Brevet FR2761518A1 — publié le 19981002

MOTEUR PLANAIRE MAGNETIQUE ET MICRO-ACTIONNEUR MAGNETIQUE COMPORTANT UN TEL MOTEUR La présente invention concerne un moteur planaire magnétique ainsi qu'un micro-actionneur comportant un tel moteur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des actionneurs, comme par exemple les micro-vannes, les micro-relais, les micro- moteurs et plus généralement tous les micro-systèmes ayant une fonction de mouvement. Jusqu'à présent, la plupart des micro-actionneurs existants fonctionnent sur les principes de l'actionnement électrostatique, piézo-électrique ou thermique. Par contre, le domaine des micro- actionneurs magnétiques reste encore peu exploité. Ceci peut être expliqué par le fait que les technologies permettant de réaliser des dispositifs magnétiques efficaces sont relativement récentes, notamment la maîtrise des couches épaisses avec "aspect ratio", ou rapport de la hauteur à la largeur, élevé. D'autre part, on peut constater que les micro- actionneurs existants de type relais ne sont pas entièrement satisfaisants, en particulier les courants nécessaires pour l'actionnement sont souvent relativement élevés par le fait que le nombre de spires des bobines qui les constituent est petit. Aussi, un premier problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un moteur planaire magnétique qui permettrait d'augmenter la force magnétique développée tout en gardant une surface raisonnable. La solution à ce premier problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit moteur planaire magnétique comporte une pluralité de pôles magnétiques en matériau ferromagnétique placés au centre de bobines planaires constituées d'au moins une couche de spires réalisées en surface d'un substrat en matériau ferromagnétique, lesdites spires étant bobinées et connectées entre elles de manière à additionner les flux magnétiques générés par lesdits pôles magnétiques. Ainsi, en augmentant le nombre de pôles, deux par exemple ainsi que le nombre de couches de spires par bobine, on peut augmenter le nombre effectif N de spires du moteur planaire magnétique de l'invention, et par conséquent la force magnétique, proportionnelle à I2(N1 + N2)2, I étant le courant traversant lesdites spires et N1 et N2 désignant le nombre de spires des première et deuxième bobines, tout en conservant une surface acceptable pour le dispositif. Un deuxième problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un micro- actionneur magnétique comportant un moteur planaire magnétique selon l'invention, qui présenterait notamment un élément mécanique mobile compact afin de réduire la taille du système. La solution au deuxième problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit micro-actionneur magnétique comprend également un élément mécanique à contact mobile, comportant un cadre-support placé sur ladite surface du substrat magnétique par l'intermédiaire d'un espaceur, une lame flexible disposée sensiblement parallèlement à la surface dudit substrat et dont une extrémité est fixée audit cadre-support, un noyau en matériau ferromagnétique porté par ladite lame flexible, et un contact mobile solidaire dudit noyau ferromagnétique, situé en regard d'un contact fixe aménagé sur la surface du substrat dudit moteur planaire magnétique. Le micro-actionneur magnétique conforme à l'invention présente un certain nombre d'avantages. D'une part, il constitue un dispositif miniature et planaire peu encombrant avec possibilité d'y adjoindre un circuit intégré. D'autre part, l'épaisseur de l'espaceur permet de contrôler directement la tension d'isolation du micro- actionneur agissant comme relais. De plus, les contacts mobile et fixe peuvent être réalisés en couche mince et intégrée. Selon un premier mode de réalisation de micro- actionneur magnétique de l'invention, ledit espaceur est réalisé par dépôt à la surface du substrat du moteur planaire magnétique d'un matériau conducteur, ledit cadre-support étant rapporté sur ledit espaceur par l'intermédiaire de protubérances conductrices. Le mode de réalisation met en oeuvre la technologie dite de la "puce retournée" (flip-chip en anglo-saxon), bien connue dans le domaine de la connectique des pastilles semi-conductrices, ou "puces". Selon un deuxième mode de réalisation de micro- actionneur magnétique de l'invention, ledit espaceur est en matériau isolant et intégré audit cadre-support, ladite lame flexible étant conductrice et électriquement reliée à la surface du substrat du moteur planaire magnétique par son extrémité fixée sur le cadre-support. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. - la figure 1 est une vue de côté d'un moteur planaire magnétique conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de côté d'un premier mode de réalisation d'un élément mobile d'un micro-actionneur de l'invention; - la figure 3 est une vue de côté d'un micro-actionneur comportant l'élément mobile de la figure 2 associé au moteur planaire magnétique de la figure 1; - la figure 4 est une vue de côté d'un deuxième mode de réalisation d'un élément mobile d'un micro- actionneur de l'invention; - la figure 5 est une vue de côté d'un micro- actionneur comportant l'élément mobile de la figure 4 associé au moteur planaire magnétique de la figure 1; - la figure 6 est une vue en perspective d'un élément mobile muni d'une membrane déformable de compensation de surépaisseur. Sur la figure 1 est représenté en vue de côté un moteur planaire magnétique 100 constitué de bobines planaires 110, 120 comprenant, chacune, quatre couches de spires, structurées en surface d'un substrat ferromagnétique 130. Chaque bobine 110, 120 comporte en son centre un pôle magnétique 111, 121 en un matériau ferromagnétique tel que du ferronickel FeNi. Cette structure est en fait un circuit magnétique avec intervalle d'air. Le passage d'un courant à travers les bobines 110, 120 entre une borne 141 d'entrée et une borne 142 de sortie génère un flux 150 dans le circuit magnétique qui se traduit par une force d'attraction au niveau de l'intervalle d'air. Dans le cas particulier de la figure 1, le circuit magnétique est constitué de deux pôles 111, 121 entourés de bobines 110, 120 dont les spires sont bobinées et connectées entre elles de manière à additionner les flux magnétiques générés par lesdits pôles magnétiques. Le couplage de cette partie moteur avec un élément mobile forme un microactionneur, par exemple une vanne, un relais ou un moteur à lévitation, etc. Les figures 2 et 6 montrent le cas particulier de la réalisation d'un élément mécanique 200 à contact mobile pour un micro-relais. Cette structure comporte un cadre-support 210 qui, comme l'indique la figure 3, est destiné à être placé sur la surface du substrat ferromagnétique 130 du moteur planaire 100 par l'intermédiaire d'un espaceur 211. Dans l'exemple de la figure 3, l'espaceur 211 est réalisé par un dépôt à la surface du substrat 130 d'un matériau conducteur. La hauteur de l'espaceur 211 permet de contrôler l'intervalle d'air entre le contact fixe 150 aménagé sur la surface du moteur planaire 100 et un contact mobile 220 solidaire d'un noyau ferromagnétique 230, en FeNi par exemple, porté par une lame flexible 240 qui doit être en un matériau ferromagnétique, par exemple en nickel. Une extrémité de ladite lame flexible 240 est fixée au cadre-support 210 et joue le rôle de point fixe pour le bras de levier constitué par la lame 240. On peut voir sur les figures 2 et 3 que le cadre- support 210 est surmonté d'un substrat 260, qui peut être en silicium lorsqu'il est destiné à accueillir un circuit intégré. Le substrat 260 peut, selon les applications, être en un matériau transparent (verre) ou ferromagnétique (FeNi). Enfin, ledit cadre- support 210 est rapporté sur l'espaceur 211 par l'intermédiaire de protubérances conductrices 250 selon le procédé de la "puce renversée" ou "flip-chip". L'assemblage peut se faire par des techniques de soudure ou de collage, la condition étant que cette partie soit électriquement conductrice de façon à réaliser un des contacts du micro-relais sur l'autre partie. Par ailleurs, cet assemblage positionné tout autour du dispositif permet d'isoler le contact du micro- relais, de créer une cavité étanche dans laquelle l'ambiance et la pression sont contrôlées. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un couvercle, celui-ci faisant partie intégrante du système du fait de l'assemblage par protubérances. Les figures 4 et 5 font apparaître une variante de réalisation de l'élément mécanique à contact mobile obtenu à partir d'un substrat ferromagnétique mince sur lequel on structure un espaceur 311 en matériau isolant ainsi que la lame flexible métallique 340 portant des contacts mobiles 320. Par attaque sélective du dos du substrat selon les lignes en pointillé de la figure 4, on réalise le cadre-support 310 et le noyau ferromagnétique 330. La continuité électrique entre les contacts 150 et 320 du micro-relais est assuré par le fait que la lame flexible 340 conductrice est électriquement reliée à la surface du substrat 130 du moteur planaire magnétique 100 par son extrémité fixe au cadre-support 310. Revenant par exemple sur le mode de réalisation de la figure 3, on peut constater que, lorsque les deux contacts 150, 220 du micro-relais sont placés en regard et que le relais est fermé, ces deux contacts, en raison de leur épaisseur, vont empêcher le circuit magnétique de se fermer avec un intervalle d'air minimum. C'est pourquoi, afin d'emmagasiner cette surépaisseur, il est prévu, conformément à la figure 6, que le contact mobile 220 de l'élément mécanique 200 soit placé sur une membrane déformable 270 qui peut être réalisée également en nickel. Cette disposition présente deux avantages: - une bonne fermeture de contact électrique grâce à un transfert de la force magnétique générée par le circuit magnétique; - une bonne efficacité de circuit magnétique par le fait que l'intervalle d'air est maintenu minimum, et par conséquent, la force magnétique générée est maximale. Diverses variantes du micro-relais de l'invention peuvent être envisagées. Au niveau de l'actionnement, la commande du relais peut être obtenue par un courant continu appliqué aux bobines planaires 110, 120 ou par l'induction magnétique produite par un aimant permanent. Par ailleurs, l'utilisation d'aimants permanents, ou d'un matériau localement magnétisable au moyen d'une bobine, peut être prévue pour rendre le système bistable; c'est-à-dire présentant un état stable en position activée et un état stable en position de repos. Enfin, l'invention telle que décrite, se prête particulièrement bien à la réalisation de matrices de micro-actionneurs magnétiques sur un même substrat. REVENDICATIONS 1. Moteur planaire magnétique (100), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de pôles magnétiques (111, 121) en matériau ferromagnétique placés au centre de bobines planaires (110, 120) constituées d'au moins une couche de spires réalisées en surface d'un substrat (150) en matériau ferromagnétique, lesdites spires étant bobinées et connectées entre elles de manière à combiner les flux magnétiques générés à travers lesdits pôles magnétiques (111, 121). 2. Micro-actionneur magnétique comportant un moteur planaire magnétique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un élément mécanique (200; 300) à contact mobile, comportant un cadre-support (210; 310) placé sur ladite surface du substrat ferromagnétique (130) par l'intermédiaire d'un espaceur (211; 311), une lame flexible (240; 340) disposée sensiblement parallèlement à la surface dudit substrat (130) et dont une extrémité est fixée audit cadre-support (210; 310), un noyau (230; 330) en matériau ferromagnétique porté par ladite lame flexible (240; 340), et un contact mobile (220; 320) solidaire dudit noyau ferromagnétique (230; 330), situé en regard d'un contact fixe (150) aménagé sur la surface du substrat (130) dudit moteur planaire magnétique (100). 3. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit espaceur (211) est réalisé par dépôt à la surface du substrat (130) du moteur planaire magnétique (100) d'un matériau conducteur, ledit cadre-support (210) étant rapporté sur ledit espaceur (211) par l'intermédiaire de protubérances conductrices (250). 4. Micro-actionneur magnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit espaceur (311) est en matériau isolant et intégré audit cadre-support (310), ladite lame flexible (340) étant conductrice et électriquement reliée à la surface du substrat (130) du moteur planaire magnétique (100) par son extrémité fixée sur le cadre-support (310). 5. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit contact mobile (220) dudit élément mécanique (200) est placé sur une membrane déformable (270). 6. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est commandé par un courant continu appliqué auxdites bobines planaires (110, 120). 7. Micro-actionneur magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est commandé par l'induction magnétique produite par un aimant permanent.