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

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

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. 1µm 10µm 100µm 1mm Microscopie optique Microscopie électronique Microfabrication Fabrication mécanique Prédominance des effets de surface 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm lymphocyte 6-15 µm pollen 20-40 µm bactérie 2-6 µm 200 µm ovocyte prothèse auditive 1 mm engrenage 800 µm Pas d’objets industriels en dessous de 100 micromètres bobine 130 µm

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

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

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

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

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

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

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

Démonstrateur de préhension par glace immergée Méthode originale de micropréhension en milieu acqueux

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

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

Modélisation des micromanipulations sans contact 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 Simulation hybride du comportement Base de donnée EF géométrie N tensions position de l’objet N simulations Théorème de superposition Equation de la dynamique Simulateur générique de trajectoire d’objets sous diélectrophorèse Perspectives : étude de la commande Commande prédictive, Filtrage de Kalman

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

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

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

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

Cycle de prise-dépose strategies objets nombre de test réference fiabilité poussée Bille PS 50µm 100 [Gauthier et al, 2005] 51-67% doigts de serrage 60 [Dafflon et al, 2006] 74-95% Objets silicium 40µm [Gauthier et al, 2008] 99%

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

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 100µm Création de connaissances Compréhension du comportement des micro-objets Méthodes originales de préhension Automatique et robotique pour la micromanipulation

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

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.

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

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

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 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