Conception, modélisation et fabrication d'un micro-actionneur bistable, hors plan et magnétique

Designing, modeling and prototyping of a magnetic, bistable, out of plane micro-actuator

• Auteur / Autrice : Hervé Rostaing
• Direction : Orphée Cugat, Jérôme Delamare, Christel Dieppedale
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique (Grenoble1980-2006)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Benech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cian O'Mathuna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Ballandras, Martin A. M. Gijs

Résumé

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage

Magnets are gradually appearing in the world of micro-actuators and power MEMS, particularly for applications such as micro-switches. This PhD is devoted to the design, simulation and prototyping of a fully integrated micro-actuator with high vertical displacement, based on Copt permanent magnets. Its main characteristics are: high displacement (in excess of 100 um), low switching time (300 us for 100 um) and bistability. The commutation pulsed current is optimized for the lowest possible energy per pulse (minimum of 15 uJ). The main innovation of this design is that the moving part has no mechanical connection and is guided by magnetic levitation. The PhD adresses about the problems involved in the design (bistability, static and dynamic study), the thermal study (model and experiments) of the conductors supplied with high current densities (up to 90000 A/mm2), and the prototyping of our actuator in the LETI-CEA clean rooms (development and validation of the technological steps). The final steps and assembly are currently being finalised in CEA-LETI.