EP2265925A2 - Device for positioning a moveable object of submicron scale - Google Patents

Device for positioning a moveable object of submicron scale

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Publication number
EP2265925A2
EP2265925A2 EP09731053A EP09731053A EP2265925A2 EP 2265925 A2 EP2265925 A2 EP 2265925A2 EP 09731053 A EP09731053 A EP 09731053A EP 09731053 A EP09731053 A EP 09731053A EP 2265925 A2 EP2265925 A2 EP 2265925A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microtip
distance
positioning
tunnel current
servo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09731053A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Alina Voda
Gildas Besancon
Sylvain Blanvillain
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Original Assignee
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Polytechnique de Grenoble, Universite Joseph Fourier Grenoble 1 filed Critical Institut Polytechnique de Grenoble
Publication of EP2265925A2 publication Critical patent/EP2265925A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0894—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by non-contact electron transfer, i.e. electron tunneling
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/10—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] or apparatus therefor, e.g. STM probes
    • G01Q60/16—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the present invention aims to fix with a precision of the order of one nanometer, or even one tenth of a nanometer, the posi ⁇ tion of an object submicron dimensions likely to move very quickly.
  • a tunneling microscope comprises a microtip capable of being approached close enough to an object so that when a suitable potential difference is applied between the microtip and the object, the object being at a reference potential, a tunnel current is likely to flow between the microtip and the object.
  • Voda, J. Chevrier, G. Besanozo, and F. Comin describes an atomic force microscope in which the microtip is arranged on a oscillating arm whose oscillations are enslaved.
  • the object is mounted on a piezoelectric element and the oscillating arm of the microtip is controlled for example by capacitive effect.
  • capacitive effect it is considered that the object is fixed but that its position can be adjusted by action on the piezoelectric element on which it rests.
  • An advantage of scanning tunneling microscopy devices is that they make it possible to detect very small ⁇ varia tions of distance and hence position, below the nanometer.
  • Another advantage of tunneling microscopy devices is that they can be carried out in extreme ways ⁇ miniaturized. Indeed, they only use a measurement of the tunnel effect current to measure the tip-object distance.
  • a disadvantage of tunneling microstrip devices is that they have a limited bandwidth and do not allow objects to be scanned that can move rapidly.
  • An object of an embodiment of the present invention is to use a tunneling microtip measurement system for the determination of position and thus possibly ⁇ lement for the servocontrol in position of an object submicrometric dimen ⁇ sions mobile and very low inertia. That the moving object by means very low inertia is likely to move over distances of the order of nano ⁇ meter to several tens of nanometers in periods NCI ⁇ EXTERIOR microsecond.
  • the inventors propose to perform a double servo loop: a first conventional loop between the microtip and the object to regulate the micropoint-object distance as a function of the measured tunnel current, and
  • a second loop also controlled by the measured tunnel current, for exerting a capacitive force between the object and a reference plane, this capacitive force acting in the opposite direction to the micropoint-object attraction force.
  • an embodiment of the present invention provides a device for positioning a moving object capable of moving over a distance of the order of one nanometer in a time less than or equal to a microsecond comprising a microtip; first piezoelectric positioning, polarization, detection and servocontrol means for moving the microtip with respect to the object and bringing it at a distance from the object of the nanometer order, to circulate a tunnel current between the micro ⁇ tip and the object, for measuring the tunnel current and for controlling, as a function of the measured tunnel current, the distance between the microtip and the object at a constant value; and second positioning and servocontrol means capacitively coupled to the object to oppose a force of attraction between the object and the microtip as a function of said measured tunnel current, the second means being connected to a reference plane.
  • the first means for positioning piezoelectric NENT compren- not only positioning means in the direc ⁇ from the tip to the object but also means for posi tioning ⁇ in a plane orthogonal to this direction.
  • the entire object and the reference plane is mounted on a x-y table movable relative to the microtip.
  • the object corresponds to an end zone of a microbeam.
  • the device further comprises third means for adjusting the distance between the first means and the reference plane ⁇ and thus the distance between the object and the reference plane.
  • FIG. 1 is a diagram partially in the form of blocks illustrating an example of application of a system according to the present invention
  • Figure 2 is a block diagram of a servo circuit used in the context of the present invention.
  • the moving object with very low inertia is the end of a mobile beam manufactured by MEMS technologies (technologies of realization of Micro-Electro-Mechanical Structures), using for example silicon etching techniques developed in the context of the realization of integrated circuits on silicon.
  • MEMS technologies technologies of realization of Micro-Electro-Mechanical Structures
  • silicon etching techniques developed in the context of the realization of integrated circuits on silicon.
  • Beams of sufficiently small dimensions are considered so that their end can move a distance of the order of one nanometer, for example from 1 to 50 nm, in a very short time, for example less than one microsecond.
  • a movable beam 1 is embedded in a support 2 connected to a base 3 defining a reference plane.
  • the beam is made of a conductive material or is coated with a conductive material and can be connected to a reference potential, for example ground, through the carrier 2 in a manner not shown.
  • On the reference plane 3 is disposed an electrode 4 capable of interacting capacitively with the beam 1.
