D'étonnants capteurs en couches minces

Au sein du Département Mesures Physiques (DMPH), le laboratoire "Couches Minces" de l'Unité de recherche Capteurs et MicroTechnologies (CMT), que dirige Patrick Kayser, développe en particulier deux familles de capteurs en couches minces fonctionnant à haute température : des capteurs thermiques et des capteurs mécaniques. Aujourd'hui, cette petite équipe, engagée notamment depuis 2002 dans le Projet d'Etude Amont (PEA) Etna, financé par le SPAé (DGA) et associant Snecma Moteurs, Turbomeca et l'Onera, prépare le PEA IMOTEP. D'une durée de trois ans, ce programme que finance la DGA devrait commencer début 2006. Principaux objectifs : fiabiliser et simplifier les procédures d'élaboration de jauges de déformation haute température en couches minces, voire ébaucher leur industrialisation et étendre les travaux aux capteurs thermiques.

Jauge de déformation en couches minces haute température

Au département Mesures Physiques, qui compte une soixantaine de personnes, le Laboratoire Couches Minces de CMT apparaît comme une petite unité de recherche regroupant deux ingénieurs et un technicien permanents, un doctorant et ponctuellement des stagiaires de courte durée. Cependant, les travaux qui y sont menés n'en sont pas moins importants. La mission de cette petite équipe est en effet de développer de nouveaux moyens de mesures spécifiques destinés essentiellement à des applications du secteur aéronautique. " Nous développons des capteurs pariétaux et des microsystèmes en couches minces de petite taille et peu intrusifs, qui plus est capables de supporter des environnements sévères, en particulier les hautes températures ", résume Patrick Kayser.

Des technologies de plus en plus demandées par les industriels

Fluxmètre thermique en couches minces

Ce laboratoire développe deux familles de capteurs en couches minces, haute température : des capteurs thermiques et des capteurs mécaniques. Les instruments de la première famille sont utilisés pour mesurer des températures et des densités de flux thermique, c'est-à-dire des transferts de chaleur à travers des parois de veines de combustion ou des aubes. Dans ce domaine, cette équipe développe également des concepts novateurs de mesures simultanées du coefficient d'échange convectif et de la température des gaz. " Il s'agit d'éliminer tout système de mesure dans l'écoulement et d'évaluer le coefficient d'échange et la température du gaz uniquement à partir d'un multicapteur pariétal ", précise l'ingénieur du Centre de Châtillon. Deux sous-familles de capteurs sont regroupées sous l'appellation " capteurs mécaniques " : des jauges qui permettent de mesurer les déformations à partir des variations de leur résistance électrique et d'en déduire les contraintes mécaniques et des capteurs mesurant les fluctuations de pression utilisant un transducteur piézoélectrique en nitrure d'aluminium.

" Si les jauges de déformation sont proches de l'industrialisation, les capteurs de pression instationnaire n'en sont encore qu'à une phase de développement en termes de paramètres d'élaboration des couches minces que nous réalisons par pulvérisation cathodique et d'amélioration des caractéristiques métrologiques ", souligne Patrick Kayser qui précise que cette technique est une spécialité de son équipe.

Intégrer ces capteurs aux éléments à instrumenter que sont les pales, les chambres de combustion ou les carters, sans pour autant qu'ils perturbent les écoulements aérodynamiques, relève le plus souvent de la prouesse technologique. Aussi cette équipe ne compte-t-elle que très peu de concurrents, parmi lesquels le Nasa Lewis Research Centrer, sur un marché qui, toutefois, reste peu important, les applications générées n'intéressant que des secteurs très spécifiques. Cela dit, la demande industrielle dans ce domaine est en forte croissance. " Ces technologies sont de plus en plus demandées, en particulier par des groupements d'industriels des moteurs aéronautiques et des turbines à gaz américains ou européens. Le développement de ces technologies couches minces est désormais une de leurs priorités. De notre côté, nous recevons également des demandes provenant d'autres secteurs comme la sidérurgie ou d'établissements de recherche tels que le CEA ", note-t-il. Ces capteurs ont été mis en oeuvre sur un banc d'essais de Snecma Moteurs et dans une veine de combustion cryotechnique à l'Onera. L'objectif est non seulement d'améliorer les performances des moyens de mesure mais aussi de valider la justesse des codes calculs en développement.

Tendre vers l'industrialisation des jauges de déformation

Dès 2002 a été lancé le programme Etna qui vise à développer des solutions innovantes pour des applications destinées aux moteurs d'avions. Dans le cadre de ce programme, l'Onera s'est associé à deux industriels, en l'occurrence Snecma Moteurs et Turboméca, l'objectif étant d'optimiser la technologie couches minces pour la réalisation de jauges de déformation. " L'idée était d'améliorer les procédures, de les fiabiliser, voire de les pré-industrialiser, pour, éventuellement, les mettre en oeuvre sur les bancs de développement moteurs de ces industriels. Aussi travaillons-nous véritablement en coopération avec eux, puisque nous mettons au point les procédures, nous élaborons les matériaux, nous les caractérisons, nous réalisons des prototypes et les motoristes, qui disposent des moyens nécessaires, effectuent les validations métrologiques finales ", indique Patrick Kayser qui rappelle qu'un essai moteur devrait se dérouler en juin prochain. Les résultats obtenus d'ores et déjà sur des éprouvettes de traction sont "excellents" selon les motoristes, tant en termes de tenue à haute température que de robustesse des empilements des couches minces constituant les capteurs. Parallèlement les propriétés métrologique ont été étudiées afin de déterminer la fiabilité des capteurs et la reproductibilité des mesures.

L'étape suivante consistera à instrumenter des aubes avec ces jauges. Autrement dit, il s'agira de passer de supports plans à des supports courbes et de qualifier les capteurs en couches minces au cours d'un véritable essai moteur jusqu'à des températures de 900 à 1000°C. C'est une sorte de préambule à Imotep, un programme de la DGA en cours de préparation, auquel participe là encore Snecma Moteurs, Turbomeca et l'Onera. D'une durée de trois ans, celui-ci devrait démarrer officiellement début 2006. " Il s'agira en particulier de fiabiliser davantage ces jauges de déformation et d'envisager leur industrialisation à laquelle nous réfléchissons avec Snecma Moteurs pour des applications sur des bancs de développement ". La technologie couches minces devrait permettre à terme de regrouper sur une petite surface les différentes familles de capteurs que développe l'équipe de l'unité CMT. " Le renforcement des moyens du Laboratoire pourrait permettre d'accélérer la valorisation de notre savoir-faire, de diversifier nos applications et d'ouvrir de nouvelles perspectives telles que le développement de MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ", estime Patrick Kayser.

Capteur de pression instationnaire :
transducteur piézoélectrique Pt/AlN/Pt