INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Il est par ailleurs possible de modéliser le résonateur sous la forme d’un circuit RLC série, à savoir : R, L, C et l’impédance de radiation Zrad. La résistance R et la résistance de radiation Zrad n’influent pas sur la fréquence de résonance, mais sont une modélisation des effets propres au résonateur qui limitent le courant induit dans le résonateur et par cela le moment qu’il est possible obtenir. Dans cette étape de dimensionnement, un calcul de L et de C permet d’évaluer (à la fiabilité près des modèles utilisés pour les calculer) la fréquence de résonance :
Dans le cadre d’autres éléments à animer, les caractéristiques à déterminer peuvent être plus simples ou plus complexes.
Ensuite, lors d’une étape 128, la couche enterrée 86 est amincie pour laisser subsister qu’une couche résiduelle 129 d’oxyde de silicium déposée sur la couche 24. Cette couche résiduelle 129 forme ici la totalité de la fine couche diélectrique 8. L’état représenté sur la est alors obtenu.
Lors de l’étape 128, l’amincissement de la couche 86 est arrêté en utilisant les faces enfouies 54 des plots 50 comme couche d’arrêt. Autrement dit, l’amincissement de la couche 86 est arrêté dès que les faces enfouies 54 sont mises à nu.
Étant donné que les faces enfouies 54 sont situées à la profondeur P 96 à l’intérieur de la couche enterrée 86, au moment où l’amincissement de la couche enterrée 86 est arrêté, l’épaisseur de e 129 de la couche résiduelle 129 est précisément égale à la profondeur P 96 . Dans ce premier mode de réalisation, l’épaisseur e 129 est égale à l’épaisseur e 8 de la fine couche diélectrique 8. Ainsi, l’utilisation des plots 50 permet de réaliser simplement la fine couche diélectrique 8 avec une grande précision sur son épaisseur. Par exemple, l’amincissement de la couche enterrée 86 est réalisé à l’aide d’un procédé de CMP.
Lors d’une étape 130, la partie 6 d’un composant optique est réalisée sur la fine couche diélectrique 8.
Puis, lors d’une étape 132, la partie 6 d’un composant optique réalisée est encapsulée dans le matériau diélectrique 38 pour obtenir la couche 26. Les étapes 130 et 132 sont par exemple réalisées comme décrites dans la demande US20170237229.
À l’issue des étapes 130 et 132, la puce photonique 2 représentée sur la est obtenue.
Ensuite, des étapes supplémentaires sont mises en œuvre pour achever la fabrication de la puce photonique 2. Par exemple, dans le cas particulier où le composant optique est un modulateur, une étape de réalisation de prises de contact électrique sur les parties 4 et 6 est effectuée.
La représente une première variante du procédé de fabrication de la . Cette première variante est identique au procédé de fabrication de la sauf qu’une étape 150 est introduite entre les étapes 128 et 130.
L’étape 150 est une étape de dépôt d’une couche diélectrique supplémentaire 152 ( ) directement sur la couche résiduelle 129 obtenue à l’issue de l’étape 128. L’état obtenu à l’issue de l’étape 150 est représenté sur la . Dans cette variante, c’est la superposition de la couche résiduelle 129 et de la couche diélectrique supplémentaire 152 qui forme une fine couche diélectrique 154 à travers laquelle les parties 4 et 6 sont couplées. La fine couche 154 est fonctionnellement identique à la fine couche 8. Toutefois, dans cette variante, la fine couche 154 est généralement plus épaisse que la fine couche 8. Ainsi, cette variante est plutôt destinée à la réalisation de parties 4 et 6 de composants optiques couplées optiquement à travers la fine couche 154. La couche diélectrique supplémentaire 152 est réalisée en oxyde de silicium ou dans un autre matériau diélectrique comme un nitrure de silicium. Le dépôt de cette couche diélectrique supplémentaire 152 dégrade très peu la précision sur l’épaisseur de la fine couche 154 située entre les parties 4 et 6 de composants optiques. En effet, la précision sur l’épaisseur de la couche diélectrique 152 obtenue par dépôt de matériau diélectrique est très supérieure à la précision sur l’épaisseur d’une couche diélectrique obtenue par amincissement d’une couche diélectrique plus épaisse. Par exemple, dans cette variante, l’épaisseur de la couche résiduelle 129 est comprise entre 30 nm et 50 nm et l’épaisseur de la couche diélectrique supplémentaire 152 est comprise entre 50 nm et 150 nm.
