La figure 9 représente en coupe un autre type de micro actionneur indirect selon la présente invention applicable à l'allumage d'une arme.

En figure 1 est montré l'architecture d'un système mettant en oeuvre des micro-interrupteurs statiques bistables monocoup selon la présente invention. Les micro-interrupteurs (2), (3), (5) sont normalement fermés mais leur actionnement provoquera l'ouverture du circuit. Inversement les micro-interrupteurs (4) et (6) sont normalement ouverts mais leur actionnement provoquera la fermeture du circuit. L'organisation de ces éléments assurant la sécurité est celle de la figure 1.

En position initiale sécurisée les micro-interrupteurs (2) et (3) sont fermés. La résistance (1) qui symbolise l'initiateur est donc dans une situation où ses deux extrémités sont reliées à la masse. En position armée, le micro-interrupteur (3) est mis ouvert . En position stérilisation le micro-interrupteur (2) est ouvert et la remise en court circuit de l'initiateur (1) se fait par l'intermédiaire du microinterrupteur (6). L'usage du micro- interrupteur (4) naturellement ouverts et mis en position fermé permet de retrouver le fonctionnement initial sécurisé que l'on pourra à nouveau armer avec le passage normalement de fermé à ouvert du micro-interrupteur (5). Le cycle complet utilise cinq interrupteurs: trois interrupteurs normalement fermés et deux interrupteurs normalement ouverts. L'invention que nous proposons est de réaliser ces opérations par deux types d'interrupteurs thermiques de technologies compatibles intégrés sur un substrat unique de silicium comme indiqué sur la figure 4 dans laquelle le micro- interrupteur normalement fermé est représenté en (A) et le micro-interrupteur normalement ouvert est représenté en (B). Les interrupteurs sont détaillés sur les figures 2 et 3. La résistance de dissipation (8) permet de se conformer à la norme 1A, 1W, 5min et sera placée dans une masse thermique.

Sur la figure 2 est représenté une vue éclatée de l'interrupteur normalement fermé appelé aussi on/off. Il est constitué d'une membrane (12) disposée sur le matériau pyrotechnique non représenté (15) placé dans une cavité de silicium (8) obtenue par gravure humide ou sèche. Sur la membrane (12) sont disposées côte à côte la résistance de mise à feu (11) du matériau pyrotechnique (15) et le dépôt métallique (10) constituant la connexion électrique à ouvrir. Lors de la mise à feu, les gaz dégagés par la combustion du matériau pyrotechnique brisent la membrane (12) et le dépôt métallique (10).

Sur la figure 3 est représenté l'interrupteur normalement ouvert appelé aussi off/on. Il est constitué d'une connexion interrompue (19) (20) par une couche isolante (21) qui sépare deux contacts superposés. Les deux systèmes d'échauffement décrit précédemment sont explicités dans les figures 3a et 3b. Dans le cas de la figure 3a, cette connexion interrompue (19) (20) est placée sur une résistance chauffante (11) et est séparée électriquement par l'intermédiaire d'une couche diélectrique (22). Cette résistance est elle-même déposée sur une membrane (12). L'échauffement de la résistance chauffante détruit la couche isolante intermédiaire (21) et permet la formation d'un contact électrique entre les deux dépôts métalliques disjoints (19) et (20) par l'intermédiaire d'un élément (17) assurant un court circuit lors de sa fusion. Dans la figure 3b, l'échauffement de la membrane (12) est produit par la combustion d'un matériau pyrotechnique non représenté (15) situé dans la cavité (8) gravé dans le silicium et initié par une résistance (11). Ceci détruit la couche isolante intermédiaire (21) et permet la formation d'un contact électrique entre les deux dépôts métalliques disjoints (19) et (20) par l'intermédiaire d'une préforme (17) assurant un court circuit lors de sa fusion. L'innovation est dans le concept de chacun des interrupteurs, de leur mise en service mais aussi dans le fait qu'ils sont de technologies compatibles avec celle d'un initiateur pyrotechnique pouvant servir d'amorce à des mises à feu de masse pyrotechniques plus importantes. La technologie silicium utilisée est la suivante: - le silicium (13) est micro usiné sous la surface des membranes (12) après avoir été traité de telle sorte à pouvoir supporter les résistances d'allumage obtenues par dépôt de couches semi-conductrices (11) formant les résistances de mise à feu et les connexions par dépôt métallique (10) (19) (20). En ce qui concerne le cas de l'interrupteur normalement ouvert, il est intégré une autre couche de métal (17) superposée à (19) et (20) et séparée par une couche de matériau isolant destructible (21) aux températures atteintes pendant la phase de combustion, à titre d'exemple elle peut êtresupérieure à 250 degrés Celsius.

