Brevet FR2824417A1 — publié le 20021108

formé au moyen d'un processus à pression interne de gaz. _ ACTIONNEUR MAGNETIQUE BISTABLE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un actionneur magnétique bistable et notamment un microactionneur. Elle trouve une application dans la réalisation de microrelais (électriques ou optiques), de microvannes, de micropompes, etc.. Etat de la technigue antérieure Le document WO 97/39468 décrit un actionneur magnétique pouvant prendre la forme illustrée sur la figure 1 annexce. Tel que représenté, cet actionneur comprend un circuit magnétique constitué d'une pièce polaire centrale 12 entourée d'un bobinage conducteur 14 et de deux pièces polaires symétriques 16. Une pièce magnétique mobile 18 est disposoe en regard de la pièce polaire centrale 12. Lorsqu'un courant circule dans le bobinage 14, une force magnétique F agit sur la pièce magnétique mobile 18 et vient plaquer celle-ci sur une pièce conductrice fixe 19. Ce contact ferme un circuit électrique (non 2 5 représenté). Un tel actionneur est unidirectionnel en ce sens que la force F exercce sur la pièce mobile ne peut étre dirigée que dans un seul sens. Cet actionneur n'est donc pas bistable, mais monostable, la seule position de travail stable étant celle o la pièce mobile 18 est plaquée contre le contact 19. _ On connaît cependant des actionneurs magnétiques bistables. L' article de M. Sc. H. Ren et al. intitulé "A Bistable Microfabricated Magnetic Cantilever Microactuator with Permanent Magnet" publié dans les Compterendus de la 5ème Conférence Internationale Microsystem Technologies 96, Potsdam, 17-19 Septembre, 1996, pages 799 à 801 décrit un actionneur représenté sur la figure 2 annexée. Cet actionneur comprend un aimant permanent 20 prolongé par deux branches magnétiques 22, 24 entourées chacune d'un bobinage conducteur, respectivement 23, 25. Une poutre flexible 26, en matériau magnétique, complète le cTrcuit magnétique. Celui-ci présente donc deux entrefers définis par l'extrémité de la poutre 26 et chacune des extrémités des branches 22 et 24. Le flux magnétique présent dans chacun de ces entrefers résulte de la somme des flux dus à l'aimant permanent 20 et aux courants cTrculant éventuellement dans l'un ou l'autre des bobinages 23 et 25. Les forces magnétiques F1 et F2 appliquces à l'extrémité de la poutre 26 s'exercent soit dans un sens soit dans l'autre selon que l'un ou l'autre des bobinages conducteurs 23, 25 est parcouru par un courant. Un tel actionneur est donc bidirectionnel ou, si l'on veut, bistable. Cet actionneur bistable présente un inconvénient. En effet, comme la pièce mobile 26 fait intogralement partie du circuit magnétique, son déplacement est limité. Par ailleurs, sa mobilité est réduite car elle résulte d'une flexion d'une pièce magnétique. La présente invention a justement pour but= de remédier à cet inconvénient. Exposé de 1' invention L' invention propose un actionneur bistable dans lequel le déplacement de la pièce mobile est augmenté et sa mobilité améliorée. Ce but est atteint par le fait que la pièce mobile est fixce à des moyens flexibles qui ne font plus partie du circuit magnétique. De façon plus précise, l' invention a pour objet un actionneur magnétique bistable comprenant: - une première structure magnétique fixe comprenant un premier bobinage conducteur entourant un premier circuit magnétique ouvert présentant une première extrémité, - une seconde structure magnétique fixe comprenant un second bobinage conducteur entourant un second circuit magnétique ouvert présentant une première extrémité, les premières extrémités des premier et second circuits magnétiques étant disposéss en regard l'une de l'autre, - une pièce magnétique mobile pouvant occuper une première ou une seconde position de travail stable selon que le premier ou le second bobinage conducteur est excité, caractérisé en ce que: - la pièce magnétique mobile est localisée au voisinage de la première extrémité du - premier circuit magnétique et de la première extrémité du second circuit magnétique, - la pièce magnétique mobile est fixée à des moyens non magnétiques permettant le déplacement de la pièce mobile en direction de la première extrémité du premier circuit magnétique ou en direction de la première extrémité du second circuit magnétique. Les bobinages conducteurs et les circuits magnétiques peuvent être réalisés selon des techniques empruntées à la micrcélectronique. L'actionneur est alors un micoactionneur. Les bobinages peuvent être constitués de nappes de ruhans conducteurs déposés dans des caissons gravés. Le circuit magnétique peut étre réalisé à l' aide de couches de matériaux magnétiques "douxi' ou "durs" ou de matériaux à hystérésis. Les matériaux doux siaimantent de façon linéaire en fonction du champ magnétique qui leur est appliqué (fer, nichel, fernickel, fer-cobalt, fer-silicium,...). Les