Actionnements couramment mis en jeu dans les MEMS

Actionnements couramment mis en jeu dans les MEMS

Actionnement électrostatique 

L’actionnement électrostatique exploite le principe d’un condensateur variable. En appliquant un potentiel électrique entre 2 surfaces séparées par un isolant, des charges de signe opposé s’accumulent sur ces surfaces, et il apparaît alors une force attractive entre ces 2 surfaces.

Les MEMS électrostatiques requièrent des champs électrostatiques (et donc des tensions) importants, ce qui est un inconvénient, mais la consommation est faible : outre les courants de fuite, des courants apparaissent pour charger les capacités, mais, étant donné les fortes valeurs de tensions, les intensités du courant sont généralement très faibles. Les tensions d’actionnement sont limitées par le claquage (arc électrique) ; la tension de claquage dépend de la pression multipliée par l’espace entre électrodes, tel qu’indiqué par la courbe de Paschen [4]. Aussi, les MEMS électrostatiques sont souvent packagés sous vide. Néanmoins, la tension est principalement limitée par les alimentations. Les MEMS électrostatiques présentent de plus l’inconvénient d’attirer les poussières. Par ailleurs, les densités de forces obtenues et donc les pressions de contact sont relativement faibles : pour une distance de séparation de 2 µm entre les surfaces du condensateur et une tension de 100 V, on obtient une pression d’environ 11000 Pa, soit 0.11 bar. Les forces sont donc relativement faibles et décroissent rapidement avec la distance ; on peut toutefois augmenter ces forces en augmentant les surfaces en regard par des configurations en peigne (« comb-drive») [5] ou par le zipping (poutre courbée en contact partiel avec le substrat) .

Enfin, étant donné que la force n’apparaît que lorsqu’une tension est appliquée et qu’elle est toujours attractive, la bistabilité est difficile à mettre en œuvre. Il existe toutefois des solutions, l’une d’entre elle consistant à utiliser une poutre précontrainte avec 2 positions stables en flambage. L’actionnement électrostatique n’est alors utilisée que pour faire passer la poutre d’un position mécaniquement stable à une autre. Toutefois, cette configuration présente des difficultés liées aux contraintes dans les matériaux et à des forces de commutation très importantes.

Actionnement thermique

L’actionnement thermique peut générer des forces importantes, mais ce mode d’actionnement est assez lent à l’échelle centimétrique [7] (toutefois la réduction des échelles réduit l’inertie thermique et permet des vitesses d’actionnement plus rapides). Etant donné les faibles valeurs de dilatation thermiques, il est le plus souvent utilisé en bilame. On exploite alors la différence de déformation entre 2 matériaux qui sont chauffés par effet Joule à des températures différentes et/ou ont des coefficients de dilatation thermique différents.

Pour les mêmes raisons que précédemment, la bistabilité est difficile à mettre en œuvre. On peut toutefois, comme cela a été déjà mentionné, utiliser une structure avec une poutre enflambage. Ce principe de bistabilité convient particulièrement à ce principe d’actionnement étant donné les forces importantes générées.

Un tel microswitch, d’une taille d’environ 1 cm, a été réalisé par Qiu au MIT [8]. Ce relais peut commuter en 1 ms et, dans l’état passant, présente une résistance de contact de 60 mΩ pour 1 mN de force de contact et peut supporter jusqu’à 3 A.

Actionnement piézoélectrique 

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui se déforment lorsqu’on leur applique une tension. Ils sont capables de délivrer des forces importantes, ont des temps de réponse rapide et consomment peu si les courants de fuite sont bien contrôlés, ce qui est le cas en quasi-statique. Toutefois ils présentent de petites déformations (<0.2 % en couche) ; aussi, on les utilise couramment dans les MEMS selon le principe du bilame [7]. Ainsi, une faible déformation longitudinale du piézoélectrique peut entraîner une déflection transversale importante d’une poutre.

Les actionneurs piézoélectriques ont été utilisés par exemple pour des micropompes [9], des applications médicales [10] ou pour des têtes d’imprimante [7]. Etant donné qu’il n’y a pas de force générée en l’absence de tension appliquée, la bistabilité est difficile à mettre en œuvre. Toutefois, le principe de poutre précontrainte peut être utilisé, avec les difficultés déjà soulignées.

