FR2905793A1

FR2905793A1 - Dispositif magnetique integre controle piezoelectriquement

Info

Publication number: FR2905793A1
Application number: FR0607966A
Authority: FR
Inventors: Bastien Orlando; Bernard Viala; Sebastien Hentz
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; STMicroelectronics SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; STMicroelectronics SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-14
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: JP5058732B2; US20080068759A1; US7608975B2; FR2905793B1; EP1901317A1; JP2008072120A; EP1901317B1

Abstract

Le dispositif magnétique (1 ) selon l'invention est intégré sur un substrat et comporte au moins un élément en matériau piézoélectrique, associé à des électrodes (11a, 11b) d'actionnement, et au moins un élément magnétique (8), apte à se déformer sous la sollicitation de l'élément en matériau piézoélectrique. Le dispositif (1) a la forme d'une poutre (7), mobile par rapport au substrat et comporte, selon un axe longitudinal (A1 ) de référence, deux parties transversales (9), de largeur (W1) prédéterminée. L'élément en matériau piézoélectrique est constitué par au moins une partie d'une partie transversale (9) et chaque partie transversale (9) comporte une zone d'ancrage mécanique sur le substrat. Les parties transversales (9) sont reliées par au moins une branche centrale (10), de largeur (W2) prédéterminée, sur laquelle est disposé l'élément magnétique (8).

Description

1 Dispositif magnétique intégré contrôlé piézoélectriquement Domaine

technique de l'invention L'invention concerne un dispositif magnétique à réponse variable intégré sur un substrat et comportant au moins un élément en matériau piézoélectrique, associé à des électrodes d'actionnement, et au moins un élément magnétique, apte à se déformer sous la sollicitation de l'élément en matériau piézoélectrique. L'invention s'applique notamment à des inductances variables, des éléments de ligne de transmission, tels que des résonateurs, des déphaseurs ou des coupleurs, ou encore des oscillateurs de spin. État de la technique II existe plusieurs types d'inductances variables intégrées, ou semi-intégrées, réalisées intégralement ou en partie par des techniques de fabrication intégrées, issues de la microélectronique et permettant des variations continues et réversibles d'inductance. Cependant, les différents types de composants réalisés jusque-là présentent de nombreux inconvénients, notamment une trop faible variation d'inductance, une instabilité en fonction de la fréquence, un mode d'actionnement onéreux en termes énergétiques, etc. Un composant passif intégré classique, avec variation d'inductance, est généralement composé d'un bobinage en une ou plusieurs parties, possédant dans la plupart des cas une très forte conductivité, et 2905793 2 éventuellement d'une ou plusieurs pièces magnétiques, appelées noyaux magnétiques , possédant dans la plupart des cas une forte perméabilité relative (typiquement PR>100). Il existe trois grands principes connus, utilisables pour la variation d'inductance.

5 Le premier principe consiste à jouer sur les inductances mutuelles à l'intérieur du bobinage en modifiant sa géométrie, comme décrit notamment dans le brevet US 6 184 755 et dans l'article Self-Assembling MEMS Variable and Fixed RF Inductors de Lubecke et al. (IEEE Trans. Mic. Th. 1 o and Tech. vol. 49 n 11, 2001). Il est possible également de jouer sur le couplage avec un bobinage secondaire ou avec une tout autre pièce conductrice. Ce principe est le plus simple à mettre en oeuvre dans les dispositifs intégrés, mais il ne permet que de faibles variations d'inductance.

15 Le deuxième principe consiste à jouer sur le couplage entre le bobinage et l'élément magnétique en modifiant leur distance relative, comme décrit notamment dans l'article Microassembled Tunable MEMS Inductor de Sarkar et al. (IEEE MEMS 2005). Ce principe permet de fortes variations d'inductance, mais pose le problème de l'actionnement, car il nécessite des 20 mouvements de grande amplitude dans le plan du substrat sur lequel est réalisé le composant (typiquement de l'ordre de 10pm). Le troisième principe consiste à jouer sur la perméabilité du matériau magnétique lui-même. Plusieurs dispositifs connus (essentiellement des 25 composants discrets) utilisent l'application d'un champ magnétique, afin de faire varier la perméabilité, comme décrit notamment dans l'article Integrated Tunable Magnetic RF Inductor de Vroubel et al. (IEEE Elec. Dev. Letter vol. 25 n 12, 2004). Cependant, l'application d'un champ magnétique nécessite l'utilisation en continu de courants, ce qui induit une 30 forte consommation énergétique.

