Microsystèmes Magnétiques Mag-MEMS - Solutions Cades

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Microsystèmes Magnétiques Mag-MEMS - Solutions Cades

Microsystèmes Magnétiques Mag-MEMS:

µ-Actionneurs & µ-Sources.

Compilateur: O. Cugat

Originaux: J. Delamare, G. Reyne, O. Cugat, G2Elab

avec X. Collègues et Y. Collaborateurs

Laboratoire de Génie Electrique de Grenoble Institut Néel, CNRS

G2Elab – ENSIEG, BP46, 38402 SMH Cedex LETI / CEA

Grenoble Universités TIMA / INP Grenoble

04 76 82 71 30 nom.prenom@G2Elab.inpg.fr

C²µ / MINATEC

Résumé – La micro-robotique pourrait tirer des macroavantages

de l'utilisation des microsystèmes magnétiques.

Cet article polyglotte et sans prétentions éditoriales

résume et saucissonne les idées générales développées dans

[1-2] et condensées dans [3-6].

On dresse d'abord un panorama rapide des lois de

réduction d'échelle, qui sont favorables aux principales

interactions magnétiques. On aborde ensuite leurs

implications réelles ou potentielles aux µ-systèmes, en

passant en revue quelques exemples de µ-actionneurs et

µ-sources d'énergie magnétiques développés à Grenoble.

Mots-clé – Mag-MEMS, Power-MEMS, microsystèmes

magnétiques, µ-actionneurs, µ-sources.

I. LES INTERACTIONS MAGNETIQUES PROFITENT

DES LOIS DE REDUCTION D'ECHELLE

Magnetic interactions for MEMS were already mentioned

by Feynman in 1959 [7] and again in 1983 [8] but were

initially neglected by the MEMS community. Eventually, the

first teams designed and promoted magnetic µ-actuators [9,10]

in the late 80’s. In the past decade several articles have listed

and compared the existing actuation principles for MEMS and

their down-scaling: many of them concluded neutrally or were

pessimistic for magnetism. However, a rigorous electrical

engineering approach leads to very positive conclusions and

the pertinence of magnetic interactions for MEMS has been

progressively explored and demonstrated: many solid articles

deserve to be re-read [11-20].

Les lois de réduction d'échelle sont favorables à la plupart

des interactions magnétiques. Ceci implique que les

microsystèmes magnétiques (acronyme Mag-MEMS) peuvent

offrir des densités de puissance ou densités de force élevées,

ce qui leur confère des atouts potentiels exploitables dans

divers domaines y-compris la µ-robotique.

Dans les paragraphes suivants, nous allons voir ce qu'il

advient des diverses interactions magnétiques lors d'une

réduction d'échelle homothétique: division par k de toutes les

dimensions et des distances, tout en maintenant constantes la

qualité des matériaux (aimantation J) et la densité de courant

dans les conducteurs.

A. Conservation du champ rayonné par un aimant [21]

Le champ magnétique H rayonné par un aimant s'écrit:

r

H( P)

V.

J

=

4.

π.

μ . r

0

3

r r r

⎛ J.

r r J ⎞

.


⎜3.

. r −


⎝ J.


J ⎠

avec r la distance à l'aimant, v le volume de l'aimant, et J

l'aimantation du matériau. La fraction à gauche de la

parenthèse définit l'amplitude du champ ; le terme entre

parenthèses régit la topologie, à savoir le module et la

direction du champ rayonné en fonction de là où l'on se place

autour de l'aimant (devant, à côté…). On remarque ainsi que,

lors d'une réduction d'échelle, l'amplitude du champ

magnétique se conserve autour de l'aimant puisque le volume

V et le terme en 1/r 3 s'annulent mutuellement et que J est

constant. De même, la topologie du champ rayonné est elle

aussi conservée puisque le terme entre parenthèses ne dépend

pas de la distance mais de la position relative autour de

l'aimant: il est "adimensionnel".

Cela implique directement que la densité de puissance

d'un dispositif à force de Laplace (conducteur devant un

aimant = actionneur voice-coil, moteur synchrone à aimants…)

se conserve lors d'une réduction d'échelle.

De même, le couple subi par un moment magnétique m

plongé dans un champ est directement lié au produit scalaire

du champ par le moment: les densités de couple aimant/aimant

sont donc conservées.

