Pistons

Les pistons du micromoteur n’ont aucun couplage cinématique entre eux. Ces derniers sont composés de 3 composants : une membrane froide, une membrane chaude et un pion. Dans la suite nous explicitons leur processus de fabrication.

Fabrication des membranes en salles blanches(SB)

Les membranes sont les éléments clé du fonctionnement du moteur. Leur épaisseur, leur rigidité et leur composition détermine la rigidité de l’assemblage pion-membrane et donc

46 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC la fréquence de résonance du moteur. Le procédé de fabrication d’une membrane froide est visible sur la figure 3.6. Celui de la membrane chaude est identique, mise à part le fait qu’on n’y fait aucun dépôt de métal. Ce dépôt engendrera des capteurs de position pour suivre les pions durant le fonctionnement, ainsi que des capteurs de température, dans chacune des chambres froides. Le circuit se dépose par évaporation sur un échantillon de kapton, au travers d’un masque rigide en alumine. Ce dernier, contenant le négatif du circuit électrique, est usiné au laser dans une plaque d’alumine de 200µm d’épaisseur. Il

est particulièrement fragile et nécessite d’être manipulé avec précautions.

Le dépôt comporte une couche d’adhésion de 50nm en chrome, le circuit de 450nm en alu- minium et une dernière couche de protection de 50nm en chrome. Notons que la conducti- vité électrique du chrome est 5 fois inférieure à celle de l’aluminium. De ce fait, la dernière couche est évaporée partout sauf sur le peigne de connexion, pour assurer un bon signal d’acquisition. Pour ce faire, il faut tout simplement cacher cette partie avec de l’adhésif à faible force de collage (du type "adhésif bleu de SB") pour ne pas casser le masque en voulant le décoller.

Il y a 2 circuits distincts par cylindre, représentés par un code couleur sur la vue au

Figure 3.6 Étapes de fabrication d’une membrane

travers de l’échangeur froid de la figure 3.6. le circuit vert est totalement solidaire du piston et ne va donc subir aucune déformation pendant l’actionnement du moteur. Par conséquent, la variation de sa résistance ne peut être causée que par une variation de température au sein de la chambre froide ou par une variation géométrique du piston ; c’est donc un RTD(Resistance Temperature Detector ). Le deuxième circuit, représenté en jaune, n’est pas solidaire des surfaces collées, il va donc subir des déformations mécaniques dues au mouvement du piston et des déformations thermiques s’il a lieu un quelconque échauffement. Celui-ci est donc une jauge de déformation dont la résistance variera du-

3.3. MÉTHODES DE FABRICATION 47 rant le mouvement du piston ou bien si la température de la chambre varie. La méthode d’exploitation de ces jauges est explicitée en annexe A.1.

La fabrication des échantillons de membranes à découper se fait en SB. Pour avoir plusieurs membranes utilisables en un seul lot, on s’est proposé de les fabriquer sur des substrats de Silicium(Si) de 3” minimum pour découper 9 membranes dessus.

La fabrication pourrait être industrialisée avec quelques changements mineurs si besoin. Nous venons découper au laser des cercles dans un film de kapton 100HN(25µm) avant de passer en SB.

À partir de cette étape la membrane froide va subir l’évaporation des jauges de déforma- tion et des RTD.

Les cercles de kapton avec dépôt et sans dépôt subissent tous un triple nettoyage chi- mique dans des bains successifs d’éthanol, d’acétone et d’isopropanol. Les substrats de Si subissent le même nettoyage. On viendra pas la suite faire un plasma oxygène à 150W pendant 10 min sur ces substrats pour casser les liaisons hydrogène et ainsi améliorer l’adhésion sur la surface traitée. Les cercles sont ensuite collés dessus en prêtant attention à chasser les bulles d’air. Les liaisons hydrogène créées par le plasma assurent, en plus du contact électrostatique, une bonne adhésion entre le kapton et le Si. Si le collage Si+kapton n’est pas utilisé le jour même du plasma, il faudra lui faire subir une déshydratation à 115◦ C pendant quelques secondes et rechasser les nouvelles bulles d’air, avant de procéder à l’étalement du PDMS.

