INFLAMMATEUR POUR ETOUPILLE OU GENERATEUR DE GAZ
III.4. Intégration de l’inflammateur et tests
Après fabrication des puces pyroMEMS V2 sur pyrex/Kapton, ces dernières sont découpées puis assemblées sur une traversée de verre (TV) et connectées aux deux broches de cette dernière. La traversée de verre étant conductrice, un support isolant est positionné sur cette dernière afin d’être certain que la connexion soit bien réalisée entre la puce et les broches de contacts, et qu’il n’y ait pas de court-circuit entre la connexion et la TV. Ce support est un circuit imprimé (PCB) comportant des contacts et un filament non fonctionnel au centre comme présenté sur la Figure III.12.
Figure III.12 : Photos (a) de la traversée de verre (TV), (b) du PCB support brasé sur la TV et (c) du pyroMEMS V2 intégré et connecté aux broches de la TV.
Le circuit imprimé est brasé aux broches de la TV permettant le contact électrique entre ces dernières et les pistes du circuit et assurant aussi un maintien mécanique du PCB. Le pyroMEMS est ensuite collé sur le PCB à l’aide d’une colle époxy non conductrice (H70-E de EpoTek) et ses contacts électriques sont connectés à l’aide d’une colle conductrice (H20-E de EpoTek) aux broches de la TV (cf. Figure III.12 (c)).
CONCEPTION ET FABRICATION D’UN INFLAMMATEUR
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III.4.1.
Tests des puces assemblées et connectées aux TV
Les pyroMEMS ainsi assemblés et connectés sont testés, sans composition pyrotechnique secondaire, afin de valider que les caractéristiques d’initiation sont conformes aux résultats sur puces nues précédemment présentés. Un créneau de courant de 1,75 A pendant 0,5 ms est envoyé au travers des broches à l’aide d’une alimentation pyrotechnique NIMTECH AKLV16.
Seulement 30 % des pyroMEMS se sont initiés (sur 10 pyroMEMS montés sur TV, seulement 3 se sont initiés) alors que 100 % de réussite d’initiation était obtenu sur puces nues. Après analyse, le problème a été identifié et provient de l’utilisation de la colle conductrice assurant le contact électrique et mécanique entre les broches de la TV et les pistes du pyroMEMS. En effet, le créneau de courant de 1,75 A, généré par l’alimentation pyrotechnique NIMTECH AKLV 16, a un temps de montée < 10 µs, occasionnant un choc thermique dans le volume de la colle conductrice qui engendre sa rupture dans 7 cas sur 10.
Pour s’affranchir de ce problème, faute de solution de remplacement rapide de la colle conductrice pour effectuer la connexion pyroMEMS/TV, nous avons utilisé une alimentation électrique Keithley 2430, produisant des créneaux de courant avec des temps de montée plus
importants (~ 100 µs). Ainsi, 100 % des pyroMEMS montés se sont initiés et les
caractéristiques d’initiation obtenues ont été conformes à celles obtenues sur puces nues. En effet, sur 10 tests, le temps d’initiation des puces s’élève à 0,40 ± 0,04 ms, alors que pour les puces nues ce dernier vaut 0,47 ± 0,15 ms.
III.4.2.
Report des compositions pyrotechniques secondaires et tests
Enfin, les compositions secondaires de type BKNO3 ou ThPP sont déposées sur le
pyroMEMS assemblé afin de tester son allumage. Là encore, cette étape réalisée chez un industriel autorisé à manipuler des matériaux pyrotechniques, a rencontré de multiples difficultés dont l’endommagement du point de colle lors de la compaction de la composition secondaire. Ainsi, seuls des tests sans compacter la poudre ont pu être réalisés et ont validé
l’initiation de la BKNO3 et de la ThPP avec la nanothermite, prouvant ainsi la possibilité de
remplacer le filament résistif et la composition d’allumage, utilisés dans les inflammateurs actuels, par un pyroMEMS. Le Tableau III.2 présente le récapitulatif des tests d’initiation des deux compositions. Le temps d’initiation reporté ici correspond au temps entre l’initiation du pyroMEMS et celui de la composition secondaire, soit le temps d’initiation de la composition en elle-même.
