Depuis ces dernières années, il y a eu augmentation de l’effort pour le développement des systèmes microfluidiques dédiésà la dispersion d’une phase fluide dans une autre phase fluide immiscible. Les gouttelettes ou les bulles résultantes ont de nombreuses applications dans des diverses domaines (photonique, chimique, biologique...). Pour la plupart de ces applications, il est primordial de contrôler la taille et la forme de ces gouttelettes/bulles, paramètres qui influencent directement le comportement ou la réponse du système. Notre but consiste ainsi à générer des gouttelettes de taille unique (mono-dispersées) et contrôlable pour produire des structures accordables. Nous analysons aussi leurs mécanismes de formation et étudions les paramètres qui influent sur leur taille et leur forme. Dans le présent travail, la génération de gouttelettes est réalisée en utilisant une intersection entre deux microcanaux (jonction en T) où leur taille est directement liée à la géométrie. Dans cette configuration, il existe trois régimes connus de génération de gouttelettes qui sont les régimes de dripping, squeezing et jetting. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l’étude du régime dripping car il assure la génération de gouttelettes ayant une taille plus petite que celle obtenue avec les autres régimes. Les expériences et les études théoriques ont montré que le diamètre des gouttelettes diminue quand la largeur des canaux diminue, quand la vitesse de la phase continue augmente et quand la vitesse de la phase dispersée diminue. De plus, nous avons pu mettre en évidence un nouveau régime de génération de gouttelettes pour lequel les gouttelettes générées ont un diamètre constant, indépendamment des vitesses des phases continue et dispersée, et qui ne dépend que de la géométrie des canaux. Nous avons appelé ce nouveau régime le régime “balloon”. Nous avons enfin montré l’intérêt de l’accordabilité des systèmes microfluidiques en optique et en acoustique. Ainsi, nous avons montré que la période du réseau de diffraction optique est facilement modifiable en contrôlant les paramètres de génération de bulles. De même, nous avons pu voir que la réponse acoustique est liée `a la résonance des bulles dans le milieu liquide. Cette réponse est une fonction du diamètre des bulles générées. Enfin, nous proposons l’utilisation du système microfluidique en électronique pour produire des capacités variables, ouvrant la voie à des nouvelles fonctionnalités pour la microfluidique diphasique. / Since the past few years, there has been an increasing effort in developing microfluidic devices for dispersing one fluid phase in another immiscible fluid phase. Micro fluidic bubbles or droplets have many applications in different fields such as photonics, chemistry, biology... For most of these applications, it is important to control the size and the shape of these droplets or bubbles, since they directly influence the response of the system. Our goal is to generate mono disperse and controllable droplets to produce tunable structures. We also analyze their formation mechanisms and study the parameters that affect their size and their shape. In the present work, we use T-junction geometry to generate droplets of uniform size. In this configuration, there are three known regimes of droplet generation: dripping, squeezing and jetting regimes. We are particularly interested in the study of the dripping regime since it ensures the generation of droplets of smaller size compared to the other regimes. The experimental and the theoretical studies have shown that the droplets diameter decreases when the channels width decreases, when the continuous phase velocity increases and when the dispersed phase velocity decreases. In addition, we have shown evidence of a new regime of droplet generation in which the droplet diameter is constant, independent of the continuous and dispersed phases velocities and only related to the geometry of the T-junction channels. We named this new regime the balloon regime. We finally demonstrated the usefulness of the tunability of microfluidic systems in optics and acoustics. Actually, we show that the diffraction grating period can be easily changed by controlling the parameters of bubble generation. We show also that the acoustic response is related to the bubbles resonance in the liquid medium. This response is a function of the bubbles diameter. Finally, we propose the use of the microfluidic system in electronics, for realizing varying capacitors, where the diphasic microfluidic opens the way to new functionalities

