WO2011004124A2 - Microsystème de génération d'un jet synthétique, procédé de fabrication et dispositif de contrôle d'écoulement correspondants. - Google Patents

Microsystème de génération d'un jet synthétique, procédé de fabrication et dispositif de contrôle d'écoulement correspondants. Download PDF

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WO2011004124A2
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membrane
substrate
cavity
orifice
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Leticia Gimeno Monge
Abdelkrim Talbi
Philippe Pernod
Alain Marcel Emile Merlen
Vladimir Preobrazhensky
Romain Viard
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Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S)
Université De Lille 1 - Ustl
Ecole Centrale De Lille
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    • Y02T50/10—Drag reduction

Definitions

  • the present invention relates to a microsystem for generating a synthetic fluid jet comprising an enclosure defining a cavity for receiving the fluid and provided with an outlet orifice of the jet and at least one deformable membrane associated with actuating means. to cause at least one vibration of the membrane and thus suction and discharge of fluid into and out of the cavity through the orifice to generate the synthetic jet.
  • It also relates to a method of manufacturing such a microsystem and a corresponding flow control device.
  • the invention relates to the field of devices generating synthetic jets.
  • Synthetic jets are jets of fluids, generally gaseous, expelled through an orifice and produced by the alternative emptying and filling of a cavity consisting of one or more vibrating walls.
  • a first example is the use of a piston actuated by a motor.
  • the synthetic jets, generated with such an actuation are powerful but at the cost of a low frequency of operation and a significant consumption. In addition, they are bulky systems.
  • a second example of actuation commonly applied is the use of one or more piezoelectric elements. These piezoelectric devices are less efficient in terms of speed than the devices using a piston, but the frequency ranges are more versatile.
  • Flow control is a technique that manipulates a flow (free or near a wall) using devices (passive or active) to produce favorable changes. These changes are, for example at the boundary layer, the retardation or advancement of a laminar / turbulent transition and the prevention of detachment. These changes in flow have positive consequences for the user, such as drag reduction, increased lift, noise reduction, or improved boundary layer mixing.
  • the main problem at present is the congestion of the flow control devices.
  • the two most interesting control solutions namely the boundary layer control and the detachment control, act on scales where the orders of magnitude of the structures on which we want to produce an effect are of the order of a millimeter. see submillimetric. This means that the means of action used must be of the same order of magnitude.
  • Microsystems called MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • These systems are of small size which allows a very localized operation but also information taking using microsensors with improved spatial resolution compared to conventional sensor elements.
  • their collective machining techniques and low consumption help improve their performance in flow control applications. This benefit is indicated at the end of the description on page 8.
  • none of the current devices has performance satisfying the specifications of flow control applications for air vehicles (aircraft, missiles, rockets, ...) or terrestrial (cars, trains, ). Moreover, the existing devices are not integrable on realistic macroscopic configurations of vehicle elements.
  • none of the MEMS type devices includes integrated microsensors for real-time measurement of the speed of the synthetic jet at the orifice outlet.
  • the speed of the jet is typically between zero and a few tens of m / s (for example 100 m / s).
  • These sensors also make it possible to envisage a closed-loop control by using the measurement of a local speed to trigger the control of the actuation in order to optimize an overall quantity, for example the lift.
  • the object of the invention is to solve these problems.
  • the subject of the invention is a microsystem of the aforementioned type, characterized in that the actuating means comprise electromagnetic means.
  • the microsystem comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible characteristics:
  • the electromagnetic means comprise a coil connected to a source of electric current and a permanent magnet;
  • the magnet is fixed on the membrane by means of a rigid pad fixed thereto opposite the orifice and the coil is placed above the magnet;
  • the outlet orifice and / or the rigid pad have a circular shape
  • the coil is a solenoid of inner radius greater than the radius of the rigid pad
  • the cavity and the orifice are machined from two silicon substrates
  • the membrane is made of elastomeric material
  • the elastomeric material is polydimethylsiloxane (PDMS);
  • the magnet is made of NdFeB
  • the magnet is made of SmCo
  • the rigid pad is made of silicon
  • thermosensor disposed inside the cavity, on an outer wall of the microsystem or at the outlet of the orifice; -
  • the ratio of surfaces between the rigid pad and the membrane is substantially equal to three quarters;
  • the material forming the membrane has a Young's modulus substantially less than 2 MPa.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing a synthetic jet generation microsystem as defined above, characterized in that it comprises:
  • thermocompression bonding step of a first and a second silicon substrate a thermocompression bonding step of a first and a second silicon substrate
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the manufacturing method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible characteristics:
  • the step of deep reactive ion etching uses the Bosch method
  • the process comprises:
  • DRIE deep reactive ion etching
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the process comprises:
  • the invention further relates to an aerodynamic flow control device, characterized in that it comprises a synthetic jet generation microsystem as defined above.
