Composants MEMS pour l’aéronautique : application au contrôle actif d’écoulements

MEMS components for aeronautics : application on active flow control

• Auteur / Autrice : Leticia Gimeno Monge
• Direction : Alain Merlen, Philippe Pernod
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nano technologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 17/06/2009
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant -- Couches minces

Anémomètres à fil chaud

Microcapteurs

Jets d'air

Microactionneurs

Décollement des écoulements

Couche limite -- Contrôle

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Jet synthétique

Résumé

Les besoins de l’industrie aéronautique en matière de contrôle d’écoulements peuvent trouver réponse parmi des possibilités offertes par les microtechnologies. Ce travail présente le dimensionnement, la réalisation et la caractérisation d’actionneurs MEMS générateurs de microjets synthétiques à membrane souple pour le contrôle actif d’écoulements. On y trouve aussi la réalisation d’un prototype de microcapteur à fil chaud pour la caractérisation d’écoulements aérauliques submillimétriques. Le travail s’appuie sur des études analytiques, des simulations et des expériences sur les microdispositifs réalisés. La technique d’actionnement électromagnétique utilisée apparaît comme la plus adaptée aux forces nécessaires pour l’obtention des performances souhaitées. L’encombrement des dispositifs est inférieur au centimètre cube et leur consommation maximale est de 600 mW. Le fonctionnement optimal se situe sur une plage de fréquences comprise entre 400 Hz et 700 Hz. Pour un orifice de sortie de 600 µm de diamètre, le dispositif affiche des vitesses maximales comprises entre 25 m/s et 55 m/s. Des prototypes de capteur de type fil chaud d’échelle submillimétrique ont également été réalisés. Plusieurs longueurs d’élément sensible ont été élaborées (entre 100 µm et 600 µm) sur un support en couche mince de diamant nanocristallin de 600 µm de long. L’aboutissement de ce procédé technologique constitue un premier pas vers l’obtention de microcapteurs robustes adaptés à la caractérisation d’écoulements aérauliques à l’échelle submillimétrique et vers la constitution d’un système de contrôle réactif d’écoulement.

Active flow control applications for the aeronautical industry can benefit from the possibilities of microtechnologies. This thesis presents a synthetic microjet generator for active flow control that has been designed, fabricated and characterized. The fabrication of a hot-wire microsensor prototype for submillimetric airflow characterization is shown as well. Analytical studies, numerical simulations and experimental tests of the fabricated microdevices were performed. Electromagnetic actuation is used as driving technique because it stands out as the best adapted means for providing the necessary forces for the desired performances. The size of the fabricated microdevices does not exceed one cm3 and their maximum consumption reaches 600 mW. Optimum working point is in the frequency range between 400 Hz and 700 Hz. In this range, a 600 µm diameter outlet microdevice reaches maximum speeds between 25 m/s and 55 m/s. Micro hot-wire sensor prototypes have also been fabricated. Several wire-lengths were produced (between 100 µm and 600 µm) over a 600 µm long thin-film nanocristalline diamond support structure. The validation of this technological process is a first step towards both the realization of robust microsensors adapted to submillimetric airflow characterization and the integration of a complete reactive flow control system.