Brevet FR3092201A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'un dispositif radio- fréquence comprenant un réseau solide tridimensionnel de mailles diélectriques woo L'invention concerne de manière générale un procédé de fabrication d'un dispositif radiofréquence comprenant un réseau solide tridimensionnel de mailles diélectriques réalisé par fabrication additive. [0002] Dans certaines applications telles que les antennes miniaturisées formées de méta- matériaux pour les transmissions dans le domaine des hyperfréquences (fréquences supérieures à 100 MHz), on cherche à utiliser des pièces substrats diélectriques présentant des caractéristiques électromagnétiques déterminées de façon à ce que le substrat diélectrique lui-même présente une certaine réponse électrique et/ou magnétique à un champ électrique et/ou magnétique. On sait qu'il est possible de contrôler la valeur effective d'au moins une constante électromagnétique relative (permittivité diélectrique relative er et/ou perméabilité magnétique relative tr) d'une pièce diélectrique par imbrication de plusieurs matériaux diélectriques présentant des valeurs différentes pour cette constante électromagnétique relative. Une telle imbrication peut-être réalisée selon différents procédés connus. [0003] Le document FR 3 029 695 décrit notamment un procédé de fabrication particu- lièrement intéressant d'une pièce diélectrique dans lequel on choisit au moins un matériau diélectrique à l'état solide et au moins un matériau diélectrique à l'état fluide (liquide ou gazeux, y compris le vide spatial), les matériaux diélectriques choisis ayant au moins une constante électromagnétique relative e' !Ir de valeurs différentes. Conformément au procédé décrit dans ce document, on peut choisir une structure de réseau solide tridimensionnel ayant des mailles dudit au moins un matériau diélectrique solide, ces mailles étant ouvertes dans au moins deux directions différentes non colinéaires, voire trois directions orthogonales entre elles, de manière à former un circuit de circulation pour ledit au moins un matériau diélectrique à l'état fluide. Le réseau solide tridimensionnel est réalisé par fabrication additive, autrement connue sous l'appellation d'impression tridimensionnelle par ajout de matière. Selon cette technique de fabrication, un fichier 3D caractéristique du réseau solide tridimensionnel à réaliser est traité par un logiciel spécifique qui organise le découpage en tranches des différentes couches nécessaires à la réalisation du réseau. Ce découpage est envoyé à une imprimante 3D qui dépose le matériau diélectrique couche par couche jusqu'à obtenir le réseau solide tridimensionnel final par empilement. des couches. Ledit au moins un matériau à l'état fluide est ensuite incorporé au sein du réseau solide tridi- 2 mensionnel, par exemple par aspiration ou injection sous pression. [0004] En sélectionnant soigneusement les matériaux diélectriques et la géométrie de la structure de réseau solide, un tel procédé de fabrication permet de concevoir une pièce diélectrique avec un contrôle précis, en tout point de la pièce diélectrique, de la valeur d'au moins une constante électromagnétique relative, et en particulier avec des gradients et/ou des anisotropies dc cette valeur, c'est-à-dire une répartition tensorielle de valeurs de cette constante électromagnétique dans le volume de la pièce diélectrique. [0005] Dans certains modes de réalisation décrits par FR 3 029 695, une composition gazeuse et/ou liquide peut être apportée au sein d'une pièce diélectrique depuis un volume de cette composition gazeuse et/ou liquide dans laquelle la pièce diélectrique est placée, par exemple depuis l'atmosphère terrestre ou le vide spatial. Pour cc faire, le réseau solide tridimensionnel de la pièce diélectrique présente des mailles ouvertes à la périphérie de la pièce diélectrique. Les mailles ouvertes à la périphérie permettent à ladite composition gazeuse et/ou liquide du volume dans lequel la pièce diélectrique est placée d'accéder à l'intérieur du réseau solide tridimensionnel de la pièce diélectrique de façon à pouvoir circuler à l'intérieur dc la pièce diélectrique par l'intermédiaire de mailles ouvertes non périphériques du réseau solide tridimensionnel. [0006] Un réseau solide tridimensionnel utilisant des mailles ouvertes est particulièrement avantageux dans les applications où l'on recherche l'obtention de pièces diélectriques utilisant le moins de matière possible, non seulement pour des raisons de coûts, mais aussi de poids. On peut ainsi dans ce but vouloir définir un réseau solide tridimensionnel dans laquelle un grand nombre de mailles sont ouvertes dans plusieurs directions non colinéali-es, y compris pour des mailles périphériques dont des faces délimitant au moins partiellement un contour du réseau sont