Brevet FR2644290A1 — publié le 19900914

i MICROMANIPULATEUR'. L'invention concerne un micromanipulateur pour le déplacement d'un porteéchantillon selon différents degrés de liberté à l'aide d'organes de déplacement montés sur des souf- flets élastiques qui servent à transmettre des mouvements à travers une paroi. Un tel micromanipulateur peut être utilisé sous vide ou ultravide ou dans des atmosphères contrôlées. Un micromanipulateur de ce genre est décrit dans le document DD 243 235 A1. Il permet d'opérer sous vide le po- sitionnement d'objets devant plusieurs appareils d'analyse. Le déplacement peut être effectué selon trois mouvements de translation orthogonaux et selon une rotation. Les trois mou- vements de translation sont obtenus à partir de mouvements initiaux de rotation qui sont transformés en mouvements de translation à l'aide de vis filetées agissant sur des guidages prismatiques et des guidages à billes. Selon une des direc- tions, la transformation de la rotation en translation est ef- fectuée à l'aide d'un couple rouleau/clavette. Le mouvement de rotation du porte-échantillon est obtenu à l'aide d'un passage tournant qui se déplace dans un soufflet métallique à l'aide d'un mécanisme dit en 'queue de cochon". L'ensemble des orga- nes permettant les déplacements est placé sur un soufflet mé- tallique qui permet la transmission des mouvements et qui as- sure l'étanchéité entre l'atmosphère et le milieu sous vide. Ainsi à l'extrémité du passage tournant un échantillon peut être positionné devant différents appareils d'analyse avec une possibilité d'indexation en rotation selon des angles prédé- terminés, ce qui permet de conserver les autres réglages. Mais un tel micromanipulateur est très volumineux avec des commandes placées selon des orientations multiples. De plus un des soufflets opère en torsion ce qui peut être préjudiciable à son fonctionnement. De plus les possibilités de rotation sont limitées en particulier il n'est pas possible d'examiner un point d'un échantillon, porté par le porte- échantillon, selon différentes inclinaisons. Le problème posé par l'invention est de réaliser un micromanipulateur qui soit le plus compact possible, qui offre plusieurs degrés de liberté en translation et en rota- tion avec de fortes amplitudes et une grande précision et qui transmet les commandes initiales en évitant d'exercer des for- ces de torsion sur les soufflets. Il doit assurer une position très stable de l'échantillon et pouvoir être aisément comman- dable de l'extérieur afin de permettre un fonctionnement pro- grammable. La solution à ce problème posé consiste en ce que les organes de déplacement sont mus par des tiges de transmis- sion, chaque tige étant solidaire axialement d'un soufflet é- lastique, les tiges de transmission opérant en translation pa- rallèlement à une direction unique sous l'action de moyens de translation qui communiquent des commandes initiales à trans- mettre. Les organes de déplacement peuvent faire subir au porteéchantillon des déplacements en rotation. Celle-ci peut s'effectuer autour d'un axe perpendiculaire au plan de la face du porte-échantillon destinée à recevoir l'échantillon. La ro- tation peut aussi s'effectuer en inclinant ce plan par rapport à une position initiale. Les-organes de déplacement peuvent aussi faire subir au porte-échantillon des déplacements en translation soit dans le plan ou perpendiculaire à ladite face du porte- échantillon. Le micromanipulateur est destiné en premier lieu à positionner un échantillon sous ultra-vide devant un appa- reil d'analyse tel qu'un analyseur par spectroscopie des photoélectrons issus de rayons X (X ray photoelectron spectroscopy XPS en Iangue anglaise). Mais il est possible de l'utiliser avec d'autres types d'appareils d'analyse ou- pour d'autres milieux ambiants par exemple des atmosphères protégées. Il permet d'opérer avec des échantillons de grandes dimensions (donc de masse élevée pour ce type d'application) grice aux grandes amplitudes de déplacement qu'il permet. Il est possible de positionner un point situé à la surface de l'échantillon par rapport à un faisceau d'analyse et de faire varier l'angle d'incidence en ce point. On peut également obtenir une rotation propre de l'échantillon. L'invention sera mieux comprise à l'aide des fi- gures suivantes données à titre d'exemplenon limitatif qui représentent: figure 1: un schéma d'un micromanipulateur et d'un porte-échantillon disposant de deux déplacements en rota- tion et de deux déplacements en translation figure 2: un schéma d'un premier mode de réali- sation d'un micromanipulateur selon l'invention comportant deux déplacements en rotation et deux déplacements en transla- tion figure 3: un schéma d'un second mode de réalisa- tion d'un micromanipulateur avec les mêmes degrés de liberté que pour la figure 1. La figure 1 est un schéma très simplifié d'un mi- cromanipulateur 10, pris à titre d'exemple, ayant 4 degrés de