Brevet FR3050820A1 — publié le 20171103

SYSTEME DE MESURE RESONANT A RESOLUTION AMELIOREE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un système de mesure mettant en oeuvre des systèmes microélectromécaniques (MEMS pour microelectromechanical systems en terminologie anglo-saxonne) et/ou des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS pour nanoelectromechanical systems en terminologie anglo-saxonne) résonants qui peuvent par exemple être utilisés dans l'analyse de gaz, pour la spectrométrie de masse pour la détection d'espèces chimiques ou biologiques, comme capteurs de force ou systèmes inertiels, tels qu'un accéléromètre résonant, un gyromètre un capteur de pression. Un capteur résonant comporte un résonateur mécanique mis en vibration à sa fréquence de résonance par des moyens d'excitation. La fréquence de résonance du résonateur varie en fonction de paramètres de l'environnement, en mesurant la variation de la fréquence de résonance il est possible de déterminer le ou les paramètres ayant modifiés la fréquence de résonance du résonateur mécanique. Le résonateur est par exemple une poutre suspendue à une partie fixe, la poutre étant mise en vibration à sa fréquence de résonance par des moyens capacitifs. Par exemple des particules se déposant sur la poutre provoquent un décalage de la fréquence de résonance, l'amplitude de ce décalage est reliée à la masse de matière déposée. Le déplacement de la poutre est par exemple détecté par des moyens piézoélectriques comportant typiquement deux jauges de contrainte montées en différentielle, les jauges étant suspendues entre la poutre et la partie fixe. La résolution d'un tel capteur est déterminée par sa sensibilité, i.e. la relation entre la fréquence de résonance et le paramètre mesuré, et la stabilité en fréquence, i.e. la variation minimale de fréquence de résonance. La sensibilité en masse du capteur peut s'écrire S - °I. - Ir Am 2M 3050820 2 Am est la variation de masse sur la partie mobile du capteur, Af est la variation de fréquence mesurée résultant de la variation de masse, fr est la fréquence de résonance de la partie mobile et M la masse de la partie mobile. Par ailleurs, la résolution en fréquence de résonance est inversement 5 proportionnelle au rapport signal sur bruit (SNR pour Signal to Noise ratio en terminologie anglo-saxonne) et au facteur de qualité Q. Elle peut s'écrire : j f = fr r 2Q SNR' la résolution en masse Am est alors donnée par : M Am = Q SNR 10 Il apparaît donc que, pour maximiser la résolution en masse, il est souhaitable d'une part de réduire la masse M de la partie mobile et que celle-ci présente des fréquences de résonance élevées, et d'autre part de disposer de moyens de transduction offrant un SNR important. En réduisant les dimensions de la partie mobile, on obtient à la fois une 15 réduction de sa masse et une augmentation de la fréquence de résonance, ce qui permet d'améliorer la résolution en masse et la sensibilité en masse. Mais cette réduction de taille impose de détecter un mouvement à plus hautes fréquences. Par ailleurs, la variation de fréquence de résonance peut ne pas résulter uniquement de la masse de particules déposées sur la partie mobile mais également de 20 l'emplacement du dépôt des particules sur la partie mobile et de la taille de particules. Afin de réaliser une détection permettant de distinguer les effets de la masse et par exemple de l'emplacement du dépôt et/ou de la taille des particules déposées, il est utile de combiner des informations obtenues en travaillant à différents modes de fréquences de résonance. Or une détection à des modes d'ordres plus élevés implique de travailler à 25 des fréquences encore plus élevées. Cependant la détection à très hautes fréquences présente certains inconvénients. Les moyens de détection piézorésistifs et capacitifs ne sont pas performants lorsque les fréquences sont supérieures à quelques centaines de MHz. Il 3050820 3 apparaît des courts-circuits entre les éléments électriques participant à la détection, résultant de capacités parasites. Ces capacités parasites couplées aux résistances du NEMS génèrent l'apparition d'un filtre passe-bas qui empêche donc la détection à des fréquences élevées. 5 Le document I. Bargatin, E. B. Myers, J. Arlett, B. Gudlewski, and M. L. Roukes, "Sensitive detection of nanomechanical motion using piezoresistive signal downmixing," Appl. Phys. Lett., vol. 86, no. 13, p. 133109, 2005 décrit une méthode permettant la détection à haute fréquence de résonateurs MEMS utilisant des nanojauges de contrainte. Cette méthode est désignée « downmixing ». Elle consiste à 10 polariser les jauges de contrainte avec un signal à une fréquence fr + Af alors que la poutre est actionnée à la fréquence fr. Le signal mécanique en sortie comporte alors une composante à Af, la valeur de Af est choisie inférieure à la fréquence de coupure de filtre passe-bas généré par les courts-circuits mentionné ci-dessus. 