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Rapport_de_stage

  1. 1. 2014 / 2015 PROJET DE FIN D’ETUDES Présenté pour obtenir le titre de : INGENIEUR DE L’UNIVERSITE LIBANAISE FACULTE DE GENIE – BRANCHE I Spécialité: Génie Mécanique Par: Saadallah EL DARAZI _____________________________________________ SADATE 955 Sous la direction de: M. Fréderic Lamarque et M. Hani AL-HAJJAR Soutenu le 23 juillet 2015 devant le jury composé de : M. Mohamad ABDELWAHAB Président M. Adel HALLAK Rapporteur M. Mwafak BERNARD Examinateur
  2. 2. Page | 1 Remerciements : Je remercie tous ceux qui ont contribué d’une façon directe ou indirecte, continue ou ponctuelle à la réalisation de ce projet. Je remercie l’Université de Technologie de Compiègne UTC et surtout le Laboratoire génie des systèmes mécaniques (GSM) qui m’a accueilli et m’a équipé avec tous les outils nécessaires pour accomplir mon projet, et en particulier mes directeurs M. Fréderic LAMARQUE et M. Hani AL HAJJAR qui m’ont donnés cette grande opportunité pour faire ce projet avec eux, et qui m’ont aidés tout au long du projet. Je remercie l’Université Libanaise et la faculté de génie et surtout le département mécanique, professeurs et enseignants, qui m’ont préparé pendant quatre ans pour pouvoir réaliser ce travail. Enfin, je remercie ma famille au Liban que je n’ai pas vue pendant des mois ainsi que ma famille en France, qui sont restées à côté de moi et qui m’ont encouragé à finir ce projet.
  3. 3. Page | 2 Résumé: Dans ce travail, nous allons développer la commande d’un micro-actionneur quadri stable existant dans le laboratoire GSM (Génie des systèmes mécaniques) de l’Université de Technologie de Compiègne. Dans la première partie du rapport, nous discuterons de l’actionnement bistable au moyen de poutres flambés et du travail déjà réalisé dans le cadre de ce projet. Ensuite, nous montrerons le micro-actionneur fabriqué et les nouveaux éléments déclencheurs de la structure quadri-stable, tout en se basant sur les anciens travaux. Après, nous exposerons le micro-miroir et nous discuterons de la méthode de balayage optique pour le control de l’élément quadri-stable. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus par les différents tests réalisés.
  4. 4. Page | 3 Liste des figures : Figure I-1: Les premiers 3 modes de flambages d’une poutre double encastrée............................ 8 Figure I-2 : (a) Poutre pré-comprimée (b) Mode transitionnel (c) Courbe de force-déplacement d’une poutre pré-comprimée (d) Courbe d’énergie-déplacement d’une poutre pré-comprimée.... 9 Figure I-3 : Courbes de (a) force-déplacement et (b) d’énergie-déplacement d’une poutre simple préformée...................................................................................................................................... 10 Figure I-4 : (a) Poutres parallèlement préformées et centralement pincées (b) Mode transitionnel (c) Courbe de force-déplacement et (d) Courbe d’énergie déplacement ...................................... 10 Figure I-5 Précharge du micro-actionneur bistable basée sur des poutres symétriquement préformées..................................................................................................................................... 11 Figure I-6 : Courbe de force-déplacement et d’énergie-déplacement de la poutre symétriquement préformée...................................................................................................................................... 11 Figure I-7 : Pré-charge du micro-actionneur quadri-stable basée sur des poutres symétriquement préformées..................................................................................................................................... 12 Figure I-8 : (a) Transformations de phase d’un alliage à mémoire de forme (b) Courbe de contrainte-déformation à froid et à chaud..................................................................................... 13 Figure II-1 : Dimensions du micro-actionneur fabriqué en silicium ............................................ 15 Figure II-2 : Positions occupées par O" dans un référentiel fixe.................................................. 16 Figure II-3 : Procédé de déposition de la couche SiO2 : (a) schémas de la méthode de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron (b) et (c) la forme de la pièce de Nitinol revêtue et (d), (e), et (f) les images réelles de la déposition de SiO2.............................................................................. 17 Figure II-4 : Formes à froid et à chaud du nitinol revêtu.............................................................. 18 Figure II-5 : Schématisation du déclanchement de la structure bistable par le nitinol revêtu...... 18 Figure II-6 : emplacement des AMF 1 1’ 2 et 2’ .......................................................................... 19 Figure II-7 : Méthode de calibrage du capteur de force................................................................ 19 Figure II-8 : Courbe des mesures du calibrage du capteur de force ............................................. 20 Figure II-9: Méthode expérimentale de calcul de la force générée à chaud par l’élément pousseur ....................................................................................................................................................... 20 Figure II-10 : Courbe expérimentale de force déplacement à chaud d’un nitinol revêtu (8 µm de SiO2)............................................................................................................................................. 21 Figure II-11 : (a) Forme des pièces à découper par laser (b) Partie de support des AMF intérieurs ....................................................................................................................................................... 21 Figure II-12 : Partie de support des AMF extérieurs .................................................................... 22 Figure II-13 : Endroits pour coller les supports des AMF............................................................ 22 Figure III-1: Le dispositif à l’intérieur du Mirrorcle et l’actionnement selon l’axe X ................. 23 Figure III-2 : Courbe de commande de l'angle du Mirrorcle en fonction du voltage de commande pour le Mirrorcle A1S1.2.............................................................................................................. 24 Figure III-3 : Diagramme de Bode pour le miroir A1S1.2 ........................................................... 25 Figure III-4 : Réponse obtenue par balayage point-à-point.......................................................... 26 Figure III-5 : Réponse obtenue par balayage résonant ................................................................. 26
  5. 5. Page | 4 Figure III-6 : Réponse obtenue par balayage résonant et quasi-statique ...................................... 27 Figure III-7 : Algorithme suivit après initialisation du NI-DAQ pour générer les signaux de sortie ....................................................................................................................................................... 28 Figure III-8 : Filtrage type BESSEL d'un signal carré.................................................................. 28 Figure IV-1 : Test réalisé en utilisant le logiciel Mirrorcle DRAW............................................. 29 Figure IV-2 : Premier essai de l'algorithme sur un élément imprimé en plan vertical ................. 30 Figure IV-3 : Photos du balayage point-à-point en plan vertical.................................................. 30 Figure IV-4 : Image réelle du système optique pour l'éclairage d'un réseau de micro-actionneurs sur papier : (a) le miroir fixe (b) réseau imprimé sur papier......................................................... 31 Figure IV-5 : Le montage optique utilisé pour contrôler un élément bistable en plan horizontal 32 Figure IV-6 : Image réelle du dispositif optique et en rouge le chemin de passage du laser pour effectuer le balayage en plan horizontal ....................................................................................... 32 Figure IV-7 : Image par caméra avec zoom du fonctionnement réel de la partie interne du micro- actionneur (a) le montage mécanique du système (b) et (c) le déplacement de l’anneau entre les deux positions stables ................................................................................................................... 33 Figure IV-8 : La partie de support des AMF internes vue du bas (à l’envers) ............................. 34 Figure IV-9 : Assemblage sur Inventor du micro-actionneur avec les pièces de support des AMF ....................................................................................................................................................... 34 Figure IV-10 : Image du système optique pour le balayage en plan vertical et pour contrôler le micro-actionneur quadri-stable..................................................................................................... 35 Figure IV-11 : (a) Schéma du fonctionnement du capteur optique (b) vue de coupe (c) Courbe de réponse en voltage à un déplacement............................................................................................ 36 Figure IV-12 : Courbe déplacement voltage en utilisant le capteur à fibres optiques avec la feuille d'aluminium comme surface réfléchissante .................................................................................. 36 Figure IV-13 : Images réelles du passage de la position stable 1 à 1' et de 2 à 2' ........................ 37 Figure IV-14 : Courbe de mesure du déplacement d'un cycle de travail de l’anneau du micro- actionneur quadri-stable................................................................................................................ 38 Figure IV-15 : Schéma d'un réseau de micro-actionneurs............................................................ 38 Figure Annexe-1 : Les miroirs intégrés (2.0 mm et 1.7 mm) ....................................................... 40 Figure Annexe-2 : L’amplificateur BDQ à connexion NI-DAQ.................................................. 41 Figure Annexe-3 : (a) Le dispositif (b) Actionnement en axe X (c) Actionnement vertical........ 42
