Capteurs MEMS pour les mesures d'écoulement en environnement sévère

MEMS sensors for flow measures in harsh environment

• Auteur / Autrice : Sylvain Kern
• Direction : Abdelkrim Talbi, Philippe Pernod
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

Capteurs thermiques

Mems/nems

Contrôle actif d'écoulements

Capteur de frottement

Capteur de pression

Thermal sensors

Mems/nems

Active flow control

Friction sensor

Pressure sensor

Résumé

La capacité de quantifier avec précision le frottement et la pression pariétaux dans des environnements difficiles et à haute température est importante pour de nombreuses communautés de recherche et d'industrie. Dans la communauté de la recherche aérospatiale, la mesure du frottement dans des écoulements fondamentaux tels que les couches limites compressibles à gradient de pression nul peut conduire à l'amélioration des modèles de turbulence. L'étude de phénomènes d'écoulement plus complexes, tels que la transition entre couche limite laminaire et couche limite turbulente, les interactions onde de choc/couche limite et les écoulements séparés, peut conduire à une amélioration des performances des véhicules de vol hypersoniques. Le contrôle actif de l'écoulement pour les turbines à gaz et les véhicules de vol à haute performance peut être mis en œuvre conjointement avec la mesure du frottement pariétal pour retarder le décrochage de l'écoulement et réduire la traînée visqueuse. Les capteurs d'écoulement thermiques trouvent plus souvent des applications dans des environnements difficiles que les capteurs non thermiques, en raison de leur réponse rapide et de l'absence de pièces mobiles. Parmi les différents capteurs à semi-conducteurs, les capteurs à base de silicium jouent un rôle important dans de nombreuses applications. Cependant, les capteurs à base de silicium ne peuvent pas fonctionner à des températures élevées supérieures à 500 °C et cela pendant une longue période en raison de la dégradation du silicium à ces températures. Pour résoudre les limitations du silicium, des matériaux alternatifs ont été utilisés dans les capteurs pour environnements difficiles. Par exemples, le carbure de silicium (SiC) et le diamant poly-cristallin ont suscité beaucoup d'intérêt pour les applications de détection dans les environnements difficiles. Ils présentent une dureté élevée, une bonne conductivité thermique et sont également chimiquement inerte. Les objectifs de cette thèse sont de (i) Développer des technologies avancées de capteurs thermiques pour la mesure multi-paramètres frottement et pression pariétaux, deux signatures de la physique des écoulements laminaires et turbulents. (ii) Adapter les conceptions des capteurs thermiques brevetés par l'IEMN pour un fonctionnement en environnement représentatif des applications réelles (environnement humide, température dans la gamme -100°C à 400°C, vibrations, chocs). Il s'agira donc de lever les verrous technologiques associés à cette approche innovant : • Utiliser des matériaux chimiquement inertes et thermiquement stables (céramique, matériaux à large bande interdite et métaux inertes). • Utiliser la technologie de fabrication des semi-conducteurs pour élaborer ces capteurs. • Développer des capteurs thermiques pouvant s'interfacer avec des composants électroniques simples, avec mise en œuvre d'alimentation à distance, l'électronique étant l'un des verrous majeurs pour l'utilisation de capteurs en environnement sévère.

The ability to accurately quantify wall friction and pressure in harsh, high-temperature environments is important in many research and industry applications. In the aerospace research community, measuring friction in fundamental flows such as zero pressure gradient compressible boundary layers can lead to the improvement of turbulence models. The study of more complex flow phenomena, such as the transition between laminar boundary layer and turbulent boundary layer, shock wave/boundary layer interactions and separated flows, can lead to improved performance of hypersonic flight vehicles. Active flow control for gas turbines and high performance flight vehicles can be implemented in conjunction with wall friction measurement to delay flow stall and reduce viscous drag. Thermal flow sensors more often find applications in harsh environments than non-thermal sensors, due to their fast response and lack of moving parts. Among the various semiconductor sensors, silicon-based sensors play an important role in many applications. However, silicon-based sensors cannot operate at high temperatures above 500°C for a long time due to silicon degradation at these temperatures. To overcome the limitations of silicon, alternative materials have been used in harsh environment sensors. For example, silicon carbide (SiC) and polycrystalline diamond have generated a lot of interest for sensing applications in harsh environments. They exhibit high hardness, good thermal conductivity and are also chemically inert. The objectives of this thesis are to (i) Develop advanced thermal sensor technologies for the multi-parameter measurement of wall friction and pressure, two signatures of the physics of laminar and turbulent flows. (ii) Adapt the designs of the thermal sensors patented by the IEMN for operation in an environment representative of real applications (humid environment, temperature in the range -100°C to 400°C, vibrations, shocks). It will therefore be a question of removing the technological obstacles associated with this innovative approach: • Use chemically inert and thermally stable materials (ceramics, wide bandgap materials and inert metals). • Use semiconductor fabrication technology to build these sensors. • Develop thermal sensors that can interface with simple electronic components, with implementation of remote power supply, electronics being one of the major locks for the use of sensors in harsh environments.