Enseignant - chercheur
- Microphones MEMS
- Résumé des travaux
- Microphone à électrode arrière étagée
- Caractérisation mécanique des microstructures
- Modélisation de sources acoustiques
- Thermo-acoustique miniature
- Absorbeurs electro-dynamiques
- Absorbeurs electrodynamiques
- Micro Haut-parleurs
Microphones MEMS
Depuis mon arrivée au LAUM en 1995, je me suis investi dans le montage d'un domaine de recherche : les micro systèmes acoustiques. A cette fin j'ai monté une première salle blanche au sein de l’École Nationale Supérieure d'Ingénieurs du Mans (ENSIM) alors en création (suivi de chantier de la salle blanche et installation des premiers matériels de microfabrication : aligneur, tournette, microscope ; installation de l'atelier de chimie et du four d'oxydation thermique) et j'ai participé au montage de la plate-forme de micro-technologies qui s'est développée autour de ce premier îlot : seconde salle blanche et salles afférentes (aménagement de la salle de chimie avec des outils de découpe – salle de caractérisation). J'ai également développé des enseignements en microtechnologies aux niveaux L2 - seconde année de DUT Mesures physiques - Master 1 et Master 2 - 4° et 5° années ENSIM, master IMDEA(International Master Degree in Electo-Acoustics).
L'ensemble
des activités relatives aux microphones MEMs, développées au sein
de ce domaine de recherche, est résumé sur la figure 1. Les
activités en jaune sont celles que j'ai développé personnellement
(modèles
numériques de
microphones à l'aide de codes industriels – COMSOL – IDEAS,
modèle analytique de la détection piézorésistive, caractérisation
de sources acoustiques, mesure des paramètres mécaniques - E,
-
d'une poutre composite précontrainte, mesure des déformées
statique et dynamique d'un diaphragme, caractérisation de la
sensibilité d'un microphone par vibrométrie laser à balayage de la
déformée dynamique de sa membrane),
celles en orange (prise
en
compte des effets thermovisqueux dans les couches limites lors de la
modélisation numérique de microsystèmes acoustiques, modélisation
analytique en fluide thermovisqueux de microphones – modèles à
constantes localisées, conception et fabrication de transducteurs
ioniques miniatures) ont
été
développées en collaboration avec des collègues du laboratoire.
Les autres activités sont en cours de développement ou en
gestation.
Figure 1 : Activités de recherche relatives aux microphones MEMS
Dans
le cadre de la co-tutelle de thèse de Petr Honzik, nous avons
développé des microphones capacitifs à électrode arrière
parabolique. Cette forme d'électrode convexe est une idée originale
de Zdenĕk
Škvor
destinée à diminuer l'amortissement visqueux au sein de l'espace
inter-électrodes sans pour autant dégrader la sensibilité
basse-fréquences du microphone. Après avoir testé différentes
techniques de fabrication (dépôt électrochimique sur empreinte
inversée, photolithographie sur résines en couches épaisses) nous
avons adapté la forme idéale du paraboloïde aux nécessités de la
micro-fabrication, ce qui a donné le microphone à électrode
arrière en gradins (approchant une forme de paraboloïde, cf. figure 2) [RICL-4 & RICL-6].
Le diamètre maximal est de 3 mm et les épaisseurs des gradins sont de
2, 3, 4 et 5 µm (de haut en bas) (image obtenue par profilométrie à
stylet).
Figure 2 : Electrode arrière en gradins
<Retour en haut de page>
Afin de caractériser la tension des membranes de microphones, une technique originale permettant la détermination simultanée du module d'élasticité E et de la précontrainte s0 a été développée. Elle permet, par résolution d'un problème inverse non-linéaire, de remonter à ces deux paramètre dans le cas d'une structure de test de type poutre (figure 3). Le modèle prend en compte la tension de la poutre due à la précontrainte et utilise la force d'appui contrôlée du stylet du profilomètre comme charge transverse (figure 4).
Figure 3 : Micro-poutres de 6 et 4,2 mm de long, de largeurs 150 et 70 µm et d'épaisseur 30 µm
Figure 4 : Modélisation de la poutre encastrée-encastrée précontrainte sous charge transverse : efforts, moments et conditions aux limites.