Les dispositifs de stimulation tactile sont des systèmes destinés à fournir un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Ils enrichissent les interfaces homme-machine dans les applications de réalité virtuelle ou augmentée. Ce mémoire traite de l’apport des microsystèmes électromécaniques (MEMS) actionnés magnétiquement à la réalisation d’interfaces de stimulation tactile facilement intégrables.Un état de l’art des solutions d’actionnement mises en œuvre dans les dispositifs existants est proposé, ainsi qu'une définition des besoins pour les applications visées. Les solutions retenues sont basées sur l’actionnement magnétostatique.Les premiers prototypes d’interfaces de stimulation tactile se présentent sous la forme d'un réseau de 4x4 actionneurs élastomériques hybrides avec un pas de 2 mm, combinant microfabrication et techniques de fabrication conventionnelles. La conception et l’élaboration de ces micro-actionneurs est présentée en détail. L'actionnement impulsionnel permet d'atteindre des amplitudes de vibration importantes (jusqu'à 200 µm) et des forces élevées (32mN par actionneur). Des tests sensoriels confirment enfin leur efficacité. Des micro-bobines ont aussi été développées afin de répondre aux besoins des micro-actionneurs magnétiques, ainsi qu'au cahier des charges des interfaces de stimulation tactile. Diverses configurations de micro-bobines adaptées à l'actionnement de puissance sont proposées et réalisées par électrodéposition. Des micro-actionneurs basés sur ces bobines intégrées ont alors été réalisés, puis caractérisés. L'utilité des bobines pour les micro-actionneurs de puissance est alors discutée face aux solutions d’actionnement hybride / Tactile display devices are systems bound to provide a tactile feedback to their users. They improve human-machine interfaces in the fields of virtual or augmented reality. This report deals with the contribution of magnetically actuated micro-electro-mechanical systems (MEMS) to the elaboration of easily integrable tactile display devices.A state of the art of actuation techniques used in existing devices is proposed, along with a requirements analysis for tactile applications. Magnetostatic actuation was considered for these needs.First tactile display device prototypes are designed as a network of 4x4 hybrid elastomeric micro-actuators with a 2 mm pitch, and combined microfabrication and conventional fabrication techniques.The conception and elaboration of these micro-actuators is detailed. High vibration amplitudes can be reached using pulse actuation (up to 200 µm), with instantaneous forces of 32 mN per actuator. Sensitive tests were also achieved in order to confirm their efficiency.Micro-coils were also developed in order to fulfill the magnetic micro-actuators needs, and meet the requirements for tactile display devices. Various micro-coil configurations suitable for power actuation are proposed and elaborated by electrodeposition. Micro-actuators based on elastomeric membranes were fabricated and characterized. The contribution of these micro-coils for micro-actuation is discussed face with hybrid approaches

L'électroérosion (EE) est une technique d'usinage sans contact de matériaux conducteursd'électricité ; elle particulièrement bien adaptée à l'usinage de matériaux durs. Le principe consiste àcréer des décharges électriques érodantes entre un outil et une pièce à usiner, toutes deuximmergées dans un diélectrique. Dans cette thèse, nous avons étudié la miniaturisation de ceprocédé, la microélectroérosion (μEE), qui se présente comme un procédé complémentaire destechniques de micro-usinage mécanique, laser, ou encore des techniques issues de lamicrotechnologie du silicium (RIE, DRIE, LIGA). Toutefois, la résolution de la μEE est limitée.Dans ce travail, nous avons tout d'abord développé un procédé original d'élaboration de microoutilscylindriques en tungstène par gravure électrochimique. Celui-ci permet d'obtenir de manièrereproductible des micro-outils de diamètre 15 μm et de rapport hauteur sur diamètre supérieur à 50.Des micro-outils plus fins ont aussi été obtenus (jusqu'à 700 nm) mais avec des problèmes dereproductibilité. Par ailleurs, un prototype de machine de fraisage par μEE a été développé avec uneélectronique entièrement caractérisée. Des micro-canaux de 40 μm de largeur ont été obtenus dansl'acier d'inoxydable et 25 μm dans le titane ; une rugosité Ra de 86 nm a été atteinte dans des cavitésde 600 x 600 x 30 μm. Les limitations du dispositif expérimental ont aussi été mises en évidence.Dans la dernière partie de ce travail, nous avons procédé à l'étude des microdécharges et du microplasmas'établissant entre micro-outil et pièce à l'aide de caractérisations électriques. La résistanceet l'inductance des décharges ont été déterminées expérimentalement puis intégrées dans unmodèle permettant de prévoir la durée des impulsions de courant et leur intensité. Des pistes pourl'amélioration de la résolution d'usinage sont proposées en conclusion de ce travail.

