FR2857777A1 - Actionneur magnetique a levitation a temps de commutation et/ou courant d'actionnement reduits. - Google Patents

Abstract

Actionneur magnétique comportant une partie magnétique mobile (20), une partie magnétique fixe (10) avec au moins deux zones d'attraction (11, 12) pour la partie magnétique mobile (20), des moyens (30) de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile qui est en lévitation lorsqu'elle n'est pas en contact avec une zone d'attraction. La partie magnétique mobile comporte, dans le sens du déplacement, une succession alternée d'aimants (201) et d'une ou plusieurs portions (202) dans lesquelles un champ magnétique s'établit, le champ magnétique étant alterné dans un aimant (201) et une portion (202) successifs. Les moyens (30) de déclenchement du déplacement comportent, dans le sens du déplacement, un conducteur (30) avec une succession de tronçons (31.1, 31.2) dans lequel un courant est susceptible de circuler, le courant étant de sens opposés dans deux tronçons (31.1, 31.2) successifs, un aimant (201) et une portion (202) successifs coopérant avec deux tronçons successifs (31.1, 31.2) lors du déclenchement du déplacement.

Description

ACTIONNEUR MAGNETIQUE A LEVITATION A COURANT

D'ACTIONNEMENT ET/OU TEMPS DE COMMUTATION REDUITS DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention a pour objet un actionneur magnétique à lévitation à courant d'actionnement et/ou temps de commutation réduits et notamment un microactionneur réalisable par les techniques de la microtechnologie.

Ces actionneurs magnétiques possèdent une partie magnétique mobile et une partie magnétique fixe.

La partie magnétique mobile est en lévitation lorsqu'elle n'est pas collée à la partie magnétique fixe. De tels actionneurs sont très prometteurs et dans 15 l'avenir ils risquent concurrencer les systèmes à transistors pour faire de la commutation.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

On connaît par la demande de brevet 20 français FR-A1-2 828 000 déposée le 27 juillet 2001 au nom du demandeur, un actionneur magnétique qui comporte comme sur les figures 1A, lB, 1C une partie magnétique mobile 1, une partie magnétique fixe 2 présentant au moins deux zones d'attraction 2.1, 2.2 pour la partie 25 magnétique mobile 1 et des moyens 3 de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile 1. Le déplacement se fait dans le plan selon l'axe x dans le plan x, y. La partie magnétique mobile 1 est formée d'un aimant en forme de plaque rectangulaire dont la 30 direction d'aimantation est selon x dans le cas des figures 1A, lB, 1C. Lorsqu'elle n'est pas collée sur l'une des zones d'attraction 2.1, 2.2, la partie magnétique mobile 1 est en lévitation entre les deux zones d'attraction 2.1, 2.2. Sur les figures, les deux 5 zones d'attraction 2.1, 2.2 correspondent chacune à une paire d'aimants 2. la, 2.lb et 2.2a, 2.2b disjoints.

Chaque aimant 2.la, 2.lb et 2.2a, 2.2b est doté d'un contact électrique Cll, C12 et C21, C22 respectivement.

La partie magnétique mobile 1 est également dotée de 10 contacts électriques Cl, C2 placés sur des faces opposées qui sont les faces qui viennent en contact avec la partie magnétique fixe 2.

Lorsque la partie magnétique mobile 1 est collée sur la zone d'attraction 2.1 de gauche, le 15 contact Cl de la partie magnétique mobile 1 vient relier électriquement les deux contacts Cll, C12 de la zone d'attraction 2.1 et lorsque la partie magnétique mobile 1 est collée sur la zone d'attraction 2.2 de droite, son contact C2 vient relier électriquement les 20 deux contacts C21, C22 de la zone d'attraction 2.2. Le déclenchement du mouvement de la partie magnétique mobile 1 est initié par une impulsion de courant envoyée dans les moyens 3 de déclenchement du déplacement qui sont représentés dans cet exemple par 25 un conducteur agencé en boucle, à plusieurs spires, placé sous l'ensemble formé par la partie magnétique mobile 1 et la partie magnétique fixe 2 (dans le plan x, y). Ce bobinage comporte un tronçon de conducteur 3.1, 3.2 en regard de chaque zone d'attraction 2.1, 30 2.2. Ces tronçons 3.1, 3.2 sont reliés entre eux par deux autres tronçons 3.3. Dans les deux premiers tronçons 3. 1, 3.2 le courant circule en sens inverses.

La flèche indique un sens arbitraire de circulation du courant dans le bobinage. Dans cette configuration, la coopération au point de vue champ magnétique entre la 5 partie magnétique mobile 1 et le bobinage 3 n'est pas optimale. Le champ magnétique principal créé par l'aimant 1 est orienté dans le sens du déplacement (selon x), il sert à réaliser un guidage magnétique de la partie magnétique mobile 1 lorsqu'elle est en 10 lévitation et à obtenir une bistabilité. Pour initier le déplacement, on tire partie d'une fuite de champ magnétique provenant de l'aimant 1 qui se combine avec le courant électrique circulant dans les deux tronçons 3. 1, 3.2 de conducteur situés en regard des zones 15 d'attraction 2.1, 2.2. La force d'arrachement qui sert à initier le déplacement est proportionnelle au produit vectoriel de l'intensité du courant dans le tronçon 3.1 ou 3.2 de conducteur 3 en regard de la zone d'attraction 11 ou 12 sur laquelle est collée la partie 20 magnétique mobile 1 et du champ magnétique, créé par la partie magnétique mobile 1, et régnant au niveau du dudit tronçon 3.1, 3.2 de conducteur selon la loi de Laplace. Or le champ magnétique au niveau de ce tronçon 3.1, 3.2 de conducteur n'est pas optimal, puisque qu'on 25 n'utilise pas tout le champ magnétique créé par l'aimant 1 mais seulement une fuite. Les tronçons (référencé 3.3) du conducteur qui ne sont pas en vis à vis avec les zones d'attraction 11, 12 ne participent pas au déclenchement du déplacement. Pour que la force 30 soit suffisante pour décoller l'aimant 1, il faut faire circuler un courant important dans le conducteur 3.

