Development of low frequencies, insulating thick diaphragms for power MEMS applications

Major challenges of micro thermal machines are the thermal insulation and mechanical tolerance in the case of sliding piston. Switching from piston to membrane in microengines can alleviate the latest and lead to planar architectures. However, the thermal isolation would call for very thick structures which are associated to too high resonant frequencies which are detrimental to the engine performances. A thermal and mechanical compromise is to be made. On the contrary, based on fluid structure interaction, using an incompressible fluid contained in a cavity sealed by deformable diaphragm it would be possible to design a thick, low frequency insulating diaphragm. The design involves a simple planar geometry that is easy to manufacture with standard microelectronics methods. An analytical fluid structure model is proposed and theoretically validated. Experimental structures are realized and tested. The model is in agreement with the experimental results. A dimensionless model is proposed to design hybrid fluid structures for micromachines

Récupération d'énergie à partir des vibrations ambiantes (dispositif électromagnétique et circuit électronique d'extraction synchrone)

La récupération d énergie vise à réaliser des dispositifs électromécaniques de taille centimétrique permettant d alimenter des systèmes électroniques en puisant de manière opportuniste l énergie du milieu environnant. Parmi les différentes sources disponibles (solaire,thermique etc.) les vibrations ambiantes sont susceptibles de fournir assez de puissance pour alimenter des microsystèmes autonomes tels que des noeuds de réseaux de capteurs communicants. L enjeu consiste à concevoir des microgénérateurs effectuant la conversion de cette énergie mécanique ambiante en énergie électrique exploitable de manière optimale.Ces travaux de thèse proposent dans un premier temps un critère d étude et de comparaison des performances des générateurs de types piézoélectriques ou électromagnétiques, à partir d un modèle normalisé unifié. Dans un second temps, un circuit non linéaire d extraction de l énergie est étudié pour les générateurs électromagnétiques, et ses performances sont discutées en comparaison avec un circuit classique d extraction de l énergie. A partir de ces résultats, une nouvelle structure de générateur électromagnétique est conçue, optimisée puis validée expérimentalement.Energy harvesting from ambient energy aims at realizing electromechanical miniaturized generators to supply electronic systems from energy of our local environment. Among the available sources (solar, thermal ), ambient vibrations show the requirements to supply autonomous microsystems like communication sensors nodes of sensors networks. The issue is to develop microgenerators doing the optimal conversion of the mechanical energy into usable electrical energy, and supplying the maximal power density. This works presents a criterium to compare piezoelectric systems and electromagnetic systems, based on a common normalized model. In a second part, a new nonlinear extraction circuit for electromagnetic generators is theoretically studied, and its practical advantages are highlighted in comparison with a classical extraction circuit. Based on these results, a new structure of electromagnetic generator is studied,optimized and experimentally validated.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Stabilisation et positionnement actifs précis de modules mécaniques

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1 m, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz.This thesis takes place in the framework of a general study about the stabilization of the mechanical modules of a future linear collider, CLIC (Compact Linear Collider). In order to guarantee the good operation and the particle collision, the nanometer sized beams need to be stabilized. The proposed approach was developed on two mock-ups: one dedicated to micropositioning with disturbances generation capabilities, and an active isolation system operating heavy load (up to 50kg at 300Hz) at the nanometer scale with an experimentally validated resolution of 0.15 nm. This work studies the electromechanical design and the instrumentation, the implementation of the two set-ups and their modeling,; the control scheme that takes into account the nonlinearities of the actuators. The experimental achievements include the increase of the bandwidth for piezoelectric micro-positioning thanks to an inverse hysteresis operator: the perturbation rejection is efficient until 100 Hz and the tracking control until 190 Hz. A control scheme using seismic sensors is developed to attenuate ground motion and to isolate a platform in a 12 Hz to 100 Hz frequency range. The experimental displacement is reduced from 0.6 nm to 0.25 nm at 50 Hz and from 3.7 to 0.9 at 20 Hz.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