  • a microtip 6 mounted on a block 8. We call z the distance of a point considered from the beam to the reference plane and the distance from this point of the beam to the micro ⁇ tip.
  • the beam or microbeam 1 has a length of the order of one hundred micrometers, for example 50 to 300 ⁇ m, or more, and at least one dimension in the orthogonal plane in the direction of its length. order of one tenth of a micrometer, or less, for example between 50 and 200 nm.
  • Such micro-beam is likely to oscillate at fre ⁇ these few tens or hundreds of kilohertz, while the amount of displacement near its upper end is nanometer.
  • Block 8 comprises means for positioning the microtip in the z direction, these positioning means being for example a piezoelectric crystal.
  • Block 8 also comprises biasing means capable of connecting the microtip to a desired control potential Vd.
  • At block 8 is connected to a servo system 10.
  • the servo system ⁇ ment 10 receives information on the tunnel current i
  • the control block 10 is able to provide, on the one hand, a bias voltage Vd to the microtip 6 on the other hand, a bias voltage Vz to the capacitive electrode 4.
  • the servo block 10 receives on the other hand information on the distance d ff that is to be maintained between the microtip and the object , and on the distance z re f that one wishes to maintain between the object and the reference plane.
  • the distance d re f will be in most applications kept constant. In some applications, it may be desired to vary this distance according to a specific law, for example to identify the transfer function of the moving object or any element of the servo system. In general, we can enslave the distance d re f anyway desired.
  • the invention can be used to fix the position of the microbeam.
  • the invention can also be used to realize an accelerometer for measuring an acceleration acting on the beam. This can be accomplished by measuring the servo signal to be applied to the capacitive actuator to maintain the beam stationary regardless of the applied acceleration.
  • the same principle can be used to perform a small scale force measurement, and this could be considered as a new version of a near field microscope.
  • microscopy type always in the case of a microbeam, we can determine the structure of the upper surface of the microbeam or a very small object placed on this upper surface. For this, we will provide a possibility of movement in the x and y directions (parallel to the reference plane) of the microtip. When it is moved in this plane, the distance d remains constant and the distance z is modified and provides an indication of the relief of the microbeam.
  • the positioning means of the piezo electric ⁇ microbeam include not only positioning means in the direction from the tip to the object but also means for positioning in a plane orthogonal to this direction.
  • the base on which the object is mounted is connected to a displacement table in x, y, z to move the object slowly relative to the microtip and choose an approximate starting position.
  • the double servo-control loop described above makes it possible, as indicated, to avoid any bonding between the microtip and the object even though the object has a very low inertia and that its position is likely to vary very rapidly. as a result of external phenomena such as thermal noise.
  • the attachment of the loop can be insuffuf ⁇ fast enough to avoid any initial bonding when one begins to approach the microtip of the object while the object is subject to oscillation or fast erratic movements.
  • the system according to the invention will preferably be used by first approaching the microtip with a substantially fixed portion of the object and then moving the object relative to the microtip (or vice versa) so that the microtip come next to the part of the object that we want to analyze.
  • This displacement if it must be relatively large amplitude, as in the case where the object is a beam and where it is desired to move the microtip of the embedding zone towards the end of the beam, can be provided by the displacement table in x, y mentioned above.
  • FIG. 2 represents a block diagram of a possible embodiment of a servo block 10. This servo block 10:
  • the setpoint value i-tref is subtracted from the measured tunnel current value.
  • the result of the subtraction is provided to a first controller CTLR1 which calculates according to selected rules a voltage Vd to be supplied to the piezoelectric element 8 which carries the microtip 6.
  • - is also supplied to a wholesaler ⁇ logarithm calculation operative part 22 that calculates the estimated value of the distance d. Indeed, it is known that in a tunnel effect system, the tunnel current is an exponential function of the distance between the objects between which this current flows.
  • the voltage Vd applied by the controller CTLR1 to the piezoelectric element 8 is sent to a model 24 of this piezoelectric element.
  • This model provides an estimate (z + d) of the distance between the microtip and the reference plane.
  • the estimated values (z + d) and d are subtracted in a subtracter 25 from which it follows that an estimated value z of the distance z is obtained.
  • a subtracter 27 subtracts this value z z ref value for the desired height z and the resulting error signal is supplied to a CTLR2 controller that provides the desired voltage Vz to the capacitor plate 4.

Abstract

The invention relates to a device for positioning a moveable object (1) which can be moved over a distance of the order of 1 nanometre in a time of 1 microsecond or less, comprising: a microtip (6); first piezoelectric positioning, polarization, detection and control means (8, 10) for moving the microtip relative to the object and bringing it to a distance of the order of 1 nanometre from the object, in order to make a tunnel current flow between the microtip and the object, for measuring the tunnel current and for slaving, depending on the measured tunnel current, the distance between the microtip and the object to a constant value (dref); and second positioning and control means (4, 10) which are capacitively coupled to the object so as to oppose an attractive force between the object and the microtip depending on the measured tunnel current, the second means being tied to a reference plane (3).

