Proposition de thèse

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1 Proposition de thèse début : septembre 2008 Laboratory for Integrated Micro Mechatronic Systems LIMMS /CNRS-IIS UMI 2820 Contact : Dominique COLLARD : collard@iis.u-tokyo.ac.jp LIMMS Home Page : Institut FEMTO-ST CNRS/UFC/ENSMM/UTBM UMR 6174 Département AS2M - Automatique & Systèmes Micro-Mécatroniques Contact : Y. Haddab, yassine.haddab@femto-st.fr

2 1. Contexte 1.1. Présentation du LIMMS et du sujet Le LIMMS est une Unité Mixte Internationale depuis avril 2004, dont les deux tutelles sont le CNRS/département ST2I et l Institut des Sciences Industrielles (IIS) de l Université de Tokyo. Le laboratoire accueille en son sein 12 professeurs de cette Université (Host-Professors). Ces professeurs hébergent au sein de leur groupe les chercheurs français, voire européens affectés au LIMMS. En mars 2008 le LIMMS accueillait: 5 chercheurs CNRS, 2 ITA CNRS, 5 post-doctorants JSPS et 2 post-doctorants CNRS. La politique scientifique du LIMMS se décline en trois axes scientifiques: MEMS avancés, Nanotechnologie et Bio-MEMS. Des informations plus détaillées sur les différents projets sont disponibles sur le site web du laboratoire. Proposition de thèse pour 3 ans à compter de Sept 2008 soutenue par une bourse BDI CNRS. Le LIMMS propose une thèse soutenue par une bourse BDI CNRS pour une durée de 3 ans. Le sujet concerne la conception, la réalisation en salle blanche et la commande de micro-pinces instrumentées à actionnement électrostatique permettant l étude du comportement mécanique et électrique de brins d ADN. L analyse des caractéristiques de l ADN représente aujourd hui des enjeux économiques et stratégiques majeurs. Des travaux préliminaires ont été effectués et des premiers prototypes de micro-pinces ont été réalisés [1][2]. Les principaux objectifs de cette thèse sont explicités ci-dessous. Concevoir de nouvelles versions de micro-pinces adaptées à l étude de l ADN en milieu liquide. Fabriquer ces micro-pinces en salle blanche. Etudier l interaction entre les micro-pinces et le milieu liquide dans les cas : immergé et semiimmergé. Caractériser le comportement des la micro-pinces et définir une commande adaptée. Compte-tenu des spécificités des microsystèmes (forte sensibilité à l environnement, bruits, etc.) des méthodes de commande robuste pourraient être mises en œuvre. Analyse de brins d ADN en milieu liquide. Le sujet sera précisément défini par le responsable du projet qui prendra en compte l'état d avancement du projet, le profil de formation du candidat et ses motivations Présentation du partenariat Le candidat sera inscrit dans une école doctorale en France (école doctorale SPIM de l université de Franche-Comté) et un accord sera passé entre cette école doctorale et la direction du laboratoire. Sur les 3 ans de la thèse, 2 ans devront se dérouler sur le site de Tokyo. Cette thèse s inscrit dans le cadre d une collaboration entre le LIMMS et le département AS2M (Automatique et Systèmes Micro-Mécatroniques) de FEMTO-ST dans lequel le candidat devra passer 1 an pour y réaliser les travaux de commande des micropinces. Le département AS2M mène depuis quelques années des travaux de recherche sur la commande des microsystèmes et des microrobots [3-9].

3 L'institut FEMTO-ST (Franche-Comté Electronique Mecanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies) est une Unité Mixte de Recherches associée au CNRS (UMR 6174) et rattachée simultanément à l'université de Franche-Comté (UFC), l'ecole Nationale Supérieure de Mécanique et de Microtechniques (ENSMM), et l'université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM). FEMTO-ST a été créé le premier janvier 2004 par la fusion de 5 laboratoires de Franche- Comté actifs dans les domaines de la mécanique, de l'optique et des télécommunications, de l'électronique, du temps-fréquence, de l'énergétique et de la fluidique. En 2008, de nouvelles thématiques et donc de nouvelles équipes intègrent l institut. Elles viennent compléter ou renforcer le panel déjà riche de FEMTO-ST dans les domaines de l automatique et de la microrobotique, des matériaux et surfaces et de l énergie. L'effectif total de FEMTO-ST est aujourd hui d'environ 500 personnes dont 270 permanents (175 chercheurs ou enseignants chercheurs et 95 ingénieurs, techniciens et administratifs). Les recherches sont conduites avec l'aide de 180 doctorants qui reçoivent ainsi une formation de haut niveau par la recherche. 2. Profil souhaité Le candidat devra avoir de bonnes connaissances en mécanique et en automatique ou être issu d une filière EEA. Comment postuler - Envoyer un CV en anglais à Dominique Collard, Directeur du LIMMS qui précise clairement votre formation et votre intérêt scientifique: collard@iis.u-tokyo.ac.jp objet du LIMMS BDI - Donner les coordonnées d un Professeur référant en France - Date limite d envoi des dossiers : 15 Mai Les dossiers seront évalués et une réponse définitive sera prise et transmise le 31 mai Références [1] Christophe Yamahata, Tetsuya Takekawa, Momoko Kumemura, Maho Hosogi, Gen Hashiguchi, Dominique Collard and Hiroyuki Fujita, Electrical and Mechanical Characteristics of DNA Bundles Revealed by Silicon Nanotweezers, the 14 th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, pp , June , [2] C. Yamahata, T. Takekawa, K. Ayano, M. Hosogi, M. Kumemura, B. Legrand, D. Collard, G Hashiguchi, and H. Fujita, Silicon Nanotweezers with Adjustable and Controllable Gap for the Manipulation and Characterisation of DNA Molecules, Proceedings of 2006 International Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology, Okinawa, Japan, pp , 9-12 May 2006 [3] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz Quadrilateral Modeling and Robust Control of a nonlinear Piezoelectric Cantilever IEEE Transactions on Control Systems Technology (accepté, à paraître) [4] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz Voltage/frequency proportional control of stick-slip Microsystems IEEE Transactions on Control Systems Technology (accepté, à paraître) [5] Y. Haddab, Q. Chen, P. Lutz, G. Munz A Low Cost Coarse/Fine Piezoelectrically Actuated Microgripper With Force Measurement EUSPEN (European Society for Precision Engineering and Nanotechnology) 7th International Conference, 20th May-24th May 2007, Bremen, Germany. [6] Micky Rakotondrabe, Yassine Haddab, Philippe Lutz

4 High-stroke motion modelling and voltage/frequency proportional control of a stick-slip Microsystems. Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA'07, pp , avril 2007, Rome, Italie. [7] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz Nonlinear Modeling and estimation of force in a piezoelectric cantilever Proc. Of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM 07, 4-7 septembre 2007, Zurich, Suisse. [8] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz Modelling and Hinfinity force control of a nonlinear piezoelectric cantilever Proc. Of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 07, 29 octobre 2 novembre 2007, San Diego, CA, USA. [9] Micky Rakotondrabe, Yassine Haddab, Philippe Lutz Plurilinear modeling and discrete µ- synthesis control of a hysteretic and creeped unimorph piezoelectric cantilever IEEE - ICARCV (Internationl Conference on Automation, Robotics, Control and Vision), pp ,Singapour 2006.

