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Mémoire de Master Pour obtenir le grade de MASTER ESSO Option: génie électrique

Mémoire de Master Pour obtenir le grade de MASTER ESSO Option: génie électrique Septembre 2015 Présenté par : Ali Ramadan Ali Encadré par : Prof. Jean-Jacques Rousseau Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 1 INTRODUCTION GENERALE [9] L’intégration des composants électroniques passifs (inductance, résistance et capacité) ou actif (transistor) sur des substrats flexibles fait appel à une technologie récente sollicitée ces dernières années dans différents domaines pour diverses applications (téléphonie, informatique, convertisseur DC-DC) destinées à une consommation de masse. L’intégration des composants inductifs et capacitifs sur substrat souple du fait de leur encombrement (en volume et surface) reste un défi technologique majeur à relever. Ce projet à lieu dans le contexte du développement de l'électronique imprimée sur substrat flexible. Cette technologie novatrice facilitera la fabrication des composants électroniques à plus faible coût que ceux de la microélectronique classique. L'innovation dans ce projet est l'utilisation d'un matériau magnétique pour la fabrication d’inductances imprimées sur substrat souple. L’objectif visé est la recherche des solutions innovantes pour la fabrication d'inductances imprimées afin de combler la problématique en termes de taille et de performance. Ces deux paramètres, taille et performance font défaut actuellement aux technologies imprimés. L'utilisation des matériaux magnétiques imprimables pour la fabrication des inductances permet de réduire leur taille et d’améliorer leurs performances, et au final de concevoir un transformateur sur support flexible basé sur l’expérience acquise avec l’intégration des inductances de type méandre. [1] Jusque là, les composant planaires réalisés au laboratoire LT2C sont constitués d’une ou de deux couches minces de matériau magnétique (de 50µm à quelques centaines de µm), d’une couche de matériau conducteur (classiquement du cuivre) et d’une couche isolante par exemple la résine SU8. Les différentes couches sont déposées sur un substrat en alumine ou en verre. Plusieurs thèses ont été faites sur la réalisation des inductances planaires à une ou deux couches de matériau magnétique. Figure 01 : Inductance à une couche de matériau magnétique (YIG) réalisée au laboratoire LT2C. Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 2 Concernant mon projet de master, mes principaux objectifs sont :  Faire des simulations sur l’inductance méandres (sans kapton, avec kapton, avec kapton et matériau magnétique) et de comparer les valeurs théoriques de résistance et de l'inductance calculées avec les valeurs simulées et conclure;  Faire des mesures; Le projet est présenté sur quatre chapitres repartis comme suit :  Le premier chapitre, est consacré aux généralités sur l’électronique souple et l'état de l'art sur les inductances, nous parlerons également de l’inductance méandre utilisé pour la réalisation ;  Le second chapitre, présente le logiciel utilisé pour la simulation, le design des structures faisant l’objet de l'étude, et enfin l’analyse des résultats par rapport à l’influence du matériau magnétique ;  Le troisième chapitre porte sur la réalisation ;  Le quatrième et dernier chapitre sera consacré aux mesures. Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 3 CHAPITRE I : GENERALITES ......................................................................................................... 4 INTRODUCTION .................................................................................................................................... 4 I. ELECTRONIQUE SOUPLE .............................................................................................................. 4 I-1. Définition ............................................................................................................................ 4 I-2. Substrats utilisés et principales caractéristiques ................................................................ 4 I-2-1 KAPTON de type HN ..................................................................................................... 5 I-2-2 KAPTON type VN .......................................................................................................... 5 I-2-3 KAPTON type FN ............................................................................................................. 5 I-2-4 Substrat PET ST 504 (125 μm) ...................................................................................... 5 I-2-5 Substrat PEN Q51 (125 μm) ........................................................................................... 5 II. Exemples de réalisation .......................................................................................................... 5 III. ETAT DE L’ART SUR LES INDUCTANCES .................................................................................. 6 III-1. Définition et constitution ..................................................................................................... 6 III-2. Symbole ............................................................................................................................... 7 III-3. Ces spécifications ................................................................................................................ 8 III-4. Loi d’ohm dans une inductance .......................................................................................... 8 III-4-1 En courant continu ...................................................................................................... 8 III-4-2 En courant alternatif .................................................................................................... 8 III-5. Son rôle ............................................................................................................................... 9 III-5-1 Electronique de puissance ........................................................................................... 9 III-5-2 Les filtres VCO ......................................................................................................... 10 III-6. Les phénomènes physiques (pertes) .................................................................................. 10 III-6-1 Pertes magnétiques .................................................................................................... 10 III-6-1-1.Les pertes par hystérésis ....................................................................................... 