rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Un micro-accéléromètre pour contrôler
l’état de la structure des aéronefs
Chercheurs : Michel Meunier et Yves-Alain Peter
Collaborateurs : Patrice Masson et Philippe Micheau (U. Sherbrooke)
Stagiaire postdoctoral : In-Hyouk Song
Contact : Yves-Alain Peter; yves-alain.peter@polymtl.ca; www.polymtl.ca/mems/
Un micro-accéléromètre capacitif a été conçu et fabriqué pour contrôler l’état structural des
aéronefs. Les dommages à la structure sont détectés et localisés grâce à un système sensible
aux vibrations et à la variation de la réponse dynamique globale. Accordé sur sa propre fréquence
de résonance, le dispositif est à la fois très sensible et très sélectif. Celui-ci est fabriqué par
micro-usinage CMOS-compatible. Les propriétés mécaniques du micro-accéléromètre, comme
la constante d’élasticité et le coefficient d’amortissement du système, ont été déduites par des
mesures électriques. Ce projet est réalisé en collaboration avec Bombardier.
Des systèmes de contrôle de l’état structural (Structural health
monitoring – SHM) sont développés afin de réduire les coûts
associés aux inspections périodiques des aéronefs. Pour
détecter et localiser les dommages structuraux, une analyse
modale permet de déterminer la réponse dynamique globale
de la structure. Grâce à la technologie des systèmes microélectromécaniques,
ou MEMS, nous avons conçu un microaccéléromètre
capacitif, pouvant mesurer les variations de la
fréquence de résonance de la structure, par une mesure de
variation de la capacité du capteur.
Le microcapteur SHM est un micro-accéléromètre sensible à
la fréquence de résonance, dont la propre fréquence de résonance
est la même que celle de la structure à contrôler. En
conséquence, il est non seulement très sélectif, mais également
très sensible, car le déplacement de la structure en mouvement
est maximisé à la fréquence de résonance pour une accélération
donnée. La distance de déplacement de la masse d’étalon
résonante est de 5 mm. La figure 1 montre les fluctuations de
capacité en fonction du déplacement de la masse étalon. À un
déplacement de 3 mm, la capacité est augmentée de 1,084 pF
par rapport à la capacité initiale.
Un procédé de microfabrication CMOS-compatible a été utilisé
pour la fabrication du micro-accéléromètre sur une gaufre de
silicium sur isolant (silicon-on-insulator – SOI). Celui-ci, tel
que photographié par microscopie à balayage d’électrons
(scanning electron microscopy – SEM) apparaît à la figure 2.
L’épaisseur de la structure mobile est de 80 mm, séparée du
substrat par un espace d’air de 3 mm.
Nous avons caractérisé les propriétés mécaniques et électriques
du dispositif. Un ratio de visco-amortissement du
système, x = 0.189, a été obtenu. La constante d’élasticité
et le coefficient d’amortissement du système sont estimés à
respectivement 24,75 N/m et 6.7 x 10 -4 N . s/m, en utilisant une
fréquence de résonance non amortie de 2.2 kHz. Les travaux
se poursuivent afin d’améliorer le dispositif et de l’intégrer
éventuellement à un système SHM d’aéronef.
Nous remercions le CRIAQ (Consortium de recherche et
d’innovation en aérospatiale au Québec) pour sa contribution
financière à ce projet.
Figure 1. Variation de capacité en fonction du déplacement de la masse étalon.
Figure 2. Photographie SEM du micro-accéléromètre sur gaufre de SOI.
Référence
• “Smart Technologies for Structural Health Monitoring of Aerospace Structures”,
P. Masson, P. Micheau, Y. Pasco, M. Thomas, V. Brailovski, M. Meunier, Y.-A. Peter,
In-hyouk Song, D. Mateescu, A. Misra, N. Mrad, J. Pinsonnault et A. Cambron,
International Workshop on Smart Materials and Smart Structures
(Cansmart 2006), 191, 26 Oct. 2006, Toronto, Canada.
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