Brevet FR2936288A1 — publié le 20100326

DISPOSITIF DE MISE EN MOUVEMENT D'UN FLUIDE ET PROCEDE DE FABRICATION. L'invention se rapporte à un dispositif de mise en mouvement d'un fluide et à un procédé de fabrication. Plus particulièrement, le dispositif de mise en mouvement d'un fluide est un objet volant mettant en mouvement le gaz dans lequel vole l'objet. La présente invention vise à proposer un dispositif de mise en mouvement d'un fluide, simple, petit, peu gourmant en énergie, silencieux et agile. A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de mise en mouvement d'un fluide comprenant un support et au moins une aile comprenant une voilure et une rainure de bord d'attaque dont une extrémité est prolongée par un bras d'actionnement monté en pivot sur le support, le dispositif comprenant, en outre, au moins un actionneur principal agencé pour commander le battement de l'aile selon une direction déterminée. Selon d'autres modes de réalisation : • le dispositif peut comprendre deux ailes reliées entre elles par un bras d'actionnement dans le prolongement de la rainure de bord d'attaque de chaque aile, le bras d'actionnement étant monté sur le support selon deux points de pivots distants de sorte que les ailes sont disposées de manière symétrique par rapport audit au moins un actionneur principal ; • ledit au moins un actionneur peut commander le battement de l'aile/des ailes selon une fréquence de résonance de l'aile/des ailes ; • le bras d'actionnement et l'aile/les ailes peuvent comprendre de la résine photosensible SU-8 ; • l'actionneur principal peut comprendre une bobine électromagnétique alimentée avec un courant alternatif et disposée en regard d'un aimant ou d'une bobine agencé(e) sur le bras d'actionnement ; • le bras d'actionnement peut comprendre des particules magnétiques, et l'actionneur principal comprend une bobine électromagnétique alimentée avec un courant alternatif et disposée en regard du bras d'actionnement ; • le dispositif peut comprendre, en outre, au moins un actionneur secondaire placé au(x) pivot(s) du bras d'actionnement de manière à serrer de manière contrôlée le bras d'actionnement en utilisation ; • le dispositif peut comprendre, en outre, un système de modification du centre de gravité du dispositif ; • le système de modification du centre de gravité du dispositif peut comprendre un capteur de déplacement apte à commander des moyens de génération d'effets électrostatiques et une goutte d'un liquide sensible aux effets électrostatiques ; et • le capteur de déplacement peut être du type accéléromètre triaxial. L'invention se rapporte également à un procédé de réalisation d'un dispositif de mise en mouvement d'un fluide précédent, comprenant les étapes suivantes : • Étape 1: Dépôt d'une couche d'un matériau sacrificiel (par exemple de l'aluminium) sur un substrat de silicium pour servir de moyen d'alignement de masques de photolithographie et, optionnellement, pour libérer par la suite le dispositif ; • Étape 2: Dépôt d'une première couche de résine photosensible (de préférence de la résine SU-8) pour réaliser une partie inférieure du support ; • Étape 3: Masquage pour le dépôt d'une couche d'un matériau sacrificiel (par exemple de l'aluminium) localisée dans la zone pivot où le bras d'actionnement doit par la suite passer à la jonction avec les ailes, et pour protéger la résine non insolée ; 25 • Étape 4: Réalisation de la voilure en résine photosensible (par exemple de la résine SU-8) ; • Étape 5: Réalisation du bras d'actionnement et de la nervure de bord d'attaque des ailes en résine photosensible (par exemple de la résine SU-8) ; 30 • Étape 6: Masquage de la résine photosensible (par exemple de la résine SU-8) pour un dépôt d'une deuxième couche d'un matériau 20 sacrificiel (par exemple de l'aluminium) par pulvérisation cathodique pour libérer par la suite la partie supérieure de la zone pivot ; • Étape 7: Réalisation de la partie supérieure du support ; • Étape 8: Révélation de la résine photosensible ; • Étape 9: Gravure chimique des couches de matériau sacrificiel inférieure et supérieure pour la libération du bras d'actionnement de la zone pivot. D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention ; et - la figure 2, une vue schématique en coupe du dispositif de la figure 1. L'invention concerne un Objet Volant Mimant l'Insecte (OVMI) réalisé à partir de technologies de la microélectronique et des microsystèmes. Cet objet est de la taille d'un insecte volant et la technologie utilisée permet d'envisager toutes les tailles des insectes existants. Cet objet comporte une paire d'aile 20 montée en pivot 12 sur un support central 10 dénommée également, par la suite, thorax. II comprend également, de manière optionnelle, une partie à l'avant dénommée tête et une partie à l'arrière dénommée abdomen. Chaque aile comprend une rainure de bord d'attaque 21, un bord de fuite 22 (bord de la voilure opposée au bord d'attaque), et une voilure 25, éventuellement rigidifiée par des rainure secondaires 23. Cet objet comporte un (des) actionneur(s) 30-40, de préférence ventral(aux), placé(s) dans la partie thorax, et éventuellement un système d'actionnement pour rendre dissymétrique le battement des ailes. Une des particularités du dispositif est que la torsion de l'aile qui induit la portance se fait de façon passive du fait d'une géométrie de l'aile, des caractéristiques des matériaux utilisés, et de la répartition appropriée de la masse sur l'aile. Ainsi, lorsque la rainure de bord d'attaque 21 de l'aile 20 se déplace, la voilure 25, et en particulier le bord de fuite 22, bat l'air de manière désynchronisée par rapport au bord d'attaque 21. Un microsystème peut être utilisé pour réaliser la stabilisation de l'assiette en liaison avec un capteur de type accéléromètre triaxial et d'un microcontrôleur. L'OVMI est complété par une source d'énergie et/ou un système de transfert d'énergie ou de récupération d'énergie. Il peut également comprendre des capteurs, un logiciel de commande et un système de communication homme/machine. Ce concept, consistant à créer un mouvement de battement qui permet de faire circuler un fluide, ici de l'air, peut aussi être utilisé pour mettre en mouvement d'autres fluides pour une application, par exemple, dans le domaine de la microfluidique. L'invention permet d'obtenir un objet de la taille d'un insecte volant par l'utilisation des technologies microsystèmes L'invention permet d'obtenir un objet volant à ailes battantes, dont la forme des ailes peut-être proche de celle des insectes. L'invention permet d'obtenir un objet volant à ailes battantes, capable de voler en vol stationnaire. L'invention permettrait de comprendre le vol battu dans une situation de bas Reynolds. L'invention permettrait de comprendre les effets aérodynamiques liés à une telle structure L'invention donne des solutions techniques possibles pour l'actionnement L'invention permet d'utiliser une structure souple avec un minimum d'énergie instantanée pour créer des efforts L'invention propose un régulateur de l'assiette à partir d'une technologie microsystème et microfluidique L'invention propose une technologie simple de mise en oeuvre de la structure aile thorax L'invention utilise des matériaux légers pour minimiser la masse de l'OVMI L'invention peut être fabriquée en grande série L'invention apporte un moyen discret de surveillance au sens large du terme pour un large domaine d'applications Le principe de l'invention peut être appliqué aussi à un autre fluide que l'air, sans qu'il s'agisse de soulever un objet Le principe de l'invention peut être utilisé pour obtenir le déplacement d'un objet dans un liquide (mini-canalisations) Le principe de l'invention peut être utilisé pour réaliser la circulation d'un fluide Un premier mode de réalisation, le dispositif de mise en mouvement d'un fluide est un drone de la taille d'un insecte volant avec un système de propulsion copié sur celui de l'insecte c'est-à-dire par battement d'aile. Le système reproduit la cinématique du mouvement de battement de l'aile des insectes sans utiliser de mécanismes complexes de transmission. Les technologies MEMS utilisées permettent de réaliser un objet beaucoup plus petit que tout ce qui existe actuellement dans ce domaine sans avoir à utiliser des technologies d'assemblage de pièces mécaniques. La technique MEMS permet une réalisation relativement monobloc du composant de base comprenant la structure générale, le ou les principaux actionneurs et éventuellement d'autres composants. Dans ce mode de réalisation, l'OVMI comprend: un support (ou thorax) où se trouve l'actionneur principal et une paire d'ailes (pouvant être de la forme qui se