liberté. Sous l'action des tiges de transmission 11, 112, 113, les organes de déplacement vont opérer une translation X, une rotation a et une rotation b du porte-échantillon 12 par rapport à un faisceau incident d'analyse 13. Un échantillon 14 est posé sur la face 15 du porte-échantillon 12. Le porte- échantillon peut subir une rotation a autour d'un axe perpen- diculaire à la face 15. De même le porte-échantillon peut su- bir une rotation b qui incline la face 15 par rapport au fais- ceau incident 13. Les deux rotations s'effectuent autour du point d'impact A du faisceau 13, lorsque le point A est au croisement des deux axes de rotation. La figure 2 représente un schéma d'un premier mode de réalisation d'un micromanipulateur selon l'invention permettant d'assurer les 4 degrés de liberté indiqués sur la figure 1. Les tiges de transmission 111, 112, 113 transmettent des mouvements de translation en faisant participer trois soufflets élastiques 211, 212, 213. Ces soufflets sont desti- nés à assurer l'étanchéité entre deux zones 1, 2 isolées l'une de l'autre. Dans le cas présent il s'agit d'un appareillage à ultra-vide, la zone 1 étant placée sous atmosphère et la zone 2 étant placée sous ultra-vide. La séparation est effectuée par les soufflets 211, 212, 213 et par une bride 22 fixée sur une enceinte 37. Un autre soufflet 23, dont le rôle sera dé- crit ci-après, peut participer également à l'isolation des deux zones. Les deux mouvements de rotation a et b sont assu- rés par les tiges 1 et 112 et le mouvement de translation par la tige 113. Les tiges sont translatées par des moyens de translation 24 et elles agissent sur le porte-échantillon à l'aide d'organes de déplacement 26. Pour opérer les deux rotations, les tiges 111 et 112 agissent respectivement sur des crémaillères 251 et 252. Chaque crémaillère 251, 252, à l'aide d'un arbre 271, 272, en- traine des pignons cylindriques 281, 282, 291, 292 et un pi- gnon conique 301, 302. Ainsi pour transformer les translations des tiges de transmission en rotation du porte-échantillon, les organes de déplacement comprennent une crémaillère couplée à un pignon cylindrique muni d'un arbre qui entraîne au moins un pignon qui met en rotation le porte-échantillon. Les deux pignons coniques 301, 302 peuvent tour- ner soit dans le même sens, soit dans des sens opposés et in- tervenir simultanément sur le support 31. Cette double possibilité est permise en soumet- tant les tiges de transmission 111, 112 à des translations soit dans la même direction soit dans des directions opposées. Ainsi les tiges de transmission peuvent se dépla- cer simultanément dans des directions opposées de sorte que les pignons engrennés au porte-échantillon tournent dans des sens de rotation différents provoquant ainsi une rotation du porte-échantillon autour d'un axe perpendiculaire à son plan. De mème les tiges de transmission peuvent se dé- placer simultanément dans la même direction de sorte que les pignons engrennés au porte-échantillon tournent dans le même sens de rotation provoquant ainsi une rotation du porte-échan- tillon en inclinant son plan par rapport à une position ini- tiale. Les sens de rotation des pignons sont décrits par rap- port à une direction donnée. Les translations des tiges de transmission sont imposées par des moyens de translation 24. Pour faire se dé- placer les tiges de transmission 111, 112 dans des sens inver- sés, les moyens de translation 24 comprennent une vis 32 à double gorge à pas inversé. Les tiges 111, 112 possèdent à leur extrémité chacune un ergot 331, 332 qui se déplace res- pectivement dans l'une et l'autre gorge. Ainsi par la rotation dans un sens ou dans l'autre de la vis 32 il est possible de mettre le porteéchantillon en rotation dans un sens ou dans l'autre. La mise en rotation de la vis 32 est effectuée par le pignon 342 commandé en rotation par le moteur 362. Pour obtenir le déplacement des tiges 111 et 112 dans la même direction il suffit de translater la vis 32 à l'aide de la vis 87 et des pignons 351 et 341. Un moteur 361 peut mettre en rotation le pignon 341. Ainsi pour générer deux rotations du porte-échan- tillon à partir de commandes initiales de rotation, le micro- manipulateur comprend deux soufflets élastiques dont chaque tige de transmission est mise en translation par des moyens de translation qui comprennent, pour la translation inversée, un premier ergot solidaire de l'extrémité de la première tige qui se déplace dans une des gorges d'une vis à double gorge à pas inversé et un deuxième ergot solidaire de l'extrémité de la seconde tige qui se déplace dans l'autre gorge, la vis étant mue en rotation par les commandes initiales de rotation et pour la translation des tiges dans le mêmne sens, un système à vis/écrou solidaire de la vis 32 et qui la déplace axiale- ment. L'amplitude du déplacement des tiges est déterminée par les extrémités des deux gorges. Il ne se produit ainsi aucune interférence