La nécessité de maîtriser le comportement des sources acoustiques utilisées pour la caractérisation des microphones MEMS nous a amenés à modéliser leur comportement. Il s'agit de microphones réciproques B&K 4134 utilisés comme sources acoustiques sur la bande de fréquences 20 Hz - 100 kHz. La mesure du déplacement du diaphragme de ces microphones par vibrométrie laser à balayage a clairement montré l'influence des perforations de l'électrode arrière sur le comportement de ce dernier. La figure 5 montre la déformée mesurée et celle simulée sur la base d'un modèle analytique à constantes généralisées prenant en compte less effets visqueux et thermiques dans les couches limites.
Figure 5 : Champs de déplacement du diaphragme du microphone B&K4134, mesuré (à gauche) et simulé (à droite) pour une fréquence d'excitaion de 71,9 kHz (polarisation de 200 V - excitation sinus d'amplitude c-c 80 V)
<Retour en haut de page>
Thermo-acoustique miniature
Dans le cadre du contrat ANR "Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes : applications à la réfrigération", la faisabilité d'échangeurs réalisés par technologies MEMS (DRIE et LIGA-UV) a été testée. La DRIE (contrat exogène MIMENTO) a donné de bons résultats, la figure 6 montre les structures réalisées : épaisseur 1 mm,largeur 30 mm, hauteur 14 mm.
Figure 6 : Echangeurs en silicium de 1 mm d'épaisseur gravés par DRIE
Figure 7 : Echangeur en nickel de 200 µm d'épaisseur réalisés par LIGA-UV
<Retour en haut de page>
Absorbeurs électro-dynamiques
Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du contrat Région Pays de Loire MEMSPA visant à developper des solutions d'absobeurs acoustiques pour l'aéronautique. Ils ont été menés en collaboration avec les collègues de l'Institut d'Electronique Fondamentale d'Orsay. Depuis 2011, je m'intéresse également aux haut-parleurs miniatures (séjour comme enseignant invité à l'EPFL Lausanne – Hervé Lissek) dans le cadre de la thèse d'Alexandre Houdouin (financée sur le contrat région Pays de la Loire MEMSPA) en collaboration avec l'Institut d’Électronique Fondamentale d'Orsay (Elie Lefeuvre, Emile Martincic). Cette thèse à eu pour but de démontrer la faisabilité de parois acoustiques absorbantes utilisant des micro-haut-parleurs MEMS. Les dispositifs utilisés sont une version améliorée des micro-haut-parleurs développés précédemment dans le cadre du contrat ANR SAIPON. Ces travaux de thèse ont donné lieu à deux publications internationales [RICL-12, RICL-15], quatre conférences internationales [CIA-17, CIA-18, CIA-20, CIA-21, CIA-22] et une conférence nationale [CNA-13]. Un brevet est en cours de dépôt.
Figure 8 : Panneau absorbant portant des Visaton K16 à l'extrémité d'un tube de Kundt
Les micro haut-parleurs utilisés dans les absorbeurs aléctrodynamiques sus-cités sont des Visaton K16 50 Ohms. Mais leur fréquence de résonnance ne permettant pas de cibler la bande de fréquence d'absorption désirée, nous avons recommencé à produire, amélioré et utilisé les micro haut-parleurs silicium MEMs, développés précédemment dans le cadre de la thèse d'Imans Shaohosseini (co-encadrement LAUM - IEF Orsay) financées par le contrat ANR SAÏPON. Ces micro haut-parleurs présentatnt comme défaut des fuites acoustiques, nous avons développé un joint polymère et le procédé permettant de le rapporter sur le micro-haut-parleur silicium.
Figure 9 : Mouvement Hors plan du Micro-HP illustrant les fuites acoustiques
Figure 10 : Micro_HP avec joint acoustique
Transducteurs à Micro-plasmas
Enfin, depuis 2012, je participe à la réalisation et à la caractérisation de transducteurs ioniques à micro-plasma à travers l'encadrement de la thèse d'Adalbert Nanda-Tonlio en partenariat avec Philippe Béquin (initiateur de la thématique des transducteurs acoustiques à plasma au LAUM et responsable de l'O.R. Capteurs et Actionneurs), thèse également financée par le contrat région MEMSPA. Des premiers transducteurs à micro-plasma ont été réalisés, le banc de caractérisation est maintenant validé et les transducteurs sont en phase d'optimisation. Ces travaux ont donné lieu à une conférence nationale avec actes présentant les premières mesures permettant de qualifier le banc de caractérisation.
Figure 11 : banc de caractérisation de transducteurs à Micro Plasma