GIRARDIN, Guillaume (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
MORIN, Pierre (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLERUBANNE Cedex, F-69622, FR)
LAYOUNI, Yasmina (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
SEMET, Vincent (Lmpcn, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
ECOLE CENTRALE DE LYON (36 avenue Guy de Collongue, ECULLY Cedex, F-69134, FR)
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (3 rue Michel Ange, Paris, Paris, F-75016, FR)
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON (26 avenue Albert Einstein, VILLEURBANNE Cedex, F-69621, FR)
CABRERA, Michel (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
GIRARDIN, Guillaume (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
MORIN, Pierre (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLERUBANNE Cedex, F-69622, FR)
LAYOUNI, Yasmina (Inl Umr 5270, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
SEMET, Vincent (Lmpcn, Université Claude Bernard Lyon 143 Boulevard du 11 Novembre 1918, VILLEURBANNE Cedex, F-69622, FR)
| REVENDICATIONS 1 . Procédé de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique dans un barreau par électrolyse, le cylindre présentant un facteur de forme supérieur à 20, le facteur de forme étant défini comme le rapport entre la longueur L du cylindre et le diamètre moyen Dm des sections transversales de ce cylindre sur la longueur L, l'écart en valeur absolue entre le diamètre moyen Dm et le diamètre des sections transversales du cylindre sur la longueur L étant inférieur à 30% du diamètre moyen Dm, ce procédé comportant l'application (52) d'une tension V1 entre le barreau (16) et une contre-électrode (24) lorsque le barreau (16) et la contre-électrode (24) baignent dans un électrolyte (8), caractérisé en ce que pendant la fabrication du même cylindre de diamètre micrométrique: - la tension V1 alterne entre une valeur positive pendant une durée t+ et une valeur négative pendant une durée t" supérieure à 1 ms, et - la tension V1 comporte plusieurs séquences de durée ton où elle alterne entre la valeur positive et la valeur négative entrecoupées de séquences où la tension V1 est nulle pendant une durée supérieure ou égale à 0,1 s. 2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la durée ton est inférieure à 100ms et au moins supérieur à la somme des durées t+ et t". 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée t+ est inférieure à 50ms. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée toff est supérieure ou égale à 1 s. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée t est supérieure ou égale à 10ms. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pendant la durée t+, le procédé comporte la limitation par un limiteur électronique (34) de l'intensité du courant traversant l'électrolyte entre le barreau et la contre-électrode à une valeur systématiquement inférieure à une valeur lm, la valeur lm étant la valeur de l'intensité du courant qui serait atteinte dans les mêmes conditions et au même instant si l'intensité était uniquement limitée par les résistances du barreau (16), de l'électrolyte (8) et de la contre-électrode(24). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le procédé comporte: - la fourniture d'au moins un second barreau (62), en plus de premier barreau (16), apte à être gravé par électrolyse, baignant dans le même électrolyte (8), et - l'application d'une tension V2 entre le second barreau (62) et la contre-électrode (24), la tension V2 étant nulle pendant la durée ton du premier barreau et alternant entre des valeurs positives et négatives pendant la durée t0ff du premier barreau. 8. Dispositif de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique dans un barreau par électrolyse, le cylindre présentant un facteur de forme supérieur à 20, le facteur de forme étant défini comme le rapport entre la longueur L du cylindre et le diamètre moyen Dm des sections transversales du cylindre sur la longueur L, l'écart entre le diamètre Dm et le diamètre des sections transversales du cylindre sur la longueur L étant inférieur à 30% de Dm, ce dispositif comportant : - un électrolyte (8), - un récipient (4) contenant l'électrolyte, - un barreau (16) apte à être gravé par électrolyse, baignant dans l'électrolyte (8), - une contre-électrode (24) baignant dans l'électrolyte (8), et - une source (30) de tension apte à appliquer une tension V1 entre le barreau (16) et la contre-électrode (24), caractérisé en ce que pendant la fabrication du même cylindre de diamètre micrométrique, la source est programmée pour commander automatiquement la tension V1 de manière à ce que : - la tension V1 alterne entre une valeur positive pendant une durée t+ et une valeur négative pendant une durée t" supérieure à 1 ms, et - la tension V1 comporte plusieurs séquences de durée ton où elle alterne entre la valeur positive et la valeur négative entrecoupées de séquences où la tension V1 est nulle pendant une durée supérieure ou égale à 0.1 s. 9. Dispositif selon la revendications 8, dans lequel le dispositif contient un fluide (14) électriquement isolant contenu dans le récipient, ce fluide étant non miscible avec l'électrolyte, plus lourd que l'électrolyte et disposé de manière à ce qu'une extrémité (20) du barreau trempe dans ce fluide. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, dans lequel le barreau (16) comprend une extrémité proximale (18) située, d'un côté, en dehors de l'électrolyte et une extrémité distale (20) plongée dans l'électrolyte (8) ou située de l'autre côté de l'électrolyte, chacune de ces extrémités étant mécaniquement raccordée par des conducteurs électriques différents à une même borne (31 ) de la source (30) de tension. |
MICROMETRIQUE
[001] L'invention concerne un procédé et un dispositif de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique par électrolyse d'un barreau cylindrique.
[002] Un cylindre est défini par le fait qu'il présente un facteur de forme supérieur à 20. Le facteur de forme est défini comme le rapport entre la longueur L du cylindre et le diamètre moyen Dm des sections transversales du cylindre sur la longueur L, l'écart en valeur absolue entre le diamètre Dm et le diamètre des sections transversales du cylindre sur la longueur L étant inférieur à 30% du diamètre moyen Dm. Un cylindre n'a pas nécessairement une section circulaire. Dans le cas où la section n'est pas circulaire, le diamètre désigne la plus grande largeur transversale.