Des actionneurs magnétiques de ce type possèdent un autre inconvénient qui est que leur temps de commutation n'est pas négligeable, au moins quelques microsecondes.

Un autre inconvénient présenté par de tels actionneurs magnétiques à lévitation est que la qualité du contact électrique risque de se dégrader après un grand nombre de commutations.

Par contre, ils possèdent un avantage qui 10 est que lorsqu'ils sont dans une position stable, leur partie magnétique mobile collée contre la partie magnétique fixe, ils ne consomment pas d'énergie électrique. Ce n'est pas le cas des transistors qui lorsqu'ils sont au repos consomment un peu d'énergie et 15 doivent continuer à être alimentés.

EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour but de proposer un actionneur magnétique à lévitation à 20 consommation de courant et/ou à temps de commutation réduits lors de l'actionnement.

Un autre but de l'invention est de proposer un actionneur magnétique ayant une qualité de contact améliorée et pérenne.

Pour atteindre ces buts, la présente invention est un actionneur magnétique comportant une partie magnétique mobile, une partie magnétique fixe dotée d'au moins deux zones d'attraction pour la partie magnétique mobile, et des moyens de déclenchement du 30 déplacement de la partie magnétique mobile. La partie magnétique mobile est en lévitation lorsqu'elle n'est pas en contact avec une zone d'attraction. Elle comporte, dans le sens du déplacement, une succession alternée d'aimants et d'une ou plusieurs portions dans lesquelles un champ magnétique s'établit, le champ 5 magnétique étant alterné dans un aimant et une portion successifs. Les moyens de déclenchement du déplacement comportent, dans le sens du déplacement, un conducteur avec une succession de tronçons, dans lequel un courant est susceptible de circuler, le courant étant de sens 10 opposés dans deux tronçons successifs, un aimant et une portion successifs coopérant avec deux tronçons successifs lors du déclenchement du déplacement.

Ainsi selon l'invention, on crée des zones d'interaction magnétique supplémentaires entre la 15 partie magnétique mobile et le conducteur, grâce à l'effet conjugué des tronçons de conducteurs et de la succession alternée d'aimants et de portions de la partie magnétique mobile. La création de ces zones d'interaction supplémentaires permet d'induire une 20 augmentation de la force d'actionnement de la partie magnétique mobile pour un courant donné circulant dans le conducteur. Ainsi soit la partie magnétique mobile sera commutée plus rapidement, pour un courant d'actionnement donné, soit le courant nécessaire à 25 l'actionnement sera réduit pour un temps de commutation donné. On peut également jouer sur le temps de commutation et le courant d'actionnement.

Les portions peuvent être réalisées dans un matériau amagnétique isolant, conducteur ou semi30 conducteur.

Les portions peuvent être vides de matériau solide ce qui allège la partie magnétique mobile. Elles peuvent comporter des trous traversants.

Dans une variante, les portions peuvent être en matériau magnétique.

La partie magnétique mobile peut être allégée en aimant et comporter un volume hors tout, et une masse qui est inférieure à celle qu'elle aurait si son volume hors tout était totalement occupé par des 10 aimants.

La partie magnétique mobile peut comporter un cadre en aimant.

Les aimants de la partie magnétique mobile peuvent être en forme de barreaux orientés sensiblement 15 normalement au sens du déplacement.

Il est préférable, pour maximiser la force de contact sur chacune des positions bistables, que la succession alternée comporte un aimant à chaque extrémité. On entend par bistabilité de l'actionneur, 20 les deux positions stables de la partie magnétique mobile contre les zones d'attraction de la partie magnétique fixe. Le déclenchement du déplacement par contre est dû à l'ensemble aimants plus moyens de déclenchement du déplacement. Bien sûr en fonction des 25 applications ou des caractéristiques magnétiques des aimants, il peut être intéressant aussi de disposer à chaque extrémité de la succession un autre matériau que celui utilisé pour les aimants de la succession.

Il est également préférable, notamment pour 30 faciliter la commande du déclenchement du déplacement, qu'au moins un aimant et/ou au moins une portion aient au moins une dimension sensiblement égale au déplacement. Cette dimension est de préférence sa largeur.

Le conducteur peut être agencé en méandre.

On entend par conducteur agencé en méandre toute géométrie de conducteur formé de tronçons apte à conduire un courant électrique global dans un même sens dans le ou les tronçons qui sont en vis à vis de chaque aimant et dans un même sens opposé dans le ou les 10 tronçons qui sont en vis à vis de chaque portion.

On peut donner à la partie magnétique mobile une forme de plaque sensiblement rectangulaire, circulaire ou ovoïde.

Pour améliorer la qualité du contact, la 15 partie magnétique mobile peut comporter au moins une face, devant venir se coller sur une zone d'attraction, cette face étant courbe ou en zigzag.

Pour assurer un bon contact, chaque zone d'attraction a une géométrie conjuguée de celle de la 20 face de la partie magnétique mobile devant venir en contact avec elle.

Au moins une des zones d'attraction peut comporter une partie diélectrique de manière à réaliser un contact capacitif lorsque la partie magnétique 25 mobile est collée sur ladite zone d'attraction.

Dans une variante, la partie magnétique mobile peut comporter une partie diélectrique de manière à réaliser un contact capacitif lorsque la partie magnétique mobile est collée sur une des zones 30 d'attraction.

