Brevet FR3076290A1 — publié le 20190705

DISPOSITIF DE DETECTION MICRO OU NANOMECANIQUE DE PARTICULES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La presente invention se rapporte a un dispositif de detection mecanique mettant en ceuvre des structures micromecaniques et/ou nanomecaniques resonantes. Le dispositif de detection peut etre utilise dans la detection gravimetrique et plus particulierement dans les capteurs chimiques pour la detection de gaz, dans les capteurs biologiques et dans les spectrometres de masse a base de structures micromecaniques et/ou nanomecaniques resonantes. Un spectrometre de masse est un detecteur de masse qui permet de determiner la masse de particules individuelles. II est par exemple utilise en biologie pour determiner la masse de cellules biologiques. Un systerne micro et/ou nanomecanique resonant peut etre utilise dans un spectrometre de masse. Le systerne comporte une poutre ou une structure apte a accueillir par exemple une cellule biologique, la poutre ou la structure est excitee a sa frequence de resonance. Le depot d'une cellule biologique modifie la masse de la poutre ou de la structure et modifie donc sa frequence de resonance. En mesurant et en traitant la variation de frequence de resonance, correspondant au depot de chaque cellule biologique, on peut en deduire la masse de la cellule biologique. Le document A. Rahafrooz and S. Pourkamali, "Fabrication and characterization of thermally actuated micromechanical resonators for airborne particle mass sensing: I. Resonator design and modeling," J. Micromechanics Microengineering, vol. 20, no. 12, p. 125018, 2010 decrit un resonateur micromecanique pour la detection de la masse de particules dans I'air. Ce resonateur comporte une plateforme suspendue a ses quatre sommets par quatre poutres. Deux de ces poutres sont actives, c'est a dire, elles sont dediees a ('actuation et Ia detection du mouvement de Ia plateforme. Chaque poutre active est divisee en deux et est connectee a deux electrodes differentes, de fawn 2 qu'un courant puisse circuler a travers la poutre. L'actuation est obtenue en faisant circuler un courant module dans la poutre et la detection est obtenue en detectant le courant circulant a travers de la poutre du fait de I'effet piezoresistif. Suite a ('actuation, Ia masse est mise en vibration dans le plan. D'une part, ce dispositif comporte des 5 poutres de forme complexe. En outre elles requierent deux connexions electriques chacune, ce qui limite ses dimensions minimales atteignables pour le dispositif. La fabrication de ce dispositif est complexe. D'autre part, le fait de faire circuler du courant a travers Ia poutre provoque un echauffement de Ia structure et modifie ses proprietes. En outre, cet echauffement limite le choix des materiaux adaptes a Ia realisation des 10 poutres. De plus, cette structure nest pas adaptee a une excitation et/ou une detection des modes hors-plan. EXPOSE DE L'INVENTION C'est par consequent un but de la presente invention d'offrir un dispositif de detection de particules presentant une structure simplifiee par rapport a 15 celle des dispositifs de detection de particules de l'etat de la technique. Le but enonce ci-dessus est atteint par un dispositif de detection de particules comportant une plateforme, dont une face au moins est destinee a recevoir la ou les particules a &teeter, des moyens de suspension de la plateforme de sorte qu'elle puisse etre mise en vibration, des moyens de mise en vibration de ladite plateforme, les 20 moyens de suspension comportant au moins deux poutres, lesdites poutres etant configurees pour se &former lorsque la plateforme est mise en vibration, les poutres et la plateforme etant dimensionnees pour que, lors de la mise en vibration de la plateforme, celle-ci ne soit pas ou peu deformee par ('action des poutres deformees. Le dispositif de detection comporte egalement des moyens de detection du &placement de 25 la plateforme. De maniere preferee, les poutres presentent une longueur entre le support et la plateforme au moins dix fois superieure aux dimensions de la section des poutres. La dimension des poutres dans la direction du mouvement de vibration est au moins dix fois plus petite que la dimension de la plateforme dans cette direction. 