Description

DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT D'UN OBJET MOBILE SUBMICRONIQUE DEVICE FOR POSITIONING A SUBMICRONIC MOBILE OBJECT
Domaine de l'inventionField of the invention
La présente invention vise à fixer avec une précision de l'ordre du nanomètre, voire du dixième de nanomètre, la posi¬ tion d'un objet de dimensions submicrométriques susceptible de se mouvoir très rapidement. Exposé de l'art antérieurThe present invention aims to fix with a precision of the order of one nanometer, or even one tenth of a nanometer, the posi ¬ tion of an object submicron dimensions likely to move very quickly. Presentation of the prior art
Pour déterminer les propriétés et la position d'un objet de très petites dimensions, ou pour déterminer de très petites variations de surface d'un objet, on connaît actuelIe- ment des microscopes à force atomique et des microscopes à effet tunnel.To determine the properties and position of an object of very small dimensions, or to determine very small surface variations of an object, atomic force microscopes and tunneling microscopes are presently known.
Un microscope à effet tunnel comprend une micropointe susceptible d'être approchée suffisamment près d'un objet pour que, quand une différence de potentiel convenable est appliquée entre la micropointe et l'objet, ce dernier étant à un potentiel de référence, un courant tunnel est susceptible de circuler entre la micropointe et l'objet.A tunneling microscope comprises a microtip capable of being approached close enough to an object so that when a suitable potential difference is applied between the microtip and the object, the object being at a reference potential, a tunnel current is likely to flow between the microtip and the object.
Diverses variantes de ces microscopes à force atomique et à effet tunnel sont connues. En particulier, la demande de brevet PCT WO2007135345 dont les inventeurs sont M. Hrouzek, A.Various variants of these atomic force and tunnel effect microscopes are known. In particular, PCT patent application WO2007135345 invented by M. Hrouzek, A.
Voda, J. Chevrier, G. Besançon, et F. Comin décrit un microscope à force atomique dans lequel la micropointe est disposée sur un bras oscillant dont les oscillations sont asservies. L'objet est monté sur un élément piézoélectrique et le bras oscillant de la micropointe est asservi par exemple par effet capacitif. Dans cette demande de brevet, on considère que l'objet est fixe mais que sa position peut être ajustée par action sur l'élément piézoélectrique sur lequel il repose.Voda, J. Chevrier, G. Besançon, and F. Comin describes an atomic force microscope in which the microtip is arranged on a oscillating arm whose oscillations are enslaved. The object is mounted on a piezoelectric element and the oscillating arm of the microtip is controlled for example by capacitive effect. In this patent application, it is considered that the object is fixed but that its position can be adjusted by action on the piezoelectric element on which it rests.
Un avantage des dispositifs de microscopie à effet tunnel est qu'ils permettent de détecter de très petites varia¬ tions de distance et donc de position, inférieures au nanomètre. Un autre avantage des dispositifs de microscopie à effet tunnel est qu'ils peuvent être réalisés de façon extrême¬ ment miniaturisée. En effet, ils utilisent seulement une mesure du courant d'effet tunnel pour mesurer la distance pointe-objet. Toutefois un inconvénient des dispositifs de microsco- pie à effet tunnel est qu'ils ont une bande passante limitée et ne permettent pas d'analyser des objets susceptibles de se déplacer rapidement. RésuméAn advantage of scanning tunneling microscopy devices is that they make it possible to detect very small ¬ varia tions of distance and hence position, below the nanometer. Another advantage of tunneling microscopy devices is that they can be carried out in extreme ways ¬ miniaturized. Indeed, they only use a measurement of the tunnel effect current to measure the tip-object distance. However, a disadvantage of tunneling microstrip devices is that they have a limited bandwidth and do not allow objects to be scanned that can move rapidly. summary
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est d'utiliser un système de mesure à micropointe à effet tunnel pour la détermination de position et donc éventuel¬ lement pour l'asservissement en position d'un objet de dimen¬ sions submicrométriques mobile et à très faible inertie. On entend par très faible inertie le fait que l'objet mobile est susceptible de se déplacer sur des distances de l'ordre du nano¬ mètre à quelques dizaines de nanomètres en des durées infé¬ rieures à la microseconde.An object of an embodiment of the present invention is to use a tunneling microtip measurement system for the determination of position and thus possibly ¬ lement for the servocontrol in position of an object submicrometric dimen ¬ sions mobile and very low inertia. That the moving object by means very low inertia is likely to move over distances of the order of nano ¬ meter to several tens of nanometers in periods NCI ¬ EXTERIOR microsecond.