  6. 6. Page | 5 Liste des abréviations : MEMS: Micro Electro Mechanical Systems NI-DAQ: National instruments Data Acquisition AMF: Alliage à Mémoire de Forme BDQ: Bias Differential Quad-channel
  7. 7. Page | 6 Contenu Introduction générale ...................................................................................................................... 7 I. Etat de l’art........................................................................................................................... 8 1. Les actionneurs bistables basés sur les poutres flambées .................................................... 8 2. Les éléments pousseurs de la structure bistable................................................................. 12 3. Les stratégies existantes de pilotage du micro-actionneur................................................. 13 II. Conception du système mécanique d’actuation................................................................. 15 1. Analyse cinématique du modèle ........................................................................................ 15 2. Les nouveaux éléments pousseurs de la structure quadri-stable........................................ 17 3. Emplacement des éléments pousseur pour l’actionnement ............................................... 19 4. Assemblage du système mécanique de support................................................................. 21 5. Nouvelle technique de pilotage du micro-actionneur quadri-stable .................................. 22 III. Pilotage du micro-actionneur par balayage opto-mécanique............................................. 23 1. Principe de fonctionnement du miroir ............................................................................... 23 2. La commande du Mirrorcle ............................................................................................... 24 3. Algorithme de control sur LabVIEW ................................................................................ 28 IV. Démonstration du fonctionnement d’un bistable et d’un quadri-stable............................. 29 1. Test de l’algorithme de travail sur des éléments imprimés sur papiers ............................. 29 2. Démonstration du fonctionnement d’un élément bistable ................................................. 31 3. Démonstration du fonctionnement d’un élément quadri-stable......................................... 33 Conclusion générale...................................................................................................................... 39 Annexe.......................................................................................................................................... 40 Références..................................................................................................................................... 43
  8. 8. Page | 7 Introduction générale Deux challenges majeurs font actuellement l’objet de travaux de recherche pour concevoir des systèmes micro-mécatroniques avancés : la gestion de l’énergie consommée par ces systèmes et la diminution, voire la suppression, de la connectique dans l’espace de travail pour exploiter la cinématique prévue au cours de la conception des systèmes. Afin de faire face à ces challenges, l’apport d’énergie et des commandes à distance est indispensable. Un type très utilisé de cet apport est l’actuation optique. En raccordant l’énergie d’une source de lumière avec les propriétés de certain matériau actif, on obtient un type d’actuation qui est utilisé comme méthode pouvant à la fois délivrer l’énergie nécessaire et minimale à l’espace de travail et supprimer la connectique dans cet espace, pour obtenir en fin la cinématique et l’actionnement prévus. Notre travail de pilotage est donc couplé à l’apport d’énergie à distance d’un système micro-mécatronique qui est basé sur un assemblage de structures bistables, elles-mêmes constituées d’éléments mécaniques flexibles. Ces structures bistables sont actionnées au moyen de composants en matériaux actifs de type AMF (Alliage à Mémoire de Forme) fonctionnalisés et agissant comme déclencheurs des structures bistables assemblées. Ces matériaux actifs poussent les structures bistables d’une première position stable vers une deuxième position stable et ils sont rendus sélectifs par moyen de balayage opto-mécanique pour couvrir l’espace de travail où seront situés les micro-actionneurs. A l’aide d’un micro-miroir MEMS, le faisceau lumineux est dirigé précisément pour éclairer et chauffer un et un seul élément afin de contrôler la position de la structure bistable. Le système du micro-actionneur a été conçu au laboratoire Roberval de l’UTC et a été fabriqué à l’Université Paris Sud. Ce travail est soutenu par le Laboratoire d’Excellence de l’UTC (Labex MS2T) au travers du projet ANR réadmi et encadré par des membres du Laboratoire Roberval (UMR 7337). De plus, pour l’implémentation des solutions retenues, le Service Electronique de l’UTC a participé à l’encadrement du stage de master. Dans la première partie du rapport, nous discuterons de l’actionnement bistable au moyen de poutres flambés et du travail déjà réalisé dans le cadre de ce projet. Ensuite, nous montrerons le micro-actionneur fabriqué et les nouveaux éléments déclencheurs de la structure quadri-stable, tout en se basant sur les anciens travaux. Après, nous exposerons le micro-miroir et nous discuterons de la méthode de balayage optique pour le control de l’élément quadri-stable. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus par les différents tests réalisés.
  9. 9. Page | 8 I. Etat de l’art Dans la partie qui suit, nous allons présenter les poutres flambées bistables utilisées en actionnement bistable et sur lesquelles est basé notre micro-actionneur quadri-stable. Ensuite, nous allons parler des alliages à mémoire de forme qui ont été utilisés dans les travaux précédents comme étant des éléments pousseurs de ces structures bistables, et des méthodes anciennes de pilotage de ces éléments actifs. 1.Les actionneurs bistables basés sur les poutres flambées Selon la théorie de Euler Bernoulli [1], une poutre double encastrée possède une série de modes de flambement avec l’augmentation de la force axiale appliquée p. • Lorsque la force axiale appliquée est augmentée jusqu'à une valeur de p1 critique, le premier mode de flambage sera observé. • Si le point central de la poutre est libre sans contraintes et dans le même temps la force axiale est augmentée à la valeur p2, puis le deuxième mode de flambement sera observée. • En outre, si la rotation du point milieu est également limitée et la force axiale est augmentée à p3, le troisième mode de flambage apparaîtra. D’un point de vue énergétique, au cours du flambage l’énergie est stockée de plus en plus en mode supérieur de flambage dans la poutre. Figure I-1: Les premiers 3 modes de flambages d’une poutre double encastrée Les types d’actionneurs basés sur les poutres bistables et étudiés dans des travaux anciens sont les suivants :
  10. 10. Page | 9 a) Les actionneurs basés sur la poutre pré-comprimée Une poutre pré-comprimée est fabriquée comme étant étroite puis une force est appliquée pour obtenir une forme de cosinus [2]. Elle a deux positions stables ayant le premier mode de flambement comme forme de transition d’une position à l’autre par une force F appliquée au centre. Pour la poutre pré-comprimée seule la rotation du point central n’est pas limitée, d’où le mode de flambement transitionnel est le deuxième mode de flambement. D’un point de vue énergétique, le mode de flambement transitionnel stocke plus d'énergie que le mode de flambement stable d’où les deux positions stables sont deux points de minimum d'énergie locale. Figure I-2 : (a) Poutre pré-comprimée (b) Mode transitionnel (c) Courbe de force- déplacement d’une poutre pré-comprimée (d) Courbe d’énergie-déplacement d’une poutre pré- comprimée Ce type de poutres flambées a été utilisé dans le travail de S. ZAIDI et Al. [2]. Pourtant, le problème essentiel est que ce type d’actionneur est difficile à être utilisé en micro-actionnement, du fait de la difficulté de la procédure d’obtention de la poutre flambée qui nécessite un espace de travail assez large pour la comprimer. b) Les actionneurs bistables basés sur les poutres parallèlement préformées et centralement pincées La poutre préformée est fabriquée ayant initialement la forme du mode 1 de flambage. Elle est juste monostable. D’un point de vue énergétique, la barrière entre les deux positions stables n’est pas suffisamment élevée pour créer deux points de minimum d’énergie locale.