[003] Par « cylindricité » on désigne une grandeur représentative de l'écart maximal en valeur absolue entre le diamètre moyen Dm et le plus petit ou le plus grand diamètre d'une section transversale sur la longueur L. Par exemple, ici, la cylindricité est exprimée en pourcentage du diamètre moyen Dm.
[004] Par cylindre de diamètre micrométrique on désigne tout cylindre dont le diamètre moyen des sections transversales sur la longueur L est inférieur à Ι ΟΟμιτι et, de préférence, inférieur à 20 μιτι.
[005] Le courant électrique qui circule dans l'électrolyte pendant l'électrolyse est appelé « courant d'électrolyse ».
[006] L'utilisation de cylindres micrométriques est notamment répandue en biotechnologie dans la réalisation d'électrodes de petites dimensions et en microtechnologie pour l'usinage par microélectroérosion par exemple et notamment dans la variante dite du fraisage par microoélectroérosion (en anglais « milling micro elctrical discharge machining » ou « millong EDM »). Actuellement, ces microélectrodes sont souvent fabriquées :
(1 ) par micro-usinage par enlèvement de copeaux,
(2) par microélectroérosion inverse en faisant passer un barreau à travers un trou calibré de façon à amincir le barreau par électroérosion lors du passage, ou
(3) par usinage d'un barreau par microélectroérosion à fil, ou encore
(4) selon une variante de micro-électroérosion connue en anglais sous le nom de WEDG (Wire Electrical Discharge Grinding).
[007] Toutes ces méthodes sont basées sur l'utilisation de machines coûteuses et encombrantes. Par ailleurs, lorsque les cylindres fabriqués sont très fins, il y a risque de rupture ou de déformation mécanique du cylindre.
[008] Par ailleurs, il existe aussi des procédés de fabrication par voie électrochimique. Avec ces méthodes, l'usinage de cylindres de diamètre micrométrique connus comportent l'application d'une tension V1 entre le barreau et une contre-électrode lorsque le barreau et la contre-électrode baignent dans un électrolyte.
[009] Il est connu que l'application d'une tension V1 positive entre le barreau et la contre-électrode entraîne l'électrolyse du barreau. Des espèces chimiques produites lors de l'électrolyse forment une couche visqueuse qui s'écoule par gravité le long du barreau. Ces espèces s'agglutinent autour du barreau pour former une couche visqueuse en forme de poire. Cette couche visqueuse à pour effet de ralentir l'électrolyse de la zone du barreau recouverte. A l'inverse, l'électrolyse de la zone du barreau non recouverte se poursuit jusqu'à rupture du barreau. Ce phénomène est appelé en anglais effet « drop off ». Un tel procédé convient à la fabrication de pointes utilisées entre autre dans les microscopes à force atomique. En revanche, il ne permet absolument pas la fabrication de cylindres de diamètre micrométrique tels que décrits plus haut.
[0010] Pour obtenir un cylindre de diamètre micrométrique à l'aide d'un procédé électrochimique permettant d'éviter l'effet « drop off », il a été suggéré qu'il existait une valeur spécifique du courant d'électrolyse pour lequel on obtient un cylindre et non pas une pointe. Ceci est décrit plus en détail dans l'article suivant :
« An electrochemical fabrication method for extremely thin cylindrical micropin », Young-Mo Lim, Soo Hyun Kim, International Journal of Machine Tools &
Manufacture, 411 (2001 )P2287-2296.
[0011] Toutefois, l'intensité spécifique mentionnée dans cet article est difficile à déterminer. Or, pour toute autre intensité que celle-là, un cylindre n'est pas obtenu.
[0012] L'invention vise à proposer un procédé plus simple de fabrication d'un cylindre micrométrique.
[0013] Elle a donc pour objet un procédé de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique dans lequel, pendant la fabrication du même cylindre de diamètre micrométrique,:
- la tension V1 alterne entre une valeur positive pendant une durée t + et une valeur négative pendant une durée t " supérieure à 1 ms, et
- la tension V1 comporte plusieurs séquences de durée t on où elle alterne entre la valeur positive et la valeur négative entrecoupées de séquences où la tension V1 est nulle pendant une durée s supérieure ou égale à 0,1 s.
[0014] Lorsque la tension V1 est négative, la différence de potentiel appliquée entre le barreau et la contre-électrode entraîne l'électrolyse de l'eau provoquant la production de dioxygène et dihydrogène gazeux. Des bulles de ces gaz s'accumulent le long du barreau. Si la durée t " est supérieure ou égale à 1 ms, la quantité de gaz libérés lors de l'électrolyse de l'eau est suffisante pour brasser l'électrolyte et empêcher l'agglutinement de la couche visqueuse sur le barreau. L'introduction d'une durée W supérieure ou égale à 0,1 s permet aux bulles de gaz libérés lors de l'électrolyse de l'eau, de remonter à la surface de l'électrolyte pour être évacuées. Ainsi, l'effet « drop off » est supprimé. La gravure du barreau est homogène sur une grande longueur du barreau ce qui permet la fabrication d'un cylindre micrométrique.
