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Faculté de génie

Département de génie mécanique

Luc Fréchette

ing., Ph. D.
Professeur titulaire

Coordonnées

Diplômes

  • B. Ing., École Polytechnique de Montréal (Canada), 1994
  • S. M., Massachusetts Institute of Technology (États-Unis), 1997
  • Ph. D., Massachusetts Institute of Technology (États-Unis), 2000

Recherches actuelles

Le programme de recherches porte sur le développement de microsystèmes thermiques, fluidiques, et/ou électrochimiques. Les projets suivants sont présentement en cours ou débuteront bientôt :

  • Développement d'une microturbine pour un cycle de puissance Rankine miniature (MicroRankine steam turbine)
  • Micropiles à combustible par procédés de microfabrication (micro-PEMFC)
  • Étude microfluidique du comportement des paliers à gaz pour microturbines (micro gas bearings)
  • Étude microfluidique des écoulements bi-phasiques et du transfert thermique aux petites échelles (two-phase flow micro heat exchangers and gas diffusion media)
  • Développement de procédés de gravure de carbure de silicium (SiC) pour microsystèmes à haute température (SiC deep reactive ion etching)
  • Développement d'un microsystème de refroidissement distribué et autonome (adaptive MEMS cooling skin)

Capteurs et actionneurs aérothermiques

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS), tels que les capteurs de pression et les accéléromètres, ont eu un impact important dans le secteur de l'automobile en réduisant les émissions et en permettant un niveau de sécurité sans précédent dans les voitures de toutes gammes, grâce aux coussins gonflables. Nous désirons faire prévaloir les avantages des MEMS dans le domaine de l'aérospatiale afin d’ajouter de l’intelligence aux véhicules aéronautiques et spatiaux, et ainsi augmenter leur fiabilité et performance.

Nous visons la conception, la fabrication et la démonstration de capteurs et d'actionneurs aérothermiques spécialement conçus pour les environnements brutaux des applications aérospatiales. Pour ce faire, nous collaborons entre autres avec des partenaires industriels afin de développer des solutions spécifiques à leurs problèmes.

Micropiles à combustible

Afin de satisfaire les besoins énergétiques grandissant de notre société tout en respectant l'environnement, il y a un effort marqué pour développer des sources d'énergie alternatives aux hydrocarbures. Les piles à combustible (« fuel cells ») permettent de générer de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène, ne rejetant que de l'eau dans l'atmosphère. L'usage répandu de piles à combustible est toutefois limité par leurs coûts élevés, leur durabilité, leurs contraintes d'opération et la distribution d'hydrogène. Afin de réduire la quantité de métaux précieux requis, d'améliorer la stabilité de leurs micro et nanostructures, et de permettre leur opération indépendamment des conditions environnantes, de nouvelles techniques de fabrication seront requises, ainsi qu'une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliqués. Nous proposons l'utilisation des microtechnologies et de la nanofabrication afin de permettre une percée des piles à combustible dans le marché.

Ce volet de recherche propose de développer des micropiles à combustible à base de membrane polymérique en utilisant les techniques de microfabrication. Cette approche permettra en premier lieu de caractériser et de modéliser les phénomènes électrochimiques et le transfert de masse et de chaleur pour des structures bien définies. La microfabrication permettra aussi de créer des microstructures optimisées pour les piles à combustible, en comparaison avec les couches de tissu et de papier présentement utilisées. Les objectifs sont : 1) de mieux définir le transport d'eau et d'oxygène dans les couches minces formant les piles à combustible; 2) de développer un système complet de génération de puissance miniature à base de micropiles à combustible.

  • Microfabrication, caractérisation et optimisation des microstructures dans les piles à combustible : Utiliser les techniques de microfabrication pour développer les composantes centrales des piles à combustible avec membrane polymériques (PEMFC). Optimiser les microstructures afin de maximiser le transport d'oxygène et de contrôler le degré d'humidité de la membrane. Développer des techniques de microfabrication afin de faciliter la réalisation de ces microstructures.
  • Études des écoulements et du transfert de masse dans les piles à combustible microfabriquées : Comprendre les phénomènes qui limitent la performance en modélisant le transfert de masse dans des structures parfaitement définies, qui peuvent être réalisées par les techniques de microfabrication. Établir des règles de conception des microstructures et de leur assemblage pour les piles à convection naturelles et forcées.
  • Développement d'un microsystème intégré : Concevoir, assembler et démontrer une source de puissance à base de micropiles pour appareils électroniques portatifs, utilisant des composantes microfabriquées et traditionnelles.