La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un actionneur magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation dans un substrat de caissons 5 devant loger un conducteur avec une succession de tronçons dans lesquels un courant est susceptible de circuler, le courant étant de sens opposé dans deux tronçons successifs, dépôt d'un matériau conducteur apte à 10 former le conducteur dans les caissons, dépôt d'isolant au-dessus du conducteur, dépôt d'une couche sacrificielle au-dessus du conducteur, réalisation d'aimants de part et d'autre de 15 la couche sacrificielle destinés à former une partie magnétique fixe avec au moins deux zones d'attraction pour une partie magnétique mobile, réalisation au-dessus de la couche sacrificielle de la partie magnétique mobile avec, dans 20 le sens du déplacement, une succession alternée d'aimants et d'une ou plusieurs portions dans lesquelles un champ magnétique s'établit, le champ magnétique étant alterné dans un aimant et une portion successifs, retrait de la couche sacrificielle de manière à libérer la partie magnétique mobile.

La libération de la partie magnétique mobile, selon le procédé de l'invention, peut être facilité lorsque les portions de ladite partie sont 30 vides de matériau ou comportent des trous traversants.

Le procédé peut comporter une étape d'oxydation du substrat après réalisation des caissons avant le dépôt du matériau du conducteur pour isoler le conducteur du substrat.

Le procédé peut comporter une étape de dépôt d'une sous-couche conductrice d'accrochage avant le dépôt du matériau du conducteur dans les caissons.

Le procédé peut comporter une étape de planarisation du matériau du conducteur.

Le procédé peut comporter une étape de réalisation de plots de contacts aux extrémités du conducteur.

Cette étape peut être suivie d'une étape de réalisation d'accès à ces plots à travers l'isolant.

Le procédé peut comporter une étape de dépôt de contacts sur les aimants des parties magnétiques fixe et mobile.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures lA, lB, lC, déjà décrites, montrent un actionneur magnétique connu; les figures 2A, 2B montrent un premier exemple d'actionneur magnétique selon l'invention avec une partie magnétique mobile formée d'une succession 30 alternée d'aimants ayant des directions d'aimantation opposées; les figures 3A, 3B montrent un autre exemple d'un actionneur magnétique selon l'invention avec une partie magnétique mobile dotée de fentes; les figures 4A, 4B montrent encore un exemple d'actionneur magnétique selon l'invention avec une pièce magnétique mobile formée d'un cadre en aimant; la figure 5 montre un autre exemple de 10 partie magnétique mobile formée d'une succession de barreaux en aimants et en matériau amagnétique; les figures 6A, 6B montrent un actionneur magnétique selon l'invention avec une partie magnétique mobile respectivement ovoïde et dont le bord est en 15 zigzag; les figures 7A à 7R montrent différentes étapes d'un exemple de procédé de réalisation d'un actionneur magnétique selon l'invention.

Des parties identiques, similaires ou 20 équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une 25 échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère aux figures 2A et 2B qui 30 montrent un premier exemple pour la partie magnétique mobile 20, la partie magnétique fixe 10 et les moyens de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile 20 d'un actionneur magnétique selon l'invention. Ce déplacement se fait dans un plan x, y, le long de l'axe x.

Dans cet exemple, la partie magnétique fixe comporte deux pièces magnétiques 111, 121 en regard formant chacune une zone d'attraction 11, 12 respectivement. Chacune des zones d'attraction 11, 12 est dotée d'un contact électrique C10, C20 10 respectivement. Le champ magnétique dans ces pièces magnétiques 111, 121 est le même, il est sensiblement orienté selon l'axe z et il est de sens opposé à celui des aimants 201 les plus extrêmes de la partie magnétique mobile 20. La structure de la partie 15 magnétique mobile 20 est décrite plus loin.

Ces pièces magnétiques 111, 121 peuvent être réalisées en un matériau choisi dans le groupe des matériaux magnétiques durs, des matériaux magnétiques doux, des matériaux à hystérésis, ces matériaux étant 20 pris seuls ou en combinaison. Les matériaux cités pourraient être pris en combinaison avec des matériaux supraconducteurs, des matériaux diamagnétiques.

Les matériaux magnétiques doux tels que le fer, le nickel, des alliages à base de fer-nickel, de 25 fer-cobalt, de fer-silicium etc., s'aimantent en fonction d'un champ inducteur auquel ils sont soumis.

Les matériaux magnétiques durs correspondent aux aimants tels que les aimants en ferrite, les aimants à base de samarium-cobalt, les aimants à base de néodyme30 fer-bore, les aimants à base de platine-cobalt, de ferplatine. Leur aimantation dépend peu du champ magnétique extérieur. Les matériaux à hystérésis, par exemple de type aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo), ont des propriétés qui se situent entre celles des matériaux magnétiques doux et celles des matériaux 5 magnétiques durs. Ils sont sensibles au champ magnétique dans lequel ils se trouvent. Quant aux matériaux diamagnétiques tels que le bismuth ou le graphite pyrolitique, leur aimantation est colinéaire au champ magnétique inducteur mais de sens opposé. Les 10 matériaux supra-conducteurs pourraient être des alliages nobium-titane (NbTi), yttrium-barium-cuivreoxygène (YBaCuO) par exemple. Il peut être préférable de réaliser les pièces magnétiques 111, 112 de la partie magnétique fixe 10 en matériau magnétique doux 15 plutôt qu'en aimant (matériau magnétique dur) car il n'est pas aisé lors d'une fabrication avec les techniques de la microélectronique d'aimanter en sens inverses des aimants de même nature.

Sur la figure 2A, la partie magnétique 20 mobile 20 est représentée collée contre la zone d'attraction 11. Sur la figure 2B, elle est représentée en lévitation en position instable entre les deux zones d'attraction 11, 12. On suppose qu'elle est en train de se déplacer pour venir se coller contre la zone 25 d'attraction 12 comme l'illustre la flèche.