En première conclusion, un actionneur "voice-coil" ou un

moteur synchrone, ainsi qu'un dispositif de rappel angulaire,

réduits homothétiquement, se comporteront aussi bien qu'à

grande échelle.

B. Augmentation des gradients autour de µ-aimants [21]

On a vu que lors d'une réduction d'échelle, le champ

autour d'un aimant se conserve en amplitude et en topologie

(au zoom près). Mais ce qui change en revanche, ce sont les

dimensions de l'espace considéré: les gradients de champ sont

fonction de 1/r et par conséquent ils augmentent directement

avec la réduction d'échelle. C'est une excellente nouvelle car la

force subie par un moment magnétique m plongé dans un

(1)


gradient de champ est directement fonction de ce gradient: la

densité de forces entre deux aimants est directement multipliée

par k si l'on fait une réduction d'échelle par k.

Un palier magnétique, un accouplement ou un verrou à

aimants fonctionneront donc de mieux en mieux lors de leur

miniaturisation.

C. Autres interactions magnétiques

On peut faire des calculs similaires pour les interactions

magnétiques mettant en jeu des matériaux para- ou

ferromagnétiques, des courants seuls, et les phénomènes

d'induction ; le diamagnétisme pour sa part profite lui aussi

énormément de l'augmentation des gradients. On trouvera plus

de détails en section H ci-dessous et dans [21].

D. Densités de courant admissibles gigantesques [22]

Les lois de réduction d'échelle sont également très

favorables aux densités de courant admissibles. En pratique la

densité de courant que l'on peut se permettre de faire passer

dans un conducteur avant qu'il ne fonde est tout simplement

limitée par la thermique. Or la chaleur générée par dissipation

résistive (effet Joule Ri²) dépend du volume du conducteur

(donc en r 3 ), alors que l'évacuation de cette chaleur dépend

des surfaces de convection et de conduction vers le milieu

froid (donc en r 2 ) ainsi que des gradients thermiques entre le

coeur chaud et le radiateur froid (donc 1/r). L'évacuation de

cette chaleur s'améliore donc beaucoup avec la réduction

d'échelle. Ajoutons à cela que l'on travaille souvent par très

courtes impulsions de courant, que les µ-conducteurs sont

déposés de manière planaire, et qui plus est sur des substrats

en silicium qui est un très bon conducteur de la chaleur….

Par conséquent, lors d'une miniaturisation par k, on peut

se permettre de multiplier les densités de courant dans les µconducteurs

par un facteur ki; ce facteur ki est environ du

même ordre de grandeur que k, il dépend beaucoup de la

configuration globale du système.

Concrètement, on passe de 5 A/mm² admissibles en

électrotechnique classique à 10.000, 100.000 [23] voire

1.000.000 A/mm² [24] en MEMS ! Notons toutefois que, bien

que l'on puisse injecter de "forts" courants dans les µconducteurs,

il faut tout de même pouvoir les fournir puis

évacuer la chaleur : l'alimentation d'un tel Mag-MEMS ainsi

que son packaging doivent donc être à la hauteur. De plus,

cette augmentation de la densité de courants se fait au

détriment du rendement puisqu'une partie importante de la

puissance est alors gaspillée en pertes Joule.

F. Conclusions intermédiaires :

Les interactions magnétiques sont améliorées

Des lois de réduction d'échelle précédentes, on peut tirer

plusieurs conclusions positives. Le tableau suivant les résume

en tenant compte du facteur de réduction d'échelle k et du

facteur d'augmentation des densités de courant admissibles ki.

TABLE 1 - REDUCTION D'ECHELLE ET INTERACTIONS MAGNETIQUES [21]

Lors d'une réduction d'échelle homothétique:

- les principales interactions magnétiques s'améliorent;

- les densités de forces entre aimants augmentent;

- les actionnements aimant/courant (force de Laplace)

restent aussi efficaces qu'à grande échelle;

- les densités de courant admissibles augmentent et l'on

peut donc produire des densités de forces de Laplace

bien supérieures;

- les meilleures interactions mettent en jeu des aimants

permanents;

- on peut faire des systèmes courant/courant mais le

rendement est moindre;

- il faut éviter la machine asynchrone (à induction);

- on peut faire des générateurs électriques efficaces.