ouvertes ou ajourées. [0007] Or, pour réaliser un dispositif radiofréquence comprenant un tel réseau solide, par exemple une antenne, il est nécessaire de pouvoir appliquer une couche électriquement conductrice, au moins sur une portion du contour de ce réseau solide. [0008] Néanmoins, une couche électriquement conductrice ne peut être appliquée facilement sur le contour d'un réseau solide tridimensionnel présentant des mailles périphériques ouvertes. [0009] En effet, si la couche électriquement conductrice est rapportée par collage, une mauvaise adhérence sera constatée du fait de la présence des faces ouvertes délimitant le contour. [0010] D'autres procédés d'application d'une couche électriquement conductrice sont to- talement exclus. Par exemple, un procédé d'application par projection de matière ne peut être utilisé car les faces ouvertes des mailles périphériques seraient perméables à ladite matière projetée. 3 [0011] Par ailleurs, le fait de placer une couche électriquement conductrice directement contre les mailles périphériques de la pièce diélectrique peut entraîner des effets de bord en bordure de la couche électriquement conductrice pouvant entraîner une modification de la fréquence de résonance du dispositif radiofréquence. [0012] L'invention vise à pallier ces inconvénients. [0013] L'invention concerne donc un procédé de fahrication d'un dispositif radiofréquence comprenant une structure diélectrique comprenant au moins un matériau diélectrique à l'état solide et au moins un matériau diélectrique à l'état fluide, ledit procédé comportant : - une étape d'impression tridimensionnelle lors de laquelle on réalise un réseau solide tridimensionnel par fabrication additive, ledit réseau solide tridimensionnel comprenant des mailles dudit au moins un matériau diélectrique à l'état solide ouvertes dans au moins deux directions différentes non colinéaires de manière à former un circuit de circulation pour ledit au moins un matériau diélectrique à l'état fluide; et - une étape lors de laquelle on incorpore ledit au moins un matériau diélectrique à l'état fluide au sein du réseau solide tridimensionnel, le procédé étant caractérisé en ce que le réseau solide tridimensionnel est réalisé par fahrication additive de sorte qu'un contour de cc réseau délimité par les faces, ouvertes ou non, des mailles périphériques de ce réseau, comprenne une surface, dite surface support, pleine dudit au moins un matériau diélectrique à l'état solide formée d'un seul tenant avec une pluralité desdites mailles périphériques, et en ce que le procédé comporte une étape d'application d'une couche électriquement conductrice sur ladite surface support du contour. [0014] L'invention s'étend également à un dispositif radiofréquence comprenant une structure diélectrique comprenant au moins un matériau diélectrique à l'état solide et au moins un matériau diélectrique à l'état fluide, ladite structure diélectrique comprenant - un réseau solide tridimensionnel obtenu par fabrication additive, ledit réseau solide tridimensionnel comprenant des mailles dudit au moins un matériau diélectrique à l'état solide ouvertes dans au moins deux directions différentes non colinéaires de manière à former un circuit de circulation pour ledit au moins un matériau diélectiique à l'état fluide, - ledit au moins un matériau diélectrique à l'état fluide incorporé au sein du réseau solide tridimensionnel, le dispositif radiofréquence étant caractérisé en ce que le réseau solide tridimensionnel présente un contour délimité par les faces, ouvertes ou non, des mailles périphériques de ce réseau, le contour comprenant une surface, dite surface support, pleine dudit au moins un matériau diélectrique à l'état solide formée par fabrication additive d'un seul tenant avec une pluralité desdites mailles périphériques, et en ce qu'il comprend une couche électriquement conductrice sur ladite surface support du contour. [0015] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ledit au moins un matériau diélectrique à l'état solide et ledit au moins un matériau diélectrique à l'état liquide présentent au moins une constante électromagnétique relative Fi, ur de valeurs différentes. [0016] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ladite surface support s'étend sur plusieurs mailles périphériques du réseau solide tridimensionnel. [0017] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ladite surface support et la couche conductrice présentent une forme identique. [0018] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ladite couche électriquement conductrice est une couche métallique. [0019] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ladite couche électriquement conductrice présente une épaisseur supérieure ou égale à 1 pm. [0020] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, ledit réseau