CONCLUSION GENERALE
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Mes travaux de thèse se sont inscrits dans un contexte technologique initié par l’équipe NEO du LAAS dans les années 2000, visant l’intégration de nanomatériaux énergétiques dans des dispositifs MEMS pour réaliser des actionnements puissants et localisés. Dans cette perspective, le matériau énergétique de type nanothermite est le point central de la technologie. Différentes solutions de matériaux énergétiques déposables sur des MEMS ont été mises au point et étudiées par l’équipe pour produire l’effet désiré (génération de gaz ou de pression, émission lumineuse, production d’un choc) : notamment des assemblages particulaires aluminium/oxyde ou des matériaux plus conventionnels comme le RDX. Quel que soit le matériau pyrotechnique utilisé pour réaliser la fonction, le premier maillon de la chaine dans l’approche technologique du LAAS est un pyroMEMS qui consiste en un film mince résistif (Ti) sur lequel est déposé une nanothermite multicouches Al/CuO. En maitriser son initiation (énergie et temps d’initiation) et sa réaction (flamme et gaz générés) en fonction des paramètres de dépôt et de l’environnement (taille du filament, conditions électriques) est un préliminaire nécessaire au bon fonctionnement de tout le système pyrotechnique. Ce fut donc le premier objectif de ma thèse. Développer une filière technologique robuste et générique (haute et basse énergie) est une nécessité pour valoriser la technologie pyroMEMS dans l’industrie pyrotechnique française, et permettre les innovations attendues : cela fut le deuxième objectif de ma thèse.
Dans ce cadre, mes travaux de thèse ont apporté de la compréhension dans l’initiation des multicouches Al/CuO en fonction de la structure et ont permis le développement d’un procédé de fabrication robuste, fiable et générique pour réaliser des pyroMEMS basse et haute énergie d’initiation, diffusables dans les applications. Mes travaux ont aussi permis de diffuser la technologie pyroMEMS auprès de nombreux industriels qui ont suivi mes travaux mais qui, par contrainte de confidentialité, n’ont pu être cités dans le manuscrit. Notamment, nous avons démontré l’intérêt des pyroMEMS pour remplacer des technologies pyrotechniques vieillissantes dans le domaine de la sécurité, en réalisant deux fonctions : un
inflammateur capable d’initier un secondaire (ThPP, BKNO3 ou GbSe) et un sectionneur
capable de détruire une piste ou circuit électrique sous commande électrique. Le manuscrit a été construit en 4 chapitres :
Dans le Chapitre I, nous avons présenté les nanothermites puis détaillé l’état de l’art
concernant l’initiation de ces matériaux en nous focalisant rapidement sur l’initiation électrique, méthode la plus simple et la plus intégrée de réaliser des initiateurs. Cet état de l’art a montré que peu d’études se sont attachées à comprendre les mécanismes d’initiation des nanothermites Al/CuO par point chaud, ce qui a motivé mes travaux visant le développement de règles de conception pour les pyroMEMS. Ce chapitre s’est terminé, après l’exposé de la problématique de ma thèse, par la présentation des deux systèmes : inflammateur et sectionneur, qui ont constitué les démonstrateurs technologiques de ma thèse.
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Le Chapitre II a présenté les résultats expérimentaux, supportés par un modèle simple, sur l’étude de l’influence des paramètres environnants (taille du point chaud et vitesse de chauffe) sur l’énergie d’initiation des nanothermites multicouches Al/CuO. Ce chapitre s’est terminé sur la définition de règles de conception des pyroMEMS. On retiendra de ces travaux qu’il est important de bien définir les attentes/contraintes du dispositif pyrotechnique dans lequel sera intégré le pyroMEMS afin de concevoir l’initiateur en termes de taille du point chaud, matériau du substrat, surface et épaisseur de la nanothermite. Par exemple, si le temps d’initiation est critique, la taille du point chaud et les épaisseurs de bicouches Al/CuO, paramètres les plus influents seront réduits au maximum. Aussi ces travaux ont mis en évidence et de manière claire, la très forte influence des pertes thermiques dans les substrats et la nécessité de trouver des matériaux isolants et structurables en technologie MEMS ce qui n’est pas courant. Finalement, nous retiendrons que les mécanismes régissant l’initiation de la réaction Al/CuO par stimulation localisée et violente (> 105 K.s-1) ne sont pas tous élucidés ce qui explique notamment les écarts obtenus sur la prédiction des temps d’initiation par le modèle mis en place et les valeurs expérimentales.