Les Mag-MEMS aident la µ-robotique

Nous venons de voir pourquoi et comment les

performances des interactions magnétiques sont globalement

améliorées lors d'une réduction d'échelle. Or dans notre monde

macroscopique la majorité des actionneurs utilisés sont des

moteurs et actionneurs "électriques", c'est à dire magnétiques

(si l'on exclut bien sûr les moteurs thermiques, les machines

hydrauliques de chantier et les automates pneumatiques

industriels). Concrètement il en découle que les actionneurs

magnétiques seront généralement tout autant efficaces et

puissants -voire meilleurs- à petite échelle.

De surcroît, l'augmentation des densités de courants

admissibles dans les µ-conducteurs autorise des densités de

force et de puissance énormes, si l'utilisateur est capable de

fournir les courants nécessaires et d'évacuer la chaleur

engendrée.

H. Avantages supplémentaires des Mag-MEMS

En sus des densities élevées de force et d'énergie, le

magnétisme présente d'autres avantages (…et inconvénients,

bien sûr) pour l'actionnement des MEMS.

Le diamagnétisme devient un acteur important [25]

Le diamagnétisme -et ses effets associés tels que la

lévitation stable passive- fait partie des grands gagnants de la

miniaturisation. La force spécifique (force par unité de volume

ou de masse) subie par un corps magnétique près d'un aimant

est proportionnelle au moment magnétique du matériau


multiplié par le gradient local de champ. Dans le cas d'un

corps diamagnétique (entre autres: le graphite, l'eau, donc vous

et moi par exemple…), son moment magnétique est induit par

le champ magnétique dans lequel il est plongé: il lui est

directement proportionnel. Nous avons vu que lors d'une

réduction d'échelle par k d'un aimant, son champ rayonné reste

le même mais les gradients sont multipliés par k: en

conséquences directes, le moment induit dans un corps reste le

même, et la force sur ce moment est multipliée par k! Le

diamagnétisme a beau être négligeable à nos échelles (hormis

le très médiatisé aimant flottant sur un supra, mais là il s'agit

de diamagnétisme extrême!), il devient extrêmement

intéressant aux petites dimensions [26]…

Permanent forces, bi-stability

Permanent magnets provide constant magnetic fields.

Hence, simple latching or bi-stability is achievable without the

need for any power supply. This ensures energy savings while

it also guarantees safety in case of power failure [27,28] (or in

case of a EDF strike…).

Bi-stability (when the system is stable in both positions:

ON/OFF, right/left etc) combines particularly well with

pulsed-switching currents which are used only for the

commutation between the two states.

Suspensions

Such permanent forces can also be implemented into

passive magnetic suspensions / bearings, providing an elegant

solution to the problem of friction in MEMS [29-32]. A

passive bearing is generally a structure of permanent magnets

such that levitation is ensured in 2 dimensions : the 3 rd

dimension is doomed to instability by Earnshaw's theorem

(extended to magnetostatics). This 3 rd dimension must be

stabilised using a mechanical contact, fluid or gas friction for

example (or electro-magnetic servo-control in the case of

active suspensions).

Long-range, remote or wireless actuation

Magnetic fields and gradients can be effective over long

distances relatively to the size of MEMS. This allows

large-throw and/or wide-angular actuators.

• Contactless magnetic interaction allows remote actuation

through sealed interfaces allowing wireless actuation or

vacuum packaging of resonant systems for high Q factors

(no air viscosity dampening). Also, remote actuation

through sealed interfaces makes magnetic actuators very

well suited to harsh environment (industrial, automotive)

or for medical applications, in lab-on-chip [33] or through

the skin [34].

• External magnets or macro-coils can be added to power

the microsystem thus avoiding integration of supply and

most by-effects such as embedded batteries or wire

connections. In some cases, this considerably simplifies

fabrication [35].

Design and optimization tools

Electromagnetism cannot be handled intuitively,

especially at very low scales for which expertise is only

presently being capitalised. For this reason, design and

optimisation tools must provide rapid and adaptive solutions to

the many potential devices needed: this implies analytical

models and derivation tools which take into account the exact

models of electro-magnetic actuation (field, gradient, force,

torque, stiffness…) as well as the specificity of the planar

dimensions of MEMS. The Mag-MEMS presented in the last

section of this paper have largely benefited from specific

design and optimisation tools (mainly CDI_Optimiser,

CADES and pro@Design®) developed in G2Elab [36-37].

The need for such specific tools cannot be overemphasised.

Furthermore, they provide automatic

programming of dedicated design/optimisation software

specifically generated for each new idea or structure [38].