Préparation du PDMS

Le PDMS (Sylgard 184) est préparé avec les proportions de 10 de base pour 1 d’agent. On procède au mélange des deux pendant 1 minute et on le met à dégazer jusqu’à ce qu’on ne voit plus de bulles apparentes dans la résine. Une étude a été faite, par un élève de l’institut, afin de déterminer les épaisseurs pouvant être atteintes en étalement, en fonction de la dilution de la résine Sylgard 184 avec un solvant. Le mélange étant trop visqueux, on utilise 40% de Heptane ou de Hexane pour 60% de PDMS, afin le diluer et ainsi avoir des couches plus fines après étalement. La recette d’étalement prévoit une accélération pen- dant 5sec jusqu’à 500trs/min, suivi d’une accélération pendant 5sec jusqu’à 5000trs/min et un maintien à cette vitesse pendant 60sec. Cette-dernière nous permet d’obtenir des épaisseurs de PDMS d’environ 10µm à 15µm. Après étalement la résine doit être mise au four à 110◦ C pendant 30 minutes pour réticuler correctement.

Une subtilité s’ajoute pour l’étalement sur la membrane instrumentée. En effet nous vou- lons protéger le peigne de connexion électrique afin qu’il ne soit pas recouvert par la résine. Il suffit alors de coller un morceau d’adhésif pour le protéger. L’adhésif doit impérative-

48 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC ment assurer un collage léger(type adhésif bleu des SB) afin d’éviter de décoller le circuit en voulant enlever l’enlever après l’étalement.

Découpage des membranes

Après le recuit on viendra décoller le kapton avec PDMS du substrat de Si et on le mettra en position sur un substrat d’alumine nettoyé au préalable, côté PDMS vers l’alumine, comme sur la figure 3.7. L’orientation de l’échantillon est très importante car la résine est

Figure 3.7 a) Échantillons de kapton préparés en SB b) Membranes chaudes après découpage

invisible au laser ultraviolet(UV). Par conséquent, si on vient mettre le kapton face au substrat, celui-ci voudra dégazer au travers du PDMS non découpé, lors de sa sublimation par le laser. Le dégazage ne pouvant donc pas se faire, la résine fond sous la chaleur résiduelle du kapton sublimé et la membrane devient donc inutilisable. Si le film est bien orienté, après la découpe laser il y a un léger dépôt de carbone qui se fait sur la surface côté kapton. Avec de l’acétone ou de l’isopropanol et du papier absorbant, on vient nettoyer mécaniquement et délicatement la surface des échantillons découpés, avant même de les décoller du substrat d’alumine.

Les membranes sont alors prêtes à êtres utilisées et resteront sur le substrat en alumine, jusqu’à leur collage, pour éviter de les contaminer avec de la poussière. Le collage est décrit dans la suite.

Pions aimantés et cales

Les pions sont composés de l’alliage de néodyme, fer et bore (NeFeBo), plus communé- ment appelé aimant N40. L’indice 40 renseigne sur la concentration en néodyme, ainsi

3.3. MÉTHODES DE FABRICATION 49 que sur l’aimantation de l’aimant. Nous recevons les aimants longs de 5mm et devons les couper à la scie diamant et les raboter manuellement pour qu’ils fassent la longueur de 2.3mm±50µm. La tolérance est faible sur longueur finale des aimants mais par contre il faut obtenir trois aimants de la même longueur, à la précision de l’outil de mesure près (en général ±5µm). Pour cette phase finale de précision, il suffit de frotter les aimants contre une feuille d’alumine (ou feuille de verre 1000p minimum) jusqu’à obtenir les longueurs voulues.

Les cales sont découpées dans du kapton 300HN(75µm) avec un diamètre de 3mm. Leur rôle est de pré-contraindre les membranes pendant l’assemblage du moteur et réduire la rigidité de l’assemblage piston membrane car les aimants ont eux un diamètre de 4mm.Les aimants ont par ailleurs des longueurs qui peuvent être parfois trop faibles. Nous collons alors les cales de part et d’autre afin que la longueur totale soit supérieure à l’espace prévu entre la membrane chaude et la membrane froide.