Nowadays, the need for three-dimensional miniaturized components is increasing in many areas, such as electronics, biomedics, aerospace and defence, etc. To support the demands, various micro-scale fabrication techniques have been further introduced and developed over the last decades, including micro-electric-mechanical technologies (MEMS and LIGA), laser ablation, and miniature machine tools (mMTs). Each of these techniques has its own benefits, however miniature machine tools are superior to any others in enabling three-dimensional complex geometry with high relative accuracy, and the capability of dealing with a wide range of mechanical materials. Thus, mMTs are emerging as a promising fabrication process. In this work, various researches have been carried out based on the mMTs. The thesis presents micro-machining, in particular, micro-milling force model and three relevant subsystems for miniature machine tools (mMTs), to enhance machining productivity/efficiency and dimensional accuracy of machined parts. The comprehensive force model that predicts micro-endmilling dynamics has been developed. Unlike conventional macro-machining, the cutting mechanism in micro-machining is complex with high level of non-linearity due to the combined effects of edge radius, size, and minimum chip thickness effect, etc., resulting in no chip formation when the chip thickness is below the minimum chip forming thickness. Instead, part of the work material deforms plastically under the edge of a tool and the rest of the material recovers elastically. The developed force model for micro-endmilling is effective to understand the micro-machining process. As a result, the micro-endmilling force model is helpful to improve the quality of machined parts. In addition, three relevant subsystems which deliver maximum machining productivity and efficiency are also introduced. Firstly, ultrasonic atomization-based cutting fluid application system is introduced. During machining, cutting fluid is required at the cutting zone for cooling and lubricating the cutting tool against the workpiece. Improper cutting fluid application leads to significantly increased tool wear, and which results in overall poor machined parts quality. For the micro-machining, conventional cooling methods using high pressure cutting fluid is not viable due to the potential damage and deflection of weak micro-cutting tools. The new atomization-based cutting fluids application technique has been proven to be quite effective in machinability due to its high level of cooling and lubricating. Secondly, an acoustic emission (AE)-based tool tip positioning method is introduced. Tool tip setting is one of the most important factors to be considered in the CNC machine tool. Since several tools with different geometries are employed during machining, overall dimensional accuracy of the machined parts are determined by accurate coordinates of each tool tip. In particular, tool setting is more important due to micro-scale involved in micro-machining. The newly developed system for tool tip positioning determines the accurate coordinates of the tool tip through simple and easy manipulation. At last, with the advance of the 3D micro-fabrication technologies, the machinable miniaturized components are getting complex in geometry, leading to increased demand on dimensional quality control. However, the system development for micro-scale parts is slow and difficult due to complicated detection devices, algorithm, and fabrication of a micro-probe. Consequently, the entire dimensional probing system tends to become bulky and expensive. A new AE-based probing system with a wire-based probe was developed to address this issue with reduced cost and size, and ease of application. / Graduate

La croissance du développement des microsystèmes fluidiques de puissance dans la dernière décennie a augmenté considérablement le besoin de développer des instruments de mesure différents des instruments traditionnels. Le but du présent travail est l'étude et la fabrication des micro-débitmètres à pression différentielle. Dans ce cas, le principe de calcul du débit se fait par la mesure de la chute de pression à travers un micro-orifice dans un microcanal à section rectangulaire. Ces micro-débitmètres à micro-organe déprimogène sont destinés pour mesurer le débit dans les microsystèmes fluidiques opérant à gaz tels que les power MEMS. Pour ces derniers, actuellement, il n'existe aucun micro-débitmètre sur le marché adapté pour leurs conditions d'opération. Dans ce mémoire, une série de 16 micro-débitmètres de type orifice plat à section rectangulaire ont été fabriqués et testés expérimentalement. Leur géométrie est caractérisée par deux paramètres : un coefficient de contraction allant de 0,2 à 0,8 et un