Quand ils ont essayé d'utiliser un système de micros¬ copie à effet tunnel à micropointe sur des objets ayant une si faible inertie les inventeurs se sont aperçus qu'il n'était pas possible d'utiliser les systèmes classiques de régulation de la distance de la micropointe à l'objet. En effet, quand on rapproche la micropointe de l'objet pour amorcer l'effet tunnel, une force d'attraction se produit entre la micropointe et l'objet. Cette force d'attraction croît proportionnellement à une puissance entière de la distance entre l'objet et la micro¬ pointe. Si l'objet a une extrêmement faible inertie, il n'est pas possible de retirer la micropointe suffisamment rapidement par un dispositif piézoélectrique et l'objet vient se coller contre la micropointe, rendant toute mesure impossible. Ce phénomène d'attraction et de collage est souvent désigné dans la technique par l'expression "pull-in".When they tried to use a system of microphones ¬ copy tunneling microdot on objects with low inertia if the inventors have realized that it was not possible to use conventional systems remote control from the microtip to the object. Indeed, when we bring the microtip closer to the object to initiate the tunnel effect, a force of attraction occurs between the microtip and the object. This attractive force increases proportionally with an entire power of the distance between the object and the micro ¬ tip. If the object has an extremely low inertia, it is not possible to remove the microtip quickly enough by a piezoelectric device and the object is sticking against the microtip, making any measurement impossible. This phenomenon of attraction and bonding is often referred to in the art as "pull-in".
Pour résoudre ce problème, les inventeurs proposent de réaliser une double boucle d'asservissement : - une première boucle classique entre la micropointe et l'objet pour réguler la distance micropointe-objet en fonction du courant tunnel mesuré, etTo solve this problem, the inventors propose to perform a double servo loop: a first conventional loop between the microtip and the object to regulate the micropoint-object distance as a function of the measured tunnel current, and
- une deuxième boucle également pilotée par le courant tunnel mesuré, pour exercer une force capacitive entre l'objet et un plan de référence, cette force capacitive s 'exerçant en sens inverse de la force d'attraction micropointe-objet.a second loop, also controlled by the measured tunnel current, for exerting a capacitive force between the object and a reference plane, this capacitive force acting in the opposite direction to the micropoint-object attraction force.
Grâce à cette double boucle, on obtient un asservisse¬ ment extrêmement rapide, et, dès qu'il se produit une attraction entre la micropointe et l'objet, on peut tirer l'objet à l'écart la micropointe de façon qu'il n'aille pas se coller contre celle-ci .Thanks to this double loop, one obtains an enslavement ¬ extremely fast, and, as soon as there is an attraction between the microtip and the object, one can draw the object aside the microtip so that it do not stick to it.
Plus particulièrement, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif de positionnement d'un objet mobile susceptible de se déplacer sur une distance de l'ordre du nanomètre en une durée inférieure ou égale à une microseconde comprenant une micropointe ; des premiers moyens de positionnement piézoélectrique, de polarisation, de détection et d'asservissement pour déplacer la micropointe par rapport à l'objet et l'amener à une distance de l'objet de l'ordre du nanomètre, pour faire circuler un courant tunnel entre la micro¬ pointe et l'objet, pour mesurer le courant tunnel et pour asservir, en fonction dudit courant tunnel mesuré, la distance entre la micropointe et l'objet à une valeur constante ; et des seconds moyens de positionnement et d'asservissement couplés capacitivement à l'objet pour s'opposer à une force d'attraction entre l'objet et la micropointe en fonction dudit courant tunnel mesuré, les seconds moyens étant liés à un plan de référence.More particularly, an embodiment of the present invention provides a device for positioning a moving object capable of moving over a distance of the order of one nanometer in a time less than or equal to a microsecond comprising a microtip; first piezoelectric positioning, polarization, detection and servocontrol means for moving the microtip with respect to the object and bringing it at a distance from the object of the nanometer order, to circulate a tunnel current between the micro¬ tip and the object, for measuring the tunnel current and for controlling, as a function of the measured tunnel current, the distance between the microtip and the object at a constant value; and second positioning and servocontrol means capacitively coupled to the object to oppose a force of attraction between the object and the microtip as a function of said measured tunnel current, the second means being connected to a reference plane.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers moyens de positionnement piézoélectrique compren- nent non seulement des moyens de positionnement dans la direc¬ tion de la pointe à l'objet mais également des moyens de posi¬ tionnement dans un plan orthogonal à cette direction.According to one embodiment of the present invention, the first means for positioning piezoelectric NENT compren- not only positioning means in the direc ¬ from the tip to the object but also means for posi tioning ¬ in a plane orthogonal to this direction.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble de l'objet et du plan de référence est monté sur une table x-y mobile par rapport à la micropointe.According to an embodiment of the present invention, the entire object and the reference plane is mounted on a x-y table movable relative to the microtip.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'objet correspond à une zone d'extrémité d'une micropoutre.According to one embodiment of the present invention, the object corresponds to an end zone of a microbeam.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend en outre des troisièmes moyens pour régler la distance entre les premiers moyens et le plan de réfé¬ rence et donc la distance entre l'objet et le plan de référence. Brève description des dessinsAccording to one embodiment of the present invention, the device further comprises third means for adjusting the distance between the first means and the reference plane ¬ and thus the distance between the object and the reference plane. Brief description of the drawings
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d' autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est un schéma partiellement sous forme de blocs illustrant un exemple d'application d'un système selon la présente invention ; et la figure 2 est un schéma sous forme de blocs d'un circuit d'asservissement utilisable dans le cadre de la présente invention.These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular embodiments in a non-limiting manner with reference to the accompanying figures in which: FIG. 1 is a diagram partially in the form of blocks illustrating an example of application of a system according to the present invention; and Figure 2 is a block diagram of a servo circuit used in the context of the present invention.
