De la recherche fondamentale au partenariat industriel

MEMS

MEMS, Acoustique et Energie (MEMS)

Présentation

Thématique(s) et objectifs : Modélisation, fabrication, caractérisation expérimentale, validation de modèles et optimisation de MEMS. Trois domaines d’application sont poursuivis : (i) cMUT, (ii) actionneurs de forte puissance mécanique, (iii) récupération d’énergie mécanique, autour du concept de maîtrise de l’énergie d’origine acoustique et/ou mécanique.

Spécificités et points forts : au niveau national (LUSSI à Tours), et international (Stanford, GoergiaTech), les équipes travaillant sur les cMUT sont issues de l’électronique. En comparaison, les membres du thème apportent une compétence forte en modélisation et validation de modèles mécaniques qui est indispensable pour l’obtention de modèles prédictifs en non linéaire. Par ailleurs, les deux chercheurs de retour de mise à disposition apportent des compétences fortes en conception et fabrication de MEMS. La multidisciplinarité de l’équipe devrait permettre de mettre au point des dispositifs innovants, pour des applications variées.

Chercheurs permanents : Marc BERTHILLIER, Gilles BOURBON, Joseph LARDIES, Patrice LE MOAL, Jean-Louis RAYNAUD

Mots clés

MEMS, Réseaux de membranes capacitives (cMUT), Systèmes périodiques, « Smart surface », Guide d’onde, Actionneurs électrostatiques, Non-linéarités, Propagation d’ondes, Vibroacoustique, Acoustique, Identification, Antennes acoustiques, Récupération d’énergie, Micro-fabrication sur silicium.

Bilan de l'activité scientifique 06 – 09

    Résultats marquants du quadriennal : Sur les cMUT, l’activité commencée il y deux ans, se résume principalement à une appropriation de la technologie des cMUT et des modélisations associées. Plusieurs modélisations non linéaires ont été développées et un logiciel intermédiaire entre les outils de pré-dimensionnement et les simulations Eléments Finis a été développé. Sur le plan de la fabrication, certains membres se sont formés aux techniques de fabrications en salle blanche et un premier cMUT a pu être fabriqué à la centrale MIMENTO. Par ailleurs, des travaux initiés avant 2008 sur l’identification spectrale des systèmes périodiques (roues aubagées) à partir de mesures irrégulières très fortement sous échantillonnées ont donné d’excellent résultats. Enfin, des travaux sur l’identification de sources sonores à l’aide d’antennes acoustiques, initiés avant 2008, sont en cours d’achèvement.

Projet scientifique

    Enjeux sociétaux : Les cMUT sont des réseaux de membranes électrostatiques, servant à émettre et recevoir des ondes acoustiques entre 30kHz et 50 MHz. Ils présentent une alternative prometteuse aux transducteurs piezo-électriques utilisés en imagerie médicale et en contrôle ultrasonore. On peut envisager également de les utiliser pour le contrôle des écoulements, les micro-antennes acoustiques, les guides d’ondes, les hauts parleurs ultra-directifs, les capteurs de proximité, les dispositifs de SHM (Structural Health Monitoring), les micro-refroidisseurs thermo acoustiques, etc… D’un autre côté, les technologies nomades, dans leur très grande majorité, concernent les capteurs et, dans une moindre mesure, les systèmes optoélectroniques. Les systèmes actuateurs, en revanche, ne diffusent toujours pas dans le monde des appareils nomades en raison de performances mécaniques très insuffisantes vis-à-vis des attentes des marchés. Une problématique commune également à tous les systèmes nomades (montre à quartz, téléphone portable, simulateur cardiaque etc.…) est l’autonomie. La croissance du nombre de fonctionnalités amplifie les besoins en énergie. Depuis quelques années, les techniques de « Energy Harvesting » ou Récupération / Stockage d’énergie sous toutes ses formes se développent permettant d’une part de s’affranchir de la pile dans un souci écologique et d’autre part d’éviter les désagréments occasionnés par les oublis de recharge de batteries.

    Enjeux scientifiques : La mise au point de dispositifs originaux de type cMUT nécessite d’une part la maîtrise des propagations d’ondes vibratoires et acoustiques, linéaires et non linéaires dans les systèmes périodiques ou quasi-périodiques. Si beaucoup de choses sont connues sur le plan phénoménologique pour les réseaux linéaires, la construction de modèles précis pour des réseaux de grande taille en prenant en compte les imperfections géométriques et physiques reste un chalenge. Par ailleurs l’extension de ses modèles au cas non linéaire ainsi que l’exploitation des non linéarités pour créer des systèmes avec seuils et bifurcations reste un problème largement ouvert. Un autre aspect faiblement couvert est la caractérisation mécanique des réseaux de microsystèmes et la validation des modèles associés. Enfin le défi technologique reste important, si l’on veut pouvoir fabriquer des systèmes fiables, produits à moindre coût, si possible en contournant les brevets américains existants, dans toute la bande de fréquence [20kHz – 50 MHz]. L'objet de l’axe « actionneurs de forte puissance mécanique » vise par conséquent à optimiser des dispositifs de type « actionneurs électrostatiques à interactions de champs et/ou de contact » dans la perspective d'atteindre, à moyen terme, des densités de puissance mécanique utile en adéquation avec des applications industrielles, c’est-à-dire de l'ordre de 1mW/mm2. L’objet de l’axe « récupération d’énergie mécanique » vise à mettre en œuvre les technologies de microfabrication pour concevoir d’une part des mécanismes de capture de déformées statiques et/ou dynamiques et d’autre part des systèmes de stockage de l’énergie sous forme mécanique. Les deux domaines d’application « actionneurs de forte puissance mécanique » et « récupération d’énergie mécanique » proposés par les deux chercheurs de retour de mise à disposition ont des points communs évidents avec le domaine des cMUT à l’origine du thème : conversion d’énergie électromécanique, technologies de microfabrication, etc... Cependant, le retour récent des deux chercheurs n’a pas permis à l’heure actuelle de mener des réflexions suffisamment approfondies pour asseoir la cohérence scientifique de l’ensemble. Dans ce contexte, ces deux domaines seront explicités ultérieurement.

