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Microsystèmes Acoustiques

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Partenaires

Contrats

Moyens spécifiques



Présentation générale

Objectifs : Les travaux de l’OR Microsystèmes acoustiques s’articulent autour de quatre axes : i) les microsystèmes acoustiques ou thermoacoustiques (en relation avec l’OR thermoacoustique), ii) les micro-capteurs, iii) 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)

Equipe 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).

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    Illustration 1 : Demi-stack miniature
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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).

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    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

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    Illustration 4 : Micro-fluxmètre thermique

- Mesures hygrométriques
Chercheurs impliqués : L. Camberlein, E. Gaviot, F. Polet

  • Micro psychromètre (Doctorant : N. Giordani)
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llustration 5 : Micro-psychromètre
  • Détection de point de rosée

- Microphones miniatures :
Chercheurs impliqués : Ph. Béquin, M. Bruneau, P. Lotton, S. Durand, Th. Lavergne, P. Honzik, Z. Škvor

  • 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.

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    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).

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    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)

Thématique : Micro sources acoustiques

Chercheurs impliqués : Ph. Béquin, M. Bruneau, P. Lotton, S. Durand, N. Yaakoubi

  • Sources piézoélectriques


  • Absorbeurs électrodynamiques

    Suite aux résultats obtenus par Iman Shahosseini (co-encadrement LAUM - IEF) dans le cadre du projet ANR SAIPON, concernant la réalisation de source électrodynamiques MEMS pour des applications de téléphonie mobile, Alexandre Houdouin développe sur cette base et sur celle des travaux d’Hervé Lissek et col. (EPFL LAUSANNE) des absorbeurs électrodynamiques destinés à l’anti-bruit dans le domaine aéronautique.

Thématique : Mesures

Chercheurs impliqués : A.M Bruneau, M. Bruneau, P. Lotton, S. Durand, N. Joly, Th. Lavergne

- Métrologie acoustique, caractérisation des microphones MEMS

La nécessité de caractériser les microphones miniatures réalisés nous a amenés à développer des techniques de mesures spécifiques aux microphones MEMS, pour la mesure précise des tensions et des champs de déformation des diaphragmes, compte tenu des divers usages qui pourront en être fait.

  • Mesure de la tension du diaphragme

    La tension du diaphragme du microphone influe simultanément sur la fréquence de résonance de ce dernier (et donc sur la limite supérieure de la bande passante du microphone) et sur la sensibilité du microphone. Nous avons développé une technique de mesure adaptée aux situations envisagées, qui soit suffisamment simple pour permettre cette caractérisation tout au long du procédé de fabrication (certaines étapes comme par exemple le scellement de tranches peuvent en effet influer fortement sur la tension du diaphragme), mais également suffisamment fine pour étudier les effets du vieillissement sur la sensibilité (phénomènes de relaxation de contraintes, fluage). La technique mise en œuvre permet de déterminer le module d’élasticité et la précontrainte par indentification de la déformée sous charge transverse (illustration 8) d’une poutre encastrée - encastrée. Elle est basée sur la résolution d’un problème inverse non-linéaire : l’identification simultanée des paramètres recherchés à partir de la mesure de la déformée sous charge transverse d’une structure test de ce type.

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    Illustration 8 : Modèle de poutre encastrée-encastrée précontrainte.
  • Caractérisation de sources pour l’étalonnage de microphones MEMS (thèse de Thomas Lavergne )

    La caractérisation des microphones MEMS doit être prévue sur un large domaine de fréquences (20Hz – 100 kHz) du fait de l’usage qui en est fait de nos jours (mesures sur maquettes dans le proche ultrasonore, études d’ondes à profil accidenté – ondes de choc, métrologie fine, …). Cette caractérisation nécessite l’usage de sources adaptées au propos, dans ce domaine de fréquences, qui soient caractérisées de façon à maîtriser le champ acoustique émis. Le microphone capacitif réciproque a été retenu. La mesure du champ de déplacement du diaphragme, par vibrométrie laser à balayage (illustration 9), permet de connaître le camp acoustique émis. Un modèle analytique nouveau a été mis en œuvre pour décrire le comportement du microphone (déformée complexe), qui permet, compte-tenu des conditions aux limites thermo-visqueuses, de traduire finement les couplages modaux entre le diaphragme, la couche d’air située à l’arrière de ce dernier, les orifices dans et autour de l’électrode arrière et la cavité à l’arrière de cette dernière. Ce modèle prend en compte individuellement les effets de la position des orifices de l’électrode arrière (coll. LNE Trappes).