[0015] Les modes de réalisation de ce procédé peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
« la durée t on est inférieure à 100ms et au moins supérieure à la somme des durées t+ et t-,
■ la durée t + est inférieure à 50ms,
■ la durée est supérieure ou égale à 1 s,
■ la durée t est supérieure ou égale à 10ms,
■ pendant la durée t + le procédé comporte la limitation par un limiteur électronique de l'intensité du courant traversant l'électrolyte entre le barreau et la contre-électrode à une valeur systématiquement inférieure à une valeur L, la valeur l m étant la valeur de l'intensité du courant qui serait atteinte dans les mêmes conditions et au même instant si l'intensité était uniquement limitée par les résistances du barreau, de l'électrolyte et de la contre-électrode
■ le procédé comporte:
- la fourniture d'au moins un second barreau, en plus du premier barreau, apte à être gravé par électrolyse, baignant dans le même électrolyte, et
- l'application d'une tension V2 entre le second barreau et la contre- électrode, la tension V2 étant nulle pendant la durée t on du premier barreau et alternant entre des valeurs positives et négatives pendant la durée t 0 ff du premier barreau
Les modes de réalisation de ce procédé présentent en outre les avantages suivants :
■ la durée t on inférieure à 100 ms et/ou la durée t + inférieure à 50 ms et/ou la durée supérieure à 1 s et/ou la durée t " supérieure à 1 ms permettent d'obtenir des cylindres au facteur de forme plus élevé et améliorent leur cylindricité;
■ l'usage d'un limiteur de courant permet de contrôler simplement l'intensité du courant d'électrolyse et donc de maîtriser simplement la quantité de matière enlevée sur le barreau par électrolyse;
■ l'utilisation de la durée t 0 ff pour graver au moins un second barreau permet de fabriquer de manière simultanée plusieurs cylindres micrométriques, ce qui constitue un gain de temps appréciable.
[0016] L'invention a également pour objet un dispositif de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique dans un barreau par électrolyse, le cylindre présentant un facteur de forme supérieur à 20, le facteur de forme étant défini comme le rapport entre la longueur L du cylindre et le diamètre moyen Dm des sections transversales du cylindre sur la longueur L, l'écart entre le diamètre Dm et le diamètre des sections transversales du cylindre sur la longueur L étant inférieur à 30% de Dm, ce dispositif comportant :
- un électrolyte,
- un récipient contenant l'électrolyte,
- un barreau apte à être gravé par électrolyse, baignant dans l'électrolyte,
- une contre-électrode baignant dans l'électrolyte, et
- une source de tension apte à appliquer une tension V1 entre le barreau et la contre- électrode, la tension V1 alternant entre une valeur positive pendant une durée t + et une valeur négative pendant une durée t " ,
caractérisé en ce que pendant la fabrication du même cylindre de diamètre micrométrique, la source est apte à commander automatiquement la tension V1 de manière à ce que :
- la durée t " est supérieure ou égale à 1 ms, et
- la tension V1 comporte plusieurs séquences de durée t on où elle alterne entre la valeur positive et la valeur négative entrecoupées de séquences où la tension V1 est nulle pendant une durée t off supérieure ou égale à 0.1 s.
[0017] Les modes de réalisation de ce dispositif peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
■ le dispositif contient un fluide électriquement isolant contenu dans le récipient, ce fluide étant non miscible avec l'électrolyte, plus lourd que l'électrolyte et disposé de manière à ce qu'une extrémité du barreau trempe dans ce fluide, et
■ le barreau comprend une extrémité proximale située en dehors de l'électrolyte et une extrémité distale plongée dans l'électrolyte ou dans un fluide électriquement isolant, chacune de ces extrémités étant mécaniquement raccordée par des conducteurs électriques différents à une même borne de la source de tension.
[0018] Les modes de réalisations de ce dispositif présentent en outre les avantages suivants :
■ le fluide électriquement isolant plus lourd que l'électrolyte permet d'empêcher le raccourcissement du barreau par électrolyse et d'obtenir une gravure uniquement radiale ce qui facilite le contrôle du facteur de forme du cylindre ;
■ Connecter les deux extrémités du barreau à la même borne de la source par deux conducteurs différents permet d'obtenir un potentiel électrique plus homogène sur toute la longueur du barreau ce qui améliore la cylindricité du cylindre.
[0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d'un dispositif de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique, - la figure 2 est une illustration schématique d'une forme d'onde d'une tension délivrée par une source de tension du dispositif de la figure 1 .
- la figure 3 est un organigramme d'un procédé de fabrication d'un cylindre de diamètre micrométrique à l'aide du dispositif de la figure 1 ,
- les figures 4, 5, 6, et 7 illustrent des étapes du procédé de la figure 3, et
- la figure 8 est une illustration schématique d'une variante du dispositif de la figure 1 .
[0020] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
[0021] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0022] La figure 1 illustre un dispositif 2 de gravure par électrolyse. Ce dispositif 2 comporte un récipient 4 apte à contenir une substance liquide 6. Par exemple, le récipient 4 est une cuve en polytétrafluoroéthylène. Ici, la capacité du récipient 4 est de 50ml.
[0023] Dans le mode de réalisation présenté, la substance 6 est formée de deux phases non miscibles, superposées l'une sur l'autre.
[0024] La première phase est un électrolyte 8. L'électrolyte 8 est un liquide aqueux électriquement conducteur apte à permettre l'électrolyse d'un barreau 16 immergé dans cet électrolyte 8. Par exemple, pour la gravure d'un barreau 16 en tungstène, il s'agit d'eau comprenant du NaOH et du glycérol en solution. Ici, la concentration en NaOH est comprise entre 1 et 5mol/litre et le glycérol représente de 0 à 75%, de préférence 50%, de la masse totale de l'électrolyte 8. De préférence, le volume de l'électrolyte 8 est compris entre 5ml et 20ml.