2905793 3 Il existe un autre moyen qui consiste à utiliser la variation de la perméabilité magnétique du matériau en fonction des contraintes mécaniques qui lui sont appliquées, comme décrit notamment dans l'article Processing and application of magnetoelastic thin films in high-frequency devices de 5 Frommberger et al. (Microelectronics Engineering 67-68 2003) et dans l'article High-Frequency Magnetoelastic Multilayer Thin Films and Applications de Ludwig et al. (IEEE Trans. Mag. Vol. . 39 n 5, 2003). Cette propriété est due au couplage magnétomécanique présent dans tous les matériaux magnétiques à diverses échelles et connu sous le nom de 10 magnétoélasticité. De manière connue en magnétoélasticité, il est essentiel de maîtriser l'amplitude et la direction des contraintes appliquées dans une couche en matériau magnétique uniaxial. En effet, les contraintes ont une grande 15 influence sur le comportement dynamique du matériau magnétique. Si les contraintes sont trop inhomogènes ou ne sont pas appliquées selon des directions dans le plan du substrat à 0 ou à 90 de l'axe d'anisotropie du matériau magnétique, il devient très difficile de prévoir les propriétés magnétiques en fonction des contraintes appliquées. La variation de 20 perméabilité et le comportement dynamique de la couche magnétique ne sont alors plus maîtrisables. Par ailleurs, il est nécessaire de déterminer le mode d'actionnement de l'inductance. Les matériaux piézoélectriques sont généralement utilisés, 25 grâce à leur possibilité d'intégration et leur faible consommation énergétique. Des dispositifs combinant des couches piézoélectriques et des couches magnétoélastiques, sous la forme d'empilements ou d'hétérostructures, ont déjà été étudiés et envisagés pour la réalisation de résonateurs ou de capteurs ou d'inductances variables, comme décrit par exemple dans l'article 30 A New Hybrid Device using Magnetostrictive Amorphous Films and 2905793 4 Piezoelectric Substrates de Arai et al. (IEEE Trans. Mag. Vol. 30 n 2, 1994). Comme représenté schématiquement sur la figure 1, l'article ci-dessus décrit 5 un dispositif 1 comportant un substrat 2 en matériau piézoélectrique, recouvert partiellement sur le dessus et sur le dessous par deux électrodes 3, 4, respectivement supérieure et inférieure, l'électrode supérieure 3 étant réalisée en un matériau magnétique. Une tension appliquée entre les électrodes 3, 4 entraîne alors l'application de contraintes piézoélectriques cf 10 dans le substrat 2, qui sont alors transmises au matériau magnétique, entraînant ainsi une variation de ses propriétés magnétiques. L'article Magnetoelectric Properties of a Heterostructure of Magnetostrictive and Piezoelctric Composites de Wan et al. (IEEE Trans. Mag. Vol. 40 n 4, 15 2004) décrit également un autre d'exemple de dispositif combinant l'utilisation de matériaux piézoélectriques et de matériaux magnétoélastiques. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, le dispositif 1 peut être composé par une hétérostructure comportant une portion 5 en matériau magnétostrictif, avec un champ magnétique M 20 parallèle, et une portion 6 en matériau piézoélectrique, avec un champ électrique E, perpendiculaire au champ magnétique M. Les dispositifs décrits ci-dessus ne sont pas intégrés, mais sont réalisés dans des substrats piézoélectriques massifs. Par ailleurs, les contraintes 25 mécaniques ne sont pas maîtrisées, car le matériau piézoélectrique applique des contraintes dans toutes les directions du plan. Par conséquent, la variation d'inductance est difficilement maîtrisable et les propriétés électromagnétiques aux hautes fréquences sont médiocres.

30 Par ailleurs, le document WO 2005/064590 décrit un dispositif magnétique comportant sur un substrat un empilement d'une couche piézoélectrique 2905793 5 entièrement solidaire du substrat et de moyens de génération d'une onde acoustique de surface, situés sur la couche piézoélectrique de part et d'autre d'un élément ferromagnétique. La couche piézoélectrique est destinée à participer à la génération de l'onde de surface et assurer sa propagation 5 jusqu'à l'élément ferromagnétique. Le document WO 2005/064783 décrit différentes structures possibles pour un oscillateur de spin. La première structure comporte sur un substrat une couche piézoélectrique solidaire dudit substrat et en contact avec la couche 10 ferromagnétique libre de l'oscillateur. La structure ci-dessus comporte des moyens d'actionnement situés de part et d'autre de la couche ferromagnétique. L'application d'un champ électrique provoque une déformation au niveau de la couche piézoélectrique, transmis dans la couche ferromagnétique. Il en résulte une variation des propriétés 15 magnétoélastiques de la couche ferromagnétique et donc une modification de la fréquence de l'oscillateur et de son facteur de qualité. Une deuxième structure comporte une couche piézoélectrique localement suspendue par rapport au substrat et en contact avec la couche libre de 20 l'oscillateur. À la différence de la première structure, l'effet piézoélectrique n'est pas utilisé, à savoir la déformation de la membrane suspendue est assurée par effet électrostatique (ou capacitif), par l'intermédiaire du caractère diélectrique de la couche piézoélectrique.

25 Une troisième structure comporte une couche piézoélectrique également suspendue, mais à distance de la couche libre de l'oscillateur. La structure suspendue comporte un autre élément magnétique et sert uniquement à modifier le couplage magnétostatique entre les deux éléments magnétiques.

30 Pour toutes les structures décrites ci-dessus, aucun contrôle de la direction des contraintes induites au niveau du matériau ferromagnétique n'est réalisé 2905793 6 et les structures suspendues décrites ne servent pas du tout à contrôler ces contraintes.

5 Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités et a pour objet la réalisation d'un dispositif magnétique intégré à réponse variable, autorisant de fortes variations de réponse, et qui permette un bon 10 contrôle de ces variations, même pour des hautes fréquences, en maîtrisant les contraintes mécaniques imposées sur le matériau magnétique, afin notamment d'appliquer dans le matériau magnétique uniaxial une contrainte uniaxiale, homogène et de grande amplitude.

