modeling, design and fabrication of curved beams, U-shaped actuators and multistable micr

214 Pages·2017·6.65 MB·English

by  Hussein Hussein

Thèse de Doctorat
école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques
U N I V E R S I T É D E F R A N C H E - C O M T É
Contribution to Digital Microrobotics:
Modeling, Design and Fabrication of
Curved Beams, U-shaped Actuators
and Multistable Microrobots
n HUSSEIN HUSSEIN

Thèse de Doctorat
école doctorale sciences pour l’ingénieur et microtechniques
U N I V E R S I T É D E F R A N C H E - C O M T É
THE`SE pre´sente´e par
HUSSEIN HUSSEIN
pour obtenir le
Grade de Docteur de
l’Universite´ de Franche-Comte´
Spe´cialite´ : Sciences pour l’inge´nieur
Contribution to Digital Microrobotics: Modeling,
Design and Fabrication of Curved Beams, U-shaped
Actuators and Multistable Microrobots
Unite´ deRecherche:
FEMTO-ST,UMRCNRS6174
Soutenue publiquement le 11 De`cembre 2015 devant le Jury compose´ de :
ORPHE´E CUGAT Pre´sident du jury Directeur de Recherche, CNRS, G2ELAB,
Grenoble
JOE¨L POUGET Rapporteur Directeur de Recherche, CNRS, ∂’Alembert,
Paris
CHRISTINE PRELLE Rapporteur Professeur, UTC, Compie`gne
RAFIC YOUNES Examinateur Professeur, UL, Beyrouth Liban
PHILIPPE LUTZ Directeur de the`se Professeur, UFC, Besanc¸on
YASSINE HADDAB Encadrant de the`se Professeur,UM, Montpellier
PATRICE LE MOAL Encadrant de the`se Charge´ de recherche , CNRS, FEMTO-ST,
Besanc¸on
GILLES BOURBON Encadrant de the`se Inge´nieur de recherche, CNRS, FEMTO-ST,
Besanc¸on

Acknowledgment
My thesis was realized in the AS2M department of Femto-st institute. I would like to express
my sincere gratitude to all the members of the department, starting from the director Michae¨l
Gauthierandthecolleaguesfortheirsupportandthebrightandstimulatingenvironmentofthe
department.
I would like to express the deepest appreciation and thanks to my advisors Prof. Philippe
Lutz, Prof. Yassine Haddab, Dr. Patrice Le Moal and Dr. Gilles Bourbon, who supported me
greatly during the thesis and did every possible effort to help me in order to achieve the best
results. I am more than thankful for them for their kindness, patience, and endless encourage-
ment. IcouldnothaveimaginedhavingabetteradvisorandmentorformyPh.Dstudy. Thanks
toyou.
I would like to thank the rest of my thesis committee: Dr. Orphe´e Cugat, Dr. Joe¨l Pouget,
Prof. Christine Prelle, and Prof. Rafic Younes, for serving as my committee members and for
lettingmydefensetobeanenjoyablemoment. Yourinsightfulcommentsincentedmetowiden
myresearchfromvariousperspectives. Thankstoyou.
Aspecialthankstomyfamily,youareeverythingforme. Wordscannotexpresshowgrate-
ful I am to my mother and father for all of the sacrifices that you have made on my behalf. I
wouldalsoliketothankmybrotherandsistersforalwaysbeingtherebesidemethroughthick
andthin.
I specially extend appreciation to my beloved wife, Fatima, who was always my support.
The day you stepped into my life, you changed it into something so beautiful and meaningful.
Youarejustsoamazingtohavearound. Iloveyousomuch.
Finally,anewrayofsunshinewillenterourlivesinthenextdays;wearewaitingthearrival
ofourlittleprincessZahraa. Thankyoumybabeforthepleasureandhappinessyouhaveadded
beforeyourarrival. Wearewaitingimpatiently....
HusseinHussein
v

Contents
Generalintroduction 1
1 DigitalMicrorobotics 5
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Digitalmicrorobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Digitalmicrorobotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 TheDiMiBot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Advantagesandchallenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Solutionsfordigitalsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Switchingfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2 Holdingfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3 Multistablemechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Thesisobjectivesandworkingaxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.1 Firstaxis: Analyticaldesignoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.2 Secondaxis: DiMiBotwithmultistablemodules . . . . . . . . . . . . 32
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 Curvedbeambistablemechanism 35
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Bucklingofabeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 Bucklingmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Bucklingequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3 Bifurcationofsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Snappingforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1 Withouthighmodesofbuckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.2 Consideringhighmodesofbuckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Bistabilityconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5 StressState . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.1 Withouthighmodesofbuckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.2 Consideringhighmodesofbuckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vii
viii CONTENTS
2.6 FEMsimulationsandcomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7 Designandoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7.1 Influenceofthedimensionsandpropertiesonthemechanicalbehavior 58
2.7.2 Curvedbeamdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.7.3 Limitsoftheminiaturization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 U-shapedelectrothermalactuators 73
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Electrothermalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Electrothermalequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2 Lineshapedbeamelectrothermalresponse . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.3 Actuatorelectrothermalresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Thermo-mechanicalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 Simulations,Experimentsanddiscussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.1 Electrothermalresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.2 Mechanicalresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5 Designandoptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5.1 Maximalvoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5.2 Characteristiccurveoftheactuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.5.3 Influenceoftheparametersontheactuator’sperformance . . . . . . . 99
3.5.4 Designmethodologyoftheactuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4 MultistablemoduleandDiMiBot 113
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2 Principleofthemultistablemechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3 System1: anaccuratebistablemechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3.1 Microfabricationtolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3.2 Accuratepositioningmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3.3 Designofthedifferentcomponentsinsystem1 . . . . . . . . . . . . . 124
4.4 System2andtheteethconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.1 Functioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.2 Teethconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.5 System3andthemovingpart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.6 Multistablemoduleglobaldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.7 MultistablemodulesintheDiMiBot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5 Fabricationandexperiments 139
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2 Fabricationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.1 Generalprocessflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.2 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
CONTENTS ix
5.3 Technologicalaspectsinthefabricationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.1 Hardmask(PhotomaskA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.2 Goldpatterns(PhotomaskB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.3.3 Devicelayeretching(PhotomaskC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.4 Substrateetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3.5 HFrelease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4 Forcemeasurementexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4.1 Rectilinearbeams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.2 Curvedbeams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5 Experimentsontheactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5.2 Remarksnoticedintheexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.6 Multistablemoduleexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.6.1 Activationofthemultistablemodules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6.2 Wirebonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6.3 Electroniccircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6.4 Testsonthedifferentsystemsofthemultistablemodule . . . . . . . . 169
5.6.5 Sequenceorderstomakesteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.6.6 Experimentalfunctioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Conclusionandperspectives 175
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Multistablemodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Towardsaplanarmultistablemicrorobotwithholdingforces . . . . . . . . . . 178
Towardsa3Dmultistablemicrorobotinthreedimensions . . . . . . . . . . . . 180
Bibliography 181