La représente une seconde variante du procédé de la . Cette seconde variante est identique au procédé de la sauf que les étapes 91, 110, 128 sont remplacées, respectivement, par des étapes 160, 162, 164.
L’étape 160 est identique à l’étape 91 sauf que les opérations 100 et 104 sont remplacées, respectivement, par des opérations 170 et 174.
L’opération 170 est une opération d’oxydation du silicium monocristallin pour former une couche 176 ( ) d’oxyde thermique qui recouvre la totalité de la face supérieure de la couche 88 de silicium monocristallin ainsi que les portions des parois verticales de la cavité 94 réalisées en silicium monocristallin.
La couche 176 ainsi obtenue ne couvre pas les parois de la cavité 94 réalisées en oxyde de silicium. Ainsi, la couche 176 ne recouvre pas le fond 96 de la cavité 94 car ce fond est réalisé en oxyde de silicium.
L’opération 174 est une opération de remplissage la cavité 94 avec un matériau de remplissage différent de l’oxyde de silicium. Dans cet exemple de réalisation, le matériau de remplissage est du silicium polycristallin. Pour cela, il est procédé comme décrit pour l’opération 104 sauf que :
- au lieu de déposer de l’oxyde de silicium, c’est du silicium polycristallin qui est déposé, et
- le polissage de la face supérieure utilise la couche 176 comme couche d’arrêt.
En résumé, le dispositif de la divulgation exploite l’induction générée par le champ électromagnétique et la résonance pour créer un mouvement. Les avantages sont nombreux, mais Il est possible de citer d’une part l’absence de contact matériel pour la création du mouvement et d’autre part une maitrise de l’organisation spatiale et temporelle des courants induits sur l’élément à animer, permettant notamment de gérer le mouvement de celui-ci.
Selon la présente, dans certains exemples de mise en œuvre, afin de maximiser l’utilisation de l’énergie transportée par le champ électromagnétique, l’élément à animer peut être placé au sein d’une enceinte de confinement, dont l’une des fonctions est de réfléchir les ondes électromagnétiques auquel l’élément à animer est exposé, tout en préservant leur structure, afin qu’elles interagissent de multiples fois avec l’élément à animer. De cette manière, d’une part les dépenses énergétiques nécessaires à l’animation de l’élément sont réduites et d’autre part il est possible d’accélérer le mouvement de l’élément, dans des limites physiques déterminées. Un exemple de chambre de confinement adaptée à une utilisation particulière est donné par la suite.
Selon la présente également, la mise en mouvement de l’élément est fonction de la fréquence de résonance. Ainsi, il est possible d’exciter l’élément selon plusieurs modes d’excitation différents. Par exemple, comme illustré à la , il est possible d’exciter l’élément selon un mode 1, encore appelé mode fondamental, cette excitation étant effectuée à la fréquence de résonance fondamentale de l’élément. Lorsqu’une telle fréquence fondamentale est utilisée, le mouvement produit est, selon la présente, un mouvement de rotation de l’élément. En effet, cette fréquence de résonance fondamentale induit une distribution des courants (flèches sur l’élément) dans l’élément qui produit des forces symétriques (m1, m2) par rapport à un axe (en pointillé), dit axe de rotation (formé par l’intersection du plan de symétrie du dispositif à animer avec le plan défini par la ligne directrice définissant la forme globale de l’élément à animer). La composante d’induction (Bi) et de travail (Bt) du champ électromagnétique, en quadrature, sont également représentés en . Il en résulte un moment (M) autour de cet axe, dit axe de rotation, tels qu’exposé à la . À l’inverse, comme exposé en , une excitation à un autre mode (également appelé mode d’ordre supérieur) permet d’organiser les courants induits dans l’élément de manière différente, et donc d’obtenir sur la base de ces courants induits, une organisation différente des forces, comme exposé en avec un mode d’ordre 2. En effet, ce mode d’ordre 2 induit une distribution des courants (flèches Dc sur l’élément) dans l’élément qui produit des forces symétriques (M), parallèles et dans la même direction, ce qui entraine le mouvement de translation de l’élément. La composante d’induction (Bi) et de travail (Bt) du champ électromagnétique, en quadrature, sont également représentés en . Ainsi, dans cet exemple de la , l’organisation des forces créées permettent de produire un mouvement de translation sur l’élément, les courants étant dans des sens opposés de part et d’autre de l’axe de symétrie.