[0025] La seconde phase est une huile 14 électriquement isolante. L'huile 14 a pour fonction d'empêcher l'électrolyse de tout élément immergé dans celle-ci. L'huile 14 est plus lourde que l'électrolyte 8. Par exemple, l'huile 14 est une huile perfluorée.
[0026] Le barreau cylindrique 16 apte à être gravé par électrolyse baigne dans la substance 6. De préférence, le barreau 16 présente une section transversale identique à celle que l'on souhaite donner au cylindre micrométrique. Par exemple, la section transversale du barreau 16 est ici circulaire. De préférence, le diamètre de la section transversale est constant sur toute la longueur du barreau 16 avec une cylindricité initiale meilleur quee la cylindricité finale du cylindre fabriqué. Le diamètre du barreau 16 est strictement supérieur à Ι ΟΟμιτι. Ici, le diamètre du barreau 16 est de 250μηη. Par exemple, le barreau 16 est un fil de tungstène polycristallin pur à 99,9%. Avantageusement, la cylindricité initiale du barreau est au moins 5 à 10 fois inférieure à la cylindricité finale. Par exemple, dans le cas du barreau tungstène polycristallin pur à 99,9% et de diamètre initial 250 μιτι, celui-ci a une cylindricité initiale de 3% si l'on vise à fabriquer un cylindre de diamètre micrométrique avec une cylindricité de 30%. [0027] De préférence, la longueur du barreau 16 est supérieure à la hauteur du mélange 6 dans le récipient 4. Le barreau 16 comporte une extrémité proximale 18 et une extrémité distale 20. Il est disposé dans le récipient 4 de manière à ce que l'extrémité 18 soit située au dessus de l'électrolyte 8 et en contact avec l'air ambiant . A cet effet, un mandrin 22 suspend le barreau 16 par l'extrémité 18 dans le récipient 4. La partie du barreau non immergé dans la substance 6 correspond à ce que l'on appelle par la suite « haltère supérieur ».
[0028] Le barreau 16 s'enfonce, par exemple sur au moins 6 mm, dans la substance 6 de manière à ce qu'une partie du barreau soit immergée dans l'électrolyte 8 et une autre partie soit immergée dans l'huile 14. La partie du barreau 16 immergée dans l'huile 14 correspond à ce que l'on appelle par la suite l'haltère inférieur 15.
[0029] La superposition de l'électrolyte 8 et de l'huile 14 permet d'empêcher la gravure par électrolyse du barreau 16 dans le sens longitudinal. En effet, en absence d'huile 14, la gravure du barreau 16 serait réalisée de manière isotrope. Par conséquent, la gravure progresserait radialement mais également longitudinalement, ce qui raccourcirait la longueur du barreau 16. Ainsi, en absence de l'huile 14, il est plus difficile de maîtriser la longueur finale du cylindre et donc de contrôler son facteur de forme. En ne gravant que radialement, le contrôle du facteur de forme est plus aisé. Ainsi, lors de la gravure, le barreau conserve une symétrie cylindrique : (i) de rayon inchangé par rapport au diamètre initial du barreau dans les zones correspondant aux haltères inférieur et supérieur,
(ii) de rayon amincit progressivement entre les altères supérieur et inférieur,
(iiii) avec un raccord continu s'évasant progressivement en allant du cylindre de diamètre micrométrique fabriqué vers l'haltère inférieur ou supérieur, la forme de ce raccord n'affectant pas l'utilisation qui sera faite du cylindre.
[0030] Une contre-électrode 24 baigne également dans la substance 6. La contre- électrode 24 est électriquement conductrice. Par exemple, la contre-électrode 24 est en laiton ou en cuivre ou, de préférence, en platine. Avantageusement, la contre- électrode 24 entoure la partie du barreau 16 à graver. De préférence également, la section transversale de la contre-électrode est identique à celle que l'on souhaite donner au cylindre micrométrique. Enfin, toujours de manière préférée, la contre- électrode 24 est centrée sur le barreau 16. Ici, la contre-électrode 24 est un cylindre de section transversale circulaire centré sur le barreau 16. La contre électrode est par exemple séparée du barreau 16 par une distance supérieure à 1 mm. Ici, cette distance est de 5 mm. Sa structure est, par exemple, grillagée. De préférence, la contre-électrode 24 s'étend sur au moins toute la hauteur de l'électrolyte 8. Une fixation 26 suspend mécaniquement la contre-électrode 24 dans l'électrolyte 8.
[0031] Le dispositif 2 comporte également une source de tension 30 avantageusement pilotée par ordinateur apte à appliquer une tension V1 entre le barreau 16 et la contre-électrode 24 pour provoquer la gravure par électrolyse du barreau 16. La forme d'onde de la tension V1 est décrite plus en détail en regard de la figure 2. La source de tension 30 est connectée électriquement au barreau 16 et à la contre-électrode 24. Par exemple, la source de tension 30 comprend deux bornes 31 et 33. La borne 31 de la source 30 est mécaniquement raccordée par un conducteur électrique 32A à l'extrémité 20 du barreau 16. Par exemple, un creuset 35 électriquement conducteur est immergé dans l'huile 14 et assure la jonction électrique entre l'extrémité 20 et le conducteur 32A. Plus précisément, ce creuset 35 contient un liquide électriquement conducteur tel qu'un métal liquide eutectique. Par exemple, le métal liquide eutectique est de l'Indium Gallium 75/25. L'extrémité 20 du barreau 16 trempe dans ce liquide conducteur.
