Etude, conception et optimisation d'une plate-forme de mesure de micro et nano force par flottaison magnétique

Study, design and optimization of a floating magnetic platform used to measure micro and nano forces

• Auteur / Autrice : Ali Cherry
• Direction : Emmanuel Piat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Microrobots

Résumé

En microrobotique, la mesure de micro et nano force figure parmi les informations nécessaires pour caractériser les interactions mécaniques présentes à l'échelle mi- crométrique. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de mesure de micro et nano force reposant sur un principe de flottaison-magnétique. L'organe sensible du capteur est une plate-forme macroscopique rectangulaire sur laquelle s'appliquent les forces et couples à mesurer. La sustentation et le maintien de la plate-forme sont assurés par le biais de forces magnétiques et de la poussée d'Archimède appliquée à quatre flotteurs placés à ses coins. La plate-forme est conçue pour mesurer uniquement des forces dans le plan horizontal ainsi que le couple vertical associé. L'étendue de mesure des forces varie entre -100 et +100 [micron]N avec une résolution de l'ordre du nanoNewton. Elle travaille en mode actif grâce à un asservissement autour de sa configuration d'équilibre (établie en absence d'efforts à mesurer). La nature des efforts de rappel utilisés pour la mise en œuvre de l'asservissement est électromagnétique. Les modèles magnétique et électromagnétique développés permettent de déterminer les forces qui s'appliquent au centre de gravité de la plate-forme par le biais de la connaissance de la configuration spatiale de cette dernière et des courants dans les bobines de commande. En termes d'application, cette plate-forme peut être utilisée dans le cadre de la caractérisation des micro-objets déformables (micromécanismes, cellules, etc. ) et des microsurfaces.

Ln microrobotics, the micro and nano force measurement is among the necessary information needed to characterize mechanical interactions present at the micrometer scale. Accordingly, we developed a micro and nano force sensor based on a floating-magnetic principle. The sensor sensing part is a macroscopic rectangular platform on which is applied the forces and the torques to be measured. The sustentation of the platform is done thanks to magnetic forces and upthrust buoyancy applied on four floats placed at its corners. The platform is designed to only measure forces in the horizontal plane and the associated vertical torque. The forces measurement range varies between -100 et +100 [micron]N with a nanoNewton resolution. The platform works in active mode with a control around its equilibrium configuration (established in absence of external efforts). The nature of return forces used for the implementation of the control loop is electromagnetic. The magnetic and electromagnetic models allow determining forces applied on the platform centre of gravity according to the knowledge of its spatial configuration and currents in the control coils. Ln terms of application, this platform can be used for deformable micro-objects (micromechanisms, cells, etc. ) and microsurfaces characterization.