  • the invention makes it possible to overcome the disadvantages of existing synthetic jet generation microsystems by providing an operational integrated actuation device meeting the needs, in terms of flow control, of aeronautical or automobile manufacturers.
  • the device for generating synthetic jets proposed by the invention provides an effective means for inducing, in a flow, an amount of movement greater than that obtained by the devices of the state of the art.
  • This device having a small footprint and ease of integration is very useful in cooling applications of electronic power components.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the structure of a synthetic jet generator of the state of the art
  • FIGS. 2a and 2b are diagrams illustrating the operation of the synthetic jet generator of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the structure of a synthetic jet generator according to the invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the steps of the manufacturing method of the synthetic jet generator of FIG. 3,
  • FIG. 5 is a diagram of another embodiment of a synthetic jet generation microsystem according to the invention.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams illustrating a microsystem for generating synthetic jets comprising a hot-wire micro-sensor respectively in section and seen from above.
  • FIG. 1 illustrates the structure of a generator 2 of synthetic jets of the state of the art. This structure comprises three basic elements, namely a cavity 4, an outlet orifice 6 of the synthetic jet and a wall or membrane 8 mobile. The movable membrane 8 is associated with actuating means (not shown) to cause this membrane 8 to vibrate.
  • the outlet orifice 6 of the synthetic jet also serves as a fluid inlet for generating the synthetic jet.
  • the reception of the fluid and the ejection of the synthetic jet are thus performed by the same orifice 6.
  • FIGS 2a and 2b illustrate the operation of the generator 2 of synthetic jets.
  • the moving of the movable membrane 8 by the actuating means causes a variation of volume in the cavity 4.
  • the progression can be divided into two half-periods.
  • the change in volume is positive, the fluid is sucked into the cavity 4 and when it is negative, the fluid is expelled from the cavity 4 by creating a swirling structure.
  • the jet is thus "synthesized” from the succession of vortex structures emitted, so that it constitutes an unsteady fluidic actuator, that is to say non-stationary over time, certainly but generating a persistent fluidic structure in the flow well beyond the simple alternation of aspirations and blows.
  • K is substantially equal to 2 for the present invention described later.
  • FIG. 3 illustrates the structure of a generator 10 of synthetic jets according to the invention.
  • the generator 10 of synthetic jets comprises an enclosure defining a cavity 12 for receiving a fluid, generally a gas, in particular air in the targeted applications.
  • the chamber is also provided with an outlet orifice 14 and a deformable membrane 16.
  • the membrane 16 is associated with electromagnetic actuation means comprising a coil 18 connected to a source of electrical current, not shown, and a permanent magnet 20.
  • the actuation of the membrane 16 thus rests on the interaction of the magnetic field created by the coil 18 on the magnet 20.
  • the magnet 20 is fixed on the membrane 16 by means of a rigid pad 22 fixed thereto opposite the orifice 14, the coil 18 being placed above the magnet 20.
  • Such a microsystem thus generates synthetic jets at a frequency in the range of a few tens of Hz to more than 1 kHz.
  • the speed of ejection jets is a few tens of m / s to more than 50 m / s, unlike the devices of the state of the art where the speed is less than 10 m / s.
  • the membrane is ultra-thin, that is to say having a Young's modulus of less than 2 MPa, unlike conventional membranes, generally made of silicon, having a Young's modulus of the order of 500 GPa.
  • the surface of the rigid pad is at least substantially equal to three quarters of the surface of the membrane 16.
  • the membrane can thus move several hundred microns, for example 300 microns, homogeneously and thus generate twice the volume displacements that those conventional cavities to exceed the criterion of synthetic jet formation.
  • the actuating forces can thus exceed 0.2 N.
  • the total size of the microsystem including in particular the coil and the actuating magnet is less than 1 cm 3 .
  • the cavity 12, the orifice 14 and the rigid pad 22 have a circular shape.
  • the coil 18 is a finned solenoid of inner radius greater than the radius of the rigid pad 22, so as not to hinder the displacement of the membrane 16.
  • the magnet 20 is a cylindrical permanent magnet with high coercivity and substantial remanent magnetization.
  • the material chosen for this magnet 20 is, for example, NdFeB or SmCo.
