Évaluation des incertitudes associées à la génération de petites forces comprises entre 100 nN et 100 µN avec des ressorts magnétiques

Évaluation des incertitudes associées à la génération de petites forces entre 100 nN et 100 µN avec des ressorts magnétiques – Application à l’étalonnage d’une plateforme dédiée à la caractérisation mécanique des ovocytes humains pour la fécondation in vitro

Contexte général

La France souffre actuellement d’un déficit important de recherche dans le domaine de la métrologie des petites forces. Cette situation est paradoxale puisque la génération et la mesure de petites forces (inférieures à 100 µN) sont nécessaires dans une grande variété d’applications telles que la microscopie à force atomique (AFM), l’évaluation des propriétés mécaniques des micro et nanostructures et surfaces. , caractérisation mécanique de biocomposants à l’échelle micro ou nano, etc. Il existe donc un besoin de recherche et développement pour que la métrologie française puisse établir des capacités d’étalonnage et de mesure (CMC) en dessous de la valeur de 1 newton qu’est la métrologie française. limite basse mentionnée dans la base de données internationale KCDB ( https://www.bipm.org/kcdb/ ). Cette problématique est actuellement abordée dans le projet TRAFALDA dirigé par l’institut FEMTO-ST. L’autre partenaire de ce projet ANR est le CNAM, via son laboratoire commun français de métrologie LNE-CNAM.

Contexte du doctorat et problématiques abordées

Cette ambition doctorale se décline en trois objectifs. Le premier est axé sur le développement d’une petite référence de force dans le vide sur une plage étendue de 100 nN à 100 µN. Le dispositif associé est un petit générateur de force situé dans une chambre à vide qui doit être amélioré afin de générer de petites forces précises avec une faible incertitude. Le deuxième objectif consiste à développer un étalon de transfert et à le qualifier métrologiquement à l’aide du dispositif précédent. Le troisième utilisera cet étalon de transfert pour qualifier métrologiquement une plateforme expérimentale de caractérisation mécanique des ovocytes humains, développée par l’institut FEMTO-ST. Cette plateforme brevetée, baptisée EGG, est située dans une salle blanche stérile du service de procréation médicalement assistée (AMP) du CHU de Besançon. Il peut mesurer des forces jusqu’à 5 µN. Les forces mesurées lors d’un essai mécanique sont généralement comprises entre 1 nN et 300 nN. Comme pour tous les capteurs de nanoforces existants, ces mesures ne sont pas traçables au Système International d’Unités et doivent donc être estimées.

Objectifs

L’institut FEMTO-ST, via son département Systèmes Automatiques et Micro-Mécatroniques, mettra à profit son
expertise dans le domaine des ressorts magnétiques auto-stabilisés et de la mesure/génération de petites forces pour réaliser le premier objectif. Le point de départ sera une plateforme existante combinant deux appareils dans une chambre à vide. Le premier dispositif est un accéléromètre 3 axes expérimental de haute précision
dont le but est d’évaluer la force d’inertie induite par les vibrations de basse fréquence et de faibles amplitudes
qui perturbent le générateur de force. Le second est un générateur de force à un axe dérivé d’une
machine à poids mort basée sur un principe électromagnétique. Ce générateur de force doit être amélioré afin de générer des forces inférieures à 1 µN dans le vide. Un apport méthodologique est également nécessaire pour améliorer l’incertitude associée aux forces générées en boucle fermée. Cette incertitude est évaluée avec une nouvelle approche développée dans une thèse de doctorat qui sera soutenue en 2024. Elle s’appuie sur la théorie du Contrôle Automatique appliquée aux systèmes dynamiques non linéaires afin d’observer des signaux d’entrée inconnus et sur l’analyse d’intervalles afin de calculer et répartir les incertitudes. .

L’étalon de transfert associé au deuxième objectif sera une microstructure de verre élastique afin d’être compatible avec la plateforme EGG. Sa microfabrication sera réalisée au centre technologique MIMENTO de l’institut FEMTO-ST par microfabrication soustractive 3D. Cet étalon sera caractérisé métrologiquement sous vide à l’aide du générateur de faibles forces afin de déterminer sa matrice de rigidité et son incertitude associée. Il sera ensuite substitué à un ovocyte pour qualifier et quantifier les performances de mesure de la plateforme EGG. Cette qualification sera réalisée lors d’un chargement mécanique de la microstructure en comparant la force calculée par la plateforme à celle déduite de la raideur et de la déformation de la microstructure.

Catégorie de financement : Contrat doctoral
soutenu par l’Agence Nationale Recherche
PHD Pays : France