[0032] La borne 31 est mécaniquement raccordée par un conducteur électrique 32B à l'extrémité 18 du barreau 16. Par exemple, le conducteur 32B raccorde le mandrin 22 à la borne 31 . Le mandrin 22 est alors réalisé dans un métal électriquement conducteur.
[0033] Cette configuration dite « double contact » est préférée pour l'amincissement de pointes très fines et permet au barreau 16 d'avoir un potentiel électrique homogène sur toute sa longueur. Elle permet de rendre la gravure du barreau 16 par électrolyse plus homogène sur sa longueur immergée dans l'électrolyte 8. Néanmmoins pour des pointes de diamètre moyen, par exemple 10 μιτι, il est possible de se contenter d'un seul contact électrique, soit un contact inférieur, soit un un contact supérieur.
[0034] La borne 33 de la source 30 est raccordée mécaniquement par un conducteur électrique à la contre-électrode 24.
[0035] Par exemple, la source 30 est réalisée à partir d'une carte électronique 32 de la société National Instrument (marque déposée) commercialisée sous la référence USB 6229. La source 30 comprend aussi une application pour la carte 32 développée sous Labview (marque déposée) permettant de faire évoluer au cours du temps la forme d'onde de la tension V1 . Par exemple, l'amplitude de la tension V1 est ajustable par pas de 20mV.
[0036] Par ailleurs, la source 30 comporte un limiteur commandable 34 de courant apte à limiter l'intensité du courant d'électrolyse à une valeur prédéterminée et commandable indépendamment des résistances de l'électrolyte 8, du barreau 16 et la contre-électrode 24 lorsqu'une tension V1 est appliquée.
[0037] La figure 2 décrit la forme d'onde de la tension V1 appliquée par la source 30 entre le barreau 16 et la contre-électrode 24. La tension V1 est définie par des séquences de durée t on où elle alterne entre une valeur positive pendant une durée t + , et une valeur négative pendant une durée t " , entrecoupées de séquences de durée W pendant lesquelles la tension V1 est nulle. Les durées t + , t " , t on et sont ajustables par pas de 1 ms. Ici, pour simplifier le contrôle de la quantité de courant qui traverse l'électrolyte 8 entre le barreau 16 et la contre-électrode 24, la forme d'onde de la tension V1 est carrée.
[0038] Le fonctionnement du dispositif 2 va maintenant être décrit en regard du procédé de la figure 3 et à l'aide des figures 4 à 7. Ici, le procédé a pour but l'obtention d'un cylindre de diamètre inférieur à 20, 10 ou 1 μιτι et de facteur de forme supérieur à 20 et, de préférence, supérieur à 50. La cylindricté du cylindre est inférieure à 30% et, de préférence, inférieure ou égale à 10%.
[0039] Lors d'une étape 50 la source de tension 30 est configurée. Plus précisément, l'amplitude de la tension V1 et les durées t + , t " , t on et t 0 ff sont réglées de manière à ce que le facteur de forme du cylindre usiné soit supérieur à 20. De préférence, le facteur de forme est supérieur à 30, 50, 100 ou 500.
[0040] L'amplitude de la tension V1 est choisie suffisamment importante pour permettre l'électrolyse du barreau 16 lorsque la tension V1 est positive et l'électrolyse de l'eau lorsque la tension V1 est négative. Par exemple, la tension V1 a une amplitude crête à crête de 60V qui décroît par paliers jusqu'à une amplitude crête à crête de 10V, 5V ou 1 ,5V. Ici, elle est centrée sur 0V. La durée t + définit le temps durant lequel la tension V1 appliquée entre le barreau 16 et la contre-électrode 24 est positive. Par conséquent, pendant la durée t + la gravure du barreau 16 par électrolyse se produit. L'électrolyse du barreau 16 dans le cas de l'exemple précédent (gravure d'un barreau de tunstène) fait intervenir les réactions suivantes :
- au voisinage de la contre-électrode :
6H 2 0+ 6 e ~ →3H 2 ( gazeux ) + 6 OH ~
- au voisinage du barreau 16 :
W ( solide ) + 8 OH ~ → W0 4 2~ + 4H 2 0+ 6 e ~
[0041] Pendant la durée t + la réaction totale se produisant dans l'électrolyte 8 est alors :
W ( solide ) + 2 OH ~ + 2H 2 O→ W0 2 4 ~ + 3H 2 ( gazeux )
[0042] Ces équations présentent de manière simplifiée les phénomènes intervenant dans la gravure du barreau 16. La dissolution du tungstène W entraîne la création d'une couche d'oxyde qui se dissout dans l'électrolyte 8 pour former des ions tungstates W0 4 . Les ions tungstates sont lourds et constituent une couche visqueuse autour du barreau 16. Si rien n'est fait, cette couche visqueuse coule le long du barreau 16 par gravité et forme une masse en forme de poire.
[0043] Pour que le facteur de forme du cylindre final soit supérieur à 20, la durée t + est réglée inférieure à 50ms. De préférence, la durée t + est inférieure à 10ms, 20ms, 30ms ou 40ms. Ici, la durée t + est égal à 10ms.