  • the method of manufacturing micro-system 10 for generating an axisymmetric synthetic jet uses micro-machining techniques derived from microelectronics which make it possible to obtain a high definition and precision of the machined patterns and a collective machining capability of several structures on the same substrate, which allows a reduction in the unit manufacturing cost during production.
  • the first step 30 of the manufacturing method according to the invention consists in bonding a first 32 and a second 34 silicon substrates.
  • the first substrate 32 is intended to contain the cavity 12 and the second substrate 34 is intended to contain the orifice 14.
  • thermo-compression bonding The preferred method of bonding is thermo-compression bonding.
  • the use of this method of assembly allows precise control of the thickness of the cavity 12 and the orifice 14 and a very regular surface state in the etching background, since the metal bonding layer, designated 36 in FIG. 4, acts as a barrier layer.
  • two double-sided metal layers 38, 40 are deposited by sputtering respectively on the first substrate 32 and the second substrate 34, to form a physical mask for the subsequent etching of the silicon.
  • the physical mask formed by the metal layers is open.
  • the first 32 and the second 34 substrates are etched by Bosch's deep reactive ion etching (DRIE) method to respectively form the cavity 12 and the orifice 14.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the Bosch process DRIE is a physicochemical etching of the family of plasma etchings also called dry etchings. This etching is carried out in a chamber impregnated with a molecular gas in low pressure flow (approximately 1 and 1000 mTorr). Plasma is created from an inert gas (usually argon) that is ionized by electromagnetic excitation. The plasma electrons decompose the molecular gas into several chemically active species that will render the medium corrosive.
  • inert gas usually argon
  • This combines a neutral ion beam (physical etching) and a reactive species flow (chemical etching).
  • the particularity of the DRIE is the alternation of very short steps (a few seconds) of anisotropic etchings and wall passivations.
  • the gases used are SF 6 and I 1 O 2 and for wall passivations, C 4 F 8 is used .
  • the intermediate metal bonding layer 36 is opened and then at 48, a deposit of a layer 50 of SiO 2 oxide PECVD is produced on the first substrate 32 containing the cavity 12.
  • steps 30 to 48 allowed the formation of the cavity 12 and the outlet orifice 14.
  • the material chosen to form the membrane 16 is a silicone-type two-component flexible elastomer, for example polymethilsiloxane (PDMS).
  • PDMS polymethilsiloxane
  • two double-sided SI x Ny rupture layers 54, 56 are deposited on both sides of a third silicon substrate 58 to form a physical mask for subsequent silicon etching.
  • the physical mask formed by the Sl ⁇ N ⁇ 54 layer is open.
  • the third substrate 58 is etched by an etching method
  • a PDMS deposit is made on the third substrate 58 to form the membrane 16.
  • an entirely DRIE etching is used for this step if the temperature of the sample holder in the etching unit is well chosen, for example a temperature substantially between -10 ° C. and 0 ° C.
  • the third substrate 58 provided with the membrane 16 is bonded to the first substrate 32 containing the cavity 12.
  • the bonding method used at 68 is a so-called PDMS bonding, since it brings into contact a PDMS surface (the membrane 16) and an SiO 2 surface (layer 50). This method makes it possible to obtain hydrogen bonds or covalent Si-O bonds by bringing the two surfaces 16 and 32 into contact, the surface 32 being activated beforehand by a surface oxidation (layer 50).
  • the electromagnetic actuation means of the membrane 16 are then placed by fixing the magnet 20 above the rigid pad 22 and then positioning the coil 18 above the magnet 20.
  • FIG. 1 Another method of manufacturing a microsystem for generating synthetic jets is shown in FIG. 1
  • Steps 30 to 48 described above for the formation of the cavity 12 and the outlet 14 are identical in this method of manufacture.
  • This method comprises a single-stage molding step of a fourth elastomer substrate forming the membrane 16, a support 80 of the membrane and the stiffening pad 22.
  • the molding step also makes it possible to define two housings 84, 86 .
  • the magnets 20, 82 are located on either side of the membrane 16.
  • the two magnets are located in the housings 84, 86 molded for this purpose allowing precise lateral positioning of the magnets.
  • the magnets then simultaneously serve as a stiffening pad for the flexible membrane 16, thus making it possible to form the rigid part of the membrane by the magnet-magnet interaction.
  • the fourth substrate provided with the membrane 16 is bonded to the first substrate 32 containing the cavity 12.
  • This method has the advantage of simplifying the manufacturing process allowing reproducible production of a large number of elements. It also allows an original fixation without bonding of the movable actuator magnet on the membrane.
