Micro-actionneurs numériques en silicium pour la réalisation d'un micro-convoyeur

Silicon digital micro-actuators for development of a micro-conveyor

• Auteur / Autrice : Zhichao Shi
• Direction : Emile Martincic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 11/07/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lamarque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emile Martincic, Frédéric Lamarque, Nora Dempsey, Yassine Haddab, Elie Lefeuvre, Philippe Lutz, Denis Aubry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nora Dempsey, Yassine Haddab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Électromagnétisme

Mécatronique

Micro-fabrication

Mots clés libres

Microfabrication sur silicium

Gravure profonde aux réactions ioniques

Mems

Silicon micromachining

Deep RIE

Mems

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur le développement (modélisation, conception, réalisation et tests) d’une surface intelligente (smart surface) composée d’un réseau d'actionneurs numériques MEMS, capables de mouvoir des charges posées dessus. Pour la réalisation de ces smart-surfaces, deux voies ont été explorées : un actionnement par voie électromagnétique, constituée d’aimants fixes et mobiles, et un actionnement utilisant des éléments bistables couplés à des alliages à mémoire de forme. Dans le premier cas, la simulation de l’interaction magnétique entre un micro-actionneur et le champ créé par des pistes conductrices placées à proximité a été réalisée. Un réseau de 5x5 micro-actionneurs électromagnétiques quadristables a été ensuite conçu, réalisé et caractérisé. Ce démonstrateur est fonctionnel en convoyage d’objets légers en translation et en rotation. Dans le second cas, la conception et la réalisation d’un actionneur MEMS élémentaire ont été menées : des modèles analytiques ont été confrontés aux résultats obtenus par éléments finis, et enfin comparés aux résultats expérimentaux. Ces travaux ciblent la problématique de la commande des systèmes mécatroniques, à actionneurs multiples, aux échelles méso ou microscopique. La connectique associée est un problème récurrent dans les systèmes fortement miniaturisés, les structures présentées ici présentent un fort potentiel de réduction des connexions filaires, voire leur élimination complète.

The work of this doctoral thesis involves in developing a smart surface (including modelling, design, fabrication and tests), composed of an array of MEMS digital actuators, capable of moving objects placed on it. In order to produce these smart surfaces, two actuation types were explored: electromagnetic actuation on fixed and mobile magnets and optothermal actuation of shape memory alloys on bistable elements. In the first case, simulation of the magnetic interaction between a micro-actuator and the magnetic field generated by nearby current wires was performed. Then, an array of 5x5 quadristable electromagnetic micro-actuators was designed, produced and characterized. This demo prototype is functional for small-weight object conveyance by translation and rotation. In the second case, design and fabrication of an elementary MEMS actuator were carried out: analytical models were confronted with the results from Finite Element Analysis, and at last compared to experimental ones. This work targets at the issue of controlling multiple-actuator mechatronics systems, at meso- or micrometric scale. Since the associated connectors are a recurring problem in highly miniaturized systems, the structures presented herein demonstrate important potential of cabling reduction, even towards complete wireless configurations.