[0044] La durée t " définit le temps durant lequel la tension V1 appliquée entre le barreau 16 et la contre-électrode 24 est négative. Par conséquent, pendant la durée t " l'électrolyse de l'eau se produit. L'électrolyse de l'eau fait intervenir les réactions suivantes : - au voisinage de la contre-électrode :
2H 2 O ( liquide ) =0 2 ( gazeux ) + 4H + ( acqueux )+4 e
- au voisinage du barreau 16 :
2H 2 0 ( liquide ) =H 2 ( gazeux ) + 2 OH ( acqueux )
[0045] L'électrolyse de l'eau produit du dihydrogène gazeux et des ions hydroxyles au voisinage du barreau 16. La durée t " est choisie telle que les quantités de gaz produits brassent suffisannnnent l'électrolyte 8 au voisinage du barreau 16 pour disperser la couche visqueuse et empêcher son dépôt sur le barreau 16. Par exemple, la durée t " est ajustée pour que la quantité d'ions hydroxyles produite pendant la durée t " soit au moins égale à la quantité d'ions hydroxyles consommés pendant la durée t + . Pour cela, la durée t " est supérieure ou égale à 1 ms, et de préférence, supérieure à 5ms, 10ms, 15ms ou 20ms. Ici, la durée t " est égale à 10ms.
[0046] La durée t on est également réglée. La durée t on permet de définir la quantité de courant moyenne par train d'impulsions positives et donc la vitesse de gravure. Par ailleurs, plus la durée t on est longue, plus la cylindricité du cylindre tend à diminuer. Ici, pour obtenir un cylindre micrométrique ayant un facteur de forme supérieur à 20, la durée t on est, de préférence, inférieure à 100ms. Toutefois, la durée ton reste suffisamment longue pour permettre au moins une alternance de la tension V1 entre ses valeurs positives et négatives pendant cette durée. Ici, la durée t on est égale à 100 ms.
[0047] La durée t 0 ff est suffisamment longue pour permettre aux bulles de gaz formées pendant l'électrolyse de l'eau de remonter vers la surface de l'électrolyte 8. Il a été constaté que si la durée t 0 ff est trop courte, les bulles de gaz s'accumulent le long du barreau 16 et l'on aboutit à un effet « drop off » diminuant la cylindricité. Par conséquent, ici la durée t 0 ff est choisie au moins supérieure à 0,1 s et, de préférence, supérieure à 1 s ou 2s. Ici, la durée t 0 ff est égale à 0,3s.
[0048] Les vitesses de l'électrolyse du barreau 16 et de l'eau sont déterminées par l'intensité du courant circulant entre le barreau 16 et la contre-électrode 14 pendant les durées t + et t " . L'intensité du courant d'électrolyse, en particulier pendant la durée t + , détermine la quantité de matière enlevée au barreau 16. La connaissance au moins approximative de la quantité de matière enlevée est utile pour savoir quand la gravure par électrolyse doit être arrêtée. Un amincissement trop important du barreau conduit à sa désagrégation dans l'électrolyte si le courant est appliqué trop longtemps. Pour connaître facilement la quantité de matière enlevée, le limiteur de courant 34 est également configuré lors de l'étape 40. Par exemple, le limiteur 34 maintient pendant la durée t + l'intensité du courant à une valeur constante systématiquement inférieure à une valeur Im. La valeur Im est la valeur de l'intensité du courant qui serait atteinte dans les mêmes conditions et au même instant si l'intensité était uniquement limitée par les résistances du barreau 16, de l'électrolyte 8 et de la contre-électrode 24. [0049] Lors d'une étape 52, illustrée dans la figure 4, le barreau 16 est immergé dans la substance 6. La source 30 est mise en marche et la tension V1 réglée est appliquée entre le barreau 16 et la contre-électrode 24. Seule la partie du barreau 16 baignant dans l'électrolyte 8 est gravée par électrolyse ce qui creuse la périphérie du barreau 16 jusqu'à obtenir le cylindre de diamètre micrométrique souhaité. Dans le même temps, l'haltère inférieur 15 n'est pas gravé car il baigne dans l'huile 14 électriquement isolante. De préférence, l'amplitude de la tension V1 décroît par paliers. Ici, la tension V1 passe par différents paliers: 30V, 15V, 10V, 5V et si nécessaire 1 ,5V. Chaque palier dure respectivement 500s, 300s, 200s 100s et 10s. Lors du premier pallier on grave grossièrement le barreau 16 et on affine progressivement la gravure en faisant décroître l'amplitude.
[0050] Pour graver rapidement, il est avantageux d'avoir une tension élévée. Par contre si cette tension est appliquée trop longtemps, la cylindricité du cylindre située entre les deux haltères est détériorée. Pour éviter cela, il est avantageux d'adapter la vitesse de gravure au diamètre de ce cylindre, c'est-à-dire de ralentir la vitesse de gravure lorsque le cylindre devient fin pour éviter sa désagrégation. Cette adaptation est effectuée en baissant la tension au fur et à mesure de l'amincissement. Avantageusement, la baisse de tension est appliquée par paliers en fonction du temps. Il est possible aussi d'augmenter le nombre de paliers pour avoir une décroissance continue de la tension appliquée. Quoi qu'il en soit, la durée du dernier palier est écourtée ou prolongée jusqu'à ce que le cylindre gravé entre les deux haltères possède le diamètre souhaité. Dans ce cas, la source 30 est mise à l'arrêt. Par exemple, à intervalles de temps régulier (multiple de la séquence t on ) un micromètre laser, commercialisé par la société Mitituyo (marque déposée) sous la référence LSM-500s apte à mesurer des diamètres compris entre 5 μιτι et 1 mm, mesure le diamètre de la section transversale du barreau 16. Avantageusement le micromètre mesure la forme générale du barreau et donc le facteur de forme et la cylindricité du cylindre. Ici, la résolution du micromètre laser utilisé est de 10nm. Un actionneur est apte à mettre à l'arrêt la source 30 lorsque le diamètre souhaité est atteint. A ce stade, on a alors obtenu le cylindre micrométrique souhaité (figure 5) mais celui-ci est encore attaché à l'haltère 15.