- les cavités (8) sont remplies de matériaux pyrotechniques (15) et scellées pour les interrupteurs, par le collage du substrat silicium (13) sur un substrat isolant (14) en verre par exemple.

- sur le silicium peuvent avoir été au préalable diffusés des circuits électroniques (18) Io pour permettre l'adressage et la commande des interrupteurs et initiateurs.

Les fonctions électroniques complexes peuvent être intégrés au substrat dans la mesure où les opérations de gravure, métallisation, dépôt divers nécessaires à la réalisation de micro-interrupteurs sont réalisées à froid ou à basse température. Ces opérations sont donc compatibles avec la réalisation sur le même substrat de circuits intégrés dédiés.

Des fonctions de surveillance de l'état fonctionnel de l'agencement des micro-interrupteurs, des fonctions d'autotest permettant de vérifier le bon état de l'initiateur, des fonctions d'authentification de l'usager à l'aide de codes précis sont parfaitement réalisables. Un procédé typique consiste à réaliser tout d'abord les circuits électroniques multifonctionnels puis de réaliser sur le support prédiffusé, les opérations déjà décrites pour la réalisation de membranes et de microinterrupteurs.

En figure 5 est montré une coupe d'un micro-interrupteur normalement fermé selon la présente invention. En Figure 5a un substrat silicium (13) présente une cavité borgne (8) remplie avec un matériau pyrotechnique (15) . Le fond de la cavité (8) constitue une membrane (12) ou une zone de faible épaisseur de silicium. La première face (9) de la zone de faible épaisseur est en contact avec le matériau pyrotechnique. Sur la deuxième face (13) de la zone de faible épaisseur, on peut voir un dépôt métallique (10) continu formant la connexion électrique à ouvrir. En Figure 5b le matériau pyrotechnique a été mis à feu grâce à une résistance de mise à feu non représentée située sur la face (13) de la zone de faible épaisseur (12). Le dégagement gazeux causé par la combustion du matériau pyrotechnique provoque la rupture de la zone de faible épaisseur (12) et par conséquent l'ouverture irréversible de la connexion électrique.

En figure 6 est montré en coupe un micro-interrupteur normalement ouvert conforme à la présente invention. Dans le cas présent on peut voir en figure 6a que le dépôt métallique réalisé sur la face (13) de la zone de faible épaisseur est constitué de deux dépôts disjoints (19) et (20). Ces deux dépôts sont brasables. Une préforme (17) métallique et fusible est disposée au dessus des dépôts disjoints. Une résine colophane (21) maintient la préforme (17) en place et assure une protection de longue durée des surfaces brasables et de la préforme. Dans le cas présent, la préforme (17) est sphérique et son diamètre est tel qu'elle ne peut pas toucher simultanément les deux dépôts métalliques disjoints ce qui rend impossible tout court circuit entre les deux pistes (19) et (20) tant qu'il n'y aura pas d'élévation thermique suffisante et nécessaire pour provoquer la fusion de la préforme. Comme cela a été dit précédemment, cette fusion peut être provoquée directement par la résistance chauffante de surface ou indirectement par l'intermédiaire d'une charge pyrotechnique.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la résine (21) peut également assurer un rôle d'isolant électrique. En figure 6b la combustion du matériau pyrotechnique (15) a provoqué l'échauffement de la zone de faible épaisseur (12) et par conséquent la fusion de la préforme (17) qui forme un court-circuit entre les deux dépôts métalliques disjoints (19) et (20) par brasage. Le court-circuit a pour effet de fermer la connexion électrique de façon irréversible. De façon avantageuse, la préforme peut être constituée d'un alliage à base d'étain alors que les dépôts métalliques (10) peuvent être en Nickel Or ou Cuivre.