  11. 11. Page | 10 Figure I-3 : Courbes de (a) force-déplacement et (b) d’énergie-déplacement d’une poutre simple préformée Pour élever la barrière d'énergie entre deux positions stables de la poutre préformée, Jin et Al. [3] ont conçu deux poutres préformées parallèles et centralement pincées. La pince centrale limite la rotation du point central de telle sorte que le mode 3 de flambement est transitoire. Comme indiqué avant, le mode 3 de flambage emmagasine plus d'énergie que le mode 2, afin que la barrière d'énergie soit augmentée pour créer deux points de minimum d'énergie locales pour chaque position stable, comme le montre les courbes (c) et (d) de la figure I-4. Figure I-4 : (a) Poutres parallèlement préformées et centralement pincées (b) Mode transitionnel (c) Courbe de force-déplacement et (d) Courbe d’énergie déplacement Le problème avec ce type d’actionneur reste au niveau des exigences de dimensionnement des poutres [3] et que les courbes de force-déplacement et de l’énergie-déplacement sont asymétriques, comme le montre les courbes (c) et (d) de la figure I-4. D’où le passage d’une position de stabilité à l’autre n’est pas identique. Pour passer de la position de stabilité 1 à 2, il nous faut plus d’énergie qu’en passant de la position de stabilité 2 à 1. c) Les actionneurs bistables basés sur les poutres symétriquement préformées et centralement pincées Après l’analyse de la courbe force-déplacement et de l'énergie-déplacement de la poutre pré-stressée et préformée et de la poutre parallèle préformée, la poutre symétriquement préformée et centralement pincée a été conçue par X. LIU et Al. [4] comme montré dans la figure I-5.
  12. 12. Page | 11 Figure I-5 Précharge du micro-actionneur bistable basée sur des poutres symétriquement préformées Après collage, la force de commutation est appliquée à la partie centrale de la manière suivante:  La courbe force-déplacement de la poutre 1 est similaire à la poutre préformé  La courbe force-déplacement de la poutre 2 sera le miroir de la poutre 1.  Si nous définissons la force de la poutre 1 comme positive, alors la force de la poutre 2 sera négative. D’un point de vue énergétique, le changement de l'énergie des poutres 1 et 2 est symétrique au sujet de la ligne centrale. Figure I-6 : Courbe de force-déplacement et d’énergie-déplacement de la poutre symétriquement préformée Dans la figure I-6, la première partie de la courbe de force-déplacement est positive et la seconde partie est négative, ce qui nous indique que la poutre est bistable. La courbe énergie- déplacement conduit à la même conclusion.
  13. 13. Page | 12 Figure I-7 : Pré-charge du micro-actionneur quadri-stable basée sur des poutres symétriquement préformées Notre micro-actionneur fabriqué est basé sur ce type de poutre et il sera quadri-stable en mettant deux parties bistable une à l’intérieur de l’autre, comme le montre la figure I-7. 2.Les éléments pousseurs de la structure bistable Afin de pouvoir bouger le micro-actionneur d’une position de stabilité à l’autre, des travails récents utilise les alliages à mémoire de forme (AMF) afin de pousser les poutres vers la position centrale, et cette dernière continue à l’autre position de stabilité sans la nécessité de dépenser de l’énergie durant ce passage, comme la force est fournie au système (force négative d’après la figure 2). Pour rappeler [2], un alliage à mémoire de forme (AMF) est un alliage possédant plusieurs propriétés inédites par rapport aux autres matériaux métalliques :  la capacité de garder en mémoire une forme initiale et d'y retourner même après une déformation  la possibilité d'alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique  un comportement super-élastique permettant des allongements sans déformation permanente supérieurs à ceux des autres métaux Parmi les principaux alliages à mémoire de forme, on retrouve toute une variété d'alliages de nickel et de titane comme constituants principaux, en proportions presque égales. Bien que "nitinol" ne soit en fait que le nom de l'un de ces "alliages quasi-équiatomiques nickel-titane", cette appellation est devenue couramment utilisée dans la littérature pour désigner l'ensemble de ces alliages, qui ont des propriétés fort semblables.
  14. 14. Page | 13 Figure I-8 : (a) Transformations de phase d’un alliage à mémoire de forme (b) Courbe de contrainte-déformation à froid et à chaud Les caractéristiques des AMF proviennent du fait qu'ils ont deux phases cristallographiques, appelées par analogie aux aciers : phase martensitique et phase austénitique. Le passage d'une phase à une autre se fait soit par changement de température, soit par application d'une contrainte. L'intérêt des AMF est que la transformation de phase est displacive (faibles déplacements globaux d'atomes, donc pas de changement même local de la composition chimique) plutôt que diffusive, et surtout qu'elle se fait à volume constant et donc qu'elle est réversible. Ce phénomène fait appel aux notions de réaction martensitique-austénitique et de trempe, comme le montre la figure I-8. En déformant l’AMF, la structure martensitique change de M+ en M-. En chauffant, l’AMF passe à une structure cristalline austénitique qui en refroidissant repassera à la structure cristalline martensitique M+. La forme initiale du matériau est ainsi récupérée. Quand un alliage est chauffé, il reprend sa forme initiale, normalement droite, poussant ainsi la poutre bistable vers sa seconde position de stabilité, d’où l’actionnement bistable est obtenu en mettant d’une part et d’autre de la poutre deux alliages à mémoire de forme, chacun poussant la poutre à une position de stabilité. 3.Les stratégies existantes de pilotage du micro- actionneur Pour aboutir à l’actionnement des structures bistables, le travail récent [2] s’intéresse à activer les alliages à mémoire de forme en les chauffant à distance par moyens optiques qui aboutiront enfin à déclencher les structures bistables. Deux méthodes sont utilisées pour ce but : 1) Chauffage de chaque AMF par un seul laser commandé par un switch sur chaque laser pour commander l’élément bistable, qui était la première méthode utilisée. Le problème avec
  15. 15. Page | 14 cette solution est l’encombrement et le coût élevé des lasers dans le cas d’un réseau de micro-actionneurs 2) Chauffage des AMF par grandes sources lumineuses à différentes longueurs d’onde et en utilisant des filtres de lumière sur chaque AMF, qui est une autre méthode utilisée. L’AMF revêtu par le filtre correspondant à la longueur d’onde de la source sera le seul à être activé. Le problème avec cette solution est technique, dû à la difficulté de réalisation des filtres différents et ayant plus que 4 combinaisons de longueurs d’onde. Les méthodes précédentes s’arrêtent donc au niveau d’utilisation d’un réseau de micro actionneurs. Il faut donc résoudre ce problème en utilisant une nouvelle stratégie de pilotage aboutissant à contrôler d’une manière séparée les différents AMF présents dans l’espace de travail. Notre but final sera donc de trouver cette nouvelle stratégie qui sera présentée dans la section III de ce rapport. Parlons avant tout du micro-actionneur fabriqué en silicium et de ses nouveaux éléments pousseurs conçus.
