Transcript Introduction Présentation du système Caractérisations
Slide 1
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
1
Slide 2
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
2
Slide 3
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Plan de la soutenance
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
3
Slide 4
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Nano positionnement - Instruments
Piézoélectriques,
électrostatiques,
thermiques,
magnétiques …
Poutre, pointes,
pinces,
supports…
Optiques,
capacitifs,
thermiques,
piézorésistifs…
Applications: microscopie, appareils optiques, préhension …
4
Slide 5
Introduction
Présentation du système
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
Slide 6
Introduction
Présentation du système
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
6
Slide 7
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Nano positionnement - Performances
Positionnement de
Macro objets ( )
Micro objets ( )
Nano objets ( )
[Devasia 2007]
[Xie 2009]
[Eigler 1990]
7
Slide 8
Introduction
Présentation du système
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
8
Slide 9
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Le courant tunnel - Application
Avantages
Bande passante
Faible consommation
Précision (< Å)
Taille réduite (< µm)
Utilisé par:
[Giaever 65] : Supraconductivité
9
Slide 10
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Le courant tunnel - Application
Utilisé par:
[Binnig 82] : Microscopes à effet tunnel
•
Précision < 1 Å
•
Asservissement piézoélectrique du courant tunnel
10
Slide 11
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Le courant tunnel - Application
Utilisé par:
[Liu 01] : Accéléromètres
•
Résolution ≈ 20 ng
•
Asservissement électrostatique du courant tunnel
11
Slide 12
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Objectif
Contrôle dynamique de
position par courant tunnel
12
Slide 13
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Actionneur électrostatique
Sans contact
Non linéaire
13
Slide 14
Introduction
Présentation du système
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
14
Slide 15
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Le capteur
Courant tunnel
Forces de proximité
Électrostatique
Van de Waals
Capillarité
15
Slide 16
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Stabilité (vs pull-in)
Condition de stabilité
16
Slide 17
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Observabilité
Système complet
Système non observable
17
Slide 18
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Bilan
Combinaison actionneur
électrostatique / courant tunnel
Système oscillant
Actionneur et capteur non linéaires
Non observabilité
Forces de proximité
18
Slide 19
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Bilan
Système étudié en simulation
19
Slide 20
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre
Analyse fonctionnelle
Cahier des charges
Spécifications ‘micro/nano’
Asservissement temps réel
Facilité d’utilisation, flexibilité
20
Slide 21
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre
L’équipe technique…
Un grand merci à:
Gabriel Buche
Didier & Thierry Blanc
Pascal Bellemain
21
Slide 22
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
La plateforme
100 µm
22
Slide 23
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
La plateforme
23
Slide 24
Introduction
Présentation du système
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
24
Slide 25
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte
Comportement exponentiel
Sensibilité
Plage de mesure
25
Slide 26
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte
Asservissement manuel du courant tunnel
Nécessité d’une boucle fermée
26
Slide 27
Introduction
Présentation du système
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
27
Slide 28
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Identification en boucle fermée
Amélioration du correcteur
28
Slide 29
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Asservissement temps réel du courant tunnel
Mesure bruitée
Electronique
Perturbations
Variations des paramètres
physiques
29
Slide 30
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Courant tunnel sur surface
mobile
30
Slide 31
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique
Système actionneur + poutre
Hypothèse:
31
Slide 32
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique
Validation expérimentale
32
Slide 33
Introduction
Présentation du système
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
33
Slide 34
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Système en boucle ouverte
Système à commander
34
Slide 35
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Loi de commande
Linéarisation de l’actionneur
Saturation
Linéarisation du capteur
35
Slide 36
Introduction
Présentation du système
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
36
Slide 37
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel
Régulateur RST
(7ème ordre)
37
Slide 38
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel
Dérives de la pointe
Fluage de l’actionneur
Dilatations thermiques
38
Slide 39
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Calcul temps réel des dérives
Commande linéarisante basée
sur la relation
Position de la poutre
39
Slide 40
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Calcul d’un second régulateur
Commande de l’actionneur
piézoélectrique
Robuste à l’hystérésis
Intégrateur
40
Slide 41
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Asservissement de la distance
pointe / poutre
Asservissement de la position
de la pointe
41
Slide 42
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Exemple de commande en
position de la poutre
42
Slide 43
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Conclusion
Bilan
43
Slide 44
Introduction
Présentation du système
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 (?)
