Brevet FR2681383A1 — publié le 19930319

Description La présente invention porte sur la découverte d'un effet aérodynamique dans des cavités ouvertes à la surface d'un solide. Ces cavités sont créées par un traitement de surface. La modification du comportement des molécules de gaz dans les cavités génère des forces qui s'exercent sur la surface traitée. Ces forces sont utilisables dans un moteur. Actuellement, il n'existe aucun traitement de surface permettant de modifier la pression appliquée sur un solide. Pour avoir une action, les cavités doivent en premier lieu présenter une ouverture pour que le gaz en contact avec la surface solide puisse y circuler librement. Un deuxième impératif concerne les dimensions de ces cavités: elles doivent être inférieures ou au plus voisines du libre parcours moyen du gaz en contact. Le libre parcours moyen d'un gaz est la distance rectiligne moyenne que parcourt une molécule de ce gaz entre deux chocs successifs. A ces conditions, chaque cavité amplifie les impulsions échangées au cours des chocs des molécules de gaz sur les parois de la cavité. Cette modification des impulsions échangées a deux effets: d'une part l'apparition d'une force exercée sur la surface solide supportant les cavités, d'autre part un mouvement de fuite accentué des molécules de gaz sortant des cavités. L'intérêt de la force créée par les mouvements moléculaires dans les cavités est que cette force est plus grande que celle générée par la pression normale du gaz sur une égale surface solide exempte de cavités (le rapport de la première sur la seconde est de l'ordre de 110% à 120%). Les figures 1 et 2 données en annexe représentent en coupe deux types d'actions selon la forme des cavités. La surface solide (A) supportant les cavités est plane et le gaz en contact CB) a un libre parcours moyen supérieur aux dimensions des cavités. Selon certaines géométries de cavité (figure 1), le flux de gaz (D) sortant de la cavité (C) est orthogonal à la surface supportant les cavités; dans ce cas, la force (E) exercée sur le solide peut être assimilée à une surpression. Selon d'autres géométries de cavité (figure 2), le flux de gaz (D) sortant de la cavité (C) est oblique; dans ce cas, la force (E) exercée sur la surface solide est elle-même oblique et peut se décomposer en une force tangentielle (F) à la surface du matériau et en une surpression (G). La force exercée sur la surface solide comme le mouvement de fuite du gaz en contact ont tous deux comme source d'énergie l'agitation thermique du gaz. L'apparition de cette force sur une surface recouverte de ces cavités se traduit donc par un refroidissement du gaz en contact. La création de la force ne dépend pas de la vitesse de déplacement de la surface portant les cavités: l'amplification des impulsions échangées dans les cavités a lieu sur une surface traitée parfaitement immobile. Par contre, le déplacement relatif de la surface portant les cavités par rapport au gaz en contact peut modifier l'orientation et l'amplitude de la force créée dans les cavités. Pour obtenir la force la plus importante possible appliquée sur la surface traitée, il est nécessaire d'une part de créer des cavités très petites pour qu'elles fonctionnent au contact d'un gaz dense, d'autre part il les faut très nombreuses puisque seule la surface occupée par les cavités génère une force supérieure à la force due à la pression vraie du gaz. La petitesse du libre parcours moyen des gaz à la pression atmosphèrique (66 nanomètres pour l'atmosphère au niveau de la mer) impose l'utilisation de techniques de l'industrie électronique pour fabriquer des cavités de dimensions aussi faibles. L'industrie électronique travaille couramment sur des plaquettes de silicium monocristallin. Ces plaquettes ont en moyenne 10 de diamètre centimètres/ et 0.5 millimètres d'épaisseur. Le traitement de surface pour la création des cavités se fait sur ces disques de silicium monocristallin. Les opérations suivantes font appel à des nomenclatures d'usage courant dans l'industrie des composants électroniques: - Première étape de la fabrication: sélection