rapport de forme au niveau de l'orifice allant de 0,21 à 2,45. Le diamètre hydraulique des microcanaux varie entre 220 et 388 [micro]m.La variation de la chute de pression à travers le micro-orifice en fonction du débit a été mesurée pour chaque micro-débitmètre avec une pression d'entrée de 5, 6,5 et 8 bars.La plage de débit étudiée est entre 0,2 et 100 mg/s. Le coefficient de décharge de chaque micro-débitmètre a été déterminé. Par ailleurs, le comportement du coefficient de décharge a été étudié en fonction du nombre de Reynolds allant de 100 à 13000, et en fonction de la perte de pression adimensionnée, [[Delta]P/P[indice inférieur 1]], allant de 0,001 à 0,6. À même dimension géométrique, les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de décharge est fonction du nombre de Reynolds pour une valeur du facteur d'expansion, Y, supérieure à 0,9. Pour des valeurs de Y inférieures à 0.9, le coefficient de décharge est dépendant de [[Delta]P/P[indice inférieur 1]]. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de la simulation numérique. De cette façon, le modèle numérique a été validé. Ce travail a permis de développer des micro-débitmètres capables de mesurer de faibles débits à l'ordre des milligrammes par seconde (mg/s) dans les microsystèmes fluidiques de puissance. Particulièrement, le travail a permis de répondre aux exigences de l'installation d'une micro-turbopompe en termes de mesure du débit de gaz. De plus, l'étude approfondie des micro-débitmètres a permis d'acquérir une connaissance plus élaborée de l'écoulement à travers ce type de restriction dans les microcanaux rectangulaires.La caractérisation expérimentale de ce type de micro-débitmètres a été faite pour la première fois. En effet, cette étude a permis de définir des corrélations empiriques du coefficient de décharge spécifiques à chaque dimension géométrique. Ces corrélations seront un bon outil de design de ce genre de mesure.

Electrochemical machining (ECM) and especially electrochemical micromachining (μECM) became an attractive area of research due to the fact that this process does not create any defective layer after machining and that there is a growing demand for better surface integrity on different micro applications such as microfluidics systems and stressfree drilled holes in the automotive and aerospace sectors. Electrochemical machining is considered as a non-conventional machining process based on the phenomenon of electrolysis. This process requires maintaining a small gap - the interelectrode gap (IEG) - between the anode (workpiece) and the cathode (tool-electrode) in order to achieve acceptable machining results (i.e. accuracy, high aspect ratio with appropriate material removal rate and efficiency). This work presents the design of a next generation μECM machine for the automotive, aerospace, medical and metrology sectors. It has 3 axes of motion (X, Y and Z) and a spindle allowing the tool-electrode to rotate during machining. The linear slides for each axis use air bearings with linear DC brushless motors and 2nmresolution encoders for ultra-precise motion. The control system is based on the Power PMAC motion controller from Delta Tau. The electrolyte tank is located at the rear of the machine and allows the electrolyte to be changed quickly. A pulse power supply unit (PSU) and a special control algorithm have been implemented. The pulse power supply provides not only ultra-short pulses (50ns), but also plus and minus biases as well as a polarity switching functionality. It fulfils the requirements of tool preparation with reversed ECM on the machine. Moreover, the PSU is equipped with an ultrafast over current protection which prevents the tool-electrode from being damaged in case of short-circuits. Two different process control algorithms were made: one is fuzzy logic based and the other is adapting the feed rate according to the position and time at which short-circuits were detected. The developed machine is capable of drilling micro holes in hard-to-machine materials but also machine micro-styli and micro-needles for the metrology (micro CMM) and medical sectors. This work also presents drilling trials performed with the machine with an orbiting tool. Machining experiments were also carried out using electrolytes made of a combination of HCl and NaNO₃ aqueous solutions. The developed machine was used to fabricate micro tools out of 170μm WC-Co alloy shafts via micro electrochemical turning and drill deep holes via μECM in disks made of 18NiCr6 alloy. Results suggest that this process can be used for industrial applications for hard-to-machine materials. The author also suggests that the developed machine can be used to manufacture micro-probes and micro-tools for metrology and micro-manufacturing purposes.

