Micro actionneur pour le contrôle actif de couche limite

Transcription

1 Micro actionneur pour le contrôle actif de couche limite Développements au cours de l année 2004 J.-R. FRUTOS, F. BASTIEN, M. DE LABACHELERIE Département LPMO, Institut FEMTO-ST 32, avenue de l Observatoire Besançon Cedex

2 Cahier des charges Actionneur Zip Principe Version 1 Objectifs Technologie Caractérisation Essais en soufflerie Actionneur Zip version2 Objectifs Technologie Améliorations et perspectives Diélectrique Ruban

3 Cahier des charges Concevoir et réaliser un micro actionneur produisant des jets pulsés Vitesse des jets V~ m.s -1 Fréquence des jets f=0-1 khz Diamètre des jets d= mm Périodicité spatiale p~10 d

4 Actionneur Zip (forces électrostatiques) Principe Ruban à déformée en S Localement le gap est très faible grande force électrostatique

5 Paramètres recherchés (Contraintes) Réalisation Champ électrique élevé Ruban souple + polarisation Nature du diélectrique + maîtrise de sa mise en forme Technologie de fabrication + mise en place du ruban Actionneur Zip : Version1 Validation du concept Tester Objectifs le principe du zip avec des temps de conception et de réalisation réduits Faible optimisation Fabrication conventionnelle

6 Technologie Réalisation par micro fabrication classique Partie surmoulée (résine Époxy) Cuivre Micro fraisage, micro perçage à 45, surmoulage des pièces fixes Plaquette Circuits imprimés (Époxy+fibre de verre) φ=0.4mm Partie active (ruban) : bandelette polymère métallisé découpée au laser 4mm Plaques de circuit imprimé Partie surmoulée Réseau de 15 actionneurs

7 Caractérisations 2 modes d actionnement «Jets continus» (ouvert / fermé) et «Jets Pulsés» Meilleure performance pour le mode «Jets continus» : 400 V Pmax = 26 kpa Visualisations et mesures par PIV (Département CREST (Belfort)) Barrette de 15 actionneurs Air + particules d encens laser Lentille cylindrique Camera rapide

8 Actionneur Zip : Mode «Jets pulsés» Résultats de PIV Fréquences testées 10 Hz et 100 Hz Performances : 10 m/s à 5 kpa f max ~ Hz

9 Actionneur Zip : Mode «Jets continus»

10 Actionneur Zip : Mode «Jets continus» Résultats de PIV Performances : 30 m.s 9,5 kpa (380V) P max ~25 kpa (25 m.s -1 ) validité de la mesure?

11 Validité de la mesure? Zone morte 2 mm Mise en cause de Méthode de visualisation : introduction indirecte des traceurs dans le micro écoulement Calibration des traceurs : mauvaise (particules d encens)

12 Caractérisations de systèmes passifs (même géométrie) avec des gouttelettes d huile de 1-2 µm 0.6 kpa 2.6 kpa 4.4 kpa 15 m/s 20 m/s 22,5 m/s 7.4 kpa 22.4 kpa 30 m/s 36 m/s Inertie des traceurs rayon des particules trop grand Nombreuses mesures au fil chaud et mesures de débit Pour des orifices de 0.4mm inclinés à 45, V~ 80 m/s si δp=25 kpa Cette vitesse est 2 fois plus faible que celle en sortie d un orifice droit de même section

13 Essais en Soufflerie DNW (Braunschweig All.) : Jets pulsés au bec de bord d attaque Très peu d effet produit par les dispositifs MEMS Les surpressions génératrices de micro jets sont supérieures à 100 kpa F1 (ONERA Toulouse) : Jets continus et pulsés au niveau du volet Micro actionneurs utilisés au maximum de leurs performances, détruits pendant les tests préliminaires (destruction de la reprise de contact électrique au niveau de l actionneur probablement due à des instabilités électriques (pic de courant)) Pour des essais réalistes en soufflerie (M>0.2), il faut des dispositifs très robustes (P max et cycles de fonctionnement) Améliorations Matériaux (diélectrique, ruban souple) électronique de commande (surveillance en tension et en courant)

14 Actionneur Zip version2 Fournir un dispositif plus fiable pouvant opérer sous des pressions plus importantes ( bar) Technologie hybride de micro fabrication Parties en silicium micro usinées + film de polymère métallisé découpé au laser Épaisseur du diélectrique e : 3µm parylène (version 1) 1µm SiO 2 (version 2) Felec V ε e 2 2

15

16 Améliorations et perspectives Diélectrique : couches minces TiO 2 Grande permittivité ε r ~ (littérature) Caractérisations Felec V ε e 2 2 Tension de claquage et capacité (ε r ) (Exemple de dispositif test) Al TiO 2 Pt (coupe - cliché MEB) Résultats Permittivité élevée ε r ~110 Tension de claquage variable : de 100 V/µm à qq Vµm Pour l instant, la tenue en tension n est pas satisfaisante (défauts ponctuels dans la couche)

17 Ruban : structures métalliques souples Poutres électroformées en Ni et Cu (5-10µm) Faibles contraintes internes, grande souplesse Wafer de silicium 5 mm Poutres se collant au fond de la boite contenant le wafer par attraction électrostatique

18 Résultats encourageants Réseau de 15 actionneurs pouvant moduler une surpression de 25 kpa Vitesse des jets Fréquence des jets Diamètre des jets Périodicité spatiale V~85 m.s -1 F~200 Hz d=0.4 mm inclinés à 45 4mm (p=10d) Réalisation version hybride (été 2005) Optimisation en cours Dépôt de couches denses de TiO 2 en cours de développement Structure souple polarisable plus fiable Procédé de micro fabrication collective possible