Actionnement magnétostrictif 

Les matériaux magnétostrictifs sont des matériaux qui se déforment en présence d’un champ magnétique. Le principe est le même que pour les matériaux piézoélectriques, à la différence que c’est un champ magnétique et non plus un champ électrique qui provoque une déformation. L’avantage, par rapport à l’actionnement piézoélectrique, est qu’il n’y a pas besoin de liaisons électriques. Les matériaux couramment utilisés sont des alliages de terres rares et de métaux de transition tel le Terfenol-D (TbDyFe). Ils présentent des déformations très faibles (exemple : 0.03 % pour un film de TbFe rapporté par Tiercelin [11]). L’actionnement magnétostrictif utilise lui aussi couramment le principe du bilame. Il permet de faire des actionneurs comme des micro-pompes [12] ou des capteurs de champs magnétiques. Osiander [13] a fabriqué un magnétomètre grâce à une poutre en Si recouverte de Terfenol-D. Son dispositif permet de mesurer un champ magnétique soit en mesurant la déflexion statique de la poutre, soit en mesurant la fréquence de résonance sous un champ magnétique alternatif. La précision de ce magnétomètre est de 1µT.

Alliages à mémoire de forme (AMF) 

Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux dont la déformation irréversible se fait par changement de phase cristallographique. Ils possèdent une phase dite martensitique et une phase dite austénitique, cette dernière possédant une symétrie plus importante. En chauffant un AMF après déformation, on induit un changement de phase vers la phase de départ, ce qui permet au matériau de retrouver sa forme avant déformation. Les AMF peuvent produire des forces très importantes et ont une vitesse d’actionnement lente [7]. Un alliage très couramment utilisé pour ce type de propriété est le TiNi. Un des problèmes majeurs pour utiliser ces matériaux dans des MEMS est qu’il faut coupler l’AMF avec un actionnement supplémentaire pour, au départ, induire la déformation dans l’AMF.

Table des matières

Introduction
I Actionnements couramment mis en jeu dans les MEMS
I.1 Actionnement électrostatique
I.2 Actionnement thermique
I.3 Actionnement piézoélectrique
I.4 Actionnement magnétostrictif
I.5 Alliages à mémoire de forme (AMF)
II Actionnement magnétique
Lois d’échelle
Conclusion
III Les MEMS RAIMI
III.1 RAIMI 1
III.2 Tests du micro-relais RAIMI2
IV Objectifs de la thèse
Bibliographie
Chapitre 1 : Dimensionnement de nouveaux microsystèmes magnétiques
I Outils de simulation
I.1 Flux2D
I.2 Dipole3D
II Premières pistes
II.1 Systèmes à aimantation dans le plan
II.2 Systèmes à aimantation hors du plan
Conclusion préliminaire
III Dimensionnement
III.1 Dimensionnement des micro-relais Nanomag
III.2 Pour aller plus loin
IV Simulations dynamiques
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 : Dépôt et étude de couches magnétiques dures
Introduction
I Matériaux magnétiques durs
I.1 Composé Nd2Fe14B
I.2 Composés SmCo
I.3 Composé FePt
I.4 Aimants massifs, propriétés extrinsèques
II Dépôts de matériaux magnétiques durs en couches – Etat de l’art
II.1 Techniques de dépôt
II.2 Etat de l’art : couche de NdFeB
II.3 Etat de l’art : couches de SmCo
Conclusion
III Techniques de dépôt et de caractérisation
IV Films de NdFeB
IV.1 Généralités
IV.2 Influence de la distance cible-substrat
IV.3 Influence de la température de dépôt
IV.4 Influence du recuit
IV.5 Influence de la sous-couche
IV.6 Homogénéité du dépôt
IV.7 Influence de la tension de la cible
IV.8 Problèmes mécaniques
IV.9 Couche très épaisses
IV.10 Mécanisme de coercivité
V Films de SmCo
V.1 Généralités
V.2 Couches de SmCo obtenues avec une cible de 3cm de diamètre
V.3 Couches de SmCo obtenues avec une cible de 9x9cm²
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 : Intégration de matériaux magnétiques durs dans un process de microtechnologie
I Process Nanomag
I.1 Description de l’empilement technologique
I.2 Briques de bases impliquant les matériaux magnétiques
II Remplissage de caissons
III Gravure chimique
IV Planarisation
Conclusion
Bibliographie
Conclusions

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