matériaux durs ont une aimantation fixe qui ne dépend pas du champ appliqué (ferrite, samariumcobalt, néodyme-fer-bore, platine-cobalt). Les matériaux à hystérésis ont des propriétés se situant entre celles des matériaux doux et celles des matériaux durs. Ils peuvent s'aimanter et garder une aimantation après que le champ d' excitation a disparu. Les deux structures magnétiques peuvent prendre diverses formes, et être par exemple symétriques par rapport à un plan ou par rapport à un point. _ Quant au déplacement de la pièce mobile, il peut s'agir d'une translation (ou d'une quasi-translation) ou d'une rotation. srève description des dessins - la figure 1, déjà décrite, illustre un actionneur monostable selon l'état de la technique; - la figure 2, déjà décrite, illustre un actionneur bistable selon l'état de la technique; - la figure 3 illustre un mode particulier de réalisation d'un microactionneur bistable selon l' invention; - les figures 4A à 4I montrent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un microactionneur selon l' invention; - la figure 5 illustre une application à la réalisation d'un microrelais; - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation; - la figure 7 illustre encore un autre mode de réalisation à centre de symétrie; - la figure 8 illustre un microactionneur à axe de rotation. Description de modes particuliers de réalisation La description qui va suivre se rapporte à un microactionneur mais on ne sortirait pas du cadre de linvention en modifiant les exemples décrits pour obtenir un actionneur. , Le mode de réalisation illustré sur la figur 3 correspond à un dispositif présentant un plan de symétrie. La première structure magnétique comprend un premier bobinage conducteur 321 entourant un premier circuit magnétique ouvert comprenant une partie cTrculaire 341 et une partie droite 30 située dans le plan de symétrie. La seconde structure comprend, de la même manière, un second bobinage conducteur 322 entourant un second circuit magnétique ouvert comprenant une partie circulaire 342 et la partie droite 30 déjà citée, qui se trouve donc être commune aux deux structures. Il va de soi que les formes ctrculaires des parties 34: et 342 ne sont que des exemples et que l'on ne sortirait pas du cadre de l' invention en réalisant des circuits rectangulaires ou autres. Le dispositif se complète par une pièce magnétique mobile 36 placée entre les extrémités 351 et 352 des premier et second circuits magnétiques. Cette pièce 36 est fixée à deux poutres flexibles 38 et 39 non magnétiques, encastrées dans une embase 40. Naturellement, on pourrait n'utiliser qu'une seule poutre ou en utiliser plus de deux. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Tel que représenté sur la figure 3, le microactionneur est au repos. Lorsque le bobinage de gauche 321 est parcouru par un courant, le circuit magnétique de gauche 341 est excité et la partie mobile 36 est attirée vers la gauche. Elle vient alors fermer l'entrefer de gauche qu'elle définissait avec le premier circuit magnétique. Lorsque c'est le bobinage de roite 322 qui est paraouru par un courant, c'est le circuit magnétique de droite 342 qui est excité et la partie mobile est attirée vers la droite. Elle vient alors fermer lentrefer de droite qu'elle définissait avec le second circuit magnétique. Le microactionneur décrit possède donc bien deux positions de travail stables. Suivant la composition des matériaux des enroulements magnétiques, la partie mobile peut garder l'une ou l'autre de ces positions méme si l'alimentation des bobinages est interrompue (cas des matériaux à hystérésis). Mais la partie mobile peut aussi reprendre sa position de repos (cas des matériaux doux). Dans le cas des matériaux à hystérésis, il faudra désaimanter le circuit magnétique en alimentant le bobinage approprié avec un courant de sens correct pour que la partie mobile reprenne sa position initiale. Les figures 4A à 4I illustrent un procédé de réalisation d'un microactionneur selon la présente invention. On part d'un substrat 50, par exemple en silicium (figure 4A); on y grave des caissons quon remplit de matériau conducteur pour obtenir une nappe de conducteurs 52 situés sur un premier niveau; on planarise l 'ensemble; on dépose une couche isolante 54 sur laquelle on forme une couche 56 isolante (par exemple en SiO2), couche dite sacrificielle. On dépose ensuite (figure 4B) une couche de résine 58. Dans cette couche de résine, on dépose une couche de matériau magnétique (figure 4C) pour former le ciruit magnétique 60 et la future partie mobile &2; puis on isole les motifs (figure 4D). On dépose ensuite une nouvelle couche de résine 66 (figure 4E) et on planarise l'ensemble (figure 4F). On dépose ensuite une couche isolante 70 (figure 4G) et une couche de résine; on grave dans celle-ci de nouveaux caissons