15 Cette méthode permet donc une détection à haute fréquence avec des moyens piézorésistifs. En outre, le mode de fonctionnement par downmixing permet de réduire le fond de mesure qui est un signal parasite de même fréquence que le signal mécanique et qui se superpose à ce dernier. En effet, le circuit d'excitation et le circuit de 20 mesure sont en général couplés l'un à l'autre par exemple de manière capacitive, inductive ou par impédance commune. Un phénomène de diaphonie entre le signal d'excitation et le signal de mesure peut apparaître. Puisque la fréquence du signal d'excitation est à f et celui du signal de mesure est à Af par la méthode du downmixing il est possible d'éliminer par filtrage fréquentiel le fond de mesure du signal de mesure 25 mécanique. Cependant, les inventeurs ont déterminé que malgré l'application de la méthode de downmixing, il existait encore un fond de mesure à la fréquence de détection Af. De plus, la fréquence du signal de polarisation est généralement limitée à environ 300 MHz, au-delà de cette fréquence il devient complexe de polariser 3050820 4 efficacement les jauges de contrainte. Il existe une discontinuité d'impédance entre la ligne de propagation qui est typiquement de l'ordre de 50 c) et l'impédance de la ou des jauges qui est en pratique de plusieurs milliers d'ohms. Cette discontinuité d'impédance peut diminuer fortement le courant de polarisation au niveau des jauges qui contrôle le 5 signal électromécanique. On observe alors une diminution de la sensibilité. Ceci a pour effet de réduire le SNR du signal du résonateur et donc de réduire la résolution de la mesure de la variation de la fréquence de résonance du résonateur. EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un système 10 de mesure résonant MEMS et/ou NEMS offrant une résolution élevée et présentant un fond de mesure réduit par rapport au système de mesure résonant de l'état de la technique. Les inventeurs ont déterminé que le fond de mesure qui subsistait, résultait de la modulation de la valeur de résistance des jauges de contraintes en raison 15 de la variation de température du fait de l'échauffement par effet Joule résultant de la circulation du courant dans les jauges induit par le circuit d'actionnement. Ils ont alors pensé à réaliser un système de mesure résonant MEMS et/ou NEMS comportant au moins une partie mobile formant un résonateur apte à être mis en vibration par une force à la fréquence fm, une fréquence d'actionnement qui produit un mouvement mécanique 20 à cette même fréquence, par des moyens d'excitation et des moyens de détection mettant en oeuvre des moyens de détection optique, comportant une source lumineuse dont l'intensité est modulée à une fréquence fm + Af et un dispositif optomécanique dont la fonction de transmission optique qui est au moins en partie modifiée par le déplacement de la partie mobile, et des moyens de photodétection mesurant l'intensité 25 du signal transmis par le dispositif optomécanique. Af peut être positif ou négatif. Ainsi en utilisant des moyens de détection optomécaniques, en injectant un faisceau lumineux dont l'amplitude est modulée en fréquence à fm + Af, et en excitant le résonateur à la fréquence fm, le fond de mesure est fortement réduit, tant celui résultant de la diaphonie que celui résultant de l'échauffement par effet Joule. 3050820 5 De plus la mise en oeuvre de moyens de détection optique permet de s'affranchir des problèmes de capacités parasites générant un filtre passe-bas, et de s'affranchir dans le cas d'un capteur fonctionnant suivant la méthode de downmixing de la discontinuité d'impédance dans le circuit de mesure et donc des problèmes de 5 polarisation des jauges. L'actionnement est par exemple réalisé de manière capacitive ou au moyen d'un faisceau optique. Dans le cas d'un actionnement par faisceau optique, il peut être avantageux d'utiliser un faisceau optique dont la longueur d'onde est différente de celle du faisceau de mesure, afin de maximiser les efforts générés par le faisceau optique. 10 On choisit par exemple une fréquence qui correspond à une résonance suffisamment éloignée de celle utilisée pour la détection, ce qui peut permettre d'éliminer le faisceau d'actionnement dans le photodétecteur. De manière avantageuse, le rapport fr/Af est supérieur ou égal à 10. L'élément résonant peut être une poutre ou une membrane. En variante 15 il pourrait être formé directement par l'élément optique, comme une portion du guide d'onde qui serait suspendue ou par un anneau optique également suspendu. De manière avantageuse, la partie mobile est reliée à la masse électrique ce qui permet de réduire encore davantage l'auto-échauffement. La présente invention a alors pour objet un système de mesure résonant 20 de type MEMS et/ou NEMS, comportant : - un dispositif optomécanique comprenant au moins un élément résonant à au moins une fréquence de résonance fr et au moins un élément optique dont l'indice optique est sensible au déplacement de l'élément résonant, - des moyens d'excitation de l'élément résonant à au moins une 25 fréquence de fonctionnement fm, - des moyens aptes à injecter un faisceau lumineux dont l'intensité est modulée à une fréquence f1= fm + Af dans le dispositif optomécanique, - un dispositif de photodétection