Description détailléedetailed description
En figure 1, les dimensions représentées ne correspon- dent pas aux dimensions réelles, le schéma étant purement illus- tratif. En effet, certaines des dimensions considérées ici sont de l'ordre du nanomètre et d'autres du micromètre ou du milli¬ mètre .In Figure 1, the dimensions shown do not correspond to the actual dimensions, the diagram being purely illustrative. Indeed, some of the dimensions considered here are of the order of a nanometer and others of the micrometer or milli ¬ meter.
Dans un exemple d'application de la présente inven- tion, on considère que l'objet mobile à très faible inertie est l'extrémité d'une poutre mobile fabriquée par des technologies MEMS (technologies de réalisation de Structures de Micro- Electro-Mécanique) , utilisant par exemple des techniques de gravure de silicium développées dans le cadre de la réalisation de circuits intégrés sur silicium.In an exemplary application of the present invention, it is considered that the moving object with very low inertia is the end of a mobile beam manufactured by MEMS technologies (technologies of realization of Micro-Electro-Mechanical Structures), using for example silicon etching techniques developed in the context of the realization of integrated circuits on silicon.
On considère des poutres de dimensions suffisamment faibles pour que leur extrémité puisse se déplacer d'une distance de l'ordre du nanomètre, par exemple de 1 à 50 nm, en une durée très faible, par exemple inférieure à la microseconde. Comme l'illustre la figure 1, une poutre mobile 1 est encastrée dans un support 2 lié à une embase 3 définissant un plan de référence. La poutre est en un matériau conducteur ou est revêtue d'un matériau conducteur et peut être reliée à un potentiel de référence, par exemple la masse, par 1 ' intermé- diaire du support 2 d'une façon non représentée. Sur le plan de référence 3 est disposée une électrode 4 susceptible d' interagir capacitivement avec la poutre 1. De l ' autre côté de la poutre 1 est disposée une micropointe 6 montée sur un bloc 8. On appelle z la distance d'un point considéré de la poutre au plan de réfé- rence et d la distance de ce point de la poutre à la micro¬ pointe.Beams of sufficiently small dimensions are considered so that their end can move a distance of the order of one nanometer, for example from 1 to 50 nm, in a very short time, for example less than one microsecond. As shown in Figure 1, a movable beam 1 is embedded in a support 2 connected to a base 3 defining a reference plane. The beam is made of a conductive material or is coated with a conductive material and can be connected to a reference potential, for example ground, through the carrier 2 in a manner not shown. On the reference plane 3 is disposed an electrode 4 capable of interacting capacitively with the beam 1. On the other side of the beam 1 is arranged a microtip 6 mounted on a block 8. We call z the distance of a point considered from the beam to the reference plane and the distance from this point of the beam to the micro¬ tip.
La poutre ou micropoutre 1 a par exemple une longueur de l'ordre de la centaine de micromètres, par exemple de 50 à 300 μm, ou plus, et au moins une dimension dans le plan ortho- gonal à la direction de sa longueur de l'ordre du dixième de micromètre, ou moins, par exemple comprise entre 50 et 200 nm. Une telle micropoutre est susceptible d'osciller à des fréquen¬ ces de quelques dizaines ou centaines de kilohertz, tandis que l'amplitude du déplacement au voisinage de son extrémité est supérieure au nanomètre.For example, the beam or microbeam 1 has a length of the order of one hundred micrometers, for example 50 to 300 μm, or more, and at least one dimension in the orthogonal plane in the direction of its length. order of one tenth of a micrometer, or less, for example between 50 and 200 nm. Such micro-beam is likely to oscillate at fre ¬ these few tens or hundreds of kilohertz, while the amount of displacement near its upper end is nanometer.
Le bloc 8 comprend des moyens de positionnement de la micropointe dans la direction z, ces moyens de positionnement étant par exemple un cristal piézoélectrique. Le bloc 8 comprend également des moyens de polarisation susceptibles de connecter la micropointe à un potentiel de commande Vd désiré. Au bloc 8 est relié un système d'asservissement 10. Le système d'asservis¬ sement 10 reçoit une information sur le courant tunnel i-|- circulant de la micropointe 6 à la poutre 1. Ce courant est fourni par tout capteur de détection de courant adapté 12. Le bloc d'asservissement 10 est apte à fournir, d'une part, une tension de polarisation Vd à la micropointe 6, d'autre part, une tension de polarisation Vz à l'électrode capacitive 4. Le bloc d'asservissement 10 reçoit d'autre part une information sur la distance dref que l'on souhaite maintenir entre la micropointe et l'objet, et sur la distance zref que l'on souhaite maintenir entre l'objet et le plan de référence. La distance dref sera dans la plupart des applications maintenue constante. Dans certaines applications, on peut souhaiter faire varier cette distance selon une loi déterminée, par exemple pour identifier la fonction de transfert de l'objet mobile ou de tout élément du système d'asservissement. De façon générale, on pourra asservir la distance dref de toute façon souhaitée.Block 8 comprises means for positioning the microtip in the z direction, these positioning means being for example a piezoelectric crystal. Block 8 also comprises biasing means capable of connecting the microtip to a desired control potential Vd. At block 8 is connected to a servo system 10. The servo system ¬ ment 10 receives information on the tunnel current i | - Flowing from the microtip 6 to the beam 1. This current is provided by any suitable current detection sensor 12. The control block 10 is able to provide, on the one hand, a bias voltage Vd to the microtip 6 on the other hand, a bias voltage Vz to the capacitive electrode 4. The servo block 10 receives on the other hand information on the distance d ff that is to be maintained between the microtip and the object , and on the distance z re f that one wishes to maintain between the object and the reference plane. The distance d re f will be in most applications kept constant. In some applications, it may be desired to vary this distance according to a specific law, for example to identify the transfer function of the moving object or any element of the servo system. In general, we can enslave the distance d re f anyway desired.