rapproche de celle des ailes des insectes). L'OVMI peut également comprendre un abdomen où une partie de l'électronique de commande pourra se trouver. Les technologies MEMS permettent d'envisager de reproduire assez fidèlement la forme des nervures et de la voilure des ailes. Le système d'actionnement électromagnétique (aimant/bobine, bobine/bobine) choisi dans un premier temps est ajustable et optimisable en fonction des modifications de taille et ou de design des prototypes. L'aimant pourra être remplacé par des particules magnétiques placées directement dans le polymère reliant les ailes. L'actionnement pourra être produit par un matériau (comme un polymère) électroactif capable de fournir un actionnement avec de grands déplacements nécessaires pour mettre en vibrations les ailes. D'autres systèmes d'actionnement pourront être envisagés toujours avec une optique primordiale d'avoir la plus grande efficacité dans le battement d'aile avec le moins d'énergie consommée. Une particularité du système proposé est que l'actionneur principal a pour seul rôle de faire battre les ailes, c'est-à-dire sans torsion de l'aile. Celle-ci, nécessaire à l'obtention de la portance, est obtenue de façon passive. Cette torsion est obtenue d'une part en raison des propriétés des matériaux utilisés et d'autre part par un positionnement adéquat du centre de gravité de l'aile. De ce fait il n'y a pas d'actionneur destiné à provoquer la torsion de l'aile ce qui permet une économie sur le nombre d'éléments à commander, sur la taille du microcontrôleur, sur la complexité des lois de commande et en conséquence limite la consommation d'énergie. De préférence, l'aile bat à une fréquence de résonance. L'actionneur fait en sorte de placer l'aile à sa fréquence de résonance afin d'optimiser les amplitudes de flexion et de torsion de l'aile Le matériau doit résister à cette situation ce qui est le cas pour la résine SU-8 utilisée préférentiellement dans la fabrication des ailes de l'OVMI. Les principaux éléments de la résine SU-8 sont un oligomère époxy bisphénol A Novolak (EPON � SU-8 résine, Shell Chemical) et jusqu'à 10% en poids de sel triarylsulfonium hexafluroantimonate (CYRACURE � UV, Union Carbide) comme photo initiateur acide. Afin de limiter les zones de transmission, l'actionneur est placé sur une poutre centrale qui relie les bords d'attaque des deux ailes. L'ensemble est fait d'un seul bloc. Cette poutre traverse de part en part le thorax en deux zones qui sont appelées zones pivots. Ces zones pivots ne doivent pas limiter le débattement de l'aile et transmettent le maximum d'énergie fournie par l'actionneur vers les ailes. Le système auto-résonant fait peu de bruit ; il n'y a pas d'à coup mécanique engendré par le mécanisme de mise en mouvement ou un système de butée mécanique. Le gain en énergie du système résonant proposé provient de l'absence de mécanisme de transmission du mouvement et aussi du fait qu'il n'est pas nécessaire de fournir à chaque instant l'énergie nécessaire à la mise en mouvement des ailes. L'OVMI, en dehors des applications industrielles, est aussi un outil intéressant pour comprendre les problèmes aérodynamiques dans un fonctionnement à bas Reynolds d'un système à ailes battantes, et plus généralement cela permet de mieux comprendre la physique des systèmes volants à ailes battantes (forces s'appliquant sur les ailes, optimisation de la portance, vortex autour des ailes, part de l'influence des effets aérodynamiques sur le vol battu....) Une particularité de cette invention est d'utiliser une résine photosensible (SU-8) pour fabriquer la plus grande partie de la structure. Un avantage est la transparence du produit qui rend l'objet globalement transparent et donc difficilement détectable à l'oeil. Cette résine est particulièrement adaptée pour la fabrication des ailes en raison de son module d'Young (environ 4,6 Giga Pascals) et de la valeur de son coefficient de Poisson (environ 0,22), proches de ceux qui ont pu être mesurées sur des ailes d'insectes. Cette résine est compatible avec différents procédés de la microélectronique et des microsystèmes et est habituellement utilisée pour réaliser des structures avec un grand rapport d'aspect. Cette résine permet d'obtenir facilement des objets avec des épaisseurs variables allant de 0.1�m à 1 mm. Dans un même procédé de fabrication, des