Brevet FR2947813A1 — publié le 20110114

Microsystème de génération d'un jet synthétique, procédé de fabrication et dispositif de contrôle d'écoulement correspondants La présente invention concerne un microsystème de génération d'un jet synthétique de fluide comprenant une enceinte définissant une cavité de réception du fluide et munie d'un orifice de sortie du jet et d'au moins une membrane déformable associée à des moyens d'actionnement pour provoquer au moins une mise en vibration de la membrane et donc une aspiration et un refoulement de fluide dans et hors de la cavité pour générer le jet synthétique. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel microsystème ainsi qu'un dispositif de contrôle d'écoulement correspondant. Plus particulièrement, l'invention se rapporte au domaine des dispositifs générateurs de jets synthétiques. Les jets synthétiques sont des jets de fluides, généralement gazeux, expulsés au travers d'un orifice et produits par la vidange et le remplissage alternatifs d'une cavité constituée d'une ou plusieurs parois vibrantes. Dans l'état de la technique, divers moyens pour générer les variations de volume de la cavité ont été utilisés. Un premier exemple est l'utilisation d'un piston actionné par un moteur. Les jets synthétiques, générés avec un actionnement de ce type sont puissants mais au prix d'une basse fréquence d'actionnement et d'une consommation importante. De plus, ce sont des systèmes encombrants. Un deuxième exemple d'actionnement communément appliqué est l'utilisation d'un ou plusieurs éléments piézoélectriques. Ces dispositifs piézoélectriques sont moins performants en terme de vitesse que les dispositifs utilisant un piston, mais les gammes de fréquence sont plus versatiles. Néanmoins, les performances des jets synthétiques sont dépendantes des résonances des éléments piézoélectriques, les meilleurs résultats étant obtenus aux fréquences de résonance. L'encombrement, bien que réduit par rapport aux dispositifs utilisant un piston comme moyen d'actionnement, reste quand même important (de l'ordre de plusieurs centimètres cubes). Actuellement, les dispositifs de génération de jets synthétiques intéressent de plus en plus les chercheurs et les industriels notamment dans le domaine du contrôle d'écoulement. Le contrôle d'écoulement est une technique qui permet de manipuler un écoulement (libre ou à proximité d'une paroi) à l'aide de dispositifs (passifs ou actifs) pour y produire des changements favorables. Ces changements sont, par exemple au niveau de la couche limite, le retardement ou l'avancement d'une transition laminaire/turbulent et la prévention du décollement. Ces modifications sur l'écoulement produisent des conséquences favorables pour l'utilisateur, comme par exemple la réduction de la traînée, l'augmentation de la portance, la réduction du bruit ou l'amélioration du mélange dans la couche limite. Le problème principal actuellement est l'encombrement des dispositifs de contrôle d'écoulement. En effet, les deux solutions de contrôle les plus intéressantes, à savoir le contrôle de couche limite et le contrôle de décollement, agissent à des échelles où les ordres de grandeur des structures sur lesquelles on veut produire un effet sont de l'ordre du millimètre voir submillimétrique. Ceci veut dire que les moyens d'action utilisés doivent être du même ordre de grandeur. Les microsystèmes dits MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) apportent des réponses aux problèmes énoncés, à savoir un faible encombrement et une adaptation d'échelle convenable pour les problèmes de contrôle de décollement et de couche limite. Ces systèmes sont de taille réduite ce qui permet un actionnement très localisé mais aussi des prises d'information à l'aide de microcapteurs avec une résolution spatiale améliorée par rapport aux éléments capteurs conventionnels. De plus, leurs techniques d'usinage collectif et leur faible consommation contribuent à améliorer leur rendement dans les applications de contrôle d'écoulement. Cet avantage est indiqué à la fin de la description, page 8. Dans l'état de la technique, il y a aujourd'hui très peu d'exemples de dispositifs de génération de jets synthétiques réalisés grâce aux microtechnologies. En outre, aucun des dispositifs actuels ne présente des performances satisfaisant les cahiers des charges des applications de contrôle