Divers circuits et systèmes d'asservissement sont connus pour asservir des distances en fonction de valeurs de consigne (ici dref et zref) et d'un signal d'erreur (ici la différence entre le courant tunnel mesuré i-|- et une valeur de consigne itref) •Various circuits and servocontrol systems are known for controlling distances as a function of setpoints (in this case dre f and z re f) and an error signal (here the difference between the measured tunnel current i - | - and a set value itref) •
Les inventeurs ont constaté que ce double asservisse¬ ment utilisant, d'une part, l ' actionnement d'un cristal piézo- électrique pour fixer la position de la micropointe par rapport à l'objet et pour attirer l'objet vers la micropointe (sous l'effet des forces de proximité, par exemple forces électrosta¬ tiques ou forces de Van der Waals) , d'autre part, une force capacitive pour lutter contre l'attraction entre la micropointe et l'objet permet d'obtenir un système à réaction extrêmement rapide. Il faut bien entendu choisir pour le système de commande 10 des circuits suffisamment rapides. On peut ainsi maintenir constante la distance entre la micropointe et l'objet, en évitant tout collage entre la micropointe et l'objet. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation et s'adapte à de nombreuses applica¬ tions .The inventors have found that this double servo ¬ ment using, on the one hand, the actuation of a piezoelectric crystal to fix the position of the microtip relative to the object and to attract the object to the microtip ( under the effect of forces near, e.g. strengths ¬ ticks Electrostatic forces or Van der Waals), on the other hand, a capacitive force to fight against the attraction between the microtip and the object provides a system extremely fast reaction. Of course, it is necessary to select sufficiently fast circuits for the control system 10. It is thus possible to maintain constant the distance between the microtip and the object, avoiding any bonding between the microtip and the object. The invention is capable of many variants and is suitable for many applica ¬ tions.
Dans le cas où l'objet mobile est une micropoutre comme cela a été décrit précédemment, l'invention peut être utilisée pour fixer la position de la micropoutre. Pour cela, il suffira de régler la valeur de consigne zref et de modifier la tension continue appliquée à l'élément piézoélectrique auquel est fixée la micropointe. Si on part d'une valeur initiale de zref puis que cette valeur est modifiée, l'extrémité de la micropoutre se déplacera en conséquence, le système d'asservis¬ sement restant réglé.In the case where the moving object is a microbeam as described above, the invention can be used to fix the position of the microbeam. For this purpose, it is sufficient to adjust the setpoint value z re f and to modify the DC voltage applied to the piezoelectric element to which the microtip is attached. If we start from an initial value of z re f then this value is modified, the end of the microbeam will move accordingly, the servo system ¬ sement remaining adjusted.
L'invention peut aussi être utilisée pour réaliser un accéléromètre pour mesurer une accélération agissant sur la poutre. Ceci peut être réalisé en mesurant le signal d'asservissement qui doit être appliqué à l'actionneur capacitif pour maintenir la poutre immobile nonobstant l'accélération appliquée. Le même principe peut être utilisé pour réaliser une mesure de force à petite échelle, et ceci pourrait être considéré comme une nouvelle version d'un microscope à champ proche.The invention can also be used to realize an accelerometer for measuring an acceleration acting on the beam. This can be accomplished by measuring the servo signal to be applied to the capacitive actuator to maintain the beam stationary regardless of the applied acceleration. The same principle can be used to perform a small scale force measurement, and this could be considered as a new version of a near field microscope.
