Soutenance mémoire
Dispositifs magnétiques conçus par microfabrication
Le développement croissant des technologies appliquées au domaine de la santé, de l’optique ou encore de l’énergie s’est accompagné de l’essor d’un nouveau marché depuis les années 1980 : celui des dispositifs micrométriques. Ils sont classiquement réalisés en salle blanche qui est un environnement dans lequel la concentration de particules, la température, et le taux d’humidité sont contrôlés afin de minimiser l’introduction d’impuretés au sein des étapes de fabrication et d’assurer la reproductibilité des procédés. Le développement de nouveaux matériaux étant généralement réalisé parallèlement, leur intégration dans un procédé industriel doit prendre en compte les contraintes dues à l’environnement de fabrication.
Les capteurs et actionneurs MEMS font appel à divers moyens de transduction qui permettent de les mettre en mouvement et de détecter leurs déplacements. Parmi les moyens de transduction les plus utilisés, comme la transduction électrostatique, thermique, ou piézorésistive, la transduction électromagnétique offre une large bande passante, un comportement linéaire, et un actionnement bidirectionnelle à faible tension [1]. Ces types de transduction sont de plus caractérisés par des résolutions et des gammes de déplacements ainsi que des forces spécifiques. Par exemple, les actionneurs électrostatiques offrent une force exercée relativement faible, se situant entre 1 µN et 1 mN, mais de larges déplacements, jusqu’à 200 µm, tandis que les actionneurs piézoélectriques exercent des forces comprises entre 10 µN et 1 mN avec un déplacement maximal compris entre 0,1 µm et 1 mm. Dans le cas de l’actionnement magnétique, ce déplacement est compris entre 10 µm et 1 mm, tandis que la force exercée se situe entre 0,1 µN et 0,1 mN. Cette gamme de force relativement faible .
MEMS actionnés par la force de Lorentz
On peut distinguer une première catégorie de MEMS actionnés par la force de Lorentz. Pour obtenir cette force, un courant circule dans un conducteur placé sur la structure mobile perpendiculairement à un champ magnétique statique appliqué dans le plan qui crée une force orthogonale au plan vérifiant la relation :
?⃗ = ?. ?⃗ ∧ ?⃗ (1.1)
avec : ? la charge de la particule, ?⃗ la vitesse des charges (ici les électrons) et ?⃗ l’induction magnétique locale .
Pour un courant d’actionnement constant, une augmentation de l’induction magnétique permet donc d’augmenter la force produite sur l’élément conducteur situé à une certaine distance de la source d’aimantation. Cette force est utilisée pour actionner des relais, des micro-miroirs ou encore des résonateurs et bénéficie d’une forte amplitude à longue distance, comparée à des actionnements de type électrostatique .
Relais magnétiques
Un relais est un composant permettant la commutation d’un état ouvert à un état fermé d’une piste électrique afin de contrôler sa conductivité. Les relais de type MEMS utilisent un effet mécanique en basculant un élément mobile entre deux parties conductrices pour réaliser ou non un contact ohmique [4]. Ces relais mécaniques offrent l’avantage d’une faible consommation en énergie ainsi que d’un bon maintien de l’état ouvert pour des signaux hautes fréquences comparé à des dispositifs semi-conducteurs. Leurs inconvénients reposent sur leur faible vitesse d’actionnement et leur peu de fiabilité sur le long terme, principalement due aux dommages occasionnés sur le contact métallique suite à des impacts répétés. La miniaturisation complète du dispositif fait également face à un verrou technologique : un flux d’induction magnétique important est nécessaire, mobilisant à l’heure actuelle des aimants permanents de taille centimétrique.
Les travaux de Cho et al [5] [6] montrent la réalisation de relais combinant un actionnement électromagnétique à un maintien électrostatique . Cette méthode permet d’assurer un bon blocage tout en consommant peu d’énergie.
La piste d’actionnement alimente une bobine déposée sur la membrane. Celle-ci présente une partie métallique sur le côté opposé créant, lors de la flexion, un contact entre deux pistes métalliques parcourues par des signaux. Une électrode, déposée sous la membrane, permet d’assurer un bon maintien électrostatique de celle-ci en position fléchie. Deux aimants permanents externes génèrent une induction magnétique de 220 mT sur le dispositif, nécessaire pour appliquer une force électromagnétique de 20 µN sur la membrane parcourue par un courant d’actionnement de 50 mA. L’énergie consommée pour chaque cycle est d’environ 88 µJ en appliquant une tension électrostatique inférieure à 3,7 V.
Micro-miroirs
Une autre application de la force de Lorentz consiste à maitriser la direction de propagation de la lumière via un réseau de micro-miroirs de taille sub millimétriques arrangés de façon périodique. Ils présentent divers degrés de liberté, contrôlant ainsi la réflexion de la lumière à la surface [7]. Ils sont à l’origine de nombreuses applications dans le domaine de l’optique et des télécommunications, et leur miniaturisation a permis le développement des vidéoprojecteurs à bas coût pour le grand public.
Nagasawa et al [8] ont élaboré des micro-miroirs résonants réalisant des rotations autour des axes x et y et une translation suivant l’axe z à l’aide d’une seule piste d’actionnement . Pour cela, deux bras maintiennent la partie mobile et présentent des fréquences de résonance différentes. Un signal déphasé parcourt la piste et possède une amplitude différente pour chaque fréquence. Un couple s’applique alors sur la partie mobile grâce au couplage entre le courant et l’induction magnétique de 320 mT générée par un aimant permanent extérieur placé en diagonale dans le plan (xy).