La partie magnétique mobile 20 comporte une pièce 200 à base d'aimant, formée dans le sens du déplacement, d'une succession alternée d'aimants 201 et d'une ou plusieurs portions 202 dans lesquelles un 30 champ magnétique s'établit, dans un aimant 201 et une portion 202 successifs, le champ magnétique étant alterné.

Les faces de la pièce à base d'aimant 200 devant venir en contact avec les zones d'attraction 11, 12 sont dotées de contact Cl, C2 électriques.

Dans cet exemple, les portions 202 sont d'autres aimants possédant tous une direction d'aimantation opposée à celle des premiers aimants 201.

Les aimants 201, 202 sont des barreaux d'aimants 10 accolés fixés les uns aux autres. Ils sont dirigés sensiblement selon l'axe y normalement à la direction du déplacement. Le champ magnétique est donc multipolaire et alterné au niveau de la partie magnétique mobile 20.

Les aimants peuvent par exemple être des aimants en ferrite, des aimants à base de samariumcobalt, des aimants à base de néodyme-fer-bore, des aimants à base de platine-cobalt, de fer-platine etc. Les moyens 30 de déclenchement du 20 déplacement comportent, dans le sens du déplacement, un conducteur 31 configuré en une succession de tronçons 31.1, 31.2 dans lesquels un courant est susceptible de circuler. Le conducteur 31 se termine à ses extrémités par une piste conductrice 31.3 et un plot de contact 25 31.4. Le conducteur 31 est agencé en méandre. La partie magnétique mobile 20 et le conducteur 31 sont superposés. Le courant circule dans des sens opposés dans deux tronçons 31.1, 31.2 consécutifs: dans un tronçon 31.1 le courant circule dans un sens 30 correspondant à un chemin aller et dans un tronçon 31.2 voisin le courant circule en sens inverse correspondant à un chemin retour pour le courant. Les différents tronçons 31.1, 31.2 de conducteur sont dirigés comme les barreaux d'aimants 201, 202 selon l'axe y. Chaque aimant 201 se trouve en vis à vis d'un tronçon 31.1 de 5 conducteur lorsque la partie magnétique mobile 20 est collée à la zone d'attraction 11 ou en vis à vis d'un tronçon 31.2 lorsque la partie magnétique mobile 20 est collée à la zone d'attraction 12. Il coopère avec ce tronçon de conducteur 31.1 ou 31.2 selon la position. 10 Il en est de même pour chacun des aimants 202 qui se trouve en vis à vis d'un tronçon 31.2 lorsque la partie magnétique mobile 20 est collée à la zone d'attraction 11 et en vis à vis d'un tronçon 31.1 lorsque la partie magnétique mobile 20 est collée à la zone d'attraction 15 12. On définit ainsi, dans chacune des positions, une succession de couples aimants- tronçons de conducteur.

Il existe plus de tronçons de conducteur que d'aimants, pour conserver ces couples aimants-tronçons de conducteur quelle que soit la position de la partie 20 magnétique mobile 20 collée contre une zone d'attraction 11, 12.

L'invention n'est pas limitée à la géométrie simple en grecque du conducteur en méandre représenté sur la figure 2A. Des géométries plus 25 complexes sont envisageables, par exemple en méandre spiralé dans un ou plusieurs plans superposés. Ainsi selon l'invention, le conducteur peut être simple ou multiple sur un ou plusieurs niveaux situés éventuellement de part et d'autre de la partie 30 magnétique mobile.

Lorsqu'une impulsion de courant est injectée dans le conducteur 31, que la partie magnétique mobile 20 soit collée contre l'une 11 des zones d'attraction ou contre l'autre zone d'attraction 5 12, le champ magnétique d'un aimant 201, 202 se combine avec le courant dans le tronçon de conducteur avec lequel il coopère pour créer une force élémentaire de déplacement de la partie magnétique mobile 20. Les couples aimants-tronçons génèrent tous une force 10 élémentaire dans le même sens. Toutes ces forces élémentaires s'ajoutent pour former la force qui s'applique sur la partie magnétique mobile 20 pour la décoller d'une zone d'attraction 11 respectivement 12.

Ensuite lors de son déplacement la partie magnétique 15 mobile 20 est guidée magnétiquement grâce à la coopération magnétique entre la partie magnétique fixe 10 et la partie magnétique mobile 20 et elle vient se coller contre l'autre zone d'attraction 12 respectivement 11. Pour la décoller de la zone 20 d'attraction 12, on procède de même.

Par rapport à l'exemple des figures 1, avec un courant de même intensité circulant dans le conducteur, on peut obtenir une force d'arrachement plus grande si le conducteur 31 est configuré avec plusieurs méandres, c'est à dire plusieurs ensembles formés chacun d'un tronçon aller 31.1 et d'un tronçon retour 31.2. Dans l'exemple il y a cinq méandres. Si l'on souhaite obtenir une force donnée, le courant sera sensiblement inversement proportionnel au nombre de 30 méandres.

I1 est préférable qu'au moins un aimant et/ou au moins une portion aient au moins une dimension sensiblement égale au déplacement. Une configuration avantageuse au point de vue champ magnétique est que 5 tous les aimants de la succession alternée aient sensiblement la même section (dans le plan x, z). C'est encore meilleur si la hauteur h d'un aimant (dimension selon z) soit sensiblement égale à sa largeur 1 dimension selon x. Cette dimension 1 est ensuite 10 appelée pas de la succession alternée.

Si le pas 1 de la succession alternée est sensiblement égal au déplacement appelé aussi entrefer e, une impulsion de courant unidirectionnelle injectée dans le conducteur 31 permet de déclencher le 15 déplacement dans un sens ou dans l'autre quelle que soit la position de départ. On peut alors simplifier considérablement la commande de courant. L'impulsion de courant, lorsqu'elle est unidirectionnelle est préférentiellement arrêtée sensiblement lorsque la partie magnétique mobile 20 atteint en lévitation une position médiane entre les zones d'attraction 11, 12.