solide tridimensionnel comprend une répétition de mailles dans toutes les directions de l'espace. [0021] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, plusieurs mailles périphériques formant ledit contour présentent une face ouverte délimitant ledit contour. [0022] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, les mailles non périphériques dudit réseau solide tridimensionnel sont ouvertes dans au moins deux directions différentes non colinéaires. [0023] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, les mailles du réseau solide tridimensionnelles sont formées d'un unique matériau diélectrique à l'état solide choisi dans le groupe formé des oxydes métalliques, des carbures, des borures, des nitrures, des fluorures, des siliciures, des titanates, des sulfures, des polymères synthétiques et de leurs mélanges. [0024] Dans certains modes de réalisation avantageux et selon l'invention, la structure di- électrique comprend un unique matériau diélectrique à l'état fluide qui est de l'air. [0025] L'invention concerne également un dispositif radiofréquence et un procédé de fa- brication d'un tel dispositif radiofréquence caractérisés, en combinaison ou non, par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. Quelle que soit la présentation formelle qui en est donnée, sauf indication contraire explicite, les différentes caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après ne doivent pas être considérées comme étroitement ou inextricablement liées entre elles, l'invention pouvant concerner l'une seulement de ces caractéristiques structurelles ou fonc- tionnelles, ou une partie seulement de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou une partie seulement de l'une de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou encore tout groupement, combinaison ou juxtaposition de tout ou partie de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles. [0026] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre non limitatif de certains de ses modes de réalisation possibles et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un premier mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 2 représente une vue en perspective et en éclaté du dispositif radiofréquence représenté à la figure 1, - la figure 3 représente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 4 représente une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en perspective d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 6 représente une vue en perspective d'un cinquième mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 7 représente une vue en perspective d'un sixième mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence obtenu par un procédé de fabrication selon l'invention. [0027] Les dispositifs 10 radiofréquences représentés aux figures 1 à 7 peuvent être obtenus par un procédé de fabrication selon l'invention. [0028] Dans un procédé de fabrication selon l'invention, un réseau 11 solide tridimensionnel de mailles en au moins un matériau diélectrique est formé par un procédé de fabrication additive lors d'une étape d'impression tridimensionnelle. [0029] En particulier, le réseau 11 solide tridimensionnel est formé par des dépôts successifs de couches d'au moins un matériau diélectrique à l'état solide selon une direction d'empilement de couches. Ainsi, chaque couche est déposée sur la couche précédemment déposée. De préférence, les couches s'étendent parallèlement à un plan orthogonal à ladite direction d'empilement. [0030] Le dépôt de couches est effectué par une imprimante 3D à partir d'un fichier 3D ca- ractéristique du réseau 11 solide tridimensionnel à réaliser, ce fichier 3D étant généré par un logiciel informatique spécifique qui organise le découpage en tranches des différentes couches nécessaires à la réalisation du réseau 11 solide tridimensionnel. [0031] En particulier, le réseau 11 solide tridimensionnel est initialement conçu sur un logiciel informatique selon le procédé décrit par FR 3 029 695 avant de générer le fichier 3D transmis à ladite imprimante 3D. 6 [0032] L'un au moins desdits matériaux diélectriques à l'état solide est choisi dans le groupe formé des oxydes métalliques, des carbures, des borures, des nitrures, des fluorures, des siliciures, des titanates, des sulfures, des polymères synthétiques et de leurs mélanges. Rien n'empêche bien sûr de prévoir d'autres matériaux diélectriques, en variante ou en combinaison. De préférence, un seul matériau diélectrique est utilisé pour former le réseau 11 solide tridimensionnel par fabrication additive. [0033] On conçoit le réseau 11 solide tridimensionnel dc sorte que le réseau 11 solide tridi- mensionnel présente un contour 12 comprenant au moins une portion délimitée par des faces ouvertes des mailles 13 périphériques. De telles faces ouvertes permettent