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Coupling between a RF feed-line and the resonator of the cantilever probe
above : Couplge entre une ligne RF (rouge) et le resonateur (vert chartreuse) de la micro-poutrelle.

 

Micro-anemomètre cryogénique à micro-poutrelle

Photos

 

Photos du cantilever

 

 

Présentation des objectifs scientifiques

 

L'étude de la turbulence dans l'hélium superfluide, c'est-à-dire l'hydrodynamique de l'hélium liquide fortement brassé à très basse température (T < 2,17 K) est un problème qui nécessite la mise au point d'une micro-instrumentation adaptée. Il est nécessaire de concevoir des capteurs à la fois très petits et très sensibles pour mesurer les fluctuations de vitesse à petite échelle, rapides et de faible amplitude. Malheuresement, les fils chauds ne sont a-priori pas adaptés aux superfluides à cause de la grande conductivité effective de l'hélium He-II, et il est difficile de miniaturiser les tubes de Pitot en deça de 500 microns de résolution.

 

 

Principe et Réalisation

 

Inspiré par un capteur conçu à Oldenburg pour étudier la turbulence de l'air et de l'eau, nous avons mis au point un anémomètre à micro-poutrelle. La partie sensible est une poutrelle de longueur 300 µm, de largeur 100 µm et d'épaisseur de l'ordre de 1 à 10 µm, gravée dans une galette de silicium à l'aide d'une gravure profonde fluorée DRIE. Elle est placée au cœur d'un écoulement et se défléchie sous l'action du fluide incident. La mesure de sa déflexion permet de connaître la vitesse au voisinage de la poutrelle. Une mesure très rapide et très précise est réalisée à l'aide d'un résonateur LC en niobium, supraconducteur et radio-fréquence dont la fréquence de résonance change quand la poutrelle s'étire.

Ceci nous a conduit à interdire la présence de diélectriques désordonnés sur l'échantillon car ils conduisent à des bruits de phase sur le résonateur LC. Par conséquent, nous avons dû mettre au point un processus de gravure sans couche d'arrêt, en utilisant le taux de fuite de l'hélium de refroidissement du bâti de gravure comme indicateur de fin.

Un premier prototype a été testé dernièrement et a permis d'obtenir des performances comparables aux meilleurs capteurs connus jusqu'ici dans l'hélium superfluide et nous pensons pouvoir augmenter encore significativement les performances.

Micro-machined cantilever with zoom Micro-machined cantilever on flow-insert ring
Cantilevers micro-fabriqués (200 micron x 50 microns)

 

 

Partnenaires

 

Cette étude est menée en collaboration avec Alessandro Monfardini (Institut Néel) et la centrale PTA/Minatec.

 

 

Pour plus d'information

 

Local velocity probe for cryogenic helium
Cryogenic Hydrodynamics Team, Institut Néel, CNRS/UJF
Renatech newsletter June 2011 page 3
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Ph.R. Jan, 2012