Projet ANR-11-EMMA-0006 – MyMeSys : Systèmes de mesure hautement performants et embarqués pour Microsystèmes à multiples degrés de liberté
Programme : Emergence de produits, technologies, ou services à fort potentiel de valorisation (Emergence)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Micky RAKOTONDRABE (UNIVERSITE DE BESANCON [FRANCHE-COMTE])
Partenaires : Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies; Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies
Montant : 299781.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 24 mois
Résumé : Capteurs hautement précis et rapides pour les microsystèmes à plusieurs axesDéveloppement de système de capteurs capables de mesurer avec précisions ultimes et prenant en compte la dynamique rapide des déplacements et des forces mis en jeu dans les microsystèmes à plusieurs axes.
Vers les microsystèmes actionnés avec capteurs complètement embarquésLe contexte dans lequel s’inscrit le projet MiMeSys est le développement d'outils intégrés dans les systèmes de micromanipulation/microassemblage à haute dextérité pour la production de microsystèmes complexes et hybrides afin d’améliorer leur productivité et diminuer le coût lié à la production et à ces systèmes. Pour cela, l’objectif principal du projet est d’étudier et de développer un système de mesure multidirectionnelle embarqué de haute précision et de bande-passante élevée dédiés pour les microsystèmes. Les verrous scientifiques et techniques se trouvent sur les aspects multi-degrés de liberté (mesure multidirectionnelle), intégration et combinaison à la fois de la haute précision et de la grande passante à l’échelle du micromonde. Pour atteindre l'objectif, la solution consiste à combiner trois techniques de mesure complémentaires dont le concept de chacun a été validé dans des projets et brevets antérieurs et appartenants au département AS2M de FEMTO-ST. Un système de calibration dédié sera également développé dans le projet. Les retombées techniques concernent le développement possible de nouvelles générations de microsystèmes intélligents (contrôlés) et complètement embarqués. Les retombées sociétales résident dans les différentes possibilités de développer des microsystèmes autonomes et dextres au cœur des applications de microassemblage et de micromanipulation, mais aussi médicales, militaires, aérospatiales, agroalimentaires/agricultures et élévages, etc.
Trois systèmes de mesures des microsystèmes et leur fusionLa méthode proposée consiste à étendre puis fusionner trois systèmes de mesure partiellement développés au laboratoire. Ce sont : 1) la mesure de la position par principe magnétique qui a l'avantage d'avoir une grande bande-passante, 2) la mesure de la position par self-sensing, c-à-d utiliser l'actionneur comme capteur à la fois (possible pour certains actionneus piézoélectriques), qui permet une grande précision, 3) et la mesure de la force en utilisant un effecteur à base de jauges de déformations et de matériaux convenables (résine SU8) à l'extrémité des actionneurs. Ces techniques ont été étudiées indépendamment au laboratoire dans le passé et ont été conçues pour un seul axe de mesure. Le projet MYMESYS étudie dans un premier temps l'extension en mesure multi-axes de ces techniques puis de les combiner pour donner un seul capteur. Un système de calibration dédié au système de mesure sera également développé dans ce projet. En effet, les systèmes mécaniques de calibration existant ne sont pas compatibles au capteur développé en raison de la haute précision, de la grande passante et du nombre d'axes de celui-ci.
Résumé de la soumission : La productivité et la précision des tâches de micromanipulation et de microassemblage actuellement existant sont très limitées par le manque de capteurs convenables. A cela s’ajoute l’impossibilité de réduire les dimensions des systèmes utilisés pour ces tâches. Ainsi, il est très difficile d’industrialiser ou de valoriser les systèmes d’assemblage/manipulation de micro-objets existant. D’abord, les systèmes de microassemblage automatisés permettant d’avoir une bonne précision utilisent des caméra/vision/traitement d’images dont la bande passante, et donc la productivité, est faible. Par ailleurs, l’amélioration de la bande passante en commandant les microrobots et microsystèmes utilisent des capteurs incompatibles avec le microassemblage et la micromanipulation. Enfin, ces différentes techniques de mesures utilisées ne permettent que des mesures sur un axe, alors que le besoin actuel tend vers des microsystèmes multi-axes.Le contexte dans lequel s’inscrit le projet MiMeSys est le développement de outils intégrés dans les systèmes de micromanipulation/microassemblage à haute dextérité pour la production de microsystèmes complexes et hybrides afin d’améliorer leur productivité et diminuer le coût lié à la production mais aussi de ces systèmes. Pour cela, l’objectif principal du projet est d’étudier et de développer un système de mesures multi-directionnelles embarqué de haute précision et de bande-passante élevée dédiés pour les microsystèmes.
