Présentation PowerPoint

Modélisation Multiphysique et
Optimisation de problèmes
couplés appliqués aux MEMS
Ulg-LTAS
De nos jours, la tendance est d’aller vers une
miniaturisation et une complexité accrue des microdispositifs. A l’échelle microscopique, le comportement
des systèmes résulte d’un couplage fort entre champs
physiques de différentes natures.
Vibrations et Identification
des Structures
Evolution du potentiel électrique
d’une plaque sur appuis flexibles.
Ces phénomènes de couplage conduisent à la
formulation de problèmes multiphysiques et donnent
lieu à des difficultés inédites en matière de simulation.
MicroMicro-accéléromètre
MEMS
Les MEMS ou Micro-Electro-Mechanical Systems sont des systèmes de la taille
du micron, qui englobent à la fois des micro-senseurs (incluant éventuellement
des fonctions optiques) et des micro-actionneurs. Les MEMS comprennent donc
des mécanismes, mis en mouvement de façon contrôlable par une force
d’origine thermique, électrostatique, magnétique, ou par effet piézoélectrique,
magnétostrictif, photostrictif ou autres.
MicroMicro-bolomètre
Vu leurs dimensions, leur conception nécessite le recours à des technologies
inédites et à des idées novatrices. Certaines forces négligeables pour les
structures macroscopiques deviennent prépondérantes à cette échelle. C’est le
cas de la force électrique qui est utilisée dans les micro-accéléromètres et les
micro-bolomètres par exemple.
Simuler les MEMS permettrait de valider ces idées sans recourir aux méthodes
actuelles empiriques.
Couplage électro-mécanique
L’étude d’un problème de référence permet
de comprendre l’effet des forces électriques
sur la structure. Il s’agit d’un condensateur
dont la plaque supérieure est retenue par
un ressort. Une différence de potentiel est
appliquée entre les deux électrodes et des
forces électriques apparaissent et ont
tendance à rapprocher les deux électrodes.
Problème de référence
S p rin g
V tu n e
C = C (V tu n e )
Une étude unidimensionnelle permet de comprendre le comportement dynamique du problème couplé
et d’identifier le phénomène de pull-in (tension à partir de laquelle la force électrique devient tellement
importante que les deux plaques se collent). L’existence du phénomène peut être mise en évidence par
l’analyse de diagrammes de phase (vitesse/déplacement). Lorsqu’aucune force électrique n’est
appliquée sur l’électrode, le système est totalement stable (en bleu). Dès qu’une différence de potentiel
est appliquée aux bornes des électrodes, une zone d’instabilité (en rouge) apparaît. Au-delà de la
tension de pull-in, il n’existe plus de zone stable et les électrodes entrent directement en contact.
La simulation permet de déterminer la tension de pull-in et constitue un outil de choix pour la conception
et l’amélioration des micro-systèmes.
V = 0V
V = 10V
V = 20V
6
6
6
4
4
4
2
2
2
0
0
-2
-2
-4
-4
-6
-0 .5
-6
-0 .5
0
0.5
1
1 .5
2
2 .5
x 10
Stable
0
-2
-4
0
0 .5
1
1 .5
-6
2
2 .5
x 10
-6
-6
-0 .5
0
0 .5
1
1 .5
2
2 .5
x 10
Instable/Stable
Instable
-6
Applications
Peigne capacitif (accéléromètre)
Les
schémas
ci-contre
représentent des résultats de
simulation d'un accéléromètre et
d'un switch RF. Ces exemples à
géométrie simplifiée illustrent
l'utilité de telles simulations. Nous
pouvons, en effet, en déduire des
grandeurs
telles
que
la
distribution des forces, la tension
de
pull-in,
les
fréquences
propres,... et ainsi comprendre le
comportement
des
microPotentiel électrique systèmes en vue de leur
développement
et
de
leur
fabrication.
t = 0.5 µm
Distribution des forces électriques
Switch RF à géométrie simplifiée
L = 300 µm
V
d0 = 6 µm
Potentiel électrique
La simulation numérique permet de prédire le
comportement des micro-systèmes et ainsi d’en
améliorer les étapes classiques de conception.
Par souci de rencontrer les réalités industrielles, des castests réels, dont un exemple est illustré ci-contre, sont
également traités. Le cas-test représenté ici est un switch
RF. Lorsque la différence de potentiel appliquée dépasse
la tension de pull-in, la poutre s’affaisse et la capacité
entre les électrodes est brusquement modifiée.
Géométrie réelle d’un switch RF
Méthodes stochastiques
κ
Variation de l’épaisseur
d’une micromicro-poutre
ξ
La fiabilité et la robustesse de modèles sont deux
issues importantes pour le développement de
micro-systèmes. Différentes sources d’erreur telles
que les incertitudes sur les propriétés physiques
des matériaux et les tolérances de fabrication
doivent être prises en compte lors du processus de
modélisation. L’application de la méthode des
éléments finis stochastiques fournit une base
rationnelle pour l’analyse de la fiabilité des
modèles.
Nos projets en cours :
Action de Recherche Concertée
Belgian federal
science policy office
Modélisation, Simulation multiphysique et optimisation de problèmes couplés :
Application aux micro-systèmes électromécaniques
(2003-2008)
J.-C. GOLINVAL (Promoteur) Professeur, Vibrations et Identification des Structures
J.-A. ESSERS Professeur, Aérodynamique
C. FLEURY Professeur, Optimisation Multidisciplinaire
P. DUYSINX Chargé de Cours, Véhicules Terrestres
H. LECOCQ Professeur, Robotique et Automatique
P. DULAR, Chercheur Qualifié F.N.R.S., Unité d’Electricité Appliquée
Recherche d’initiative
Modélisation et optimisation de micro-systèmes électro-thermo-mécaniques.
Convention RW-ULg MOMIOP n° 215397
(2003-2006)
J.-C. GOLINVAL (Promoteur) Professeur, ULG-ASMA : Vibrations et Identification des Structures
C. FLEURY Professeur, ULG-ASMA : Optimisation Multidisciplinaire
M. WAUTELET Professeur, UMH-UPE : Unité de Photonique Expérimentale
Thèses de doctorat en cours:
V. Rochus : Aspirant FNRS, Service Vibrations et Identification des Structures
Modélisation du couplage électro-dynamique dans les micro-actuateurs de type MEMS
S. Lepage: Aspirant FNRS, Service Vibrations et Identification des Structures
Etude de la robustesse et de la fiabilité de modèles par la méthode des éléments finis stochastiques.
J-M. Lejeune : Ingénieur de recherche, Service Vibrations et Identification des Structures
Modélisation et simulation de micro-systèmes électro-mécaniques.
Département d’AéroSpatiale, Mécanique et mAtériaux (ASMA)
LTAS, Vibrations et Identification des Structures
1, Chemin des chevreuils, Bât. B52
Tel : +32 4 3664852
4000 Liège
Fax : +32 4 3664856
Mail :[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]