15 L'objet de l'invention est caractérisé en ce que le dispositif a la forme d'une poutre, mobile par rapport au substrat et comportant, selon un axe longitudinal de référence, deux parties transversales, de largeur prédéterminée, et en ce que : l'élément en matériau piézoélectrique est constitué par au moins une 20 partie d'une partie transversale, chaque partie transversale comporte une zone d'ancrage mécanique sur le substrat, et les parties transversales sont reliées par au moins une branche centrale, de largeur prédéterminée, sur laquelle est disposé l'élément 25 magnétique. Description sommaire des dessins 30 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 2905793 7 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un mode particulier de réalisation 5 d'un dispositif magnétique selon l'art antérieur, avec une structure multicouches. La figure 2 représente schématiquement un autre mode particulier de réalisation d'un dispositif magnétique selon l'art antérieur, composé par une hétérostructure.

10 La figure 3 représente un mode particulier de réalisation d'un dispositif magnétique intégré à réponse variable selon l'invention. Les figures 4 à 6 représentent schématiquement des variantes de réalisation d'un dispositif magnétique selon la figure 3. La figure 7 est une vue de dessus de la poutre du dispositif magnétique 15 selon la figure 3. Les figures 8 à 10 sont des vues de dessus de la poutre de variantes de réalisation du dispositif magnétique selon la figure 7. Les figures 11 à 13 sont des vues de dessus de variantes de réalisation d'un dispositif magnétique selon la figure 3, représentant uniquement la poutre et 20 l'élément magnétique. La figure 14 représente schématiquement une vue en perspective d'une autre variante de réalisation d'un dispositif magnétique selon l'invention. Les figures 15 à 20 représentent des vues de face en coupe (figures 15, 16 18, 19) et des vues de dessus (figures 17, 20) de différentes étapes d'un 25 mode particulier de réalisation d'un procédé de fabrication d'un dispositif magnétique selon l'invention. La figure 21 représente schématiquement une vue en perspective d'une autre variante de réalisation d'un dispositif magnétique selon l'invention. La figure 22 représente très schématiquement une vue de dessus d'une 30 poutre d'une autre variante de réalisation d'un dispositif magnétique selon l'invention.

2905793 8 La figure 23 représente très schématiquement une vue de face d'une poutre d'une autre variante de réalisation d'un dispositif magnétique selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation En référence aux figures, le dispositif magnétique intégré à réponse variable selon l'invention va être décrit à titre non limitatif comme une inductance io variable. Toutefois, le dispositif selon l'invention concerne également d'autres types de dispositifs magnétiques, à savoir des éléments d'antennes, de filtres ou de déphaseurs, des oscillateurs de spin, etc. En référence aux figures, le dispositif magnétique intégré à réponse variable 15 est une inductance variable 1 intégrée sur un substrat pouvant s'appliquer à tous les domaines requérant une variation continue (ou discrète) et réversible d'inductance ou d'impédance avec une faible puissance d'actionnement. Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 3, l'inductance 20 variable 1 a la forme d'une poutre 7 en matériau piézoélectrique, destinée à générer des contraintes mécaniques dans un élément magnétique 8, en matériau magnétique, ayant une perméabilité variant en fonction des contraintes qui lui sont appliquées. La poutre 7 a sensiblement la forme d'une éprouvette de traction et comporte, selon un axe longitudinal de 25 référence Al (figure 3), deux parties transversales 9, de largeur W1 prédéterminée, et une branche centrale 10, de largeur W2 prédéterminée, avantageusement inférieure à la largeur W1 des parties transversales 9, sur laquelle est disposé l'élément magnétique 8.

30 La poutre 7 est ancrée dans un substrat (non représenté sur les figures 1 à 14 et 21 à 23 pour des raisons de clarté), sur lequel est formée l'inductance 5 2905793 9 variable 1, de préférence au niveau de zones d'ancrage mécanique 16 (figure 7), avantageusement situées aux extrémités des parties transversales 9. La poutre 7 est ainsi libre de mouvement vis-à-vis du substrat, hors de ses zones d'ancrage 16, pour permettre une amplitude maximale de déformation. Le profil de la poutre 7 en matériau piézoélectrique a été choisi et optimisé pour générer des contraintes uniaxiales et homogènes dans l'élément magnétique 8 associé. io Sur la figure 3, l'inductance variable 1 comporte des électrodes d'actionnement 11 a, 11 b, placées de part et d'autre de la poutre 7, coopérant avec la poutre 7 en matériau piézoélectrique et générant la tension d'actionnement nécessaire à l'application des contraintes mécaniques dans l'élément magnétique 8. Suivant la tension appliquée entre les électrodes 15 11 a et 11 b, à savoir positive ou négative, des contraintes de compression ou de traction sont générées dans l'élément magnétique 8. L'élément magnétique 8 est, de préférence, en un matériau magnétique uniaxial composé d'un alliage à base de fer et/ou de cobalt et/ou de nickel, 20 par exemple déposé sous champ magnétique pour favoriser l'anisotropie du matériau. Avantageusement, la direction d'anisotropie est sensiblement parallèle ou perpendiculaire à l'axe longitudinal de référence Al de la poutre 7.

