Bounded attitude control of rigid bodies: Real-time experimentation to a quadrotor mini-helicopter

International audienceA quaternion-based feedback is developed for the attitude stabilization of rigid bodies. The control design takes into account a priori input bounds and is based on nested saturation approach. It results in a very simple controller suitable for an embedded use with low computational resources available. The proposed method is generic not restricted to symmetric rigid bodies and does not require the knowledge of the inertia matrix of the body. The control law can be tuned to force closed-loop trajectories to enter in some a priori fixed neighborhood of the origin in a finite time and remain thereafter. The global stability is guaranteed in the case where angular velocities sensors have limited measurement range. The control law is experimentally applied to the attitude stabilization of a quadrotor mini-helicopter

Magnetic Micro-Actuators and Systems (MAGMAS

Abstract-Magnetic interactions provide outstanding performances for powerful integrated micro-actuators. This paper explains how magnetic interactions involving permanent magnets, currents, and various magnetic materials remain very effective and even improve as dimensions are reduced. The technological problems that have slowed the development of magnetic micro-actuators and systems (MAGMAS) are progressively being solved. As long as materials scientists continue to develop better thick-film patterned permanent magnets compatible with microsystem technologies, MAGMAS will have a promising future

Thermal energy conversion by coupled shape memory and piezoelectric effects

International audienceThis work gives experimental evidence of a promising method of thermal-to-electric energy conversion by coupling shape memory effect (SME) and direct piezoelectric effect (DPE) for harvesting quasi-static ambient temperature variations. Two original prototypes of thermal energy harvesters have been fabricated and tested experimentally. The first is a hybrid laminated composite consisting of TiNiCu shape memory alloy (SMA) and macro fiber composite piezoelectric. This composite comprises 0.1 cm3 of active materials and harvests 75 µJ of energy for each temperature variation of 60 °C. The second prototype is a SME/DPE 'machine' which uses the thermally induced linear strains of the SMA to bend a bulk PZT ceramic plate through a specially designed mechanical structure. The SME/DPE 'machine' with 0.2 cm3 of active material harvests 90 µJ over a temperature increase of 35 °C (60 µJ when cooling). In contrast to pyroelectric materials, such harvesters are also compatible with both small and slow temperature variations

SUSPENSIONS MAGNETIQUES PARTIELLEMENT PASSIVES

The limitation phenomenon obtained by the use of magnetic suspensions allows the displacement of mechanicals structures without friction or wear. Magnetic suspension are already in use in industrial rotating applications such as inertial wheels, turbines, machine tools, etc... and also in linear ones such as trains. However, the need to control accurately ail the freedom degrees of the suspended structure has considerably rose their cost price and therefore slowed down their use. The aim of our work is to simplify the magnetic suspensions by the use of permanent magnets. We describe switable associations of différent bearings leading to the réalisation of magnetic suspensions. The motors and dampers used with those suspensions are also studied and described. We have experimented a prototype in which only one axis needs to be controlled, the other ones being under the permanent magnets control. The advantages and disadvantages of such a solution are discussed.Les suspensions magnétiques permettent la lévitation d'un corps sans contact. Un mobile peut ainsi être déplacé à grande vitesse sans engendrer de frottement ni d'usure. Les applications de ces systèmes sont essentiellement circulaires (turbines, volant d'inertie, centrifugeuse, machine outils...) mais peuvent ainsi être linéaires (train...). Les suspensions magnétiques sont déjà utilisées dans l'industrie mais leur prix de revient, dû à l'asservissement de tous les degrés de liberté de la partie suspendue, freine leur expansion. L'étude porte sur les suspensions magnétiques dont une partie des degrés de liberté est contrôlé par des paliers autonomes à aimants permanents. Les associations de paliers permettant de réaliser une suspension sont décrites ainsi que les motorisations possibles et les systèmes d'amortissement. La réalisation d'un prototype à mis en évidence les avantages et les inconvénients d'une suspension ne possédant qu'un seul axe asservi