parties de l'objet peuvent avoir des épaisseurs différentes. Un autre avantage de la technologie utilisée est que la résine SU-8 est photosensible, il suffit de l'insoler, avec un rayonnement adéquat, localement pour modifier ses propriétés et lors de la révélation toute la résine non insolée est dissoute. Une particularité de cette invention, allant dans le sens de diminuer les étapes technologiques, est que lors du procédé de fabrication plusieurs étapes d'insolation sont effectuées mais l'on se limite à une seule étape de révélation. Une particularité de la technique est aussi que la fabrication est collective pour une grande partie du système proposé. Donc dans une même étape de fabrication peuvent être réalisés simultanément des OVMI identiques ou différents. Sont présentées, ci-dessous, les grandes lignes de fabrication de la structure de base et des ailes: La fabrication commence par déposer par pulvérisation un revêtement sacrificiel comprenant une couche d'aluminium (de préférence 200nm) sur un substrat de silicium. Puis une couche de résine SU-8 est déposée pour réaliser la partie inférieure du support. Puis une couche de résine SU-8 d'épaisseur désirée est déposée (SU-8 2010, à partir de MICROCHEM, 4000rpm/2000rpm.s-1/30s pour une couche de 10�m d'épaisseur) pour réaliser la voilure de l'aile. Une cuisson douce au four à 95°C est effectuée pendant environ 4 min. Puis, une irradiation est effectuée à une dose de 150mJ.cm"2 avec un masque représentant la voilure, suivie d'une exposition post-cuisson PEB (95°C pour 4min). Puis une couche de résine SU-8 est déposée en une seule étape (SU-8 2035, de MICROCHEM, 4000rpm/2000rpm.s-1/30s) pour obtenir une couche de préférence de 30�m. Un bon mouillage du substrat par la résine SU-8 est important pour obtenir une couche homogène et stable. Après le processus de revêtement, le substrat est cuit au four doux pendant environ 9 minutes à 95°C, afin d'éliminer le solvant. L'exposition est généralement effectuée par irradiation avec masques avec une lampe UV à des longueurs d'onde au-dessus de 350nm. La dose d'exposition requise pour une épaisseur de 30�m est d'environ 280mJ.cm-2. Après irradiation, une exposition post-cuisson (PEB) à 95°C est faite pour augmenter le degré de réticulation dans les zones irradiées et pour stabiliser ces zones irradiées contre l'action des solvants au cours de l'étape ultérieure de développement. Le développement est effectué en plongeant l'ensemble dans le propylène glycol méthyl éther acétate à température ambiante, suivie d'une étape de rinçage pendant environ dix secondes dans l'alcool isopropylique. Il ne reste plus alors, sur le substrat, que des structures de résine SU-8 avec la géométrie souhaitée. Afin de libérer le ou les bras d'actionnement du support, on dissout la couche sacrificielle de l'aluminium, dans le MF319. 10 15 20 25 L'invention se rapporte donc également à un procédé de réalisation d'un dispositif de mise en mouvement d'un fluide précédent, comprenant les étapes suivantes : • Étape 1: Dépôt d'une couche d'aluminium sur un substrat de silicium pour servir de moyen d'alignement de masques de photolithographie et, optionnellement, pour libérer par la suite le dispositif : Pulvérisation d'aluminium sur un support de silicium, - Masquage de l'aluminium par de la résine photosensible, Insolation de la résine photosensible à travers un masque de photolithographie optique représentant les motifs d'alignement, Révélation de la résine puis gravure chimique de l'aluminium par une base, Retrait total de la résine dans un solvant, • Étape 2: Première couche de SU-8 pour réaliser une partie inférieure du support : - Dépôt d'une première couche de 30�m d'épaisseur de résine SU-8, Insolation de la SU-8 à travers un masque de photolithographie optique représentant la forme inférieure du support • Étape 3: Masquage pour le dépôt d'une couche sacrificielle d'aluminium localisée dans la zone pivot où le bras d'actionnement doit par la suite passer à la jonction avec les ailes, et pour protéger la résine non insolée ; • Étape 4: Réalisation de la voilure en SU-8 : - Deuxième dépôt d'une couche de résine SU-8 selon une fine épaisseur, Insolation de la SU-8 à travers un masque de photolithographie optique représentant la voilure des ailes • Étape 5: Réalisation du bras d'actionnement et de la nervure