Exposé d’un exemple de réalisation
On décrit, dans les paragraphes suivants, une implémentation de la technique objet de l’invention, consistant à créer un mouvement de rotation d’un résonateur à anneau fendu (SRR) en utilisant un champ électromagnétique polarisé circulairement (ou plus généralement de manière elliptique). Il est ainsi possible de disposer d’un moteur en générant des mouvements en cavité ou à distance à partir de microondes. Comme exposé précédemment, le principe consiste à exploiter l’induction électromagnétique et la résonance électrique. Dans le cadre de cet exemple de réalisation, on décrit un actionneur se définissant comme un dispositif utilisant un résonateur à anneau fendu et une configuration du champ électromagnétique pour mettre ce SRR en rotation. Un modèle analytique simple est décrit pour prouver la mise en œuvre de la rotation du SRR. Ce modèle analytique expose les expressions des grandeurs électriques et mécaniques à l’œuvre. Le système établi a permis d’obtenir notamment un moment moyen non nul du SRR entrainant la mise en rotation de celui-ci.
Rotor : Split Ring Resonator (SRR)
Comme indiqué, on utilise un résonateur à anneau fendu (SRR) comme rotor. Un SRR est formé d’un ou plusieurs anneaux conducteurs concentriques présentant une ou plusieurs fentes (ou gaps). Cette ou ces fentes procurent un comportement capacitif au SRR, tandis que les anneaux ont un comportement inductif. Ainsi, pour la forme élémentaire choisie (comme celle exposée à la ), le SRR peut être assimilé à un circuit électrique composé d’une inductance L en série avec une capacité C et une résistance R modélisant la résistivité du matériau. À haute fréquence, il convient de prendre en compte également le rayonnement du SRR, modélisé par l’impédance Zrad (voir ). Il est possible d’approcher ces grandeurs électriques à partir des paramètres géométriques de l’anneau. Les valeurs adoptées pour cet exemple de réalisation sont :
avec ρ la résistivité du matériau (cuivre), μ 0 la perméabilité magnétique du vide et ε 0 sa permittivité électrique, R1 , Rm et R2 respectivement le rayon intérieur, moyen et extérieur du SRR, h sa profondeur, w son épaisseur et ω la pulsation.
De plus à ces fréquences microondes, la résistance de radiation devient largement supérieure à la résistance (de presque deux ordres de grandeur). Cela traduit le fait que le courant induit, circulant le long du SRR, est principalement limité par le rayonnement de celui-ci. Cela implique également que tant que la force ne travaille pas, l’énergie reçue par le SRR est principalement réémise sous forme de rayonnement. Il apparait donc intéressant de confiner le champ (mise en cavité résonante), de manière à tirer un bénéfice additionnel de cette énergie, comme indiqué précédemment.
Forme du champ EM exploité
Afin d’obtenir le mouvement de rotation souhaité, le SRR est soumis à un champ EM dont la forme est donnée par l’équation (5) et illustré par la . Le champ magnétique est composé d’une composante normale à la surface du SRR (i.e. à la surface du plan défini par la ligne directrice du résonateur) pour induire un courant dans celui-ci et d’une composante tangentielle pour interagir avec ce courant et engendrer un moment. Les deux composantes sont, dans cet exemple de réalisation, en quadrature de phase pour maximiser le moment moyen. En les prenant d’amplitudes égales, on aboutit, dans cet exemple, à une polarisation circulaire du champ magnétique.