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    Illustration 9 : Mode couplé diaphragme – trous sur microphone B&K 4134 (1/2 ")

- Métrologie des microbaromètres pour la mesure des infrasons

Sujetd e thèse proposé par le CEA en collaboration avec le LNE et le LAUM :
Développement d’un étalon de pression acoustique et d’une méthode d’étalonnage de référence associée pour l’étalonnage à 1 Hz des capteurs infrasonores de type microbaromètre
voir le lien internet p44


- Transducteurs thermodynamiques

Les collaborations conduites avec l’Institut de Physique de Rennes (UMR CNRS 6251), le LMFA de Lyon (UMR CNRS 5509) et le LNE-Cnam, ont permis, au cours des trois dernières années, d’affiner diverses méthodes de mesure locales, notamment dans le domaine des hautes températures (Illustration 10 : éléments d’une thermopile planaire opérationnelle à 800°C). Au-delà des besoins ponctuels en instrumentation, les acteurs du projet développent des procédés de fabrication hybrides couplant les savoir faire classiques de la chimie, de la micromécanique et des microtechnologies. Cette approche pluri-technologique permet par exemple de contribuer au développement de nanosystèmes (collaboration portée par l’IPR de Rennes).

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Illustration 10 : Microsysteme de mesure sur substrat céramique.

Récemment, la mise en œuvre de dispositifs et de procédures de mesures simultanées de flux et de température développées au LAUM, au sein d’une cellule point fixe (indium, expériences conduites au centre LNE de Trappes), a permis le suivi de plateaux de transition de phase en termes énergétiques conduisant à éliminer la grandeur paramétrique "temps" pour la représentation des processus. Outre le développement d’une approche d’étalonnage fluxmétrique in situ, la connaissance des échanges de chaleur a conduit à la mise en évidence de deux phénomènes : en premier lieu, la définition d’une signature du plateau à travers l’identification des températures respectives d’entrée et de sortie de plateaux de fusion (points solidus et liquidus au sens des observations zero-crossing et melt-off de l’illustration 11).

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Illustration 11 : Exemple de suivi thermo-fluxmétrique d’un plateau de fusion (indium) ;

Nous avons d’autre part mis en évidence une relation de contrainte simple, reliant la température de fusion d’un corps pur et les points solidus et liquidus, au sens d’un critère de minimum d’entropie générée au cours de la transition (illustration 12).

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Illustration 12 : Le point de fusion est corrélé aux températures de solidus et de liquidus de l’échantillon.

Partenaires extérieurs

- Laboratoire de Radioélectricité de l’Université Technique Tchèque à Prague (ČVUT) (microphones miniatures à électrode arrière non plane)
- ESIEE (Capteurs miniatures de pression pariétale pour l’aéro-acoustique véhicules terrestres, Contrat CNRT-R2A 2006)
- LMFA – TREFLE (Machines thermoacoustiques miniatures, Contrat ANR MicroThermAc)
- PALMS * (Microsystèmes pour la mesure des paramètres thermophysiques et couplages thermique/photonique)
- FEMTO-ST DCEP (Micro-capteurs piézorésistifs à poutres résonnantes)

Contrats

- CPER Micro_Cap_Ouest (2000-2006) + FEDER (2000-2006)
- ANR MicroThermAc
- ANR CND (2007-2013)
- CNRT-R2A
- LNE-INM/CNAM Paris
- LNE Trappes
- Baumer-Bourdon-Haenni
- Neurelec
- Cidelec
- Jessica_Ouest

Moyens spécifiques

Centrale de micro-technologies (http://microcapouest.univ-lemans.fr)

(*) B. Bêche, Pr, laboratoire PALMS, Université Rennes 1