Conception, réalisation et commande d'un microrobot numérique, planaire, non redondant et en technologie MEMS

Design, fabrication and control of a planar , non redondant, MEMS digital microrobot

• Auteur / Autrice : Vincent Chalvet
• Direction : Philippe Lutz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 08/03/2013
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST - Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Tanneguy Redarce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lutz, Tanneguy Redarce, Reymond Clavel, Yassine Haddab, Patrice Le Moal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Skandar Basrour, Philippe Poignet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microrobots

Mots clés libres

Microrobot

Numérique

Boucle ouverte

Microfabrication

Structure flexible

Structure bistable

Microrobot

Digital

Open-loop control

Microfabrication

Flexible structure

Bistable structure

Résumé

Le développement récent en micro- et nanotechnologies (dans des domaines tels que l’horlogerie,l’électronique, l’optique, le biomédical, . . .) a créé un fort besoin concernant des systèmes capables de manipuler et d’assembler des objets de plus en plus petits. La conception de stations robotisées, capables de manipuler des micro-objets, s’est multipliée à travers le monde, faisant intervenir des actionneurs de haute résolution adaptés au micro monde, ainsi que de nombreux capteurs.Ce mémoire ouvre une nouvelle voie pour le développement de robots de micromanipulation. Il présente la conception, la modélisation, la fabrication et la commande d’un nouveau concept de micro robot, le DiMiBot (Digital MicroroBot). Il s’agit du premier micro robot numérique – inspiré ´e de l’ ´électronique numérique – qui fait intervenir des actionneurs binaires pour générer un déplacement discret d’une grande précision sans nécessiter de capteur (en boucle ouverte). Ces actionneurs binaires extrêmement répétables et robustes (les modules bistables), assurent chacun un déplacement précis de 25 μm. Ils sont associés de manière monolithique à une architecture robotique parallèle flexible, assurant la génération d’un espace de travail discret, dont les 2N (N est le nombre de modules bistables utilisés au sein du DiMiBot) positions distincts atteignables sont parfaitement stables, répétables et robustes mécaniquement. Elles sont réparties de manière homogène dans un carré de 10,5 μm de côté La micro fabrication du premier prototype de micro robot numérique en silicium – faisant suite `a un dimensionnement minutieux en élément finis – a été réalisé au sein de la salle blanche MIMENTO de l’institut FEMTO-ST. Ce DiMiBot possédant 4 modules bistables assure une résolution de 3,5 μm pour une répétable de chacune des 16 positions atteignables de 90 nm.

With the current expansion of micro- and nano-technologies (in such domains as watchmaking, electronics,optics, biomedical, . . .), came the necessity to build systems able to manipulate and make the assembly ofsmaller and smaller objects. Design of robotic stations, able to manipulate micro-objects, expanded all over theworld, making use of high resolution actuators and numerous sensors adapted to the microworld.This thesis opens a new paradigm in the design of micromanipulation robotics. We present the design, modeling,fabrication and control of a new microrobot, the DiMiBot (Digital MicroroBot). It is the first digital microrobot— inspired from digital electronics — which makes use of binary actuators for the generation of discretedisplacements with high accuracy without any sensors (open-loop control). These highly repeatable and robustbinary actuators (bistable modules) generate an accurate displacement of 25 μm. They are monolithicallyconbined with a parallel flexible architecture, allowing the generation of a discrete workspace, in which all the2N (N is the number of bistable modules used) distinct reachable positions are perfectly stable, repeatable andmechanically robust. They are evenly spread inside a 10.5 μm length square.After dimensioning, the first digital microrobot prototype in silicon was microfabricated in MIMENTO clean-roomof FEMTO-ST institute. This DiMiBot has 4 bistable modules and generates a workspace of 3.5 μm resolutionwith 90 nm repeatability