10 III-6-1-2.Les pertes par courants de Foucault .................................................................... 11 III-6-2 Pertes électriques et facteurs de pertes ...................................................................... 11 III-6-3 Effet de peau ou effet pelliculaire ............................................................................. 11 III-6-4 Effet de proximité ..................................................................................................... 12 III-7. Modélisation ..................................................................................................................... 12 III-7-1 Inductance idéal ........................................................................................................ 12 III-7-2 Modèle utilisé ............................................................................................................ 12 III-7-3 Représentation sous forme de quadripôle ....................................................... 13 CONCLUSION ..................................................................................................................................... 13 BIBLIOGRAPHIE : ............................................................................................................................... 14 Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 4 CHAPITRE I : GENERALITES Introduction Dans ce chapitre consacré à l’électronique souple, nous aborderons de manière générale les matériaux flexibles utilisés comme substrat souple dans notre étude, nous rappellerons ensuite quelques généralités sur l’état de l’art de l’inductance. Enfin nous identifierons quelques caractéristiques de l’inductance méandre et de l’encre conductrice utilisée. I. Electronique souple Figure 02 : clavier flexible I-1. Définition L’électronique souple est une technologie originale, qui permet l’impression des composants électroniques (les composants passifs simples comme l’inductance, le condensateur ou actifs par exemple le transistor...) sur un support flexible. Elle a l’avantage de permettre la réalisation des composants minces, légers et flexibles. I-2. Substrats utilisés et principales caractéristiques [3] Le substrat utilisé pour supporter la structure de l’inductance méandre, est un film polyimide en KAPTON, qui conserve ses caractéristiques physiques, électriques et mécaniques dans une plage de température allant de -260 à 400°C. Le KAPTON est utilisé pour une grande variété d’isolations électriques et électroniques :  rubans pour fils et câbles;  isolation de bobinages et transformateurs;  diélectrique pour condensateurs;  rubans magnétiques et rubans adhésifs;  tubes pour isolation. Les caractéristiques exceptionnelles de KAPTON lui permettent d’être utilisé tant aux hautes qu’aux basses températures, là ou d’autres polymères organiques ne seraient plus fonctionnels. Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 5 On distingue principalement trois types de Kapton : I-2-1 KAPTON de type HN C’est un film souple, polyimide, il est utilisé pour les applications impliquant des températures allant de -261°C à 400°C. Il présente l’avantage d’être façonné (laminé, métallisé, estampé, formé ou revêtu d’une couche d’adhésif). Il est proposé en plusieurs gammes d’épaisseurs (7,5µm, 12.5µm, 19 µm, 25 µm, 50 µm, 75 µm et 125 microns). I-2-2 KAPTON type VN Il présente toutes les caractéristiques de type HN avec en plus, une stabilité dimensionnelle supérieure. Il est proposé sur une gamme d’épaisseur de (12.5µm, 19 µm, 25 µm, 50 µm, 75 µm et 125 microns-mètres). I-2-3 KAPTON type FN C'est le Kapton de type HN revêtu de résine fluorocarbonée TEFLONFEP sur une ou deux faces qui lui confère l’aptitude au thermoscellage (collage sous température), et un effet barrière contre l’humidité, tout en améliorant sa résistance chimique. [3] Par ailleurs pour la réalisation, d’autres types de substrat ont été également utilisés : I-2-4 Substrat PET ST 504 (125 micromètres) D’épaisseur 125µm, le substrat PET est un cristal brillant en polyester stabilisé en température. Il est adapté pour l'impression des encres conductrices. I-2-5 Substrat PEN Q51 (125 micromètres) Est un film polyéthylène naphtalate biaxial, légèrement trouble avec d'excellentes propriétés de manipulation pour usage général. Il est disponible dans le commerce en jauge nominale de 48 à 1000 (12µm à 250µm). II. Exemples de réalisation Des réalisations on été faites dans le domaine de l’électronique souple par exemple :  l’impression des puces radiofréquences;  des mémoires imprimées ;  des transistors ;  des batteries imprimées sur support flexibles... (a) (b) (c) Figure 03 : (a) mémoire flexible, (b) batterie sur substrat souple, (c) puce radiofréquence. Rapport de stage master Esso Ali Ramadan Ali IUSTA 2015 Page 6 Le développement de l’électronique imprimée organique repose sur la flexibilité et le faible coût de production des applications développées. Les marchés de masse avec de grands volumes seront certainement les premiers à être rentables. Le marché de la RFID apparaît comme l’un des secteurs les plus prometteurs, tout comme celui des cartes à puces, des capteurs, des écrans ou des batteries flexibles ultraplates. Le marché des leds organiques est également très important, les ventes d’écrans à base des leds organiques décollent (téléphones mobiles, appareils photo numériques et autres appareils électroniques grand public). De nombreuses entreprises sont déjà passées à la production de masse sur ce marché. III. Etat de l’art sur les inductances III-1. Définition et constitution [6] L’inductance est un dipôle électronique passif qui peut stocker de l'énergie magnétique lorsqu'il est traversé par un courant, comme le condensateur stocke de l'énergie lorsqu'il y a une tension à ses bornes. Le bobinage parcouru par un courant i génère alors dans un champ magnétique. La variation du courant traversant l'inductance, fait apparaitre une tension u à ses bornes: Avec di/dt la dérivée du courant dans le temps en Ampère, L l'inductance mesurée en Henry (les électroniciens utilisent le mH, le µH ou le nH) et u, la tension instantanée à ses bornes. On constate que le courant ne peut être qu’une fonction continue du temps, sinon la tension aurait des valeurs transitoires infinies. Le courant dans une inductance ne peut donc être rompu brutalement. [2] L’inductance est constituée d’un dépôt métallique ou d’un fil de conducteur enroulé autour d’un support ou sans support (à l’air libre). Certaines selfs sont montées sur un support uploads/Ingenierie_Lourd/ ali-ramadan-ali-ge2015.pdf