  16. 16. Page | 15 II. Conception du système mécanique d’actuation En se basant sur les études précédentes, un micro-actionneur en silicium est fabriqué par DRIE (Deep Reactive Ion Etching ou Gravure Ionique Réactive Profonde). Ce micro-actionneur est conçu avec des poutres préformées symétriques de façon à avoir, après le collage, des micromouvements d’un anneau central se déplaçant ainsi d’une centaine de micron, selon la position de stabilité atteinte par chaque poutre. 1.Analyse cinématique du modèle Le modèle suivant a été fabriqué, ayant une épaisseur de poutre 𝑡 = 20 𝜇𝑚 et épaisseur de plaque 𝑏 = 400 𝜇𝑚. Le modèle est présenté dans la figure II-1. Il est formé essentiellement de 2 surfaces principales (surface (I) (partie extérieure) et surface (II) (partie intérieure)) et d’un anneau central. Figure II-1 : Dimensions du micro-actionneur fabriqué en silicium La surface (I) est la référence fixe. Elle contient 4 poutres préformées liées à la surface (II) pouvant ainsi la déplacer de 2.h1 = 200 µm. La seconde surface contient 2 poutres préformées qui peuvent déplacer de 2.h2 = 300 µm un anneau situé au centre du système Pour étudier la cinématique du système, soient :  O le centre de la surface fixe (I)  O’ le centre de la surface fixe (II)  O” le centre de l’anneau
  17. 17. Page | 16 O’ peut occuper deux positions de stabilité par rapport à O: 𝑂𝑂′ = { +100 µm −100 µm De même, O" peut occuper deux positions de stabilité par rapport à O’: 𝑂′𝑂" = { +150 µm −150 µm Finalement, O” va occuper quatre positions de stabilité par rapport à O : 𝑂𝑂" = { +250 µm +50 µm −50 µm −250 µm Nous pourrons représenter cette cinématique d’une manière plus simple en utilisant une poutre bistable dont les extrémités de fixation sont encore bistables d’une manière à ce que cette poutre occupe au final 4 positions de stabilités similaires au modèle précédent ce qui est montré dans la figure II-2. Figure II-2 : Positions occupées par O" dans un référentiel fixe
  18. 18. Page | 17 2.Les nouveaux éléments pousseurs de la structure quadri-stable Pour éviter que l’alliage à mémoire de forme bloque la poutre en retournant, il faut que cet élément retourne à une position initiale à froid non-touchante initialement à la poutre. Afin que l’AMF puisse retourner après chauffage, il est revêtu d’une couche de SiO2 qui agira comme un ressort qui recourbe l’AMF en refroidissant. Par la méthode de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron, présenté dans la figure II-3, la couche de SiO2 est déposée sur le substrat de nitinol formant ainsi l’élément pousseur désiré. En refroidissant à la température ambiante, l’élément prend une forme courbée. Figure II-3 : Procédé de déposition de la couche SiO2 : (a) schémas de la méthode de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron (b) et (c) la forme de la pièce de Nitinol revêtue et (d), (e), et (f) les images réelles de la déposition de SiO2
  19. 19. Page | 18 Le nitinol que nous obtenons possède la mémoire d’une forme droite à chaud et courbée à froid. En fixant l’élément, nous pouvons donc avoir à chaud une forme droite qui pousse la poutre à la position de transition, et à froid une forme non touchante à la poutre, et à laquelle l’élément revient chaque fois qu’il est chauffé. La transformation de phase est rendu donc réversible comme le montre la figure II-4. Figure II-4 : Formes à froid et à chaud du nitinol revêtu Comme le montre la figure II-5, sur la position stable 1 en (a), l’élément bistable n’est en contact avec aucun AMF et donc la position de stabilité est atteinte exactement et elle est non perturbée. Pour réaliser l’actionnement vers la position stable 2, il faut chauffer l’AMF 1 par moyen d’un laser afin que ce dernier pousse l’élément bistable vers l’autre extrémité. Il faut donc que l’AMF soit capable de fournir un déplacement et une force suffisants pour amener l’élément vers la position de transition. Après refroidissement, l’AMF retourne à sa position initiale à cause de la force de retour due à la couche de SiO2, ce qui empêche que l’AMF 1 bloque le chemin de la poutre en retournant de la position stable 2 en 1. Figure II-5 : Schématisation du déclanchement de la structure bistable par le nitinol revêtu
  20. 20. Page | 19 3.Emplacement des éléments pousseur pour l’actionnement Les quatre alliages à mémoire de forme seront placés selon l’axe Y afin d’actionner l’actionneur quadri-stable :  Les AMF 1 et 1' déplaceront la partie intérieure vers ses deux positions de stabilité.  Les AMF 2 et 2' déplaceront l’anneau central vers ses 2 positions de stabilité. Figure II-6 : emplacement des AMF 1 1’ 2 et 2’ Afin de pouvoir déplacer ces éléments, les AMF doivent fournir un déplacement et une force suffisants. Le déplacement doit être compris entre h et 2h des poutres bistables correspondantes. Si le déplacement est inférieur à h, la poutre reprendra sa position initiale. Si le déplacement est supérieur à 2h, on risque de sur-stresser les poutres. De plus les AMF 2 et 2' doivent se déplacer dans le même repère que la partie intérieure afin de pouvoir basculer l’anneau interne entre ses deux positions de stabilité interne, d’où les deux supports pour ces deux éléments seront attachés à la partie interne afin d’obtenir la quadri-stabilité. Afin de calculer le déplacement et la force correspondante, nous avons réalisé une expérience basée sur les données d’un capteur de force et d’un plateau de déplacement linéaire. Au départ le capteur de force est calibré en utilisant des poids calibres comme force pour avoir les voltages correspondants, ce qui est montré par la figure II-7. Figure II-7 : Méthode de calibrage du capteur de force
  21. 21. Page | 20 Pour avoir des mesures précises de la force, le capteur de force est calibré en utilisant des poids calibres allants de 10 à 100 grammes. Nous supposons que la valeur de l’accélération gravitationnelle est de 9.809 m/s2 . La courbe obtenue est représentée dans la figure 13 et elle est linéaire avec une sensibilité de 2.4 mV/mN. Figure II-8 : Courbe des mesures du calibrage du capteur de force En utilisant un capteur de force couplé mécaniquement au plateau, la force sera nulle sans contact. D’abord cette position de premier contact est obtenue et nous chauffons l’AMF pour qu’il soit à chaud et pousse ainsi le capteur générant ainsi une force. La force captée augmentera à une certaine valeur, et le plateau est dévissé pas à pas jusqu'à la ré-obtention de la valeur nulle de la force (non-contact). Figure II-9: Méthode expérimentale de calcul de la force générée à chaud par l’élément pousseur
  22. 22. Page | 21 En enregistrant les valeurs jusqu'à la position de non- contact, nous obtenons la courbe de force déplacement ci-après qui est linéaire. Pour réaliser un déplacement de 150 µm (déplacement minimal intérieur), l’AMF fournira 125 mN. Figure II-10 : Courbe expérimentale de force déplacement à chaud d’un nitinol revêtu (8 µm de SiO2) 4.Assemblage du système mécanique de support Les éléments pousseurs nécessitent d’être encastrés dans une structure fixe et rigide afin de pouvoir bouger la partie bistable de l’actuateur. En plus, les deux éléments pousseurs de l’anneau central doivent se déplacer au même référentiel que la surface (II) et donc leur support doit être fixé à la surface (II). Pour cela, des pièces sont conçues afin de réaliser à la fois le but de soutenir les AMF et de les déplacer au bon référentiel. Figure II-11 : (a) Forme des pièces à découper par laser (b) Partie de support des AMF intérieurs Pour la partie intérieure, la pièce montrée dans la figure II-11 est découpée au moyen d’une machine de découpe laser 2D. Les espaceurs sont mis dans les trous dans les parties hautes et basses et sont ensuite collés dans leurs emplacements. Ensuite, le joint temporel est enlevé. La partie haute de la pièce est collée à la surface (II) sur la zone bleue de la figure II-13, et les deux AMF sont rentrés et collés dans leurs emplacements dans la partie basse, de manière qu’il existe aucun contact entre l’AMF et l’anneau central.
