Étude sur une micro-pince basée sur des bimorphes Al-SiO₂ à entraînement électrothermique

Contexte académique

Les micro-pinces (microgrippers) jouent un rôle crucial dans l’assemblage et la manipulation à l’échelle micrométrique et nanométrique, avec des applications étendues dans les domaines de la microélectronique, des MEMS (systèmes micro-électromécaniques) et du génie biomédical. Pour garantir la manipulation sûre de matériaux fragiles et de micro-objets, une micro-pince doit être conçue pour fonctionner avec une précision exceptionnelle, une réponse rapide, une facilité d’utilisation, une fiabilité élevée et une faible consommation d’énergie. Bien que plusieurs micro-pinces basées sur différents mécanismes d’entraînement aient été développées, tels que l’entraînement électrostatique, magnétique et optique, ces technologies présentent encore certaines limitations, comme la nécessité de sources lumineuses spécifiques pour les micro-pinces optiques, des tensions élevées pour les micro-pinces électrostatiques, et des systèmes complexes de génération de champs magnétiques pour les micro-pinces magnétiques. Par conséquent, le développement d’une micro-pince haute performance, compacte, facile à utiliser et largement applicable reste d’une grande importance.

Les micro-pinces à entraînement électrothermique ont attiré l’attention en raison de leur structure simple, de leur faible tension d’entraînement et de leur capacité à réaliser des déformations structurelles significatives. L’équipe de recherche a développé une micro-pince à entraînement électrothermique basée sur des bimorphes Al-SiO₂, offrant une grande déformation, une réponse rapide, une facilité d’utilisation, une force de préhension élevée et une stabilité accrue, adaptée à diverses applications d’assemblage et de manipulation microscopiques, en particulier dans le domaine de l’emballage électronique.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Hengzhang Yang, Yao Lu, Yingtao Ding et al., issus de l’École des circuits intégrés et de l’électronique de l’Institut de technologie de Pékin et du Centre de recherche sur les microsystèmes intégrés acousto-optiques-électroniques du ministère de l’Éducation de Chine. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering, sous le titre “A microgripper based on electrothermal Al–SiO₂ bimorphs”.

Processus de recherche et résultats

1. Conception et principe de fonctionnement de la micro-pince

Le cœur de la micro-pince est un actionneur bimorphe électrothermique (bimorph actuator), composé de deux matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique (CTE) très différents (Al et SiO₂). Lorsqu’une tension est appliquée, les deux matériaux se dilatent de manière inégale, générant des contraintes qui provoquent la flexion de la structure, permettant ainsi l’ouverture et la fermeture de la micro-pince. En raison des contraintes résiduelles induites lors de la fabrication, la micro-pince se trouve naturellement dans un état fermé, et le passage entre les états ouvert et fermé peut être facilement contrôlé par la température.

Détails de conception :

• Actionneur bimorphe : La grande différence de CTE entre Al et SiO₂ permet une déformation significative.
• Résistance chauffante : Une résistance en Pt est intégrée dans le bimorphe pour convertir l’énergie électrique en chaleur par effet Joule, entraînant la déformation de la structure.
• Contrôle indépendant : Chaque actionneur est équipé d’une résistance chauffante indépendante, permettant un contrôle précis.

2. Procédé de fabrication

La fabrication de la micro-pince utilise un procédé de microfabrication unique, comprenant les étapes suivantes : 1. Dépôt et gravure de SiO₂ : Une couche de SiO₂ de 400 nm est déposée sur une plaquette de silicium, puis gravée par gravure ionique réactive (RIE). 2. Dépôt et décapage de Pt : Une couche de Pt de 100 nm est déposée par pulvérisation, puis gravée par décapage. 3. Dépôt de couche isolante : Une couche de SiO₂ de 100 nm est déposée pour assurer l’isolation électrique entre Pt et Al. 4. Dépôt et gravure de Al : Une couche de Al de 500 nm est déposée, puis gravée par RIE pour définir les actionneurs et les circuits. 5. Étape de libération : Le silicium sous les actionneurs est gravé à l’aide de SF₆, permettant la libération rapide des actionneurs.

3. Résultats expérimentaux

3.1 Caractéristiques de déformation de la micro-pince

Les expériences montrent que la micro-pince peut atteindre une déformation de plus de 100 degrés sous une tension de 5 V, avec un temps de réponse inférieur à 10 ms. En ajustant la tension d’entraînement, l’angle de déformation de la micro-pince peut être contrôlé avec précision. De plus, les quatre actionneurs de la micro-pince peuvent être contrôlés indépendamment, permettant plusieurs modes de fonctionnement.

3.2 Expérience de préhension

La micro-pince a réussi à saisir des microbilles de PMMA de 500 μm de diamètre, et sa force de préhension a été validée par des tests de vibration et d’impact. Lors des tests de vibration, la micro-pince a pu supporter une accélération moyenne de 35 g ; lors des tests d’impact, elle a résisté à des accélérations supérieures à 1600 g, démontrant des performances de préhension exceptionnelles.

3.3 Test d’application

La micro-pince a réussi à effectuer des opérations de “pick-and-place” sur des billes de soudure de 400 μm de diamètre, démontrant son potentiel dans le domaine de l’emballage électronique.

4. Discussion et améliorations

Bien que la micro-pince présente des performances exceptionnelles, il existe encore des possibilités d’amélioration. Par exemple, l’espace entre les actionneurs adjacents est relativement grand, ce qui peut affecter la saisie d’objets plus petits. L’introduction de la technologie de vias traversants (TSV) pourrait améliorer l’intégration de l’appareil. De plus, la distribution thermique inégale des actionneurs entraîne une température plus faible à la base, affectant la déformation. À l’avenir, l’utilisation de matériaux d’isolation thermique pourrait résoudre ce problème.

Conclusion

Cette étude a développé une micro-pince à entraînement électrothermique basée sur des bimorphes Al-SiO₂, offrant des avantages tels qu’une faible tension d’entraînement, une grande déformation et une réponse rapide, adaptée à diverses applications de micromanipulation. Les tests de vibration et d’impact ont validé ses excellentes performances de préhension et sa fiabilité. Cette micro-pince a un large potentiel d’application, en particulier dans le domaine de l’emballage électronique.

Points forts de la recherche

1. Grande déformation et réponse rapide : La micro-pince peut atteindre une déformation de plus de 100 degrés sous une tension de 5 V, avec un temps de réponse inférieur à 10 ms.
2. Force de préhension élevée : Lors des tests de vibration et d’impact, la micro-pince a démontré des performances de préhension exceptionnelles, résistant à des accélérations allant jusqu’à 1600 g.
3. Contrôle indépendant : Les quatre actionneurs peuvent être contrôlés indépendamment, permettant des modes de fonctionnement flexibles.
4. Applications étendues : La micro-pince a été utilisée avec succès pour des opérations de “pick-and-place” sur des billes de soudure, démontrant son potentiel dans des applications pratiques.

Importance de la recherche

Cette recherche fournit une micro-pince haute performance pour le domaine de la micromanipulation, offrant des avantages tels qu’une faible tension d’entraînement, une grande déformation et une réponse rapide, adaptée à diverses applications d’assemblage et de manipulation microscopiques. En particulier dans le domaine de l’emballage électronique, cette micro-pince permet des opérations de haute précision sur des billes de soudure, offrant une valeur applicative importante.