3 Dans des exemples de realisation de deplacements dans le plan et hors-plan de la plateforme, les poutres sont deformees en flexion. Dans un exemple de realisation, les moyens de detection mettent en oeuvre les poutres des moyens de suspension qui sont par exemple en materiau 5 piezoresistif. Dans un autre exemple de realisation, les moyens de detection sont optiques et comportent un resonateur optique dispose a proximite de la plateforme, de sorte que le deplacement de la plateforme modifie les proprietes optiques du resonateur. La presente invention a alors pour objet un dispositif de detection de 10 particules comportant un support et au moins une structure mobile par rapport au support, ladite structure mobile comportant une plateforme, dont une face au moins est destinee a recevoir la ou les particules a detecter, des moyens de suspension de la plateforme de sorte que la plateforme puisse etre mise en vibration par rapport au support, des moyens de mise en vibration de ladite plateforme a au moins une de ses 15 frequences de resonance, des moyens de detection du deplacement de la plateforme dans une direction donnee, les moyens de suspension comportant au moins deux poutres configurees pour se deformer lorsque la plateforme est mise en vibration. Chaque poutre presente une longueur I, une largeur L et une epaisseur e et la plateforme presente une dimension dans la direction de deplacement de la plateforme. La dimension de chaque 20 poutre dans la direction de deplacement donnee de la plateforme est au moins 10 foil plus petite que la dimension de la plateforme dans la direction de deplacement donnee, et dans le cas d'un dispositif de detection a mode dans le plan I 10 xL et dans le cas d'un dispositif de detection a mode hors-plan I 10 xe, de sorte que, lors de la mise en vibration de la plateforme, celle-ci ne soit pas ou peu deformee par l'action des poutres. 25 Dans un exemple de realisation, les moyens de suspension comportent au moins une premiere poutre et une deuxierne poutre, les premiere et deuxierne poutres etant disposees symetriquement par rapport a la direction de deplacement. Dans un exemple, les moyens d'actionnement peuvent etre exterieurs a la structure mobile. 4 Dans un autre exemple, les moyens d'actionnement peuvent agir directement sur la plateforme. Les moyens d'actionnement peuvent etre des moyens optiques appliquant une force de gradient a la frequence de resonance a la plateforme ou des moyens electrostatiques appliquant une force electrostatique a la frequence de 5 resonance sur la plateforme. Dans un exemple de realisation, au moins deux poutres sont en materiau piezoresistif, par exemple en silicium, et les moyens de detection comportent une source de tension constante destinee a appliquer une difference de potentiel audites poutres, des moyens de mesure d'un courant en sortie desdites poutres. 10 Les moyens de detection peuvent comporter un resonateur optique dispose a proximite de la plateforme de sorte que le &placement de la plateforme modifie un champ evanescent du resonateur optique, un guide d'onde destine a injecter un faisceau lumineux dans le resonateur optique et a collecter ledit faisceau lumineux sortant du resonateur optique. 15 Dans un exemple avantageux, le dispositif de detection comporte plusieurs structures mobiles disposees autour du resonateur optique, le &placement de chaque plateforme modifiant le champ evanescent du resonateur optique. Dans un exemple de realisation, la plateforme est rectangulaire et les deux poutres sont fixees a un premier cote de plus grande longueur de la plateforme et 20 perpendiculairement audit premier cote, deux autres poutres sont fixees a un deuxierne cote de plus grande longueur de la plateforme perpendiculairement audit deuxierne cote. Les poutres peuvent etre droites et paralleles entre elles. Les poutres peuvent etre fixees aux premier et deuxierne cotes de plus grande longueur a distance des extremites longitudinales des premier et deuxierne cotes 25 de plus grande longueur. Dans un exemple de realisation, les poutres sont realisees dans un materiau different de celui de la plateforme. La presente invention a egalement pour objet un spectrometre de masse comportant, des moyens d'ionisation d'un analyte, des moyens de focalisation de 5 I'analyte ionise et au moins un dispositif de detection selon l'invention dispose en aval des moyens de focalisation. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La presente invention sera mieux comprise sur la base de la description 5 qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'un exemple de realisation d'un dispositif de detection a mode de &placement dans le plan, - la figure 2A est une vue en perspective du dispositif de detection de la figure 1, 10 - la figure 2B est une vue de detail de la figure 2A, - la figure 3 est une representation schernatique du dispositif de la figure 1 en phase d'excitation, - la figure 4 est une vue de dessus d'un dispositif de detection comportant des moyens de detection piezoresistifs, 15 - la figure 5A est une vue de dessus d'un exemple de dispositif de detection a &placement dans le plan comportant des moyens de detection optiques, - la figure 5B est une vue de dessus d'un exemple de dispositif a mode hors-plan comportant des moyens optiques pouvant servir a ('actuation ou a la detection, - la figure 6 est une vue de dessus d'un autre exemple de realisation du 20 dispositif de la figure 1, - la figure 7 est une vue de dessus d'un autre exemple de realisation du dispositif de la figure 1, - les figures 8A a 8D sont des vues de dessus de variantes de realisation du dispositif selon l'invention, 25 - la figure 9 est une vue de cote d'un dispositif de detection selon un autre mode de realisation a mode de &placement hors-plan, - la figure 10 est une vue de dessus d'un dispositif de detection selon encore un autre mode de realisation, 6 - la figure 11 est une representation schernatique d'un spectrometre de masse mettant en ceuvre un dispositif de detection selon l'invention, - les figures 12A a 12C sont des representations schernatiques de vue de dessus et de cote d'elements obtenus lors de differentes etapes d'un exemple de procede 5 de realisation d'un dispositif de detection de Ia figure 1. - Ia figure 13 est une vue de dessus representee schernatiquement d'un exemple de dispositif selon l'invention a actuation thermique, - Ia figure 14 est une vue identique a celle de Ia figure 1 avec des particules deposees sur Ia plateforme, 10 - les figures 15A et 15B sont des representations schernatiques de vue de dessus et de cote d'elements obtenus lors de differentes etapes d'un exemple de procede de realisation d'une variante du dispositif de detection de Ia figure 1, - les figures 16A et 16B sont des representations schernatiques de vue de dessus et de cote d'elements obtenus lors de differentes etapes d'un exemple de 15 procede de realisation d'un dispositif de detection de Ia figure 9. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Le dispositif de detection resonant selon l'invention est destine a detecter la presence de particules deposees sur une plateforme d'accueil. Les particules ont par exemple des dimensions de quelques nm. Les particules peuvent etre des 20 particules biologiques (molecules, proteines, virus, etc.), des particules contenues dans lair ou du gaz. Sur touter les figures, les fleches representent la direction de &placement de la plateforme sous ('action des moyens d'actionnement. Comme nous le verrons par la suite, le terme « poutre » designe a la foil 25 des elements rectilignes de section transversale constante, des elements non rectilignes, et des elements de section variable continument et/ou par portion. Sur les figures 1 et 2A, on peut voir un exemple de realisation d'un dispositif de detection D1 a mode dans le plan selon l'invention. 7 II comporte un support 2, une plateforme d'accueil 4 des particules, designs « plateforme », des moyens de suspension 6 de la plateforme 4 au support 2, de sorte que la plateforme 4 est apte a se &placer par rapport au support 2. Dans cet exemple, it est considers que la plateforme 4 est destinee a se &placer dans le plan XY du 5 dispositif comme cela est schematise sur la figure 3. Z est orthogonal au plan XY et sera designee « direction hors-plan ». La plateforme s'etend dans un plan qui est parallele au plan XY du dispositif de detection. Dans l'exemple represents sur la figure 1, la plateforme comporte des 10 ouvertures qui sont utilisees dans certains procedes de fabrication. Ces ouvertures peuvent etre omises. Le dispositif de detection comporte egalement des moyens d'actionnement 8 aptes a mettre la plateforme en vibration dans le plan XY a au moins une frequence de resonance. 