Systèmes Mésoélectroniques-Capteurs Groupe Capteurs
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Systèmes Mésoélectroniques-Capteurs Groupe Capteurs Instrumentation et Microsystèmes Equipe Microsystèmes Micromoteur électrostatique à capacité variable (collaborations LAAS, IEF) La plupart des moteurs électriques classiquement rencontrés sont de type électromagnétique. Bien qu'ayant été inventés les premiers (1748 Benjamin Franklin), les moteurs utilisant les forces électrostatiques ont quant à eux trouvé très peu d'applications du fait des faibles efforts qu'ils développent et des hautes tensions d'alimentation qu'ils nécessitent dans les gammes de dimensions courantes. Pourtant, les moteurs électrostatiques sont à nouveau à l'ordre du jour et font l'objet d'études dans plusieurs laboratoires de recherche. En effet, pour des dimensions extrêmement réduites (échelle micrométrique), ce type de moteur développe des efforts intéressants et ne nécessite pas des tensions d'alimentation extrêmement élevées. D'autre part, les moteurs électrostatiques présentent l'avantage de pouvoir facilement être miniaturisés et de nouvelles techniques d'usinage, dérivées des procédés d'intégration utilisés en microélectronique, ont été mises au point pour fabriquer ces nouveaux microactionneurs. Les études effectuées au LESiR sur la modélisation et la simulation de tels moteurs se sont faites dans le cadre de deux GDR : GDR Microsystèmes et GDR Imagerie Médicale multimodalité quantitative. Exemple d'application potentielle : Conception et réalisation d'un cathéter avec micromoteur intégré L'échographie ultrasonore intravasculaire se fait à l'aide de cathéters véhiculant un transducteur piézoélectrique à leur extrémité. Afin de réaliser une image, il est nécessaire d'effectuer un balayage de l'onde ultrasonore avec une grande précision sur la vitesse et la position angulaire de l'élément en rotation. En réponse à ce cahier des charges, nous présentons la possibilité d'introduire à l'extrémité du cathéter un micromoteur de type électrostatique. Le microactionneur doit avoir un diamètre hors tout (moteur+connexions) de 1 à 2 mm, il doit entraîner un miroir acoustique dans un liquide de couplage à une vitesse de rotation de 500 à 2000 tr/mn paroi du vaisseau sanguin capteur + miroir cathéter avec arbre flexible moteur Système actuel cathéter micromoteur miroir faisant tourner le miroir capteur ultrasonore Extrémité du cathéter comprenant un micromoteur Action du LESiR : Modélisation des micromoteurs électrostatiques en vue de leur dimensionnement Le dimensionnement des micromoteurs électrostatiques est en Couple Moteur (Nm/m) général basé sur l'utilisation de simulation numérique utilisant des codes 3 x 10 -4 de calcul par éléments finis. Mais, à cause des nombreuses combinaisons 60/40 géométriques possibles, ce type d'optimisation nécessite beaucoup de 2.5 temps de calcul et doit être renouvelé pour chaque application en fonction 54/36 du cahier des charges. Nous avons mis au point une optimisation des 2 48/32 moteurs électrostatiques à réluctance diélectrique variable (MRDV) à 1.5 excitation radiale basée uniquement sur une modélisation analytique de 42/28 l'évolution de la capacité stator/rotor. A partir d'un cahier des charges fixé 1 36/24 et des limites du procédé de fabrication utilisé, cette optimisation permet 30/20 24/16 de dimensionner le micromoteur délivrant un couple moyen maximum et 0.5 18/12 6/4 12/8 une ondulation de couple minimale. Après avoir mis au point cette 6/4 modélisation analytique, nous avons développé des outils de simulations 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 rayon rotorique numériques (sous Matlab) afin de prédire le fonctionnement dynamique de Couple moteur optimal en fonction du ce type de micromoteur électrostatique. rayon rotorique Contact : I. DUFOUR LESIR/SMC E. SARRAUTE LESIR/SMC SMC/GCIM tél. : 33 (0) 1 47 40 55 87 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] tél. : 33 (0) 1 47 40 55 86 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] Septembre 1998 4.5 x 10 -4 Systèmes Mésoélectroniques-Capteurs Groupe Capteurs Instrumentation et Microsystèmes Equipe Microsystèmes Micropompe électrostatique à membrane (collaborations ESIEE, IEF, LAAS) Dans le cadre de l’action 'Micromed' du GDR Microsystèmes notre équipe s’est attachée à étudier le dimensionnement et le comportement des micropompes à membrane pour la délivrance de médicaments in vivo. Le choix de l’actionnement résulte d’une étude comparative faite entre les différentes solutions envisageables (thermopneumatique, magnétique, piézo-électrique, électrostatique) : la solution thermopneumatique a été écartée compte tenu des problèmes d’échauffement qu’elle engendre, la solution magnétique conduit également à des échauffements et à une consommation relativement importante, les solutions piézo-électriques et électrostatiques paraissent donc intéressantes pour l’application. Pour des raisons de simplicité de fabrication la solution électrostatique a dans un premier temps été retenue. Exemple d'application potentielle (Micromed) : Traitement de l'hypertension Compression de l'artère Artère Pompe d'injection de médicament Module de traitement des signaux et de commande Ce microsystème d'administration de médicaments in vivo visant le traitement de l'hypertension artérielle