25 Sur la figure 3, l'inductance 1 comporte des électrodes inférieures 11 a et des électrodes supérieures l l b s'étendant, de préférence, sur la majeure partie de la surface des parties transversales 9, respectivement au-dessous et au-dessus. Dans une variante de réalisation non représentée, une seule partie transversale 9 peut comporter des électrodes d'actionnement, la partie 30 transversale 9 n'en comportant pas sert alors essentiellement pour l'ancrage de la poutre 7 dans le substrat (figure 21).

5 2905793 10 L'inductance variable 1 comporte, de préférence, un bobinage 12 de type solénoïde, entourant la branche centrale 10 et l'élément magnétique 8 associé. Le bobinage 12 joue le rôle d'un élément électriquement 5 conducteur, destiné à créer un champ magnétique autour de l'élément magnétique 8, avec une valeur d'inductance variant en fonction de la tension appliquée par les électrodes 11 sur la poutre 7. Dans les variantes de réalisation de l'inductance variable 1, représentées sur 10 les figures 4, 5 et 6, le bobinage 12 peut être remplacé par d'autres éléments électriquement conducteurs. Sur la figure 4, l'élément électriquement conducteur est un fil en forme de méandres 13, comportant une pluralité de branches parallèles successives, disposées à proximité de l'élément magnétique 8. Les méandres 13 sont disposés, de préférence, sous la 15 branche centrale 10 de la poutre 7. Sur la figure 5, l'élément électriquement conducteur est un fil en forme de lignes 14, disposé à proximité de l'élément magnétique 8, de préférence sous la branche centrale 10 de la poutre 7 supportant l'élément magnétique 20 8. Le fil en forme de lignes 14 comporte, par exemple, deux premières lignes parallèles, perpendiculaires à la branche centrale 10 de la poutre 7 et reliées par une troisième ligne s'étendant le long de l'élément magnétique 8, sous la branche centrale 10.

25 Sur la figure 6, l'élément électriquement conducteur est un fil en forme de spirale 15, s'étendant à proximité de l'élément magnétique 8, de préférence sous la branche centrale 10 de la poutre 7 supportant l'élément magnétique 8.

30 Sur la figure 7, uniquement la poutre 7 en matériau piézoélectrique est représentée. Les parties transversales 9 de la poutre 7 comportent chacune 2905793 11 une zone d'ancrage 16, de longueur L1 et de largeur W1, définissant l'extrémité des zones transversales 9 opposée à la branche centrale 10, assurant un ancrage et une liaison mécanique forte avec le substrat (non représenté sur la figure 7 pour des raisons de clarté), sur lequel est réalisée 5 l'inductance variable 1. La zone restante 17 des parties transversales 9, de longueur L2 et de largeur W1, assure alors l'essentiel de la génération des contraintes de la poutre 7. Chaque partie transversale 9 de la poutre 7 est prolongée par une zone de io transition 18 facultative, de longueur L3 et de section variable, s'étendant des zones 17 des parties transversales 9 jusqu'à la branche centrale 10 de la poutre 7 et présentant, de préférence, un profil elliptique avantageusement tangent à la zone 17 des parties transversales 9 et à la branche centrale 10 de la poutre 7. La branche centrale 10, de longueur L4 et de largeur W2, 15 définit une zone utile 19 de la poutre 7, correspondant à la zone de la poutre 7 en contact avec l'élément magnétique 8. Dans le cas de la présence des zones de transition 18, les électrodes supérieures 11 b et inférieures 11 a ne s'étendent pas, de préférence, au niveau des zones de transition 18 (figure 7).

20 Chaque zone de transition 18, avec un profil elliptique, permet notamment de répartir les contraintes de manière homogène, tout en assurant une compacité maximale de l'inductance variable 1. Par ailleurs, une telle poutre 7 encastrée uniquement à ses extrémités (zones d'ancrage 16) permet 25 également d'appliquer de plus fortes contraintes, de mieux maîtriser ces contraintes et permet également de réduire les capacités parasites. Dans les variantes de réalisation représentées sur les figures 8 et 9, les zones de transition 18 de la poutre 7 peuvent avoir un profil plus simple, par 30 exemple rectangulaire (figure 8) ou trapézoïdal (figure 9). Dans une autre variante de réalisation non représentée, le profil des zones de transition 18 2905793 12 peut être elliptique et non tangent à la branche centrale 10 et aux parties transversales 9. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 10, la poutre 7 de 5 l'inductance variable 1 comporte une pluralité d'orifices 20, de préférence circulaires ou elliptiques, réalisés dans la zone 17 de génération de contraintes, adjacente à la zone d'ancrage 16, des parties transversales 9 de la poutre 7. De tels orifices 20 permettent notamment de faciliter le processus de libération de la poutre 7, lors de la fabrication de l'inductance io variable 1, comme décrit ci- dessous. Dans une autre variante de réalisation non représentée, des orifices peuvent également être réalisés dans les zones de transition 18 de la poutre 7, en complément des orifices 20 réalisés dans les zones 17 de génération de 15 contraintes ou en remplacement de ceux-ci. Dans d'autres variantes de réalisation non représentées, les parties transversales 9 peuvent être sous la forme de bandes de matériau parallèles et espacées de façon régulière, reliées à la branche centrale 10 et aux zones 20 d'ancrage 16. De même, la branche centrale 10 peut également être formée de bandes de matériau parallèles, reliées aux parties transversales 9. Dans les modes particuliers de réalisation représentés sur les figures 11 à 13, uniquement la poutre 7 en matériau piézoélectrique et l'élément 25 magnétique 8 associé, disposé sur la banche centrale 10 de la poutre 7, sont représentés. Sur la figure 11, l'élément magnétique 8 a une section de forme rectangulaire ou carrée. Sur la figure 12, l'élément magnétique 8 a une section de forme ellipsoïdale. Sur la figure 13, l'élément magnétique 8 se compose d'une pluralité d'éléments élémentaires disjoints, de préférence de 30 forme rectangulaire ou ellipsoïdale, disposés de préférence côte à côte sur la branche centrale 10 de la poutre 7 et, de préférence, régulièrement.