L'inertie de la partie magnétique mobile lui permet alors de finir son parcours. Dans les actionneurs de l'art antérieur comme celui des figures 1, il fallait 25 disposer d'un générateur d'impulsions bidirectionnelles pour réaliser la commande de courant, une impulsion dans un sens déclenchait le déplacement dans un sens et une impulsion dans l'autre sens déclenchait le déplacement dans l'autre sens.

Il peut être difficile de réaliser la partie magnétique mobile 20 ayant une telle configuration avec une succession alternée d'aimants 201, 202 parce qu'on a du mal à réaliser en même temps des aimants orientés magnétiquement dans des sens opposés. De plus, une telle partie magnétique mobile 20 5 a une masse relativement importante (les densités des aimants 201, 202 sont généralement élevées) ce qui n'est pas favorable à l'obtention d'un temps de commutation bas.

Aussi avantageusement les portions 203 10 peuvent être des parties en matériau magnétique doux, en matériau amagnétique qu'il soit diélectrique, semiconducteur ou conducteur de l'électricité, ou même des espaces vides de matériau solide tel que par exemple des trous traversants.

Les figures 3A, 3B montrent une variante d'un actionneur magnétique qui permet de remédier aux deux inconvénients que l'on vient d'évoquer. La partie magnétique mobile 20 comporte une pièce à base d'aimant 200 formée d'une succession d'aimants 201 séparés les 20 uns des autres par un ou plusieurs espaces 203 vides de matériau solide. Plus précisément la partie magnétique mobile 20 est formée d'une plaque 200 en aimant dotée d'une ou plusieurs fentes 203 correspondant aux espaces vides. Entre deux fentes 203 se trouve un barreau 25 d'aimant 201. Les barreaux 201 sont reliés entre eux à au moins une de leurs extrémités. On obtient une forme en grille ou éventuellement en peigne. Une telle partie magnétique mobile 20 est beaucoup plus légère que celle des figures 2. Elle est allégée en aimant par rapport 30 aux plaques en aimant massives de l'art antérieur.

Dans les espaces 203 vides de matériau solide, il s'établit un champ magnétique qui est de sens opposé à celui qui existe dans les aimants 201. La forme du champ magnétique est sensiblement la même que 5 celle existant dans l'exemple des figures 2. Ce champ magnétique provient des champs de fuite des aimants 201 voisins. Le module du champ magnétique est cependant plus faible dans les fentes 203 que dans les aimants 202 de l'exemple précédent.

Il n'y a pas de changement pour les moyens de déclenchement du déplacement par rapport à ce qui a été décrit aux figures 2.

En ce qui concerne la partie magnétique fixe 10, elle est similaire à celle illustrée aux 15 figures 1, les deux zones d'attraction 11, 12 correspondent chacune à une paire d'aimants lla, lllb et 121a, 121b disjoints. On a représenté des pistes conductrices C20.1, C20.2 qui prolongent le contact C20 de chacun des aimants de la paire d'aimants 121a, 121b 20 formant la zone d'attraction 12. Ces pistes tapissent les aimants 121a, 121b et se terminent par un plot de contact C20.3, C20.4. Des pistes similaires tapissent les aimants 111a, 11lb de l'autre zone d'attraction 11, mais elles n'ont pas été représentées pour ne pas 25 surcharger les figures.

Sur les figures 4A, 4B, on a représenté encore un autre exemple d'un actionneur selon l'invention. Maintenant la partie magnétique mobile 20 comporte une pièce 200 à base d'aimant formée d'un 30 cadre en aimant sensiblement rectangulaire avec deux aimants 201 en forme de barreaux en vis à vis des zones d'attraction 11, 12. Le cadre délimite un trou 204 qui peut être empli d'un matériau amagnétique ou non et dont de préférence la densité est inférieure à celle du cadre afin d'alléger la partie magnétique mobile 20. 5 Les deux aimants 201 ont la même direction d'aimantation (illustrée par une flèche descendante sur la figure 4B) et cette direction d'aimantation suit l'axe z. Le matériau emplissant le trou 204 peut être par exemple, un matériau plastique, un matériau semi10 conducteur tel que le silicium ou même un matériau magnétique doux tel que le fer, le nickel, des alliages à base de fer-nickel, de fer-cobalt, de fer-silicium, .......... Ce matériau peut être diélectrique, conducteur ou semi-conducteur.

La pièce 200 est allégée en aimant, elle a une masse inférieure à celle qu'elle aurait si son volume hors tout était en aimant massif. Par volume hors tout, on entend le volume total qui inclut le volume du trou. Dansune variante extrapolée de 20 l'exemple précédent, le trou 204 pourrait être vide de matériau solide. Avec ce principe, il est possible de gagner jusqu'à environ 90% sur la masse de la partie magnétique mobile et donc de diviser le temps de commutation par environ 10 par rapport à une 25 configuration conventionnelle avec partie magnétique mobile faite d'un aimant massif.

Sur les figures 4A, 4B, la partie magnétique fixe 10 comporte chacune un aimant 111, 121 et une partie diélectrique 110, 120 accolées. La partie 30 magnétique mobile 20 vient se coller sur l'une ou sur l'autre des parties diélectriques 110 ou 120 de manière à former un contact dit capacitif. Un des avantages des contacts capacitifs est qu'ils sont moins sujets à l'usure que les contacts résistifs. Sur les exemples précédents des figures 2 et 3, le contact était toujours résistif ou ohmique.

Dans toutes les variantes décrites jusqu'à présent, la partie magnétique mobile comportait des aimants à ses deux extrémités devant venir en contact avec les zones d'attraction. Ce n'est pas une 10 obligation.