Conclusion

Electromagnetic interactions deserve a larger interest from

the MEMS community. Mag-MEMS offer large forces, large

strokes, remote or distance control, bi-stability, robustness,

and high energy conversion efficiency... all with great potential

for new devices in many domains of applications.

The huge current densities experimentally reported at small

scales (10 4 to 10 6 A/mm 2 ) have been theoretically justified.

These, together with the recent development of highperformance

magnet thick films, and specific power supplies,

may soon greatly promote the development of Mag-MEMS

and convince the industry to rely on them.

II. BRIQUES DE BASE: µ-BOBINES, µ-AIMANTS ET MATÉRIAUX

MAGNÉTIQUES FONCTIONNELS

A. µ-coils

The main components of Mag-MEMS are µ-coils and µmagnets.

The µ-coils are well mastered by many laboratories

around the world, and they come in numerous shapes and sizes

(planar, spiral, multilayered, solenoid, meander, etc). Many

magnetic µ-sensors, as well as RF transmission antennas, use

µ-coils; similarly, Mag-MEMS require them to generate

variable fields and forces. A panorama and details can be

found in [39-41].

B. µ-aimant permanents hautes performances

Early researchers wisely remarked that permanent

magnets are vital to magnetic actuation but that unfortunately

their integration yet needed to be mastered. This is still one of

the obstacles today. The main revolution in Mag-MEMS will

certainly be triggered by the rapid progress which we are

currently witnessing in integrated, patterned thick-film


permanent magnets compatible with MEMS technologies.

Exciting developments are happening both in Europe and

Japan, which will allow the fabrication of fully-integrated

Mag-MEMS with many potential applications. A panorama of

various types of µ-magnets and their fabrication are reviewed

in [42-44].

A permanent magnet is equivalent to a coil with a constant

surface current density (Amperian current model). In other

words, if you want to produce the same magnetic field as a

permanent magnet but using a coil instead, you need to inject a

volumic current density in the coil which is inversely

proportional to its dimension. This means that, the equivalent

volumic current density in the competing µ-coil must increase

as k in order to keep up with permanent µ-magnets which

magnetisation would be as good as in bulk (i.e. 1~1.4 Tesla for

rare-earth magnets in general) [3, 21]. Although we have seen

that the admissible current density in coils actually does

increase in the same proportion, this means that µ-coils can

theoretically compete with µ-magnets. However, keep in mind

that this must be paid for by an increase in thermal losses and a

decrease in energy efficiency. As a consequence, µ-magnets

will be favoured every time that it is not necessary to use a

coil, i.e. for the generation of static magnetic fields and forces.

Nous venons de voir que les interactions magnétiques les

plus sympathiques aux petites dimensions mettent en jeu des

aimants permanents (Table 1). On s'efforcera donc d'intégrer

des aimants permanents aux Mag-MEMS à chaque fois que

cela sera possible. Plusieurs méthodes existent pour réaliser et

intégrer des µ-aimants permanents dans des MEMS [45-53].

La découpe et le micro-usinage à partir d'aimants massifs

aux terres rares (NdFeB, SmCo) permettent d'utiliser les

meilleures qualités d'aimants. Ils sont utilisés dans de

nombreux prototypes simples. Les limitations de la découpe se

situent surtout au niveau de la taille minimale (environ 100 à

500 µm de côté pour les SmCo et NdFeB respectivement)

avant que l'oxydation de surface ne détériore significativement

les propriétés magnétiques. Une autre limitation est la

complexité de géométrie, ainsi que la manipulation

individuelle de ces µ-aimants.

Le moulage de poudres liées permet de réaliser des

géométries plus complexes et dans des dimensions plus fines

[45]. La précision des contours est de quelques microns selon

les poudres utilisées et la méthode de µ-moulage. Les

limitations principales sont la taille des poudres (environ 1 µm

pour les ferrites et 30 µm pour les aimants aux terres rares),

ainsi que la baisse sensible de rémanence due à plusieurs

facteurs:

- ferrites beaucoup moins magnétiques que terres rares

(Br 0,6 < 1-1,4 T);

- poudres isotropes, donc ½ aimantation globale;

- liant et vides intergranulaires environ 10 %...

Une troisième méthode est l'électroformage d'alliages Co-

Pt et Fe-Pt par bain électrolytique [46]. Cette méthode est

parfaitement compatible avec les MEMS mais présente un

inconvénient majeur: les propriétés magnétiques de ces

matériaux (rémanence, coercivité, anisotropie) restent

médiocres si l'on ne les recuit pas vers 700 °C après dépôt.

Enfin, une méthode extrêmement prometteuse est le dépôt

de couches épaisses d'aimants aux terres rares par

pulvérisation cathodique (PVD, sputtering). Ces matériaux

présentent les meilleures propriétés magnétiques actuellement

disponibles (rémanence > 1,3 T, coercivité jusqu'à 3 T, forte

anisotropie et texturation). Based on the outstanding potential

of the sputtering process developed by the Moscow Institute of

Steel and Alloys (MISA) to produce high quality magnets for

Mag-MEMS [47], a triode sputtering machine with a high

deposition rate (≈ 20 µm/h) has been recently developed at

Institut Néel by Kornilov and Dempsey [48]. Il est ainsi

possible aujourd'hui de déposer des couches de 50 µm, et

jusqu'à 150 voire 400 µm dans certains cas. Les traitements

thermiques nécessaires à l'obtention de bonnes propriétés

magnétiques peuvent aller de 350 à 700 °C selon le procédé.

Ces principales méthodes présentent bien entendu des

avantages et des inconvénients, et un compromis est toujours

nécessaire. Le choix dépend généralement de la technologie

disponible localement, du caractère individuel ou collectif du

dispositif, des exigences de rendement/puissance, ou de divers

autres facteurs contextuels. Quelques autres méthodes sont

développées à la marge [49-53], mais on n'a hélas pas encore

trouvé le moyen idéal de réaliser des aimants épais d'excellente

qualité, qui soit compatible avec les µ-technologies… et si

possible rapide et pas cher!

Two important additional aspects currently emerging

alongside the fabrication of thick magnet films is their

patterning [48, 49] and their optimal magnetic orientation.

Exotic materials and hybridation

In addition to coils and magnets, a range of advanced

magnetic materials, both passive (soft ferromagnetic alloys)

and active (magnetostrictive, thermo-magnetic, multi-ferroic)

allow for innovative configurations. Some of these exotic

materials are dealt with in [54-55].

The major drawbacks of magnetic actuation are the by-effects

arising from the relatively high currents involved in

conventional magnetic actuation: the Joule losses in

conductors imply overheating which may call for cooling

techniques, but also energy wastage. One may dream to

overpass these problems by exploring other ways to modify

magnetic fields in order to obtain magnetic actuation. This

may be achieved by using exotic materials:

• thermal demagnetization of a ferromagnetic material [56];

• magnetic “reprogramming” of semi-hard materials by

demagnetization and remagnetization [57];


• thermal switching of ferrimagnetic & anti-ferromagnetic

materials [58];

• thermal reorientation of permanent magnets [58];

• strain-induced modulation of the magnetization of a

magnetostrictive material, by hybridization with a voltageactuated

piezoelectric element [59];

• Superconducting films can be used for levitation (Meissner

diamagnetic effect) and HTSC may be a future possible

solution for magnetizing Mag-MEMS for specific

applications (space, cryogenic systems...) [60]

Nevertheless, the use of specific magnetic materials in thin

or thick films and their integration is quite new, and only a

handful of articles report experimenting with the potential

application to Mag-MEMS. Many specific challenges still lay

ahead. Materials scientists should continue to develop and

improve thick-film patterned permanent magnets and other

relevant materials, which must be compatible with integrated

microtechnologies.

III. PROTOTYPES DE MAG-MEMS

Context

Magnetic µ-sensors are already well established in

commercial products (HDD read heads, fluxgates, RF

transmission coils, ABS sensors…). However, despite their

growing visibility only a handful of Mag-MEMS have so far

reached industrial production. Laboratory-developed

prototypes include RF µ-switches for mobile phones,

read/write heads and µ-position systems, optical µ-crossconnect

for fibre optic networks, µ-scanners, µ-motors for

less-invasive surgery or µ-robotics, µ-pumps or µ-valves for

lab-on-chip and µ-fluidic devices, electrical µ-generators for

autonomous power supplies, µ-mirrors for adaptive optics, µscanners

for retinal scanning displays, magnetic suspensions

for hard disk drives…

Prototypes développés à Grenoble

Nous avons développé à Grenoble plusieurs types de

Mag-MEMS en collaboration avec nos collègues et partenaires

locaux et également nationaux. Nous présentons ici les plus

pertinents dans le cadre de la µ-robotique. Il s'agit

d'actionneurs mais également de générateurs. Des détails sur

ces prototypes et un plus large éventail de réalisations au

niveau mondial sont disponibles dans la bibliographie

associée.

