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.
r²
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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