  23. 23. Page | 22 Figure II-12 : Partie de support des AMF extérieurs De la même manière, le support de la partie extérieure est assemblé et est représenté dans la figure II-12. Il est ensuite collé par sa partie supérieure à la surface (I) sur la zone rouge de la figure II-13. L’AMF est ensuite rentré et collé en gardant toujours le non-contact entre l’AMF et la partie intérieur à déplacer. Figure II-13 : Endroits pour coller les supports des AMF 5.Nouvelle technique de pilotage du micro- actionneur quadri-stable Comme mentionné dans la partie I-3 sur les stratégies de pilotage des actionneurs, ces techniques s’arrêtent au moment où nous passons vers un réseau de micro-actionneurs. Il faut donc trouver une nouvelle méthode pour éclairer les nouveaux AMF présentés dans les sections précédentes. Nous nous sommes intéressés donc de tester la méthode de balayage du faisceau laser par moyen opto-mécanique à l’aide d’un micro-miroir MEMS fabriqué par Mirrorcle pour contrôler un ou plusieurs micro-actionneurs. Nous allons dans les parties suivantes présenter tout d’abord le Mirrorcle, son principe de fonctionnement et son algorithme de control, avant de tester cet algorithme sur les différents systèmes mécaniques dont nous avons, surtout pour commander un système quadri-stable, afin de pouvoir affirmer cette méthode peut répondre à la problématique de control d’un réseau de micro-actionneurs.
  24. 24. Page | 23 III. Pilotage du micro-actionneur par balayage opto-mécanique Les Miroirs MirrorcleTech® sont des dispositifs qui changent très rapidement l’orientation selon deux axes X et Y et par suite orienter le faisceau lumineux incident. Les miroirs MirrorcleTech® sont entièrement fabriqués en silicium monolithique monocristallin, fournissant une excellente répétabilité et de fiabilité. Surface plate, lisse et réfléchissante est revêtue d'un film mince de métal à haute réflectance à large bande. Les miroirs à taille petits et moyens sont fabriqués comme étant intégrés dans un circuit en silicone. Les plus grands miroirs sont liés sur des actionneurs, ce qui permet des tailles des miroirs personnalisables. 1.Principe de fonctionnement du miroir Le dispositif est constitué de quatre actionneurs de rotation d'entraînement en forme de peigne vertical [5], représentés dans la figure III-1 comme des poutres de torsion travaillant par paires pour fournir à chacun de deux axes de rotation. La section en A est un exemple de l'actionnement en axe X : l’actionneur A et A’ la fois tourner dans le même sens, en donnant la rotation du micro miroirs avec l’axe virtuel au centre. Figure III-1: Le dispositif à l’intérieur du Mirrorcle et l’actionnement selon l’axe X La plupart des miroirs MEMS MirrorcleTech® sont conçus et optimisés pour le balayage du faisceau optique point-à-point. Il existe une correspondance entre les tensions d’entrée et les angles d'actionnement résultant et qui est fortement reproductible sans dégradation détectable au cours du temps. La précision d’actionnement est de 14 bits (16 384 points) sur chaque axe. L’angle de basculement varie entre -5o et +5o en moyenne. La résolution est de 6 milli-degrés ou 10 microradians. Les surfaces du wafer et du miroir fabriqués sont polies au-dessous de 1 nm rugosité avec les meilleures technologies de polissage du monde [6].
  25. 25. Page | 24 Dans l'étape finale de fabrication pour des applications de balayage de faisceau optique, le miroir de silicium doit être revêtu pour une réflectance élevée aux longueurs d'ondes optiques requises. Les miroirs de silicium sont donc revêtus avec une fine couche d'aluminium ou d'or. Les miroirs sont couverts par des fenêtres de protection en 0,5 mm d'épaisseur substrat de silice fondue de haute qualité optique. Ces fenêtres sont fixées par des adhésifs. Leur rôle principal est d'éviter le contact mécanique direct avec les MEMS sensibles et empêcher les particules de pénétrer dans la cavité. Pour une meilleure performance, chaque type de revêtement doit être utilisé à des angles d’incidence inférieurs à 30°. 2.La commande du Mirrorcle Pour commander le Mirrorcle, Il nous faut un signal analogique de commande afin d’arriver aux positions désirées par l’utilisateur. Pour un Miroir de diamètre 1.7 mm, la courbe de commande est montrée par la figure III-2 [6]. La courbe est quasiment linéaire, et pour chaque voltage de commande, nous obtenons un angle du Mirrorcle. Figure III-2 : Courbe de commande de l'angle du Mirrorcle en fonction du voltage de commande pour le Mirrorcle A1S1.2 Pour envoyer un signal de commande ayant ces valeurs élevées, l’utilisation d’un amplificateur est nécessaire. L’amplificateur du Mirrorcle amplifie de 7.5x la tension. Le voltage de sortie du NI-DAQ est moyenné ou biaisé à la valeur Xmoy ou Ymoy volts. En d’autres termes, pour obtenir la position 0 degrés du miroir, il faut envoyer la valeur Xmoy ou Ymoy volts. Au-delà de cette valeur, le voltage de sortie de l’amplificateur sera considéré comme positif sur X+ ou Y+ avant d’être amplifié. Moins que cette valeur, le voltage de sortie de l’amplificateur sera négatif sur X+ ou Y+ . Au cas standard, Xmoy=Ymoy=0. L’amplification du signal peut être représentée par les équations suivantes :
  26. 26. Page | 25 { 𝑋+ = 𝑋 𝑚𝑜𝑦 + 7.5 × 𝑋 𝑋− = 𝑋 𝑚𝑜𝑦 − 7.5 × 𝑋 𝑌+ = 𝑌 𝑚𝑜𝑦 + 7.5 × 𝑌 𝑌− = 𝑌 𝑚𝑜𝑦 − 7.5 × 𝑌 Chaque miroir Mirrorcle possède une fréquence mécanique propre suivant son diamètre. Plus le diamètre est important, plus l’inertie est grande, et la réponse dynamique du miroir est lente. Le comportement fréquentiel est testé pour chaque miroir par MirrorcleTech, et le gain du miroir en fonction de chaque fréquence est représenté par le diagramme de Bode, par exemple la figure III-3 représente celui du micro-miroir A1S1.2. Pour plus d’information concernant les différents composants du kit, voir annexe. Figure III-3 : Diagramme de Bode pour le miroir A1S1.2 En commandant le miroir par un signal ayant une fréquence proche de la fréquence de résonance, nous aurons une réponse différentes qu’en utilisant un signal ayant une fréquence inférieure. Nous risquons d’abimer le Mirrorcle en dépassant les angles mécaniques limites de sa structure. Pour cela, nous allons présenter les modes de balayage du Mirrorcle pour mieux comprendre ce phénomène et ses conséquences, afin de bien contrôler le Mirrorcle et arriver à bien commander le système quadri-stable. a) Balayage point-à-point ou quasi-statique Dans ce cas, les deux axes utilisent la large bande passante de fonctionnement en courant continu à une certaine fréquence, et ne permettent pas la résonance. Le miroir peut donc maintenir une position DC, ou se déplacer dans une vitesse uniforme, ou d'effectuer des graphiques vectoriels, etc. Ce mode de balayage nous sera utile pour réchauffer des zones ou des points bien précis du système mécanique de micro-actionneur quadri-stable, ce qui est le cas de notre but final. La réponse du Mirrorcle à ce mode de balayage donne l’image de la figure III-4.