Conception et fabrication d'un magnétomètre à jauge de contrainte

Ce travail de these est consacré à la conception, la réalisation technologique et la caractérisation fonctionnelle d'un nouveau type de capteur de champ magnétique MEMS 3D. Différent de l'approche classique utilisée pour des magnétomètres MEMS 3D, le capteur conçu dans le cadre de cette thèse n'a pas comme base le principe de la force de Lorentz, mais se sert des avantages qu'offrent les matériaux magnétiques intégrés dans des systèmes MEMS. Le matériau magnétique subit un moment lorsqu'il est soumis à un champ magnétique environnant. Le principe de détection du signal est basé sur la piézorésistivité et utilise des jauges en silicium mono-crystallin avec une section nanométrique. Le concept technologique convient également pour la fabrication de capteurs inertiels et est donc une approche prometteuse pour la fabrication des centrales de mesure inertielle (IMUs). La conception est principalement basée sur un modèle de bruit. En dehors de la considération des limitations technologiques, des aspects mécaniques, magnétiques et thermiques sont également pris en compte. Deux pistes ont été étudiées pour l'intégration du matériau magnétique. Une première option consiste dans l'intégration d'aimants terres-rares comme SmCo et NdFeB. Une deuxième option a pour objet l'intégration des multi-couches antiferromagnétiques et ferromagnétiques, couplées par le couplage d'échange. La réalisation technologique bien exigeante des ces deux approches sera présentée avec une concentration particulière sur les propriétés magnétiques des matériaux utilisés. Une autre partie sera consacrée à la caractérisation des contraintes mécaniques dans des couches minces qui peuvent devenir problématiques pour les micro-systèmes conçus dans le cadre de ce travail. Au final, la fabrication du capteur ainsi que des caractérisations fondamentales seront présentées afin d'établir une preuve expérimentale pour le concept du capteur.This PhD thesis deals with the design, the technological implementation, and functional characterizations of a new type of monolothic 3D MEMS magnetometer. Other than for the classical approach used for 3D MEMS magnetometers, the sensor developed in this work is not based on the principle of Lorentz force, but takes advantage of magnetic material which is integrated into the MEMS device and experiences a torque when surrounded by a magnetic field. Signal detection is based on piezoresistive detection using gauges of monocrystalline silicon with nanometric section. The technological concept is also suitable for the fabrication of inertial sensors and thus a very promising approach for fabrication of inertial measurement units (IMUs). Sensor design mainly relies on a noise model. Besides technological limitations, mechanical, magnetic and thermal aspects are also taken into account. Two different methods for integration of magnetic material were explored. A first option consists in the integration of rare-earth magnets like SmCo and NdFeB, a second option is about the integration of exchange-bias coupled antiferromagnetic and ferromagnetic multilayers. The technologically challenging implentation of both approaches will be discussed with a special focus on magnetic properties of the used materials. A further part will be dedicated to the characterization of mechanical stress in thin layers, which may become problematic for the microsystems conceived in this work. Finally, sensor fabrication and fundamental characterizations will be presented as experimental proof of concept for the sensor.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Etude des mécanismes de défaillance du contact électrique dans un micro-interrupteur en technologie MEMS

A l'heure actuelle la durée de vie des micro-interrupteurs en technologie MEMS est limitée par la dégradation des matériaux assurant le contact électrique. Les phénomènes physiques mis en jeu dans de tels contacts sub-micrométriques ont été très peu étudiés. La première partie de cette thèse porte alors sur l'étude des mécanismes de défaillance d'un micro-interrupteur MEMS développé par Schneider Electric en collaboration avec le CEA-Leti. La seconde partie présente le développement d'un banc de test permettant d'évaluer l'endurance de nouveaux matériaux de contact pour le micro-interrupteur. La troisième partie porte sur l'étude des mécanismes d'établissement et d'interruption du courant lorsque l'espace inter-contacts est réduit à quelques dizaines de nanomètres. Grâce à l'utilisation d'un microscope à force atomique à pointe conductrice, il a pu être mis en évidence un phénomène d'émission électronique Fowler-Nordheim entraînant la dégradation des matériaux de contact.Currently, the lifetime of MEMS switches is limited by the degradation of the electrical contact materials. The first part of this thesis deals with the analysis of the failure modes of a MEMS switch developed by Schneider Electric in collaboration with the CEA-Leti. The second part presents the development of a setup dedicated to evaluate the endurance of new contact materials. The third part focuses on the study of the electric phenomena happening when contacts are separated from only a few tens of nanometers. Thanks to an atomic force microscope, Fowler-Nordheim electronic emission has been highlighted and leads to the da mage of the contact materials. Finally, the results of this work are used to establish a conception guidebook for highly reliable microswitches, which the next generation of devices will benefit from.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Développement de couches magnétiques dures pour MEMS (application à un microswitch magnétique bistable )

Le but de ce travail de thèse est de réaliser un microswitch magnétique bistable à base d'aimants permanents. De nouveaux designs de tels microswitch ont été dessinés afin d'obtenir à la fois des forces de contact plus élevés et des courants de commutation plus faibles que les systèmes semblables existants déjà. Des logiciels de simulations magnétiques ont été utilisés afin d'évaluer le comportement statique et dynamique de c~s micro relais. Des couches épaisses (> 1 /lm) de matériaux magnétiques durs hautes performances (NdFeB, SmCo) ont été déposées par pulvérisation cathodique triode. Cette technique de pulvérisation permet d'avoir des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces. Les conditions de dépôt et de traitements thermiques de ces couches ont été étudiés afin d'obtenir de grandes coercivités, de grandes rémanences et des textures particulières. Enfin, des briques de base technologiques ont été développées afin d'intégrer ces films magnétiques dans un process de microtechnologie et de réaliser fmalement de nouveaux microsystèmes magnétiques. Ce travail est inclus dans le projet ANR Nanomag2 dont le but final est de fabriquer des micro-relais RF pour des applications spatiales.The aim of this PhD thesis is to realize a bistable microswitch using integrated magnets. New designs of such microswitches have been drawn in order to obtain both higher contact forces and lower commutation currents compared to such existing systems. Magnetic simulation softwares have been used to assess static and dynamic behaviour of the micro-switches. Then thick films (> 1 /lm) of high performance hard magnetic materials (NdFeB, SmCo) have been deposited with triode sputtering, which enables high deposition rates on large areas. Conditions of sputtering and heat treatments were studied to get high coercivities, high remanences and special textures. Basic technological steps have been developed to integrate these magnetic films into a micro-technological process in order to finally realize new magnetic micro-systems. This work was part of the project Nanomag2 whose final goal is to fabricate a RF-microswitch for spatial applications.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Conception, modélisation et fabrication d'un micro-actionneur bistable, hors plan et magnétique

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 um en moins de 500 us et de surface inférieure à 10 mm2. L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplace verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique pui dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 uJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm2 pendant 500 us. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Conception, modélisation et fabrication d'un micro-actionneur bistable, hors plan et magnétique

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 um en moins de 500 us et de surface inférieure à 10 mm2. L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplace verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique pui dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 uJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm2 pendant 500 us. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF