Étude expérimentale et théorique de microcaloducs et technologie silicium

Pandraud Guillaume

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SOMMAIRE NOMENCLATURE................................................................................................... 13 INTRODUCTION..................................................................................................... 17 CHAPITRE 1 : PRÉSENTATION DES MICROCALODUCS.......................... 21 1.1. F ONCTIONNEMENT DES MICROCALODUCS .......................................................... 21 1.1.1. Cycle de fonctionnement des microcaloducs........................................................... 22 1.1.2. Limites de fonctionnement...................................................................................... 24 1.2. P RINCIPAUX PHÉNOMÈNES PHYSIQUES MIS EN JEU .............................................. 26 1.2.1. Hydrodynamique des microcaloducs ...................................................................... 26 1.2.2. Phénomènes interfaciaux dans un microcaloduc.................................................... 29 1.2.3. Etude de la microrégion.......................................................................................... 34 1.3. E TUDES EXPÉRIMENTALES DE MICROCALODUCS ................................................. 38 1.3.1. Etudes expérimentales de microcaloducs métalliques............................................. 38 1.3.2. Réseaux de microcaloducs en silicium et verre....................................................... 40 1.3.3. Réseaux de microcaloducs réalisés entièrement en silicium ................................... 43 1.4. M ODÉLISATION DES MICROCALODUCS ................................................................ 46 1.4.1. Modèles de dimensionnement................................................................................. 46 1.4.2. Modèles de comportement....................................................................................... 50 1.5. C ONCLUSION .......................................................................................................... 55 CHAPITRE 2 : MÉTHODOLOGIES DE RÉALISATION ET DE TEST DES MICROCALODUCS ................................................................................................ 57 2.1. R ÉALISATION DE RÉSEAUX DE MICROCALODUCS ................................................ 57 2.1.1. Gravure des microcaloducs..................................................................................... 58 2.1.2. Assemblage des plaquettes de silicium.................................................................... 63 2.2. R ÉALISATION DE THERMISTANCES EN SILICIUM POLYCRISTALLIN .................... 66 2.2.1. Préparation de la réalisation des thermistances...................................................... 67 2.2.2. Etapes technologiques de réalisation des thermistances ......................................... 69 2.3. M ÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE DES ESSAIS DES MICROCALODUCS .............. 70 2.3.1. Présentation du banc d’essais................................................................................. 70 2.3.2. Procédure de remplissage........................................................................................ 72 2.3.3. Procédure expérimentale......................................................................................... 76 2.4. C ONCLUSION .......................................................................................................... 79 CHAPITRE 3 : MÉTHODE DE DÉTERMINATION DES PERFORMANCES DES MICROCALODUCS....................................................................................... 81 3.1. C APTEURS DE TEMPÉRATURE ................................................................................. 81 3.1.1. Thermocouples........................................................................................................ 81 3.1.2. Thermistances......................................................................................................... 82 3.1.3. Mesure des températures........................................................................................ 83

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3.2. M ODÈLE NUMÉRIQUE TRIDIMENSIONNEL ............................................................ 85 3.2.1. Présentation du modèle Icepak................................................................................ 85 3.2.2. Etude paramétrique ................................................................................................ 87 3.3. D ÉTERMINATION DE LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE ÉQUIVALENTE D ’ UN RÉSEAU DE MICROCALODUCS ....................................................................................... 93 3.3.1. Essais avec un réseau vide ...................................................................................... 93 3.3.2. Essais avec un réseau chargé .................................................................................. 94 3.4. C ONCLUSION .......................................................................................................... 95 CHAPITRE 4 : RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET ANALYSE ...................97 4.1. E TUDE D ’ UN RÉSEAU DE MICROCALODUCS CHARGÉ EN MÉTHANOL ................. 97 4.1.1. Influence de la charge sur les performances des microcaloducs.............................. 97 4.1.2. Influence des conditions de fonctionnement......................................................... 100 4.1.3. Influence la de nature de la paroi des microcanaux.............................................. 103 4.2. E TUDE DE L ’ INFLUENCE DU FLUIDE CALOPORTEUR ........................................... 104 4.2.1. Microcaloduc fonctionnant avec de l’éthanol ....................................................... 104 4.2.2. Microcaloducs fonctionnant avec du pentane ...................................................... 105 4.2.3. Microcaloducs fonctionnant avec de l'eau ou du FC72........................................ 107 4.3. C ONCLUSION ........................................................................................................ 108 CHAPITRE 5 : MODÉLISATION D’UN RÉSEAU DE MICROCALODUCS ..................................................................................................................................... 111 5.1. P RÉSENTATION DES MODÈLES DÉVELOPPÉS ....................................................... 111 5.1.1. Modèles et sous-modèles ....................................................................................... 112 5.1.2. Modèle de dimensionnement ................................................................................ 112 5.1.3. Modèle de comportement ...................................................................................... 113 5.2. M ODÈLE HYDRODYNAMIQUE .............................................................................. 114 5.2.1. Hypothèses............................................................................................................ 115 5.2.2. Equations de bilans............................................................................................... 116 5.2.3. Résolution du modèle............................................................................................ 118 5.3. M ODÈLES THERMIQUES ....................................................................................... 119 5.3.1. Transferts de chaleur dans le film de liquide ........................................................ 120 5.3.2. Modèle du condenseur .......................................................................................... 123 5.3.3. Modèle de l’évaporateur........................................................................................ 126 5.4. R ÉSULTATS DES MODÈLES DE MICROCALODUCS REMPLIS AVEC DU MÉTHANOL ...................................................................................................................................... 129 5.4.1. Modèle de dimensionnement ................................................................................ 130 5.4.2. Modèle de comportement ...................................................................................... 136 5.4.3. Comparaison des résultats des expériences et du modèle...................................... 140 5.5. C ONCLUSION ........................................................................................................ 141 CONCLUSION ........................................................................................................ 143

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ANNEXES................................................................................................................. 147 A NNEXE A : A SSEMBLAGE DES PLAQUETTES SILICIUM ............................................ 149 A.1. Nettoyage des plaquettes......................................................................................... 149 A.2. Mise en contact des plaquettes................................................................................ 150 A.3. Traitement des plaquettes assemblées..................................................................... 150 A NNEXE B : M ASQUES DE PHOTOLITHOGRAPHIE POUR L ’ ÉLABORATION DES THERMISTANCES .......................................................................................................... 153 A NNEXE C : O RGANIGRAMMES DES MODÈLES DÉVELOPPÉS ................................... 157 C.1. Modèle de dimensionnement................................................................................... 157 C.2. Modèle de comportement......................................................................................... 158 A NNEXE D : P ARAMÈTRES DU MODÈLE THERMIQUE ................................................ 159 D.1. Calcul des grandeurs géométriques dans une section............................................. 159 D.2. Calcul des résistances locales.................................................................................. 160 REFERENCES ............................................................................................................ 163

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