44
Slide 45
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Conclusion
Situation internationale
+ Précision
+ Rapidité
- Course
- Micro objet
- 1 Dimension
45
Slide 46
Introduction
Présentation du système
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
46
Slide 47
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Merci pour votre attention,
mais surtout, MERCI à tous !
47
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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Slide 2
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
2
Slide 3
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Plan de la soutenance
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
3
Slide 4
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Nano positionnement - Instruments
Piézoélectriques,
électrostatiques,
thermiques,
magnétiques …
Poutre, pointes,
pinces,
supports…
Optiques,
capacitifs,
thermiques,
piézorésistifs…
Applications: microscopie, appareils optiques, préhension …
4
Slide 5
Introduction
Présentation du système
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)
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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
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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Slide 10
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Le courant tunnel - Application
Utilisé par:
[Binnig 82] : Microscopes à effet tunnel
•
Précision < 1 Å
•
Asservissement piézoélectrique du courant tunnel
10
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Le courant tunnel - Application
Utilisé par:
[Liu 01] : Accéléromètres
•
Résolution ≈ 20 ng
•
Asservissement électrostatique du courant tunnel
11
Slide 12
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Introduction
Objectif
Contrôle dynamique de
position par courant tunnel
12
Slide 13
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Actionneur électrostatique
Sans contact
Non linéaire
13
Slide 14
Introduction
Présentation du système
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
14
Slide 15
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Le capteur
Courant tunnel
Forces de proximité
Électrostatique
Van de Waals
Capillarité
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Slide 16
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Stabilité (vs pull-in)
Condition de stabilité
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Observabilité
Système complet
Système non observable
17
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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Présentation du système
Bilan
Système étudié en simulation
19
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre
Analyse fonctionnelle
Cahier des charges
Spécifications ‘micro/nano’
Asservissement temps réel
Facilité d’utilisation, flexibilité
20
Slide 21
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mise en œuvre
L’équipe technique…
Un grand merci à:
Gabriel Buche
Didier & Thierry Blanc
Pascal Bellemain
21
Slide 22
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
La plateforme
100 µm
22
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
La plateforme
23
Slide 24
Introduction
Présentation du système
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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Slide 25
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte
Comportement exponentiel
Sensibilité
Plage de mesure
25
Slide 26
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Mesures en boucle ouverte
Asservissement manuel du courant tunnel
Nécessité d’une boucle fermée
26
Slide 27
Introduction
Présentation du système
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
27
Slide 28
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Identification en boucle fermée
Amélioration du correcteur
28
Slide 29
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Asservissement temps réel du courant tunnel
Mesure bruitée
Electronique
Perturbations
Variations des paramètres
physiques
29
Slide 30
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Première boucle de régulation
Courant tunnel sur surface
mobile
30
Slide 31
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique
Système actionneur + poutre
Hypothèse:
31
Slide 32
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Caractérisations expérimentales
Calibration de l’actionneur électrostatique
Validation expérimentale
32
Slide 33
Introduction
Présentation du système
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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Slide 34
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Système en boucle ouverte
Système à commander
34
Slide 35
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Loi de commande
Linéarisation de l’actionneur
Saturation
Linéarisation du capteur
35
Slide 36
Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel
Régulateur RST
(7ème ordre)
37
Slide 38
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Asservissement électrostatique du courant tunnel
Dérives de la pointe
Fluage de l’actionneur
Dilatations thermiques
38
Slide 39
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Calcul temps réel des dérives
Commande linéarisante basée
sur la relation
Position de la poutre
39
Slide 40
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Calcul d’un second régulateur
Commande de l’actionneur
piézoélectrique
Robuste à l’hystérésis
Intégrateur
40
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Asservissement de la distance
pointe / poutre
Asservissement de la position
de la pointe
41
Slide 42
Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Résultats
Compensation des dérives
Exemple de commande en
position de la poutre
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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Conclusion
Bilan
43
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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Conclusion
Situation internationale
+ Précision
+ Rapidité
- Course
- Micro objet
- 1 Dimension
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Introduction
Présentation du système
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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Introduction
Présentation du système
Caractérisations expérimentales
Résultats
Merci pour votre attention,
mais surtout, MERCI à tous !
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