Contribution to the design and fabrication of an integrated micro-positioning system

par Muneeb Ullah Khan

Thèse de doctorat en Mécanique Avancée

Sous la direction de Christine Prelle et de Stephanus Büttgenbach.

Soutenue le 24-03-2014

à Compiègne en cotutelle avec Technische Universität Braunschweig -- Institut für Gebäudelehre und Entwerfen , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Contribution à la conception et à la fabrication d'un système de micro-positionnement intégré


  • Résumé

    L’objectif de la thèse est de développer un dispositif de micro positionnement intégrant à la fois les actionneurs et les capteurs. Un dispositif a été conçu afin de réaliser des déplacements dans les plans sur une course millimétrique. Le dispositif compact ne nécessite pas de système de guidage additionnel et selon le mode d’utilisation de ces moteurs, il est capable de réaliser des translations dans le plan ou des rotations autour d’un axe perpendiculaire au plan. Le dispositif comprend quatre moteurs électromagnétiques linéaires fixés orthogonalement sur une structure en forme de croix. Chaque moteur consiste en une paire de bobines planes entrelacées fixe et une barre ’aimants mobile. Un capteur de déplacement intégré dans la structure en croix permettant de mesurer le déplacement de celle-ci a été conçu et fabriqué. Ce capteur est constitué d’une tête de mesure à fibres optiques placé face à un réseau en silicium réalisé par des techniques de microfabrication. Afin de minimiser les erreurs d’assemblage, la structure en croix a également été micro fabriquée. Le dispositif est capable de réaliser un déplacement de 10 mm et une rotation de ±11° autour de l’axe perpendiculaire au plan du dispositif. La résolution de déplacement du dispositif est de 1,4 µm avec une précision de 31 nm en boucle fermée. Le dispositif peut également atteindre une vitesse de déplacement de 12 mm/s.


  • Résumé

    The objective of thesis is to develop an integrated micro positioning system for micro applications. A unique micro positioning system design capable to deliver millimeter level strokes with pre-embedded auto guidance feature in micro application has been realized. The design integrates, a stack of orthogonally arranged four electromagnetic linear motors. Each linear motor consists of a fixed planar electric drive coil and mobile permanent magnet array. The optimal design of the system delivers a small footprint size. In addition, to measure and control the displacement, a high resolution compact optical displacement measurement sensor has been designed and fabricated in silicon material using microfabrication technology. Furthermore, a light weight silicon cross structure was fabricated using dry etching technology to reduce components assembly errors. The device is capable to deliver 10 mm displacement stroke with a rotation of ±11° about an axis perpendicular to the plane of the device. The displacement resolution of the device is 1.4 µm with a precision of 31 nm in closed loop control. The device can realize displacement with a speed of 12 mm/s.


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