de bord d'attaque des ailes en SU-8 : Troisième dépôt d'une couche de résine SU-8, - Insolation de la SU-8 à travers un masque de photolithographie optique représentant le bras d'actionnement et la nervure de bord d'attaque des ailes. • Étape 6: Masquage de la deuxième couche de SU-8 pour un dépôt d'une deuxième couche sacrificielle d'aluminium par pulvérisation cathodique pour libérer par la suite la partie supérieure de la zone pivot ; • Étape 7: Réalisation de la partie supérieure du support : - Quatrième dépôt d'une couche de résine SU-8, - Insolation de la SU-8 à travers un masque de photolithographie optique représentant la forme supérieure du support, • Étape 8: Révélation de la SU-8 dans le développeur spécifique de la SU-8 en éliminant la SU-8 non-insolée ; • Étape 9: Gravure chimique des couches sacrificielles d'aluminium inférieure et supérieure pour la libération du bras d'actionnement de la zone pivot. Ainsi, en libérant la surface supérieure et la surface inférieure du bras d'actionnement 30 du support 10 au niveau des pivots 12, le bras peut vibrer en pivot sur le support. Le matériau utilisé et la conception du système permettent d'avoir un système peu fragile. Le faible amortissement du matériau utilisé permet d'avoir de grands débattements angulaires des ailes avec une très faible dissipation d'énergie. Une modélisation par éléments finis peut permettre de simuler une aile relativement complexe. Une modélisation par éléments finis peut être faite sur l'actionneur électromagnétique afin d'optimiser son poids et son efficacité vis-à-vis de la structure OVMI. Les fréquences de résonance vont dépendre de la géométrie des ailes et du matériau dont elles sont constituées. Grace à l'invention, il est possible d'obtenir l'ensemble des fréquences de battement d'ailes des insectes (de 10Hz à 1300Hz) en modifiant de façon adéquate la géométrie de l'aile (nervures, voilure) et en particulier sa longueur. Il est important aussi de produire un déphasage entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aile. L'aile vibrante selon l'invention permet d'obtenir un déphasage entre l'actionneur et le mouvement du bord de fuite ; l'inertie de l'aile induit, surtout au voisinage de la résonance, une torsion maximale dans la position médiane du battement montant ou descendant. Il en résulte un effort de portance. A l'optimum, l'inertie des nervures de l'aile et la souplesse de la membrane permet d'avoir un effort résultant à + 40° par rapport au plan de battement. L'actionneur principal (au niveau de la barre centrale) est, de préférence, du type électromagnétique ou à base de polymères électroactifs. Il est cependant possible d'envisager d'autres solutions d'actionneurs. Le choix est conditionné par une consommation faible en énergie pour une grande efficacité en actionnement et il peut être important de diminuer au maximum le poids de l'actionneur. Le système électromagnétique peut comprendre une bobine en regard d'un aimant ou d'une bobine en regard d'une autre bobine. Un courant alternatif, passant dans la bobine, produit un champ magnétique qui alternativement va attirer et repousser l'aimant ou la bobine (parcourue par un courant déphasé). Cet actionnement se fait perpendiculairement à la poutre centrale, c'est-à-dire dans le sens de la flèche FI . La diminution du poids est envisagée avec le remplacement de l'aimant par des particules magnétiques directement placées dans le polymère SU-8 et par le remplacement de la bobine classique par des enroulements micro-usinés. L'actionnement par des matériaux polymères électroactifs permet des déplacements dans le plan par des actions de compression et de dilatation provoquant la courbure de la poutre et donc le battement d'aile. Le coût énergétique de ces matériaux peut être faible. L'actionneur n'a pas obligation de provoquer dans la zone centrale un débattement important s'il vibre à une vitesse permettant de mettre l'aile en vibration à sa fréquence de résonance propre. Le battement des deux ailes est simultanément provoqué par l'actionneur central. Les ailes sont positionnées d'une façon la plus symétrique possible vis-à-vis de l'actionneur. Cela est tout à fait réalisable avec les technologies microsystèmes. Les ailes battent alors à la même fréquence et avec la même amplitude. Dans la ou chaque zone de pivot, il est possible