2905793 13 D'une façon générale, dans le cas de l'utilisation d'un matériau magnétique uniaxial pour l'élément magnétique 8, l'axe d'anisotropie du matériau doit être parallèle ou perpendiculaire à l'axe longitudinal de référence Al de la poutre 5 7 en matériau piézoélectrique (figure 11). À titre d'exemple, pour une inductance variable 1 avec une poutre 7 comme décrit précédemment, un élément magnétique 8 de forme parallélépipédique et un bobinage 12 de type solénoïde, le nombre de spires est, par exemple, 10 compris entre 3 et 20. La largeur de l'élément magnétique 8 est de l'ordre de 50 à 300pm, l'épaisseur de l'élément magnétique 8 est de l'ordre de 100nm à 2pm et la longueur de l'élément magnétique 8 est de l'ordre de 50 à 300pm. En considérant les exemples de valeurs ci-dessus, les propriétés 15 électromagnétiques de la bobine 12 (inductance, résistance, capacités, facteur de qualité, etc.) peuvent être calculées de manière fine par l'intermédiaire, par exemple, d'un logiciel de simulation par éléments finis, tel que le logiciel HFSS d'Ansoft. Par ailleurs, les électrodes inférieures 11 a et supérieures 11 b doivent être aussi fines que le permet le procédé de 20 réalisation utilisé, par exemple de l'ordre de 50nm à 1pm. L'épaisseur de la poutre 7 est, par exemple, de l'ordre de 100nm à 2pm. De façon générale, l'épaisseur de la poutre 7 en matériau piézoélectrique est un compromis entre la tension d'actionnement, qui baisse avec l'épaisseur, et la 25 transmission de la contrainte à l'élément magnétique 8, qui se dégrade si la poutre 7 est trop fine. À titre d'exemple, sur la figure 7, la branche centrale 10 de la poutre 7, constituant la zone utile 19 de la poutre 7, est, de préférence, à peine plus 30 grande que l'élément magnétique 8, avec une marge de réalisation de l'ordre de 10pm, pour obtenir une amplitude de déformation maximale. Les 2905793 14 dimensions de l'élément magnétique 8 fixent donc les dimensions correspondantes W2 et L4 de la branche centrale 10. La longueur L1 de la zone d'ancrage 16 peut alors être aussi petite que le permet la tenue mécanique de l'ancrage (dépendant notamment du procédé de fabrication 5 utilisé). Pour dimensionner les longueurs L2 et L3, respectivement de la zone 17 et de la zone de transition 18 des parties transversales 9, ainsi que la largeur W1 des parties transversales 9, un logiciel de simulation par éléments finis io peut être utilisé, tel que le logiciel ANSYS . De façon générale, une augmentation de la longueur L2 et de la largeur W1 tend à augmenter l'intensité des contraintes appliquées sur la zone utile 19 au détriment de l'encombrement, tandis qu'une augmentation de la longueur L3, qui est typiquement de l'ordre de 50pm à 300pm, améliore le caractère uniaxial et 15 homogène des contraintes. D'une manière générale, la tension maximale appliquée doit générer des contraintes inférieures au seuil de plasticité des matériaux utilisés pour la poutre 7 en matériau piézoélectrique, l'élément magnétique 8 ou les 20 électrodes d'actionnement 11. De même, dans le cas de l'application d'une contrainte en compression, la tension appliquée ne doit pas entraîner le flambement de la poutre 7 en matériau piézoélectrique. Sur la figure 14, la variante de réalisation de l'inductance variable 1 se 25 distingue des modes de réalisation précédents par le nombre de branches centrales 10 de la poutre 7 en matériau piézoélectrique. L'inductance 1 comporte toujours deux parties transversales 9, reliées par deux branches centrales 10, coopérant chacune avec un élément magnétique 8 et, par exemple, avec un bobinage 12 de type solénoïde. Les électrodes inférieures 30 11 a et supérieures 11 b recouvrent, de préférence, la totalité de la surface des parties transversales 9 et les branches centrales 10 sont reliées aux 2905793 15 parties transversales 9 par des zones de transition 18, de préférence, avec des profils elliptiques. Les bobinages 12 peuvent être connectés en série ou en parallèle.