Cela permet donc de résoudre 2 problèmes ; tout d’abord il sera néfaste, pour le fonction- nement du moteur, d’avoir des membranes ondulées car alors il n’y aurait aucune rigidité à vide. D’autre part, nous avons mené les premiers tests sur la rigidité des membranes et nous nous sommes aperçus que près de la position sans stress, la déformation de la membrane évolue linéairement. Cependant, une fois passé un léger seuil de déformation d’environ 5µm, l’effort engendré devient une fonction cubique de la déformation. Sachant cela, le fait de pré-contraindre la membrane permet de se trouver seulement dans une plage d’opération cubique rendant répétable le mouvement du piston.

Le régénérateur

Le régénérateur est le conduit de jonction entre la chambre chaude d’un cylindre et la chambre froide du cylindre adjacent, comme présenté dans la section 3.1 plus haut. Ce n’est pas une pièce à part entière mais il joue un rôle primordial dans le fonctionnement du moteur. Sur le design actuel un régénérateur est constitué de 12 perçages de 200µm de diamètre au travers de l’épaisseur du châssis (Cf. figures 3.8 et 3.9). Le design du ré- générateur est très important mais n’a pas été étudié durant nos travaux. Dans l’idéal il faudrait trouver une géométrie qui maximise la surface spécifique de transfert de chaleur et qui en même temps minimise les pertes de charges du gaz.

3.3.3

Châssis isolant

Le châssis va contenir les trois pistons et devra isoler le côté froid du dispositif du côté chaud. Son architecture est visible sur la figure 3.8. Il est conçu pour aider au remplissage

50 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC simultané des trois chambres de gaz distincts (Cf. 3.1). Aussi, des encoches sont prévues pour accueillir le coeur en ferrite de l’actionneur électromagnétique. Elles sont asymé- triques à cause du placement du moteur dans le banc de test.

Cette pièce est fabriqué dans du Macor. Ce matériau possède des capacités isolantes de par sa nature de céramique et une bonne usinabilité mécanique qui nous aide dans sa fa- brication. Comme nous avons pu en discuter précédemment, la découpe au laser laisse un angle non négligeable lors d’un perçage. Il était inconcevable d’utiliser cette méthode de découpage pour percer les trous de régénérateurs sur 1.75mm d’épaisseur. L’alternative au laser obligerait à faire le châssis en strates d’épaisseurs plus faibles et ajouterait des étapes de collage supplémentaires pour arriver à l’épaisseur voulue. Au lieu, nous avons choisi de fabriquer le châssis par usinage de précision à partir d’une plaque de 2.3 mm d’épaisseur. L’usinage du châssis a été réalisé avec des tolérances excessivement élevées et le résul-

Figure 3.8 Conception du châssis et des pistons avec leurs cales

tat des perçages critiques est visible sur la figure 3.9. On observe bien des régénérateurs droits et non craquelés, ainsi que des murs de 50µm non fissurés, séparant les trous de régénérateurs(image (b). D’autre part, on voulait s’assurer que les trous d’alignement de

1mm sont usinés avec une tolérance positive pour pouvoir passer les tiges d’alignement

au travers.

3.4

Assemblage

Dans cette section nous parlerons de l’assemblage pièce par pièce du moteur. Ce procédé a été à l’origine mis en place par Marc-André Hachey. L’ordre d’assemblage n’a pas changé mais j’ai pu modifier et améliorer le procédé de collage entre 2 pièces. D’autres étapes

3.4. ASSEMBLAGE 51

(a) Trou d’alignement de 1mm

(b) Trou de régénérateur de 0.2mm

Figure 3.9 Observation des châssis au microscope optique

d’assemblages se sont ajoutées aussi car l’architecture du moteur a dû évoluer pour te- nir compte de l’actionneur, ainsi que permettre une méthode de remplissage du moteur différente de celle qui était prévue dans les travaux précédents.