que l'on remplit de matériau conducteur pour obtenir une seconde nappe de conducteurs 74 sur un deuxième niveau. Des connexions non représentées permettent de réunir les deux nappes de conducteurs pour obtenir un bobinage entourant la plece magneLlque. On planarise l'ensemble (figure 4H) et l'on isole les différents motifs. On grave ensuite la couche sacrificielle 56 (figure 4I) pour dégager un espace libre 78 et libérer la partie mobile 62. La figure 5 illustre une application de l' invention à la réalisation d'un microrelais électrique. Ce dispositif comprend les moyens déjà représentés sur la figure 4 et qui portent les mémes références. I1 comprend, en outre, des contacts électriques 80 et 82 disposés aux extrémités 351 et 352 des circuits magnétiques, trois plots de contact 91, 92, 93 et trois pistes 94, 95, 96 reliant les plots aux contacts 80 et 82 et à la base 40. Lorsque le bobinage de gauche 321 est alimenté, la partie mobile 36 est attirée vers la gauche et vient refermer le circuit électrique 91, 93. Lorsque le bobinage de droite 322 est alimenté, la partie mobile esaLtirde vers la droiLe et vienL refermer le cicuiL lecLique 92, 93. Les contacts lectrigues ne sont gue schmatiss sur la figure 5. Dans la rdalit6, les pistes permettent de reporter les ploLs de conLact vers la priphrie du microrelais oL peuvent figurer galement les contacts permettant de commander 1'actionneur. [a figure 6 illusCre un autre mode de ralisacion 1Q dun microactionneur selon l' invention dans leuel les branches centrales des ctrcuiLs magn6Ligues ne sot pas confondues en une seule brache 30, comme sur la figure 3, mais sont constitus de deux branches ind6pendantes 301, 30. Les fuites magntiues sont ainsi rduites. La figure 7 111ustre un mode de 4aliaLion sym6Lrie ceoLale. Autrement diL, les deux truccures (301, 321, 34,) (30:, 32:, 34) sont sYm6trigues ar rapport un point gui est le centre du disositif. La partie mobile 36 peut alors tre relide de manire elle aussi symtrique deux embases 401, 40:, par deux jeux de deux poutres flexibles (381, 391) (38, 19). La figure 8, enfin, montre un mode de ralisation oL la ice magntigue mo) lle 36 est mobile en coLaLion auLour d'un axe 98. Elle peuL venir se laguer soit sous l'exLrAmiL 351 soiL sous l'exLrdmiLd 35 des deux circuiLs magn4Ligues 341 eL 34: selon que le couranL passe dans l'enroulemenL 321 ou dans lenroulemenL 32. _ REV-ENDICATIONS 1. Actionneur magnétique bistable comprenant: - une première structure magnétigue fixe comprenant un premier bobinage conducteur (321) entourant un premier circuit magnétigue ouvert (341) présentant une première (351) extrémité, - une seconde structure magnétigue fixe comprenant un second bobinage conducteur (322) entourant un second circuit magnétigue ouvert (342) présentant une première extrémité (3S2), les premières extrémités (351, 352) des premier et second circuits magnétigues étant disposées en regard l'une de l'autre, - une pièce magnétique mobile (36) pouvant occuper une première ou une seconde position de travail stable selon gue le premier ou le second bobinage conducteur (321, 322) est excité, .. caracterlse en ce que: - la pièce magnétique mobile (36) est localisoe au voisinage de la première extrémité (351) du premier circuit magnétigue et de la première extrémité (352) du second circuit magnétigue, - la pièce magnétigue mobile (36) est fixée à des moyens non magnétiques (38, 39) permettant le déplacement de la pièce mobile (36) en direction de la première extrémité (351) du premier cirGuit magnétique ou en direction de la première extrémité (352) du second circuit magnétique. 2. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel les première (32l, 341) et seconde (322, 342) structures magnétiques sont disposoes symétriquement lune de l'autre par rapport à un plan. 3. Actionneur selon la revendication 2, dans lequel les moyens auxquels la pièce magnétique mobile est fixée comprennent au moins une poutre flexible (33, 39) non magnétique. 4. Actionneur selon la revendication 2, dans lequel le premier et le second circuits magnétiques ont en commun une branche magnétique (30) située dans le plan de symétrie. 5. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel les première et seconde structures magnétiques sont disposoes symétriquement par rapport à un point. 6. Actionneur selon la revendication 5, dans lequel les moyens auxquels la pièce magnétique mobile (36) est fixée comprennent au moins deux poutres flexibles (381, 391) (382, 392) symétriques. _ 7. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel la pièce magnétique mobile (36) est mobile en rotation autour d'un axe (98). 8. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les bobinages conducteurs (321, 322) et les circuits magnétiques (341, 342, 30, 301, 302) sont réalisés en matériaux déposés en couches, l'actionneur étant alors un