Microturbines

L'amélioration des techniques de microfabrication subvenue au cours des dernières années nous permet de créer des microsystèmes complexes, tels que des microturbines à gaz de la grosseur d'un timbre poste. Nous envisageons pouvoir miniaturiser et intégrer les composantes nécessaires pour implémenter un cycle thermodynamique de puissance ou d'autres principes de génération de puissance pour créer des centrales énergétiques miniatures, sur une puce. Cette technologie permettrait de créer des sources de puissance portatives à base de carburant avec une densité d'énergie supérieure aux batteries au lithium rechargeables, ainsi qu'une approche économique et compacte pour générer de l'électricité à partir de chaleur résiduelle, qui serait autrement perdue. Des améliorations en densité de puissance et d'énergie seront nécessaires afin de satisfaire les besoins énergétiques grandissants des appareils électroniques portatifs ainsi que pour permettre l'avènement des réseaux de capteurs, des robots mobiles, le refroidissement de personnes et promouvoir des véhicules à haute efficacité énergétique.

Dans ce volet de recherche, nous développons les technologies essentielles pour implémenter des cycles thermodynamiques miniatures, tels que des microturbomachines, des paliers au gaz microfabriqués et des micro-échangeurs de chaleur. L'objectif final du projet en cours consiste à intégrer ces composantes pour créer des centrales énergétiques miniatures basées sur le cycle de puissance à vapeur Rankine. Un tel microsystème de la grosseur d'une pièce de dix sous devrait fournir de 1 à 10 Watts d'électricité en soutirant de l'énergie des gaz d'échappement, à partir de l'énergie solaire ou d'une petite chambre de combustion. En parallèle, nous poursuivons des études plus fondamentales sur la mécanique des fluides et le transfert de chaleur aux échelles microscopiques.

  • Microturbomachines : Établir les règles de conception aérodynamiques et structurales pour des turbines microfabriquées, de quelques millimètres de diamètre. Investigations numériques des écoulements et du transfert de chaleur à nombre de Reynolds modéré (10 < Re < 10 000) afin d'identifier les phénomènes dominants et de définir des paramètres pratiques pour la conception de microturbines. 
  • Paliers au gaz microfabriqués : Caractériser expérimentalement les plages d'opération stables et la performance de paliers au gaz pour microturbines. Analyser la réponse dynamique des microrotors avec une excitation externe et comparer aux modèles analytiques. Développer une procédure d'opération et des règles de conception afin de permettre la rotation des microturbines à très haute vitesse (au-delà de 2 millions de révolutions par minute). 
  • Micro-échangeur de chaleur bi-phasique : Études afin de déterminer les mécanismes qui permettront un changement de phase complet, liquide à vapeur, dans des microcanaux. Essais microfluidiques et analyse numérique de l'impact de la tension de surface sur les écoulements bi-phasiques dans des géométries complexes microfabriquées.

Récupération d’énergie vibratoire à l’aide de microgénérateurs piézoélectriques

Afin de réaliser la vision que l’intelligence artificielle puisse être omniprésente dans tout ce qui nous entoure, il sera requis de développer des capteurs sans fils qui perçoivent notre environnement et interagissent avec lui. Les sources de puissance à petite échelle pour alimenter ces capteurs sont par contre une limitation technologique importante qui restreint la réalisation de cette vision. Nous développons des approches pour générer de l’électricité à partir de sources d’énergie environnantes, telles que la vibration des structures, la chaleur rejetée et les écoulements. En particulier, nous appliquons les principes de microfabrication avec des matériaux piézoélectriques afin de créer des générateurs miniatures à faible coût qui puissent être intégrables avec des capteurs MEMS.

  • Développement d’un microgénérateur résonant pour les applications automobiles.
  • Étude de faisabilité pour la récupération d’énergie vibratoire sur les structures d’avion pour la surveillance de l’état des structures (SHM).
  • Méthodes de microfabrication pour les MEMS piezo en couches épaisses.
  • Développement d’un microgénérateur biomécanique intégré au corps humain.

Postes pour étudiants et étudiantes aux cycles supérieurs

Nous sommes à la recherche de candidats exceptionnels au niveau de la maîtrise et du doctorat afin de poursuivre ces activités de recherche. Tout étudiant intéressé devrait contacter le professeur Fréchette afin d'avoir plus de renseignements et est encouragé à appliquer au Département de génie mécanique. Du financement est disponible pour certains projets.

Projets de recherche offerts

Pour obtenir la liste des projets proposés aux études supérieures par les professeurs du département, consultez la page Projets de recherche offerts.

Liens externes

Le laboratoire MICROS fait partie de l'Institut interdisciplinaire d'innovation technologique – 3IT :

http://www.usherbrooke.ca/3it/

et bénéficie des infrastructures de salles blanches du Centre de Recherche en Nanofabrication et Nanocaractérisation – CRN2 :

http://www.crn2.ca

Aperçu des publications

  • L.-M. Collin, O. Arenas, R. Arès et L. Fréchette, “Thermal resistance and heat spreading characterization platform for concentrated photovoltaic cell receivers”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 3, no 10, pp. 1673–1682, 2013.
  • Fréchette, L.G., “Microscale Energy Conversion Devices”, Book chapter in Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, Editor D. Li, Springer, 2008.
  • Tabesh, A., Fréchette, L.G., “An improved small-deflection electromechanical model for piezoelectric bending beam actuators and energy harvesters”, J. of Micromechanics and Microengineering, vol. 18, no 10, 2008.