Forces obtenues dans cet exemple
Les dimensions du SRR étant petites devant la longueur d’onde, on se place ici dans les conditions de l’Approximation des Régimes Quasi Stationnaire (ARQS). D’autre part, le gap étant de petite taille et dans l’axe, on néglige sa contribution dans les calculs du moment résultant. On considère au départ que le champ électrique est suivant l’axe de rotation du champ magnétique et ainsi tangent à la surface du SRR (voir Figure 7). En menant les calculs, on note que la composante normale du champ magnétique induit le courant dans le SRR, donné par l’équation (6). La composante tangentielle du champ magnétique, déphasée de π/2, permet l’obtention d’un moment de force maximal à la résonance, dont l’amplitude (selon l’axe Δ porté par passant par le centre O du SRR) est donnée par l’équation (7). (6)
Dans les équations (5), (6) et (7), , R , L , C , Zrad et Rm ont déjà été définis précédemment, et sont respectivement les amplitudes des composantes tangentielle et normale du champ magnétique.
Aucune hypothèse faite ne restreint les conditions de validité de ces équations aux fréquences microondes de manière générale. Par souci pratique, dans une optique ultérieure de mise en place d’un banc expérimental, on cherche ici une résonance autour de 2,45 GHz (les appareils disponibles fonctionnant à ces fréquences). On considère une amplitude du champ magnétique telle qu’une puissance de 100W traverse sur la surface du SRR. On détermine alors les dimensions du SRR ( R1 =10,1mm, g =1,5mm et h = w =1,0mm) et on en déduit les grandeurs électriques, magnétiques, mécaniques puis dynamiques.
On obtient les valeurs du tableau suivant, où f res est la fréquence de résonance, i res est le courant à la résonance, M res le moment des forces qui s’exercent à la résonance et a res est l’accélération angulaire du SRR, calculée à partir du Principe Fondamental de la Dynamique en négligeant d’éventuelles forces de frottements ou de rappel :
L’intégration d’une électrode de référence selon l’invention au sein d’au moins l’une des cellules d’un supercondensateur permet avantageusement d’accéder aux potentiels de chacune des électrodes positive et négative. La connaissance et le suivi des potentiels des électrodes positive et négative permet de pouvoir détecter le cas échéant des défauts potentiels à leur fonctionnement.
Ainsi, l’invention concerne, selon un autre de ses aspects, l’utilisation d’une électrode de référence à base de Li 1-x FePO 4 , avec 0,30 ≤ x ≤ 0,70, en particulier 0,40 ≤ x ≤ 0,60, dans une cellule de supercondensateur comportant un électrolyte non-aqueux, en particulier une cellule de supercondensateur conventionnel ou hybride au potassium, pour connaître les potentiels d’au moins l’une, de préférence de chacune des électrodes positive et négative, de ladite cellule de supercondensateur, en particulier pour suivre l’évolution des potentiels d’au moins l’une des électrodes positive et négative, au cours du fonctionnement dudit supercondensateur.
Une surveillance des potentiels des électrodes positive et négative au cours du fonctionnement du supercondensateur, par l’intermédiaire de l’électrode de référence selon l’invention, permet avantageusement une utilisation optimisée du supercondensateur, en particulier une utilisation à sa capacité maximale, sans pour autant s’exposer à des risques de dysfonctionnement, et permet ainsi une sûreté améliorée à l’usage du supercondensateur.