International Telemetering Conference Proceedings / October 23-26, 2000 / Town & Country Hotel and Conference Center, San Diego, California / In the past few years, GPS has proven itself as an effective source of time space position information (TSPI) data for air vehicles. Currently, GPS truth systems are used to track aircraft ranging from low dynamic vehicles to high dynamic fighters. However, low-cost GPS TSPI instrumentation is not currently available for stores and weapons delivered by air vehicles. To date, data is collected by tracking dropped items using radar or optical means. This process is costly and time consuming. The purpose of this project is to leverage the recent advances in micro-electromechanical systems (MEMS) technology to develop a subminiature, inexpensive, low power, disposable telemetrytransmitting package. The purpose of this transmitting package is to up-link the GPS positional data from the weapon or store to the host aircraft. This data is then retransmitted by the host aircraft to a ground station and/or recorded on board for post processing. The transmission of the data to the host aircraft can provide near real- time position data for the released object. The transmitting package must have a unique identification method for application in tracking multiple objects. Since most of the systems used in weapons testing will be destroyed, it is extremely important to keep the development and maintenance cost low. In addition, the package must be non-intrusive to avoid any significant modification to the weapon and to facilitate quick instrumentation of the weapon for test and evaluation.

Robotic microassembly is a process to leverage intelligent micro-robotic technologies to manipulate and assemble three-dimensional complex micro-electromechanical systems (MEMS) from a set of simple-functional microparts or subsystems. As the development of micro and nano-technologies has progressed in recent years, complex and highly integrated micro-devices are required. Microassembly will certainly play an important role in the fabrication of the next generation of MEMS devices. This work provides advances in robotic microassembly of complex three-dimensional MEMS devices. The following key technologies in robotic microassembly are studied in this research: (i) the design of micro-fasteners with high accuracy, high mechanical strength, and reliable electrical connection, (ii) the development of a microassembly strategy that permits the manipulation of microparts with multiple degrees of freedom (DOFs) and high accuracy, (iii) fully automated microassembly based on computer vision, (iv) micro-force sensor design for microassembly. An adhesive mechanical micro-fastener is developed to assemble micro-devices. Hybrid microassembly strategy, which consists of pick-and-place and pushing-based manipulations, is employed to assemble three-dimensional micro-devices with high flexibility and high accuracy. Novel three-dimensional rotary MEMS mirrors have been successfully assembled using the proposed micro-fastener and manipulation strategy. Fully automatic pick-and-place microassembly is successfully developed based on visual servo control. A vision-based contact sensor is developed and applied to automatic micro-joining tasks. Experimental results show that automatic microassembly has achieved sub-micron accuracy, high efficiency, and high success rate. This work has provided an effective approach to construct the next generation of MEMS devices with high performance, high efficiency, and low cost.

