pour le contrôle actif de décollement
3. Méthode d’actionnement
0 50 100 150 200 250 300 Longueur de recollement L (mm) Vitesse au dessus du mur (au niveau du décollement), V, m/s
150µm
V L
Fig. 3. 28. Influence de la vitesse du microjet sur la distance de recollement, influence du nombre de murs sur le comportement du fluide dans la microvalve.
3. Méthode d’actionnement
Le concept de microvalve dont le fonctionnement statique a été explicité grâce à la simulation numérique présente l'avantage d'être compatible avec de nombreuses méthodes d'actionnement. Dans le présent chapitre, après avoir précisé les spécifications sur l'actionnement à fournir, on réalisera un comparatif des méthodes disponibles.
3.1. Spécifications sur l'actionneur
Une série de critères permettent de définir complètement les performances d'une méthode d'actionnement:
• L'encombrement. • La force développée. • Le déplacement disponible.
• Le temps de réaction.
Dimensions
L'espace disponible sur chaque valve est restreint en surface. En effet, dans le cadre d’une mise en réseau des microvalves, comme le nécessitent les applications visées, c'est-à-dire un espacement de trous de 10 à 15 mm, la surface consacrable à l'actionnement est de l'ordre de 1cm². De plus, cet espace est à réserver à un actionneur unique puisque les solutions consistant à déporter un actionneur pour réaliser un actionnement collectif ne permettent pas un contrôle indépendant de chaque micro-jet. Dans un premier temps, aucune limitation en encombrement n’est adoptée dans la direction normale à la surface de la membrane. Les espaces disponibles pour l’insertion des valves dans les ailes d’avion sont supposés suffisamment profonds.
Force nécessaire
La force nécessaire au passage en mode fermé est égale à la résultante des efforts de pression exercés sur l'îlot rigide situé sur la membrane souple. Comme nous l'avons vu dans le chapitre précédent, la pression décroît sous la membrane souple par perte de charge. Un calcul simple permet de définir une limite basse pour garantir la fermeture du système, considérant la pression interne comme homogène et égale à la pression d'alimentation Pin.
La force nécessaire pour le passage en mode fermé est donnée par l’équation :
∫∫
∈ − = surface M ext dSn P M P F ( ( ) ) (3. 13)Une limite inférieure pour le dimensionnement de l’actionneur consiste à considérer la membrane chargée par une pression interne homogène de 1.5 Bars. On obtient alors : F>0.45N.
Déplacement
Le déplacement nécessaire à la fermeture de la valve est égal au déplacement de l’îlot rigide sous l’effet du gonflement de la membrane souple. Il dépend des variables fluides telles que la pression en entrée de valve, la pression extérieure, et de données structurelles telles que l’épaisseur de la membrane et le module d’Young du polymère utilisé. Au vu des simulations réalisées sur le déplacement de l’îlot en statique, une limite inférieure du déplacement requis de 250 µm est acceptable (déplacement en statique calculé pour une membrane d’épaisseur
Temps de réponse
Le cahier des charges type détaillé en partie 1 fixe une fréquence de travail située entre 100 Hz et 2 kHz. Une limite supérieure au temps requis pour atteindre la valeur de 0.45N est donc fixée à 500 µs.
Conclusion
L’ensemble des spécifications requises pour l’actionneur est résumé dans le Tableau 3. 5.
Tableau 3. 5 Spécifications sur l’actionnement de la microvalve
Encombrement Surface inférieure à 10 mm x 10mm dans le plan de la surface contenant les micro-orifices
Pas de restriction dans la direction normale.
Force Fact>0.45N Déplacement Dact>250 µm Temps de réponse T<500µs
L’actionneur idéal doit donc fournir simultanément un déplacement et une force très grands, sur un temps relativement court, dans un espace limité en surface mais peu limité en hauteur.
