Etude magnétique de micro-aimants pour intégration dans un récupérateur d'énergie MEMS

Submillimeter magnets for MEMS energy harvesting

• Auteur / Autrice : Ilona Lecerf
• Direction : Lise-Marie Lacroix, Thomas Blon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 11/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Warot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Pannetier-Lecœur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cédric Ayela, Frédéric Mazaleyrat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Aimants permanents

Mots clés libres

Récupérateur d'énergie

Aimants permanents

Simulation nano-Aimants

Permanent magnet

Energy harvester

Nanomagnet simulation

Résumé

La fabrication et l'intégration de matériaux magnétiques submillimétriques dans des circuits prédéfinis sont d'une importance majeure pour les dispositifs MAgnétiques POrtables tels que les implants biomédicaux et les réseaux de capteurs sans fil (dispositifs IoT). Cependant, il n'est toujours pas atteint malgré des efforts intensifs. La principale limitation vient d'un manque de technologie mature d'aimants permanents pour les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Il existe donc un besoin de procédé compatible pour préparer des aimants intégrés dans la gamme submillimétrique pour de nouveaux développements en microélectronique.Le projet POMADE, récemment financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), vise à développer de nouveaux aimants nanostructurés (i) à l'échelle submillimétrique, (ii) déposés localement et (iii) intégrés dans des dispositifs fonctionnels. Nous avons récemment développé une approche unique au LPCNO pour fabriquer des aimants permanents (PM) efficaces par l'assemblage contrôlé de nanobatonnets de cobalt en utilisant la magnétophorèse et les forces capillaires.La nanostructuration des PM utilisant des processus compatibles MEMS soulève des défis de fabrication, de caractérisation et d'intégration qui seront abordés dans 3 work-packages étroitement liés:- La fabrication d'aimants submillimétriques épais à l'aide de films Co NRs et NdFeB,- Les études structurales et magnétiques avancées des PM à haute résolution spatiale,- L'intégration complète dans un flux de processus MEMS: réalisation de récupérateurs d'énergie efficaces.Le projet, et donc le sujet de cette thèse de doctorat, est multidisciplinaire, combinant des études avancées en synthèse physique et chimique, assemblage post-synthèse physico-chimique, nanomagnétisme et architecture MEMS.Le travail effectué porte plus spécifiquement sur la caractérisation fine des aimants submillimétriques, à la fois expérimentalement et théoriquement et leur intégration dans un dispositif de récupération d’énergie électromagnétique vibrant en étroite collaboration avec le LAAS. La caractérisation de ces systèmes sera également présentée et les résultats obtenus seront comparés avec le modèle théorique, permettant ainsi de les expliquer.

The fabrication and integration of sub-millimeter magnetic materials into predefined circuits is of major importance for POrtable MAgnetic DEvices such as biomedical implants and wireless sensor networks (IoT devices). However, it is still not achieved despite intensive efforts. The main limitation arises from a lack of mature permanent magnet technology for micro-electro-mechanical systems (MEMS). There is therefore a need for a compatible process to prepare integrated magnets in the submillimetric range for new developments in microelectronics.The POMADE project, recently funded by the French National Agency for Research (ANR), aims at developing new nanostructured magnets (i) at the submillimeter scale, (ii) locally deposited and (iii) integrated into functional devices. We have recently developed a unique approach at LPCNO to fabricate efficient permanent magnets (PMs) by the controlled assembly of cobalt nanorods using magnetophoresis and capillary forces.The nanostructuration of PMs using MEMS compatible processes raises fabrication, characterization and integration challenges that will be tackled within 3 closely linked work-packages:- The fabrication of thick submillimeter magnets using Co NRs and NdFeB films,- The advanced structural and magnetic studies of the PM with high spatial resolution,- The full integration into a MEMS process flow : realization of efficient energy harvesters.The project, and thus the PhD thesis subject is multidisciplinary, combining advanced studies in physical and chemical synthesis, physico-chemical post-synthesis assembly, nanomagnetism and MEMS architecture.The work will focus more specifically on fine characterization of the sub-millimeter magnets, both experimentally and theoretically and their further integration into an electromagnetic vibration energy harvester device in close collaboration with the LAAS. The characterization of these systems will also be presented, and the results obtained will be compared with the theoretical model, enabling them to be explained.