La micropyrotechnie sur silicium et l'intégration microsystèmes
Résumé
Obtaining an integratable, compatible, low cost mechanical energy source providing a sufficient quantity of easily accessible energy within a miniaturised system has been an ongoing challenge for decades. The urgency and interests of such systems will continue to increase with the development of portable microsystems, distributed microsystems as the smartdust type and monitoring systems. The conventional approach to mechanical actuation is based on electromagnetic machines. This option is very efficient but difficult to integrate at microscopic scales. Actuation making use of electrostatic forces became widespread starting from the 1990s, and this is an important step forward for microsystems since it is very easy to integrate, it is relatively powerful and easy to use. Obviously there is still a real actuator need to be satisfied for integrated and high power actuation. In this context LAAS-CNRS initiated micropyrotechnics in 1995 by integrating energetic materials (propellants or explosives) into microsystems to generate microthrusts, gases for actuation, for microinitiation or simply to act as energy sources to modify surfaces, and for heating and welding. Since then, other teams have initiated large amounts of work in micropyrotechnics. The manuscript makes the state-of-the-art of the micropyrotechnics and gives essential results obtained at LAAS.
Today the trend which is the extreme system miniaturisation and complexification leads to new technological and material challenges. After the micro pyrotechnics history and evolution, we present the perspectives of this discipline. A particular emphasis on new nanostructured energetic materials, as well as on the development of theoretical multiphysics tools to help the conception of systems that became extremely complexes where pyrotechnical functions has to cohabite with mechanical, thermal, chemical and electronics functions.
Today the trend which is the extreme system miniaturisation and complexification leads to new technological and material challenges. After the micro pyrotechnics history and evolution, we present the perspectives of this discipline. A particular emphasis on new nanostructured energetic materials, as well as on the development of theoretical multiphysics tools to help the conception of systems that became extremely complexes where pyrotechnical functions has to cohabite with mechanical, thermal, chemical and electronics functions.
Disposer au sein d'un système miniature, de micro actionneurs puissants intégrables, compatibles MEMS, bas coût et dont l'énergie est disponible facilement est un challenge permanent depuis la naissance des microsystèmes dans les années 90 et qui s'accentue avec la miniaturisation croissante. Dans les années 95, les matériaux énergétiques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique car ils sont une source très intéressante d'énergie embarquable. Typiquement, la combustion de composés hydrocarbonés produit 50MJ/kg, celle de matériaux énergétiques solides produit entre 3-6MJ/kg alors qu'une batterie Lithium moderne stocke à peine 0.9MJ/kg. Si les matériaux énergétiques peuvent être intégrés facilement dans des microsystèmes fonctionnels à partir des techno MEMS, la micro pyrotechnie peut représenter une avancée importante pour le micro actionnement de puissance.
Le LAAS a initié la micropyrotechnie en 1995 pour des applications médicales et de micro micropropulsion, micro amorçage. Depuis d'autres équipes en Europe, aux USA et en Asie ont initié des travaux dans le domaine en intégrant divers matériaux énergétiques dans des microsystèmes pour générer des micro poussées, des gaz, réaliser des micro amorçages ou tout simplement servir de sources d'énergie pour chauffer, altérer des surfaces, souder. A partir d'une idée innovante, est née une nouvelle discipline technologique que l'on a appelée micropyrotechnie mais que d'autres nomment « explosives technology », « micro detonic », « micro energetic ». L'exposé donnera les points clés et les travaux majeurs réalisés au LAAS en micropyrotechnie pour le micro actionnement de puissance embarqué. Parmi eux on peut citer les travaux sur la micro initiation, la micro combustion, l'intégration technologique...
Aujourd'hui la tendance à la miniaturisation extrême et à la complexification soulève de nouveaux verrous technologiques et scientifiques et place le matériau énergétique au centre des préoccupations fondamentales. Nous discuterons en perspective, de l'évolution de la micropyrotechnie avec notamment, la recherche et l'élaboration de nouveaux matériaux énergétiques nano structurés ainsi que le développement d'outils de modélisation multi physiques nécessaires pour la conception de systèmes de plus en plus complexes où cohabitent des fonctions chimiques, thermiques, fluidiques, mécaniques, électroniques...
Le LAAS a initié la micropyrotechnie en 1995 pour des applications médicales et de micro micropropulsion, micro amorçage. Depuis d'autres équipes en Europe, aux USA et en Asie ont initié des travaux dans le domaine en intégrant divers matériaux énergétiques dans des microsystèmes pour générer des micro poussées, des gaz, réaliser des micro amorçages ou tout simplement servir de sources d'énergie pour chauffer, altérer des surfaces, souder. A partir d'une idée innovante, est née une nouvelle discipline technologique que l'on a appelée micropyrotechnie mais que d'autres nomment « explosives technology », « micro detonic », « micro energetic ». L'exposé donnera les points clés et les travaux majeurs réalisés au LAAS en micropyrotechnie pour le micro actionnement de puissance embarqué. Parmi eux on peut citer les travaux sur la micro initiation, la micro combustion, l'intégration technologique...
Aujourd'hui la tendance à la miniaturisation extrême et à la complexification soulève de nouveaux verrous technologiques et scientifiques et place le matériau énergétique au centre des préoccupations fondamentales. Nous discuterons en perspective, de l'évolution de la micropyrotechnie avec notamment, la recherche et l'élaboration de nouveaux matériaux énergétiques nano structurés ainsi que le développement d'outils de modélisation multi physiques nécessaires pour la conception de systèmes de plus en plus complexes où cohabitent des fonctions chimiques, thermiques, fluidiques, mécaniques, électroniques...
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