La figure 5 représente de manière très schématique une autre variante d'un actionneur magnétique selon l'invention dans lequel la partie magnétique mobile 20 est formée, à la manière de 15 l'exemple des figures 2, d'une succession d'aimants 201 et de portions amagnétiques 205, deux portions amagnétiques 205 se trouvant aux extrémités devant venir en contact avec les zones d'attraction 11, 12. Si les portions amagnétiques 205 sont de plus 20 diélectriques le contact est un contact capacitif. Les moyens 30 de déclenchement du déplacement n'ont pas été représentés pour ne pas surcharger la figure. Ils peuvent être similaires à ceux des figures 2A, 2B.

Au lieu que les faces de partie magnétique 25 mobile, destinées à venir se coller sur les zones d'attraction 11, 12 soient planes et normales à la direction du déplacement comme illustré précédemment, elles pourraient être dentelées et/ou courbes comme sur les figures 6A, 6B respectivement.

Sur la figure 6A, la pièce 200 à base d'aimant est formée d'une succession d'aimants 201, 208 à la manière de celle des figures 2. Cette pièce 200 est dotée d'évidements 209 traversants ou non. La pièce 200 à base d'aimant est en forme de plaque et les évidements 209 peuvent se trouver au niveau de l'une de 5 ses faces principales ou au niveau des deux faces principales. Les évidements 209 se trouvent indifféremment dans les aimants 201 ou 208. Aucun évidement n'a été représenté dans un aimant 201 d'extrémité mais il pourrait y en avoir.

La pièce 200 allégée en aimant est donc en forme de plaque avec des faces 201b en zigzag ou sensiblement en V avec au moins une dent devant venir se coller sur les zones d'attraction 11, 12. Chaque zone d'attraction 11, 12 possède une face de forme 15 conjuguée sur laquelle doit venir se coller la partie magnétique mobile 20.

Une telle forme avec une ou plusieurs dents permet d'augmenter la force et la surface de contact par rapport au cas où les bords sont droits normaux au 20 déplacement. La force de contact F' existant sur chacun des bords d'une dent est multipliée par un facteur égal à 1/sin a (supérieur à un) par rapport à la force F existant avec une configuration rectiligne. L'angle a est l'angle que fait la force F' (normale au bord de la 25 dent) avec une normale à la direction du déplacement.

Le fait de réaliser une série de petits V d'angle au sommet a (ou de petites dents) au lieu d'un seul grand V de même angle au sommet permet à surface égale de limiter la profondeur de la zone de contact et donc de 30 réduire notamment l'emprise au sol de l'actionneur.

La surface de contact est un paramètre important, on cherche à ce qu'elle soit la plus grande possible pour réduire au minimum l'impédance ou la résistance de jonction ainsi constituée. Avec une telle 5 configuration la surface de contact a été augmentée par rapport à une surface plane également du facteur 1/sina. Cette augmentation de surface améliore la qualité du contact sans à avoir à augmenter la section dans le plan x, z du conducteur des moyens de 10 déclenchement du déplacement.

La surface et la force augmentant toutes les deux du facteur 1/sinx, il en résulte que la pression de contact est inchangée. La qualité du contact dépend de la pression et cette dernière ne diminue pas alors que la surface augmente.

Sur la figure 6B, la partie magnétique mobile 20 comporte une pièce 200 à base d'aimant en forme de plaque sensiblement ovoïde (sa largeur est proche de sa longueur), elle pourrait être circulaire. 20 Elle est constituée d'un cadre 206 en aimant délimitant une ouverture centrale 207 vide de matériau solide.

Cette ouverture 207 pourrait bien sûr être remplie d'un matériau tel que décrit aux figures 4. Les faces 201a de la partie magnétique mobile 20 qui sont destinées à 25 venir se coller sur les zones d'attraction 11, 12, de la partie magnétique fixe 10 sont courbes maintenant.

Les zones d'attraction 11, 12 comportent chacune une face l1a, llb de forme conjuguée de celle de la pièce 200 allégée en aimant. La partie magnétique mobile 20 30 peut venir s'encastrer partiellement dans les zones d'attraction 11, 12. Ainsi pour une section donnée, transversale au déplacement de la pièce 200 à base d'aimant, on a augmenté comme dans le cas précédent à la fois la surface de contact et la force de contact.

On en tire les mêmes avantages que précédemment au point de vue force et surface.

D'autres formes de courbes sont bien sûr envisageables, on peut envisager des formes en vagues

par exemple.

Un autre avantage apporté par la plaquette 10 20 sensiblement circulaire ou ovoïde est qu'elle est plus stable angulairement. Il y a moins de risque qu'elle se décale angulairement lors de son déplacement. En réduisant sa dimension dans le sens du déplacement par rapport à la configuration avec aimant 15 sensiblement parallélépipédique, on réduit sa masse.

On va voir maintenant un exemple de procédé de réalisation d'un actionneur magnétique à lévitation selon l'invention en microtechnologie.

Plusieurs actionneurs sont réalisables en même temps 20 mais sur les figures on en n'a représenté qu'un.

On part d'un substrat semi-conducteur 70, par exemple en silicium. On grave sur l'une de ses faces à travers un masque (non représenté) des caissons 71 pour loger le conducteur (réalisé ultérieurement) 25 avec ses tronçons successifs en méandre des moyens de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile (figure 7A). La gravure peut être par exemple une gravure sèche.

On réalise ensuite une couche d'oxyde 72 30 par exemple par voie thermique sur la face ainsi gravée de manière à isoler électriquement le conducteur du substrat 70 (figure 7B).

On peut recouvrir la couche d'oxyde 72 d'une sous-couche conductrice 73 par exemple à base de 5 cuivre ou d'or (figure 7C). Cette sous-couche conductrice 73 sert de couche d'accrochage pour le matériau qui va matérialiser le conducteur et qui est déposé ultérieurement.

