Contrôle nanométrique du mouvement par courant tunnel

1. Contrôle nanométrique du mouvement par courant tunnel Soutenance de doctorat de S. Blanvillain Doctorat effectué au Département Automatique du GIPSA-Lab (équipe SLR) sous la direction de A. Voda & G. Besançon. Le 23 Mars 2010

2. Contexte • Miniaturisation des systèmes • Premier travail expérimental mettant en œuvre un nano système électro-mécanique au GIPSA-Lab

3. Plan de la soutenance • Introduction • Présentation du système • Caractérisations expérimentales • Résultats

4. Introduction Nano positionnement - Instruments Piézoélectriques, électrostatiques, thermiques, magnétiques … Poutre, pointes, pinces, supports… Optiques, capacitifs, thermiques, piézorésistifs… Applications: microscopie, appareils optiques, préhension …

5. Contrôleur Introduction Nano positionnement - Difficultés • Dérives • Forces • Perturbations • Bruits Positions (nm) 4 2 0 10 20 30 40 50 60 Temps (sec)

6. Introduction Nano positionnement - Feedback • Algorithmes mis en pratique • Amélioration des performances H∞ (Salapaka 2002, Soen 2007), PID (Zhao 2006), lead-lag (Gu 2005), LQR (Pantazi 2007), adaptatifs (Putra 2007), backstepping (Shieh 2007), feedforward (Devasia 2002)…

7. Introduction Nano positionnement - Performances • Positionnement de • Macro objets ( ) • Micro objets ( ) • Nano objets ( ) [Devasia 2007] [Xie 2009] [Eigler 1990] 7

8. Introduction Le courant tunnel • Courant de l’ordre du nano ampère permettant de convertir un changement de distance en variation de courant Courant tunnel (A) 10-9 Pointe Distance d 30 25 20 3 nm 15 2 nm 10 + V - 5 1 nm 0 Distance (nm) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 Surface

9. Introduction Le courant tunnel - Application • Avantages • Bande passante • Précision (< Å) • Faible consommation • Taille réduite (< µm) • Utilisé par: • [Giaever 65] : Supraconductivité 9

10. Introduction Le courant tunnel - Application • Utilisé par: • [Binnig 82] : Microscopes à effet tunnel • Précision < 1 Å • Asservissement piézoélectrique du courant tunnel 10

11. Introduction Le courant tunnel - Application • Utilisé par: • [Liu 01] : Accéléromètres • Résolution ≈ 20 ng • Asservissement électrostatique du courant tunnel 11

12. Introduction Objectif • Contrôle dynamique de position par courant tunnel

13. Présentation du système Actionneur électrostatique • Sans contact • Non linéaire

14. Présentation du système Partie dynamique • Système oscillant • Q ≈ 100 • k = 0,03 N/m • Modélisation par éléments finis • Mouvement brownien • Force de Langevin

15. Présentation du système Le capteur • Courant tunnel • Forces de proximité • Électrostatique • Van de Waals • Capillarité 15

16. Présentation du système Stabilité (vs pull-in) • Condition de stabilité 16

17. Présentation du système Observabilité • Système complet • Système non observable

18. Présentation du système Bilan • Combinaison actionneur • électrostatique / courant tunnel • Système oscillant • Actionneur et capteur non linéaires • Non observabilité • Forces de proximité

19. Présentation du système Bilan • Système étudié en simulation 19

20. Caractérisations expérimentales Mise en œuvre • Analyse fonctionnelle • Cahier des charges • Spécifications ‘micro/nano’ • Asservissement temps réel • Facilité d’utilisation, flexibilité

21. Caractérisations expérimentales Mise en œuvre • L’équipe technique… • Un grand merci à: Gabriel Buche Didier & Thierry Blanc Pascal Bellemain

22. Caractérisations expérimentales La plateforme 100 µm 22

23. Caractérisations expérimentales La plateforme 23

24. Caractérisations expérimentales Démarche • Mesures en boucles ouverte • Asservissement piézoélectrique du courant tunnel • Sur surface fixe et mobile • Calibration de l’actionneur électrostatique • Asservissement électrostatique de • Asservissement de 24

25. Caractérisations expérimentales Mesures en boucle ouverte • Comportement exponentiel • Sensibilité • Plage de mesure 25

26. Caractérisations expérimentales Mesures en boucle ouverte • Asservissement manuel du courant tunnel • Nécessité d’une boucle fermée 26

27. Caractérisations expérimentales Première boucle de régulation • Système du premier ordre • Bande passante 4 kHz • Retard pur 1*Te • Hystérésis négligée • Asservissement du courant tunnel au moyen de l’actionneur piézoélectrique 27

28. Caractérisations expérimentales Première boucle de régulation • Identification en boucle fermée • Amélioration du correcteur 28

29. Caractérisations expérimentales Première boucle de régulation • Asservissement temps réel du courant tunnel • Mesure bruitée • Electronique • Perturbations • Variations des paramètres physiques 29

30. Caractérisations expérimentales Première boucle de régulation • Courant tunnel sur surface mobile 30

31. Caractérisations expérimentales Calibration de l’actionneur électrostatique • Système actionneur + poutre • Hypothèse:

32. Caractérisations expérimentales Calibration de l’actionneur électrostatique • Validation expérimentale 32

33. Caractérisations expérimentales Bilan • Asservissement piézoélectrique du courant tunnel • Rapport signal/(signal+bruit) ≈ 0,95 • Mesure de déplacements ‘picométriques’ • Détermination des paramètres expérimentaux 33

34. Résultats Système en boucle ouverte • Système à commander

35. Résultats Loi de commande • Linéarisation de l’actionneur • Saturation • Linéarisation du capteur

36. Résultats Loi de commande • Placement de pôles et calibrage des fonctions de sensibilité • Marges de robustesse • Retard pur 1*Te • Gabarits des fonctions de sensibilité • Atténuation du bruit thermique • Robustesse à l’amortissement • Atténuation des bruits de mesure 36

37. Résultats Asservissement électrostatique du courant tunnel • Régulateur RST (7ème ordre)

38. Résultats Asservissement électrostatique du courant tunnel • Dérives de la pointe • Fluage de l’actionneur • Dilatations thermiques

39. Résultats Compensation des dérives • Calcul temps réel des dérives • Commande linéarisante basée sur la relation • Position de la poutre 39

40. Résultats Compensation des dérives • Calcul d’un second régulateur • Commande de l’actionneur piézoélectrique • Robuste à l’hystérésis • Intégrateur 40

41. Résultats Compensation des dérives • Asservissement de la distance pointe / poutre • Asservissement de la position de la pointe 41

42. Résultats Compensation des dérives • Exemple de commande en position de la poutre 42

43. Conclusion Bilan 43

44. Conclusion Bilan • Nouvelle utilisation du courant tunnel • Contrôle de distance • Contrôle de position • Plage de mouvement plage de mesure • Positionnement d’un objet sans contact • Rejet des dérives • Amortissement des oscillations naturelles (?)

45. Conclusion Situation internationale + Précision + Rapidité - Course - Micro objet - 1 Dimension 45

46. Conclusion Perspectives • Estimation de forces de proximité • Etude de parties plus flexibles • Commande multi-variables • Etude d’oscillateurs en milieu bruité • Application à • des objets plus petits (2-3D) • des systèmes plus complexes 46

47. Merci pour votre attention, mais surtout, MERCI à tous ! 47