CHAPITRE III
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Tableau III.2 : Récapitulatif des tests d’initiation des compositions secondaires avec les pyroMEMS V2 (initiation sous une impulsion de 1,75 A).
Composition BKNO3 ThPP
Nombre de tir 6 6
% réussite 50 % 33 %
Temps d’initiation
(secondaire) 5,2 ± 0,1 ms 3,0 ± 0,6 ms
Notons que le pourcentage de réussite des tirs n’est pas optimum, il s’élève à 50 %
pour la BKNO3 et 33 % pour la ThPP. Cette dispersion est assimilée à l’utilisation de la colle
conductrice et d’une alimentation pyrotechnique qui, comme précisé auparavant, ne donne que 30 % de réussite. Ces résultats montrent tout de même qu’il est possible d’initier une composition secondaire en moins de 5 ms. La composition ThPP semble plus sensible à la
chaleur que BKNO3 avec un temps d’initiation 1,7 fois plus petit, et sera donc testée en
priorité par la suite.
III.4.3.
Résumé
En conclusion, ces premiers prototypes assemblés ont pointé la faiblesse de l’utilisation d’une colle conductrice pour connecter les contacts du pyroMEMS sur les broches de la TV. Cependant, ils ont aussi montré que seulement 282 µg de nanothermites (volume de 4,87 x 10-2 mm3), matériau non pyrotechnique et sécurisé, suffisaient à initier une poudre secondaire en 5 ms et donc à s’affranchir d’un matériau d’allumage très sensible. Les temps d’initiation des compositions secondaires testées sont trop longs (compris entre 3,0 ms et 5,2 ms) ce qui nécessite encore un travail de mise au point de la poudre et de son compactage sur le pyroMEMS pour les réduire.
Fort de ces résultats encourageants mais perfectibles, nous avons proposé une puce pyroMEMS prototype « pré-industriel » en coopération avec CICOR (Cicorel SA, Suisse et Reinhardt Microtech, Allemagne) pour assurer les exigences du cahier des charges que nous ne pouvons satisfaire avec les moyens technologiques d’un laboratoire de recherche (dispersion des valeurs des résistances qui impacte grandement les caractéristiques d’initiation et report contact face arrière pour faciliter les connexions électriques).
Notamment, dans ce pyroMEMS prototype « pré-industriel », le filament résistif sera réalisé par l’industriel qui a des moyens de production permettant le bon contrôle des épaisseurs et dimensions des couches minces déposées. Notons que, CICOR prenant en charge la réalisation des filaments, le Kapton n’est plus possible puisqu’il ne constitue pas un matériau standard utilisé dans les procédés technologiques industriels ; le choix d’un substrat pyrex s’est donc imposé à cette étape. Notre contribution sera ensuite de déposer
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l’empilement Al/CuO par pulvérisation cathodique sur les substrats de filaments fabriqués par CICOR.
Pour ce faire, nous utiliserons le nouveau bâti de dépôt TFE présenté en chapitre I section I.1.5. En effet, cet équipement industriel permet d’obtenir des vitesses de dépôt de 15 bicouches Al/CuO 200/200 nm en moins de 6 h donc assurera une cadence de dépôt compatible pour un transfert industriel. Pour comparaison, un dépôt de 15 bicouches Al/CuO 200/200 nm sur le bâti UNIVEX demande 30 h. De plus, nous avons vu que le procédé TFE permet une meilleure qualité des couches produites, notamment le CuO qui a une densité équivalente au matériau massif et une rugosité réduite par rapport à l’UNIVEX, ce qui se traduit par une meilleure résolution dimensionnelle dans les empilements. Les images MET des empilements (cf. Figure III.13), montrent l’évolution de la rugosité au fur et à mesure du dépôt des couches pour les deux procédés. Nous observons que cette dernière augmente beaucoup plus rapidement pour l’UNIVEX que pour le TFE. L’Al se dépose sur le CuO en épousant la structure colonnaire de ce dernier faisant augmenter la rugosité. Cette dernière augmente plus rapidement pour l’UNIVEX car le CuO est très colonnaire et rugueux.
Figure III.13 : Images de MET d’un empilement de 15 bicouches de CuO/Al 200/200 nm suivant le procédé de dépôt (a) UNIVEX et (b) TFE.