3.2. Comparatif des méthodes disponibles
Le Tableau 3. 6 présente une liste la plus exhaustive possible des méthodes d’actionnement disponibles à l’heure actuelle. Un des points forts de la microvalve étudiée dans la présente thèse réside dans le fait que le design est compatible avec de nombreuses formes d’actionnement, puisque l’application d’une force normale au plan de la membrane suffit à passer en mode fermé. Si les méthodes actuelles trouvent rapidement une limite au vu des exigences en termes de force développée et de déplacement, le design reste compatible avec les matériaux du futur (polymères type muscle artificiel, etc …).
Tableau 3. 6 Comparatif des méthodes d’actionnement typiquement utilisées pour l’actionnement de microsystèmes (d’après [8], [9])
Type
d’actionnement
Force Déplacement Temps de réponse Encombrement Magnétostatique -couplage bobine-aimant Moyenne Grand L Lmax ∆ >1 Moyen Moyen
(Bobines de grande taille)
Magnétostrictif
–matériau massif Importante Moyen
L Lmax ∆
<10-3
Très court Important (champ de commande très grand, Hc>2kOe)
Piézoélectrique
-massif [10] Importante Moyen
L Lmax ∆
< 10-3
Très court Faible
-bimorphe [11] Importante Important L Lmax ∆
> 0.1
Très court Important (longueur 2cm pour déplacement intéressant supérieur à 250 µm, [12]) Electrostatique -Electrodes en couplage capacitif Faible Très faible max L ∆ <50µm
Très court Faible (électrodes enterrées dans l’épaisseur de la microvalve)
Alliage à mémoire de forme
-matériau massif [13] Important Important max L ∆ >200µm
Long Moyen (intégration du système de chauffage)
Alliage à mémoire de forme magnétique
-matériau massif [14] Importante Important max L ∆ >200µm t
Court Important (comprend les bobines d’actionnement) Polymères électrostrictifs -matériau massif [15] Moyenne Important L Lmax ∆ >2 Moyen Faible Thermique -expansion thermique [16] Moyenne Important max L ∆ >500µm
Long Moyen (intégration du système de chauffe)
Pneumatique
-actionnement par pressurisation
Importante Important Moyen Important, nécessite un système extérieur de régulation de la pression de commande.
3.3. Conclusion
Les voies d’actionnement semblant satisfaire le cahier des charges type fixé précédemment sont :
• L’actionnement magnétostatique, fonctionnant sur le principe d’interaction entre une pièce aimantée et un gradient de champ magnétique. Simple transposition à petite échelle des actionneurs classiques disponibles à l’échelle macro, les actionneurs magnétostatiques sont aisément miniaturisables en utilisant les technologies de microfabrication ([17], [18]).
• L’utilisation d’alliages à mémoire de forme magnétique, en plein essor actuellement pour l’actionnement de microsystèmes, permet d’obtenir simultanément de grands déplacements et un effort résultant important. Néamnoins, cette technologie d’actionnement n’est pas assez mûre pour une fabrication de série (prix unitaire très élevé) et un milieu extérieur difficile (grande sensibilité en température).
• Enfin, les récentes avancées sur les polymères électrostrictifs ouvrent des portes intéressantes, autant pour leurs grandes capacités de déplacement que pour les efforts qu’ils génèrent. Néanmoins, ces polymères, accessibles à un prix encore prohibitif, ne sont pas encore compatibles avec les techniques de micro-usinage du silicium.
C’est donc l’actionnement magnétostatique qui a été choisi pour le problème de la microvalve. L’actionneur consiste en un noyau aimanté (aimant permanent, NdFeB) situé dans une bobine permettant la création d’un gradient de champ magnétique à sa périphérie. La pièce aimantée est solidaire de l’îlot en silicium, son mouvement provoquant alors l’ouverture ou la fermeture de la microvalve.
Amplificateur BF Générateur de fonctions Cu Champ magnétique NdFeB (aimant permanent Aimantation PDMS Si
Fig. 3. 29. Principe de l’actionnement magnétostatique