d'écoulement pour des véhicules aériens (avions, missiles, fusées, ...) ou terrestres (automobiles, trains, ...). Par ailleurs, les dispositifs existants ne sont pas intégrables sur des configurations macroscopiques réalistes d'éléments de véhicules. Le but de l'invention est de résoudre ces deux problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un microsystème, du type précité, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comprennent des moyens électromagnétiques. Suivant des modes particuliers de réalisation, le microsystème comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les caractéristiques techniquement possibles : - les moyens électromagnétiques comprennent une bobine raccordée à une source de courant électrique et un aimant permanent ; - l'aimant est fixé sur la membrane par l'intermédiaire d'un plot rigide, fixé sur celle-ci en regard de l'orifice et la bobine est placée au-dessus de l'aimant ; - l'orifice de sortie et/ou le plot rigide ont une forme circulaire ; - la bobine est un solénoïde de rayon interne supérieur au rayon du plot rigide ; - la cavité et l'orifice sont usinés à partir de deux substrats en silicium ; - la membrane est réalisée en matériau élastomère ; - le matériau élastomère est le polydiméthilsiloxane (PDMS) ; - l'aimant est réalisé en NdFeB ; - l'aimant est réalisé en SmCo ; - le plot rigide est réalisé en silicium ; L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un microsystème de génération de jets synthétiques tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend : a) une étape de collage par thermocompression d'un premier et d'un deuxième substrats en silicium ; b) une étape de gravure ionique réactive profonde (DRIE) du premier et du deuxième substrats en silicium pour former respectivement la cavité et l'orifice de sortie ; c) une étape de gravure ionique réactive profonde (DRIE) d'un troisième substrat en silicium ; d) une étape de dépôt de polydiméthilsiloxane (PDMS) sur le troisième substrat pour former la membrane ; e) une étape de gravure humide du troisième substrat pour former le plot rigide ; f) une étape de collage du troisième substrat muni de la membrane sur le premier substrat contenant la cavité ; et g) une étape de fixation des moyens d'actionnement électromagnétiques de la membrane. Suivant un mode particulier de réalisation, le procédé de fabrication est caractérisé en ce que l'étape de gravure ionique réactive profonde utilise le procédé Bosch. L'invention a encore pour objet un dispositif de contrôle d'écoulement aérodynamique, caractérisé en ce qu'il comprend un microsystème de génération de jets synthétiques tel que défini ci-dessus. Ainsi, l'invention permet de pallier les inconvénients des microsystèmes de génération de jets synthétiques existants en fournissant un dispositif à actionnement intégré opérationnel répondant aux besoins, en termes de contrôle d'écoulement, de constructeurs aéronautiques ou automobiles. Le dispositif de génération de jets synthétiques proposé par l'invention fournit un moyen efficace permettant d'induire, dans un écoulement, une quantité de mouvement supérieure à celle obtenue par les dispositifs de l'état de la technique. On va maintenant décrire des modes de réalisation de l'invention de façon plus précise, mais non limitative en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant la structure d'un générateur de jets synthétiques de l'état de la technique, - les figures 2a et 2b sont des schémas illustrant le fonctionnement du générateur de jets synthétiques de la figure 1, - la figure 3 est un schéma illustrant la structure d'un générateur de jets synthétiques selon l'invention, et - la figure 4 est un schéma illustrant les étapes du procédé de fabrication du générateur de jets synthétiques de la figure 3. La figure 1 illustre la structure d'un générateur 2 de jets synthétiques de l'état de la technique. Cette structure comporte trois éléments de base, à savoir une cavité 4, un orifice 6 de sortie du jet synthétique et une paroi ou membrane 8 mobile. La membrane 8 mobile est associée à des moyens d'actionnement (non représentés) pour provoquer une mise en vibration de cette membrane 8. Les figures 2a et 2b illustrent le fonctionnement du générateur 2 de jets synthétiques. La mise en mouvement de la membrane 8 mobile par les moyens d'actionnement entraîne une variation de volume dans la cavité 