Dispositifs d'Affichage de Sensations Tactiles à Base de Microsystèmes Électro-Mécaniques (MEMS) Magnétiques : Conception, Réalisation et Tests

Tactile Display Devices Based on Magnetic Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) : Conception, Elaboration and Characterization

• Auteur / Autrice : Jérémy Streque
• Direction : Philippe Pernod, Abdelkrim Talbi, Vladimir Preobrazhensky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 27/06/2011
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Vincent Hayward
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moustapha Hafez, Betty Lemaire-Semail
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Orphée Cugat, Abderrahmane Kheddar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stimulation sensorielle

Toucher

Dépôt électrolytique

Polydiméthylsiloxanes

Bobines d'induction

Magnétisme

Transducteurs

Systèmes microélectromécaniques

Microactionneurs

Mots clés libres

Micro-actionneurs

MEMS

Micro-transducteurs

Magnétisme

Micro-bobines

PDMS

Electrodéposition

Affichage tactile

Micro-actuators

MEMS

Micro-transducers

Magnetism

Micro-coils

PDMS

Electrodeposition

Tactile display

Résumé

Les dispositifs de stimulation tactile sont des systèmes destinés à fournir un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Ils enrichissent les interfaces homme-machine dans les applications de réalité virtuelle ou augmentée. Ce mémoire traite de l’apport des microsystèmes électromécaniques (MEMS) actionnés magnétiquement à la réalisation d’interfaces de stimulation tactile facilement intégrables.Un état de l’art des solutions d’actionnement mises en œuvre dans les dispositifs existants est proposé, ainsi qu'une définition des besoins pour les applications visées. Les solutions retenues sont basées sur l’actionnement magnétostatique.Les premiers prototypes d’interfaces de stimulation tactile se présentent sous la forme d'un réseau de 4x4 actionneurs élastomériques hybrides avec un pas de 2 mm, combinant microfabrication et techniques de fabrication conventionnelles. La conception et l’élaboration de ces micro-actionneurs est présentée en détail. L'actionnement impulsionnel permet d'atteindre des amplitudes de vibration importantes (jusqu'à 200 µm) et des forces élevées (32mN par actionneur). Des tests sensoriels confirment enfin leur efficacité. Des micro-bobines ont aussi été développées afin de répondre aux besoins des micro-actionneurs magnétiques, ainsi qu'au cahier des charges des interfaces de stimulation tactile. Diverses configurations de micro-bobines adaptées à l'actionnement de puissance sont proposées et réalisées par électrodéposition. Des micro-actionneurs basés sur ces bobines intégrées ont alors été réalisés, puis caractérisés. L'utilité des bobines pour les micro-actionneurs de puissance est alors discutée face aux solutions d’actionnement hybride

Tactile display devices are systems bound to provide a tactile feedback to their users. They improve human-machine interfaces in the fields of virtual or augmented reality. This report deals with the contribution of magnetically actuated micro-electro-mechanical systems (MEMS) to the elaboration of easily integrable tactile display devices.A state of the art of actuation techniques used in existing devices is proposed, along with a requirements analysis for tactile applications. Magnetostatic actuation was considered for these needs.First tactile display device prototypes are designed as a network of 4x4 hybrid elastomeric micro-actuators with a 2 mm pitch, and combined microfabrication and conventional fabrication techniques.The conception and elaboration of these micro-actuators is detailed. High vibration amplitudes can be reached using pulse actuation (up to 200 µm), with instantaneous forces of 32 mN per actuator. Sensitive tests were also achieved in order to confirm their efficiency.Micro-coils were also developed in order to fulfill the magnetic micro-actuators needs, and meet the requirements for tactile display devices. Various micro-coil configurations suitable for power actuation are proposed and elaborated by electrodeposition. Micro-actuators based on elastomeric membranes were fabricated and characterized. The contribution of these micro-coils for micro-actuation is discussed face with hybrid approaches