5 Annexe : informations complémentaires concernant les travaux déjà entrepris et les premiers prototypes de micro-pinces Integrated Micro-actuator with ultimate accuracy for nanosystem development - towards direct DNA manipulation and characterization Résumé Dominique Collard,, Hiroyuki Fujita L'objectif du projet global est de démontrer, pour la première fois la capture, la manipulation et la caractérisation de molécules uniques grâce à une micro-pince en silicium réalisée en technologie microsystème. La molécule d'adn étant, dans un premier temps, la molécule cible. Des fibres d'adn sont capturées grâce à l'immersion des micro-pinces dans une micro gouttelette contenant l'adn en solution, ces fibres sont ensuite caractérisées mécaniquement et électriquement grâce aux capteurs intégrés dans le manipulateur MEMS. Le but de cette proposition de thèse est d'obtenir les sensibilités ultimes de la micro-pince en terme de déplacement et de capteur de force qui permettent la détection de la molécule unique (< 50 pn). Ces caractéristiques ultimes seront possibles grâce à une optimisation des lois de commande de la micro-pince. The overall objective of this project is to demonstrate, for the first time, the single molecule manipulation and characterization by micromachined silicon based tweezers, DNA strand being the targeted molecule. DNA bundles are routinely trapped by tweezers immersion in a microdroplet of DNA solution, the bundles are subsequently characterized electrically and mechanically thank to the sensors integrated in the MEMS tweezers. The goal of this PhD proposal is to improve the sensitivity of the tweezers to research performance allowing single molecule sensing in term of displacement or force (< 50 pn). This ultimate characteristics will be forseen thanks to the optimization of the tweezers commands of the tweezers. Silicon tweezers The fine mechanical behavior of the DNA bundles has been measured by silicon based tweezers. The silicon tweezers consist of two sharp tips that act as electrodes for dielectrophoresis to trap the DNA bundle. One electrode is fixed, while the other is actuated with a comb drive actuator. The gap between the electrodes can be monitored in real time thanks to a differential transverse capacitor that measures the relative displacement of the moving electrode. Compensation spring structure was also implemented in order to force a pure translation (no rotation) displacement of the moving arm. This design gives a mechanical stiffness of the arm with respect to the motion direction close to 35 N/m. The tweezers is presented in Fig.1 with a SEM picture of a trapped bundle. A new generation of tweezers and implementation of low noise displacement sensing by lock-in amplifier permits to reach 0.1 nm accuracy, less than the DNA base pair spacing, Fig 2(a). The bundles behave as a visco-elastic rope in the 15% deformation range as shown in static and frequency response analysis Fig. 2 (b-c). But even if the displacement resolution is in the 0.1 nm range accuracy, it is obtained on arm stiffness of 30 N/m. So that the force resolution is 3 nn, still more than 10 time the requirement to sense a single molecule (10 pn). So by optimization the command law with robotics concept, the accuracy is foreseen to be improved.

6 Figure 1. DNA nanotweezers. (a) 3D schematic view of the design. (b) Camera photograph of the processed device (c) Close-up view of the comb drive actuation patterns obtained by SEM imaging. Right : SEM view of a trapped DNA bundle.. Figure 2: Mechanical characterisation of DNA bundles. (a) Characterisation of bare tweezers (without DNA), the electrostatic actuation sensing give a 0.1 nm accuracy : gap spacing vs. actuation voltage (b) Tweezers displacement without DNA (black) and with 2 different bundles. The added rigidity by the bundles is clearly shown (c) Frequency response of the tweezers with and without the DNA bundles. The visco elastic model of the bundle can be easily extracted. Travaux préliminaires réalisés au département AS2M sur la commande des micropinces Yassine Haddab et Basile Uccheddu

7 Des travaux préliminaires sur la commande des micropinces fabriquées au LIMMS ont montré que le comportement statique et dynamique de ces pinces est fortement influencé par les conditions environnementales (température, taux d humidité, flux divers, etc.) et est très sensible au bruit (en effet, à ces échelles le rapport signal/bruit est très défavorable). Ces travaux on également montré la pertinence des méthodes de commande robuste pour obtenir des performances compatibles avec l exécution de tâches précises dans le micromonde. Ces travaux ont notamment fait l objet d un stage de Master dont le rapport est disponible à l Université Claude Bernard de Lyon (Basile Uccheddu, Identification et commande d une micropince «nanotweezer» à résolution nanométrique, rapport de Master SIDS spécialité gestion des systèmes automatisés, année 2007, université Claude Bernard de Lyon).