En figure 7 est représentée en vue de dessus, la disposition de dépôts métalliques (19) (20) qui a donné d'excellents résultats expérimentaux avec des préformes métalliques (17) de formes sphériques dont le diamètre varie entre 300 et 900 microns. Durant ces tests, la distance entre les dépôts (19) (20) a varié entre 30 et 250 microns. Evidemment, ces dimensions ainsi que le design des dépôts disjoints peuvent varier dans des proportions importantes sans se départir de la présente invention.

En figure 8 est représentée en vue de coupe, les fonctions annexes intégrées dans le silicium selon le procédé revendiqué qui ont des rôles sécuritaires reconnus: fonction de protection mécanique et fonction de verrouillage/déverrouillage automatique avec les mesures d'accélération données en fonction de l'application. Elle illustre en (23) la fonction mécanique actionnée dans la figure par un micro-actionneur pyrotechnique, en (24) la fonction de réalisation d'un accéléromètre très rustique, par simple micro-usinage dans le silicium, réalisé en même temps que les micro-interrupteurs. Cet accéléromètre est constitué d'une masse (26) et d'une jauge de contrainte (25) placée sur un bras de levier.

En figure 9 est représenté le dispositif d'actionnement sécurisé indirect selon la présente invention. Le micro actionneur représenté est un détonateur sécurisé applicable à la mise à feu d'armes.

Un substrat silicium (13) comporte des cavités (8) remplies d'un matériau pyrotechnique (15a) et (15b). Le substrat (13) présente d'un côté au droit des cavités (8), des zones de faible épaisseur formant des membranes (12) équipées de résistance de mise à feu (1 la) et (l lb). De l'autre côté du substrat (13) on a rapporté un autre substrat (29) pouvant être réalisé en silicium ou en tout autre matériau. Cet autre substrat (29) présente une partie centrale (28) formant un percuteur et maintenue par des bras fragilisés.

En figure 9a, le micro actionneur de la présente invention est en position de repos sécurisée puisque le percuteur (28) est maintenu mécaniquement et par le bras (27).

En figure 9b, l'allumage du matériau pyrotechnique (15a) par une commande électrothermique grâce aux résistances de mise à feu (lla) provoque la rupture des bras fragilisés (27). Ceci a pour effet de déverrouiller le système de mise à feu.

En figure 9c, l'allumage du matériau pyrotechnique (15b) par le biais de la résistance de mise à feu (1l b) engendre la mise en accélération du percuteur selon la flèche F. Ceci a pour effet la mise à feu de l'arme sur laquelle est monté le dispositif objet de la présente invention. Ainsi et selon une autre caractéristique de l'invention, la mise à feu du ou des matériau(x) pyrotechnique(s) permet de déverrouiller et/ou de mettre en mouvement un élément mécanique qui à titre d'exemple non limitatif peut être le percuteur (28).

La présente invention permet de cumuler des avantages significatifs: miniaturisation du fait de l'utilisation de procédés de fabrication semi conducteur sur 30 silicium, - fiabilité, sécurité et durabilité de fonctionnement extrêmes liées à la technologie des micro-interrupteurs normalement ouverts ou fermés statiques et à leur agencement dans une architecture de fonctionnement, - réduction de la consommation d'énergie, - coût de production très bas du fait de l'utilisation de technologies de fabrication de grandes séries déjà éprouvées.

Ces avantages technico-économiques décisifs permettent d'envisager une traduction en terme de nouvelles applications dans les domaines militaires, spatiaux et civils.

Claims (16)

Revendications

1) Procédé d'agencement hautement sécurisé de microsystèmes permettant de commander et/ou d'actionner directement ou indirectement des dispositifs de mise à feu ou de déploiement d'organes selon les normes sécuritaires existantes par la mise en série sur l'entrée d'une résistance de dissipation thermique (7) caractérisé en ce que la sécurisation de fonctionnement est assurée par une mise à la masse lors du traitement des fonctions suivantes: - la fonction de veille sécurisée est totale si les deux extrémités de la résistance d'initiation (1) sont court-circuitées et connectées à la masse électrique du système.

Io - le déverrouillage est réalisé par un interrupteur normalement fermé (3), qui déconnecte le court circuit et la mise à la masse, rendant une connexion de la résistance potentiellement active.

2) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes mettant en oeuvre un procédé d'agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que il est constitué d'un ou d'une combinaison de microsystèmes statique(s), bistable(s) sans pièce mobile et actionnable(s) une seule fois de façon irréversible

3) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque microsystème est soumis exclusivement à une commande électrothermique pour être activé.

4) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est intégré sur un substrat silicium (13) présentant au moins une zone de faible épaisseur (12) dont la première face est en contact avec un matériau pyrotechnique (15) et dont la seconde face porte au moins une résistance de mise à feu (11) du matériau pyrotechnique situé sur la première face.

5) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 4 caractérisé en ce que la seconde face du substrat silicium (13) comporte en plus de la résistance de mise à feu, des circuits électroniques pour permettre l'adressage la commande et le test des microsystèmes.

6) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une connexion électrique (10) destinée à être ouverte constituée d'un dépôt métallique continu sur la deuxième face de la zone de faible épaisseur (12) formant ainsi un micro-interrupteur normalement fermé (A).

7) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une connexion électrique destinée à être fermée constituée d'au moins deux dépôts métalliques brasables disjoints (19) (20) et d'une préforme métallique fusible (17) maintenue isolée d'au moins un dépôt métallique (19) ou (20) et d'intercaler une résine décapante et isolante (21) entre la préforme (17) et les dépôts métalliques (19) (20) formant ainsi un micro- interrupteur normalement ouvert (B).

8) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 7, caractérisé en ce que la préforme fusible (17) est maintenue isolée d'au moins un dépôt métallique (19) ou (20) par la résine (21) décapante isolante et fusible en température.

9) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 7, caractérisé en ce que la préforme fusible (17) est une sphère dont le diamètre est tel qu'elle ne puisse pas toucher simultanément deux dépôts métalliques disjoints.

10) Dispositif de commande et/ou d'actionnement direct ou indirect sécurisé pour la mise à feu ou le déploiement d'organes selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dépôts métalliques disjoints (19) (20) présentent des formes imbriquées de manière à favoriser la formation d'un court-circuit lors de la fusion de la préforme (17).

11) Procédé de réalisation d'un dispositif de commandes et/ou d'actionnement direct ou indirect selon la revendication 4 caractérisé en ce que la zone de faible épaisseur (12) est obtenue par usinage ou gravure du substrat silicium de manière à obtenir une cavité borgne sur la première face du substrat destinée à recevoir le matériau pyrotechnique.

12) Procédé de réalisation d'un dispositif de commandes et/ou d'actionnement direct ou indirect selon la revendication 4 caractérisé en ce que les cavités remplies de produit pyrotechnique sont scellées par le collage du substrat silicium sur un substrat isolant tel que du verre.

13) Procédé de commande et/ou d'actionnement sécurisé opérable de façon unique et irréversible directe ou indirecte caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une zone de faible épaisseur (12) sur un substrat silicium (13), à disposer un matériau pyrotechnique (15) sur la première face de la zone de faible épaisseur et d'équiper la seconde face d'au moins une résistance de mise à feu (11) et que la commande et/ou Io l'actionnement est obtenue par le passage d'un courant électrique dans la résistance de mise à feu (11) provoquant un échauffement du silicium dans la zone de faible épaisseur (12) et une mise à feu du matériau pyrotechnique (15) situé sur la première face.

14) Procédé de commande et/ou d'actionnement sécurisé opérable de façon unique et irréversible directe ou indirecte selon la revendication 13 et mettant en oeuvre un micro-interrupteur normalement fermé (A), caractérisé en ce que la mise à feu du matériau pyrotechnique (15) provoque un dégagement de gaz qui brise la zone de faible épaisseur (12) en rompant ainsi la connexion électrique (10) de façon irréversible et ouvre ainsi un circuit électrique.

15) Procédé de commande et/ou d'actionnement sécurisé opérable de façon unique et irréversible directe ou indirecte selon la revendication 13 et mettant en oeuvre un micro-interrupteur normalement ouvert (B), caractérisé en ce que la mise à feu du matériau pyrotechnique (15) provoque un échauffement de la zone de faible épaisseur (12) et entraîne ainsi la fusion d'une préforme métallique (17) et la formation d'un courtcircuit entre au moins deux dépôts métalliques disjoints (19) (20) et ferme ainsi un circuit électrique.

16) Procédé d'actionnement indirect opérable de façon unique et irréversible selon la revendication 13, caractérisé en ce que la mise à feu du matériau pyrotechnique (15) provoque le déverrouillage et/ou la mise en mouvement d'un élément mécanique (28) agissant sur la charge à allumer.