Selon une autre variante d'application de la présente invention, de type microscopie, toujours dans le cas d'une micropoutre, on pourra déterminer la structure de la surface supérieure de la micropoutre ou d'un très petit objet posé sur cette surface supérieure. Pour cela, on prévoira une possibilité de déplacement dans les directions x et y (parallèlement au plan de référence) de la micropointe. Quand celle-ci est déplacée dans ce plan, la distance d reste constante et la distance z se modifie et fournit une indication du relief de la micropoutre. En ce cas, de préférence, les moyens de positionnement piézo¬ électrique de la micropoutre comprennent non seulement des moyens de positionnement dans la direction de la pointe à l'objet mais également des moyens de positionnement dans un plan orthogonal à cette direction. D'autres applications pourraient être envisagées telles que le positionnement d'une micro ou nano-bille d'or déplacée par exemple sur un plan suffisamment isolant, au moyen de 1 ' actionnement proposé dans l'un des axes de ce plan, ou par extension, un fonctionnement de type micro ou nano-pince .According to another variant of application of the present invention, microscopy type, always in the case of a microbeam, we can determine the structure of the upper surface of the microbeam or a very small object placed on this upper surface. For this, we will provide a possibility of movement in the x and y directions (parallel to the reference plane) of the microtip. When it is moved in this plane, the distance d remains constant and the distance z is modified and provides an indication of the relief of the microbeam. In this case, preferably, the positioning means of the piezo electric ¬ microbeam include not only positioning means in the direction from the tip to the object but also means for positioning in a plane orthogonal to this direction. Other applications could be envisaged, such as the positioning of a micro or nanocallel of gold displaced for example on a sufficiently insulating plane, by means of the actuation proposed in one of the axes of this plane, or by extension, micro or nano-clamp type operation.
A titre d'autre variante de la présente invention, on pourra prévoir que l'embase sur laquelle est monté l'objet est liée à une table de déplacement en x, y, z pour déplacer l'objet lentement par rapport à la micropointe et choisir une position initiale approchée.As another variant of the present invention, it can be provided that the base on which the object is mounted is connected to a displacement table in x, y, z to move the object slowly relative to the microtip and choose an approximate starting position.
La double boucle d'asservissement décrite précédemment permet, comme on l'a indiqué, d'éviter tout collage entre la micropointe et l'objet alors même que l'objet présente une très faible inertie et que sa position est susceptible de varier très rapidement par suite de phénomènes extérieurs tels que du bruit thermique. Toutefois, l'accrochage de la boucle peut être insuf¬ fisamment rapide pour éviter tout collage initial quand on commence à approcher la micropointe de l'objet alors que l'objet est soumis à une oscillation ou à des mouvements erratiques rapides. Ainsi, on utilisera de préférence le système selon l'invention en approchant d'abord la micropointe d'une partie sensiblement fixe de l'objet puis en déplaçant l'objet par rapport à la micropointe (ou inversement) pour que la micro- pointe vienne en regard de la partie de l'objet que l'on veut analyser. Ce déplacement, s'il doit être de relativement grande amplitude, comme dans le cas où l'objet est une poutre et où on souhaite déplacer la micropointe de la zone d'encastrement vers l'extrémité de la poutre, pourra être assuré par la table de déplacement en x, y susmentionnée.The double servo-control loop described above makes it possible, as indicated, to avoid any bonding between the microtip and the object even though the object has a very low inertia and that its position is likely to vary very rapidly. as a result of external phenomena such as thermal noise. However, the attachment of the loop can be insuffuf ¬ fast enough to avoid any initial bonding when one begins to approach the microtip of the object while the object is subject to oscillation or fast erratic movements. Thus, the system according to the invention will preferably be used by first approaching the microtip with a substantially fixed portion of the object and then moving the object relative to the microtip (or vice versa) so that the microtip come next to the part of the object that we want to analyze. This displacement, if it must be relatively large amplitude, as in the case where the object is a beam and where it is desired to move the microtip of the embedding zone towards the end of the beam, can be provided by the displacement table in x, y mentioned above.
La figure 2 représente un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation possible d'un bloc d'asservissement 10. Ce bloc d'asservissement 10 :FIG. 2 represents a block diagram of a possible embodiment of a servo block 10. This servo block 10:
- reçoit le courant d'effet tunnel i-|- mesuré par le capteur 12 de la figure 1, - reçoit une valeur de consigne i-tref 0^i est un courant d'effet tunnel de référence qui correspond à une valeur dref recherchée de la distance d,- receives the tunnel effect current i- | measured by the sensor 12 of FIG. - receives a setpoint value i-tref 0 ^ i is a reference tunnel effect current which corresponds to a desired value d f of the distance d,
- reçoit une valeur zref qui correspond à la valeur recherchée de la distance z,- receives a z ref value which corresponds to the desired value of the distance z,
- fournit à l'élément piézoélectrique 8 une tension de commande Vd, etprovides the piezoelectric element 8 with a control voltage Vd, and
