Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets Michaël Gauthier Chargé de recherche CNRS FEMTO-ST Département AS2M

1. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets Michaël Gauthier Chargé de recherche CNRS FEMTO-ST Département AS2M

2. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets • Contexte : micromanipulation et micro-assemblage • Préhension par glace immergée • Lâcher actif par diélectrophorèse • Préhension par doigts de serrage et adhésion • Conclusion et perspectives

3. 1µm 10µm 100µm 1mm Microfabrication Fabrication mécanique bobine Microscopie électronique Microscopie optique 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm Prédominance des effets de surface 130 µm bactérie lymphocyte pollen ovocyte prothèse auditive engrenage Pas d’objets industriels en dessous de 100 micromètres 800 µm 1 mm 2-6 µm 200 µm 6-15 µm 20-40 µm Domaines dimensionnels de la micromanipulation • Définition de la micromanipulation Etude de la manipulation des objets d’une taille caractéristique entre 1µm et 1mm. • Définition de la micromanipulation Etude de la manipulation des objets d’une taille caractéristique entre 1µm et 1mm.

4. Microsystèmes MEMS • Micro-assemblage • Micromécanismes • Fabrication en 2D1/2 • Difficultés d’hybridation • Obtenus par assemblage • (microconnecteurs, microroulement, etc.) • Enjeux de l’étude du micro-assemblage Microsystèmes MEMS Hybride 3D Augmentation des fonctionnalités Diminution de l’encombrement • Miniaturisation et automatisation • Réduction de la taille des produits • Fiabilisation des procédés Domaines applicatifs de la micromanipulation • Applications Manipulation de cellules uniques Micro-assemblage

5. Impact de l’effet d’échelle sur l’ensemble des fonctions Problématiques scientifiques et effet d’échelle Mesure de force Méthodes de vision Microscopie électronique Forces surfaciques Comportement des objets Faible profondeur de champ Inertie négligeable Influence de l’éclairage Méthodes de préhension Moyens de mesure de force Technique de fabrication Précision importante Rapport signal/bruit Mécanismes compliants Systèmes non linéaires Méthodes d’actionnement Matériaux actifs Automatique et commande robotique Grande dynamique

6. Taille des objets considérés micro-actionnement 1µm 10µm 100µm 1mm modélisation du micromonde 2004 préhension perception - vision perception - force Avancée majeure en préhension sur ces quatre dernières années automatique Augmentation des fonctionnalités Frontière des connaissance et des méthodes 2008

7. Physique Modèle du comportement des micro-objets Analyse Preuve de concept Conception Prototype Modélisation Etude de lois de commande Prototype fonctionnel Démarche d’étude des méthodes de micropréhension Automatique, Robotique Lois de commande pour le micromonde • Particularités de la démarche scientifique • Recours nécessairement important à l’expérimentation • Phase de modélisation complexe Expérimentations Nouvelle méthode de micropréhension

8. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets • Contexte : micromanipulation et micro-assemblage • Préhension par glace immergée • Lâcher actif par diélectrophorèse • Préhension par doigts de serrage et adhésion • Conclusion et perspectives

9. 3 1 Micromanipulation en milieu liquide Préhension par glace 2 objet relâché + Force de préhension importante + Large variété d’objets manipulables - Forces capillaires au lâcher + Réduction des forces d’adhésion + Augmentation des effets visqueux - Difficultés de perception effecteur objet saisi objet pas de glace glace Micropréhension par glace immergée • Analyse initiale • Micropréhension par glace immergée Repositionnement Dépose :fonte du microvolume de glace Saisie :génération du microvolume de glace eau

10. Text h T1 T2 Q1 Modèles modulaires pour les micro-actionneurs thermiques Q2 25 °C système de refroidissement par convection forcée air MiniPeltier radiateur -10 °C MicroPelt Modélisation du fonctionnement du préhenseur eau Modélisation des échanges thermiques • Modèle thermique par analogie électrique • Analogie électrique • Facilité d’utilisation • Modèle thermique du préhenseur à glace

11. Méthode originale de micropréhension en milieu acqueux 1 mm Démonstrateur de préhension par glace immergée

12. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets • Contexte : micromanipulation et micro-assemblage • Préhension par glace immergée • Lâcher actif par diélectrophorèse • Préhension par doigts de serrage et adhésion • Conclusion et perspectives

13. Force de diélectrophorèse Manipulation par pince Contrôler la trajectoire après le lâcher . grâce à la force de diélectrophorèse tension alternative tension alternative pince avec électrodes micro-objet Force répulsive Fdrag FDEP FDEP FPO Micropréhension et diélectrophorèse Micromanipulation sans contact + Effet d’échelle favorable + Effet répulsif - Force de blocage faible + Force de blocage importante + Flexibilité - Difficultés au lâcher • Analyse initiale • Micropréhension et diélectrophorèse Contrôler le lâcher grâce à la force de diélectrophorèse