  • the synthetic jet generation microsystem thus obtained can in particular be integrated into an aerodynamic flow control device for overhead or ground vehicles.
  • the electromagnetic actuation means Thanks to the electromagnetic actuation means, the forces obtained, proportional to the gradient of the magnetic field, are important.
  • microgenerative micro-generation system of the invention thus provides an effective means enabling it to induce in the flows a greater amount of movement than any other known micro-mechanical device.
  • the combination of magnetic actuation, geometrical options and materials as well as the development of microfabrication processes allow the device according to the invention to be the only one today. to be directly integrable into realistic macroscopic configurations of aircraft or automobile components.
  • the rigid pad 22 combines the flexibility of the membrane 16, essential for a large displacement, and its rigidity, essential for obtaining high frequencies.
  • the invention is distinctly different from any pinching system of a channel used, for example, for peristaltic pumps or any microfluidic device which operate with a low Reynolds number in a quasi-static mode for which mechanical or pneumatic actuations can be used. considered.
  • the microsystem according to the invention requires a large optimization work of the geometry of the coil / magnet system for it to work in the maximum intensity zone of the magnetic field gradient.
  • the piezoelectric actuation by the small displacements that it induces would require at equal frequency to increase the size of the membrane to produce the same variation of volume.
  • the microsystem according to the invention allows the individualization of a MEMS type device, other than piezoelectric and fulfilling such specifications and thus allows the manufacture of synthetic jet matrix, or each jet is individually adjustable.
  • a microsystem for generating a synthetic fluid jet shown in FIGS. 6 and 7, it comprises a hot-wire micro-sensor 100, also called a hot-wire anemometric microprobe, for measuring the speed of the synthetic jet generated.
  • the hot-wire micro-sensor 100 is disposed at the outlet of the orifice.
  • the hot wire micro-sensor 100 comprises two gold metal tracks
  • the hot wire or active portion 101 having a diamond layer 106 and at least one metal layer 108.
  • the two gold metal tracks 102, 104 are connected to the active part for making electrical contacts.
  • the thickness e f , ⁇ of the active part 101 is for example between
  • the micro-sensor 100 further comprises a support in contact with the second silicon substrate 34 of the microsystem located between the two gold metal tracks and the second silicon substrate 34.
  • the support is preferably at least one thermally insulating layer, preferably S102 located between the diamond layer and the second silicon substrate 34 at the contact.
  • the choice of the elements that constitute the micro-sensor 100 strongly depends on the quality of the measurement to be made and the mechanical strength of the structure to the conditions of measurement.
  • the second substrate 34 is made of silicon.
  • the metal layer or layers can be used to define the sensitivity of the micro-sensor. Knowing the evolution of the ohmic resistance R (T) of the wire with the temperature makes it possible to make the optimal choice among the metals to be used.
  • the metal layer of the part active sensor 101 of the micro-sensor consists of at least one of the following metallic materials: Ag, Ti, Cr, Al, Cu, Au, Ni, W or Pt.
  • the wire 101 is formed of a combination of two metal layers 108 having residual stresses of opposite signs providing stress self-compensation in a known manner, for example a nickel-tungsten bilayer structure.
  • the wire 101 is a multilayer structure composed of four bilayers Ni (250nm) -W (65nm) having a total residual stress of 170 MPa and a temperature resistance coefficient of 2000ppm / ° C.
  • the support layer has the lowest thermal mass possible, ie the highest possible thermal conductivity, for example greater than about 10 W / K.m (for example 100 W / K.m).
  • nanochstallin diamond is nanochstallin diamond and its thickness is less than 5 microns to limit the intrusive effect of the beam on the measurement (for example between 100 nm and 3 microns).
  • the diamond support layer 106 provides mechanical support, electrical insulation, and thermal mass reduction.
  • the nanochtalline diamond has excellent mechanical and thermal properties namely a Young's modulus of about 1000 GPa and a thermal conductivity of 500W / K.m.
  • Optimization of the thermal mass can also be obtained by introducing a thermal insulator (for example 100 nm to 1 ⁇ m SIO2) between the nano-diamond layer and the silicon at the embedding of the part. active.
  • a local implantation of boron B atoms in the nano-diamond thus makes it possible to reduce its thermal conductivity at the level of the embedding.
  • the micro-sensor is located elsewhere in the microsystem, for example inside the cavity, or on the outer wall of the microsystem.
  • this micron sized hot wire micro-sensor makes it possible to ensure a real-time characterization of the flows, and a control of the proper functioning of the actuating means 18, 20. This also allows a closed-loop control by measuring the characteristics of the external flow.
