actionneurs "stick and slip" pour micro - Infoscience

THÈSE NO 1756 (1998)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE AU DÉPARTEMENT DE MICROTECHNIQUE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES
PAR
Ingénieur en microtechnique diplômé EPF
originaire de Coffrane (NE)
acceptée sur proposition du jury:
Prof. R. Clavel, directeur de thèse
Dr U. Gengenbach, corapporteur
Prof. Ph. Renaud, corapporteur
Dr F. Rudolf, corapporteur
Lausanne, EPFL
1998
ACTIONNEURS "STICK AND SLIP"
POUR MICRO-MANIPULATEURS
Jean-Marc BREGUET

iii
REMERCIEMENTS
Au terme de ce travail je tiens à remercier chaleureusement toutes les personnes qui, d’une
manière ou d’une autre, m’ont aidé et soutenu tout au long de ces années.
Mes remerciements s’adressent tout d’abord au Professeur Reymond Clavel, qui a accepté
d’être mon directeur de thèse et m’a aidé par ces précieux conseils. Je lui suis aussi extrême-
ment reconnaissant de m’avoir donné la possibilité d’accomplir ce travail de doctorat dans
d’excellentes conditions.
Je remercie les autres membres du jury qui ont consacré beaucoup de leur précieux temps
comme corapporteurs:
Monsieur le Docteur Ulrich Gengenbach du Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, pour le
soin qu’il a apporté à la pré-lecture de mon rapport et pour ses remarques pertinentes qui ont
contribué à son amélioration;
Monsieur le Professeur Philippe Renaud qui m’a initié aux actionneurs ‘stick and slip’ et
m’a, à plusieurs reprises, encouragé par son enthousiasme;
Monsieur le Docteur Felix Rudolf du CSEM pour l’intérêt qu’il a montré à ce travail et ses
précieuses remarques lors de l’examen.
La partie expérimentale de cette étude n’aurait pas été possible sans la contribution de plu-
sieurs personnes que je remercie sincèrement: Messieurs Jean-Jacques Crausaz, Georges Pere-
noud et Pascal Zbinden pour la réalisation de nombreuses pièces mécaniques, souvent trop
petites à leur goût, ainsi que les étudiants qui ont réalisé des prototypes lors de travaux de se-
mestre ou de diplôme ou en tant qu’assistants étudiants: Cédric Aymon, Julien Ballif, Olivier
Burdet, Stéphane Claude, Pierre-Alain Clivaz, Thierry Connus, Didier Guzzoni, Erdal Kar-
amouk, Christophe Kissling, Stéphane Martinelli, Alban Meier, Roberto Mericio, Paul Reb-
mann, Dominik Schläfli, Pieter Schrok.
Mes remerciements vont aussi au Docteur Thomas Sidler de l’institut d’optique appliquée,
qui par sa maîtrise de la technologie de découpe laser, m’a permis de concevoir des actionneurs
‘stick and slip performants et d’une grande simplicité.
Je remercie le Docteur Armin Sulzmann pour sa collaboration. Nous avons réalisé ensemble
plusieurs systèmes de micro-manipulation sous microscope avec lesquels nous avons pu tester
et valider nos travaux respectifs.

REMERCIEMENTS
iv
Je remercie aussi Monsieur Friedhelm Altpeter de l’institut d’automatique, qui m’a fourni
un modèle de frottements efficace, améliorant ainsi les résultats des simulations.
Ces années de doctorat ont été rendues très agréables par la gentillesse, l’amitié et la dispo-
nibilité du personnel scientifique et administratif de l’IMT. Je lui en suis très reconnaissant.
Je remercie aussi mes parents et beaux-parents pour leur soutien et encouragements. Une
pensée toute particulière pour ma mère qui a consacré de nombreuses heures à la correction de
mon rapport. Bien que le sujet ne l’ait probablement pas passionnée, je suis sûr qu’elle y a mis
tout son coeur.
Finalement je remercie de tout mon coeur ma femme, Cristina, et nos enfants, Florence et
Joël, pour leur soutien, leurs encouragements et leur amour.

v
VERSION ABREGEE
Ce travail de thèse est une contribution au développement de micro-manipulateurs simples,
à haute résolution et à plusieurs degrés de liberté, pour la manipulation d’objets microscopi-
ques, la manipulation d’échantillons biologiques, ou encore l’industrialisation des
microsystèmes. Les actionneurs pour ces micro-manipulateurs doivent allier une résolution
submicronique à des déplacements de plusieurs millimètres parcourus en quelques secondes.
Ils doivent aussi être compacts et rigides pour faciliter leur intégration et présenter une meilleu-
re immunité aux perturbations externes (vibrations, variations de température, etc.).
Les actionneurs ‘stick and slip’ étudiés dans ce travail répondent de façon optimale à ces exi-
gences. Ils sont caractérisés par les points suivants:
- une résolution de quelques nanomètres (< 5nm) pour des courses de l’ordre du centimètre
à des vitesses de plusieurs millimètres par seconde (2-5 mm/s);
- une rigidité élevée (6.5 N/ µ
m) garantissant une excellente immunité aux perturbations ex-
ternes;
- une grande simplicité obtenue par la combinaison des fonctions de guidage et d’entraîne-
ment et par l’utilisation d’un concept original de structures flexibles monolithiques.
Ce rapport présente les différentes étapes de notre recherche:
- étude de l’état de l’art: les actionneurs ‘stick and slip’ ont été développés à l’origine pour
la microscopie à balayage (STM ou AFM). Nous avons adapté le concept de base à nos
besoins. Plusieurs solutions originales sont proposées pour simplifier et améliorer les per-
formances de ces actionneurs;
- modélisation: elle apporte une compréhension détaillée du fonctionnement des action-
neurs ‘stick and slip’ et permet leur optimisation;
- étude par les lois de similitude: elle démontre que les actionneurs ‘stick and slip’ peuvent
être miniaturisés tout en gardant, voire améliorant, leurs performances. Ce résultat ouvre
des perspectives prometteuses pour ces actionneurs dans le domaine des microsystèmes;
- expérimentation: la caractérisation d’un actionneur ‘stick and slip’ à un degré de liberté
met en évidence ses performances et valide notre modélisation;
- la réalisation et les tests de plusieurs micro-manipulateurs actionnés par ‘stick and slip’
confirment la pertinence de notre approche.
Les résultats de ce travail de thèse doivent aider l’homme de l’art dans la conception et la
réalisation de micro-manipulateurs performants actionnés par ‘stick and slip’.