    Objectifs de recherche envisagées : nous avons identifié 2 sujets qu'il serait intéressant d'explorer pendant la prochaine période quadriennale.

  • Objectif 1 : Modèles réduits linéaires et non linéaires adaptés aux réseaux périodiques et quasi périodiques.
    • La construction d’un modèle représentant toutes les cellules d’un réseau afin de quantifier l’effet des variations géométriques et physiques entre cellules est possible mais se heurte en pratique à des temps de calcul prohibitifs. Nous proposons donc de développer différentes méthodes de réduction pour obtenir des modèles à faible nombre de degrés de liberté représentant l’ensemble d’un réseau en fonctionnement linéaire et non-linéaire.

    Atouts, opportunité, et positionnement : La bonne connaissance des méthodes de condensation utilisées en dynamique des structures, ainsi que celles utilisées pour la représentation des structures à périodicité cycliques avec et sans désaccordage, comme les roues aubagées peut apporter des idées nouvelles sur ce thème majoritairement traité par des équipes d’électronique.

  • Objectif 2 : Caractérisation expérimentale des réseaux.
    • Les systèmes sont le plus souvent caractérisés sur le plan électrique et au niveau de leurs performances globales. On se propose ici de développer des techniques spécifiques permettant de les caractériser sur le plan mécanique et acoustique. Ainsi le développement de techniques d’identification de certains paramètres, caractérisant les non linéarités, à partir de la mesure des réponses temporelles des cellules sont envisagées. Sur le plan acoustique des techniques d’antennes devraient permettre d’identifier très rapidement des cellules défaillantes.

    Atouts, opportunité, et positionnement : Le thème a développé pour les systèmes périodiques (roues aubagées), des techniques d’identification expérimentales très performantes qui pourraient être adaptées au cas des cMUT. Par ailleurs des algorithmes pour le traitement des mesures d’antennes acoustiques ont été développés lors du précédent quadriennal. Enfin une plateforme de caractérisation dynamique expérimentale pour MEMS vient d’être acquise.

  • Objectif 3 : Optimisation de systèmes périodiques non linéaires pour des applications variées.
    • L’obtention de modèles précis, efficaces et validés obtenus grâce aux objectifs précédents doit permettre de concevoir des dispositifs novateurs exploitant les phénomènes non linéaires pour les applications citées plus haut. On pense à l’exploitation des sur-harmoniques, sous-harmoniques, sauts et bifurcations qui combinées aux propriétés de propagation des ondes dans les réseaux périodiques devraient conduire à certains effets intéressants.

    Atouts, opportunité, et positionnement : Les membres du thème maîtrisent bien les propagations d’ondes dans les systèmes périodiques par leur expertise développée précédemment pour les roues aubagées en régime linéaire et non linéaire. Enfin la coopération avec d’autres chercheurs du département Méc’Appli travaillant sur l’optimisation des systèmes est envisagée.

  • Objectif 4 : Méthodes de fabrication de réseaux de cMUT performantes sur toute la bande de fréquence [20kHz-50MHz].
    • Une technique originale de fabrication de cMUT par collage verre silicium à basse température a déjà été développée. Il conviendra d’améliorer cette technique pour pouvoir fabriquer des dispositifs fiables avec des tolérances réduites et surtout d’étendre les résultats obtenus vers les basses et très hautes fréquences.

    Atouts, opportunité, et positionnement : L'intégration récente de membres ayant une expérience de plus de dix ans dans la fabrication de MEMS. La proximité de la centrale de technologie MIMENTO.

    Objectif 5 : Optimisation de la densité de puissance mécanique utile des microactionneurs. L’optimisation de la densité de puissance mécanique utile implique la mise en œuvre de fréquences de l’ordre de 10kHz à 30kHz. Dans ce contexte, les mécanismes de transfert d’énergie par friction semblent a priori les plus pertinents. Parallèlement, les limites physiques de l’entraînement par obstacle à hautes fréquences seront également envisagées.

    Atouts, opportunité et positionnement : Les travaux menés entre 1994 et 1998 par les chercheurs de retour de mise à disposition dans le domaine des moteurs piézoélectriques constitueront une base solide pour la modélisation des mécanismes de contact permanent et/ou intermittent aux interfaces.

  • Objectif 6 : Récupération d’énergie mécanique.
    • L’approche envisagée est de nature mécano-mécanique : des déplacements statiques et/ou dynamiques d’une macrostructure sont capturés et stockés sous forme d’énergie mécanique. Ainsi, les mécanismes de capture pourront présenter des similarités avec les mécanismes de transfert d’énergie évoqués dans l’objectif 5 précédent notamment pour des sollicitations à fréquences élevées. Par ailleurs, la capture de déplacements statiques micrométriques voire nanométriques permettra d’explorer les limites mécaniques et géométriques induites par l’entraînement par obstacle. La composante « stockage d’énergie mécanique » sera essentiellement envisagée par la mise en œuvre de matériaux de contrainte à rupture élevée afin d’accroître les capacités des organes de stockage.

Contact

Marc BERTHILLIER
03 81 66 67 13
marc.berthillier@univ-fcomte.fr

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