5 L'utilisation d'une telle inductance 1 incluant plusieurs bobines 12 et plusieurs éléments magnétiques 8, gouvernés par le même dispositif d'actionnement, à savoir la même poutre 7 en matériau piézoélectrique, permet notamment de réduire l'encombrement total de l'inductance variable 1 et d'accroître la densité d'inductance totale.

10 Dans d'autres variantes de réalisation non représentées, les deux branches centrales 10 de la poutre 7 peuvent être associées à d'autres types d'éléments électriquement conducteurs, comme représentés sur les figures 4 à 6, et/ou à d'autres formes d'éléments magnétiques 8, comme représentés 15 sur les figures 11 à 13, et/ou à d'autres profils de zones de transition 18, comme représentés sur les figures 7 à 10. Un procédé de fabrication d'une inductance variable intégrée 1 va être décrit plus en détail au regard des figures 15 à 20. Dans la description qui va 20 suivre, le procédé de fabrication est destiné à la réalisation d'une inductance 1 avec une poutre profilée, comme décrit ci-dessus, comportant un bobinage 12 de type solénoïde (figure 3). Dans ce cas, la poutre 7 en matériau piézoélectrique est alors solidaire du substrat sur lequel est réalisée l'inductance, par l'intermédiaire d'extrémités latérales 23 réalisées 25 avantageusement avec les mêmes couches de matériau que le bobinage 12, comme décrit ci-dessous et illustrées sur les figures 15 à 20. Sur la figure 15, le procédé de fabrication comporte d'abord la formation sur un substrat 21, par exemple par électrolyse ou dépôt physique, d'une partie 30 inférieure du bobinage 12, constituée d'un matériau à forte conductivité, par exemple en cuivre, en aluminium ou en or, puis l'encapsulation de ladite 2905793 16 partie inférieure par une première couche sacrificielle 22, laissant affleurant les extrémités latérales 23. La couche sacrificielle 22 est, par exemple, en oxyde de silicium déposé par dépôt chimique (PECVD) ou en résine polymère. Une étape de planarisation mécanique ou mécano-chimique de la 5 couche sacrificielle 22 peut également être réalisée. En variante, les extrémitéslatérales 23 peuvent être déposées, par exemple, par électrolyse et peuvent être constituées d'un matériau différent de celui de la partie inférieure du bobinage 12. La partie de la couche sacrificielle 22 10 entourant les extrémités latérales 23 peut être de nature différente de la partie entourant le bobinage 12 adjacent au substrat 21. Puis, le procédé comporte le dépôt d'un empilement d'une première couche 24 métallique et conductrice, destinée à former les électrodes inférieures 11 a 15 de l'inductance 1, d'une couche 25 en matériau piézoélectrique, destinée à former la poutre 7 de l'inductance 1, et d'une seconde couche 26 métallique et conductrice, destinée à former les électrodes supérieures 11 b de l'inductance 1 (figure 15).

20 À titre d'exemple, la couche 25 en matériau piézoélectrique est déposé par un procédé physique de déposition en phase vapeur (PVD) et les électrodes inférieures peuvent être en platine, pour une poutre en titano-zirconiate de plomb (PZT) piézoélectrique, ou en molybdène, pour une poutre en nitrure d'aluminium (AIN) piézoélectrique. Les électrodes supérieures peuvent être 25 de nature différente des électrodes inférieures, par exemple en or, en cuivre ou en tungstène, etc. Des couches complémentaires de protection (non représentées), par exemple en or ou en tungstène, peuvent être prévues, notamment pour faciliter la libération ultérieure de l'inductance.

30 Sur les figures 16 et 17, avant l'élimination de la couche sacrificielle 22, une étape de gravure de l'empilement des couches 24, 25, 26 est ensuite 2905793 17 réalisée, pour délimiter la forme caractéristique de la poutre 7 de l'inductance 1. La structuration des couches 24, 25, 26 peut être réalisée par une méthode chimique, de type attaque humide, ou physico-chimique, de type gravure sèche (RIE), ou bien par usinage ionique. Comme représenté sur la 5 figure 16, le bord de l'empilement des trois couches 24, 25, 26 formant la poutre 7 est alors associé aux extrémités latérales 23. Puis, une couche 27 en matériau magnétique uniaxial (figure 16) est ensuite déposée et gravée, afin de former l'élément magnétique 8 placé sur la 10 branche centrale 10 de la poutre 7 formée au préalable (figure 17). À titre d'exemple, l'élément magnétique 8 peut être réalisé par dépôt physique en phase vapeur (PVD) d'un matériau en alliage à base de fer et/ou nickel et/ou cobalt. La couche 27 peut également être formée par un empilement de différentes couches diélectriques et conductrices.

15 Sur la figure 17, la structuration des couches 24, 25, 26 par gravure permet ainsi d'obtenir la forme caractéristique de la poutre 7 avec deux parties transversales 9, perpendiculaires à l'axe de référence Al de la poutre 7, et une branche centrale 10 sur laquelle est réalisé l'élément magnétique 8. Il ne 20 reste alors plus qu'à fermer le bobinage 12, pour obtenir l'inductance 1 comme représentée sur la figure 20. Sur les figures 18 à 20, une seconde couche sacrificielle 28, identique ou de nature différente par rapport à la première couche sacrificielle 22, est ensuite 25 déposée sur la poutre 7 formée au préalable, afin de pouvoir former la partie supérieure du bobinage 12 (figure 18). Enfin, l'élimination des couches sacrificielles 22 et 28 permet de libérer la structure ainsi formée. L'inductance 1 est alors suspendue et ancrée sur le substrat 21, par l'intermédiaire des extrémités latérales 23, comme représenté sur la figure 19.