[0051] Pour séparer l'haltère 15 du cylindre de diamètre micrométrique, lors d'une étape 54 illustrée dans la figure 6, le barreau 16 est partiellement retiré du mélange 6 de manière à ce que la partie supérieure de l'haltère 15 attachée au cylindre de diamètre micrométrique soit immergée dans l'électrolyte 8. Par exemple, le barreau 16 est disposé tel que l'haltère 15 baigne en totalité dans l'électrolyte 8. La zone du barreau 16 gravé lors de l'étape 52 est à plus de 80% ou 90% dans l'air ambiant.
[0052] Ensuite, lors d'une étape 56 représentée sur la figure 7, l'haltère 15 est séparé du cylindre micrométrique. Par exemple, ceci est réalisé par électrolyse. A cet effet, la source 30 applique une tension V1 continue jusqu'à couper l'extrémité du cylindre micrométrique en contact avec l'haltère 15, par exemple, par effet « drop off ».
[0053] Enfin, lors d'une étape 58 le cylindre micrométrique est retiré du mélange 6.
[0054] Si nécessaire la partie distale du barreau peut être aplanie par des moyens mécaniques ou par électroérosion, par exemple, contre un matériau moins facilement érodable que le barreau et/ou avec des conditions d'électroérosion connues de l'homme de l'art (polarité de la tension appliquée, niveau et forme de la tension appliquée).
[0055] Le dispositif et le procédé décrit ci-dessus permet non seulement de fabriquer des cylindres de diamètre micrométrique mais également des cylindres de diamètre submicronique (c'est-à-dire inférieur à 1 μιτι) avec un facteur de forme élevé et une cylindricité meilleur que 30%. Par exemple un cylindre de 0,1 μιτι de diamètre peut être fabriqué. Par ailleurs, le procédé de fabrication est rapide. En effet, sa durée est comprise entre 5 et 120 minutes et le plus souvent entre de 5 et 20 minutes. Il peut être complètement automatisé. Le procédé ne fait appel à aucun composant coûteux (à l'exception du micromètre laser qui peut être omis). A titre d'illustration de ce qui précède, une version de la machine de gravure a été développée (sans micromètre laser) avec un pilotage entièrement réalisé par microcontroleur pour moins de 300 euros de composants électroniques et moins de 2000 euros de moteurs et de composants mécaniques.
[0056] La figure 8 illustre un dispositif 60 identique au dispositif 2 à l'exception du fait qu'il est apte à fabriquer simultanément au moins deux cylindres de diamètre micrométrique. A cet effet, le dispositif 60 comporte un barreau supplémentaire 62. Ce barreau 62 est apte à être gravé par électrolyse. Il baigne dans le même mélange 6. Le barreau 62 comporte une extrémité proximale 64 et une extrémité distale 66. Par exemple, il est disposé dans le récipient 4 de manière à ce que l'extrémité 64 soit située au-dessus de l'électrolyte 8 dans l'air ambiant. A cet effet, un mandrin 68 suspend le barreau 62 par l'extrémité 64 dans le récipient 4. Par exemple, le barreau 62 est identique au barreau 16. L'extrémité 66 baigne dans le même bain conducteur contenu dans le creuset 35.
[0057] La source 30 est remplacée par une source 69 apte à appliquer la tension V1 entre le barreau 16 et la contre-électrode 24 et une tension V2 entre le second barreau 62 et la contre-électrode 24. La tension V2 est temporellement synchronisée sur la tension V1 de manière à ce que le courant circule uniquement en alternance entre le barreau 16 et la contre-électrode 24 puis entre le barreau 62 et la contre- électrode 24. Cela permet de mieux maîtriser la quantité de matière enlevée sur chacun des barreaux tout en gravant simultanément ces barreaux. Ici, les tensions V1 et V2 sont identiques sauf que la durée t on de l'une correspond à la durée t 0 ff de l'autre. Le fonctionnement du dispositif 60 est identique au dispositif 2 à l'exception que la tension V2 est nulle pendant la durée t on de la tension V1 et que la tension V2 alterne entre les valeurs positives et les valeurs négatives pendant la durée de la tension V1 . Ce mode de réalisation permet, lorsqu'un des barreaux n'est pas gravé pendant la durée W de graver l'autre. Par conséquent, la vitesse de production de deux cylindres est améliorée.
[0058] Bien évidemment, il est possible d'utiliser des tensions différentes pour aboutir directement à des diamètres, des facteurs de forme et/ou des degrés de cylindricité différents. Notamment, aboutir à des pointes de diamètres différents peut être avantageux en fonction des applications. Par exemple, si les pointes sont utilisées pour le fraisage par microélectroérosion, il est avantageux de fabriquer simultanément des pointes qui serviront à une phase d'ébauche grossière avec une pointe de diamètre important et à une phase de finition avec une pointe de diamètre plus petit. Eventuellement des perçages pourront être effectués avec des pointes de diamètres différents mais parfaitement calibrés.
[0059] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles.
[0060] L'huile isolante 14 peut être omise. Dans ce cas, l'électrolyse du barreau 16 est réalisée sur l'ensemble de la longueur immergée du barreau.
[0061] Une pompe péristaltique peut être ajoutée au dispositif 2 dans le but de renouveler l'électrolyte continuellement. Il est également possible de filtrer de manière continue l'électrolyte par nanofiltration et/ou par électrodialyse afin d'extraire les ions tungstates formés pendant l'électrolyse du barreau et/ou reconstituer la concentration en ions hydroxyles de l'électrolyte 8.
