Brevet FR2983761A1 — publié le 20130614

CNRS 56.FRD 1 DISPOSITIF MICROTECHNIQUE À CAPTEUR D'IMAGE La présente invention se rapporte à un dispositif microtechnique comportant une micro-pince et un capteur d'image. Les micro- et nanotechnologies évoluent rapidement. Ces technologies mettent en oeuvre des fabrications et des procédés à l'échelle submillimétrique, à savoir dans le domaine du micromètre et nanomètre. Il s'agit notamment de manipuler des objets ou d'assembler des pièces miniaturisées. Les dispositifs en micro- ou nanotechnologies utilisent classiquement des matériaux de type piézoélectrique, silicium ou analogue. Les phénomènes physiques mis en oeuvre se basent essentiellement sur les propriétés thermiques, magnétiques, piézoélectriques, électrostatiques ou analogues des matériaux utilisés. C'est la nature même du matériau et les propriétés physiques associés à ce matériau qui permettent de réaliser des systèmes compacts générant des mouvements de haute résolution (1 nm à 1 lam). Ainsi, on peut fabriquer des micro- actionneurs tels que des micro-pinces comportant des branches réalisés dans un des matériaux précités. Les micro-pinces comprennent classiquement deux branches déformables. Une excitation (par exemple électrique) entraîne une déformation ciblée des branches. Ainsi on peut déplacer leurs extrémités l'une vers l'autre, en vu d'une fermeture ou d'une ouverture de la micro- pince. Le rapprochement des extrémités respectives de deux branches permet ainsi la préhension d'objets ou de pièces microscopiques par serrage mécanique. De cette manière, les micro-pinces permettent la manipulation de pièces à échelle submillimétrique. Les micro-pinces peuvent être fabriquées d'un seul tenant, à savoir de façon monolithique : « micro-pinces monolithiques » ; ou être composées de plusieurs éléments distincts : « micro- pinces assemblées ». Le document WO 2004/028756 divulgue une micro-pince à branches piézoélectriques équipée d'électrodes. Les applications des micro-pinces sont vastes et elles sont notamment utilisés pour le micro-usinage lors de la fabrication de microsystèmes (notamment des puces électroniques) ou microsystèmes/nanosystèmes électromécaniques (MEMS : « Micro Electro Mechanical Systems », MST : « Micro System Technology » ou NST : « Nano System Technology »), ou encore dans la fabrication des microsystèmes/nanosystèmes hybrides de type électromécaniques-optiques (MOEMS : « Micro Opto Electro Mecanical Systems »). Les systèmes précités sont notamment mis en oeuvre dans l'industrie automobile, l'aéronautique, la télécommunication, la biotechnologie, la médecine, la physique, l'informatique, l'électronique, l'ingénierie moléculaire ou encore l'ingénierie de nanomatériaux. Le fait que ces technologies opèrent à l'échelle du micro- ou nanomètre a pour conséquence que les micro-pinces doivent « manipuler » avec précision. Mais les phénomènes physiques mis en oeuvre sont généralement non-linéaires et perturbés par l'environnement (en particulier les phénomènes thermiques ou piézoélectriques). Il existe donc un besoin de suivre et surveiller les manipulations effectuées. Pour cela, il est classiquement fait appel à des appareillages externes supplémentaires, tels que des microscopes optiques ou électroniques ou des caméras portant des objectifs de microscope. Ces appareillages externes supplémentaires sont encombrants et vont à l'encontre de la miniaturisation recherchée en micro- ou nanotechnologie. La présente invention vient améliorer la situation. À cet effet, l'invention vient introduire un dispositif microtechnique comprenant une micro- pince comportant un support, avec un actionneur et un équipage mobile montés sur ledit support, ainsi qu'un capteur d'image, l'équipage mobile comprenant une embase avec une tête, l'embase étant déplaçable en translation par rapport au support et ladite tête étant déplaçable en rotation par rapport à l'embase, et dans lequel ledit capteur d'image est disposé sur ladite tête de l'équipage mobile en regard dudit actionneur. L'actionneur peut être choisi parmi un actionneur thermique, un actionneur piézo-électrique et d'un actionneur électrostatique. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'actionneur peut comprendre deux poutres piézoélectriques, chacune déplaçable selon deux degrés de liberté. Chaque poutre piézoélectrique peut être munie d'un doigt de préhension. Selon un mode de réalisation, le capteur d'image comprend un semi-conducteur d'oxyde de métal complémentaire (CMOS). Le capteur d'image peut comprendre une puce d'une épaisseur d'environ 1 mm et d'une surface d'environ 11 me et présentant une définition d'au moins de 64 x 64 pixels, chaque pixel étant traité par 38 transistors. Selon un mode de réalisation, l'équipage mobile comprend une articulation disposée entre ladite tête et l'embase. L'articulation peut être choisie parmi le groupe constitué d'une charnière et d'une liaison rotule. Le support du dispositif microtechnique peut comporter un rail de guidage. Selon ce mode de réalisation, l'embase comporte un téton agencé sur ce rail de guidage. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif microtechnique de l'invention peut comprendre en outre une unité de contrôle pour commander d'une part un système d'entrainement en translation de l'embase et d'autre part système d'entrainement en rotation de ladite tête. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après et sur les dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 représente une vue de côté d'un dispositif microtechnique selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de côté du dispositif de la figure 1 avec une unité de contrôle, - la figure 3 représente une vue en perspective du dispositif microtechnique de la figure 2 selon un premier angle, - la figure 4 représente une vue en perspective du dispositif microtechnique de la figure 2 selon un deuxième angle, - la figure 5 représente une vue en perspective du dispositif microtechnique de la figure 2 selon un troisième angle, et - la figure 6 représente une vue en perspective selon l'axe VI-VI du dispositif microtechnique de la figure 2. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils font partie intégrante de la description, et pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. En robotique classique on connaît des robots manipulant des objets. Ces robots peuvent être surveillés par une caméra externe, laquelle surveille des opérations effectuées par le robot. On parle alors de configuration dite déportée, également appelé un système « eye-to-hand ». On connaît également, des robots qui portent eux-mêmes une caméra. Il s'agit d'une configuration dite combinée, également appelé un système « eye-in-hand ». Les systèmes déportés (« eye-to-hand ») sont des systèmes encombrants qui présentent certaines contraintes. Dans ce type de système, la caméra peut notamment gêner des manipulations effectuées par le robot en limitant son espace de travail. Les systèmes combinés (« eye-in-hand ») présentent une caméra directement embarquée sur le robot. Ces systèmes permettent de limiter l'encombrement en périphérie du robot. Toutefois, il faut prévoir une architecture du robot qui autorise le positionnement d'une caméra sur ce dernier. Ceci résulte en une architecture complexe et lourde du robot qui peut gêner les mouvements de celui-ci et limiter son espace de travail. De plus, ces systèmes sont coûteux. Une autre contrainte qui se retrouve dans les systèmes déportés (« eye-to-hand ») et particulièrement dans les systèmes combinés (« eye-in-hand ») est liée à la technologie de la caméra associée. En effet, la caméra doit opérer à proximité de l'espace de travail du robot, il s'en suit des problèmes de visibilité telles qu'une faible profondeur de champ (DOF : « depthof-field ») et/ou un faible champ visuel (FOV : « field-of-view »). Dans le domaine de microtechnique, on connaît les systèmes déportés (« eye-to-hand ») et les contraintes citées ci-dessus s'appliquent également (encombrement, limitation de l'espace de travail, faible DOF et/ou FOV). La Demanderesse a découvert non sans surprise, qu'un capteur d'image de type semiconducteur d'oxyde de métal complémentaire (CMOS: « complementary metal-oxidesemiconductor ») peut être apposée sur une micro-pince par l'intermédiaire d'un équipage mobile. Selon l'invention, le capteur d'image est agencé pour effectuer des mouvements dans l'espace. Ainsi la Demanderesse a développé un système combiné (« eye-in-hand ») dans le domaine de microtechnique tout en surmontant les problèmes cités ci-dessus. La publication scientifique « High-speed smart camera with high resolution ; Mosqueron et al. ; J. of Embedded Syst., S.I. « Embedded Vision System », vol. 2007, no. ID 24163, p. 16, Dec. 2007 » et la publication scientifique « A 10 000 fps CMOS Sensor With Massively Parallel Image Processing ; Dubois et al. ; IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 43, NO. 3, MARCH 2008 », auxquelles le lecteur est prié de se référer, décrivent la technologie d'un capteur d'images de type semi-conducteur d'oxyde de métal complémentaire (CMOS) conforme à l'invention. La figure 1 montre un dispositif microtechnique 100 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif microtechnique 100 comprend une micro-pince. Il peut notamment s'agir d'une micro-pince piézoélectrique tel que décrit dans la publication WO 2004/028756 déposée par l'ENSMM (Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques) sous PCT/FR2003/002805 (avec une demande prioritaire déposée sous FR 02/11934, publiée sous FR 2 845 026). La micro-pince comprend un support 102, avec un actionneur 104. Le support 102 présente une forme allongée s'inscrivant dans un parallélépipède qui définit un premier axe longitudinal principal. L'actionneur 104 s'étend selon un axe sensiblement parallèle à ce premier axe longitudinal principal. Selon l'invention, le dispositif microtechnique comprend un équipage mobile monté sur ledit support 102. L'équipage mobile comprend une embase 108. Dans le mode de réalisation décrit ici, l'embase 108 est de forme parallélépipédique et présente un deuxième axe longitudinal (on peut également prévoir d'autres formes et notamment une forme sensiblement cylindrique). Le deuxième axe longitudinal de l'embase 108 est orthogonal au premier axe longitudinal du support 102. L'embase 108 est déplaçable en translation en une direction parallèle au premier axe longitudinal principal du support 102. Ainsi comme l'indique la figure 1, l'embase 108 peut être rapprochée selon une première direction x+, vers l'actionneur 104. À l'inverse, l'embase 108 peut aussi être éloignée de l'actionneur 104 selon une seconde direction x-. Pour cela, le support 102 peut comporter un rail de guidage en surface. Conformément au rail de guidage en surface, l'embase 108 peut comporter un téton sur sa partie inférieure, le téton étant agencé sur le rail du guidage. Dans ce mode de réalisation, l'embase 108 peut être déplacée de la micro-pince par glissement le long du premier axe longitudinal principal du support 102, à savoir selon les directions x+ et x-. L'équipage mobile du dispositif microtechnique 100 de l'invention comprend en outre une tête 110. Dans le mode de réalisation décrit ici, la tête 110 est de forme parallélépipédique et présente un troisième axe longitudinal (on peut également prévoir d'autres formes et notamment une forme sensiblement cylindrique). La tête 110 est fixée sur l'embase 108 au moyen d'une articulation 112. L'articulation 112 peut être une charnière ou une liaison rotule. L'articulation 112 est choisie pour permettre un déplacement en rotation de la tête 110 par rapport à l'embase 108. Ainsi, la tête 110 est agencée pour effectuer à partir d'une position de repos à 0° (position alignée avec l'embase 108), une rotation d'au moins 90° par rapport au de l'embase 108 (position perpendiculaire à l'embase 108). En d'autres termes, le troisième axe longitudinal peut effectuer une rotation de 0° à 90° par rapport au deuxième axe longitudinal. Ainsi, dans une première position d'extrémum, le troisième axe longitudinal de la tête 110 est aligné avec le deuxième axe longitudinal de l'embase 108. Dans une deuxième position d'extrémum, l'axe principal de la tête 110 est perpendiculaire à l'axe principal de l'embase 108 (90° l'un par rapport à l'autre). Ainsi comme l'indique la figure 1, la rotation de la tête 110 par rapport à l'embase 108 au moyen de l'articulation 112 est réalisée selon une rotation dite positive : a+, et une rotation dite négative : a-. Le dispositif microtechnique 100 de l'invention comprend en outre un capteur d'images 106 agencé sur la tête 110 de l'équipage mobile. Ainsi le capteur d'images 106 présente au moins deux degrés de liberté, à savoir une première liberté de translation et une deuxième liberté en rotation. En prenant comme référence le premier axe longitudinal du support 102, on peut donc notamment prévoir une course du capteur d'images 106 d'environ de 5 mm à 10 mm (selon x+ ou x-), et une rotation de 0° à 90° (selon a+ et a-). Le capteur d'images 106 est fixé à la tête 110 par l'intermédiaire d'une plaque rectangulaire 114. Plus précisément, le