30 2905793 18 La formation de la partie supérieure du bobinage 12 peut être réalisé par gravure et reprise de contact à travers la couche sacrificielle 28, par une méthode chimique ou physico-chimique ou bien par usinage ionique. Le dépôt de la partie supérieure du bobinage 12 peut être réalisé par électrolyse 5 et peut être réalisé à partir d'un matériau différent de celui de la partie inférieure du bobinage 12. La libération de la structure peut être réalisée par gravure sélective chimique, du type attaque humide, ou physico-chimique (du type RIE) des couches sacrificielles 22 et 28. io Sur la figure 20, illustrant en vue de dessus l'inductance 1 terminée, le procédé selon l'invention permet d'obtenir une inductance 1 encastrée à ses deux extrémités, avec un profil caractéristique permettant de placer l'élément magnétique et le bobinage sensiblement dans sa partie centrale, afin de concentrer les contraintes et les rendre le plus uniaxial et homogène 15 possibles. Un tel procédé de fabrication utilise ainsi des techniques de fabrication issues de la microélectronique et adaptées pour les microsystèmes. Une telle inductance variable 1 intégrée, selon les différents modes de 20 réalisation décrits ci-dessus, permet donc d'appliquer une contrainte homogène et uniaxiale û en tension ou en compression û sur l'élément magnétique et de maximiser la valeur de ces contraintes, pour une tension d'actionnement donnée, grâce notamment à la forme et au profil caractéristiques de sa poutre.

25 Par ailleurs, l'utilisation d'une poutre en matériau piézoélectrique libérée et encastrée à ses deux extrémités permet d'améliorer les propriétés mécaniques et électromagnétiques de l'inductance variable selon l'invention, de manière à obtenir de fortes variations réversibles d'inductance, continues 30 ou discontinues, avec de faibles tensions d'actionnement, tout en préservant de bonnes propriétés fréquentielles, notamment en hautes fréquences.

2905793 19 L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci-dessus. Les valeurs de largeurs et de longueurs des différentes zones de la poutre 7 sont non limitatives et dépendent notamment de la taille souhaitée 5 de l'inductance variable 1 et de la valeur d'inductance recherchée. Les électrodes 11 peuvent s'étendre au-dessus des zones de transition 18 de la poutre 7 (figure 7). Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 14, l'inductance 1 peut comporter plus de deux branches centrales 10, toutes associées à un élément magnétique 8 correspondant et à un élément 10 électriquement conducteur correspondant, de préférence de type bobinage solénoïde. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 21, la poutre 7 en matériau piézoélectrique comporte une première partie transversale 9 en 15 matériau piézoélectrique, comme représentée sur la figure 7, coopérant avec les électrodes inférieures 11 a et supérieures 11 b, et une deuxième partie transversale 9, de longueur très inférieure, comportant uniquement la zone d'ancrage 16 de la poutre 7 au substrat. Le principe de fonctionnement de l'inductance 1 est le même, avec un bobinage 12 de type solénoïde et un 20 élément magnétique 8, placé sur la branche centrale 10 de la poutre 7. Dans une autre variante de réalisation représentée sur la figure 22, la largeur W1 des parties transversales 9 peut être inférieure à la largeur W3 des zones d'ancrage 16 correspondantes. Par ailleurs, la largeur W2 de la 25 branche centrale 10, sur laquelle est placé l'élément magnétique 8, peut être supérieure à la largeur W1 des parties transversales 9. D'une manière générale, les largeurs W1, W2 et W3 des différentes zones de la poutre 7 ne sont pas liées entre elles et la poutre 7 peut prendre une tout autre forme complexe.

30 2905793 20 Dans une autre variante de réalisation non représentée, la poutre 7 en matériau piézoélectrique et l'élément magnétique 8 associé peuvent être encapsulés dans des couches 22 et 28 en matériau isolant et suffisamment mou, par exemple une résine polymère à faible constante diélectrique, pour 5 permettre une déformation suffisante de la poutre 7 par rapport au substrat, sans avoir besoin de retirer les couches 22 et 28. La libération de la poutre 7 n'est alors plus nécessaire. D'une manière générale, l'invention s'applique à tout dispositif magnétique à 1 o réponse variable en forme de poutre 7 comportant un élément en matériau piézoélectrique. L'élément en matériau piézoélectrique peut être constitué par la poutre 7 complète ou uniquement par des parties de la poutre, à savoir une partie d'une partie transversale 9, une partie transversale 9 complète ou les deux parties transversales 9, la branche centrale 10 et les zones de 15 transition 18 pouvant être alors réalisées en un autre matériau. L'invention s'applique notamment à tout type de circuit électronique reconfigurable, pour lequel une limitation du nombre de composants est recherchée en utilisant des composants ajustables. Le principe utilisé pour 20 faire varier la perméabilité dynamique, ainsi que son application pratique, ne sont pas limités en termes de valeurs d'inductance ou de fréquence de fonctionnement. L'invention s'applique donc à tous les domaines où une variation de perméabilité dynamique continue (ou discontinue) et réversible est nécessaire, avec un actionnement de très faible puissance, notamment 25 les circuits multibandes reconfigurables, l'adaptation fine d'impédance et les oscillateurs accordables. L'invention s'applique également à d'autres types de dispositifs magnétiques à réponse variable, en fonction de la manière dont l'élément magnétique 8 30 est associé à l'élément électriquement conducteur (le bobinage 12 par exemple). De manière générale, l'élément magnétique doit être 2905793 21 mécaniquement solidaire de la poutre en matériau piézoélectrique, afin que les déformations de ladite poutre engendrent une variation des propriétés magnétiques de l'élément magnétique.

