FR2929404A1 - Dispositif de positionnement d'un objet mobile submicronique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de positionnement d'un objet mobile (1) susceptible de se déplacer sur une distance de l'ordre du nanomètre en une durée inférieure ou égale à une microseconde comprenant : une micropointe (6) ; des premiers moyens (8, 10) 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'ordre du nanomètre de l'objet, pour faire circuler un courant tunnel entre la micropointe et l'objet, pour mesurer le courant tunnel et pour asservir, en fonction du courant tunnel mesuré, la distance entre la micropointe et l'objet à une valeur constante (dref) ; 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 du courant tunnel mesuré, les seconds moyens étant liés à un plan de référence (3).

Description

B8790 1 DISPOSITIF DE POSITIONNEMENT D'UN OBJET MOBILE SUBMICRONIQUE

Domaine de l'invention La présente invention vise à fixer avec une précision de l'ordre du nanomètre, voire du dixième de nanomètre, la position d'un objet de dimensions submicrométriques susceptible de se mouvoir très rapidement. Exposé de l'art antérieur 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 actuelle- ment des microscopes à force atomique et des microscopes à effet tunnel. 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. Diverses variantes de ces microscopes à force atomique et à effet tunnel sont connues. En particulier, la demande de brevet PCT W02007135345 dont les inventeurs sont 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 B8790

2 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. Un avantage des dispositifs de microscopie à effet tunnel est qu'ils permettent de détecter de très petites variations 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. Résumé 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 éventuellement pour l'asservissement en position d'un objet de dimensions 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 nanomètre à quelques dizaines de nanomètres en des durées inférieures à la microseconde. 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 B8790

3 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". 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, et 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. 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. 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 B8790

4 entre l'objet et la micropointe en fonction dudit courant tunnel mesuré, les seconds moyens étant liés à un plan de référence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers moyens de positionnement piézoélectrique compren- vent 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. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble de l'objet et du plan de référence est monté sur une 10 table x-y mobile par rapport à la micropointe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'objet correspond à une zone d'extrémité d'une micropoutre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend en outre des troisièmes moyens pour 15 régler la distance entre les premiers moyens et le plan de référence et donc la distance entre l'objet et le plan de référence. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 20 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 25 la figure 2 est un schéma sous forme de blocs d'un circuit d'asservissement utilisable dans le cadre de la présente invention. Description détaillée En figure 1, les dimensions représentées ne correspon- 30 dent pas aux dimensions réelles, le schéma étant purement illustratif. En effet, certaines des dimensions considérées ici sont de l'ordre du nanomètre et d'autres du micromètre ou du millimètre. Dans un exemple d'application de la présente inven-35 tion, on considère que l'objet mobile à très faible inertie est B8790

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 5 de circuits intégrés sur silicium. 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 l'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. La poutre ou micropoutre 1 a par exemple une longueur de l'ordre de la centaine de micromètres, par exemple de 50 à 300 }gym, 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 fréquences de quelques dizaines ou centaines de kilohertz, tandis que l'amplitude du déplacement au voisinage de son extrémité est supérieure au nanomètre. 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 B8790

6 est relié un système d'asservissement 10. Le système d'asservissement 10 reçoit une information sur le courant tunnel it 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. Divers circuits et systèmes d'asservissement sont connus pour asservir à des valeurs constantes 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 it et une valeur de consigne 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 électrostatiques 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 30 variantes de réalisation et s'adapte à de nombreuses applications. 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 35 suffira de régler la valeur de consigne zref et de modifier la B8790

7 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. 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. 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 l'actionnement proposé dans l'un des axes de ce plan, ou par extension, un fonctionnement de type micro ou nano-pince. A titre d'autre variante de la présente invention, on 35 pourra prévoir que l'embase sur laquelle est monté l'objet est B8790

8 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. 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. La figure 2 représente un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation possible d'un bloc d'asservissement 10. 25 Ce bloc d'asservissement 10 : reçoit le courant d'effet tunnel it mesuré par le capteur 12 de la figure 1, reçoit une valeur de consigne itref qui est un courant d'effet tunnel de référence qui correspond à une valeur dref 30 recherchée de la distance d, reçoit une valeur zref qui correspond à la valeur recherchée de la distance z, fournit à l'élément piézoélectrique 8 une tension de commande Vd, et B8790

9 - fournit à la plaque de condensateur 4 une tension de polarisation Vz. Dans un premier soustracteur 21, la valeur de consigne itref est soustraite de la valeur de courant tunnel it mesurée.

Le résultat de la soustraction (signal d'erreur) est fourni à un premier contrôleur CTLR1 qui calcule selon des règles choisies une tension Vd à fournir à l'élément piézoélectrique 8 qui porte la micropointe 6. Le courant it est également fourni à un dispositif 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 CTLR1 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 soustracteur 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.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de positionnement d'un objet mobile (1) susceptible de se déplacer sur une distance de l'ordre du nanomètre 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 entre la micropointe et l'objet à une valeur constante (dref) ; 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).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premiers moyens de positionnement piézoélectrique 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.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel 25 l'ensemble de l'objet et du plan de référence est monté sur une table x-y mobile par rapport à la micropointe.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'objet correspond à une zone d'extrémité d'une micropoutre.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- 30 tions 1 à 4, 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 référence.