  27. 27. Page | 26 Figure III-4 : Réponse obtenue par balayage point-à-point b) Balayage résonant Dans ce cas, les deux axes utilisent la résonance à gain élevé pour obtenir de grands angles de déviation et des vitesses élevées à des tensions relativement basses. La résonance peut être obtenue dans quelques pourcents du point de gain le plus élevé. Il est important d'aborder le mode de résonance de fonctionnement avec de très petites tensions sinusoïdales de conduite sur la position de polarisation et très soigneusement rechercher un point de fonctionnement souhaité et l'angle, afin de ne pas dépasser la valeur limite d'angle mécanique maximale d'un dispositif donné. La réponse du Mirrorcle à ce mode de balayage donne l’image de la figure III-5. Figure III-5 : Réponse obtenue par balayage résonant c) Balayage résonant et quasi-statique Le troisième mode est principalement un mode mixte des deux précédents dans lesquels un axe est utilisé en mode quasi-statique, et l'autre axe est utilisé en mode résonant. Un cas
  28. 28. Page | 27 d'utilisation typique est d'exécuter un axe très rapidement pour créer des lignes horizontales, et d'exécuter l'autre axe avec un signal en dent de scie pour créer un motif de trame qui couvre un affichage ou l'imagerie zone rectangulaire. Encore une fois, l'axe de fonctionnement à la résonance doit avoir des paramètres attentivement obtenus à basse tension et angles faibles, pour éviter de dépasser angles mécaniques maximales. La réponse du Mirrorcle à ce mode de balayage donne l’image de la figure III-6. Figure III-6 : Réponse obtenue par balayage résonant et quasi-statique Comme notre système mécanique est constitué de plusieurs éléments ponctuels, nous sommes intéressés donc à utiliser le Mirrorcle dans le premier mode pour éclairer pour un temps bien définit un point précis de l’espace. Il nous faut donc un logiciel capable de fournir un signal pouvant à la fois changer la position du point à éclairer, et le temps du pulse, toujours en ne pas dépassant une fréquence (fréquence de coupure basse LPF). La suite des logiciels Mirrorcle sont des interfaces entre l’utilisateur et le miroir. Ils sont disponibles comme des applications exécutables ou des applications de développement. Les logiciels qui nous ont étés donné sont les suivantes :  Exécutables : o Mirrorcle DRAW o MTIDevice demo  Développement : o C++ o Matlab o LabVIEW Nous avons choisi LabVIEW comme interface de développement, comme le LabVIEW est le plus adapté entre ces logiciels à fournir un signal de commande mieux adapté pour notre travail.
  29. 29. Page | 28 3.Algorithme de control sur LabVIEW L’algorithme suivit possède comme entrée les points de l’utilisateur et le temps du pulse à générer. Le programme doit tout d’abord initialiser le NI-DAQ en définissant le taux d’échantillonnage (1000 sps), les valeurs limites maximales du voltage de sortie du NI-DAQ (0 et 10 volts) et les sorties A0 et A1 comme des sorties analogiques ayant une valeur entre 0 et 10 volts. L’algorithme suivit ensuite est représenté sur la figure III-7. Figure III-7 : Algorithme suivit après initialisation du NI-DAQ pour générer les signaux de sortie Après initialisation du NI-DAQ, l’utilisateur doit indiquer le fichier où il a renseigné les points de balayage, et il doit choisir le temps du pulse dont il veut générer. Ensuite notre programme remplira le tableau à fournir au NI-DAQ connaissant ces données et le taux d’échantillonnage du NI-DAQ. Le signal généré ainsi est un signal carré qui ne peut pas être envoyé directement au Mirrorcle. Il doit être à une fréquence optimale pour notre travail, et il doit respecter les valeurs limites du voltage. D’où, ce dernier est filtré par un filtre de type BESSEL et limité, tout en contraignant les différents parties du signal, aux valeurs 0 et 10 volts. Figure III-8 : Filtrage type BESSEL d'un signal carré En d’autres termes, les signaux de sortie sont limités aux valeurs de sécurité du miroir, qui sera protégée contre les commandes de l'utilisateur à haute fréquence et à hauts voltages. Si nous travaillons sur une fréquence de coupure qui est en dessous de la fréquence de résonance du système mécanique du miroir, nous devons veiller qu’aucune fréquence supérieure à la fréquence de coupure passe à la sortie. Ainsi, nous contrôlons le Mirrorcle en mode "point-à-point" pour un temps de commande définit. Dans la partie suivante, nous allons présenter les résultats du test de l’algorithme précédent sur un élément imprimé sur papier à échelle réelle, sur un élément bistable et sur un élément quadri- stable, tout en utilisant un système optique bien étudié afin de pouvoir focaliser et balayer le faisceau lumineux et contrôler ainsi le système mécanique.
  30. 30. Page | 29 IV. Démonstration du fonctionnement d’un bistable et d’un quadri-stable 1.Test de l’algorithme de travail sur des éléments imprimés sur papiers Après le montage de l’amplificateur BDQ et le PCB de support et le miroir MEMS, tout en veillant que le HV est à la position OFF, et tout en s’assurant que la position du PIN1 du miroir est la bonne, nous avons connecté les éléments avec le NI-DAQ et nous avons testé les logiciels déjà présents sur l’ordinateur tel que le Mirrorcle DRAW. Figure IV-1 : Test réalisé en utilisant le logiciel Mirrorcle DRAW Comme le montre la figure IV-1, nous avons choisi le mode WAVE possédant la forme d’une courbe sinusoïdale ayant une amplitude et une fréquence prédéterminée. Nous avons testé ensuite la réponse de la courbe aux différentes fréquences de coupure pour voir l’effet de cette fréquence sur la figure, sachant qu’il ne faut pas saisir des hauts voltages à des fréquences proches de la fréquence du Mirrorcle afin de ne pas l’abimer. Nous avons monté un système optique aboutissant au balayage et à l’éclairage de plusieurs points en mode focalisé de lumière que nous allons utiliser pour chauffer le système mécanique conçu. Ce système optique est représenté par la figure IV-2.
  31. 31. Page | 30 Figure IV-2 : Premier essai de l'algorithme sur un élément imprimé en plan vertical Le Mirrorcle appartient au plan focal, le faisceau colimaté passe par la lentille et arrive focalisé au plan focal et le but de balayage est atteint en même temps. En revanche, si le Mirrorcle est placé à l’infini, le faisceau colimaté sera focalisé, mais le but de balayage n’est pas atteint comme nous aurons toujours le même point focal en sortie de la lentille. Donc, le Mirrorcle doit être situé proche du plan focal de la lentille afin de pouvoir réaliser le but double de balayage et de focalisation. La puissance du laser est réduite dans un premier temps afin de ne pas bruler le papier. Le but du test est juste de s’assurer que nous pouvons éclairer précisément un point de l’espace de travail pour un temps bien déterminé. Comme mentionné dans le chapitre III du rapport, le Mirrorcle est commandé par un signal carré affecté par une fréquence de coupure largement inférieure à la fréquence propre de résonance du miroir qui emmène à un signal de sortie quasiment carré et donc à un temps d’éclairage légèrement différent de celui désiré par l’utilisateur. Après le captage visuel des positions des points, le signal est envoyé au Mirrorcle qui balaiera le faisceau d’un point à l’autre comme le montre la figure IV-3 prise en photo durant l’expérience. Figure IV-3 : Photos du balayage point-à-point en plan vertical
  32. 32. Page | 31 Le micro-actionneur, les AMF, et leurs systèmes de fixages sont normalement déposés horizontalement. Il existe donc une autre possibilité pour le balayage qui est le balayage par le dessus ou le balayage en plan vertical. Il suffira juste de mettre un miroir fixe incliné de 45o afin de changer le plan des points de 90o d’éclairage. Ainsi, nous obtenons un balayage focalisé en plan horizontal montré dans la figure IV-4. Nous avons ensuite effectué le test basé sur ce schéma sur un élément imprimé comprenant un réseau de deux ou quatre micro-actionneurs. L’éclairage de chaque point est bien précis. Nous avons donc atteint notre but comme l’utilisateur est capable d’éclairer n’importe quel point désiré du réseau pendant le temps voulu. Figure IV-4 : Image réelle du système optique pour l'éclairage d'un réseau de micro-actionneurs sur papier : (a) le miroir fixe (b) réseau imprimé sur papier Après le control du micro-miroir en utilisant deux montages optiques, nous pouvons maintenant passer à tester ces mêmes schémas mais sur des éléments réels pour valider que notre méthode est capable de contrôler un seul micro-actionneur bistable puis quadri-stable, pour pouvoir dire au final qu’elle est capable de contrôler un réseau. 2.Démonstration du fonctionnement d’un élément bistable Pour tester l’actionnement d’un élément bistable, le montage de balayage dans le plan horizontal est choisi. Dans un premier temps, les plateaux de déplacement linéaire sont utilisés comme des supports des AMF, pour tester au départ le fonctionnement du système mécanique avant de fabriquer les pièces de support des AMF par usinage laser 2D.
