Dans le domaine de la microrobotique, la manipulation d'objets de petites tailles (micromécanismes, cellules, etc...) est courante. Afin de caractériser les interactions aux dimensions de travail considérées, la mesure de force en microrobotique est nécessaire. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de forces qui repose sur un principe de lévitation magnétique passive et ne nécessitant pas d'asservissement pour assurer la lévitation. Les dimensions globales du capteur n'excèdent pas un volume total de 170 mm x 100 mm x 60 mm. Le capteur est composé d'une tige en matériau polymère, servant d'effecteur, sur laquelle sont fixés deux aimants permanents. L'ensemble tige et aimants permanents lévite entre deux plaques de graphite à l'aide d'une configuration particulière d'aimants porteurs. La mesure de force avec le capteur développé peut se faire principalement suivant trois directions. L'utilisation de ce capteur permet de couvrir une plage de mesure deforce allant de quelques dizaines de nanonewton (nN) à plusieurs milliNewton (mN) avec une résolution de mesure de l'ordre du nanoNewton (nN). Les modèles magnétiques et diamagnétique développés permettent de déterminer les forces qui s'appliquent sur l'effecteur par le biais de la connaissance de la position spatiale de la tige. En terme applicatif, le capteur de forces est actuellement utilisé pour la détermination des caractéristiques mécaniques de cellules humaines de type ovocyte. Ce travail est mené en étroite collaboration avec l'équipe de fécondation in vitro du CHU de Besançon.

Aux petites échelles, les équilibres physiques sont bouleversés. En particulier, les forces de contact, de friction et d'adhésion deviennent prépondérantes au regard des autres effets, perturbant ainsi la manipulation des entités appartenant au micro-monde.<br />Ce travail apporte une contribution aux techniques de micromanipulation sans contact dans les microsystèmes intégrés. En nous appuyant sur le principe de la lévitation diamagnétique, qui bénéficie très favorablement de la réduction d'échelle, nous supprimons tout contact physique entre les dispositifs et les microparticules manipulées.<br />Ce point clé nous a permis de démontrer, à travers des structures intégrées et/ou prototypes, la faisabilité d'une microfluidique digitale dans l'air et sans contact, et entre autres le confinement, le micropositionnement et l'actionnement sans contact de divers bioparticules. Ces réalisations ouvrent des perspectives intéressantes au développement de microréacteurs biochimiques sans contamination.

Dans ce travail, nous avons utilisé deux techniques pour mesurer les champs magnétiques générés par des couches micro-structurées d'aimants au NdFeB de plusieurs micromètres d'épaisseur: la microscopie par balayage d'une sonde Hall, et la microscopie magnéto-optique (MO). Nous avons proposé et validé une nouvelle approche de la mesure 3D de champ à l'aide d'une seule sonde Hall unidirectionnelle. Nous avons démontré la faisabilité de l'imagerie MO quantitative à l'aide d'un film MO uniaxial dans un champ d'offset. Nous avons extrait de la mesure des profils de champ des informations sur la micro-structure magnétique des micro-aimants. Nous avons exploré les aspects théoriques et expérimentaux de la lévitation diamagnétique de matériaux diamagnétiques sur des réseaux intégrés de micro-aimants, et réciproquement la lévitation de micro-aimants sur des substrats diamagnétiques. Nous avons démontré expérimentalement la lévitation d'un micro-aimant d'aimantation unidirectionnelle.

La mesure de micro- et nano-force fait partie des mesures nécessaires à la caractérisation des interactionsou des propriétés mécaniques intervenant à l'échelle micrométrique. Dans cette optique,nous avons poursuivi un travail de conception initié au Laboratoire d'Automatique de Besançon en2002 pour développer un prototype avancé de capteur de micro- et nano-force par lévitation diamagnétique.Le transducteur force-déplacement de ce capteur est un microcapillaire rigide en verred'une dizaine de centimètres. Ce microcapillaire est en lévitation passive stable dans l'espace grâceà l'action conjuguée de forces magnétiques et diamagnétiques créant ainsi un ressort magnétiquevirtuel. La mesure d'une force externe appliquée à l'extrémité du capillaire est rendue possible grâceà la connaissance de la mesure du déplacement du capillaire et de la raideur du ressort magnétique.La plage de mesure de ce capteur varie entre ±40 μN avec une résolution de l'ordre du nanonewton.Les avancées présentées dans ce manuscrit ont porté sur la détermination des efforts diamagnétiquesengendrés par l'utilisation des plaques de graphite. Ce travail a permis une optimisation dudesign global du dispositif et son transfert à l'entreprise STIL SA. De plus un processus d'estimationpar déconvolution a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du micro capillaireet des bruits de mesure du déplacement. Les domaines d'applications potentiels de ce dispositifconcernent notamment la caractérisation des interactions mécaniques quasi-statiques pouvant intervenirentre deux micro-objets et la détermination de propriétés mécaniques propres à un micro-objet.

La mesure de micro- et nano-force fait partie des mesures nécessaires à la caractérisation des interactionsou des propriétés mécaniques intervenant à l’échelle micrométrique. Dans cette optique,nous avons poursuivi un travail de conception initié au Laboratoire d’Automatique de Besançon en2002 pour développer un prototype avancé de capteur de micro- et nano-force par lévitation diamagnétique.Le transducteur force-déplacement de ce capteur est un microcapillaire rigide en verred’une dizaine de centimètres. Ce microcapillaire est en lévitation passive stable dans l’espace grâceà l’action conjuguée de forces magnétiques et diamagnétiques créant ainsi un ressort magnétiquevirtuel. La mesure d’une force externe appliquée à l’extrémité du capillaire est rendue possible grâceà la connaissance de la mesure du déplacement du capillaire et de la raideur du ressort magnétique.La plage de mesure de ce capteur varie entre ±40 μN avec une résolution de l’ordre du nanonewton.Les avancées présentées dans ce manuscrit ont porté sur la détermination des efforts diamagnétiquesengendrés par l’utilisation des plaques de graphite. Ce travail a permis une optimisation dudesign global du dispositif et son transfert à l’entreprise STIL SA. De plus un processus d’estimationpar déconvolution a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du micro capillaireet des bruits de mesure du déplacement. Les domaines d’applications potentiels de ce dispositifconcernent notamment la caractérisation des interactions mécaniques quasi-statiques pouvant intervenirentre deux micro-objets et la détermination de propriétés mécaniques propres à un micro-objet. / The measurement of micro- and nano-force is necessary to characterize the mechanical propertiesand interactions occurring at micrometer scale. In this context, we work on an advanced design ofmicro- and nano-force sensor based on diamagnetic levitation initiated at Laboratoire d’Automatiquede Besançon in 2002. The force-displacement transducer of this sensor is a ten centimeter long glassmicro capillary. This micro capillary levitates passively and stably thanks to the combined action ofmagnetic and diamagnetic forces which create a virtual magnetic spring. Measuring an external forceapplied to the end of the capillary is made possible through knowledge of the capillary displacementand the stiffness of magnetic spring. The measuring range of the sensor varies between ±40 μN witha resolution about a nanonewton. Advances presented in this thesis focused on the determinationof the diamagnetic forces generated by the use of graphite plates. This work has allowed us tooptimize the overall design of the device and transfer it to our industrial partner STIL SA. Moreovera deconvolution estimation process was developed to take into account the dynamic behavior of themicro capillary and measurement noises. Potential fields of application of this device concern themechanical characterization of quasistatic interactions which may occur between two micro-objectsand the determination of intrinsic mechanical properties of a micro-object

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.