entre les deux rotations a et b. Le mouvement de translation de la face du support d'échantillon dans son plan dans une direction X est obtenu à l'aide de la tige de transmission 113. Elle déplace une cré- maillère 40 qui agit sur un pignon cylindrique 41 ayant le mê- me axe qu'un pignon cylindrique 42 qui agit sur une crémaillè- re 43. Ainsi pour transformer les translations des tiges de transmission en-des translations du porte-échantillon dans une direction différente, les organes de déplacement compren- nent une crémaillère couplée à un pignon cylindrique coaxial avec un autre pignon cylindrique qui entraîne une autre cré- maillère qui déplace en translation le porte-échantillon. Il est possible de doubler lenombre d'éléments pour translater le porteéchantillon dans deux directions différentes X et Y. La tige de transmission 113 peut être déplacée en translation à partir de commandes initiales de rotation qui sont transformées à l'aide d'un mécanisme à vis. et écrou mobi- les. Il est possible que le porte-échantillon subisse soit des déplacements en rotation soit des déplacements en translation. Il est également possible de combiner ces deux types de déplacement, pour cela les arbres 271, 272 sont can- nelés de sorte que les pignons 281, 282, 291, 292, 301, 302 et le plateau 31 peuvent glisser le long de ces arbres lorsque la crémaillère 40 impose un mouvement de translation au porte- échantillon. Ainsi les organes de déplacement peuvent faire subir au porte-échantillon des déplacements en rotation et des déplacements en translation, I'arbre qui communique la rota- tion au porte-échantillon étant cannelé pour assurer un glis- sement longitudinal, sur sa périphérie, des pignons qu'il en- traine. Selon le schéma de la figure I on obtient un mi- cromanipulateur pour lequel les réglages en rotation a et b sont indépendants c'est-à-dire qu'une légère modification d'un des réglages n'a pas d'incidence sur l'autre. Selon la figure 3 il est possible de disposer d'une réalisation simplifiée o cette caractéristique n'est pas totalement satisfaite. Dans ce cas une modification d'un des réglages en rotation nécessite de retoucher l'autre régla- ge en rotation. La figure 3 reprend toutes les caractéristi- ques de la figure 2 à l'exception des points suivants qui concernent uniquement les 2 rotations. Les moyens de translation ne possèdent plus la vis 32. Les tiges 111 et 112 sont commandées individuelle- ment. Elles disposent pour cela chacune d'un mécanisme à vis/écrou mobiles 501, 502 pour opérer à partir de commandes initiales de rotation. Les organes de déplacement ne possèdent plus le pignon conique 301 opérant en coopération avec le pignon 302. Sur la figure 3, le pignon 301 est remplacé par un pignon droit 51 qui est entraîné par les pignons 291, 281, par l'axe 271 et la crémaillère 251. Pour permettre un déplacement selon une direction Z perpendiculaire, (lorsque celle-ci n'est pas inclinée), à la face 15 (figure 1) du porteéchantillon, il est possible de placer les trois soufflets 211, 212, 213 sur un soufflet 23 qui se déplace également en translation dans la mème direction. Ainsi l'ensemble constitué par les organes de déplacement 26, les soufflets 211, 212, 213, les tiges de transmission 111, 112, 113 et les moyens de translation 24 peuvent en bloc se déplacer dans la direction Z. Les commandes initiales qui actionnent les tiges de transmission 111, 112, 113 peuvent être des commandes de translation. Elles peuvent être générées par des vérins. Préférentiellement les moyens de translation 24 sont destinés à générer un mouvement de translation des tiges de transmission 111, 112, 113 à partir de commandes initiales en rotation comme cela a été décrit ci-dessus. Dans ce cas les commandes initiales en rotation peuvent être générées par des moteurs. Ceci permet une programmation du fonctionnement du micromanipulateur. Un tel micromanipulateur peut recevoir des échan- tillons d'un diamètre de 50,8 mm avec une rotation a dans le plan variant de 0 à 360' avec une précision de 0,1'. La ro- tation b peut être effectuée entre -30* et 60' avec une préci- sion de 0,1'. La translation X atteint 12,5 mm avec une précision de 0,02 mm et la translation Z peut atteindre mm avec une précision de 5 microns. Il peut supporter des températures atteignant environ 150"C. Le porte-échantil- lon peut être isolé électriquement à l'aide d'une plaque céra- mique fixée au porte-échantillon 31. Les axes de rotation sont alors définis en conséquence. REVENDICATIONS: 1. Micromanipulateur pour le déplacement d'un porte- échantillon selon différents degrés de liberté à l'aide d'or- ganes de déplacement fixés à des soufflets élastiques- qui par- ticipent à la transmission de mouvements à travers une paroi caractérisé en ce que les organes de déplacement sont mus par des tiges de transmission, chaque tige étant solidaire axiale- ment d'un soufflet élastique, les tiges de transmission opé- rant en translation parallèlement à une direction unique sous l'action de moyens de translation qui communiquent des comman- des initiales à transmettre. 