DETC2005-85693 VIBRATION CONTROL BASED ON A PROBABILISTIC NONLINEAR PROCESSING OF THE PIEZOELEMENT OUTPUT VOLTAGE

ABSTRACT This paper deals with the so-called SSDI technique which is a semi-passive approach developed to address the problem of structural vibration damping. This technique takes advantage of an original non-linear processing of the voltage generated by piezoelements. It was shown that the original control law corresponding to the SSDI technique was optimal in the case of mono-modal solicitations. In the case of wide band multi-modal solicitation it is not ever true. This paper proposes a novel multi-modal control law for the SSDI technique. It is based on a probabilistic description of the piezovoltage and results in an optimization of the energy dissipated in the nonlinear device connected to the piezoelectric elements. INTRODUCTION The problem of structural vibration damping in many industrial sectors such as automobile, aerospace, sport equipment, measurement devices, etc, has instigated a sharp increase in research in the area of vibration control. In this field, piezoelectric materials are of main interest because they are solid state, reliable, lightweight, possess relatively high bandwidths, and consume relatively small amounts of power. These properties are ideal for operating the materials as sensors, actuators or both sensor and actuator. Piezoelectric materials are embedded in the vibrating structure. When the structure vibrates, the piezoelectric elements are stressed and convert part of the mechanical energy by piezoelectric effect. Degradation or transfer of this energy results in control and reduction of the vibration. For active vibration control, a complex system built with at least a sensor, a control unit and

A first-in-human study investigating biodistribution, safety and recommended dose of a new radiolabeled MAb targeting FZD10 in metastatic synovial sarcoma patients

Background: Synovial Sarcomas (SS) are rare tumors occurring predominantly in adolescent and young adults with a dismal prognosis in advanced phases. We report a first-in-human phase I of monoclonal antibody (OTSA-101) targeting FZD10, overexpressed in most SS but not present in normal tissues, labelled with radioisotopes and used as a molecular vehicle to specifically deliver radiation to FZD10 expressing SS lesions. Methods: Patients with progressive advanced SS were included. In the first step of this trial, OTSA-101 in vivo biodistribution and lesions uptake were evaluated by repeated whole body planar and SPECT-CT scintigraphies from H1 till H144 after IV injection of 187 MBq of 111In-OTSA-101. A 2D dosimetry study also evaluated the liver absorbed dose when using 90Y-OTSA-101. In the second step, those patients with significant tumor uptake were randomized between 370 MBq (Arm A) and 1110 MBq (Arm B) of 90Y-OTSA-101 for radionuclide therapy. Results: From January 2012 to June 2015, 20 pts. (median age 43 years [21–67]) with advanced SS were enrolled. Even though 111In-OTSA-101 liver uptake appeared to be intense, estimated absorbed liver dose was less than 20 Gy for each patient. Tracer intensity was greater than mediastinum in 10 patients consistent with sufficient tumor uptake to proceed to treatment with 90Y-OTSA-101: 8 were randomized (Arm A: 3 patients and Arm B: 5 patients) and 2 were not randomized due to worsening PS. The most common Grade ≥ 3 AEs were reversible hematological disorders, which were more frequent in Arm B. No objective response was observed. Best response was stable disease in 3/8 patients lasting up to 21 weeks for 1 patient. Conclusions: Radioimmunotherapy targeting FZD10 is feasible in SS patients as all patients presented at least one lesion with 111In-OTSA-101 uptake. Tumor uptake was heterogeneous but sufficient to select 50% of pts. for 90Y-OTSA-101 treatment. The recommended activity for further clinical investigations is 1110 MBq of 90Y-OTSA-101. However, because of hematological toxicity, less energetic particle emitter radioisopotes such as Lutetium 177 may be a better option to wider the therapeutic index. Trial registration: The study was registered on the NCT01469975 ( https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01469975 ) website with a registration code NCT01469975 on November the third, 2011

Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire

This work is focussed on vibration control and energy harvesting using embedded piezoelectric elements. Several nonlinear processing of the piezoelectric voltage are studied and developed. These techniques result in a drastic enhancement of the conversion capabilities of the piezoelectric material.Vibration control techniques are generally described as active or passive. The passive techniques consist in connecting the piezoelectric elements to a passive electrical network. The active techniques require a bulky system built with at least a sensor, a control unit and a feedback actuator. In addition, external power sources and amplifier are needed for the control unit and the actuators. The studied nonlinear techniques, called SSD for “Synchronized Switch Damping” are described as semi-passive, because they don't require any external supply but perform a smart processing of the piezovoltage. These techniques are more effective and adaptable than the passive techniques. Moreover, they are easier to integrate than active techniques and exhibit comparable performances. A new approach to analyze the energy flow in a structure damped with theses nonlinear techniques is given, and several enhancements of these techniques are proposed. A new control law for complex signals and structures is notably described.The SSD techniques have been extented to energy harvesting. The proliferation of transducers and sensors integrated in many systems indeed raises the problem of wires installation for power supplies and data transmission. This explains the growing interest in miniature electrical generators enabling to power, for instance, a wireless transducer and a small infrared or radio data transmitter. For a low consumption system placed on a vibrating structure, the extraction of electrical energy using an embedded piezoelectric device is particularly well adapted to create an autonomous electrical power supply. The energy harvesting techniques derived from the SSD approach lead to outstanding piezoelectric micro-generators, which allow to consider new self-powered devices with higher power supply requirements. It was shown that the extracted power can be multiplied by 10 compared to classical energy harvesting techniques, depending on the electromechanical structure and the mechanical excitation.Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie.On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques : les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un calculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour « Synchronized Switch Damping », sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser l'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes.Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent à un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettent d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques

De la conversion piézoélectrique à la récupération d’énergie

Research activities I lead at the SYMME laboratory of Savoie Mont Blanc University cover various applications of electromechanical conversion: modeling and control of piezoelectric actuators, vibration damping and seismic isolation, implementation of transducers in heat engines and vibration energy harvesting using piezoelectric or electromagnetic technologies. This scientific approach implies the modeling of coupled multi-physics phenomena and the systematic validation of the theoretical models by experiments. The realization of high technology readiness level prototypes and technological transfer opportunities are also considered.These activities have resulted to the realization of vibration energy harvesting devices whose purpose is to address the industrial issue of energy autonomy of distributed autonomous wireless sensors. The defense will be an opportunity to demonstrate the theoretically achievable maximum performance of an inertial vibration energy harvesting device. The electronic and mechanical developments to approach at best these performances will then be defined. The use of non-linear piezoelectric oscillators and original energy extraction circuits improves the robustness of performance with respect to the variability of the vibrational environment and electrical loading.Les activités de recherche que je mène au laboratoire SYMME de l’Université Savoie Mont Blanc couvrent différentes applications de la conversion électromécanique : modélisation et contrôle d’actionneurs piézoélectriques, amortissement vibratoire et isolation sismique, intégrations de transducteurs dans des machines thermiques et récupération d’énergie vibratoire par technologie piézoélectrique ou électromagnétique. La démarche scientifique mise en œuvre part de la modélisation multi-physique des phénomènes couplés jusqu’à la validation systématique des modèles théoriques élaborés en s’appuyant sur des approches expérimentales. La réalisation de prototypes de niveau de maturité technologique élevé et les possibilités de transfert technologique sont également abordées.Ces activités ont notamment abouti à la réalisation de dispositifs de récupération d’énergie vibratoire dont la finalité est d’apporter une réponse à la problématique industrielle de l’autonomie énergétique de capteurs autonomes communicants distribués. La soutenance de HDR sera l’occasion de démontrer les performances maximales théoriquement atteignables avec un dispositif de récupération d’énergie vibratoire inertiel. Les axes de développements électroniques et mécaniques pour approcher au mieux ces performances seront ensuite définis. L’utilisation d’oscillateurs piézoélectriques non-linéaires et de circuits électroniques d’extraction et de stockage originaux permet ainsi d’améliorer significativement la robustesse des performances vis à vis de la variabilité du gisement vibratoire et de la charge électrique