  • This hot-wire micro-sensor can also be used individually or in a network independently of the means for actuating the synthetic jet generation micro-system for the multi-component speed measurement and the speed gradient component.
  • the hot wire micro-sensor is compatible with commercial hot wire measurement electronics, to have a sensitivity of the same order of magnitude as that of conventional hot wires, and to withstand the same mechanical stresses as the latter.
  • This hot wire micro-sensor over conventional hot wires is its small size which allows for both better spatial resolution, minimal disturbance of the characteristic flow and micro-channel insertion for micro metrology. -aerulic or flow control.
  • This device also has the advantage of being able to be used for other applications, for example for gaseous micro-discharges, or even liquid or the small-scale cooling of electronic components.
  • Other applications of this device are also possible in microturbines, micromotors as well as in the micromanipulation of small amounts of materials.

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Abstract

Microsystème de génération d'un jet synthétique, procédé de fabrication et dispositif de contrôle d'écoulement correspondants Ce microsystème (10) de génération d'un jet synthétique de fluide comprenant une enceinte définissant une cavité (12) 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) à travers l'orifice pour générer le jet synthétique est caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comprennent des moyens électromagnétiques (18, 20).

Description

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 à travers l'orifice 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 les domaines du contrôle d'écoulement, dans la vectorisation des jets, dans l'amélioration du mélange de fluide aux petites échelles de turbulence (typiquement < 1 mm), par exemple mélange air-carburant dans les systèmes de combustion et dans le refroidissement des composants électroniques.
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 d e g é n é ra t i o n d e j e t s 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.
De plus, aucun des dispositifs de type MEMS ne comprend de microcapteurs intégrés permettant une mesure en temps réel de la vitesse du jet synthétique en sortie d'orifice. La vitesse du jet est comprise typiquement entre zéro et quelques dizaines de m/s (par exemple 100 m/s). Ces capteurs permettent aussi d'envisager un contrôle en boucle fermée en utilisant la mesure d'une vitesse locale pour déclencher la commande de l'actionnement en vue d'optimiser une grandeur globale, par exemple la portance.
Le but de l'invention est de résoudre ces 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 ;
- il comprend un capteur à fil chaud disposé à l'intérieur de la cavité, sur une paroi extérieure du microsystème ou en sortie de l'orifice ; - le rapport de surfaces entre le plot rigide et la membrane est sensiblement égal à trois-quarts ;
- le matériau formant la membrane a un module d'Young sensiblement inférieur à 2 MPa.
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 ; et
g) une étape de fixation des moyens d'actionnement électromagnétiques de la membrane.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les caractéristiques techniquement possibles :
- l'étape de gravure ionique réactive profonde utilise le procédé Bosch ;
- le procédé comprend :
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 ; et
f) une étape de collage du troisième substrat muni de la membrane sur le premier substrat contenant la cavité ;
- le procédé comprend :
k) une étape de collage du troisième substrat muni de la membrane sur le premier substrat contenant la cavité.
I) une étape de moulage en une seule fois d'un quatrième substrat formant la mem brane, u n su pport de la membrane et le plot de rigidification ; m) une étape d'insertion de l'aimant dans le plot de rigidification ; et n) une étape de collage du quatrième substrat muni de la membrane sur le premier substrat contenant la cavité.
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.
En outre, 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.
Ce dispositif ayant un encombrement réduit et une facilité d'intégration est très utile dans les applications de refroidissement des composants électroniques de puissance.
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,
- la figure 4 est un schéma illustrant les étapes du procédé de fabrication du générateur de jets synthétiques de la figure 3,
- la figure 5 est un schéma d'un autre mode de réalisation d'un microsystème de génération de jets synthétiques selon l'invention, et
- les figures 6 et 7 sont des schémas illustrant un microsystème de génération de jets synthétiques comportant un micro-capteur à fil chaud respectivement en section et vue de dessus. 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.
L'orifice 6 de sortie du jet synthétique sert également d'orifice d'entrée du fluide pour générer le jet synthétique. La réception du fluide et l'éjection du jet synthétique sont ainsi réalisées par le même orifice 6.
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.
Le jet est donc « synthétisé » à partir de la succession des structures tourbillonnaires émises, de sorte qu'il constitue un actionneur fluidique instationnaire, c'est-à-dire non stationnaire au cours du temps, certes mais générant une structure fluidique persistant dans l'écoulement bien au delà de la simple alternance des aspirations et soufflages.