4. Sur un mouvement oscillatoire, on peut diviser la progression en deux demi-périodes. Quand la variation de volume est positive, le fluide est aspiré à l'intérieur de la cavité 4 et quand elle est négative, le fluide est expulsé de la cavité 4 en créant une structure tourbillonnaire. L'alternance d'éjections et d'aspirations de fluide à travers l'orifice 6 crée des interactions d'une série de tourbillons qui génèrent ainsi un jet synthétique. Le nom � synthétique � d'un tel jet est dû au fait que le débit massique résultant sur une période (aspiration/éjection) est nul. Ceci implique qu'un tel jet est formé sans apport extérieur de fluide et il peut donc injecter de la quantité de mouvement au système sans apport net de masse. Dans l'état de la technique, deux types de jets synthétiques sont connus selon la forme de l'orifice de sortie. Si l'orifice est circulaire, des anneaux tourbillonnaires sont générés. Le jet ainsi obtenu est appelé jet axisymétrique. Si l'orifice est une fente rectangulaire, le jet obtenu est un jet bidimensionnel générant des paires de nappes tourbillonnaires. Cependant, différentes expérimentations montrent que les performances des jets axisymétriques en terme de vitesse sont supérieures à celles des jets bidimensionnels. La figure 3 illustre la structure d'un générateur 10 de jets synthétiques selon l'invention. Le générateur 10 de jets synthétiques comprend une enceinte définissant une cavité 12 de réception d'un fluide, généralement gazeux, notamment de l'air dans les applications visées. L'enceinte est également munie d'un orifice 14 de sortie et d'une membrane 16 déformable. La membrane 16 est associée à des moyens d'actionnement électromagnétiques comprenant une bobine 18 raccordée à une source de courant électrique, non représentée, et un aimant permanent 20. L'actionnement de la membrane 16 repose ainsi sur l'interaction du champ magnétique créé par la bobine 18 sur l'aimant 20. L'aimant 20 est fixé sur la membrane 16 par l'intermédiaire d'un plot rigide 22 fixé sur celle-ci en regard de l'orifice 14, la bobine 18 étant placée au-dessus de l'aimant 20. Les expérimentations menées par les inventeurs ont en effet montré que l'inclusion du plot rigide 22 sur la membrane 16 améliore sensiblement les performances du jet tout en offrant plus de latitude technologique pour intégrer les moyens d'actionnement électromagnétiques sur le générateur 10 de jets synthétiques. Selon un mode de réalisation de l'invention, la cavité 12, l'orifice 14 et le plot rigide 22 ont une forme circulaire. Par ailleurs, la bobine 18 est un solénoïde fini de rayon interne supérieur au rayon du plot rigide 22, afin de ne pas gêner le déplacement de la membrane 16. L'aimant 20 est un aimant permanent cylindrique à forte coercitivité et aimantation rémanente importante. Le matériau choisi pour cet aimant 20 est, par exemple, le NdFeB ou le SmCo. Les différentes étapes de fabrication du générateur 10 de jets synthétiques en technologies MEMS sont décrites dans la suite de la description en référence à la figure 4. Le procédé de fabrication de microsystème 10 de génération d'un jet synthétique axisymétrique utilise les techniques de micro-usinage découlant de la microélectronique qui permettent d'obtenir une haute définition et précision des motifs usinés et une capacité d'usinage collectif de plusieurs structures sur un même substrat, ce qui permet une réduction du coût unitaire de fabrication lors de la production. La première étape 30 du procédé de fabrication selon l'invention consiste à coller un premier 32 et un deuxième 34 substrats en silicium. Le premier substrat 32 est destiné à contenir la cavité 12 et le deuxième substrat 34 est destiné à contenir l'orifice 14. La méthode de collage préférée est un collage par thermo-compression. L'utilisation de cette méthode d'assemblage permet un contrôle précis de l'épaisseur de la cavité 12 et de l'orifice 14 ainsi qu'un état de surface très régulier en fond de gravure, étant donné que la couche métallique de collage, désignée par la référence 36 sur la figure 4, agit comme couche d'arrêt. Ensuite, deux couches métalliques double face 38, 40 sont déposées par pulvérisation cathodique respectivement sur le premier substrat 32 et le deuxième substrat 34, afin de former un masque physique pour la gravure ultérieure du silicium. En 42, le masque physique formé par