Micro-ingénierie, microfabrication et MEMS

Fabrication de micro-actionneurs piézoélectriques

Chercheur

Patrice Masson

Intérêt et problématique

La fabrication de MEMS est souvent réalisée par des technologies issues de la micro-électronique en raison de leur maturité scientifique et économique, de la possibilité d’intégrer les composantes électroniques, de la disponibilité et de la bonne connaissance du silicium. Ces techniques sont bien adaptées pour la fabrication de dispositifs dont le rapport de forme (largeur/profondeur) est faible, i.e. de l'ordre du micron en largeur pour quelques microns en profondeur. Des techniques comme le LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) ont été développées pour atteindre des rapports de forme de l'ordre de 1:100. Ces techniques nécessitent cependant une infrastructure coûteuse puisqu'elles utilisent des sources de rayons X (synchrotron). Afin de produire des microdispositifs de géométrie complexe, tel que requis par les microdispositifs dissipatifs et les micro-actionneurs de résolution spatiale appropriée pour la surveillance active, des structures de rapports de forme importants (>1:100) devront être fabriquées. Pour ce faire, une alternative aux techniques coûteuses consiste à utiliser le micro-usinage laser en raison de la très grande flexibilité qu'il offre. En plus de pouvoir usiner des matériaux métalliques et piézocéramiques, le laser permet d'usiner le silicium utilisé pour les circuits intégrés, ce qui permet de maintenir la possibilité d'intégrer les composantes électroniques avec les composantes mécaniques.

Objectifs

Objectifs et sous-objectifs à court terme

Fabrication de microdispositifs piézocéramiques (MEMS):

  • Définir une approche de modélisation et de conception intégrée des microdispositifs PZT.
  • Exploiter au mieux les outils de micro-usinage laser et lithographiques pour la fabrication des microdispositifs PZT.

Objectif à long terme

Constituer un ensemble cohérent d’outils de fabrication tridimensionnels hybrides pour la fabrication de microdispositifs PZT combinant les techniques de microfabrication par laser et les techniques lithographiques.

Projets de recherche en cours et envisagés

Dispositif dissipatif par frottement miniaturisé exploitant des matériaux PZT.
Dispositif dissipatif par frottement miniaturisé exploitant des matériaux PZT.
  • Contrôle distribué par dissipation: L’approche générale consiste à dissiper l’énergie par le contrôle du frottement optimal entre deux surfaces mises en contact par des composantes PZT miniatures. Dans la première phase, les modèles analytiques de frottement présentés plus haut et les modèles numériques par éléments finis PZT seront intégrés dans un simulateur de contrôle afin de comparer la performance de contrôle obtenue avec celle obtenue par d’autres approches développées au GAUS, utilisant soit des éléments purement passifs, soit des éléments purement actifs répartis sur la structure. Deux contrôleurs déjà validés à échelle macroscopique seront adaptés à l’utilisation des microdispositifs dissipatifs: Un contrôleur bang bang non linéaire (contrôle binaire) et un contrôleur à rétroaction linéarisée. La performance sera évaluée par le ratio des atténuations vibratoires obtenues sur l’énergie injectée et par la performance du contrôleur (stabilité et convergence). Les microdispositifs dissipatifs seront ensuite conçus et fabriqués à l’aide des techniques développées dans le cadre du second volet du programme de recherche. L’utilisation des microdispositifs dissipatifs sera validée par des mesures expérimentales sur des structures (portions de fuselages), soumises à des sollicitations externes.
  • Surveillance active de structures: L’approche générale consiste à instrumenter une structure aéronautique avec un réseau de micro-actionneurs puis à analyser les signaux mesurés par des capteurs pour en déduire l’état d’endommagement. La première phase exploitera le modèle analytique et/ou numérique développé en partie dans le cadre du projet CRIAQ, pour décrire la réponse vibratoire de la structure soumise à certains types de défauts. Ce modèle permettra d’établir les critères de conception des micro-actionneurs PZT pour la détection de défauts en considérant la puissance mécanique, la position, la résolution spatiale et le nombre requis. Ce modèle sera également utilisé dans le développement de l’approche de traitement de signal en sous-bandes adaptée aux micro-actionneurs (transformée en ondelettes et enveloppe complexe), choisie pour obtenir une flexibilité maximale pour la génération et l’interprétation des signaux mesurés. Le système de prototypage rapide dSPACE permettra de valider le contrôleur en utilisant, pour cette première phase, des actionneurs conventionnels avec des structures et défauts simplifiés. Les micro-actionneurs seront ensuite conçus et fabriqués à l’aide des techniques développées et des logiciels de conception utilisés dans le cadre du second volet du programme de recherche. L’approche sera finalement validée expérimentalement sur des portions de fuselage soumises à des défauts créés artificiellement.

Renseignements