Evidemment cette synthèse des structures tourbillonnaires n'est pas indépendante des caractéristiques des écoulements intérieur et extérieur au dispositif, l'écoulement intérieure étant l'écoulement généré suite à une phase d'aspiration du fluide. Par exemple, il est connu qu'une vitesse d'éjection trop faible ne permet pas la coalescence des structures tourbillonnaires. La réalisation d'un dispositif à jet synthétique opérationnel impose donc des contraintes particulières en termes de fréquence et de variation de volume de cavité.
En particulier, il est connu que pour que le jet synthétique se forme, le jet expulsé par la vidange de la cavité ne doit pas être réabsorbé lors de la phase d'aspiration. Il faut donc que sa distance de pénétration L dans l'écoulement soit suffisante pour sortir du voisinage immédiat de l'orifice. Cette distance de pénétration L est estimée comme le produit de la vitesse débitante d'expulsion U par la durée de cette phase d'expulsion T : L = U x T . La vitesse débitante d'expulsion U est le rapport du débit moyen expulsé par la section de l'orifice et la durée de cette phase d'expulsion T est la demi-période pour un cycle sinusoïdal.
En comparant cette longueur L avec le diamètre d de l'orifice on obtient un
U x T
critère topologique d'allongement de la structure : .
d
Si cet allongement est suffisant, les structures tourbillonnaires les plus éloignées du trou ne sont plus aspirées par le dispositif. Dans la littérature, on exprime souvent ce critère avec la fréquence ou la pulsation Ω du jet synthétique : > K où K est un nombre déterminé par l'expérience qui
Ω x d
dépend de la géométrie de l'orifice (trou cylindrique ou fente par exemple). Par exemple, K est sensiblement égal à 2 pour la présente invention décrite par la suite.
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.
Un tel microsystème génère ainsi des jets synthétiques à une fréquence située dans la gamme de quelques dizaines de Hz à plus de 1 kHz. La vitesse d'éjection les jets est de quelques dizaines de m/s jusqu'à plus de 50 m/s, contrairement aux dispositifs de l'état de l'art où la vitesse est inférieure à 10 m/s.
La membrane est ultrasouple, c'est-à-dire ayant un module d'Young inférieur à 2 MPa, contrairement aux membranes conventionnelles, généralement en silicium, ayant un module d'Young de l'ordre de 500 GPa.
En outre, la surface du plot rigide est au moins sensiblement égal au trois- quarts de la surface de la membrane 16.
La membrane peut ainsi se déplacer de plusieurs centaines de microns, par exemple de 300 microns, de façon homogène et générer ainsi des déplacements de volumes deux fois plus importants que ceux des cavités conventionnelles permettant de dépasser le critère de formation de jet synthétique.
Les forces d'actionnement peuvent ainsi dépasser 0,2 N.
En outre, l'encombrement total du microsystème comportant en particulier la bobine et l'aimant d'actionnement est inférieur à 1 cm3.
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 œuvre dans une enceinte al imentée 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 I1O2 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 μm/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 SlχNγ 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.
Selon une variante, une gravure entièrement DRIE est utilisée pour cette étape si la température du porte échantillon dans le bâti de gravure est bien choisie, par exemple une température sensiblement comprise entre -100C et 00C.
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 SiÛ2 (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.
Un autre procédé de fabrication d'un microsystème de génération de jets synthétiques est représenté sur la figure 5.
Les étapes 30 à 48 décrites précédemment pour la formation de la cavité 12 et de l'orifice de sortie 14 sont identiques dans ce procédé de fabrication.
La suite de la description du procédé de fabrication concernant la formation de la membrane 16 va maintenant être détaillée.
Ce procédé comporte une étape de moulage en une seule fois d'un quatrième substrat en élastomère formant la membrane 16, un support 80 de la membrane et le plot de rigidification 22. L'étape de moulage permet également de définir deux logements 84, 86.
II comprend ensuite une étape d'insertion et de fixation de l'aimant mobile actionneur 20 dans un logement 84 du plot de rigidification moulé et sur la membrane 16. La fixation est réalisée par un second aimant 82 permanent, placé en regard de l'aimant mobile actionneur 20, sur la membrane dans le second logement 86. Les aimants 20, 82 sont situés de part et d'autre de la membrane 16.
Les deux aimants sont situés dans les logements 84, 86 moulé à cet effet permettant un positionnement latéral précis des aimants.
Les aimants servent alors simultanément de plot de rigidification de la membrane souple 16, permettant ainsi de former la partie rigide de la membrane par l'interaction aimant-aimant.