5 Ainsi, dans le cas où l'élément électriquement conducteur est placé à distance de l'élément magnétique, uniquement d'un côté de l'élément magnétique, par exemple dans le cas de l'élément en forme de méandres 13 (figure 4), en forme de lignes 14 (figure 5) ou en forme de spirale 15 (figure 6), ou de part et d'autre de l'élément magnétique 8, par exemple dans le cas io de l'élément en forme de solénoïde 12 (figure 3), le dispositif magnétique est alors une inductance variable. Dans le cas où l'élément électriquement conducteur n'est placé que d'un côté de l'élément magnétique, il est également possible de réaliser des éléments 15 de ligne de transmission, tels que des résonateurs, des déphaseurs, des coupleurs, des antennes, des filtres, etc. Sur la figure 23, dans le cas où un élément électriquement conducteur 29 est placé à la fois entre la branche centrale 10 de la poutre 7 et l'élément 20 magnétique 8 et au-dessus de l'élément magnétique 8, de préférence au contact de part et d'autre de l'élément magnétique 8, il est alors possible de réaliser un oscillateur de spin 1. 25

Claims

Revendications

1. Dispositif magnétique à réponse variable (1) intégré sur un substrat (21) et comportant au moins un élément en matériau piézoélectrique, associé à des électrodes (11) d'actionnement, et au moins un élément magnétique (8), apte à se déformer sous la sollicitation de l'élément en matériau piézoélectrique, dispositif caractérisé en ce qu'il a la forme d'une poutre (7), mobile par 1 o rapport au substrat (21) et comportant, selon un axe longitudinal (Al) de référence, deux parties transversales (9), de largeur (W1) prédéterminée, et en ce que: l'élément en matériau piézoélectrique est constitué par au moins une partie d'une partie transversale (9), 15 chaque partie transversale (9) comporte une zone d'ancrage (16) mécanique sur le substrat (21), et les parties transversales (9) sont reliées par au moins une branche centrale (10), de largeur (W2) prédéterminée, sur laquelle est disposé l'élément magnétique (8). 20

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur (W2) de la branche centrale (10) est inférieure à largeur (W1) des parties transversales (9). 25

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux parties transversales (9) sont en matériau piézoélectrique.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la branche centrale (10) est en matériau piézoélectrique. 22 30 2905793 23

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les électrodes (11 a, 11 b) d'actionnement s'étendent partiellement sur la surface des parties transversales (9) de la poutre (7). 5

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes d'actionnement (11 a, 11 b) sont situées de part et d'autre de l'élément en matériau piézoélectrique.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque partie transversale (9) est prolongée par une zone de transition (18) s'étendant jusqu'à la branche centrale (10) correspondante.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone de transition (18) est de section variable.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone de transition (18) a un profil elliptique tangent à la partie transversale (9) et à la branche centrale (10) associées. 20

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la zone de transition (18) comporte une pluralité d'orifices.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque partie transversale (9) comporte une pluralité d'orifices 25 (20).

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément magnétique (8) comporte un matériau magnétique uniaxial, ayant un axe d'anisotropie parallèle à l'axe de référence (Al) de la 30 poutre (7). 2905793 24

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'élément magnétique (8) comporte un matériau magnétique uniaxial, ayant un axe d'anisotropie perpendiculaire à l'axe de référence (Al) de la poutre (7).

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'élément magnétique (8) a une section de forme sensiblement rectangulaire. io

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'élément magnétique (8) a une section de forme sensiblement ellipsoïdale.

16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé 15 en ce que l'élément magnétique (8) se compose d'une pluralité d'éléments magnétiques élémentaires disjoints, disposés côte à côte sur la branche centrale (10) de la poutre (7).

17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé 20 en ce qu'il comporte au moins un élément électriquement conducteur associé à l'élément magnétique (8).

18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est un bobinage (12) du type solénoïde.

19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que le bobinage (12) entoure l'élément magnétique (8).

20. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément 30 électriquement conducteur est un fil en forme de méandres (13). 5 25 2905793 25

21. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est un fil en forme de lignes (14).

22. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément 5 électriquement conducteur est un fil en forme de spirale (15).

23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est disposé à distance de l'élément magnétique (8).

24. Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est disposé d'un seul côté de l'élément magnétique (8). 15

25. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (29) est placé de part et d'autre et au contact de l'élément magnétique (8).

26. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 25, caractérisé 20 en ce que la poutre (7) est encapsulée dans un matériau isolant mou. 10