Brevet FR3055011A1 — publié le 20180216

CAPTEUR MICROMECANIQUE AVEC TRANSDUCTION OPTIQUE L'invention porte sur un capteur micromécanique utilisant une détection optique de mouvement. L'invention s'applique en particulier, mais pas exclusivement, à la microscopie à force atomique. La microscopie à force atomique (ou "AFM" pour « Atomic Force Microscopy » en anglais) est une technique de microscopie à balayage développée à partir des années quatre-vingt et permettant d'atteindre une résolution à l'échelle atomique. Contrairement à la microscopie à balayage à effet tunnel, la microscopie à force atomique n'est pas limitée à la formation d'images de surfaces conductrices, ce qui la rend adaptée à des matériaux isolants, semi-conducteurs, voire même à des échantillons de nature biologique. Cette technique trouve application dans de nombreux domaines de la recherche pure et appliquée, mais également dans l'industrie microélectronique. Une introduction générale aux principes de l'AFM est fournie par l'article de F. J. Giessibl et C. F. Quate " Exploring the nanoworld with atomic force microscopy', Physics Today, décembre 2006, pages 44 - 50. Le composant essentiel d'un microscope à force atomique conventionnel est une sonde constituée par un levier encastré à une extrémité et pourvu, à l'extrémité opposée, d'une pointe orientée vers la surface de l'échantillon à observer. Le levier présente généralement une longueur de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de micromètres, et la pointe un rayon de courbure de quelques dizaines ou centaines de nanomètres. Une telle sonde, généralement constituée de silicium monocristallin ou de nitrure de silicium, peut être fabriquée par des techniques photolithographiques conventionnelles, à un coût faible. Lorsque la pointe de la sonde est rapprochée d'une surface, elle subit l'influence de forces attractives ou répulsives de nature chimique, de van der Waals, électrostatiques et/ou magnétiques. En mesurant ces forces pendant que la pointe balaye la surface de l'échantillon à observer, il est possible de reconstituer une image de ce dernier. La mesure des forces s'exerçant entre la pointe et l'échantillon peut s'effectuer de différentes manières. Selon la technique la plus simple et plus 305 501 1 2 ancienne (AFM statique) on se limite à observer, notamment par des moyens optiques, la déflexion du levier encastré supportant la pointe. Une meilleure sensibilité peut être obtenue en faisant vibrer ce levier selon l'un de ses modes propres de flexion, et en observant les 5 variations de fréquence de résonance induites par les gradients de ces forces (AFM dynamique). En pratique, la technique dynamique est généralement préférée pour les observations effectuées dans le vide ou dans l'air. Cette technique convient moins bien aux observations en milieu liquide, car les vibrations du levier y sont fortement amorties ce qui dégrade le facteur de 10 qualité de la sonde. Il est également connu d'utiliser des sondes d'AFM exploitant des modes de vibration planaires - on parle aussi de « mouvement vertical » ou « longitudinal » - qui permettent d'atteindre des facteurs de qualités très élevés même en AFM dynamique dans des milieux visqueux. 15 Quelle que soit la géométrie choisie, il est nécessaire de réaliser un transducteur permettant de détecter les mouvements de la pointe AFM. Un tel transducteur doit présenter à la fois une sensibilité élevée et une dynamique importante, car les mouvements à détecter peuvent présenter une amplitude allant de moins d'un picomètre à plusieurs centaines de 20 nanomètres. Cela est relativement simple dans le cas d'une sonde conventionnelle, de type levier encastré fonctionnant en flexion, où l'on peut exploiter la déflexion d'un faisceau laser réfléchi par le levier, mais l'est beaucoup moins dans le cas d'une sonde à mouvement vertical. Le même problème se pose dans le cas de capteurs micromécaniques autres que des 25 sondes AFM, par exemple des accéléromètres. L'article de Y. Liu et al. « Wide cantilever stiffness range cavity optomechanical sensors for atomic force microscopy » Optics Express Vol. 20, No. 16, pp. 18268 - 18280 (2012) et le brevet US 8,997,258 divulguent des sondes d'AFM comprenant un levier pouvant s'approcher d'un 30 résonateur optique de type en anneau ou en disque, perturbant les conditions de résonance de ce dernier. 3055011 3 Le principe de fonctionnement de ces transducteurs exploite une interaction entre le levier et les ondes évanescentes à proximité de la surface extérieure du résonateur optique. Dans cette configuration, seulement certains modes de résonance optique du résonateur sont modulés. 5 L'indentification des modes est donc très difficile, car tous ne se décalent pas en fréquence de la même quantité en réponse à la variation de la distance entre le levier et le résonateur. De plus, les surfaces en vis à vis sont importantes : le dispositif est fortement sensible aux forces capillaires (notamment en liquide) pouvant conduire au collage du levier sur le 10 résonateur optique. Par ailleurs, les sondes d'AFM (tout comme d'autres capteurs micromécaniques tels les palpeurs) sont soumises à des sollicitations asymétriques. Ainsi, dans le cas d'une sonde d'AFM à mouvement vertical, la pointe est susceptible de subir des forces répulsives beaucoup plus intenses 15 que les forces attractives - le cas limite étant constitué par une mise en butée. Or, dans le cas des systèmes de l'art antérieur mentionnés ci-dessus, cela peu conduire à une mise en contact du levier et du résonateur optique, qui peut endommager ces éléments ou provoquer leur adhésion. L'invention vise à résoudre en tout ou en partie ces 20 inconvénients de l'art antérieur. Conformément à l'invention, ce but est atteint par l'utilisation d'un transducteur optique basé sur un résonateur de type anneau ou disque, présentant au moins une interruption, ou fente. Un élément micromécanique mobile, tel qu'une poutre pouvant être animée d'un déplacement longitudinal, 25 est couplé au résonateur de telle manière qu'un mouvement de l'élément micromécanique ouvre ou referme l'interruption. Il en résulte une modification de la longueur du résonateur, et donc de sa longueur d'onde de résonance, quel que soit le mode considéré ; cette modification peut donc être détectée aisément. Les surfaces en vis-à-vis sont faibles, surtout dans le cas d'un 3 0 résonateur en anneau présentant une seule interruption, réduisant les risques d'adhésion par effet des forces capillaires. 