Résultats : Les 10 premiers mois consistent à étudier le système de mesure de force, appelé Sensufit. Un post-doc (6hm) et un stagiaire (4hm, en cours) ont été recrutés pour cela. Afin de réussir cette tâche, 5 sous-tâches ont été proposées : ST1 - validation de la structure de l'effecteur conçu et vérification de la sensibilité des jauges en platines. ST2 - étude et extension en multi. ST3 - étude d'un nouveau procédé de microfabrication pour l'effecteur en matériau SU8 avec jauges. ST4 - microfabrication de l'effecteur en SU8 avec jauges. ST5 - intégration dans une micropince et caractérisation. ST1, ST2 et ST3 qui sont la base et le fondement du système ont été réalisés à M5. Les tests expérimentaux sur les jauges en platines sont concluants et il reste donc la mise en place de celles-ci sur l'effecteur en SU8. Durant cette période, le contact avec une start-up (Percipio Robotics) du laboratoire a été fait afin de sous-traiter la microfabrication (ST4) en utilisant le procédé dévéloppé en ST3. Un stagiaire fait actuellement le suivi de la microfabrication. De nouvelles expériences en microtechnologies et en piézorésistivité ont été acquises. Des connaissances sur l'adaptation du SU8 aux microsystèmes ont été également acquises et un procédé de microfabrication de ceux-ci a été mis en place. L'entreprise Percipio Robotics, sous-traitant pour la fabrication en salle blanche, est également intéressée pour acheter la licence d'un brevet ou pour faire une collaboration à l'issu des résultats du projet, en particulier sur le capteur final développé. 
Concernant la mesure par self-sensing, des résultats préliminaires sur la modélisation et la compensation des non-linéarités dans les actionneurs ont été faits. L'objectif est de les intégrer plus tard dans le self-sensing pour atteindre des précisions ultimes.
Perspectives : Le développement de capteurs embarqués pour les microsystèmes, issu de ce projet, permettent d'aller vers des nouvelles technologies pour le microassemblage et la micromanipulation semi ou complètement automatisés. Cette automatisation implique une augmentation importante de la productivité de fabrication des microsystèmes mais aussi de la précision de fabrication, sans parler de la diminution du coût des produits finaux. Beaucoup de produits miniaturisés actuels retrouvés dans des applications spécifiques (médicales, militaires, aérospatiales) verront donc leur coût réduit. Par ailleurs, de nouveaux produits miniaturisés apparaîtront plus facilement pour des applications plutôt quotidiennes et pour la vie de tous les jours (domestiques, agroalimentaires/agricultures et élévages, etc.).
Publications et brevets : - Résultats sur la caractérisation des jauges en platines en cours de rédaction :
X. Xu, J. Agnus and M. Rakotondrabe, '2 dimensionnal platinum piezoresistive micro force sensor', RSI, in preparation, IOP RSI (Review of Scientific Instrument)
- Une fois la microfabrication et la caractérisation de l'effecteur avec ces jauges réalisées, un dépôt de brevet français est prévu.
- Résultats préliminaires sur les non-linéarites pour le self-sensing :
Micky Rakotondrabe, 'Classical Prandtl-Ishlinskii modeling and inverse multiplicative structure to compensate hysteresis in piezoactuators', ACC, pp.1646-1651, Canada, June 2012. 
Micky Rakotondrabe, 'Modeling and Compensation of Multivariable Creep in multi-DOF Piezoelectric Actuators', IEEE - ICRA, pp.4577-4581, St Paul Minnesota USA, May 2012.