instable devra avoir un volume extérieur de 1cm 3 et comportera un réservoir de médicament de 3cm3 Délivrance du médicament Réservoir Capteur de pression Action du LESiR : Modélisation des micropompes électrostatiques en vue de leur dimensionnement Notre étude s’est décomposée en deux étapes : une modélisation du fonctionnement statique et des simulations du fonctionnement dynamique de la micropompe électrostatique à membrane. - Une modélisation analytique du comportement statique a été mise au point afin d’appréhender l’influence des différents paramètres dimensionnels. Cette modélisation prend en compte le phénomène d’instabilité de l’actionnement électrostatique qui dans un tel système peut conduire au plaquage de la membrane contre l’électrode. Le modèle analytique développé permet de montrer l’intérêt d’utiliser ce type de pompe avec des tensions d’alimentation supérieures à la limite de collement (volume déplacé et pression générée plus importants). D’autre part, le fait que cette modélisation soit paramétrique permet d’optimiser les dimensions des micropompes : nous avons montré que pour une tension d’alimentation donnée, il existe un entrefer optimal qui permet d’avoir un volume élémentaire déplacé maximum et qui permet également d’obtenir un minimum de variation de ce volume en fonction des variations d’entrefer dues au procédé de fabrication. Membrane déformée Electrode Isolant (nl) 40 35 Volume Décollement P=0Pa 30 U 25 Hystérésis 20 15 Chambre Valves 10 5 Collement 0 -5 Entrée Sortie Structure de micropompes -10 0 P=-2000Pa 20 40 60 80 Tension 100 120 (V) Modélisation statique - Des programmes de simulation dynamique du comportement de la micropompe ont également été mis au point afin de pouvoir prédéterminer les caractéristiques globales du système. Ces programmes de simulation tiennent compte du plaquage possible de la membrane contre l’électrode et de l’hystérésis qui en découle. L’originalité de ces simulations vient du fait qu’ils sont utilisables pour des tensions supérieures à la limite de collement et que les programmes sont modulaires. Contact : I. DUFOUR LESIR/SMC O. FRANCAIS LESIR/SMC SMC/GCIM tél. : 33 (0) 1 47 40 55 87 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] tél. : 33 (0) 1 47 40 55 87 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] Septembre 1998 Systèmes Mésoélectroniques-Capteurs Groupe Capteurs Instrumentation et Microsystèmes Equipe Microsystèmes Microtransformateur piézoélectrique (collaborations universitaires : ESIEE) (collaborations industrielles : GAÏA CONVERTER, PZT INTERNATIONAL) Introduction : La miniaturisation de plus en plus poussée des matériels mobiles utilisés en télécommunication mais aussi dans d’autres domaines d’application tels que le génie médical ou l’instrumentation, nécessite de disposer de sources d’énergie électrique de quelques Watts à quelques dizaines de Watts, très compactes, et offrant de bonnes performances en terme de rendement, de fiabilité, de compatibilité électromagnétique. Dans ce cadre, l’utilisation de transformateurs piézoélectriques apparaît comme une solution tout à fait prometteuse par comparaison à la solution électromagnétique classique. L’utilisation d’une telle technologie pourrait permettre, à terme, d’envisager la fabrication de convertisseurs électriques monolithiques (ce qui n’est pas le cas actuellement) à coût réduit, tout en améliorant leur fiabilité et réduisant leur taille. Applications : L’amélioration des techniques de fabrication de céramiques piézoélectriques massives ou sous forme de couches minces permet d’envisager de nouvelles architectures de transformateurs piézoélectriques bien adaptées à certaines applications identifiées, dans une gamme de puissance inférieure à 30 Watts : (i) alimentations réparties DC/DC pour cartes ou dispositifs électroniques (ii) convertisseurs AC/DC pour adaptateurs secteur intégrés d’équipements portables (iii) alimentations intégrées hautes tensions pour rétroéclairage d’écrans LCD (iiii) alimentation haute tension pour lampe à décharge. Action du LESiR : Notre équipe a développé depuis quelques années une expérience en terme de modélisation, de dimensionnement de structures piézoélectriques. Nous étudions et mettons au point des méthodes de modélisation et de simulation de structures piézoélectriques basées sur la définition de modèles électriques équivalents ainsi que sur l’utilisation de code de calculs par éléments finis en deux et trois dimensions (ANSYS). Ces deux techniques permettent d’appréhender de façon à la fois locale et globale le fonctionnement des structures. Notre démarche de travail consiste à mettre au point des méthodes de dimensionnement permettant de définir, compte-tenu d’un cahier des charges initial, la structure de transformateur adaptée à telle ou telle application. Enfin, nous travaillons actuellement sur la réalisation d’un convertisseur électrique DC/DC - 48V/5V - 20 W , dont les performances seront comparées à des produits classiques du marché. Basse tension effet inverse énergie mécanique (résonance) effet direct Haute tension Principe et structure élémentaires Contact : E. SARRAUTE LESIR/SMC S. HALLAERT LESIR/SMC SMC/GCIM tél. : 33 (0) 1 47 40 55 86 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] tél. : 33 (0) 1 47 40 55 86 - fax : 33 (0) 1 47 40 21 99 email : [email protected] Septembre 1998
