Assemblage expérimental incomplet de doubles encoches

Première base expérimentale 

Une première base de travail concerne la manipulation et l’assemblage de µcomposants de géométrie simple. Les pièces de 40x40x5 µm3 sont fines, plates, d’épaisseur constante et leur contour est globalement carré. Seules quelques encoches profondes, légèrement plus larges que l’épaisseur – en théorie -, taillées sur la tranche des flancs des pièces, permettent la solidarisation des pièces entre elles. Mécaniquement, le principe d’assemblage est inspiré du méso onde. Il consiste à mettre en position grâce à des surfaces de contact complémentaires. Ces surfaces de contact apparaissent lors de l’insertion entre deux encoches pour lesquelles on a pris soin d’introduire un jeu fonctionnel « infime », et donc relativement aléatoire à cette échelle, compte-tenu du procédé de fabrication – succession d’étapes d’épitaxie, résinage, photolithographie et attaques sèches ou humides -. On rencontre ici un premier risque lié à l’incertitude de la largeur de la ou des fente(s) face à l’épaisseur du microcomposant. En cours d’insertion, la géométrie des surfaces de contact n’autorise globalement qu’un mouvement de translation orienté par l’axe des fentes qui, dans la mesure du possible, doivent être bien alignées. En quelque sorte, nous sommes en présence d’une liaison glissière. Enfin, lorsque l’insertion fait apparaître un contact entre les fonds des deux encoches, cette butée encastre les microcomposants de façon a priori instable, démontable ; elle est finalement définitive compte-tenu des forces d’adhésion qui apparaissent à travers les multiples contacts. Nous pourrions effectivement penser que l’assemblage obtenu est instable et risque de se désolidariser compte-tenu d’un arrêt uniquement unidirectionnel au fond des encoches. Mais ne perdons pas de vue qu’à cette échelle, les masses deviennent négligeables au regard des efforts surfaciques et, de ce fait, la réversibilité du  mouvement dans cette liaison glissière n’est pas effective. Selon la qualité de la réalisation des surfaces ici fonctionnelles et de l’ajustement – jeu – en présence, les efforts surfaciques de contact limitent la qualité de l’assemblage ; les frottements responsables sont probablement dûs aux forces de serrage, capillaires et de Vander-Waals. L’image suivante d’un tel micro-assemblage obtenu sur une station de notre laboratoire illustre mes propos puisque l’on observe une liaison mécanique dite « complète » bien que l’insertion, elle, soit incomplète. A ce titre, nous pouvons observer que l’insertion a abouti jusqu’à ce que le fond d’une entaille interfère avec le bord de l’autre microcomposant, diminuant ainsi de moitié l’emboitement, mais surtout réalisant un micro-assemblage sans être réellement en présence de surfaces géométriquement complémentaires – comme cela est le cas dans le mésom

Rapport d’interview et analyse de la démarche de micromanipulation, microassemblage 

 Les principales caractéristiques de ces micromanipulations suivies de microassemblages, décrites par D. Hériban, font apparaître les informations suivantes sur l’aspect principal d’une telle opération, à savoir réussir ou échouer : – Réussite, échec, aléas micromonde, savoir-faire : La première partie de cette analyse permet de rapporter les principales données relatives à la micromanipulation et au micro-assemblage, vues à travers le filtre de la notion de réussite/échec. Les échecs provenant de l’apparition de phénomènes aléatoires imputables à la physique complexe du micromonde, leur inventaire aide au développement et à l’acquisition de nouveaux savoir-faire. Pour parvenir à manipuler de tels microcomposants, il faut tout d’abord les séparer du substrat duquel ils sont solidaires. Les premiers essais pour décoller les microcomposants sont relativement médiocres puisqu’on compte en moyenne dix échecs pour une réussite. Les causes des échecs sont en général la casse de la pièce ou sa perte car elle saute au-delà du champ de vision des caméras. Puis, l’originalité du contexte liquide de PRONOMIA est intervenue pour permettre une impressionnante progression. En effet, dès lors que l’idée est apparue d’humidifier le contact entre les pièces à séparer, les proportions d’échecs ont fortement régressé avec un rapport moyen de deux échecs pour une réussite. Ainsi, l’usage d’alcool pour humidifier le contact entre les objets à séparer permet de passer d’un contexte d’efforts surfaciques de type Van der Waals à des efforts capillaires moindres, bien qu’augmentant le frottement de type visqueux. L’avantage dans l’utilisation de l’alcool concerne, notamment, son aptitude à s’évaporer relativement rapidement puisque, après séparation, le liquide disparaît de la surface en une trentaine de secondes. Cette première étape de préhension du microcomposant est indispensable, et de penser à un tel artifice d’humidification de l’interface a fortement amélioré le comportement. Après séparation du substrat, l’opération suivante consiste à transporter le microcomposant vers la zone d’assemblage en modifiant l’orientation de la pièce puis selon un cycle en U traditionnel dans les automatismes – montée, déplacement latéral, descente -. L’illustration suivante permet d’observer ces opérations et leur séquencement : 4.6- Micro-composants de la microvache et séquencement des opérations de micro-assemblage Les pièces étant par la suite assemblées par insertion entre les fentes précédemment décrites, et ne disposant que d’une unique micropince pour l’ensemble de la station, il s’agit de déposer le premier microcomposant afin de saisir le second. Dès lors, deux stratégies sont maîtrisées par notre laboratoire. La première consiste à appuyer la pièce positionnée sur la tranche contre un bloc parallépipèdique de Silicium, ce qui participe à la « Mise en position » de la pièce, démarche issue des méthodes usuelles en mécanique. La seconde solution habituellement utilisée revient à effectuer une sorte de « Maintien en position », lui aussi issu des méthodes du génie mécanique, par l’intermédiaire d’un « gel pack ». Cette substance déposée en surface de la zone d’assemblage créée une adhésion du microcomposant qui peut ainsi être lâché en toute confiance, sans crainte qu’il ne s’égare en disparaissant du champ d’observation des diverses caméras. Pour parvenir à assembler le second microcomposant, il est indispensable d’orienter la fente d’insertion du premier microcomposant, de sorte à pouvoir y glisser le SAMMI, AS2M, femto-st Eric Descourvières  second. Or, lors du micro-assemblage, seul le second microcomposant est maintenu par la micropince. Il s’agit donc d’orienter le premier microcomposant perpendiculairement à la surface de la zone de travail. Dans le mésomonde cette position serait un équilibre instable mais à l’échelle micro le faible volume et donc la masse négligeable autorise l’idée de poser une pièce sur sa tranche. Ce changement d’orientation entre la prise de la pièce, à l’occasion de sa séparation du substrat, et sa dépose sur la zone d’assemblage est source d’un nouveau savoirfaire. Après avoir glissé les doigts de la micropince sous le microcomposant pour le décoller du substrat, il s’agit de le saisir par pincement entre deux bords opposés. Pour une évidente question de stabilité de cette préhension, celle-ci s’effectue toujours par un serrage entre les deux côtés les moins éloignés. Petit rappel mécanique : tout d’abord, un paramétrage minimal s’impose, soit (xc,yc,zc) une base liée au microcomposant telle que zc soit orientée selon la faible épaisseur de la pièce.