Microsystèmes Magnétiques Mag-MEMS - Solutions Cades

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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).
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