14. géométrie Base de donnée EF N simulations position de l’objet N tensions Théorème de superposition Equation de la dynamique Simulateur générique de trajectoire d’objets sous diélectrophorèse Modélisation des micromanipulations sans contact • Simulation hybride du comportement • Verrous scientifiques • Passage d’une modélisation statique de la force à la simulation de trajectoire • Contrôle de la trajectoire d’un objet possédant de très grande dynamique • Perspectives : étude de la commande • Commande prédictive, Filtrage de Kalman

15. Méthode originale de lâcher de micro-objets Démonstrateur de manipulation par diélectrophorèse Manipulation sans contact Lâcher actif d’objets

16. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets • Contexte : micromanipulation et micro-assemblage • Préhension par glace immergée • Lâcher actif par diélectrophorèse • Préhension par doigts de serrage et adhésion • Conclusion et perspectives

17. Manipulation par adhésion Manipulation par pince F A préhenseur-objet serrage objet A A - - substrat substrat objet objet substrat Micropréhension par pince à doigts de serrage + Utilisation des effets prédominants - Fortement bruité - Force de blocage faible + Force de blocage importante + Flexibilité - Difficultés au lâcher • Analyse initiale • Principe : exploiter l’adhésion pour maîtriser le lâcher Lâcher Saisie Augmentation de l’adhésion entre le substrat et l’objet Diminution de l’adhésion entre le préhenseur et l’objet

18. 50µm • Caractérisation • Mesures expérimentales comparatives de force de pull-off y x Méthode de micropréhension à haute fiabilité Méthode de calibration robotique pour la micromanipulation O Ro Micropréhension par pince à doigts de serrage • Mise en œuvre • Profil de rugosité important sur l’effecteur • Utilisation d’un substrat polymère souple • Commande géométrique de robots de micromanipulation • précision submicronique exigée, difficultés d’identification des défauts M O2 Prise en compte de ces défauts : augmentation de performances x6

19. Cycle de prise-dépose

20. Méthode de microassemblage robotique de micro-objets Micro-assemblage téléopéré temps x5 temps x3

21. 100µm Conclusion • Contexte général du micro-assemblage Rupture culturelle dans les moyens de réalisation des MEMS Création de méthodes en amont de la demande industrielle • Franchissement des 100 micromètres Objets influencés par les effets de surface Prise en compte des spécificités du micromonde Fiabilisation des procédés • Création de connaissances Compréhension du comportement des micro-objets Méthodes originales de préhension Automatique et robotique pour la micromanipulation

22. 1µm 10µm 100µm 1mm Franchissement des 10µm Micromanipulation automatique Perspectives Taille des objets considérés microactionnement modélisation du micromonde préhension perception - vision perception - force automatique Augmentation des fonctionnalités

23. Franchissement des 10 micromètres • Nouveau paradigme • Niveaux requis de répétabilité et de précision très important • Système de vision électronique (SEM) • Limite des moyens de réalisation classique de microfabrication • Influence accrue de la physicochimie des surfaces • Verrous scientifiques • Simulation et mesure d’interaction entre objets complexes Passage de la physique aux outils de l’ingénieur • Méthodes de préhension fiable Approche pluridisciplinaire en lien avec les nanotechnologies Lien avec l’auto-assemblage (milieu liquide) • Méthodes de vision pour imageurs électroniques Images fortement bruitées, compromis temps de réponse / bruit • Micro-actionnement Commande de systèmes compliants, adaptronique.

24. Micromanipulation automatique • Méthodes de traitement visuel pour le micromonde • Faible profondeur de champ, forte dépendance à l’éclairage • Nécessité de localisation tridimensionnelle • Méthodes d’automatique • Robotique de très haute précision • Commande de systèmes à grandes dynamiques • Commande hybride force-position • Téléopération avec retour haptique • Moyens de mesure de force • Conception et réalisation de microcapteurs • Traitement de l’information bruitée • Fonctions périrobotiques • Systèmes d’alimentation et de stockage • Méthodologie de conception des micro-usines

25. Méthodes de préhension adaptées aux micro-objets Michaël Gauthier Chargé de recherche CNRS Département AS2M FEMTO-ST

26. Méthodes de préhension • Modélisation et commande de principes fiables adaptés aux micro-objets • Méthodes de vision microscopique • Etude de moyens de vision tridimensionnelle adaptés aux faibles profondeurs de champ • Etude de moyens de vision sous microscope électronique • Moyens de mesure de force de préhension • Conception et réalisation de nouveaux principes de mesure • Traitement de signaux fortement bruités • Automatique et robotique • Commande des micro-objets possédant une très grande dynamique • Commande des micro-actionneurs dont le comportement est non linéaire • Commande géométrique et calibration robotique des robots de micromanipulation Problématiques scientifiques liées à la micromanipulation • Compréhension du comportement des micro-objets • Modélisation et simulation des forces d’adhésion et de surface • Etude de principe de mesure de ces forces