Ensuite le quatrième substrat muni de la membrane 16 est collé sur le premier substrat 32 contenant la cavité 12.
Enfin, la bobine 18 des moyens d'actionnement électromagnétique de la membrane 16 est placée au-dessus de l'aimant 20.
Ce procédé présente l'avantage de simplifier le processus de fabrication permettant une fabrication reproductible d'un grand nombre d'éléments. Il permet également une fixation originale sans collage de l'aimant mobile actionneur sur la membrane.
En outre, la robustesse du dispositif est améliorée au niveau de la jonction aimant-membrane et les risques de déchirements sont ainsi minimisés.
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.
En outre, le plot rigide 22 permet de combiner la souplesse de la membrane 16, indispensable à un grand déplacement, et sa rigidité, indispensable à l'obtention de hautes fréquences.
Ainsi, la combinaison des deux effets : grande variation du volume de la cavité et hautes fréquences permet un grand débit instantané, indispensable à la création du train de structures tourbillonnaires constitutives du jet synthétique.
En cela, l'invention se distingue nettement de tout système de pincement d'un canal utilisé par exemple pour des pompes péristaltiques ou tout dispositif microfluidique qui fonctionnent à bas nombre de Reynolds en régime quasi- statique pour lequel des actionnements mécaniques ou pneumatiques peuvent être envisagés.
En effet, la combinaison de l'actionnement magnétique et des interactions bobine fixe/aimant mobile du microsystème lui permet d'être le seul à permettre :
- les grands déplacements et d'exploiter ainsi la flexibilité de la membrane rigidifiée,
- les grandes forces afin d'injecter une grande quantité de mouvement, requise par le cahier des charges du contrôle des écoulements, et
- de fonctionner avec des connexions électriques fixes.
Le microsystème selon l'invention exige cependant un travail d'optimisation important de la géométrie du système bobine/aimant pour que celui-ci travaille dans la zone d'intensité maximale du gradient de champs magnétique.
En effet, l'actionnement piézo-électrique par les faibles déplacements qu'il induit exigerait à fréquence égale d'accroître la taille de la membrane pour produire la même variation de volume. Ce qui exclut les microsystèmes de type MEMS piézoélectriques ou aboutit à des performances incompatibles avec la génération de jet synthétiques exploitables. Certes il est possible de chercher à compenser le débit insuffisant obtenu par la multiplication des jets sur une matrice, mais cela ne suffit pas à remplir la condition d'éjection de la structure tourbillonnaire. De telles approches ne remplissent pas le cahier des charges du contrôle des écoulements. Le microsystème selon l'invention permet l'individualisation d'un dispositif de type MEMS, autre que piézoélectrique et remplissant un tel cahier des charges et permet ainsi la fabrication de matrice de jets synthétiques, ou chaque jet est modulable individuellement.
Selon un autre mode de réalisation d'un microsystème de génération d'un jet synthétique de fluide représenté sur les figures 6 et 7, celui-ci comprend un micro-capteur à fil chaud 100, également appelé microsonde anémométrique à fil chaud, pour mesurer la vitesse du jet synthétique généré. Le micro-capteur à fil chaud 100 est disposé en sortie d'orifice.
Le micro-capteur à fil chaud 100 comprend deux pistes métalliques en or
102, 104 et un fil chaud ou partie active 101 comportant une couche en diamant 106 et au moins une couche métallique 108. Les deux pistes métalliques en or 102, 104 sont reliées à la partie active permettant de réaliser des contacts électriques.
L'épaisseur ef,ι de la partie active 101 est par exemple comprise entre
500 nm et 2,5 μm, sa longueur Lflι entre 200 μm et 1000 μm, et sa largeur lflι entre 1 μm et 5 μm. Néanmoins ces limites ne sont pas absolues.
Le micro-capteur 100 comprend en outre un support en contact avec le deuxième substrat en silicium 34 du microsystème situé entre les deux pistes métalliques en or et le deuxième substrat en silicium 34. Le support est de préférence au moins une couche isolante thermiquement, de préférence en SIO2 située entre la couche de diamant et le deuxième substrat de silicium 34 au niveau du contact.
Le choix des éléments qui constituent le micro-capteur 100 dépend fortement de la qualité de la mesure à effectuer et de la tenue mécanique de la structure aux conditions de la mesure.
Par exemple, pour assurer une compatibilité avec les procédés d'usinage collectif, le deuxième substrat 34 est en silicium.
