Nanopositionnement 3D à base de mesure à courant tunnel et piezo-actionnement

par Lukasz Ryba

Thèse de doctorat en Automatique et productique

Sous la direction de Alina Voda et de Gildas Besançon.

Le président du jury était Skandar Basrour.

Le jury était composé de Alina Voda, Gildas Besançon, Micky Rakotondrabe.

Les rapporteurs étaient S.O. Reza Moheimani, Stéphane Regnier.


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est l'élaboration de lois de commande de haute performance et leur validation en temps réel sur une plateforme expérimentale 3D de nano-positionnement à base de courant à effet tunnel, développée au laboratoire GIPSA-lab. Elle s'inscrit donc dans le cadre des systèmes micro-/nano-mécatronique (MEMS), et de la commande. Plus précisément, le principal enjeu considéré est de positionner la pointe métallique à effet tunnel (comme en microscopie à effet tunnel STM) contre la surface métallique en utilisant des actionneurs piézoélectriques en X, Y et Z et un micro-levier (comme en microscopie à force atomique AFM) actionné électrostatiquement en Z avec une grande précision et une bande passante élevée. Cependant, la présence de différents effets indésirables apparaissant à cette petite échelle (comme le bruit de mesure, des non-linéarités de natures différentes, les couplages, les vibrations) affectent fortement la performance globale du système 3D. En conséquence, une commande de haute performance est nécessaire. Pour cela, un nouveau modèle 3D du système a été développé et des méthodes de contrôle appropriées pour un tel système ont été élaborées. Tout d'abord l'accent est mis sur de positionnement selon les axes X et Y. Les effets d'hystérésis et de fluage non linéaires présents dans les actionneurs piézoélectriques ont été compensés et une comparaison entre les différentes méthodes de compensation est effectuée. Des techniques modernes de commande robuste SISO et MIMO sont ensuite utilisées pour réduire les effets des vibrations piézoélectriques et des couplages entre les axes X et Y. Le mouvement horizontal est alors combiné avec le mouvement vertical (Axe Z) et une commande du courant tunnel et du micro-levier. Des résultats expérimentaux illustrent le nano positionnement 3D de la pointe, et des résultats de simulation pour la reconstruction de la topographie de la surface ainsi que le positionnement du micro-levier à base d'un modèle multi-modes.

  • Titre traduit

    3D nanopositioning based on tunneling current sensing and piezoactuation


  • Résumé

    The objective of this thesis was to elaborate high performance control strategies and their real-time validation on a tunneling current-based 3D nanopositioning system developed in GIPSA-lab. The thesis lies in the domain of micro-/nano mechatronic systems (MEMS) focused on applications of fast and precise positioning and scanning tunneling microscopy (STM). More precisely, the aim is to position the metallic tunneling tip (like in STM) over the metallic surface using piezoelectric actuators in X, Y and Z directions and actuated micro-cantilever (like in Atomic Force Microscope AFM), electrostatically driven in Z direction, with high precision, over possibly high bandwidth. However, the presence of different adverse effects appearing at such small scale (e.g. measurement noise, nonlinearities of different nature, cross-couplings, vibrations) strongly affect the overall performance of the 3D system. Therefore a high performance control is needed. To that end, a novel 3D model of the system has been developed and appropriate control methods for such a system have been elaborated. First the focus is on horizontal X and Y directions. The nonlinear hysteresis and creep effects exhibited by piezoelectric actuators have been compensated and a comparison between different compensation methods is provided. Modern SISO and MIMO robust control methods are next used to reduce high frequency effects of piezo vibration and cross-couplings between X and Y axes. Next, the horizontal motion is combined with the vertical one (Z axis) with tunneling current and micro-cantilever control. Illustrative experimental results for 3D nanopositioning of tunneling tip, as well as simulation results for surface topography reconstruction and multi-mode cantilever positioning, are finally given.


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