A. µ-relais à aimant mobile libre

Une nouvelle famille de µ-commutateurs bistables a été

développée en collaboration avec le CEA-LETI. Ces µcommutateurs

intégrés sur Si sont basés autour d'un aimant

mobile ayant deux positions stables: lorsqu'il est accolé à l'un

ou l'autre des deux aimants permanents fixes placés de chaque

côté. Les forces de maintien dans ces positions sont élevées

(car les µ-aimants sont au contact), et le commutateur peut

ainsi résister à des chocs de plusieurs centaines voire milliers

de G. Pendant le trajet, l'aimant mobile est en vol dans un

"tube" magnétique, sans contact avec le reste de la structure.

Ceci lui permet de ne pas perdre d'énergie en frottements ni en

déformation de µ-poutre ou autre dispositif de guidage, et

l'affranchit également d'hystérésis et/ou de non-linéarités

éventuelles dues aux mêmes phénomènes. Ce "tube"

magnétique est lui aussi très rigide: l'aimant mobile est guidé

très précisément durant le transit.

La commutation est déclenchée par force de Laplace lors

d'une impulsion de courant: les énergies électrique mises en

jeu sont de quelques µJ par pulse, avec des courants de l'ordre

de la fraction d'ampère sous des tensions inférieures au volt.

Ces systèmes sont bistables et ne consomment donc aucune

puissance au repos.

Nous avons d'abord développé une première série de µrelais

planaires [61], dont les aimants et les conducteurs sont

respectivement en Co-Pt et Cu, électroformés dans des

caissons SiO2. It may be used as an electrical µ-switch, as well

as in MOEMS, RF, or µ-fluidic applications. Transformation

into a bi-stable electrical switch configuration only requires an

additional layer of Cu conductors connecting the pairs of fixed

magnets which also act as open/closed contact areas (figure 1).

The CoPtP alloy µ-magnets are patterned during

electroplating. First trials indicate switching times of 30 µs and

actuation energy of 50 µJ per pulse. Ces µ-relais sont

actuellement re-développés pour une application µ-switch RF

pour satellite (ANR NanoMag).

FIGURE 1: TOP VIEW OF BI-STABLE µ-SWITCH FOR ELECTRICAL SIGNALS.

MOBILE MAGNET LENGTH CA. 250 µM

Out-of-plane bistable µ-switch

Nous avons développé à partir de ce premier µ-relais une

seconde famille travaillant hors-plan, ce qui permet un

débattement sur de grande distances (30-120 µm) ; on utilise

ici des substrats très similaires, superposés par flip-chip [62].

The bottom wafer is similar to the previous in-plane prototype;

a glass wafer containing symmetrical conductors and fixed

magnets is assembled on top of the bottom wafer, thus

encapsulating the mobile magnet (figure 2).


FIGURE 2: OUT-OF-PLANE BI-STABLE µ-SWITCH

BOTTOM WAFFER = SI ; TOP WAFFER = GLASS.

GLASS WAFFER DIMENSIONS 5 MM X 1.5 MM X 0.5 MM

The geometry and thus the technological fabrication steps

are more complex, as well as the design and optimisation

which take into account the stability.

Specific conductor geometry allows for pulsed switching

currents of up to 30 000 and 90 000 A/mm 2 ; however, great

reductions in the required switching currents were obtained

using the optimisation software CDI_Optimizer and

pro@Design® [36-37], and switching occurs within 300 µs

with current pulses as low as 300 mA.

B. µ-moteur - µ-générateur planaires à aimants

Dans le cadre d'un contrat DGA nous avons développé

avec le CEA une famille de µ-machines planaires semiintégrées

[63]. Il s'agit de machines synchrones à aimants dont

les stators triphasés sont entièrement intégrés en technologie

silicium double couche (CEA/LETI – figure 3) [64].

FIGURE 3: 3-PHASE SI-INTEGRATED Ø 8 MM STATOR COILS (FAB. LETI)

Les rotors en aimant massif NdFeB (Magnequench) ou

SmCo (Vaccum-Schmeltze) sont usiné par électroérosion [65].

Ils sont aimantés en 8 ou 15 paires de poles (figure 4).

FIGURE 4: BULK µ-MACHINED ø 8 MM ROTOR.

