De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Station PRONOMIA

Chapitres
  1. Station PRONOMIA
  2. Collage de billes

Station PRONOMIA

Cette station de micro-assemblage a été conçue et réalisée au cours du projet ANR PRONOMIA (n° 05-BLAN-0325-01). Elle permet la manipulation et l'assemblage de microcomposants dont la taille est comprise entre 10 µm et quelques centaines de micromètres dans un environnement classique ou en milieu liquide.

Contexte

L’assemblage de petits composants est depuis longtemps un point fort du bassin industriel franc-comtois. Le besoin de miniaturisation aidant, de plus en plus de produits de grande consommation font appel à ces assemblages de précision (horlogerie, électronique, biomédical…). Cependant, en dessous d’un dixième de millimètre, les industriels et les chercheurs sont face à un verrou technologique fort. En effet, les lois physiques qui régissent le comportement des objets n’ont plus les mêmes effets à cette échelle dans le monde que l’on nomme ‘micro-monde’ (entre 1 µm et 0,5 mm). Parmi les nombreux problèmes rencontrés, les micro-objets collent aux surfaces de contact et leur poids n’est pas suffisant pour les faire tomber. La manipulation devient alors extrêmement difficile. Elle est encore plus dure à réaliser de façon fiable du fait que ces objets sont invisibles à l’œil nu et nécessitent des microscopes optiques haute résolution. Et d’autres phénomènes s’avèrent très gênants, tels que la faible inertie des objets, les phénomènes de capillarité, les effets électrostatiques, etc.

Les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ont fourni une réponse adéquate à cette impossibilité de créer des produits sous cette barrière des 100 micromètres. Ils permettent d’intégrer diverses fonctions dans un volume micrométrique tel que mesurer la température, la pression d’un gaz, l’humidité ambiante, les chocs, etc. Ils sont fabriqués de façon monolithique, c'est-à-dire sans assemblage (exception faite du packaging, qui requiert un assemblage mais à une échelle supérieure), sur des substrats utilisés dans l’industrie électronique (silicium en particulier). En évitant ainsi le problème de l’assemblage, les MEMS offrent de nombreuses possibilités dans le domaine de la miniaturisation. Cependant, ces avantages pourraient être décuplés s’il était possible d’assembler des MEMS entre eux. La fabrication de composants simples et standards, qui pourront être assemblés pour réaliser diverses fonctions, offriront une richesse et une fiabilité sans précédent à cette jeune industrie.

L’ouverture du verrou « micro-assemblage » reste donc un objectif fort pour traverser la barrière des 100 µm. Elle nécessite de nombreux travaux de recherche, de conception, de réalisation et de tests sur les fonctions de manipulation, de micropositionnement, et nécessite des stratégies d’assemblage révolutionnaires. Aujourd’hui, l’institut FEMTO-ST s’est lancé dans ces travaux et présente un prototype capable d’assembler aux échelles micrométriques et qui offre depuis peu la possibilité d’assembler des MEMS entre eux, de façon téléopéré mais aussi automatique. Par sa conception originale, issue de la recherche dans le domaine de la microrobotique, et par des stratégies de micro-assemblage innovantes et adaptées à la physique du micro-monde, ce prototype offre la possibilité de réaliser des MEMS 3D et/ou hybrides de façon fiable et répétable dans des temps de cycle raisonnables.

Station PRONOMIA - vue globale

Vue globale de la station PRONOMIA

Présentation du système

La station de micro-assemblage PRONOMIA (nom du projet à l’origine de sa conception) est une structure robotique ultra-précise (submicrométrique) intégrant des composants commerciaux et des prototypes de laboratoire. Pour réaliser la manipulation et l’assemblage de composants microscopiques par préhension directe, nous utilisons la pince MMOC (Microprehensile Microrobot on Chip) développée par le laboratoire et lauréate du Micron d’or 2002, catégorie prototypes microsystèmes. Des améliorations substantielles de cette pince ont été faites depuis. Elle a notamment été adaptée à la manipulation d’objets d’une taille caractéristique inférieure à 100 µm, que l’on retrouve majoritairement dans le monde des MEMS, composants microtechniques par excellence. Un important développement a aussi porté sur le système robotique qui porte cette pince, pour le rendre compatible avec les besoins du micro-assemblage.

Pince MMOC - SiFiT 50µm treillis

Pince MMOC portant des organes terminaux silicium dont les embouts font 50 µm d'épaisseur.

Le robot, élément principal de la station, est composé de composants commerciaux et de prototype qui permettent de mouvoir la pince et la table support de manipulation dans toutes les directions et orientations de l’espace. Cette structure à 6 degrés de liberté est associée à deux vidéomicroscopes qui permettent à l’utilisateur et au système de pilotage d’appréhender la scène d’assemblage. En effet, le plus petit point visible par l’œil humain faisant 50 micromètres, il est impossible de « voir » directement la réalisation d’un assemblage. Nous utilisons alors des microscopes optiques à très fort grossissement (typiquement x1000 entre le réel et l’image sur l’écran de contrôle). Enfin, deux ordinateurs sont utilisés pour le pilotage de la station. Un premier permet la commande du robot à partir des périphériques accessibles à l’opérateur (joystick, gant virtuel). Il possède en outre des commandes automatisées pour assister l’opérateur dans les tâches répétitives ou complexes. Un deuxième ordinateur est utilisé exclusivement pour les tâches de vision par ordinateur qui permettent un retour d’informations très riche.

Enfin, la structure robotique de précision n’est pas suffisante pour l’objectif fixé. La physique du micromonde étant particulière, et connue essentiellement dans le monde de la recherche, de nouvelles stratégies de manipulation et d’assemblage sont à concevoir et expérimenter. Pour profiter des effets d’adhésion plutôt que d’en pâtir, nous avons conçu des organes terminaux, adaptables sur la pince MMOC et offrant une texture spéciale visant à minimiser les surface de contact. Nous avons aussi utilisé un substrat légèrement adhésif et conducteur de façon à pouvoir relâcher les micro-objets de façon fiable et répétable sans être gêné par la faible inertie des objets et les effets électrostatiques.

Le système que nous présentons n’est pas seulement un outil robotique plus précis que les autres, doté d’une pince plus petite. Il constitue une rupture avec l’existant. Le comportement des objets dans le micromonde a été pris en compte depuis l’origine de la conception, ce qui nous permet d’atteindre des réalisations techniques qui jusqu’à présent étaient impossibles. Aujourd’hui, nous travaillons sur l’automatisation des tâches de micro-assemblage, en vue d’atteindre une fiabilité et une rapidité comparable avec les systèmes d’assemblage actuels, mais à une échelle qui interdisait jusqu’à présent l’assemblage.

Caractéristiques techniques

En construction...

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