Introduction Présentation du système Caractérisations

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Transcript Introduction Présentation du système Caractérisations

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Contrôle nanométrique du mouvement
par courant tunnel
Soutenance de doctorat de S. Blanvillain

Doctorat effectué au Département Automatique du GIPSA-Lab (équipe SLR) sous la direction de
A. Voda & G. Besançon.

Le 23 Mars 2010

UMR 5216

www.gipsa-lab.inpg.fr

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Introduction

Présentation du système

Caractérisations expérimentales

Résultats

Contexte




Miniaturisation des systèmes

Premier travail expérimental mettant en œuvre un
nano système électro-mécanique au GIPSA-Lab

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Plan de la soutenance


Introduction



Présentation du système



Caractérisations expérimentales



Résultats
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Nano positionnement - Instruments

Piézoélectriques,
électrostatiques,
thermiques,
magnétiques …

Poutre, pointes,
pinces,
supports…

Optiques,
capacitifs,
thermiques,
piézorésistifs…

Applications: microscopie, appareils optiques, préhension …
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Nano positionnement - Difficultés
Contrôleur



Dérives



Forces



Perturbations

Positions (nm)

4

2



Bruits
0

10

20

30

40

50

60 Temps (sec)
5


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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Nano positionnement - Feedback


Algorithmes mis en pratique
H∞ (Salapaka 2002, Soen 2007), PID (Zhao 2006), lead-lag (Gu 2005), LQR
(Pantazi 2007), adaptatifs (Putra 2007), backstepping (Shieh 2007), feedforward
(Devasia 2002)…



Amélioration des performances

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Nano positionnement - Performances


Positionnement de


Macro objets ( )



Micro objets ( )



Nano objets ( )

[Devasia 2007]

[Xie 2009]

[Eigler 1990]
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Le courant tunnel


Courant de l’ordre du nano ampère permettant de
convertir un changement de distance en variation de
courant
Courant
Distance d

tunnel (A)
10-9

Pointe

30
25
20
15
10
5
0

3 nm
2 nm
1 nm

+
- V
Distance (nm) 1,2

0

1 0,8 0,6 0,4 0,2

0

Surface
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Le courant tunnel - Application




Avantages


Bande passante



Faible consommation



Précision (< Å)



Taille réduite (< µm)

Utilisé par:


[Giaever 65] : Supraconductivité

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Le courant tunnel - Application


Utilisé par:


[Binnig 82] : Microscopes à effet tunnel


Précision < 1 Å



Asservissement piézoélectrique du courant tunnel

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Le courant tunnel - Application


Utilisé par:


[Liu 01] : Accéléromètres


Résolution ≈ 20 ng



Asservissement électrostatique du courant tunnel

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Introduction
Objectif


Contrôle dynamique de
position par courant tunnel

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Actionneur électrostatique


Sans contact



Non linéaire

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Partie dynamique





Système oscillant


Q ≈ 100



k = 0,03 N/m

Modélisation par éléments finis
Mouvement brownien


Force de Langevin

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Le capteur


Courant tunnel



Forces de proximité


Électrostatique



Van de Waals



Capillarité

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Stabilité (vs pull-in)



Condition de stabilité

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Observabilité


Système complet



Système non observable

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Bilan


Combinaison actionneur

électrostatique / courant tunnel


Système oscillant



Actionneur et capteur non linéaires



Non observabilité



Forces de proximité
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Présentation du système
Bilan


Système étudié en simulation

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre


Analyse fonctionnelle



Cahier des charges



Spécifications ‘micro/nano’



Asservissement temps réel



Facilité d’utilisation, flexibilité

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre


L’équipe technique…


Un grand merci à:
Gabriel Buche
Didier & Thierry Blanc
Pascal Bellemain

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
La plateforme

100 µm

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
La plateforme

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Démarche
1. Mesures en boucles ouverte
2. Asservissement piézoélectrique du courant
tunnel


Sur surface fixe et mobile



Calibration de l’actionneur
électrostatique

3. Asservissement électrostatique de
4. Asservissement de

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte


Comportement exponentiel



Sensibilité



Plage de mesure

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte


Asservissement manuel du courant tunnel



Nécessité d’une boucle fermée
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation




Système du premier ordre


Bande passante 4 kHz



Retard pur 1*Te



Hystérésis négligée

Asservissement du courant tunnel au
moyen de l’actionneur piézoélectrique

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Résultats

Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation


Identification en boucle fermée



Amélioration du correcteur

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation


Asservissement temps réel du courant tunnel



Mesure bruitée


Electronique



Perturbations



Variations des paramètres
physiques

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation


Courant tunnel sur surface
mobile

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique


Système actionneur + poutre



Hypothèse:

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique



Validation expérimentale

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Caractérisations expérimentales
Bilan




Asservissement piézoélectrique du courant tunnel


Rapport signal/(signal+bruit) ≈ 0,95



Mesure de déplacements ‘picométriques’

Détermination des paramètres expérimentaux

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Système en boucle ouverte


Système à commander

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Slide 35

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Loi de commande



Linéarisation de l’actionneur



Saturation



Linéarisation du capteur

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Slide 36

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Loi de commande


Placement de pôles et calibrage des fonctions de
sensibilité


Marges de robustesse



Retard pur 1*Te



Gabarits des fonctions de sensibilité


Atténuation du bruit thermique



Robustesse à l’amortissement



Atténuation des bruits de mesure

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel


Régulateur RST
(7ème ordre)

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Slide 38

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel


Dérives de la pointe


Fluage de l’actionneur



Dilatations thermiques

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Slide 39

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Compensation des dérives


Calcul temps réel des dérives


Commande linéarisante basée
sur la relation



Position de la poutre

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Slide 40

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Compensation des dérives


Calcul d’un second régulateur


Commande de l’actionneur
piézoélectrique



Robuste à l’hystérésis



Intégrateur

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Slide 41

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Compensation des dérives




Asservissement de la distance
pointe / poutre
Asservissement de la position
de la pointe

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Résultats
Compensation des dérives


Exemple de commande en
position de la poutre

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Conclusion
Bilan

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Slide 44

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Caractérisations expérimentales

Résultats

Conclusion
Bilan




Nouvelle utilisation du courant tunnel


Contrôle de distance



Contrôle de position



Plage de mouvement

plage de mesure

Positionnement d’un objet sans contact


Rejet des dérives



Amortissement des oscillations naturelles (?)

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Slide 45

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Résultats

Conclusion
Situation internationale

+ Précision
+ Rapidité
- Course

- Micro objet
- 1 Dimension
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Caractérisations expérimentales

Résultats

Conclusion
Perspectives


Estimation de forces de proximité



Etude de parties plus flexibles



Commande multi-variables



Etude d’oscillateurs en milieu bruité



Application à


des objets plus petits (2-3D)



des systèmes plus complexes

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Présentation du système

Caractérisations expérimentales

Résultats

Merci pour votre attention,
mais surtout, MERCI à tous !

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