les couches métalliques est ouvert. En 44, le premier 32 et le deuxième 34 substrats sont gravés par une méthode de gravure ionique réactive profonde (DRIE : � Deep Reactive Ion Etching �) par procédé Bosch pour former respectivement la cavité 12 et l'orifice 14. La gravure DRIE par procédé Bosch est une gravure physicochimique de la famille des gravures plasma appelées aussi gravures sèches. Cette gravure est mise en oeuvre dans une enceinte alimentée par un gaz moléculaire en écoulement à basse pression (environ 1 et 1000 mTorr). Le plasma est créé à partir d'un gaz inerte (généralement de l'argon) qui est ionisé par une excitation électromagnétique. Les électrons du plasma décomposent le gaz moléculaire en plusieurs espèces chimiquement actives qui vont rendre le milieu corrosif. On combine ainsi un faisceau d'ions neutres (gravure physique) et un flux d'espèces réactives (gravure chimique). La particularité de la DRIE est l'alternance d'étapes très courtes (quelques secondes) de gravures anisotropes et de passivations de paroi. Pour les gravures anisotropes, les gaz utilisés sont le SF6 et 1'02 et pour les passivations de paroi, on utilise le C4F8. Les principaux avantages de ce mode de gravure sont sa vitesse (entre 6 et 8 pm/min) et la possibilité de contrôler le profil de gravure qu'on réalise. On peut ainsi arriver à faire un profil anisotrope à flancs droits sur des profondeurs importantes. En 46, la couche métallique 36 intermédiaire de collage est ouverte puis en 48, un dépôt d'une couche 50 d'oxyde de SiO2 PECVD est réalisé sur le premier substrat 32 contenant la cavité 12. Ainsi, les étapes 30 à 48 ont permis la formation de la cavité 12 et de l'orifice de sortie 14. La suite de la description du procédé de fabrication concerne la formation de la membrane 16. Le matériau choisi pour former la membrane 16 est un élastomère souple bicomposant de type silicone, par exemple le polyméthilsiloxane (PDMS). Ce matériau permet d'obtenir une grande déformabilité, un domaine élastique important (domaine de déformation sans rupture ni plasticité) et une compatibilité avec les techniques de micro-usinage. En 52, deux couches de rupture SIXNy double face 54, 56 sont déposées sur les deux faces d'un troisième substrat 58 en silicium afin de former un masque physique pour la gravure ultérieure du silicium. En 60, le masque physique formé par la couche SIxNY 54 est ouvert. En 62, le troisième substrat 58 est gravé par une méthode de gravure DRIE. Ensuite, en 64, un dépôt de PDMS est réalisé sur le troisième substrat 58 afin de former la membrane 16. En 66, une gravure humide utilisant de l'hydroxyde de potassium (KOH) est réalisée sur le troisième substrat 58 afin de libérer le plot rigide 22. Enfin, en 68, le troisième substrat 58 muni de la membrane 16 est collé sur le premier substrat 32 contenant la cavité 12. La méthode de collage utilisée en 68 est un collage dit PDMS, car il met en contact une surface en PDMS (la membrane 16) et une surface SiO2 (couche 50). Cette méthode permet d'obtenir des liaisons hydrogène ou des liaisons covalentes Si-O en mettant en contact les deux surfaces 16 et 32, la surface 32 étant préalablement activée par une oxydation de surface (couche 50). Les moyens d'actionnement électromagnétique de la membrane 16 sont ensuite placés en fixant l'aimant 20 au-dessus du plot rigide 22 et en positionnant ensuite la bobine 18 au-dessus de l'aimant 20. Le microsystème de génération de jets synthétiques ainsi obtenu peut notamment être intégré dans un dispositif de contrôle d'écoulement aérodynamique pour des véhicules aériens ou terrestres. Grâce aux moyens d'actionnement électromagnétiques, les forces obtenues, proportionnelles au gradient du champ magnétique, sont importantes. En outre, le choix géométrique effectué (jet axisymétrique) ainsi que le choix du matériau élastomère PDMS pour la membrane a pour conséquence d'associer les grandes forces obtenues avec de grands déplacements. Le microsystème de génération de microjets synthétiques de l'invention fournit ainsi un moyen efficace lui permettant d'induire dans les écoulements une quantité de mouvement supérieure à tout autre dispositif micro-mécanique connu. Ainsi, la combinaison de l'actionnement magnétique, des options géométriques et matériaux ainsi que la mise au point de processus de microfabrication permettent au dispositif selon