D’autres caractéristiques, variantes et avantages d’une électrode de référence selon l’invention et de sa mise en œuvre au niveau d’une cellule de supercondensateur selon l’invention, ressortiront mieux à la lecture de la description, des exemples et figures qui vont suivre, donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
présente, de manière schématique, en coupe transversale, un exemple d’assemblage 100 des différents éléments, y compris l’électrode de référence 21 selon l’invention, au sein d’une cellule de supercondensateur selon l’invention ; présente, de manière schématique, la cellule pouch-cell à deux électrodes mise en œuvre selon l’exemple 1 (1.1.) pour préparer une électrode de référence selon l’invention, à partir d’une électrode LFP ; présente le profil de tension de la cellule graphite/LFP préparée selon l’exemple 1 (1.1.) pendant et après une demi-charge à C/10 ; présente, de manière schématique, une cellule de supercondensateur au format pouch-cell, comme préparé en exemple 1 (1.2.), comprenant une électrode positive, l’électrode de référence selon l’invention et une électrode négative, les électrodes étant séparées par des membranes poreuses en polypropylène imprégnées par l’électrolyte ; présente les courbes obtenues selon l’exemple 2 de tension de la cellule et des potentiels des électrodes négative et positive pour la cellule de supercondensateur hybride préparée en exemple 1 : - lors d’un cycle à 5C ( (a)), - lors d’un cycle à C/2 ( (b)) et - lors des différentes étapes de formation d’un supercondensateur hybride au potassium suivant le procédé décrit dans la demande déposée en France sous le numéro FR2109574 : charge à C/2 jusqu’à 3,2 V, maintien pendant 24 heures à la tension de 3,2 V et décharge à C/2 jusqu’à 0,5 V ( (c)). présente l’évolution de la capacité de la cellule du supercondensateur conventionnel préparée en exemple 3, au cours des cycles en alternant un cyclage à un régime C/2 et 100C ; présente l’évolution des potentiels des électrodes positive et négative à différentes étapes du cyclage suivant l’exemple 4, obtenue pour une cellule d’un supercondensateur conventionnel intégrant une électrode de référence selon l’invention.
Il convient de noter que, pour des raisons de clarté, les différents éléments sur les figures 1, 2 et 4 sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n’étant pas respectées.
Description détaillée Electrode de référence Comme indiqué précédemment, l’invention met en œuvre une électrode de référence formée à partir du matériau LiFePO 4 partiellement délithié, et plus précisément une électrode à base de Li 1- x FePO 4 , avec 0,30 ≤ x ≤ 0,70.
L’électrode de référence à base de Li 1- x FePO 4 est telle qu’elle présente un potentiel électrochimique stable, autrement dit fixé au niveau d’un plateau de potentiel, en particulier à une valeur d’environ 3,4 V vs Li/Li + .
L’électrode de référence selon l’invention est plus particulièrement à base d’un matériau Li 1- x FePO 4 , où x est compris entre 0,40 et 0,60, en particulier entre 0,50 et 0,60 et plus particulièrement d’environ 0,50 (soit 0,50 ± 0,01).
Une électrode à base de Li 1- x FePO 4 selon l’invention peut être obtenue comme décrit plus précisément ci-dessous, préalablement à sa mise en œuvre dans ladite cellule, à partir d’une électrode à base de LiFePO 4 , par délithiation partielle permettant d’obtenir un potentiel électrochimique stable, en particulier stabilisé à une valeur de 3,4 V vs Li/Li + .
Les électrodes à base de LiFePO 4 , appelées plus simplement électrodes LFP, sont connues comme électrodes positives pour des batteries au lithium.
L’électrode de LFP, à partir de laquelle est obtenue une électrode de référence selon l’invention, peut être préparée par toute méthode connue de l’homme du métier.
La préparation d’une électrode de LFP peut comprendre, d’une manière générale, au moins les étapes suivantes : - préparation d’une dispersion, plus couramment appelée « encre », comprenant, dans un ou plusieurs solvants aqueux et/ou organiques, au moins du LiFePO 4 ; un ou plusieurs liants et éventuellement un ou plusieurs additifs conducteurs électroniques ; - dépôt de l’encre à la surface d’un collecteur de courant ; et - évaporation du ou desdits solvant(s) de l’encre pour former le film d’électrode.
Le solvant de l’encre peut comprendre de l’eau et/ou un ou plusieurs solvants organiques, par exemple de la N-méthyl-2-pyrrolidone.