des plaquettes de silicium de type cristallographique (100). Cette notation est basée sur les indices de Miller. Elle désigne ici les plaquettes dont le réseau monocristallin présente des plans (100) parallèles à la surface de la plaquette - Fabrication d'une couche d'oxyde SiO2 à la surface de la plaquette par oxydation avec la vapeur d'eau à haute température. - Dépôt d'une couche de résine photosensible sur la face à traiter. - Exposition de la résine au travers d'un masque. Ce masque est doté d'ouvertures circulaires. Le diamètre de ces ouvertures est de l'ordre de 50 à 100 nanomètres. La densité surfacique des ouvertures de masque est la plus grande possible: de l'ordre de 10 7 / mm2 à 10 8 2 mm . Le rayonnement qui expose la résine est soit un faisceau d'électrons soit un rayonnement X. - La résine exposée est dissoute sélectivement. - Sur les motifs circulaires ainsi révélés, la couche de Si02 est dissoute par de l'acide fluorhydrique en solution aqueuse. - Le reste de résine non exposée est dissous à son tour. Seul reste maintenant la couche de SiO2 avec des motifs circulaires de silicium nu sur la face à traiter. Ces motifs ont le même diamètre que les ouvertures du masque utilisé pour les graver. - Attaque anisotropique sur la plaquette de silicium par de la potasse en solution aqueuse chaude. La potasse est un agent dit anisotropique car elle dissout le silicium à des vitesses différentes selon le plan cristallographique rencontré. La dissolution ne se fait que sur les motifs circulaires. L'attaque chimique cesse lorsque les plans cristallographiques (111) révélés se rejoignent et forment une cavité pyramidale à entrée carrée. L'entrée de la cavité est carrée car l'attaque chimique du silicium se poursuit sous la couche de Si02 jusqu'au contact avec les quatre plans (111) tangents au bord du motif circulaire de silicium nu. De ce fait, le côté de la surface d'entrée est égal au diamètre du motif circulaire. - Dissolution de la couche de SiO2 dont une partie est en surplomb sur les cavités formées. Comme précédemment, cette attaque chimique est faite par une solution aqueuse d'acide fluorhydrique. - Fin du procédé: fabrication d'une nouvelle couche protectrice de SiO2 sur toute la plaquette par oxydation avec la vapeur d'eau à haute température. La figure 3 représente en perspective le type de cavité créée par ce procédé. De part la structure cristalline du silicium, la cavité a une géométrie bien précise. La profondeur maximale (P) de la cavité pyramidale est liée au côté (L) de la surface d'entrée par la relation: P = L / i2. A titre d'exemple, si les ouvertures circulaires du masque utilisé pour la photolithographie ont un diamètre de 100 nanomètres, l'entrée des cavités sera un carré de 100 nanomètres de côté et la profondeur maximale sera de 71 nanomètres. Etant donné la symétrie de ce type de cavité pyramidale, la seule force générée par le mouvement des molécules de gaz dans cette cavité est une surpression simple Pour obtenir par le procédé décrit ci-dessus un type de cavité générant une force oblique à la surface traitée, il suffit de modifier la forme des ouvertures du masque. L'utilisation d'ouvertures dissymétriques, par exemple en forme de triangle, implique que l'attaque anisotropique se produise sur des motifs de silicium de même forme. Les cavités produites sont dissymétriques et de ce fait génèrent une force oblique au contact d'un gaz. Une fois traitées, les plaquettes de silicium doivent être collées ou fixées sur un support pour pouvoir être utilisées. Les figures 4 et 5 représentent deux façons de les mettre en oeuvre. Les surfaces traitées sont placées dans un compartiment (1) étanche contenant un gaz sec et dépoussiéré. La paroi du compartiment doit être mince et conductrice de la chaleur pour faciliter les échanges de chaleur avec le milieu extérieur. L'absence de poussière est recommandée pour éviter tout dépôt génant sur les surfaces actives. La siccité du gaz en contact est encore plus nécessaire: le refroidissement qui se produit lors de la formation des flux de gaz à la sortie des cavités risquerait de