la circulation d'au moins un matériau diélectrique fluide au travers du réseau 11 solide tridimensionnel. [0034] On conçoit également le réseau 11 solide tridimensionnel de sorte qu'au moins une partie des mailles non périphériques dudit réseau 11 solide tridimensionnel est ouverte dans au moins deux directions différentes non colinéaires de l'espace (formant entre elles un angle non nul différent dc 180°). On peut ainsi par exemple définir au moins un circuit interne de circulation de fluide dans une pièce selon l'invention. [0035] Le réseau 11 solide tridimensionnel présente une forme conçue selon les propriétés souhaitées du réseau 11 solide tridimensionnel. À titre d'exemples, le réseau 11 solide tridimensionnel peut présenter une forme de parallélépipède rectangle comme représenté aux figures 1 à 3, ou bien une forme conique comme représenté à la figure 4 ou encore une forme cylindrique de révolution comme représenté aux figures 5 et 7. Le réseau 11 solide tridimensionnel peut également être un empilement de deux parallélépipèdes rectangles, comme représenté sur la figure 6. [0036] Comme représenté à la figure 1, il est possible de prévoir une paroi 14 périphérique latérale autour du réseau 11 solide tridimensionnel. Cette paroi 14 périphérique latérale est formée par fabrication additive conjointement avec le réseau 11 solide diélectrique. La paroi 14 périphérique latérale est formée du matériau diélectrique formant les mailles 13 périphériques du réseau 11 solide tridimensionnel. Ainsi, la paroi 14 périphérique latérale et les mailles 13 périphériques du réseau 11 solide tridimensionnel sont formées d'un seul tenant. Cette paroi latérale permet d'améliorer la tenue mécanique du réseau 11 solide diélectrique au cours du dépôt des couches de chaque matériau diélectrique à l'état solide constituant le réseau 11 solide tridimensionnel. [0037] On conçoit en outre le réseau 11 solide tridimensionnel de façon à prévoir une surface, dite surface 15 support, pleine dudit au moins un matériau diélectrique à l'état solide sur une portion du contour 12 du réseau 11 solide tridimensionnel. En particulier, la surface 15 support s'étend sur plusieurs mailles 13 périphériques formées du même matériau diélectrique que celui de la surface 15 support. En outre, la surface 15 support est de préférence lisse. 7 [0038] La surface 15 support est formée par fabrication additive conjointement au réseau 11 solide tridimensionnel. Ainsi, la surface 15 support et les mailles 13 périphériques sur lesquelles la surface 15 support s'étend sont formées d'un seul tenant. [0039] La surface 15 support peut être superposée aux mailles 13 périphériques du réseau 11 solide tridimensionnel sur lesquelles elle s'étend. Néanmoins rien n'empêche de prévoir une surface 15 support formée par des faces closes des mailles 13 périphériques définissant ledit contour 12 du réseau 11 solide tridimensionnel. [0040] Un procédé selon l'invention comprend également une étape d'application d'une couche 16 électriquement conductrice sur la surface 15 support. La couche 16 conductrice présente une épaisseur supérieure ou égale à 1µm. La couche 16 conductrice est de préférence une couche métallique. [0041] La surface 15 support et la couche 16 conductrice présentent une forme conçue selon les propriétés souhaitées du dispositif 10 radiofréquence. De préférence, la surface 15 support et la couche 16 conductrice présentent une forme similaire de façon à limiter la quantité de matériau nécessaire pour former la couche 16 conductrice. Néanmoins, rien n'empêche de prévoir une surface 15 support et une couche 16 conductrice présentant des formes distinctes. À titre d'exemple, comme représenté sur les figures 1 à 3 et 7, la surface 15 support et la couche 16 conductrice présente une forme rectangulaire. En outre, comme représenté sur les figures 4 et 5, la couche 16 conductrice et la surface 15 support peuvent présenter une forme hélicoïdale s'étendant sur la hauteur du réseau 11 solide tridimensionnel. Comme représenté sur la figure 6, la couche 16 conductrice et la surface 15 support peuvent présenter une forme de spirale ou de double spirale. [0042] La couche 16 conductrice peut être appliquée sur la totalité de la surface 15 support ou bien uniquement sur une portion de la surface 15 support (comme représenté sur la figure 3). Ainsi, la surface 15 support peut s'étendre sur une surface de dimensions supérieures à la couche 16 conductrice. La surface 15 support forme alors une bordure autour de ladite couche 16 conductrice de façon à faciliter l'application de ladite couche 16 conductrice sur la surface 15 support. [0043] La couche 16 conductrice est de préférence appliquée par projection sur la surface 15 support de la matière constituant la couche 16 conductrice. Néanmoins, rien n'empêche de prévoir