Commande robuste pour la manipulation in situ microscope électronique à balayage -Robust control for manipulation inside a scanning electron microscope

• Auteur / Autrice : Marcelo Gaudenzi de faria
• Direction : Philippe Lutz, Yann Le Gorrec, Yassine Haddab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, signal, productique, robotique
• Date : Soutenance le 17/02/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Sergej Fatikow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lutz, Yann Le Gorrec, Yassine Haddab, Sergej Fatikow, Florence Marchi, Edouard Laroche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Marchi, Edouard Laroche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micromanipulation

Microscopie électronique -- Technique

Mots clés libres

Nano-manipulation et caractérisation

Microscope électronique à balayage (MEB)

Commande robuste de position

Micro-pince

Caractérisation des perturbations dans le MEB

H∞

Observateur d'état étendu

Nano-manipulation and characterization

Scanning electron microscope (SEM)

Robust position control

Micro-gripper

Disturbance characterization in SEM

H∞

Extended state observer

Résumé

Cette thèse étudie le problème de nano-positionnement à l'intérieur d'un microscope électronique à balayage (MEB). Pour obtenir des informations de position avec rapidité et précision, une installation dédiée composée d’un vibromètre placé à l'intérieur du MEB a été mise en œuvre. Cette approche diffère de méthodes basées sur le traitement d'images, car elle permet de saisir des données en temps réel sur le comportement dynamique des structures étudiées. Dans une première étude, les perturbations mécaniques agissant à l'intérieur de la chambre à vide du microscope ont été caractérisées et leurs sources ont été identifiées. Cela a démontré comment les vibrations mécaniques externes et les bruits acoustiques peuvent influer largement sur les composants à l'intérieur du MEB par couplage mécanique, limitant ainsi la précision des manipulateurs. Dans un deuxième temps, une micro-pince du commerce a été étudiée. Une différence entre ses comportements dans l'air et dans le vide a été mise en évidence, ce qui a permis d'obtenir deux modèles dynamiques pour cet organe terminal, un pour chaque environnement. Deux lois de commande ont été proposées (commande H-infini et commande basée sur un observateur d'état étendu), afin d'obtenir en temps réel un positionnement précis dans le vide, et d'atténuer les effets des perturbations mécaniques externes. Les résultats ont été validés en simulation et expérimentalement.

This work studies the nano-positioning problem inside the scanning electron microscope (SEM). To acquire fast and accurate positional information, a dedicated setup was implemented consisting of a vibrometer placed inside the SEM. This approach differs from methods based on image processing, as it allows to capture real-time data on the dynamic behavior of structures. In a first study, the mechanical disturbances acting inside the microscope’s vacuum chamber were characterized and its sources were identified. This demonstrated how external mechanical vibrations and acoustic noises can largely influence the components inside the SEM through mechanical coupling, limiting the effective positioning precision of manipulators. Next, a commercial micro-gripper was studied, both in air and in vacuum, and the differences between its response were highlighted. This allowed to obtain two dynamic models for this end-effector, one for each environment. Two control laws were proposed (H-infinity control and Extended State Observer based control) for the system, to obtain a real-time, precise positioning in the vacuum environment and to attenuate the effects of the external mechanical disturbances. Results were demonstrated through simulation and experimental validation.