[0062] La composition chimique de l'électrolyte 8 n'est pas limitée à la composition donnée à titre d'exemple. De même, les concentrations en NaOH et glycérol de l'électrolyte 8 ne sont pas limitées au cas décrit. Par ailleurs, la viscosité de l'électrolyte 8 peut être ajustée par une autre espèce chimique que le glycérol. Le glycérol ou tout autre composé pour ajuster la viscosité de l'électrolyte 8 peuvent être omis de l'électrolyte 8.
[0063] L'invention n'est pas limitée au cas où les formes d'onde des tensions V1 et V2 sont carrées. Il est parfaitement envisageable que les tensions V1 et V2 soit sinusoïdales ou en dent de scie ou avec d'autres formes d'onde du moment qu'elle présente des durées t " , t + , t on et telles que décrites ci-dessus.
[0064] Dans un autre mode de réalisation, la tensions V2 du dispositif 60 de la figure 3 est telle qu'un des barreaux est usiné pour réaliser un cylindre tandis que le second est usiné pour réaliser une pointe. Par exemple, la tension V2 ne comporte pas d'alternance négative pendant la durée t on pour graver le second barreau par effet « drop off ». Il est possible alors par exemple d'utiliser le second barreau comme sonde pour un microscope à effet tunnel. Plus précisément, il serait envisageable de disposer ces deux barreaux dans une machine unique permettant d'usiner une pièce par fraisage par microélectroérosion avec le premier barreau et de caractériser la surface de ladite pièce par effet tunnel avec le deuxième barreau. Il ressort de ce qui précède que la capacité de fabriquer simultanément plusieurs pointes avec la présente invention et ce avec une forme et une disposition parfaitement contrôlée dans l'espace, est un progrès important par rapport à l'état de l'art.
[0065] La source 30 de tension peut éventuellement ne pas comporter de limiteur de courant 34, le courant étant alors uniquement limité par les résistances électriques du barreau 16, de la contre-électrode 24 et de l'électrolyte 8. L'invention ne se limite pas au cas où ou le limiteur 34 maintient l'intensité du courant à une valeur positive constante pendant la durée t + et à une valeur négative constante pendant la durée t " . Il est possible d'envisager un contrôle du courant uniquement pendant la durée t + ou uniquement pendant la durée t " . De même, il est possible d'envisager un contrôle du courant par le limiteur 34 pour que pendant les durées t + et t " le courant décroît selon une pente prédéterminée et imposée.
[0066] La gravure par électrolyse peut être arrêtée en fonction d'une estimation de la quantité de matière enlevée. Cette estimation est par exemple obtenue à partir des mesures d'un ampèremètre branché sur les conducteurs d'alimentation de la source 30. Dans ces conditions, le micromètre laser mesurant le diamètre du cylindre peut être omis.
[0067] Le barreau 16 et le cylindre fabriqué ne sont pas nécessairement des cylindres à section transversale circulaire. Il peut s'agir d'un cylindre à section rectangulaire, elliptique ou tout type de section.
[0068] Tout matériau apte à être gravé par électrolyse peut être utilisé dans le cadre de cette invention comme barreau. Par exemple, on peut utiliser un barreau en tungstène monocristalin ou polycristallin, platine-iridium Pt-lr, carbure de tungstène, platine, graphite, molybdène, nickel, or, titane ou argent.
[0069] Dans le cas ou le barreau est en carbure de tungstène ou un de ses alliages, on peut utiliser un électrolyte comprenant du NaOH de concentration 2mol/litre ou du H 2 SO 4 de concentration comprise entre 0,5mol/litre et 2,5mol/litre ou encore du NaCI.
[0070] Dans le cas où le barreau est en platine ou en platine-iridum Pt-lr on peut utiliser un électrolyte comprenant du NaCI ou du CaCI 2 .
[0071] Dans le cas ou le barreau est en graphite, on peut utiliser un électrolyte comprenant une solution de NaOH de concentration comprise entre 4mol/litre et 8mol/litre.
[0072] Dans une variante, la contre-électrode est réalisée dans du Platine Pt ou du nickel Ni.
[0073] Ce qui a été décrit précédemment ne se limite pas au cas où la contre- électrode est cylindrique. La contre-électrode peut également être un simple barreau baignant dans l'électrolyte à côté du barreau à graver.
[0074] La mesure du diamètre du barreau 16 gravé n'est pas nécessairement réalisé à l'aide d'un micromètre laser. Pour mesurer des pointes de diamètre inférieure à 5 μιτι, on peut utiliser des méthodes optiques de grande précision : un objectif de microscope de très haute résolution (0,4 μιτι par exemple) et de grande distance de travail (6 mm par exemple) ou un interféromètre ou un dispositif basé sur un principe dérivé de celui exposé dans la publication suivante :
Ezio Puppin, "Displacement measurements with resolution in the 15 pm range",
REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 76, 105107 (2005)
[0075] Le procédé de fabrication n'est pas limité à la gravure de deux barreaux en parallèle. Il est possible d'utiliser le procédé de fabrication décrit en regard de la figure 3 ou 8 pour graver simultanément un nombre de barreau supérieur ou égal à trois. Par exemple, si le procédé décrit en regard de la figure 8 est mis en œuvre pour graver plus de trois barreaux, les durées t on de gravure de ces barreaux sont réparties pour ne pas se chevaucher.
[0076] On peut enfin également accélérer la gravure en augmentant le courant traversant le barreau et/ou en variant la concentration d'électrolyte.
Next Patent: A GAS-SELECTIVE MEMBRANE AND METHOD OF ITS PRODUCTION