Résultats

9.2.1 Premiers essais : masque métallique

Pour les premiers tests, nous avons utilisé un masque métallique usiné dans un alliage à base d’acier. La taille des grains de 30µm impose en pratique une ouverture minimum dans le masque de 60 µm (environ

deux fois la taille du grain) pour que l’usinage soit efficace, c’est-à-dire pour qu’un grain puisse passer facilement par l’ouverture.

Des réseaux linéaires et bidimensionnels ont été usinés dans une plaque de PZT de 500 µm. Ils sont

présentés sur la photo 9.2.

FIG. 9.2 – Réseaux 1D et 2D obtenues par micro-sablage avec un masque métallique.

Après quelques minutes d’usinage, on a obtenu pour les réseaux linéaires des rainures de 250 µm de

profondeur pour des périodes de 500µm et 600 µm respectivement. Le réseau bidimensionnel présente une

période de 600µm. Le masque métallique correspondant consiste simplement en une plaque dans laquelle

on a usiné un ensemble de lignes. Pour obtenir le réseau bidimensionnel, le masque a été tourné de 90 degrés avant d’effectuer une deuxième passe. La figure 9.3 présente des vues du réseau bidimensionnel obtenues au MEB. Les flancs ne sont pas verticaux et le fond des rainures présente un profil en forme de cuvette.

Enfin, une plaque de PZT a été collée sur un matériau absorbant (au sens de l’acoustique) et usinée sur toute son épaisseur, donnant la structure présentée sur la figure 9.4. Le résultat final est un réseau de pyra- mides tronquées. Comme on l’a vu pour les premières structures, les flancs ne sont pas verticaux. Toutefois, ce test démontre la possibilité d’usiner une plaque de PZT sur toute son épaisseur. De plus, le support n’est pas usiné et agit comme une couche d’arrêt. Cela n’a rien d’étonnant puisque ce type d’usinage est destiné aux matériaux durs, cassants ou fragiles alors que le matériau absorbant est une résine. Néanmoins, ces premiers essais démontrent la pertinence de ce type d’usinage pour une céramique piézoélectrique telle que le PZT.

9.2.2 masque in-situ en PDMS

Avec un masque métallique, il s’avère impossible de réaliser des structures complexes comme par exemple un réseau de cylindres de PZT organisés en quinconce. La solution pour pallier ce problème est de déposer un masque in-situ à même la surface du substrat. Différents matériaux ont été testés à l’EPFL, mon- trant qu’un matériau approprié est l’élastomère de silicone (ou PDMS). L’élastomère utilisé pour nos tests a pour référence Sylgard 184. Le PDMS peut être rendu photosensible en vue de faire une photolithographie 178

9.2. Résultats

FIG. 9.3 – Vues au MEB du réseau 2D.

Chapitre 9. Micro-sablage

afin d’obtenir le motif désiré. Toutefois, la résolution n’est pas aussi bonne qu’une résine photosensible dédiée aux procédés de photolithographie de salle blanche. On a préféré une autre alternative qui est de fabriquer un moule à même le substrat et représentant la contreforme du motif désiré. Ce moule est obtenu par un procédé de photolithographie de résine épaisse, procédé connu sous le nom de LIGA-UV. Un moule en résine épaisse – ici de la SU-8 – est ainsi fabriqué à la surface de la plaque de PZT. Le PDMS est ensuite déposé par enduction par-dessus le moule.

(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)

FIG. 9.5 – Etapes de l’usinage avec un masque en élastomère de silicone moulé. (a) Le PZT (gris foncé) est collé sur un support. (b) et (c) Création du moule de SU-8 par un procédé de lithographie (LIGA-UV). (d) Moulage du masque en élastomère de silicone. (e), (f) et (g) Micro-sablage proprement dit.

La figure 9.5 présente les étapes de l’usinage. La fine couche d’élastomère, qui persiste au-dessus des motifs de SU-8 quand on fait le moulage, est enlevée par les premières particules projetées (figure 9.5(e)). Ensuite le moule de SU-8 est usiné à son tour (figure 9.5(f)) alors que le masque d’élastomère reste en place, exposant ainsi les zones désirées de la plaque de PZT.

Usinage à incidence normale

Le premier échantillon est une plaque PZT de 500µm d’épaisseur collée sur un matériau absorbant avec

une résine époxy électroconductrice. Le faisceau de poudre abrasive est orienté à incidence normale par rapport à la surface du substrat. Comme on le voit sur les photos de la figure 9.6, les plots, séparés les uns des autres, ont tendance à se décoller. Il s’avère que la colle n’est pas sèche partout. En effet, coller deux substrats pleine plaque ne permet pas à la colle d’être en contact avec l’air et au solvant contenu dans la résine de s’évaporer.

Néanmoins, le masque en élastomère de silicone résiste bien à la projection des particules abrasives et remplit correctement son rôle. A incidence normale du jet, on obtient des plots en forme de bouteilles. Le diamètre en haut des plots (au niveau du masque) est de 250µm pour une distance centre-à-centre de 500 µm.

9.2. Résultats

FIG. 9.6 – Vues au MEB du réseau obtenu avec une incidence normale du faisceau.

Même si ces résultats ne sont pas tout-à-fait ceux attendus (flancs verticaux), ils n’en restent pas moins intéressants. Des piézocomposites construits sur la base de ce type de plots sont susceptibles de présenter une impédance acoustique qui varie avec l’épaisseur, autrement dit une amplification naturelle du dépla- cement d’une face du composite, accompagnée d’une diminution de l’impédance acoustique de cette face. Cela revient à émettre plus de puissance dans le milieu (moins d’énergie perdue dans l’absorbant) et à élar- gir la bande passante grâce à une adaptation d’impédance plus aisée. Cette propriété est particulièrement intéressante pour les applications médicales, et les applications de contrôle non-destructif en immersion.

Usinage à incidence oblique

L’objectif est ici d’obtenir une bonne conservation de la forme des cylindres de PZT sur toute l’épaisseur. Une plaque de 1 mm d’épaisseur est usinée suivant le deuxième procédé évoqué auparavant, c’est-à-dire avec une incidence oblique du faisceau de particules et une rotation du porte-substrat. Le résultat présenté sur la figure 9.7 se caractérise par une sous-gravure de la plaque (gravure sous le masque) et par des flancs presque verticaux. Des réseaux carrés et hexagonaux ont été obtenus avec cette méthode avec un facteur de forme de l’ordre de quatre pour les plots. La figure 9.8 illustre le profil obtenu avec ce type d’usinage.

Ces premiers résultats d’usinage à incidence oblique sont encourageants pour de futures avancées du procédé, notamment l’utilisation de grains de diamètre inférieur qui devrait permettre de structurer des motifs plus petits.

Chapitre 9. Micro-sablage

FIG. 9.7 – Vues au MEB du réseau obtenu avec une incidence oblique du faisceau.

FIG. 9.8 – Représentation schématique du profil obtenu avec un faisceau de particules oblique.