Les additifs conducteurs électroniques sont mis en œuvre pour améliorer la conductivité électronique de l’électrode. Ils peuvent être choisis par exemple parmi des fibres de carbone, du noir de carbone, des nanotubes de carbone et leurs mélanges.
Au cours d’une sous-étape P73, le dispositif de pilotage détermine si la norme du vecteur est inférieure à un seuil ε, en dessous duquel on considère que l’algorithme a convergé vers un minimum local.
Si la norme du vecteur est supérieure ou égale au seuil ε, au cours d’une sous-étape P74, le dispositif de pilotage calcule un point obtenu par déplacement selon le sens et la direction du vecteur depuis le point correspondant à l’émission de la source lumineuse où est un paramètre de contrôle de la vitesse d’évolution compris entre 0 et 1.
L’homme du métier comprendra que la convergence de l’algorithme ne peut être garantie étant donné que le niveau d’impact de la lumière émise par une source de lumière sur les valeurs captées par les capteurs n’est pas connu à priori, et que l’environnement autre que les sources de lumière pilotable a également un impact (éclairage naturel, etc.). Par ailleurs, lorsque plusieurs capteurs sont utilisés, il peut être physiquement impossible de les satisfaire tous en même temps, même avec plusieurs sources. En revanche, pour des valeurs de µ, on peut garantir que cet algorithme ne diverge pas et on restera donc « autour » des plages de couleur de préférence, sans forcément pouvoir les atteindre à ε près.
Dans un mode de réalisation de l’invention, les sources lumineuses pilotables sont configurées pour être pilotées par des commandes comportant des paramètres de couleurs au format RGB et au cours d’une sous étape P75, le dispositif de pilotage convertit, selon la méthode exposée à l’Annexe 2, les coordonnées HSV de ce point en coordonnées rouge, verte et bleue
Au cours d’une sous-étape, P76, le dispositif de pilotage envoie une commande à la source lumineuse pilotable pour que celle-ci émette une lumière avec ces composantes rouge, verte et bleue
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, les sources lumineuses pilotables sont configurées pour être pilotées par des commandes comportant des paramètres de couleurs au format HSV. L’étape P75 de conversion n’est pas exécutée et au cours de l’étape P70, le dispositif de pilotage envoie à la source lumineuse pilotable , une commande dont les paramètres sont les composantes de la couleur correspondant au point au format HSV tels que déterminés à l’étape P74.
La commande est reçue par la source lumineuse au cours d’une étape L70 et la source lumineuse émet une couleur selon les paramètres de cette commande. La lumière captée alors par les capteurs de luminosité sont alors comprises ou se rapprochent des plages de couleurs de préférence associées à ces capteurs.
Lorsque le système comporte plusieurs sources lumineuses SY (par exemple deux sources S1, S2) :
1/ A la sous-étape P72, le dispositif de pilotage somme les vecteurs CX pour obtenir un vecteur unique Z pondéré par des poids respectivement associés aux sources SY, tous initialisés à 1.
Dans notre exemple :
2/ Au cours de la sous-étape P74, pour chaque source SY, le dispositif de pilotage calcule un point obtenu par déplacement selon le sens et la direction du vecteur depuis le point correspondant à l’émission de la source lumineuse SY où est un paramètre de contrôle de la vitesse d’évolution compris entre 0 et 1.
3/ Au cours de la sous-étape P75, le dispositif de pilotage convertit, pour chaque source SY, les coordonnées HSV du point en coordonnées rouge, verte et bleue
4/ Au cours de la sous-étape P76, le dispositif de pilotage envoie, à chaque source SY, une commande pour que celle-ci émette une lumière avec ces composantes rouge, verte et bleue
5/ Le dispositif de pilotage détermine, pour chaque capteur CX, la différence entre la couleur mesurée par ce capteur avant et après pilotage des sources LY. Il ajuste le poids associé à chaque source SY à partir de ces différences WX et d’une fonction prédéfinie f.