On définit par photolithographie la zone de 10 dépôt du conducteur. La résine porte la référence 74 (figure 7D).

On dépose par voie électrolytique un matériau conducteur 75. Le dépôt peut être réalisé à base de cuivre ou d'or par exemple (figure 7E).

On ôte la résine et on planarise le dépôt conducteur 75 pour obtenir le conducteur 31 avec ses tronçons 31.1, 31.2 successifs (figure 7F). La souscouche conductrice 73 est éliminée lors de la planarisation. On peut prévoir à la suite, avant 20 l'étape de dépôt d'une couche isolante entre le conducteur et les aimants des parties magnétiques fixe et mobile, la réalisation de pistes 31.3 et de plots de contact 31.4 des moyens 30 de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile. On commence 25 par déposer une couche conductrice 83 en surface. Cette couche 83 peut être réalisée par exemple par pulvérisation cathodique à base de cuivre ou d'or par exemple (figure 7Fa). Par photolithographie on définit le contour de ces pistes et contacts (figure 7Fb). La 30 résine porte la référence 84. On ôte l'excès de matériau de la couche conductrice 83 qui n'est pas masquée par la couche de résine 84 (figure 7Fc) pour délimiter les pistes 31.3 et les plots de contact 31.4.

Les pistes 31.3 et les plots de contact 31.4 sont situés aux deux extrémités du conducteur 31 en méandre à l'extérieur des caissons 71. La résine 84 est ensuite ôtée.

On dépose au-dessus du conducteur 31, et des pistes 31.3 et plots de contact 31.4 s'ils existent, une couche isolante 76, par exemple en oxyde 10 de silicium ou en nitrure de silicium (figure 7G).

Cette couche isolante 76 servira à isoler électriquement les moyens pour déclencher le déplacement de la partie magnétique mobile vis-à-vis des parties magnétiques mobile et fixe. Cette couche 15 isolante 76 est planarisée.

On dépose ensuite une couche sacrificielle 77 et on la grave pour qu'elle n'occupe que l'espace occupé par la partie magnétique mobile quelle que soit sa position, cet espace prend donc en compte le 20 débattement de la partie magnétique mobile (figure 7H).

Cette couche sacrificielle 77 peut être réalisée en matière plastique par exemple un polymère ou en métal par exemple à base de nickel ou de cuivre. Cette couche sacrificielle 77 sera retirée lorsqu'il faudra libérer 25 la partie magnétique mobile. Elle va servir de base pour la partie magnétique mobile.

On dépose ensuite une sous-couche conductrice 78 (figure 7I). Cette couche va servir de couche d'accrochage pour le matériau des parties 30 magnétiques fixe et mobile et éventuellement de protection contre la corrosion d'une partie des parties magnétiques fixe et mobile. Cette couche peut être réalisée à base de cuivre ou d'or par exemple.

On va ensuite réaliser la partie magnétique fixe. On définit par photolithographie la zone de dépôt 5 des pièces magnétiques formant la partie magnétique fixe (figure 7J) . On suppose, dans l'exemple décrit, que ces pièces magnétiques sont des aimants. La résine utilisée porte la référence 79.

On dépose les aimants 111, 121 de la partie 10 magnétique fixe 10 (figure 7K). Ce dépôt peut être un dépôt électrolytique. Les aimants 111, 121 peuvent être par exemple en cobalt-platine ou en cobalt-platinephosphore ou même en cobalt-nickel-phosphore. Le sens d'aimantation de ces aimants 111, 121 est matérialisé 15 par des flèches.

On retire la résine 79. On va ensuite réaliser la partie magnétique mobile. On définit par photolithographie le motif de la succession d'aimants et de portions qui la constitue (figure 7L). La résine 20 porte la référence 80.

On dépose les aimants 201 de la succession (figure 7M). Ce dépôt peut être un dépôt électrolytique. Les aimants 201 peuvent être par exemple en cobalt-platine ou en cobalt-platine25 phosphore ou même en cobalt-nickel-phosphore comme ceux de la partie magnétique fixe 10. Le sens d'aimantation des aimants 201 de la partie magnétique mobile est matérialisé par des flèches, il est opposé à celui des aimants 111, 121 de la partie magnétique fixe 10.

On ôte ensuite la résine (figure 7N). On matérialise ainsi les portions 203 de la succession qui dans l'exemple décrit sont vides de matériau solide comme sur les figures 3. Si elles avaient été pleines de matériau solide, on aurait effectué une nouvelle étape de photolithographie afin de délimiter leur motif 5 et de masquer les aimants 201 et on les aurait déposées.

On va ensuite réaliser les contacts électriques et les pistes conductrices à la fois au niveau de la partie magnétique fixe et de la partie 10 magnétique mobile. Ils tapissent les aimants, et ne sont pas référencés sur la figure 70 pour ne pas la surcharger.

Ces contacts et pistes peuvent être réalisés en déposant au-dessus des aimants par 15 électrolyse une couche 81 à base de cuivre ou d'or par exemple (figure 70). On peut se référer aux figures 3 pour les apercevoir.

On va ensuite par photolithographie définir le motif de ces pistes et contacts (figure 7P). Ils sont situés sur les faces latérales et supérieures des aimants 111, 121 de la partie magnétique fixe et des aimants 201 de la succession mais pas dans les portions 203 vides de matériau solide. La résine employée porte la référence 82.

On grave ensuite la couche 81 non masquée par la résine 82. On ôte ensuite la résine 82 (figure 7Q).

On peut prévoir à la suite la réalisation d'accès aux plots de contact 31. 4 des moyens de 30 déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile. On définit par photolithographie le contour de ces plots de contact 31.4 puisqu'ils sont recouverts de la couche isolante 76 (figure 7Qa). La résine porte la référence 85.

