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Auteur(s)
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Emmanuel SARRAUTE : Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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Isabelle DUFOUR : Chargé de recherche au CNRS - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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La volonté de miniaturiser les actionneurs ne date pas d’hier et les progrès accomplis en ce domaine, par l’industrie horlogère notamment, le prouvent. Mais alors que les méthodes classiques d’usinage ont atteint leurs limites, de nouvelles techniques de fabrication, issues pour la plupart des procédés utilisés en micro-électronique, permettent maintenant de réaliser des pièces méca-niques à l’échelle micrométrique. Les premiers micromoteurs usinés sur silicium apparaissent à la fin des années 1980. Dans des domaines d’application où les dimensions jouent un rôle très important, comme par exemple le génie médical et biologique, l’espace et l’instrumentation, l’enjeu est considérable.
À l’image des moteurs « classiques », c’est-à-dire de taille macroscopique, plusieurs principes de fonctionnement peuvent être mis en évidence. Cependant, nous nous restreindrons dans cet article à l’étude des micromoteurs électrostatiques à capacité variable. Après avoir présenté quelques procédés de fabrication et réalisations, nous étudierons les effets de la miniaturisation sur les performances statiques et dynamiques des convertisseurs électromécaniques. L’intérêt des systèmes électrostatiques étant mis en évidence dans les très petites dimensions, nous aborderons les principes de fonctionnement et présenterons ensuite une méthode systématique de dimensionnement qui, sur la base de règles topologiques simples et d’un cahier des charges donné, permet de définir une structure optimale en terme de couple moyen maximal. Enfin, pour mieux apprécier les performances théoriques de ce type de micromoteur, nous étudierons son comportement dynamique et présenterons des résultats de simulation correspondant à plusieurs configurations de fonctionnement.
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Effets d’échelle dans les convertisseurs électromécaniques
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1. Techniques de micro-usinage
C’est dans les années 1960 qu’apparaissent les premiers procédés de micro-usinage permettant de réaliser des membranes suspendues et d’autres éléments intervenant dans la composition de capteurs de pression ou d’accélération. Il s’agit de micro-usinage volumique. Le principe consiste à appliquer un masque photolithographique sur du silicium monocristallin que l’on irradie par UV. Les zones exposées sont ensuite gravées avec des produits alcalins de façon à dégager des formes diverses selon l’orientation cristallographique du silicium (figure 1).
Apparaissent ensuite de nouveaux procédés permettant de réaliser des formes et des objets mécaniques plus complexes. Le micro-usinage de surface consiste à graver chimiquement un film mince de silicium polycristallin préalablement déposé en phase gazeuse sur un substrat constitué de couches d’oxyde que l’on peut dissoudre chimiquement, laissant ainsi apparaître des pièces suspendues ou mobiles (figure 2). Les premières réalisations ont permis de fabriquer des balanciers utilisés comme détecteurs de vibration.
C’est à la fin des années 1980 qu’apparaissent les premiers micromoteurs rotatifs réalisés par micro-usinage de surface [1], [2] et [3]. Cependant, cette technique ne permet de réaliser que des structures planaires, avec des épaisseurs de quelques micromètres au maximum. Or, dans le cas des micromoteurs à entrefer radial, le couple est fonction de l’épaisseur.
Une équipe allemande du centre de recherche nucléaire de Karlsruhe propose, alors, un procédé permettant de réaliser des micro-objets véritablement en 3D. Le procédé, baptisé LIGA [4] (LIthographie Galvanoformung Abformung), consiste à réaliser un moule dans une couche épaisse de polymère par photolithographie (figure 3). Mais, cette fois, l’irradiation se fait par des rayons X à haute énergie qui pénètrent profondément (plusieurs centaines de micromètres) dans la couche de polymère. Les cavités formées sont ensuite remplies par un métal déposé par électrolyse.
Même si les structures ainsi réalisées ont un grand rapport de forme (rapport de la hauteur à la largeur), le procédé LIGA reste, de par l’utilisation de rayons X issus d’un synchrotron, une technologie onéreuse....
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