2. Micromanipulateur selon la revendication 1 carac- térisé en ce que les organes de déplacement font subir au porte-échantillon des déplacements en rotation. 3. Micromanipulateur selon la revendication 2 carac- térisé en ce que pour transformer les translations des tiges de transmission en rotation du porte-échantillon, les organes de déplacement comprennent une crémaillère couplée à un pignon cylindrique muni d'un arbre qui entraine au moins un pignon qui met en rotation le porte-échantillon. 4. Micromanipulateur selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il permet deux rotations du porte-échan- tillon. 5. Micromanipulateur selon la revendication 4 carac- térisé en ce que les tiges de transmission se déplacent simul- tanément dans la même direction de sorte que les pignons en- grennés au porte-échantillon tournent dans le même sens de ro- tation provoquant ainsi une rotation du porte-échantillon en inclinant son plan par rapport à une position initiale. 6. Micromanipulateur selon les revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que les tiges de transmission se déplacent simultanément dans des directions opposées de sorte que les pignons engrennés au porte-échantillon tournent dans des sens de rotation différents provoquant ainsi une rotation du porte- échantillon autour d'un axe perpendiculaire à son plan. 7. Micromanipulateur selon la revendication 6 carac- térisé en ce que pour générer deux rotations du porte-échan- tillon à partir de commandes initiales de rotation, le micro- manipulateur comprend deux soufflets élastiques dont chaque tige de transmission est mise en translation par des moyens de translation qui comprennent pour la translation inversée un premier ergot solidaire de l'extrémité de la première tige qui se déplace dans une des gorges d'une vis à double gorge à pas inversé et un deuxième ergot solidaire de l'extrémité de la seconde tige qui se déplace dans l'autre gorge, la vis étant mue en rotation par les commandes initiales de rotation et pour la translation des tiges dans le même sens, un système à vis/écrou solidaire de la vis et qui la déplace axialement. 8. Micromanipulateur selon les revendications 5 à 7 caractérisé en ce que les mouvements des tiges de transmission selon les revendications 5 et 6 sont permutés. 9. Micromanipulateur selon une des revendications 3 à 7 caractérisé en ce que les moyens de translation transfor- ment des commandes initiales de rotation à l'aide d'un méca- nisme à vis et écrou mobile. 10. Micromanipulateur selon la revendication 1 carac- térisé en ce que les organes de déplacement font subir des dé- placements de translation au porte-échantillon dans son plan. 11. Micromanipulateur selon la revendication 10 ca- ractérisé en ce que pour transformer les translations des ti- ges de transmission en des translations du porte-échantillon dans une direction différente, les organes de déplacement com- prennent une crémaillère couplée à un pignon cylindrique coaxial avec un autre pignon cylindrique qui entraîne une autre crémaillère qui déplace en translation le porte-échan- tillon. 12. Micromanipulateur selon une des revendications 10 ou 11 caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes d'organes de déplacement pour translater le porte-échantillon selon deux directions différentes X et Y. 13. Micromanipulateur selon une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que les tiges de transmission sont dé- placées en translation à partir de commandes initiales de ro- tation qui sont transformées à l'aide d'un mécanisme à vis et écrou mobiles. 14. Micromanipulateur selon une des revendications 1 à 7 ou une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que les commandes initiales sont des commandes de translation ob- tenues à l'aide d'un vérin. 15. Micromanipulateur selon une des revendications 8, 9 ou 13 caractérisé en ce que les commandes initiales de rota- tion sont obtenues à l'aide d'un moteur. 16. Micromanipulateur caractérisé en ce que les orga- nes de déplacement font subir au porte-échantillon des dépla- cements en rotation et des déplacements en translation selon une des revendications 2 à 15, l'arbre qui communique la rota- tion au porte-échantillon, étant cannelé pour assurer un glis- Sement longitudinal,- sur sa périphérie, des pignons qu'il en- traine. 17. Micromanipulateur selon la revendication 16 ca- ractérisé en ce que le porte-échantillon est mobile en trans- lation dans au moins une direction et en rotation selon une rotation dans son plan et selon une rotation qui incline ledit plan. 18. Micromanipulateur selon une des revendications 1 & 17 caractérisé en ce que les moyens de translation des tiges de transmission sont montés sur un soufflet mobile qui assure une translation du porte-échantillon selon une direction Z.