3.4.1

Procédé de collage

Certaines composantes doivent être collées entre elles, avant de procéder à l’assemblage final du moteur. Pour s’aider lors du collage, nous avons utilisé un gabarit d’assemblage tel que celui visible sur la photo de la figure 3.10. Les trous d’alignement de ce gabarit ont été percés de la même manière que les composantes du moteur. On vient y placer dedans les trois goupilles d’alignement qui viendront s’ajuster avec les pièces qu’on doit coller ensemble. Le gabarit possède aussi un capuchon dont nous préciserons l’utilité dans la suite. Les figures 3.10 et 3.11 illustrent graphiquement les étapes du procédé de collage entre deux pièces. Nous expliciterons dans la suite les actions à réaliser à chacune des étapes.

Avant de procéder au collage, nous avons la possibilité de traiter, les surfaces qui vont êtres collées, au plasma à air pour améliorer leur mouillabilité.

– Étape 1 : On vient placer la première pièce à sur le support d’assemblage, en prêtant attention au sens car le moteur possède ne se monte pas de façon symétrique. Un vue éclatée de la conception est disponible dans l’annexe A.2 pour permettre de monter le moteur dans le bon sens.

– Étape 2 : Pour assurer cette étape, il faudra au préalable avoir découpé (aux ci- seaux) des languettes dans des feuilles de kapton 200FN, 300FN ou 500FN (FN fait référence à une fine couche de Téflon étalée de part et d’autre du kapton pour lui éviter toute adhésion). Les languettes devront faire la largeur de la pièce à coller, au minimum.

52 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC

Figure 3.10 Procédé de collage (1)

On prépare alors l’époxy Reltek B-4811, avec son apprêt A-3, dont le procédé de préparation est décrit plus bas. On saisit de l’époxy, avec un outil possédant une arrête droite(tel que des morceaux d’alumine), et on vient étaler une fine couche sur le kapton. Pour s’assurer que l’interface mouillée ne soit pas trop épaisse, il faut qu’on puisse encore voir la couleur du kapton sous l’époxy après étalement.

Figure 3.11 Procédé de collage (2)

– Étape 3 : À cette étape nous venons transférer, une partie de l’époxy que nous avions étalé sur la languette de kapton, sur la deuxième pièce qui viendra se coller. Une fois la languette appliquée sur la pièce, appuyer sur toutes les surfaces devant recevoir de la colle avant de la décoller. Si une partie de la pièce n’est pas mouillée, il faudra appliquer la languette le nombre de fois nécessaire afin que toute la surface de la pièce soit uniformément mouillée. On a alors environ 50µm d’époxy déposé uniformément

3.4. ASSEMBLAGE 53 – Étape 4 : On vient à cette étape placer la pièce 2 sur le gabarit d’assemblage, avec la surface mouillée dirigée vers la pièce 1. Par dessus on vient placer une feuille de protection en kapton, comme celui visible sur la figure 3.10, afin d’éviter que l’époxy ne déborde. Ces feuilles ont été au préalable découpés au laser dans une du kapton 500FN. Par dessus vient d’ajouter une mousse de kapton et enfin le capuchon du gabarit.

– Étape 5 : L’assemblage précédent est placé ici dans la mâchoire d’une pince, afin d’obtenir une épaisseur d’époxy la plus fine possible en serrant la mâchoire. La force de serrage doit rester légère, en comprimant tout de même la partie en mousse. La mousse servira de répartiteur de charge et de ressort pour corriger les erreurs de planéité entre le capuchon et les pièces dessous.

– Étape 6 : Le tout est placé avec la pince dans le four préchauffé à 200◦ C et le recuit durera approximativement 25 minutes. Il faudra alors sortir la pince pour pouvoir récupérer les pièces collées en évitant de se brûler. En mesurant l’épaisseur de l’assemblage à 5 points différents et en connaissant l’épaisseur de chacune des pièces, nous avons pu constater que l’interface d’époxy peut descendre en dessous des 10µm d’épaisseur.

Préparation de l’époxy Reltek B-4811

La Reltek B-4811 fournit une excellente adhésion pour les matériaux qui nous intéressent et présente l’avantage de posséder des temps de cure faibles à 200◦ C. Une fois curée, elle résiste parfaitement à cette température pour assurer l’adhésion durant le fonctionnement du moteur. Elle peut être achetée avec son apprêt A-3 qui améliore sa résistance à la corrosion.

C’est une époxy bi-composante dont les proportions du mélange se font automatiquement en sortie de la seringue. Un très faible quantité est bien suffisante pour procéder à un collage (<1g). Pour cette quantité d’époxy, 1 à 3 gouttes d’apprêt A-3 suffisent pour assurer une bonne résistance à la corrosion. Une fois l’époxy versée dans un contenant, il faut la mélanger jusqu’à l’obtention d’une pâte de couleur beige uniforme. On procède par la suite à un dégazage pendant 5 minutes. Il est normal qu’après la fin des 5 minutes, des bulles éclatent encore en surface du mélange, c’est la composition propre de l’époxy et il ne faut pas y prêter attention. La colle est alors prête à être utilisée et sa durée utile est d’environ 30min, au delà il faudra préparer un autre mélange. Pour s’assurer d’utiliser ce temps efficacement, il faudra préparer la paillasse de collage avec chaque outil et pièce au bon endroit.

54 CHAPITRE 3. LE MICROMOTEUR MISTIC Vérification de la qualité du collage

Nous avons la possibilité de vérifier visuellement si un collage a été réussi. Sur la figure 3.12 nous pouvons voir des membranes mal collés à gauche et des membranes bien collées à droite. En effet, nous si nous voyons une multitudes de zones réfléchissantes, cela veut dire que l’époxy ne fait pas écran entre le support de membrane et la membrane. Un tel collage risque de laisser fuir du gaz et ne peut donc pas être utilisé.

Figure 3.12 a) Mauvais collage. b) Collage réussi

Par ailleurs, la photo du collage réussi montre aussi un débordement conséquent de l’époxy dans la fente des régénérateurs. Nous n’avons cependant pas à nous soucier de cette obser- vation car les régénérateurs seront, après collage, débouchés avec un découpage au laser. Collage des pistons et des cales

Le procédé collage des pistons est différent de celui entre deux pièces. L’époxy est préparée de la même manière mais on n’aura pas besoin de toutes les étapes de préparation qui suivent. Pour ce faire, nous allons utiliser un gabarit d’assemblage en acier. La figure 3.13 schématise les étapes de collage des cales. On retrouve la même logique dans les étapes de collage. D’abord on protège du gabarit, ensuite on pose le premier fragment à coller. Après quoi on prépare l’époxy et on l’étale délicatement sur du kapton FN. On poursuit en transférant la colle sur le deuxième fragment et on ramène ce-dernier sur le gabarit. L’avantage d’utiliser un gabarit en acier, c’est que la pression pendant la cure de l’époxy se fait naturellement avec les forces magnétiques présentes (de même pour le haut avec l’aimant d’appui). Notons que tant que la goupille d’alignement est assez longue, on pourrait empiler des successions d’aimants avec leurs cales, sans oublier les éléments de protection en kapton FN. Une fois les cales collées, on mesure la longueur finale des aimants pour s’assurer que les triplés ont toujours des longueurs équivalentes à _±10µm.

3.4. ASSEMBLAGE 55

Figure 3.13 Étapes de collages des cales de précontrainte

3.4.2

Séquence d’assemblage

La figure 3.14 montre l’ordre dans lequel un moteur est assemblé. Notons que l’assemblage du coeur va jusqu’à l’étape 7. Les étapes 8 et 9 représentent les collages respectifs de l’échangeur chaud et de l’échangeur froid. Nous avons la possibilité de faire plusieurs collages à la fois si nous usinons plusieurs gabarits d’assemblage. En effet nous sommes limités par le temps utile de l’époxy mais on pourrait imaginer un produit industrialisé