Robust control for manipulation inside a scanning electron microscope

par Marcelo Gaudenzi de faria

Thèse de doctorat en Automatique, signal, productique, robotique

Sous la direction de Philippe Lutz, Yann Le Gorrec et de Yassine Haddab.

Soutenue le 17-02-2016

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

Le président du jury était Sergej Fatikow.

Le jury était composé de Philippe Lutz, Yann Le Gorrec, Yassine Haddab, Sergej Fatikow, Florence Marchi, Edouard Laroche.

Les rapporteurs étaient Florence Marchi, Edouard Laroche.

  • Titre traduit

    Commande robuste pour la manipulation in situ microscope électronique à balayage -Robust control for manipulation inside a scanning electron microscope


  • Résumé

    Cette thèse étudie le problème de nano-positionnement à l'intérieur d'un microscope électronique à balayage (MEB). Pour obtenir des informations de position avec rapidité et précision, une installation dédiée composée d’un vibromètre placé à l'intérieur du MEB a été mise en œuvre. Cette approche diffère de méthodes basées sur le traitement d'images, car elle permet de saisir des données en temps réel sur le comportement dynamique des structures étudiées. Dans une première étude, les perturbations mécaniques agissant à l'intérieur de la chambre à vide du microscope ont été caractérisées et leurs sources ont été identifiées. Cela a démontré comment les vibrations mécaniques externes et les bruits acoustiques peuvent influer largement sur les composants à l'intérieur du MEB par couplage mécanique, limitant ainsi la précision des manipulateurs. Dans un deuxième temps, une micro-pince du commerce a été étudiée. Une différence entre ses comportements dans l'air et dans le vide a été mise en évidence, ce qui a permis d'obtenir deux modèles dynamiques pour cet organe terminal, un pour chaque environnement. Deux lois de commande ont été proposées (commande H-infini et commande basée sur un observateur d'état étendu), afin d'obtenir en temps réel un positionnement précis dans le vide, et d'atténuer les effets des perturbations mécaniques externes. Les résultats ont été validés en simulation et expérimentalement.


  • Résumé

    This work studies the nano-positioning problem inside the scanning electron microscope (SEM). To acquire fast and accurate positional information, a dedicated setup was implemented consisting of a vibrometer placed inside the SEM. This approach differs from methods based on image processing, as it allows to capture real-time data on the dynamic behavior of structures. In a first study, the mechanical disturbances acting inside the microscope’s vacuum chamber were characterized and its sources were identified. This demonstrated how external mechanical vibrations and acoustic noises can largely influence the components inside the SEM through mechanical coupling, limiting the effective positioning precision of manipulators. Next, a commercial micro-gripper was studied, both in air and in vacuum, and the differences between its response were highlighted. This allowed to obtain two dynamic models for this end-effector, one for each environment. Two control laws were proposed (H-infinity control and Extended State Observer based control) for the system, to obtain a real-time, precise positioning in the vacuum environment and to attenuate the effects of the external mechanical disturbances. Results were demonstrated through simulation and experimental validation.


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