Pour un micro-capteur à fil chaud, la ou les couches métalliques permettent de définir la sensibilité du micro-capteur. La connaissance de l'évolution de la résistance ohmique R(T) du fil avec la température permet d'effectuer le choix optimal parmi les métaux à utiliser. Par exemple, la couche métallique de la partie active 101 du micro-capteur est constituée d'au moins un matériau métallique parmi les suivants : Ag, Ti, Cr, Al, Cu, Au, Ni, W ou Pt.
Le fil métallique 101 est formé d'une combinaison de deux couches métalliques 108 présentant des contraintes résiduelles de signes opposés assurant l'auto-compensation en contrainte de façon connue, par exemple une structure bicouche de Nickel-tungstène.
Selon une variante, le fil métallique 101 est une structure multicouches composée de 4 bicouches Ni(250nm)-W(65nm) ayant une contrainte résiduelle totale de 170 MPa et un coefficient de résistance en température de 2000ppm/°C.
La couche support a une masse thermique la plus faible possible, c'est à dire une conductivité thermique la plus grande possible, par exemple supérieure à une dizaine de W/K.m (par exemple 100 W/K.m).
Par exemple, elle est en diamant nanochstallin et son épaisseur est inférieure à 5 μm pour limiter l'effet intrusif de la poutre sur la mesure (par exemple comprise entre 100 nm et 3 μm).
La couche support en diamant 106 assure le maintien mécanique, une isolation électrique , ainsi que la réduction de la masse thermique. En effet, le diamant nanochstallin présente des propriétés mécaniques et thermiques excellentes à savoir un module de Young d'environ 1000 GPa et une conductivité thermique de 500W/K.m. L'optimisation de la masse thermique peut aussi être obtenue par l'introduction d'un isolant thermique (par exemple 100 nm à 1 μm de SIO2) entre la couche de nano-diamant et le silicium au niveau de l'encastrement de la partie active.
Selon une variante, une implantation locale d'atomes de bore B dans le nano-diamant permet ainsi la réduction de sa conductivité thermique au niveau de l'encastrement.
Selon d'autres variantes, le micro-capteur est situé ailleurs dans le microsystème, par exemple à l'intérieur de la cavité, ou sur la paroi extérieure du microsystème.
L'intégration de ce micro-capteur à fil chaud de taille micrométrique permet d'assurer une caractérisation en temps réel des écoulements, et un contrôle du bon fonctionnement des moyens d'actionnement 18, 20. Cela permet aussi un asservissement en boucle fermée par mesure des caractéristiques de l'écoulement extérieur.
Ce micro-capteur fil chaud peut également être utilisé de manière individuelle ou en réseau indépendamment des moyens d'actionnement du microsystème de génération d'un jet synthétique pour la mesure de vitesse multi- composantes et de la composante de gradients de vitesse.
Le micro-capteur à fil chaud est compatible avec des électroniques de mesure à fils chauds commerciaux, pour avoir une sensibilité du même ordre de grandeur que celle des fils chauds conventionnels, et pour résister aux mêmes contraintes mécaniques que ces derniers.
Le principal avantage de ce micro-capteur à fil chaud par rapport aux fils chauds conventionnels est sa petite taille qui permet à la fois une meilleure résolution spatiale, une perturbation minimale de l'écoulement caractérisé etune insertion dans des micro-canaux pour la métrologie micro-aéraulique ou le contrôle d'écoulement.
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.

Claims

REVENDICATIONS
1.- 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) à travers l'orifice 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.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce qu'il comprend un capteur à fil chaud disposé à l'intérieur de la cavité (12), sur une paroi extérieure du microsystème ou en sortie de l'orifice (14).
13.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que le rapport de surfaces entre le plot rigide (22) et la membrane (16) est sensiblement égal à trois-quarts.
14.- Microsystème (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que le matériau formant la membrane (16) a un module d'Young sensiblement inférieur à 2 MPa.
15.- Procédé de fabrication d'un microsystème (10) de génération de jets synthétiques selon l'une quelconque des revendications 3 à 14, 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 ; et
g) une étape de fixation des moyens d'actionnement électromagnétiques de la membrane (16).
16.- Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'étape (44, 62) de gravure ionique réactive profonde (DRIE) utilise le procédé
Bosch.
17.- Procédé de fabrication selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comprend :
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).
18.- Procédé de fabrication selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comprend :
h) une étape de moulage en une seule fois d'un quatrième substrat formant la membrane, un support de la membrane et le plot de rigidification ;
i) une étape d'insertion de l'aimant dans le plot de rigidification ; et j) une étape de collage du quatrième substrat muni de la membrane (16) sur le premier substrat (32) contenant la cavité (12).
19.- 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 14.
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