- fournit à la plaque de condensateur 4 une tension de polarisation Vz. Dans un premier soustracteur 21, la valeur de consigne i-tref est soustraite de la valeur de courant tunnel i-|- mesurée. Le résultat de la soustraction (signal d'erreur) est fourni à un premier contrôleur CTLRl qui calcule selon des règles choisies une tension Vd à fournir à l'élément piézoélectrique 8 qui porte la micropointe 6. Le courant i-|- est également fourni à un dispo¬ sitif de calcul de logarithme 22 qui calcule la valeur estimée d de la distance d. En effet, il est connu que dans un système à effet tunnel, le courant tunnel est une fonction exponentielle de la distance entre les objets entre lesquels circule ce courant. La tension Vd appliquée par le contrôleur CTLRl à l'élément piézoélectrique 8 est envoyée à un modèle 24 de cet élément piézoélectrique. Ce modèle fournit une estimation (z + d) de la distance entre la micropointe et le plan de référence. Les valeurs estimées (z+d) et d sont soustraites dans un soustrac- teur 25 d'où il résulte que l'on obtient une valeur estimée z de la distance z. Un soustracteur 27 soustrait de cette valeur z la valeur zref recherchée pour la hauteur z et le signal d'erreur résultant est fourni à un contrôleur CTLR2 qui fournit la tension Vz recherchée à la plaque de condensateur 4. Bien entendu, le système d'asservissement décrit en relation avec la figure 2 ne constitue qu'un exemple d'un système d'asservissement possible. De plus, les divers éléments de ce système d'asservissement pourront être réalisés de façon matérielle ou logicielle et recevoir des signaux analogiques ou numériques. provides to the capacitor plate 4 a bias voltage Vz. In a first subtracter 21, the setpoint value i-tref is subtracted from the measured tunnel current value. The result of the subtraction (error signal) is provided to a first controller CTLR1 which calculates according to selected rules a voltage Vd to be supplied to the piezoelectric element 8 which carries the microtip 6. The current i- | - is also supplied to a wholesaler ¬ logarithm calculation operative part 22 that calculates the estimated value of the distance d. Indeed, it is known that in a tunnel effect system, the tunnel current is an exponential function of the distance between the objects between which this current flows. The voltage Vd applied by the controller CTLR1 to the piezoelectric element 8 is sent to a model 24 of this piezoelectric element. This model provides an estimate (z + d) of the distance between the microtip and the reference plane. The estimated values (z + d) and d are subtracted in a subtracter 25 from which it follows that an estimated value z of the distance z is obtained. A subtracter 27 subtracts this value z z ref value for the desired height z and the resulting error signal is supplied to a CTLR2 controller that provides the desired voltage Vz to the capacitor plate 4. Naturally, the system The control described in connection with FIG. 2 is only one example of a possible servocontrol system. In addition, the various elements of this servo system can be made hardware or software and receive analog or digital signals.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de positionnement d'un objet mobile (1) susceptible de se déplacer sur une distance de l'ordre du nano- mètre en une durée inférieure ou égale à une microseconde comprenant : une micropointe (6) ; des premiers moyens (8, 10) de positionnement piézo¬ électrique, de polarisation, de détection et d'asservissement pour déplacer la micropointe par rapport à l'objet et l'amener à une distance de l'objet de l'ordre du nanomètre, pour faire circuler un courant tunnel entre la micropointe et l'objet, pour mesurer le courant tunnel et pour asservir, en fonction dudit courant tunnel mesuré, la distance (dref) entre la micropointe et l'objet ; et des seconds moyens (4, 10) de positionnement et d'asservissement couplés capacitivement à l'objet pour s'opposer à une force d'attraction entre l'objet et la micropointe en fonction dudit courant tunnel mesuré, les seconds moyens étant liés à un plan de référence (3) .1. A device for positioning a moving object (1) capable of moving over a distance of the order of one nanometer in a time less than or equal to one microsecond comprising: a microtip (6); first means (8, 10) for positioning ¬ piezo electric polarization, detection and servo for moving the microtip relative to the object and bring it to an object distance of nanometer , for circulating a tunnel current between the microtip and the object, for measuring the tunnel current and for controlling, as a function of the measured tunnel current, the distance ( dre f) between the microtip and the object; and second positioning and servo-control means (4, 10) capacitively coupled to the object to oppose a force of attraction between the object and the microtip as a function of said measured tunnel current, the second means being connected to a reference plane (3).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la distance (dref) entre la micropointe et l'objet est asservie à une valeur constante.2. Device according to claim 1, wherein the distance (d re f) between the microtip and the object is slaved to a constant value.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premiers moyens de positionnement piézoélectrique compren¬ nent non seulement des moyens de positionnement dans la direc- tion de la pointe à l'objet mais également des moyens de posi¬ tionnement dans un plan orthogonal à cette direction.3. Device according to claim 1, wherein the first piezoelectric positioning means include an ¬ NENT not only positioning means in the Directorate- of the tip to the object but also means for posi tioning ¬ in a plane orthogonal to this direction.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble de l'objet et du plan de référence est monté sur une table x-y mobile par rapport à la micropointe. 4. Device according to claim 1, wherein the set of the object and the reference plane is mounted on a x-y table movable relative to the microtip.
5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'objet correspond à une zone d'extrémité d'une micropoutre.5. Device according to claim 1, wherein the object corresponds to an end zone of a microbeam.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 5, comprenant en outre des troisièmes moyens (zref) pour régler la distance entre les premiers moyens et le plan de référence et donc la distance entre l'objet et le plan de réfé¬ rence . 6. Device according to any one of revendica ¬ tions 1 to 5, further comprising third means (z re f) for adjusting the distance between the first means and the plane of reference and therefore the distance between the object and terms of refe ¬ rence.
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