Robotic microassembly is a process to leverage intelligent micro-robotic technologies to manipulate and assemble three-dimensional complex micro-electromechanical systems (MEMS) from a set of simple-functional microparts or subsystems. As the development of micro and nano-technologies has progressed in recent years, complex and highly integrated micro-devices are required. Microassembly will certainly play an important role in the fabrication of the next generation of MEMS devices. This work provides advances in robotic microassembly of complex three-dimensional MEMS devices. The following key technologies in robotic microassembly are studied in this research: (i) the design of micro-fasteners with high accuracy, high mechanical strength, and reliable electrical connection, (ii) the development of a microassembly strategy that permits the manipulation of microparts with multiple degrees of freedom (DOFs) and high accuracy, (iii) fully automated microassembly based on computer vision, (iv) micro-force sensor design for microassembly. An adhesive mechanical micro-fastener is developed to assemble micro-devices. Hybrid microassembly strategy, which consists of pick-and-place and pushing-based manipulations, is employed to assemble three-dimensional micro-devices with high flexibility and high accuracy. Novel three-dimensional rotary MEMS mirrors have been successfully assembled using the proposed micro-fastener and manipulation strategy. Fully automatic pick-and-place microassembly is successfully developed based on visual servo control. A vision-based contact sensor is developed and applied to automatic micro-joining tasks. Experimental results show that automatic microassembly has achieved sub-micron accuracy, high efficiency, and high success rate. This work has provided an effective approach to construct the next generation of MEMS devices with high performance, high efficiency, and low cost.

La détection optofluidique à champ évanescent, tout particulièrement la biodétection sans marqueur par microrésonateurs optiques, est une technologie émergente faisant l’objet d’une recherche intensive. Dans ce contexte, nous montrons que les microanneaux polymères sont d’excellents transducteurs. Ceci est dû en partie à la facilité et au faible coût de leur fabrication et de leur intégration, mais aussi à leur robustesse. Une méthode rapide, répétable et peu coûteuse a été mise au point pour fabriquer de tels composants, avec de longues durées de vie et des performances représentant l’état de l’art actuel. Un deuxième avantage est l’extrême sensibilité moléculaire en surface. La preuve en est l’obtention d’un signal détectable avec seulement 500 molécules de 5-TAMRA-cadavérine (5-TC, M = 515 g/mol) adsorbées, et ce après un simple traitement UV/ozone. Cependant, les performances des anneaux polymères ne deviennent apparentes qu’une fois le composant couplé à une instrumentation de haute précision. A cet effet, un instrument de mesure fut construit pour mesurer en temps-réel de très faibles variations des résonances optiques en régime optofluidique. Ceci a permit l’observation d’une cinétique d’absorption/désorption de 5-TC sur son antigène. Néanmoins, une réelle détection spécifique ne peut être atteinte qu’avec un instrument multiplexé en transducteurs. Une telle configuration est possible, mais n’a pas encore été développée. Par contre, l’instrument de mesure réalisé peut être utilisé tel quel pour des applications très diverses, de la mesure de coefficients de diffusion à l’étude d’effets thermiques locaux. / Optofluidic evanescent field sensing, especially microresonator-based label-free biochemical sensing, is an emerging technology under intensive study. In this context, we demonstrate that polymeric microring resonators are excellent transducers. It is partly due to the simplicity and cost-efficiency of their fabrication and integration, and also to their robustness: a fast, repeatable and low-cost method was developed to fabricate devices with long lifetimes and state-of-the-art performances. A second advantage is the extreme sensitivity achievable to grafted molecules: a detectable signal was obtained with only a few hundreds of 5-TAMRA-cadaverine (5-TC) molecules, relatively small as compared to nucleic acids, antibodies and other biomolecules. The surface immobilization of 5-TC molecules was achieved after a simple and reproducible UV/ozone procedure for surface preparation. However, the qualities of polymer microring resonators only become apparent when coupled to high-precision instrumentation. In that respect, a measuring instrument was built to detect minute and real-time variations of the optical resonances, and thus in an optofluidic regime. The detection of absorption and desorption of 5-TC molecules on a surface functionalized with its antibody was achieved. However, truly specific responses of the instrument would only be achieved in a multiplexed configuration. Such configuration is achievable, but has yet to be developed. Meanwhile, the measuring instrument, as is, can be used for a wide variety of applications, from the measurement of dispersion coefficients to the study of local thermal effects.