Le Chapitre III a d’abord présenté l’optimisation et la fabrication de pyroMEMS pour une application d’inflammateur, le but étant d’initier un secondaire pour produire du gaz. Par un travail conjoint sur l’initiateur et la nanothermite, nous avons optimisé le rendement énergétique de la puce qui s’élève à 30 a.u (intégrale du signal de la photodiode normalisée par la masse de nanothermites). Une puce pyroMEMS a été intégrée avec un secondaire de type ThPP mettant en évidence les problèmes d’interconnections inhérents à l’interfaçage de deux technologies : ici, technologie conventionnelle et MEMS. Finalement, nous avons réussi à valider la fonction « allumeur » et avons proposé une version de puces « pré-industrielle » qui sera transférée à une entreprise partenaire allemande, CICOR, après validation de quelques points de procédés toujours en cours en septembre 2018.
Le Chapitre IV a décrit la conception et l’assemblage d’un sectionneur destiné à
rompre une piste électrique qui lie une fonction critique à son alimentation lorsqu’une menace est détectée. Pour ce faire, la puce pyroMEMS décrite dans le chapitre III a été utilisée et interfacée avec une rondelle de nanothermites Al/CuO en poudre. La combinaison de ces deux méthodes de préparation de nanothermites, permet d’une part d’utiliser les propriétés énergétiques et fonctionnelles de la puce et d’autre part les propriétés de génération de gaz des nanopoudres. Ces travaux ont permis de développer un dispositif innovant (aucune équivalence parmi les cisailles pyrotechniques jusqu’ici développées) puisque miniature et intégrable dans tout circuit imprimé (< 3 cm3), fiable, et, très rapide (sectionnement de la piste en 0,59 ms).
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En résumé, ce travail de thèse a permis d’accroitre les connaissances sur l’initiation des nanolaminés Al/CuO et a abouti à la définition des règles de fabrication
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d’initiateurs intégrant ces couches. De plus, il a été démontré la possibilité d’intégration des pyroMEMS dans deux applications pour la sécurité : un inflammateur pour générateur de gaz ou étoupille et un sectionneur de sécurité.
A l’avenir, dans une même démarche d’industrialisation, il est nécessaire de trouver un autre matériau pour remplacer le Kapton et ainsi pouvoir développer un pyroMEMS pour des initiations basse énergie. Enfin, si les machines de dépôts le permettent, il serait intéressant d’essayer d’augmenter le nombre de bicouches Al/CuO déposées sur les pyroMEMS afin d’augmenter l’énergie dégagée par la puce.
Sur les plans scientifique et technique, le développement d’un logiciel de support aux techniciens serait idéal. Le principe serait d’avoir un logiciel dans lequel les techniciens rentrent en entrée les caractéristiques énergétiques et d’initiation de la puce pyroMEMS et que le logiciel leur donne les caractéristiques de la puce à fabriquer.
D’un point de vue applicatif, il faudrait continuer à développer l’intégration des pyroMEMS de sécurité : par exemple, la réalisation d’un dispositif anti-fraude pyrotechnique pour la protection des données, qui reste à l’heure actuelle un enjeu majeur aussi bien national que sociétal. Dans la même optique, il pourrait être intéressant de travailler sur l’intégration de capteurs sur les pyroMEMS directement, afin de rendre la puce intelligente.
Sur le plus long terme, et si la technologie d’intégration des nanothermites Al/CuO vise à être industrialisée, il est nécessaire de réaliser des études de vieillissement afin, d’une part, de comprendre les mécanismes de réactions et, d’autre part, déterminer la tenue dans le temps des initiateurs : les travaux en cours de G. Lahiner [29], [96] devraient éclairer ces aspects.
ANNEXE I
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MESURE DE CONTRAINTE ET DE RESISTIVITE
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