15 Le dispositif comporte egalement des moyens de detection 10 du &placement de la plateforme 4, plus particulierement des variations dans le &placement de la plateforme dues au depot d'une particule sur la plateforme. Les moyens de suspension comportent au moins deux poutres. Dans l'exemple represent& les moyens de suspension 6 corn portent quatre poutres 12.1, 12.2, 20 12.3, 12.4. Chaque poutre 12 est ancree par une extremite au support 2 et par une autre extremite a la plateforme 4. Dans l'exemple represent& la plateforme a une forme rectangulaire, deux poutres 12.1, 12.2 etant ancrees a la plateforme 4 le long d'un premier cote 4.1 de 25 la plateforme, et les deux autres poutres 12.3, 12.4 sont ancrees a la plateforme le long d'un deuxierne cote 4.2 parallele au premier cote. Dans l'exemple represent& les poutres 12.1, 12.2 sont ancrees a la plateforme a distance des extremites longitudinales du premier cote 4.1 et les poutres 12.3, 12.4 sont ancrees a la plateforme a distance des extremites longitudinales du 8 deuxierne cote 4.2. En variante, les poutres sont ancrees a la plateforme au niveau des extremites longitudinales des deuxiernes cotes. Dans cet exemple, les poutres 12.1 et 12.2 sont paralleles entre elles et les poutres 12.3 et 12.4 sont paralleles entre elles, les poutres 12.1 et 12.3 sont alignees 5 et les poutres 12.2 et 12.4 sont alignees et sont paralleles a l'axe X. Dans cet exemple, les poutres ont une section transversale constante dans un plan YZ. Les poutres ont une longueur I dans la direction X, une largeur L dans la direction Y et une epaisseur e dans la direction Z (figure 2B). 10 Les dimensions de la plateforme sont designes a dans la direction X et b dans la direction Y. Comme cela est schematise sur la figure 3, la plateforme 4 est destinee a se deplacer le long de la direction Y. Les 12.1 a 12.4 sont alors deformees en flexion. La structure mobile comprenant la plateforme et les poutres, est 15 dimensionnee de sorte que lors du deplacement de la plateforme et de la deformation des poutres, la plateforme ne soit pas ou peu deformee sous l'action des poutres. Pour cela on choisit : (la) - Pour un fonctionnement dans le plan, la longueur I des poutres egale a au moins 10 fois la largeur L de la poutre : 20 I 10 xL (II) - la dimension des poutres dans la direction de deplacement de la plateforme est au moins 10 fois plus petite que la dimension de la plateforme dans la direction de deplacement. Dans ('exemple des figures 1 a 3, la direction de deplacement est la 25 direction Y dans le plan, alors L 10xb. La plateforme peut avoir des dimensions, par exemple, de 100 nm x100 nm de surface jusqu'a 100 p.m x100 p.m, quel que soit le mode de fonctionnement. L'epaisseur de la plateforme peut etre par exemple de 10 nm a 100 p.m. Les poutres peuvent par exemple avoir une section comprise entre 25 nm x25 nm et 10 p.m x10 p.m; et une longueur comprise entre 250 nm et 100 p.m. 9 Un exemple de dimensions non limitatif est donne ci-dessous. Le dispositif comporte une plateforme rectangulaire suspendue par quatre poutres pour un mode dans le plan. La plateforme et les poutres ont une epaisseur dans la direction Z de 220 nm. La plateforme a des dimensions exterieurs de 3 p.m x 1,5 p.m. Les poutres ont une 5 longueur dans la direction X de 1, 5 p.m et une section de 100 nm x 220 nm. Dans un autre exemple de realisation d'un dispositif adapte a une fonctionnement en mode hors-plan, la plateforme a une surface de 3 p.m x 1,5 p.m et une epaisseur de 300 nm Les supports ont une longueur de 1 p.m, une dimension L de 100 nm et une epaisseur e de 30 nm. 10 Ainsi les poutres presentent une raideur sensiblement plus faible que la raideur de la plateforme dans la direction de &placement, ce qui reduit les risques de deformation de la plateforme dans la direction de deplacement. La masse Mm de la particule capable d'être mesuree est tres inferieure a la masse de la plateforme Mp, avantageusement Mm REVENDICATIONS1. Dispositif de detection de particules comportant un support et au moins une structure mobile par rapport au support (2), ladite structure mobile comportant une plateforme (4), dont une face au moins est destinee a recevoir la ou les particules a &teeter, des moyens de suspension (6) de la plateforme (4) de sorte que la plateforme (4) puisse etre mise en