une couche 16 conductrice formée d'une plaque et appliquée sur la surface 15 support par collage. [0044] La surface 15 support permet d'améliorer l'adhérence de ladite couche 16 conductrice sur le réseau 11 solide tridimensionnel. [0045] Au moins un matériau diélectrique à l'état fluide est également introduit dans le réseau 11 solide tridimensionnel de façon à obtenir une structure diélectrique formée d'une imbrication de matériaux diélectriques entre ledit au moins un matériau diélectrique à l'état fluide et le réseau 11 solide tridimensionnel formé d'au moins un 8 matériau diélcctriquc à l'état solide. Dans certains modes de réalisation, au moins un matériau diélcctriquc à l'état fluide est une composition à l'état liquide, notamment choisie dans le groupe formé des compositions aqueuses, des compositions hydroalcooliques, des huiles, des solvants, et des cristaux liquides. Dans certains modes de réalisation, au moins un matériau diélcctriquc à l'état fluide est une composition à l'état gazeux, notamment choisie dans le groupe formé des gaz atmosphériques et des gaz ionisés (plasmas). De préférence, un seul matériau diélcctriquc à l'état fluide est introduit dans le réseau 11 solide tridimensionnel. [0046] Les matériaux diélectriques à l'état solide et les matériaux diélectriques à l'état fluide présentent au moins une constante électromagnétique relative E' de valeurs différentes de sorte que la structure diélectrique ainsi formée présente au moins un tenseur [Fg], [R.] déterminé d'au moins une constante électromagnétique relative T, pr. [0047] La pièce ainsi fabriquée forme alors un dispositif 10 radiofréquence. Le dispositif 10 radiofréquence comprend ainsi un réseau 11 solide tridimensionnel de mailles en au moins un matériau diélcctriquc à l'état solide, le réseau 11 solide tridimensionnel incorporant au moins un matériau diélcctriquc à l'état fluide. Le réseau 11 solide tridimensionnel présente des mailles 13 périphériques à faces ouvertes délimitant au moins une portion du contour 12 du réseau 11 solide tridimensionnel. Lc réseau 11 solide tridimensionnel comprend également ladite surface 15 support qui s'étend sur plusieurs mailles 13 périphériques. Le dispositif 10 radiofréquence comprend également la couche électrique conductrice sur ladite surface 15 support. [0048] Un procédé de fabrication selon l'invention permet d'obtenir un dispositif radio- fréquence simplement. En outre, la fabrication de ce dispositif radiofréquence est peu coûteuse. [0049] Un dispositif 10 radiofréquence selon l'invention peut faire office d'antenne émettrice et/ou réceptrice d'un champ électromagnétique et/ou électrique et/ou magnétique et peut également faire l'objet de très nombreuses variantes de réalisation et de diverses applications. Il peut en particulier avantageusement être utilisé dans le domaine des hyperfréquences (fréquences supérieures à 100 MHz, notamment comprises entre 1 GHz et 60GHz). Il peut également être utilisé en tant que filtre à résonateur diélectrique. [0050] En particulier, comme représenté sur les figures 1 à 3, la couche 16 conductrice présente une fente 17 en diagonale de façon à obtenir une polarisation circulaire du dispositif 10 radiofréquence. [0051] Comme représenté à la figure 5, le dispositif 10 radiofréquence peut également être assemblé à un plan 18 de masse formé d'un matériau électriquement conducteur, notamment un matériau métallique. Le plan 18 de masse permet ainsi de définir une fréquence de résonance du dispositif 10 radiofréquence. En particulier, le plan de 9 niasse peut être relié électriquement à la couche 16 conductrice par exemple par une soudure d'un matériau électriquement conducteur tel que de l'étain. [0052] En outre, le dispositif 10 radiofréquence peut comprendre un dispositif d'excitation traversant le réseau 11 solide tridimensionnel et la couche 16 conductrice, cc dispositif d'excitation étant adapté pour générer une onde électromagnétique. [0053] La surface 15 support permet également de réduire les effets de bord sur la périphérie de la couche 16 conductrice d'un dispositif radiofréquence selon l'invention. [0054] L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes et applications autres que celles décrites ci-dessus. En particulier, il va de soi que sauf indication contraire les différentes caractéristiques structurelles et fonctionnelles de chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus ne doivent pas être considérées comme combinées et/ou étroitement et/ou inextricablement liées les unes aux autres, mais au contraire comme de simples juxtapositions. En outre, les caractéristiques structurelles et/ou fonctionnelles des différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent faire l'objet en tout ou partie de toute juxtaposition différente ou de toute combinaison différente. 10