l'invention d'être le seul aujourd'hui à être directement intégrable sur des configurations macroscopiques réalistes d'éléments d'avions ou d'automobiles. Ce dispositif présente également l'avantage de pouvoir être utilisé pour d'autres applications, comme par exemple pour les microécoulements gazeux, voire liquides ou encore le refroidissement à petite échelle de composants électroniques. D'autres applications de ce dispositif sont également possibles dans les microturbines, les micromoteurs ainsi que dans la micromanipulation de petites quantités de matières. Dans un certain nombre de ces applications, l'intérêt industriel de ces microjets synthétiques est fondé sur la production de masse typique des filières technologiques de la micro-électronique à bas coût unitaire, permettant ainsi d'utiliser ces dispositifs sous forme de collections géantes d'actionneurs répartis (tapissage d'un arrière corps de véhicule, d'entrées d'air de réacteurs ou d'ailes d'avions, ...). Bien entendu, d'autres modes de réalisation et d'autres applications peuvent être envisagés. REVENDICATIONS1.- Microsystème (10) de génération d'un jet synthétique de fluide comprenant une enceinte définissant une cavité (12) de réception du fluide et munie d'un orifice (14) de sortie du jet et d'au moins une membrane (16) déformable associée à des moyens d'actionnement pour provoquer au moins une mise en vibration de la membrane (16) et donc une aspiration et un refoulement de fluide dans et hors de la cavité (12) pour générer le jet synthétique, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comprennent des moyens électromagnétiques (18, 20). 2.- Microsystème (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques comprennent une bobine (18) raccordée à une source de courant électrique et un aimant (20) permanent. 3.- Microsystème (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aimant (20) est fixé sur la membrane (16) par l'intermédiaire d'un plot rigide (22), fixé sur celle-ci en regard de l'orifice (14) et en ce que la bobine (18) est placée au-dessus de l'aimant (20). 4.- Microsystème (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'orifice (14) de sortie et/ou le plot rigide (22) ont une forme circulaire. 5.- Microsystème (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bobine (18) est un solénoïde de rayon interne supérieur au rayon du plot rigide (22). 6.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité (12) et l'orifice (14) sont usinés à partir de deux substrats (32, 34) en silicium. 7.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la membrane (16) est réalisée en matériau élastomère. 8.- Microsystème (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau élastomère est le polydiméthilsiloxane (PDMS). 9.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'aimant (20) est réalisé en NdFeB. 10. Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'aimant (20) est réalisé en SmCo. 11.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que le plot rigide (22) est réalisé en silicium. 12.- Procédé de fabrication d'un microsystème (10) de génération de jets synthétiques selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend : a) une étape (30) de collage par thermocompression d'un premier (32) et d'un deuxième (34) substrats en silicium ; b) une étape (44) de gravure ionique réactive profonde (DRIE) du premier (32) et du deuxième (34) substrats en silicium pour former respectivement la cavité (12) et l'orifice (14) de sortie ; c) une étape (62) de gravure ionique réactive profonde (DRIE) d'un troisième substrat (58) en silicium ; d) une étape (64) de dépôt de polydiméthilsiloxane (PDMS) sur le troisième substrat (58) pour former la membrane (16) ; e) une étape (66) de gravure humide du troisième substrat (58) pour former le plot rigide (22) ; f) une étape (68) de collage du troisième substrat (58) muni de la membrane (16) sur le premier substrat (32) contenant la cavité (12) ; et g) une étape de fixation des moyens d'actionnement électromagnétiques de la membrane (16). 13.- Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape (44, 62) de gravure ionique réactive profonde (DRIE) utilise le procédé Bosch. 14.- Dispositif de contrôle d'écoulement aérodynamique, caractérisé en ce qu'il comprend un microsystème (10) de génération de jets synthétiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.30