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Table des matières
Introduction
Bibliographie de l’introduction
Chapitre 1. Etat de l’art : MEMS, magnétisme et élaboration d’aimants
I. Dispositifs magnétiques conçus par microfabrication
I.1 – MEMS actionnés par la force de Lorentz
a. Relais magnétiques
b. Micro-miroirs
c. Capteurs de force
I.2 – MEMS exploitant la force électromotrice par la loi de Faraday
I.3 – Dispositifs magnéto-optiques : utilisation de l’effet Faraday
II. Caractéristiques et performances des aimants permanents
II.1 – Caractéristiques issues du cycle en aimantation M(H)
II.2 – Cycle en induction B(H) : obtention du produit énergétique maximum
III. Dépôt de couches magnétiques : procédés et performances
III.1 – Utilisation de poudres magnétiques
III.2 – Dépôt par voie électrochimique
III.3 – Dépôt par ablation laser pulsée
III.4 – Dépôt par pulvérisation cathodique
III.5 – Assemblage bottom-up de nanoparticules synthétisées par voie chimique
IV. Conclusion : critères de performance et degré d’intégrabilité
Bibliographie du chapitre 1
Chapitre 2. Elaboration et caractérisation d’assemblées denses de nanobâtonnets de cobalt
I. Synthèse de nanobâtonnets de cobalt
I.1 – Etat de l’art
a. Electrochimie au sein de membranes nanoporeuses
b. Réduction chimique en phase liquide
c. Synthèse par voie polyol
I.2 – Synthèse du précurseur : caractérisation et effet sur la synthèse
a. Variation de la nature du précurseur en fonction du temps de séchage
b. Influence du type de précurseur sur la forme des nanobâtonnets synthétisés
I.3 – Synthèses sous argon
I.4 – Reproductibilité des synthèses sous air
I.5 – Conclusion sur les synthèses
II. Alignement de nanobâtonnets de cobalt
II.1 – Protocole d’alignement classique
II.2 – Caractérisations de la texture des alignements
a. Diffractogramme DRX en configuration θ-θ
b. Analyse de la texture par diffraction des rayons X
c. Optimisation de l’alignement des NBs
III. Cartographie du champ magnétique rayonné par la couche magnétique nanostructurée
III.1 – Induction magnétique : mesures par micro-sonde à effet Hall et simulations par éléments finis
a. Réalisation et fonctionnement du banc de mesure associé à la microsonde à effet Hall
b. Simulation d’aimants permanents sous Comsol Multiphysics
III.2 – Influence de la qualité du matériau sur le champ rayonné
IV. Performances de la couche nanostructurée : actionnement de dispositifs MEMS
IV.1 – Fonctionnement des MEMS étudiés et du banc de mesures
IV.2 – Preuve de concept de l’actionnement par report d’aimant nanostructuré
a. Report d’aiguille nanostructurée sur membrane MEMS
b. Actionnement d’un bras de levier
V. Conclusion du chapitre 2
Bibliographie du chapitre 2
Chapitre 3. Mise en forme et caractérisation de micro-aimants nanostructurés
I. Introduction
II. Simulations préliminaires et cahier des charges
II.1 – Influence du volume de l’aimant sur l’induction magnétique générée
II.2 – Influence de la forme de l’aimant sur l’induction magnétique
III. Etat de l’art sur les dépôts localisés de particules magnétiques et résultats préliminaires
III.1 – Couche dense mise en forme par gravure
III.2 – Dépôt localisé
a. Dépôt par impression jet d’encre
b. Dépôt par sérigraphie
III.3 – Techniques d’auto-assemblage capillaires de nanoparticules
a. Structuration topographique
b. Structuration chimique
c. Assemblage assisté par force électrique et magnétique
IV. Assemblage dirigé d’aimants autosupportés par magnétophorèse
IV.1 – Protocole expérimental
IV.2 – Simulation du mouvement des particules sous Comsol Multiphysics
IV.3 – Caractérisations de l’aimant millimétrique obtenu par magnétophorèse
a. Propriétés structurales
b. Propriétés magnétiques et performances d’actionnement
V. Assemblage dirigé par magnétophorèse sur substrat
V.1 – Protocole d’alignement : détails expérimentaux
a. Réalisation du substrat
b. Protocole d’alignement et d’assemblage dirigé
V.2 – Contrôle de l’épaisseur des aimants
a. Epaisseur de 25 µm
b. Résultat standard d’un dépôt par magnétophorèse sur une épaisseur de 150 µm
c. Optimisation du dépôt par le nombre d’imprégnations et le nombre de séchages
V.3 – Influence de l’intensité du champ magnétique appliqué sur l’assemblage par magnétophorèse
a. Etude par simulations de la force magnétique agissant sur les particules
b. Influence de l’intensité du champ magnétique sur l’alignement
V.4 – Optimisation de la quantité de matière
a. Optimisation de la quantité de matière par fonctionnalisation de surface du substrat
b. Amélioration de la sélectivité du dépôt et de la matière consommée par l’utilisation de masque de résine
V.5 – Propriétés magnétiques des aimants obtenus
a. Influence de la longueur des plots de Ni
b. Influence de la qualité intrinsèque du matériau sur les propriétés magnétiques
VI. Perspectives : intégration dans un procédé de fabrication MEMS
VI.1 – Dépôt de l’aimant par report
VI.2 – Contraintes générales imposées par l’intégration de l’aimant dans un procédé
a. Risques de dégradation de l’aimant
b. Contraintes technologiques imposées par la réalisation de l’aimant
VI.3 – Pistes d’intégration
a. Procédé par usinage de volume du silicium
b. Procédé par usinage de surface
VII. Conclusion du chapitre 3
Bibliographie du chapitre 3
Conclusion générale
