L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

Dans un contexte de développement spectaculaire des nano-objets, il est nécessaire de développer des moyens de caractérisation électrique haute fréquence sous pointes adaptés aux petites échelles. En particulier, deux verrous instrumentaux doivent être levés. D’une part, la principale difficulté pour caractériser des nano-composants est qu’ils présentent en régime dynamique de fortes valeurs d’impédances comparativement à celles des systèmes de mesure hyperfréquence usuels. D’autre part, Il existe une discontinuité de taille entre les nano-objets et les systèmes de mesure conventionnels. Compte tenu du challenge scientifique et d’un état de l’art relativement limité, plusieurs voies ont été explorées de concert. En premier lieu, dans le cadre d’un projet européen regroupant les acteurs de la métrologie, et du laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics®, la traçabilité des mesures hautes impédances de nano-dispositifs est établie. Par ailleurs, il s’agit de développement de nouvelles générations de sondes GSG (Ground-Signal-Ground) en technologie MEMS (Microelectromechanical systems), miniaturisées et adaptées à la taille des nano-dispositifs. Les sondes sont montées sur une plateforme de nano-positionnement robotisée et intégrée dans un microscope électronique à balayage. / In the frame of the spectacular development of nano-objects, innovative on-wafer electrical measurement methods must be addressed at the nanoscale. In particular, two main issues have been identified. On one hand, nano-devices exhibit very high dynamic impedance in contrast with conventional measuring microwave instruments. On the other hand, there is an inherent size discontinuity between nano-objects and conventional measurement systems. Given the scientific challenge and a relatively limited state of the art, several avenues of investigation have been explored. First, as part of a European project bringing together metrology laboratories, and the joint laboratory IEMN-STMicroelectronics®, the traceability of nano-devices high impedance measurements is established. In a second step, the development of an electrical on-wafer measuring platform for nano-devices is described. This includes the development of new generations of GSG (Ground-Signal-Ground) miniaturized probes in MEMS (Microelectromechanical systems) technology with reduced access pads. The probes are mounted on a robotic nano-positioning platform integrated in a scanning electron microscope.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations. / The objective of this thesis was to control the nano-positioning system using tunneling current with the real-time validation over an experimental platform developed in Gipsa-lab. This thesis lies in the domain of control for micro and nano-mechatronics systems for the applications of scanning probe microscopy and ultra-precise positioning. At nanometer scale, the problems of noise, vibrations, nonlinearity and instability influence the precision of the measurement. The objective was to deal with these constraints by using the modern techniques of robust control. In this thesis, a system of tunneling current measurement has been modelled and the control problem has been formulated in terms of desired measurement performances. Then, robust control design laws are analyzed in order to achieve better performances in terms of measurement precision and rejection of certain disturbances with robustness. These control laws are experimentally validated (at ambient atmosphere) for a platform of Gipsa-lab. At the end of this thesis, a dynamic modelling of MIMO system for an application of scanning the surface with an atomic resolution has been proposed and a MIMO controller in order to reduce the positioning error due to coupling has been validated in simulations.

Ce doctorat propose l'utilisation d'un capteur à courant tunnel pour manipuler un objet à dimensions microscopiques. L'utilisation de ce capteur est proposée comme une alternative aux capteurs optiques couramment utilisés en nanotechnologie pour caractériser des objets mobiles. De plus, dans un contexte de nanopositionnement, sa mise en oeuvre ne peut se faire sans l'application d'outils de commande. Nous avons démontré que l'utilisation du courant tunnel couplé à un actionnement électrostatique répond aux problématiques récentes dans le domaine du nanopositionnement (correction de dérives, augmentation conjointe de la rapidité de manipulation et de la précision). Pour cela, une plate forme a été construite dans le cadre de ce doctorat. Cette plateforme a pour but de permettre le contrôle de déplacements d'un micro objet sans le toucher par courant tunnel. En particulier, cette plateforme a permis de contrôler la position d'une micropoutre avec une précision de l'ordre de la dizaine de picomètres en milieu bruité.

L'intégration hybride d'éléments photoniques individuels offre la promesse de fournir des performances très élevées, de proposer de nouvelles fonctionnalités et produits optiques mais aussi pour exploiter de nouveaux modes de propagation des faisceaux lumineux. Cette approche repose sur la capacité d'un positionnement multi Degré-De-Liberté (DDL) précis des éléments photoniques individuels. Ainsi, la mesure multi-DDL imprécise et le contrôle inexact des robots sont les principaux verrous à surmonter, notamment à l'échelle micrométrique Pour cela, une approche photo-robotique originale a été proposée, s'appuyant sur les mouvements d'un robot à plusieurs DDL associé à l'utilisation de l'interférométrie Fabry-Perot 1-D pour réaliser une mesure de pose multi-DOF. Cette approche intègre notamment la question de l'étalonnage des robots 6-DDL qui a été étudiée à travers l'étalonnage des paramètres géométriques extrinsèques et/ou intrinsèques. Afin de trouver la stratégie d'étalonnage appropriée pour une grande précision de positionnement et adaptée au contexte du micro-positionnement de composants optiques, une quantification et une analyse de durabilité des performances optiques et robotiques ont été étudiées. Des études expérimentales ont démontré qu'une précision de positionnement en rotation et en translation de 0.004° et 27.6 nm ont été obtenues respectivement.Cette approche photo-robotique a été notament appliquée pour réaliser le positionnement 6-DDL d'une lamelle optique par rapport à une fibre optique avec une grande précision ce qui conduit également à des performances optiques maximales. L'approche a également été appliquée pour contrôler les états de polarisation à la sortie d'un système optique hybride en réalisant des rotations très précises d'une lamelle d'onde optique spécifique autour de son axe optique. Les résultats expérimentaux démontrent notamment que la grande précision du positionnement permet un contrôle précis de l'état de polarisation optique. / The hybrid integration of individual photonic elements appears as promising, because it may provide high performances, propose new optical functionalities and products and exploit new propagation modes of light beams. This approach requires an accurate multi Degree-Of-Freedom (DOF) positioning of the individual photonic elements. Hence, the inaccurate multi-DOF measurement and robots control are the main locks to overcome, notably at the micro-scale. For this sake, an original photo-robotic approach has been proposed, relying on multi-DOF robot motion associated with the use of 1-D Fabry-Perot interferometry measure to realize multi-DOF pose measure. This approach notably integrates the issue of 6-DOF robot calibration that has been studied through extrinsic and/or intrinsic geometric parameters calibration. In order to find the appropriate calibration strategy for high positioning accuracy and adapted to the context of micro-positioning of optical components, a quantification and durability analysis of optical and robotic performances have been investigated. Experimental investigations demonstrate that a rotational and translational positioning accuracy of 0.004° and 27.6 nm have been obtained respectively.This photo-robotic approach has especially been applied to achieve the 6-DOF positioning of an optical lamella relative to an optical fiber with high accuracy that also conduct to maximum optical performances. The approach has also been applied to control the optical polarization states at the output of an hybrid optical system through achieving high accurate rotations of a specific optical wave plate around the optical axis. The experimental results notably demonstrate that the high positioning accuracy enables to accurately control of the optical polarization state.