vibration par rapport au support(2), des moyens de mise en vibration (8) de ladite plateforme (4) a au moins une de ses frequences de resonance, des moyens de detection (10) du &placement de la plateforme (4) dans une direction donnee, les moyens de suspension (6) comportant au moins deux poutres (12.1, 12.2, 12.3, 12.4), configurees pour se &former lorsque la plateforme (4) est mise en vibration, dans lequel chaque poutre (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) presente une longueur I, une largeur L et une epaisseur e et la plateforme (4) presente une dimension dans la direction de &placement de la plateforme, et dans lequel - la dimension de chaque poutre dans la direction de &placement donnee de la plateforme (4) est au moins 10 foil plus petite que la dimension de la plateforme (4) dans la direction de &placement donnee, et - dans le cas d'un dispositif de detection a mode dans le plan I 10 xL et dans le cas d'un dispositif de detection a mode hors-plan I 10 xe, de sorte que, lors de la mise en vibration de la plateforme (44), celle-ci ne soit pas ou peu deformee par l'action des poutres. 2. Dispositif de detection selon la revendication 1, dans lequel les moyens de suspension (6) comportent au moins une premiere poutre et une deuxierne poutre, les premiere et deuxierne poutres etant disposees symetriquement par rapport a la direction de &placement. 3. Dispositif de detection selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'actionnement (8) sont exterieurs a la structure mobile. 21 4. Dispositif de detection selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'actionnement (8) agissent directement sur la plateforme. 5. Dispositif de detection selon la revendication 4, dans lequel les 5 moyens d'actionnement (8) sont des moyens optiques appliquant une force de gradient a la frequence de resonance a la plateforme ou des moyens electrostatiques appliquant une force electrostatique a la frequence de resonance sur la plateforme. 6. Dispositif de detection selon l'une des revendications 1 a 5, dans 10 lequel au moins deux poutres sont en materiau piezoresistif, par exemple en silicium, et dans lequel les moyens de detection comportent une source de tension constante (14) destinee a appliquer une difference de potentiel audites poutres, des moyens de mesure (16) d'un courant en sortie desdites poutres. 15 7. Dispositif de detection selon l'une des revendications 1 a 6, dans lequel les moyens de detection comportent un resonateur optique (20) dispose a proximite de la plateforme (4) de sorte que le &placement de la plateforme (4) modifie un champ evanescent du resonateur optique (20), un guide d'onde (18) destine a injecter un faisceau lumineux dans le resonateur optique (20) et a collecter ledit faisceau 20 lumineux sortant du resonateur optique (20). 8. Dispositif de detection selon I'un des revendications 1 a 5 et 7, comportant plusieurs structures mobiles disposees autour du resonateur optique, le &placement de chaque plateforme modifiant le champ evanescent du resonateur 25 optique. 9. Dispositif de detection selon l'une des revendications 1 a 8, dans lequel la plateforme (4) est rectangulaire, dans lequel deux poutres (12.1, 12.2) sont fixees a un premier cote de plus grande longueur (4.1) de la plateforme (4) et 30 perpendiculairement audit premier cote (4.1), deux autres poutres (12.3, 12.4) sont fixees 22 a un deuxieme cote de plus grande longueur (4.1) de la plateforme (4) perpendiculairement audit deuxieme cote (4.1), et dans lequel les poutres (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) sont droites et paralleles entre elles. 5 10. Dispositif de detection selon la revendication 9, dans lequel les poutres (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) sont fixees aux premier et deuxieme cotes (4.1) de plus grande longueur a distance des extremites longitudinales des premier et deuxieme cotes de plus grande longueur (4.1). 10 11. Dispositif de detection selon I'une des revendications 1 a 10, dans lequel les poutres sont realisees dans un materiau different de celui de la plateforme. 12 Spectrometre de masse comportant, des moyens d'ionisation d'un analyte, des moyens de focalisation de l'analyte ionise et au moms un dispositif de 15 detection selon l'une des revendications 1 a 11 dispose en aval des moyens de focalisation. 20