de prévoir un actionneur secondaire afin de provoquer une modification au niveau de cette zone, ce qui permet de dissymétriser les mouvements des ailes. Autrement dit, en utilisation, les zones pivot serrent le bras d'actionnement de manière contrôlée. Cet agencement permet de modifier la torsion, l'amplitude ou le mouvement d'une aile par rapport à l'autre sans modifier sensiblement sa fréquence de vibration. L'effet de l'actionneur secondaire peut être de changer la position angulaire moyenne d'une aile par rapport à l'autre, de décentrer le point d'application des efforts dans la partie interne reliant les deux ailes. De cette façon l'OVMI effectue des virages. La commande est ponctuelle, elle est donc peu gourmande en énergie. Une autre solution est aussi d'avoir deux actionneurs principaux, intégrés dans la partie thorax, pour commander cette dissymétrie. Dans ce cas, les ailes sont indépendantes, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas reliées l'une à l'autre par un seul bras d'actionnement, mais qu'elles présentent chacune un bras d'actionnement. Il peut s'agir de deux actionnements électromagnétiques. La régulation de l'assiette de l'OVMI peut se faire par un microsystème très original. Il s'agit d'un système mécanique de modification du centre de gravité de l'OVMI. Une microgoutte calibrée, de façon à minimiser le poids embarqué, se déplace sur la partie haute du thorax de l'OVMI dans différentes directions afin de contrebalancer un virage à droite ou à gauche ou une descente ou une montée. La goutte se déplace grâce à des effets électrostatiques (EWOD : electrowetting on dielectric). Tout liquide sensible aux effets électrostatiques peut être utilisé. On peut citer, à titre d'exemple, l'eau. L'utilisation de cette méthode appliquée à des mouvements mécaniques permet d'atteindre des temps de réaction inférieurs à 1 ms ce qui est compatible avec la commande d'un OVMI. Elle est associée, de préférence, à un capteur de déplacement de type accéléromètre triaxial. Le système d'ailes battantes permet une grande manoeuvrabilité et est robuste aux perturbations atmosphériques. Plusieurs sources d'énergie sont envisageables comme une micro pile à hydrogène, la transmission d'énergie (micro-ondes....), la récupération d'énergie (solaire, vibration....), les énergies biologiques, etc. L'OVMI est un micro-robot ou micro-drone qui peut être destiné à de la surveillance au sens large du terme dans des domaines très variés. Son utilisation peut être envisagée en un essaim d'OVMIs qui communiquent entre eux et qui renvoient de l'information vers l'homme L'OVMI peut servir lors de combats armés, de la lutte contre le terrorisme, lors d'intervention de police afin de faire une détection préventive de la position d'ennemis. OVMI peut être envisagé pour servir aussi à du renseignement en raison d'atouts majeurs que sont la toute petite taille, un système silencieux, la possibilité de faire du vol stationnaire, l'agilité.... Il peut réaliser des travaux de surveillance et d'alerte dans des domaines industriels comportant des espaces confinés, des espaces difficilement accessibles, des espaces pollués... L'OVMI peut être utilisé dans des applications civiles comme des opérations de recherche de personnes disparues, de sauvetage. L'OVMI peut être utilisé pour le transport et le dépôt de charges utiles (caméra, micro...) L'OVMI peut être utilisé pour la surveillance d'ouvrage d'art (ponts, bâtiments...) L'OVMI peut servir pour de la surveillance environnementale (forêt, éloigner des insectes nuisibles pour certaines cultures L'OVMI peut aussi se propulser dans un fluide autre que de l'air, comme un liquide, et donc faire de l'observation dans des canalisations remplies de gaz ou de liquide. L'OVMI peut être aussi utilisé pour des activités d'attaque (transport de charges utiles, d'explosifs, de produits chimiques...) Une utilisation de type domotique peut être aussi envisagée L'OVMI peut être utilisé comme un jouet. La structure de battement qui génère de la portance constitue aussi un système de propulsion de fluides. Il peut donc être envisagé que la forme de battement générée puisse mettre en mouvement des fluides autres que l'air dans le domaine de la microfluidique par exemple. De nombreuses variantes et alternatives peuvent être apportées sans pour cela sortir de l'invention.