apte à mesurer l'intensité d'un faisceau lumineux de mesure sortant du dispositif optomécanique, l'intensité du faisceau 30 de mesure ayant au moins une composante à une fréquence Af. 3050820 6 De manière avantageuse, la fréquence de fonctionnement fm est telle que fr-(2fr/Qm) 10 kHz ce qui permet de bénéficier de toute la bande passante du résonateur. De préférence Af > 100 kHz, ainsi on se place à une fréquence pour laquelle l'électronique possède un bruit plus faible. Avantageusement 1 REVENDICATIONS1. Système de mesure résonant de type MEMS et/ou NEMS, comportant : - un dispositif optomécanique (4) comprenant au moins un élément résonant (14) à au moins une fréquence de résonance fr et au moins un élément optique (12) dont l'indice optique est sensible au déplacement de l'élément résonant (14), - des moyens d'excitation (6) de l'élément résonant (14) à au moins une fréquence de fonctionnement fm, - des moyens (2) aptes à injecter un faisceau lumineux dont l'intensité est modulée à une fréquence f1= fm + Af dans le dispositif optomécanique, - un dispositif de photodétection (8) apte à mesurer l'intensité d'un faisceau lumineux de mesure sortant du dispositif optomécanique (4), l'intensité du faisceau de mesure ayant au moins une composante à une fréquence Af. 2. Système de mesure selon la revendication 1, dans lequel la fréquence de fonctionnement fm est telle que fr-(2fr/Qm) 3. Système de mesure selon la revendication 2, dans lequel le rapport fr/Af est compris entre 10 4. Système de mesure selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le dispositif optomécanique (4) comporte un guide d'onde (10) et un anneau optique (12) couplé optiquement au guide d'onde (10), le guide d'onde (10) étant destiné à recevoir le faisceau lumineux issu des moyens (2) et à envoyer le faisceau lumineux transmis par le dispositif optomécanique (4), au dispositif de photodétection (8). 3050820 21 5. Système de mesure selon la revendication 4, dans lequel l'élément résonant (14) est disposé à proximité de l'anneau optique (12). 6. Système de mesure selon la revendication 4, dans lequel l'élément 5 résonant est formé par l'anneau optique (112). 7. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens d'excitation (6) sont de type électrostatique. 10 8. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens d'excitation sont de type optique. 9. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le faisceau lumineux transmis a également une composante à une fréquence 2fm + 15 Af et/ou fm + Af, le dispositif de photodétection comportant au moins un photodétecteur dont la bande passante est telle que la composante à la fréquence 2fm + Af et/ou fm + Af est en dehors de ladite bande passante. 10. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 8, dans 20 lequel le dispositif de photodétection (8) comporte au moins un photodétecteur et un filtre passe-bande de sorte que la composante à la fréquence 2fm + Af et/ou fm + Af est en dehors de la bande passante dudit filtre. 11. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 10, dans 25 lequel les moyens (2) aptes à injecter un faisceau lumineux à une fréquence f1 = fm + Af dans le dispositif optomécanique, comportent une source lumineuse formée par un laser (18), par exemple une diode laser. 12. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel les moyens aptes à injecter un faisceau lumineux à une fréquence f1= fm + Af dans 3050820 22 le dispositif optomécanique, comportent une source lumineuse et un modulateur optique (20) disposé entre la source lumineuse et le dispositif optomécanique pour moduler à f1 le faisceau lumineux injecté dans ledit guide. 5 13. Système de mesure selon la revendication 11, dans lequel les moyens aptes à injecter un faisceau lumineux à une fréquence f1 = fm + Af dans le dispositif optomécanique, comportent des moyens de modulation du courant d'alimentation du laser. 10 14. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 13, comportant une connexion électrique entre le résonateur et une masse électrique du système. 15. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 14, 15 comportant des moyens situés soit directement en sortie du dispositif de photodétection, soit en sortie du dispositif de photodétection par l'intermédiaire d'un composant tel que par exemple un amplificateur (40) ou un filtre, permettant de générer un signal à base d'un mélange de la composante à la fréquence Af du signal de sortie du dispositif de photodétection et un signal à la fréquence fm + Af produit par les moyens d'excitation, de 20 sorte à générer un système de mesure auto-oscillant. 16. Système de mesure selon l'une des revendications 1 à 14, comportant des moyens situés soit en sortie du dispositif de photodétection par l'intermédiaire d'un composant tel que par exemple un amplificateur (40) ou un filtre, 25 permettant de générer un signal correspondant à la somme de la composante à la fréquence Af du signal de sortie du dispositif de photodétection et un signal à la fréquence fm + Af produit par les moyens d'excitation, de sorte à générer un système de mesure auto-oscillant.