capteur d'images peut être une micro-caméra de technologie « AMS CMOS 0,35 1.i.m ». Il s'agit d'un capteur avec une résolution de 64 x 64 pixels. Le capteur d'images 106 est agencé sur une puce d'environ 11 mm' avec un nombre de transistors de 160000 (à savoir 38 transistors par pixels). Le facteur de remplissage d'un pixel est d'environ 25 % avec une fréquence d'acquisition de 10 000 images/seconde. Le capteur d'images 106 peut être apposé sur une plaque rectangulaire 114 d'environ 30 mm x 22 mm ayant une épaisseur de 1 mm. Cette plaque rectangulaire 114 est fixée sur la tête 110 par des moyens de fixation 116. Comme mentionné ci-dessus, le capteur d'images 106 présente un degré de liberté en translation d'une part et un degré de liberté en rotation d'autre part, et ce par rapport au support 102 ou plus généralement par rapport à la micro-pince. Selon l'invention, il est prévu que le capteur d'images 106 est positionné en regard de l'actionneur 104. En effet, le dispositif microtechnique 100 de l'invention est agencé pour permettre une observation directe et sensible des manipulations effectuées par la micro- pince. La position du capteur d'images 106 par rapport à l'actionneur peut être adaptée au moyen de l'équipage mobile. En ce sens, il faut savoir que l'actionneur 104 peut d'une part varier dans sa forme et d'autre part réaliser de tâches multiples. L'actionneur 104 peut par exemple comporter des organes terminaux variés en vue d'un micro-assemblage de pièces microscopiques. Ainsi, il est notamment prévu d'apposer des doigts de préhension sur l'actionneur 104 pour une manipulation sensible et adaptée. Chaque modèle de doigt de préhension, est donc choisi en fonction de la micromanipulation ou du micro-assemblage à effectuer par l'actionneur 104 (ou plus généralement par la micro-pince). Il faut donc comprendre que le capteur d'images 106 est positionné en regard de l'actionneur 104 pour couvrir le champ d'Action de celui-ci. Le dispositif microtechnique de l'invention permet de positionner le capteur d'images 106 selon la configuration et la manipulation prévue de l'actionneur 104. Le déplacement dans l'espace du capteur d'images 106 selon l'invention permet d'assurer une profondeur de champ satisfaisante (DOF) ainsi qu'un champ visuel satisfaisant (FOV) pour surveiller les manipulations de l'actionneur 104. Pour satisfaire au besoins recherché dans le mode de réalisation décrit ici (avec notamment un capteur d'images 106 en regard d'un actionneur 104), il est prévu une possibilité d'adaptation en translation comprise entre 5 mm à 6 mm et une possibilité d'adaptation en rotation comprise entre 5° et 30°. La figure 2 représente une vue de côté du dispositif microtechnique 100 de la figure 1 associé à une unité de contrôle CNT. L'unité de contrôle CNT permet d'une part de commander un système d'entraînement en translation TRA et d'autre part de commander un système d'entraînement en rotation ROT. Chacun des systèmes en translation TRA et en rotation ROT comporte une motorisation agencée dans l'équipage mobile du dispositif microtechnique 100. L'unité de contrôle CNT offre ainsi la possibilité d'ajuster le positionnement du capteur d'images 106 vis-à-vis de l'actionneur 104 et en regard de celui-ci. L'unité de contrôle CNT présente donc un avantage lors de la mise au point (DOF et FOV) de l'image reçue par le capteur d'images 106. De manière générale, le champ de vision du capteur d'images 106 s'oriente selon l'axe VI-VI représenté sur la figure 2. Bien évidemment, le champ de vision 106 n'est pas limité à cet axe mais couvre au moins un champ défini conformément à un axe d'angle 0 par rapport à l'axe VI-VI (l'axe VI-VI représentant l'axe optique). L'angle 0 peut être de 51°. En d'autres termes, le champ de vision du capteur d'images 106 couvre un angle solide d'environ 51°. Les figures 3 à 6 montrent des vues en perspective du dispositif microtechnique de la figure 2 selon différents angles. Les figures 3 à 6 montrent une première poutre piézoélectrique 1041 et une deuxième poutre piézoélectrique 1042. La première poutre piézoélectrique 1041 comporte sur son extrémité un premier doigt de préhension 1043, tandis que la deuxième poutre piézoélectrique 1042 porte sur son extrémité un deuxième doigt de préhension 1044. La forme des premier 1043 et deuxième 1043 doigts de préhension, peut être choisie en fonction des opérations à