Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, STI - Section de microtechnique STI-SMT

Etude de la microstructuration du verre par étincelage assisté par attaque chimique : une approche électrochimique

Fascio, Valia ; Bleuler, Hannes (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2691.

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    Summary
    We are surrounded by glass! This material has been greatly used for thousand years. More than 2000 years ago in ancient Egypt glass was used to manufacture bottles of perfume. So its first uses were primarily related to decoration and jewellery. The researchers left its decorative use to introduce it to new technologies. Today miniaturisation is a major technological challenge. Material machining to micrometric or submicrometric scale becomes one of the key techniques for the future. Glass is often involved in these miniaturized devices. This interest can be explained by its properties: glass is transparent and has a good chemical durability. Many techniques of glass micromachining exist from laser to HF etching and sand powder blasting. In this work, we introduce a glass microstructuring technique, that we called Spark Assisted Chemical Engraving (SACE). It was presented for the first time in the Sixties to drill microholes in glass (diameter = 6 μ). Since the first use of SACE as machining technology in 1968, theoretical approaches were proposed in literature to understand the process. They are based on thermal models by finite elements method or on electrical characterization, with ohmic resistances calculations. They give a good quantitative approximation of the material removal rate. The goals of the thesis are to achieve a local understanding of the process and to highlight electrochemical and thermal phenomena involved around tool-electrode tip before and during SACE process. This thesis will try to answer two questions: How does SACE work? and how to apply it to microstructure glass? A new approach based on potential sweep is proposed to study the process. The originality consists in matching electrochemical measurements with high resolution photographs from the tool-electrode. This report is structured in three parts. A bibliographical part, which introduces not only glass as a material but also presents technologies for glass microstructuration (including SACE). A theoretical part, which focuses on describing current behaviour before spark formation, which allows material removal. It starts by a theoretical recall of variations of electric parameters (conductivity, resistance) as a function of gas hold-up. This theory is then applied to build a model, based on resistance calculations in the system. The goal of this model is to explain electrochemical measurements. An experimental part, which validates the theory developed to explain what happens before spark formation. Characteristics of sparks are then studied by a technique based on voltage pulses and used in a finite elements model. Finally, we will present concrete results, illustrating SACE possibilities to drill microholes. A mechanical prototype for SACE was developed during this thesis and is presented for microreactors fabrication and other glass microstructurations.
    Résumé
    Nous sommes entourés par le verre! C'est un matériau utilisé depuis des milliers d'années. Dans l'Egypte ancienne, le verre servait déjà à la fabrication de flacons de parfum. Ses premières utilisations furent ainsi essentiellement liées à la décoration et la bijouterie. Les chercheurs l'ont sorti de son emploi décoratif pour l'introduire dans les nouvelles technologies. Aujourd'hui, la miniaturisation est un enjeu technologique majeur. L'usinage de matériaux à l'échelle micrométrique ou submicrométrique devient l'une des techniques clés du futur et le verre est souvent présent dans ces dispositifs miniaturisés. Cet intérêt s'explique par ses propriétés: le verre est transparent et a une bonne résistance chimique. De nombreuses techniques de micro-usinage du verre existent: du laser à la gravure par voie humide en passant par le sablage. Dans ce travail de thèse, nous sommes intéressés à la microstructuration du pyrex (verre Corning 7740) par une technique, que nous nous proposons d'appeler usinage par étincelage assisté par attaque chimique (noté en anglais, Spark Assisted Chemical Engraving, SACE). Ce procédé a été présenté pour la première fois dans les années soixante pour percer des trous de faible diamètre (= 6 μ) dans le verre sous le nom de Electrical Discharge Drilling. Depuis la première utilisation du SACE en 1968 pour structurer du verre, des approches théoriques ont été proposées dans la littérature pour comprendre ce processus. Elles sont fondées sur des modèles thermiques par éléments finis ou une caractérisation électrique, en calculant les résistances ohmiques du système. Ces avancées donnent une bonne estimation quantitative de l'enlèvement de matière. Notre but est de présenter une compréhension plus locale du processus et de mettre en lumière les phénomènes électrochimiques et thermiques induits autour de l'électrode-outil avant et pendant l'usinage par étincelage assisté par attaque chimique. Cette thèse essaie de répondre à deux questions, posée de façon prosaïque: Comment ça marche? et comment exploiter cette technique pour microstructurer du verre? Une nouvelle approche pour étudier le processus, basée sur le balayage du potentiel est proposée. L'originalité de ce travail consiste à mettre en correspondance les mesures réalisées en voltamétrie avec des images du processus pour comprendre les phénomènes électrochimiques présents. Ce rapport s'articule en trois parties. Une partie bibliographique qui présente non seulement le matériau verre, mais aussi les techniques actuelles de microstructuration du verre, dont le SACE. Une partie théorique où l'étude se focalise sur les phases précédant la phase d'étincelage, qui permet l'usinage. Nous commençons par un rappel théorique sur la variation des paramètres électriques de l'électrolyte (conductivité, résistance) en fonction de la fraction de gaz dans le système étudié. Cette théorie est ensuite appliquée à notre système pour construire un modèle basé sur le calcul des résistances ohmiques. Le but de ce modèle sera d'expliquer les mesures de balayage du potentiel. Une partie expérimentale qui permet de valider la théorie développée pour expliquer les domaines précédant l'étincelage. Les caractéristiques de la phase d'étincelage (et des étincelles) sont ensuite étudiées grâce à une technique basée sur des impulsions de tension et utilisées lors de la modélisation par éléments finis du procédé. Enfin, nous présenterons des résultats concrets de micro-usinage illustrant les possibilités du SACE pour réaliser des microtrous et des rainures dans du verre. La microstructuration du verre et d'autres matériaux est ainsi possible grâce à un prototype mécanique, qui a également été développé pendant ce travail de thèse.