  33. 33. Page | 32 Figure IV-5 : Le montage optique utilisé pour contrôler un élément bistable en plan horizontal La figure IV-5 montre le montage utilisé pour le control de la partie intérieure du micro- actionneur quadri-stable en utilisant la technique de la partie IV-1 de balayage en plan horizontal. Pour pouvoir chauffer l’AMF à l’abri, deux miroirs fixes sont utilisés pour que notre système optique soit capable d’éclairer des deux côtés et chauffer les AMF. Figure IV-6 : Image réelle du dispositif optique et en rouge le chemin de passage du laser pour effectuer le balayage en plan horizontal Comme le montre l’image réelle de la figure IV-6, le balayage est réalisé dans plan horizontal vers le petit élément de la figure qui est la partie interne de notre micro-actionneur quadri-stable. Cette partie-là sera agrandie au moyen d’un zoom de camera pour mieux voir ce qui ce passe au niveau du déplacement de l’anneau, et du contact entre ce dernier et les AMF (contact ou non-contact) pour valider le travail présenté dans le chapitre II du rapport.
  34. 34. Page | 33 Figure IV-7 : Image par caméra avec zoom du fonctionnement réel de la partie interne du micro- actionneur (a) le montage mécanique du système (b) et (c) le déplacement de l’anneau entre les deux positions stables La figure IV-7 montre l’agrandissement par zoom d’une caméra du montage mécanique du système avec les deux miroirs fixes et le déplacement de l’anneau central. Des vices sont utilisés pour fixer le système et éviter les vibrations. Deux miroirs sont fixés dans leur emplacement afin de pouvoir réfléchir le faisceau laser pour chauffer le second élément pousseur. Comme nous pouvons voir avec un zoom dans les parties (b) et (c), l’anneau ne touche à aucun AMF à froid, et l’utilisation d’un élément revêtu de SiO2 pour assurer la récupération de la forme courbée à froid est bien validée. De plus, l’anneau est capable de se déplacer entre les positions stables, d’où le control de cet élément est bien réalisé. Après validation du fonctionnement d’un élément bistable (ou de la partie interne du micro- actionneur quadri-stable) nous pouvons passer à tester un élément quadri-stable. La prise de mesures dans cette expérience n’est pas effectuée, et elle la sera dans la partie suivante. 3.Démonstration du fonctionnement d’un élément quadri-stable Pour tester l’élément quadri-stable, nous avons choisi le balayage en plan vertical pour chauffer les AMF de la partie supérieure comme la méthode précédente n’est pas valide pour arriver à chauffer deux AMF l’un à l’arrière de l’autre. Dans cette expérience, nous avons monté le système de support sur le micro-actionneur quadri-stable par collage des AMF dans leurs emplacement du support en plastique montré dans la figure IV-8 découpé par laser et déjà collé sur le micro-actionneur. Comme mentionné dans le
  35. 35. Page | 34 chapitre II, nous devons nous assurer du non-contact de l’AMF avec le micro-actionneur sur les deux positions stables. Nous obtenons l’assemblage montré dans la figure IV-9 réalisée à l’aide du logiciel Autodesk® Inventor. Figure IV-8 : La partie de support des AMF internes vue du bas (à l’envers) Figure IV-9 : Assemblage sur Inventor du micro-actionneur avec les pièces de support des AMF Nous avons fixé le système mécanique à l’aide des vices pour éviter les vibrations. Il faut ensuite intégrer le miroir fixe dans le système optique précédent pour obtenir un balayage en plan vertical. Les différents points à éclairer sont ensuite obtenus et enregistrés par moyen visuel. Pour prendre une mesure des différentes positions stables, un capteur optique de déplacement miniature avec la gamme millimétrique et résolution nanométrique est installé comme le montre la figure IV-10. Ce capteur se compose d'une grille triangulaire et deux sondes à fibres optiques. Il est capable de mesurer un déplacement avec une résolution de 14,9 nm sur une plage de 11,8 mm [7].
  36. 36. Page | 35 Figure IV-10 : Image du système optique pour le balayage en plan vertical et pour contrôler le micro- actionneur quadri-stable. Une feuille d’aluminium utilisée comme miroir est collé sur l’anneau du micro-actionneur comme miroir pour le capteur optique de distance afin de pouvoir enregistrer les valeurs de la distance entre les différentes positions stables du micro-actionneur, et savoir les déplacements réelles réalisés par ce dernier. Nous avons utilisé une feuille de matière réfléchissante à cause que l’anneau et le micro-actionneur sont incapables de soulever des grandes masses, et la dynamique de notre système sera changée violament et surtout le mouvement brutal après les points de basculement, et nous risquons même de casser notre microactionneur. Le principe de fonctionnement du capteur à fibres optiques [7] est représenté dans la figure IV-11. Le capteur est composé de deux parties : la première est la partie interne émetrice d’un faisceau par une diode laser qui envoie de la lumière à travers une sonde au centre du capteur, et une partie réceptrice qui reçoit la lumière réfléchie à travers 4 sondes réceptrices qui entourent la sonde émettrice. La différence de potentielle entre la photodiode réceptrice et la diode laser émettrice est amplifiée et récupérée afin de pourvoir déterminer la distance à la surface
  37. 37. Page | 36 réfléchissante. Il existe deux zones de fonctionnement : une linéaire qui peut être utilisé pour les mesures, et l’autre non-linéaire, comme on peut voir dans la figure IV-11 (c). Figure IV-11 : (a) Schéma du fonctionnement du capteur optique (b) vue de coupe (c) Courbe de réponse en voltage à un déplacement Pour avoir des mesures plus précises, nous avons calibré le capteur optique directement sur notre bande d’essai. Nous avons obtenu la courbe présentée dans la figure IV-12. Figure IV-12 : Courbe déplacement voltage en utilisant le capteur à fibres optiques avec la feuille d'aluminium comme surface réfléchissante Nous fixons un temps de pulse de 12 secondes sur chaque points à éclairer pour bien chauffer les AMF surtout ceux de l’extérieur comme ils sont à l’abri du laser. Puis nous initialisons le programme sur LabVIEW et nous observons le fonctionnement du micro-actionneur. Les quatre positions de stabilité sont observées et enregistrés par vidéo. Les images principales du passage de la position stable 1 à 1’ et de 2 à 2’ de la vidéo sont montrées dans la figure IV-13.
