Microsystèmes Acoustiques

Présentation générale

Objectifs : Les travaux de l’OR Microsystèmes acoustiques s’articulent autour de quatre axes :

  • les microsystèmes acoustiques ou thermoacoustiques (en relation avec l’OR thermoacoustique),
  • les micro-capteurs,
  • les micro sources acoustiques et iv) la métrologie des systèmes miniatures.

Compétences

  • Aspects fondamentaux
    • Modélisation analytique fine du comportement des microsystèmes acoustiques (microphones) prenant en compte les effets thermiques et visqueux dans les couches limites. Modélisation par éléments finis.
  • Aspects expérimentaux et technologiques
    • Conception et développement de prototypes MEMs (microphones capacitifs, micro_capteurs thermiques, ...)

Thématiques

Microsystèmes acoustiques ou thermoacoustiques

  • Stacks miniatures instrumentés
  • Échangeurs de chaleur
  • Machines thermoacoustiques miniatures
  • Micro-moteur acoustique

Micro-capteurs

  • Micro-capteurs thermiques
  • Mesures hygrométriques
  • Microphones miniatures

Micro sources acoustiques (en projet)

  • Sources piézoélectriques
  • Sources ioniques
  • Sources électromagnétiques

Mesures

  • Étalonnage de microphones MEMs
  • Transducteurs thermodynamiques

Membres du LAUM impliqués dans l’OR

Chercheurs / Enseignants-Chercheurs

E. Gaviot (PR), V. Gusev (PR), S. Durand (MCF HDR), N. Joly (MCF HDR), N.Yaakoubi (MCF), F.Polet (MCF), Ph. Béquin (MCF), G. Pennelet (MCF), P. Lotton (DR CNRS)

Équipe Technique

L. Camberlein (IGR), James Blondeau(ITA CNRS), Philippe Rouquier (ASI Salle blanche)

Doctorants

Alexandre Houdouin (Financement région Pays de la Loire MEMSPA - co-encadrement LAUM / IEF Orsay) (14/11/2011 - 14/11/2014)
Alexey Podkovskiy (CIFRE contrat TAGSYS RFID) (22/03/2012 - 21/03/2015)
Adalbert Nanda-Tonlio (Financement région Pays de la Loire MEMSPA) (12/10/2012 - 11/10/2015)

Post-Doctorant

Petr Honzik (contrat SPINNAKER) (01/12/2011 - 31/11/2013)

Thématique : Microsystèmes acoustiques ou thermoacoustiques

Machines thermoacoustiques miniatures

Chercheurs impliqués : M. Bruneau, L. Camberlein, S. Durand, E. Gaviot, V. Gusev, P. Lotton, F. Polet

  • Stacks miniatures instrumentés

Les travaux sur la réfrigération thermoacoustique ont abouti à la réalisation d’une première maquette de réfrigérateur miniature. Le coeur, réalisé en silicium micro-usiné, a été fabriqué dans la salle blanche de l’ENSIM. Les moyens mis en place dans le cadre du Contrat Etat-Région "Micro_Cap_Ouest" ont été mis à profit pour améliorer la réalisation de maquettes (les machines thermoacoustiques constituent le premier axe de recherche de ce CER). L’intégration de microcapteurs thermiques et de microphones miniatures au sein même du coeur thermoacoustique a permis de valider les modèles développés au laboratoire. La miniaturisation des systèmes thermo-acoustiques devrait déboucher sur des moteurs et réfrigérateurs miniatures pouvant servir au marché du semiconducteur (refroidissement des composants).


Illustration 1 : Demi-stack miniature

Illustration 2 : éléments de stack silicium réalisés par DRIE (collab. FEMTO-ST / MIMENTO).

  • Machines thermoacoustiques miniatures

Parmi les activités ayant nécessité une collaboration forte de l’OR Microsystèmes (ainsi que l’équipe de thermoacoustique du LMFA) avec l’OR Thermoacoustique, la réalisation d’un démonstrateur à l’échelle centimétrique est particulièrement illustrative. L’illustration 3 présente une photographie du démonstrateur réalisé : la longueur du guide d’onde est de 10 cm pour une section de 1×3 cm2. Le noyau thermoacoustique, d’une longueur de 1 cm, est constitué d’un empilement de plaques en Kapton® (stack) solidaire de deux empilements de plaques de cuivre (échangeurs) réalisés au LAUM. La machine est munie d’un fluxmètre thermique et de plusieurs thermocouples. Dans ce dispositif de démonstration utilisant comme fluide de travail de l’air sous pression atmosphérique, la puissance calorifique évacuée depuis la source froide (cuve en cuivre instrumentée par un capteur de flux de chaleur) vers la source chaude est de 60mW pour un drive ratio de 5% (illustration 3).

Illustration 3 : Photographie du prototype de mini-réfrigérateur thermoacoustique.

  • Micro-moteur acoustique

Dans le cadre du CER Micro_Cap_Ouest, un démonstrateur de moteur thermoacoustique de 6 mm de diamètre extérieur a été fabriqué. Le coeur de 4 mm de diamètre sur 1 cm de long est constitué de 9 cellules céramiques.

Thématique : Micro-capteurs

Micro-capteurs thermiques

Chercheurs impliqués : L.Camberlein, E.Gaviot, F.Polet

  • Micro thermocouples
  • Micro fluxmètres thermiques

Illustration 4 : Micro-fluxmètre thermique

Mesures hygrométriques

Chercheurs impliqués : L.Camberlein, E.Gaviot, F.Polet

  • Micro psychromètre (Doctorant : N. Giordani)

llustration 5 : Micro-psychromètre

  • Détection de point de rosée

Microphones miniatures :

Chercheurs impliqués : Ph.Béquin, M.Bruneau, P.Lotton, S.Durant, Th.Lavergne, P.Honzik, Z. Skvor

  • Microphones piézo-résistifs

L’intégration de transducteurs quadripolaires piézorésistifs a permis d’augmenter de 30% la sensibilité des microphones miniatures (par rapport à un microphone de structure identique équipé de jauges dipolaires classiques.

Illustration 6 : Champ de contraine s11 (Pa) - membrane silicium de 1,2 µm d’épaisseur et de 1x1 mm² - pression acoustique d’incidence normale : 1 Pa à 8 kHz

  • Microphones capacitifs (Doctorant : P.Honzik)

Les travaux menés historiquement au laboratoire sur la gyrométrie acoustique ont nécessité l’étude de hauts-parleurs et de microphones miniatures sur puce silicium. Ces microphones, conçus au LAUM, ont été réalisés à l’ESIEE. L’étude et la conception de systèmes miniatures (en particulier en thermoacoustique) reposent aujourd’hui le problème de l’intégration de microphones spécifiques dédiés à la métrologie dans ces systèmes. La réalisation de microphones miniatures sur le site du Mans, amorcée lors de la mise en place de la salle blanche de l’ENSIM (1998) concerne l’étude et la conception des microphones à détection capacitive. Ce travail a d’abord été mené en collaboration avec le Pr. Doct. Ing. Zdenek Škvor (ČVUT Prague) et Petr Honzik (doctorant tchèque).

Illustration 7 : Quatre membranes de microphone de 3x3 mm² chacune

Il a abouti à la réalisation de transducteurs à électrode arrière plane et de transducteurs à électrode arrière parabolique (ce qui offre la possibilité de gérer séparément la sensibilité basse fréquences du microphone et sa bande passante.

  • Microphones ioniques miniatures


Réalisation de capteurs acoustiques miniatures à plasma (thèse Adalbert Nanda-Tonlio / projet MEMSPA)