provoquer la formation d'un film d'eau sur les surfaces actives si le gaz contenait de la vapeur d'eau. Le gaz (2) remplissant le compartiment peut être de l'air asséché et dépoussiéré, de l'azote, de l'hélium ou de l'hydrogène (l'emploi de l'hydrogène nécessite certaines précautions liées à l'inflammabilité de ce gaz). L'hélium et l'hydrogène présentent l'intérêt d'avoir les plus grands libres parcours moyens (à la pression atmosphèrique, 130 nanomètres pour l'hélium, 90 nanomètres pour l'hydrogène). Les performances des cavités dépendant du rapport entre leurs dimensions et le libre parcours moyen du gaz en contact, ces deux gaz permettent d'utiliser des cavités de plus grandes dimensions ou un gaz à une plus forte pression. Quel que soit le gaz choisi parmi les quatre proposés, celui-ci peut être au moins à la pression atmosphèrique si les dimensions des cavités sont de l'ordre de 50 à 100 nanomètres comme indiqué dans le procédé de fabrication des surfaces actives. Pour mettre en oeuvre la force créée par le mouvement du gaz dans les cavités, il y a deux possibilités de montage selon l'orientation de la force. La figure 4 représente le montage destiné à l'utilisation d'une force (7) orthogonale à la surface traitée. Les plaquettes de silicium (3) sont collées ou fixées sur un support (4) par leurs faces non traitées. Le support est lui-même relié à un axe central (6) par une tige (5). La figure 5 représente le montage destiné à la mise en oeuvre d'une force (7) oblique à la surface traitée. Par rapport au montage précédent, seul change l'inclinaison du support (4) (où sont fixées les surfaces actives (3)) sur la tige (5) venant de l'axe central (6).L'inclinaison des plaquettes de silicium et de leurs supports est réglée de manière à rendre les forces créées (7) orthogonales aux tiges (5), cela pour obtenir un couple maximal. Pour un disque de silicium de 10 centimètres de diamètre, des cavités de dimensions de l'ordre de 50 à 100 nanomètres et une densité surfacique des cavités de 107 / mm2à 108 / mm2 , la force utilisable (c'est-à-dire la différence entre la force appliquée sur la surface traitée et la force due à la pression normale appliquée sur la face opposée du disque de silicium) recueillie au contact d'un gaz à la pression atmosphèrique est de l'ordre de quelques newtons à quelques dizaines de newtons. Quel que soit le type de cavité utilisée et le montage adopté, les forces exercées sur les surfaces actives mettent l'axe central en rotation. L'énergie peut être recueillie à l'extérieur du compartiment sous deux formes: soit par un axe en rotation qui sort du compartiment par un joint étanche, soit par un cable électrique alimenté en courant par un générateur électrique placé directement dans le compartiment étanche. Revendications 1) Dispositif pour convertir 1'agitation thermique d'un gaz en une force utilisable dans un moteur caractérisé en ce qu il comporte un gaz (B) en contact avec une surface solide (A) dotée de cavités ouvertes (C) dont les dimensions sont inférieures ou au plus voisines du libre parcours moyen du gaz à l'intérieur desquelles le mouvement des molécules de gaz génère d'une part un mouvement de fuite accentué du gaz (D) et d'autre part une force (E) appliquée sur le solide supérieure à la force due à la pression du gaz en l'absence de cavité et qui est orthogonale (figure 1) ou oblique (figure 2) par rapport à la surface solide (A) selon la géométrie des cavités. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une cavité de forme pyramidale à entrée carrée (figure 3) génère une surpression simple au contact d'un gaz. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les surfaces solides (3) où sont gravées les cavités sont fixées sur des supports (4) dans un compartiment (1) étanche rempli de gaz (2) sec et dépoussiéré de manière à ce que la force (7) générée dans les cavités exerce un couple moteur sur l'axe (6) central par l'intermédiaire des tiges (5). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le compartiment étanche (1) est rempli au choix par de l'air, de l'azote, de l'hélium ou de lthydrogène.