  38. 38. Page | 37 Figure IV-13 : Images réelles du passage de la position stable 1 à 1' et de 2 à 2' Les données du capteur à fibre optiques sont communiqués au NI-DAQ via le port 7 (non- utilisé par Mirrorcle) et enregistrés dans un fichier data du déplacement en fonction du temps. Un cycle de fonctionnement est représenté par la figure IV-15. La durée de 24 secondes représente à la fois la durée d’échauffement (12 secondes) et de refroidissement (12 secondes). Nous remarquons que la course générée par actionnement de la partie interne est de 187 µm ± 2 µm et par actionnement de la partie externe est de 267 µm ± 3 µm pour un nombre de cycle supérieur à 5000 cycles. La première valeur diffère de la valeur théorique conçue (195 µm) de 4% et la deuxième diffère de la valeur théorique conçue (294 µm) de 9%. Cela est dû au faible contact entre les AMF et le micro-actionneur, et à l’erreur de fixage des AMF dans leur emplacement par de la colle qui nécessite une grande précision de fixation afin de garder le non-contact. Les points de basculement sont indiqués par un cercle rouge, et ils correspondent à la position centrale de transition où la force sera fournie au système (la force passe du positif au négatif) et le mouvement sera brutal et claquant (nous pouvons entendre la claque) ce qui peut être vu par la chute verticale de la courbe après les points de basculement. A cause des défauts de
  39. 39. Page | 38 fabrication et à cause de l’imprécision du collage au départ du micro-actionneur, cette position de transition n’est pas exactement au centre du déplacement d’une position à l’autre. Figure IV-14 : Courbe de mesure du déplacement d'un cycle de travail de l’anneau du micro- actionneur quadri-stable Nous avons pu démontrer que l’utilisation de la méthode du balayage opto-mécanique est plausible pour commander un ou même un réseau de micro-actionneurs (voir figure IV-15). Figure IV-15 : Schéma d'un réseau de micro-actionneurs
  40. 40. Page | 39 Conclusion générale Dans ce travail, l’actionnement d’un micro-actuateur quadri-stable est réalisé au moyen de balayage opto-mécanique via un micro-miroir. D’une part, la compréhension du micro-actionneur est faite afin de concevoir les petites pièces de support des éléments pousseurs. D’une autre part, la compréhension du micro-miroir Mirrorcle est faite afin de pouvoir contrôler précisément ce dernier via LabVIEW. En combinant ces deux parties, nous nous sommes arrivés, en utilisant un système optique permettant à la fois le balayage et la focalisation de la lumière, de chauffer les éléments pousseurs et contrôler le micro-actionneur quadri-stable, et d’étudier la dynamique de ce système. A court terme, Un travail d’optimisation du système déjà présenté est nécessaire afin de pouvoir utiliser l’énergie de l’espace de travail au meilleur possible, comme le but final de notre grand projet est d’arriver à un système de micro-convoyage flexible dans un système bidimensionnel. A long terme, ce système peut être utilisé dans les industries nécessitant un chemin de convoyage flexible comme les industries où on utilise des pièces miniatures pour la fabrication du produit final tel que les montres. Les montres comptent en moyenne 200 pièces différentes. Pour les montres les plus complexes, plus de 1700 pièces doivent être assemblées. Les pièces se doivent de respecter une grande précision pour permettre un assemblage parfait, un montage fréquemment effectuer à la main et garantie la longévité de la montre. Des appareils de contrôle sont utilisés à plusieurs étapes de la chaine de production : en sortie de fabrication, avant l’assemblage du roulement, ou encore lors du montage final. Pour réaliser la mesure qualité (forme, rayon de courbure, diamètre de trous, micro-pignons …) il faut préparer la mesure en triant les pièces unitaires par catégories et en les acheminant vers le bon appareil de caractérisation des pièces ou d’assemblage des sous- systèmes (« Mouvements ») Ces opérations sont essentiellement manuelle engendre une perte de temps. Et le système de micro-convoyage permettra donc de résoudre cette perte.
  41. 41. Page | 40 Annexe Le kit de développement Mirrorcle® a) Les miroirs intégrés Les miroirs sont intégrés dans un circuit DIP-24 et peuvent être bien positionnés dans le support PCB mentionné ci-après. Les miroirs que nous avons sont le S-1490 et S-1491 d’un diamètre de 1.7 mm, et le S-1492 d’un diamètre de 2 mm. Figure 0-1 : Les miroirs intégrés (2.0 mm et 1.7 mm) b) L’amplificateur BDQ Bias Differential Quad-channel (BDQ) montré dans la figure 2 est un amplificateur de haute tension compact avec deux entrées analogiques et quatre sorties analogiques à haute tension qui comprend également des filtres by-pass programmables pour le lissage des tensions de sortie. Il est conçu et optimisé pour la conduite des miroirs MEMS Technologies Mirrorcle à des tensions jusqu'à 140V, à partir d’un NI-DAQ ou directement à partir des entrées BNC.
  42. 42. Page | 41 Figure 0-2 : L’amplificateur BDQ à connexion NI-DAQ Les caractéristiques de notre BDQ :  2 entrées BNC analogiques de -10 à +10 V  NI-DAQ à 68 pins  4 sorties HV de 0 à 150 V  Amplification 7.5x Nous avons décidé d’utiliser le NI-DAQ pour contrôler le BLQ. Il ne faut pas donc utiliser une source de puissance +5 V DC externe ni les entrées BNC comme ils surpassent l’entrée du NI- DAQ. Les sorties peuvent être exprimés de la manière suivante : { 𝑋+ = 𝑋 𝑚𝑜𝑦 + 7.5 × 𝑋 𝑋− = 𝑋 𝑚𝑜𝑦 − 7.5 × 𝑋 𝑌+ = 𝑌 𝑚𝑜𝑦 + 7.5 × 𝑌 𝑌− = 𝑌 𝑚𝑜𝑦 − 7.5 × 𝑌 Tous les sorties sont moyenné à 70 V par défaut et enfin nous aurons les 4 sorties comme unipolaires allant de 0 à 140 V en mode régulier et de 0 à 160 V en mode boosté.
  43. 43. Page | 42 c) Le PCB de support Figure 0-3 : (a) Le dispositif (b) Actionnement en axe X (c) Actionnement vertical C’est la méthode la plus facile et la plus sûre manutention manuelle, et qui peut être vue dans la figure 3 pour l'insertion et l'extraction des miroirs. Il faut juste s’assurer de la position du PIN1. En plus durant l’utilisation du miroir, il faut toujours allumer ou éteindre le miroir à basses tensions (le switch HV ON doit être donc à la position OFF).
  44. 44. Page | 43 Références [1]. Timoshenko, S. P., And Gere, J. M., 1961, Theory Of Elastic Stability, 2nd Ed.,Mcgraw-Hill, New York [2]. Zaidi S., Cherfi Z., And Lamarque F., Methode D'apport D'energie Selective Et Sans Contact : Applications Aux Micro-Actionneurs Bistables, These En Mecanique Acoustique Et Materiaux, Roberval UMR 7337 [3]. Jin Qiu, J.H. Lang, And A.H. Slocum, “A Curved-Beam Bistable Mechanism,” JOURNAL OF MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS, Vol. 13, P.137- 145, 2004 [4]. X. Liu, F. Lamarque, E. Dore, And P. Pouille Multistable Wireless Micro-Actuator Based On Antagonistic Pre-Shaped Double Beams, JOURNAL OF SMART MATERIALS AND STRUCTURES, Article Id: Sms514141. [5]. Gimbal-Less Monolithic Silicon Actuators For Tip–Tilt–Piston Micromirror Applications, V. Milanovic, G. Matus, And D. Mccormick, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 10, No. 3, May/June 2004 [6]. Mirrorcle Technologies Mems Mirrors – Technical Overview – Mirrorcle Technologies Inc. – 2009–2015 [7]. Reflective Optical Sensor For Long-Range And High-Resolution Displacements C. Prelle, F. Lamarque, P. Revel – SENSORS AND ACTUATORS A 127 (2006) 139– 146

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