Récupération d'énergie et contrôle vibratoire par éléments piézoélectriques suivant une approche non linéaire

This work is focussed on vibration control and energy harvesting using embedded piezoelectric elements. Several nonlinear processing of the piezoelectric voltage are studied and developed. These techniques result in a drastic enhancement of the conversion capabilities of the piezoelectric material.Vibration control techniques are generally described as active or passive. The passive techniques consist in connecting the piezoelectric elements to a passive electrical network. The active techniques require a bulky system built with at least a sensor, a control unit and a feedback actuator. In addition, external power sources and amplifier are needed for the control unit and the actuators. The studied nonlinear techniques, called SSD for “Synchronized Switch Damping” are described as semi-passive, because they don't require any external supply but perform a smart processing of the piezovoltage. These techniques are more effective and adaptable than the passive techniques. Moreover, they are easier to integrate than active techniques and exhibit comparable performances. A new approach to analyze the energy flow in a structure damped with theses nonlinear techniques is given, and several enhancements of these techniques are proposed. A new control law for complex signals and structures is notably described.The SSD techniques have been extented to energy harvesting. The proliferation of transducers and sensors integrated in many systems indeed raises the problem of wires installation for power supplies and data transmission. This explains the growing interest in miniature electrical generators enabling to power, for instance, a wireless transducer and a small infrared or radio data transmitter. For a low consumption system placed on a vibrating structure, the extraction of electrical energy using an embedded piezoelectric device is particularly well adapted to create an autonomous electrical power supply. The energy harvesting techniques derived from the SSD approach lead to outstanding piezoelectric micro-generators, which allow to consider new self-powered devices with higher power supply requirements. It was shown that the extracted power can be multiplied by 10 compared to classical energy harvesting techniques, depending on the electromechanical structure and the mechanical excitation.Ce travail concerne l'étude de techniques non linéaires ayant pour effet d'augmenter considérablement l'effet de conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Les potentialités de ces techniques sont étudiées dans le cas de l'amortissement vibratoire et de la récupération d'énergie.On distingue généralement deux types de contrôle vibratoire à l'aide d'éléments piézoélectriques : les techniques passives, qui consistent à connecter un réseau électrique passif aux éléments piézoélectriques et les techniques actives qui utilisent un calculateur associé à une source d'énergie électrique. Les techniques non linéaires étudiées, appelées SSD pour « Synchronized Switch Damping », sont qualifiées de semi passives car elles ne nécessitent pas de source d'énergie externe mais effectuent cependant un traitement intelligent de la tension. Ces techniques sont beaucoup plus efficaces et adaptables que les techniques passives. Elles sont, en outre, beaucoup plus facile à implémenter que les techniques actives et présentent des performances comparables. Les travaux réalisés proposent une nouvelle approche pour appréhender les techniques SSD, ainsi que plusieurs développement de ces techniques, notamment en proposant une loi de contrôle permettant d'optimiser l'amortissement dans le cas de structures et de signaux complexes.Les techniques d'amortissement vibratoire SSD ont été adaptées à la récupération d'énergie. Il s'agit de convertir l'énergie vibratoire en énergie électrique afin de constituer des micro-générateurs d'une puissance comprise entre quelques μW et quelques centaines de mW. Ces générateurs répondent à un besoin croissant lié à la prolifération des capteurs, micro-actionneurs et autres dispositifs électroniques embarqués. Les techniques développées permettent d'accroître drastiquement les performances de ce type de micro-générateurs, ce qui permet de diminuer la quantité de matériau piézoélectrique nécessaire et d'envisager des applications nouvelles nécessitant plus d'énergie. Suivant les structures et le type de sollicitation, le gain apporté par les techniques non linéaires sur la puissance utile des micro-générateurs est plus ou moins important, et peut atteindre un facteur 10 par rapport aux techniques de récupération d'énergie classiques