actionnées par films magnétostrictifs pour le contrôle actif de couche limite
2. Principe de fonctionnement de la microvalve actionnée par films magnétostrictifs
Le concept de microvalve dont le dimensionnement, la réalisation et la caractérisation sont présentés dans cette partie est fondé sur une structure simple dont le comportement est connu : une poutre encastrée-libre recouverte d’un film magnétostrictif. Nous verrons dans ce chapitre les étapes de dimensionnement et de fabrication mises au point à partir du comportement connu de cette poutre vibrante.
2.1. Architecture de la microvalve
La microvalve à poutre vibrante est constituée de trois parties distinctes (cf. Fig. 5. 7) : deux canaux d’entrée (2), (3), un canal microfluidique de sortie (1) et une chambre (4). Le fluide pressurisé en entrée de microvalve créée un microjet en sorite de cette dernière en pressurisant la chambre. Mise en mouvement sous l’effet du film magnétostrictif, la poutre encastrée-libre pulse le microjet en sortie de valve à une fréquence égale au double de la fréquence d’actionnement.
(1) (2) (3) (4) Silicium Film magnétostrictif Sens de l’écoulement Amplitude normalisée de déformation de l’extrémité libre de la poutre Vitesse locale normalisée mesurée en sortie de microvalve temps temps (a) (b)
Fig. 5. 7. Architecture de la microvalve à poutre vibrante, principe de fonctionnement (a) et dédoublement de la fréquence de pulsation provoqué par la double entrée d’air
(b).
La micropoutre est actionnée via le film magnétostrictif à sa fréquence de résonance mécanique (premier mode de flexion) de manière à bénéficier d’un grand déplacement en son extrémité libre. Dans un premier temps, on fabriquera le champ magnétique d’actionnement grâce à un bobinage externe, puis on cherchera les méthodes permettant la fabrication in situ du champ magnétique dynamique d’actionnement.
2.2. Dimensionnement
De manière à répondre au cahier des charges défini en partie 1, la fréquence d’actionnement est fixée à 1KHz. Or, la fréquence de résonance d’une poutre encastrée-libre en son premier mode de flexion est donnée par l’équation :
s s E L hs f ρ π ² 3 4 52 . 3 1 = 5.2
Avec E , L et s hs respectivement le module d’Young, la longueur et l’épaisseur de la poutre vibrante. Le calcul de la fréquence f1 pour différentes valeurs de L et hs est détaillé dans le Tableau 5. 2.
Tableau 5. 2. Calcul de la fréquence du premier mode de flexion dans le cas d’une poutre encastrée – libre de longueur L et d’épaisseur hs
Longueur L Fréquence de résonance f1 Epaisseur hs
50Hz 2.64µm 8mm 1kHz 52µm 50Hz 0.04µm 1mm 1kHz 0.82µm
De manière à obtenir une raideur suffisante pour contrecarrer les efforts de pression s’exerçant sur la micropoutre défléchie, on choisira une longueur de 8 mm et une épaisseur de poutre de 52 µm.
La largeur du canal d’admission étant fixée à 1 mm, on fabriquera une poutre de largeur plus importante (4 mm) de manière prévenir l’apparition de fuites le long des bords de cette dernière.
Fig. 5. 8. Largeurs relatives du conduit d’admission et de la poutre vibrante (a), adaptation progressive de la largeur du canal en sortie.
Calcul de la déflexion de la micropoutre :
De manière à dimensionner les microcanaux d’entrée, le calcul de la déflexion de la poutre sous l’effet des contraintes magnétostrictives est nécessaire. En effet, ce dernier doit être supérieur à la demi-épaisseur du canal d’entrée de manière à obtenir l’obstruction presque complète d’un des deux canaux de sortie (cf. Fig. 5. 9).
l
hf hs
∆d
e/2
Fig. 5. 9. Calcul de la déformation valable en bout de micropoutre, variables.
La déformation totale induite en bout de poutre par un film magnétostrictif d’épaisseur hf est donnée par l’équation [6]:
² ) 1 ( ² * 35 . 4 s f s s h h E b l d ≈ +ν ∆ 5.3
La variable b constitue le coefficient de magnétostriction, il avoisine 10 MPa dans le cas des multicouches TbFe/Fe.
La valeur de déflexion correspondant à la structure considérée (hf=0.2 µm) est égale à 1.5 µm. Cependant, en considérant un coefficient de qualité Qm de l’ordre de 100 pour l’actionnement
L’épaisseur e du canal est donc fixée à 50 µm de manière à garantir une bonne déflexion du microjet. La très grande perte de charge associée permet de pressentir des performances fluidiques assez mauvaises pour ce type de microvale se manifestant par une vitesse peu élevée en sortie.
2.3. Procédé de fabrication
De manière à réaliser les profondeurs importantes imposées par le dimensionnement des structures de l’ordre de 50 µm, le prototype final consiste en une série de pièces fabriquées indépendamment, puis assemblées à l’aide des techniques de collage décrites dans la partie 4. La microvalve est composée d’un ensemble de cinq pièces (cf. Fig. 5. 10), soit une micropoutre recouverte de film magnétostrictif, deux entretoises permettant une bonne déflexion de la micropoutre et deux couvercles fermant les canaux de sortie. Poutre et entretoises sont réalisées en silicium, alors que le verre est choisi pour la fabrication des couvercles (accès optique intéressant pour la caractérisation).
Poutre
Entretoises
Fig. 5. 10. Vue éclatée de la microvalve à poutre vibrante.
Gravure
Le procédé de fabrication des pièces en silicium est analogue à celui choisi pour la réalisation des microvalves à membrane souple : la gravure humide KOH est utilisée pour la fabrication des micropoutres et des entretoises. Une simplification du procédé consiste à usiner simultanément la micropoutre et son entretoise inférieure, évitant ainsi la manipulation périlleuse de substrats amincis à 50 µm. Les étapes de gravure sont résumées sur la Fig. 5. 11.
Silicium Nitrure Si3N4 Résine AZ 1518 RIE, CHF3/CF4
Dépôt Gravure RIE Nettoyage Gravure chimique
Fig. 5. 11. Etapes de gravure pour la fabrication de la micropoutre et de ses entretoises.
Fabrication des canaux
Les canaux sont quant à eux réalisés en résine photosensible SU-8, choisie pour sa viscosité importante, permettant le dépôt de couches épaisses jusqu’à 200µm. Les problèmes liés à l’utilisation de ce type de résine époxy sont liés aux contraintes résiduelles très fortes, à sa mauvaise planéité en forte épaisseur et à sa mauvaise adhérence sur silicium.
Les canaux sont réalisés par lithographie classique sur verre déshydraté de manière à garantir une adhérence correcte de la couche de résine. Après avoir été réticulée aux UV, la couche de résine est recuite et révélée. Les contraintes importantes sont relaxées grâce à des marques de clivage séparant la couche de résine en îlots successifs.
Assemblage
Les pièces sont assemblées par collage de type SU-8 (cf. partie 4). La mauvaise planéité des canaux en SU-8 ne permettant pas un collage complet (épaisseur de la couche de collage : 2µm), on réalise un joint étanche sur le pourtour de la microvalve en résine époxy.
Verre Silicium Nitrure Si3N4 Résine AZ 1518 Collage SU-8 Couvercle SU-8 Verre Poutre Silicium Nitrure Entretoise (Si) Couvercle (verre) Micropoutre et film magnétostrictif Microcanal (sortie) Microcanal (entrée)