On grave la couche isolante 76 pour 5 atteindre les plots de contact 31.4. Cette gravure peut se faire par gravure ionique réactive par exemple. On ôte ensuite la résine 85 (figure 7Qb).

Il faut s'assurer que les parties magnétiques fixe 10 et mobile 20 sont bien aimantés 10 avant de libérer la partie magnétique mobile 20.

On termine en retirant la couche sacrificielle 77 de manière à libérer la partie magnétique mobile 20 (figure 7R). Cette libération peut se faire par gravure chimique par exemple. La 15 libération de la partie magnétique mobile est facilitée lorsque les portions de ladite partie sont vides de matériau ou comportent des trous traversants.

Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits 20 de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention notamment en ce qui concerne la forme et la structure des parties magnétiques mobile et fixe et des moyens de 25 déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Actionneur magnétique comportant une 5 partie magnétique mobile (20), une partie magnétique fixe (10) dotée d'au moins deux zones d'attraction (11, 12) pour la partie magnétique mobile (20), et des moyens (30) de déclenchement du déplacement de la partie magnétique mobile (20) qui est en lévitation 10 lorsqu'elle n'est pas en contact avec une zone d'attraction (11, 12), caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte, dans le sens du déplacement, une succession alternée d'aimants (201) et d'une ou plusieurs portions (202, 203, 204, 205) dans 15 lesquelles un champ magnétique s'établit, le champ magnétique étant alterné dans un aimant (201) et une portion (202) successifs, les moyens (30) de déclenchement du déplacement comportant, dans le sens du déplacement, un conducteur (31) avec une succession 20 de tronçons (31.1, 31.2), dans lequel un courant est susceptible de circuler, le courant étant de sens opposés dans deux tronçons successifs (31.1, 31.2), un aimant (201) et une portion (202) successifs coopérant avec deux tronçons successifs (31.1, 31.2) lors du 25 déclenchement du déplacement.

2. Actionneur magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions (205) sont réalisées dans un matériau amagnétique 30 isolant, conducteur ou semi-conducteur.

3. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les portions (203) sont vides de matériau solide ou comportent des trous traversants.

4. Actionneur magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions (202) sont en matériau magnétique.

5. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) est allégée en aimant et comporte un volume hors tout et une masse qui est inférieure à celle qu'elle aurait si son volume hors 15 tout était totalement occupé par des aimants.

6. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte un cadre en aimant. 20

7. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte des aimants (201, 203) en forme de barreaux dirigés sensiblement normalement 25 au sens du déplacement.

8. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la succession alternée comporte un aimant (201) à chaque 30 extrémité.

9. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins un aimant (201) et/ou au moins une portion (202, 203) ont au moins une dimension (1, h) sensiblement égale au déplacement (e).

10. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le conducteur (31) est agencé en méandre. 10

11. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) est une plaque sensiblement rectangulaire, circulaire ou ovoïde. 15

12. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte au moins une face (201a), devant venir se coller sur une zone 20 d'attraction (11, 12), cette face (201a) étant courbe.

13. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte au moins une face 25 (201b) devant venir se coller sur une zone d'attraction (11, 12), cette face étant agencée en zigzag.

14. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que chaque 30 zone d'attraction (11, 12) a une géométrie conjuguée de celle de la face (201a, 201b) de la partie magnétique mobile (20) devant venir en contact avec elle.

15. Actionneur magnétique selon l'une des 5 revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'au moins une des zones d'attraction (11) comporte une partie diélectrique (110) de manière à réaliser un contact capacitif lorsque la partie magnétique mobile (20) est collée sur ladite zone d'attraction (11). 10

16. Actionneur magnétique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la partie magnétique mobile (20) comporte une partie diélectrique (205) de manière à réaliser un contact capacitif 15 lorsque la partie magnétique mobile (20) est collée sur une des zones d'attraction (11, 12).

17. Procédé de réalisation d'un actionneur magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes 20 suivantes: réalisation dans un substrat (70) de caissons (71) devant loger un conducteur avec une succession de tronçons dans lesquels un courant est susceptible de circuler, le courant étant de sens 25 opposé dans deux tronçons successifs, dépôt d'un matériau conducteur (75) apte à former le conducteur (31) dans les caissons, dépôt d'isolant (76) au-dessus du conducteur (31), dépôt d'une couche sacrificielle (77) audessus du conducteur (31), réalisation d'aimants (111, 121) de part et d'autre de la couche sacrificielle (77) destinés à former une partie magnétique fixe (10) avec au moins deux zones d'attraction (11, 12) pour une partie magnétique mobile, réalisation au-dessus de la couche sacrificielle (77) de la partie magnétique mobile avec, dans le sens du déplacement, une succession alternée d'aimants (201) et d'une ou plusieurs portions (203) 10 dans lesquelles un champ magnétique s'établit, le champ magnétique étant alterné dans un aimant (201) et une portion (203) successifs, retrait de la couche sacrificielle (77) de manière à libérer la partie magnétique mobile. 15

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'oxydation du substrat (70) après réalisation des caissons (71) , avant le dépôt du matériau du conducteur (31). 20

19. Procédé selon l'une des revendications

17 ou 18, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt d'une souscouche conductrice (73) d'accrochage avant le dépôt du matériau du conducteur dans les 25 caissons (71).

20. Procédé selon l'une des revendications

17 à 19, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de planarisation du matériau (75) du conducteur (31).

21. Procédé selon l'une des revendications

17 à 20, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réalisation de plots (31.4) de contact aux extrémités du conducteur (31).

22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de réalisation d'accès à ces plots de contact à travers l'isolant (76).

23. Procédé selon l'une des revendications

17 à 22, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt de contacts (ClO, C20, Cl, C2) sur les aimants (111, 121, 201) des parties magnétiques fixe et mobile.