Dans un premier temps nous avons monté des moteurs sur

palier rubis, dans des boîtiers horlogers (Technotime

Besançon). En mode auto-piloté, ces moteurs ont fourni des

couples de l'ordre de 100 µNm jusqu'à 150 000 tr/min, sans

lubrification. Or ces pauvres paliers sont conçus pour des

rotations d'un tour toutes les deux secondes… nous avons donc

dû développer des paliers magnéto-pneumatiques: le rotor

flotte sur un coussin d'air et est maintenu radialement par un

centreur magnétique dont une bague est placée sous le stator et

l'autre est directement intégrée au rotor.

The µ-motors were driven at up to 275,000 rpm in

brushless mode on hybrid magneto-pneumatic bearings [63].

The speed was limited by the centrifugal explosion of the rotor

(rare earth magnets are very brittle materials).

In generator mode, the planar machine (driven by a dentist

turbine) converts about 5 W of electrical power at 400,000

rpm (rotor encased in a titanium adapter), with an efficiency

conversion of over 66 % (figure 5) [66]. The dedicated lowvoltage

electrical rectifier and converter was integrated into a

CMOS chip [67].

FIGURE 5: THREE-PHASE OUTPUT SIGNALS AT 385 000 RPM (5 W LOAD)


Work is in progress in collaboration with ONERA and

Silmach to integrate a high-efficiency Si-machined planar

turbine into the prototype, which will use combustion gases

from a low-temperature burner.

Other µ-generator projects include Allen's team at

Georgiatech [68] for high-power levels, as well as Holmes's at

Imperial College London [69] for low-power.

Optics

Deformable mirror for astronomy and ophthalmology

Ground-based telescopes suffer from atmospheric

turbulences which perturb the quality of the light arriving from

space. Astronomers use adaptive optics in order to correct the

wavefront of oncoming light. In this context, a first prototype

of electromagnetic miniature (ø 50 mm) deformable mirror

was developed, using micro-technologies available at IEMN in

Lille and LPMO in Besançon [70].

The first mirrors were composed of a thin polymer

membrane (2 to 5 µm) onto which was glued a matrix of

permanent µ-magnets, and of an array of planar µ-coils on a ø

50 mm substrate facing the membrane. The second generation

of mirrors uses 10 µm thick Si membranes developed at LETI,

and mechanically wound coils.

The behavior of the mirror allows deformations of up to

100 µm with currents in the range 1~3 A. Good linearity of the

deformation is observed up to 200 Hz, and best-flat down to a

few nm is achieved. The devices are now commercialised by

Imagine-Optics and Imagine-eyes, for both astronomy and

ophthalmology applications [71]. Magnetic actuation allows

for smaller pixels and more compact mirrors with huge

dynamics and fast response.

Other Mag-MOEMS

Many other optical Mag-MEMS can be found in the

literature. Most of them are magnetically activated mirrors for

scanners and fiber optic switching [72-74].

Other potential applications

We have described here only the Mag-MEMS developed

in Grenoble. Within the last decade, a great number of articles

have been published describing many prototypes of Mag-

MEMS with applications in a wide range of domains. The

reader is encouraged to explore in depth and width the many

excellent journals and conference proceedings, among which

the following ones are noteworthy:

• Journals: Journal of Micro Electro-Mechanical

Systems (JMEMS), Journal of Microsystems and

Microtechnology, Sensors and Actuators A

• Conferences: MEMS, Actuator, Transducers,

Intermag, MME, EMSA, Mecatronics

Power supplies, control, cooling

While electrostatic actuators use ‘high’ voltages and low

currents, Mag-MEMS require ‘high’ currents and low

voltages. Current pulses, if used, need faster control. Hence,

final performances highly rely on working conditions and

development of appropriate integrated supplies and coolers.

Also, for µ-sources, specifically dedicated power-electronics is

required in order to make use of the often low-voltage,

sometimes erratic energy and power levels produced by µgenerators.

Recent work on a converter for the above

mentioned µ-turbo-generator has yielded excellent results [67].

REMERCIEMENTS

Les Mag-MEMS présentés ici sont le fruit de nos

fructueuses collaborations principalement avec l'Institut Néel

(CNRS) et le CEA/LETI à Grenoble, et désormais au sein de

MINATEC. Ces projets sont financés par la DGA, le CNRS, le

Ministère de la Recherche et la Région entre autres.

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