3055011 4 Avantageusement, un dispositif selon l'invention et destiné à opérer en présence de sollicitation asymétriques sera conçu de telle façon que les déplacements de plus grande amplitude de l'élément micromécanique mobile ouvrent la ou les interruptions, réduisant les risques 5 d'endommagement du résonateur. L'interruption introduit des pertes dans le résonateur, et réduit donc son facteur de qualité. Cet inconvénient est cependant largement compensé par les avantages mécaniques qu'elle apporte, et qui seront discutés plus en détail dans la suite. 10 Un objet de l'invention est donc un capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile et un résonateur optique de type disque ou anneau, caractérisée en ce que le résonateur optique présente au moins une interruption ; et en ce que l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un 15 mouvement de l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption. 20 Selon des modes de réalisation avantageux d'un tel capteur : - L'élément micromécanique mobile peut s'étendre dans une direction dite longitudinale et présenter un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale. Plus particulièrement, l'élément micromécanique mobile peut être porté par un substrat planaire présentant 25 une surface principale parallèle à la direction longitudinale et faire saillie d'un bord dudit substrat en s'étendant selon une orientation dite positive de ladite direction longitudinale. Plus particulièrement encore, l'élément micromécanique mobile peut être couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon que son déplacement dans la direction longitudinale 30 selon une orientation dite négative, opposée à l'orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l'interruption du résonateur optique. Par ailleurs, le résonateur optique peut être porté par le substrat planaire et être 3055011 5 sensiblement aligné avec l'élément micromécanique dans la direction longitudinale. - La ou les interruptions du résonateur optique peuvent être orientées selon une direction, dite transversale, perpendiculaire à la direction 5 longitudinale et séparer le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l'une est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre est ancrée au substrat. - L'élément micromécanique mobile peut être directement relié à la dite partie du résonateur optique. 10 - En variante, l'élément micromécanique mobile peut être couplé à la dite partie du résonateur optique par l'intermédiaire d'une structure mécanique d'inversion du mouvement. - Ledit résonateur peut être de type anneau et présenter au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l'élément 15 micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d'autre de ladite interruption par l'intermédiaire d'une structure mécanique adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale. Plus particulièrement, ladite structure mécanique adaptée pour convertir un 20 déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale peut comprendre une structure flexible en forme de fourche, présentent deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d'autre de l'interruption. - La ou les interruptions du résonateur optique peuvent 25 séparer ce dernier en deux parties disjointes, dont l'une est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre est ancrée au substrat. - Le résonateur optique peut être est de type anneau, présenter une seule interruption et former, avec l'élément micromécanique 3 0 mobile, un système masse-ressort. - L'élément micromécanique mobile peut porter une pointe de microscopie à sonde locale s'étendant dans la direction longitudinale. 305 501 1 6 - Le capteur micromécanique peut comprendre également au moins un guide d'onde optique couplé optiquement au résonateur optique. - Dans un état de repos dans lequel aucune force externe n'agit sur l'élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque 5 interruption du résonateur optique peut être comprise entre 0,1 nm et 1 pm, et de préférence entre 10 nm et 200 nm. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : 10 - la figure 1, un dispositif micromécanique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2, un dispositif micromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3, un dispositif micromécanique selon un 15 troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4, un dispositif micromécanique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5, un dispositif micromécanique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; 20 - la figure 6, un dispositif micromécanique selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 7, des résultats de simulation numériques permettant de valider le principe de l'invention. L'invention sera décrite en référence à des modes de 25 réalisation qui concernent tous des sondes pour AFM, et plus particulièrement pour AFM à mouvement vertical. Cependant, elle n'est pas limitée à cette application particulière. Les sondes des figures 1 à 6 peuvent être réalisées à partir d'une structure de type SOI (silicium sur isolant), comprenant : 30 - un substrat en silicium, noté SS sur les figures, en général épais de 20 pm à 1 mm, de préférence entre 50 et 600 pm ; 3055011 7 - une couche enterrée d'oxyde SiO2 (dite « BOX » de l'anglais « Buried Oxyde », c'est-à-dire « oxyde enterré »), généralement d'une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 5 pm, de préférence entre 0,2 pm et 2 pm ; et 5 - une couche mince de silicium (épaisseur généralement comprise entre 1 nm et 100 pm, de préférence entre 0,2 pm et 5 pm), appelée « couche de dispositif ». Les éléments mécaniques de la sonde sont réalisés à partir de la couche de dispositif, et sont libérés par gravure humide de la couche 10 BOX sous-jacente. La couche BOX subsiste en correspondance des ancrages qui relient la sonde au substrat SS. Il est également possible de réaliser la sonde sur un matériau autre que le SOI, par exemple, du SiN déposé sur Si. Il est également possible de réaliser certaines parties de la sonde dans la couche de dispositif 15 sur SOI et d'autres dans un matériau comme Si3N4 ou tout autre matériau ayant des propriétés mécaniques convenables. En pratique, tout matériau présentant un rapport entre le module d'Young E et la densité de masse p suffisamment élevé (typiquement 1 km/s REVENDICATIONS1. Capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile (EMM) et un résonateur optique (ROP1 - ROP6) de 5 type disque ou anneau, caractérisée en ce que - le résonateur optique présente au moins une interruption (GR1, GR2, GR3) ; et en ce que - l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un mouvement de 10 l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption. 15 2. Capteur micromécanique selon la revendication 1 dans lequel l'élément micromécanique mobile s'étend dans une direction dite longitudinale (y) et présente un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale. 20 3. Capteur micromécanique selon la revendication 2 dans lequel l'élément micromécanique mobile est porté par un substrat planaire (SS) présentant une surface principale parallèle à la direction longitudinale et fait saillie d'un bord (BS) dudit substrat en s'étendant selon une orientation 25 dite positive de ladite direction longitudinale. 4. Capteur micromécanique selon la revendication 3 dans lequel l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique (ROP4, ROP5, ROP6) de telle façon que son déplacement 3 0 dans la direction longitudinale selon une orientation dite négative, opposée à l'orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l'interruption du résonateur optique. 3055011 15 5. Capteur micromécanique selon la revendication 4 dans lequel le résonateur optique est porté par le substrat planaire et est sensiblement aligné avec l'élément micromécanique dans la direction longitudinale. 6. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique sont orientées selon une direction, dite transversale (x), perpendiculaire à la direction longitudinale et séparent le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l'une (ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre (ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat. 7. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans lequel l'élément micromécanique mobile est directement relié à la dite partie (ROP4A) du résonateur optique. 8. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans 20 lequel l'élément micromécanique mobile est couplé à la dite partie du résonateur optique (ROP5A) par l'intermédiaire d'une structure mécanique d'inversion du mouvement (SMI). 9. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 4 25 ou 5 dans lequel ledit résonateur (ROP6) est de type anneau et présente au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l'élément micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d'autre de ladite interruption par l'intermédiaire d'une structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement 30 dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale. 305 501 1 16 10. Capteur micromécanique selon la revendication 9 dans lequel ladite structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale comprend une structure flexible en forme de fourche, présentent 5 deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d'autre de l'interruption. 11. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique (ROP2, ROP3, 10 ROP4, ROP5) séparent ce dernier en deux parties disjointes, dont l'une (ROP2A, ROP3A, ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre (ROP2B, ROP3B, ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat. 15 12. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel le résonateur optique est de type anneau (ROP1), présente une seule interruption et forme, avec l'élément micromécanique mobile, un système masse-ressort. 13. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 à 12 dans lequel l'élément micromécanique mobile porte une pointe de microscopie à sonde locale (PT1) s'étendant dans la direction longitudinale. 14. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 25 précédentes comprenant également au moins un guide d'onde optique (GOP) couplé optiquement au résonateur optique. 15. Capteur micromécanique selon l'une des revendications précédentes dans lequel, dans un état de repos dans lequel aucune force 3 0 externe n'agit sur l'élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque interruption (GR1, GR2, GR3) du résonateur optique est comprise entre 0,1 nm et 1 pm, et de préférence entre 10 nm et 200 nm.