Microsystèmes Magnétiques Mag-MEMS - Solutions Cades

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