effectuer par l'actionneur 104. Comme indiqué ci-dessus, le capteur d'images 106 est agencé pour s'orienter dans l'espace et ce, sensiblement en fonction des doigts de préhension de l'actionneur 104. De manière générale, l'orientation du capteur d'images 106 est prévue pour couvrir le champ d'action de l'actionneur 104. Dans le mode de réalisation décrit ici, chaque branche de l'actionneur 104 peut réaliser des mouvements selon deux degrés de liberté. En prenant comme référence le premier axe longitudinal du support 102 axe x, chaque branche de l'actionneur 104 peut réaliser des mouvements selon des axes orthogonaux à ce premier axe longitudinal, à savoir selon des axes y et z. De plus, chaque branche peut porter des organes terminaux. Dans le mode de réalisation décrit ici, ces organes terminaux sont constitués par les doigts de préhension 1043 et 1044 d'environ 12 mm. Dans ce mode de réalisation, la course de chaque doigt de préhension (1043 et 1044) est d'environ 300 gm selon l'axe y et d'environ 200 prn selon l'axe z. L'agencement du dispositif microtechnique de la présente invention lui permet d'être alimenté en basse tension (3,7 volts). La connexion du capteur d'images 106 comprend 48 connexions réalisées notamment avec des fils en or et d'un diamètre dans l'ordre de quelques 11m. Les fils de connexions relient les entrées (alimentation courant du capteur d'images 106, la masse, etc.) et les sorties (lecture des différentes lignes et colonnes). Selon un mode de réalisation, le dispositif microtechnique 100 s'inscrit dans un parallélépipède de 3 cm de longueur, de 3 cm de largeur et de 3,5 cm de hauteur. La définition du capteur d'image peut être de 64 x 64 pixels. La définition du capteur d'image peut aussi être de 256 x 256, 640 x 480 ou encore 512 x 512 pixels. Il suffit d'additionner des blocs de capteurs 64 x 64 pixels qui fonctionnent en parallèle. Par exemple pour une définition de 256 x 256 pixels, il faudra prévoir seize blocs de 64 x 64 pixels avec seize sorties analogique (une sortie par bloc) à 10KHz chacune, tandis que pour une définition de 512 x 512 pixels, il faudra prévoir soixante-quatre blocs de 64 x 64 pixels avec soixante-quatre sorties analogiques à 10KHz chacune.30 REVENDICATIONS1. Dispositif microtechnique, caractérisé en ce qu'il comprend une micro-pince comprenant un support, avec un actionneur et un équipage mobile montés sur ledit support, ainsi qu'un capteur d'image, l'équipage mobile comprenant une embase avec une tête, l'embase étant déplaçable en translation par rapport au support et ladite tête étant déplaçable en rotation par rapport à l'embase, tandis que ledit capteur d'image est disposé sur ladite tête de l'équipage mobile en regard dudit actionneur. 2. Dispositif microtechnique selon la revendication 1, dans lequel l'actionneur est choisi parmi le groupe constitué d'un actionneur thermique, d'un actionneur piézo- électrique et d'un actionneur électrostatique. 3. Dispositif microtechnique selon la revendication 2, dans lequel l'actionneur comprend deux poutres piézoélectriques, chacune déplaçable selon deux degrés de liberté. 4. Dispositif microtechnique selon la revendication 3, dans lequel chaque poutre piézoélectrique est munie d'un doigt de préhension. Dispositif microtechnique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le capteur d'image comprend un semi-conducteur d'oxyde de métal complémentaire (CMOS). Dispositif microtechnique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le capteur d'image comprend une puce d'une épaisseur d'environ 1 mm et d'une surface d'environ 11 me et présentant une définition d'au moins 64 x 64 pixels, chaque pixel étant traité par 38 transistors. Dispositif microtechnique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'équipage mobile comprend une articulation disposée entre ladite tête et l'embase, ladite articulation étant choisie parmi le groupe constitué d'une charnière et d'une liaison rotule. Dispositif microtechnique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le support comporte un rail de guidage et dans lequel l'embase comporte un téton agencé sur ce rail de guidage. Dispositif microtechnique selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une unité de contrôle pour commander d'une part un système d'entrainement en translation de l'embase et d'autre part système d'entrainement en rotation de ladite tête.5. 6. 7. 8. 9.