FR3055011A1

FR3055011A1 - Capteur micromecanique avec transduction optique

Info

Publication number: FR3055011A1
Application number: FR1657760A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Walter; Marc Faucher; Estelle Mairiaux
Original assignee: Des Sciences Et Technologies De Lille Saic, University of; Vmicro; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Current assignee: Des Sciences Et Technologies De Lille Saic, University of; Vmicro; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: FR3055011B1; WO2018029049A1; US11156634B2; US20210293850A1

Abstract

Capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile (EMM) et un résonateur optique (ROP4) de type disque ou anneau, caractérisée en ce que - le résonateur optique présente au moins une interruption (GR1, GR2) ; et en ce que - l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un mouvement de l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption.

Description

Titulaire(s) : VMICRO Société par actions simplifiée,CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE, UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE SAIC.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : MARKS & CLERK FRANCE Société en nom collectif.

165/ CAPTEUR MICROMECANIQUE AVEC TRANSDUCTION OPTIQUE.

FR 3 055 011 - A1 _ Capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile (EMM) et un résonateur optique (ROP4) de type disque ou anneau, caractérisée en ce que

- le résonateur optique présente au moins une interruption (GR1, GR2) ; et en ce que

- l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un mouvement de l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption.

CAPTEUR MICROMECANIQUE AVEC TRANSDUCTION OPTIQUE

L'invention porte sur un capteur micromécanique utilisant une détection optique de mouvement. L’invention s’applique en particulier, mais pas exclusivement, à la microscopie à force atomique.

La microscopie à force atomique (ou AFM pour « Atomic Force Microscopy >> en anglais) est une technique de microscopie à balayage développée à partir des années quatre-vingt et permettant d'atteindre une résolution à l'échelle atomique. Contrairement à la microscopie à balayage à effet tunnel, la microscopie à force atomique n'est pas limitée à la formation d'images de surfaces conductrices, ce qui la rend adaptée à des matériaux isolants, semi-conducteurs, voire même à des échantillons de nature biologique. Cette technique trouve application dans de nombreux domaines de la recherche pure et appliquée, mais également dans l'industrie microélectronique. Une introduction générale aux principes de l’AFM est fournie par l'article de F. J. Giessibl et C. F. Quate Exploring the nanoworld with atomic force microscopy”, Physics Today, décembre 2006, pages 44 - 50.

Le composant essentiel d'un microscope à force atomique conventionnel est une sonde constituée par un levier encastré à une extrémité et pourvu, à l'extrémité opposée, d'une pointe orientée vers la surface de l'échantillon à observer. Le levier présente généralement une longueur de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de micromètres, et la pointe un rayon de courbure de quelques dizaines ou centaines de nanomètres. Une telle sonde, généralement constituée de silicium monocristallin ou de nitrure de silicium, peut être fabriquée par des techniques photolithographiques conventionnelles, à un coût faible. Lorsque la pointe de la sonde est rapprochée d'une surface, elle subit l'influence de forces attractives ou répulsives de nature chimique, de van der Waals, électrostatiques et/ou magnétiques. En mesurant ces forces pendant que la pointe balaye la surface de l'échantillon à observer, il est possible de reconstituer une image de ce dernier. La mesure des forces s'exerçant entre la pointe et l'échantillon peut s'effectuer de différentes manières. Selon la technique la plus simple et plus ancienne (AFM statique) on se limite à observer, notamment par des moyens optiques, la déflexion du levier encastré supportant la pointe.

Une meilleure sensibilité peut être obtenue en faisant vibrer ce levier selon l'un de ses modes propres de flexion, et en observant les variations de fréquence de résonance induites par les gradients de ces forces (AFM dynamique). En pratique, la technique dynamique est généralement préférée pour les observations effectuées dans le vide ou dans l'air. Cette technique convient moins bien aux observations en milieu liquide, car les vibrations du levier y sont fortement amorties ce qui dégrade le facteur de qualité de la sonde.

Il est également connu d’utiliser des sondes d’AFM exploitant des modes de vibration planaires - on parle aussi de « mouvement vertical >> ou « longitudinal >> - qui permettent d’atteindre des facteurs de qualités très élevés même en AFM dynamique dans des milieux visqueux.

Quelle que soit la géométrie choisie, il est nécessaire de réaliser un transducteur permettant de détecter les mouvements de la pointe AFM. Un tel transducteur doit présenter à la fois une sensibilité élevée et une dynamique importante, car les mouvements à détecter peuvent présenter une amplitude allant de moins d’un picomètre à plusieurs centaines de nanomètres. Cela est relativement simple dans le cas d’une sonde conventionnelle, de type levier encastré fonctionnant en flexion, où l’on peut exploiter la déflexion d’un faisceau laser réfléchi par le levier, mais l’est beaucoup moins dans le cas d’une sonde à mouvement vertical. Le même problème se pose dans le cas de capteurs micromécaniques autres que des sondes AFM, par exemple des accéléromètres.

L’article de Y. Liu et al. « Wide cantilever stiffness range cavity optomechanical sensors for atomic force microscopy >> Optics Express Vol. 20, No. 16, pp. 18268 - 18280 (2012) et le brevet US 8,997,258 divulguent des sondes d’AFM comprenant un levier pouvant s’approcher d’un résonateur optique de type en anneau ou en disque, perturbant les conditions de résonance de ce dernier.

Le principe de fonctionnement de ces transducteurs exploite une interaction entre le levier et les ondes évanescentes à proximité de la surface extérieure du résonateur optique. Dans cette configuration, seulement certains modes de résonance optique du résonateur sont modulés. L’indentification des modes est donc très difficile, car tous ne se décalent pas en fréquence de la même quantité en réponse à la variation de la distance entre le levier et le résonateur. De plus, les surfaces en vis à vis sont importantes : le dispositif est fortement sensible aux forces capillaires (notamment en liquide) pouvant conduire au collage du levier sur le résonateur optique.

Par ailleurs, les sondes d’AFM (tout comme d’autres capteurs micromécaniques tels les palpeurs) sont soumises à des sollicitations asymétriques. Ainsi, dans le cas d’une sonde d’AFM à mouvement vertical, la pointe est susceptible de subir des forces répulsives beaucoup plus intenses que les forces attractives - le cas limite étant constitué par une mise en butée. Or, dans le cas des systèmes de l’art antérieur mentionnés ci-dessus, cela peu conduire à une mise en contact du levier et du résonateur optique, qui peut endommager ces éléments ou provoquer leur adhésion.

L’invention vise à résoudre en tout ou en partie ces inconvénients de l’art antérieur.

Conformément à l’invention, ce but est atteint par l’utilisation d’un transducteur optique basé sur un résonateur de type anneau ou disque, présentant au moins une interruption, ou fente. Un élément micromécanique mobile, tel qu’une poutre pouvant être animée d’un déplacement longitudinal, est couplé au résonateur de telle manière qu’un mouvement de l’élément micromécanique ouvre ou referme l’interruption. Il en résulte une modification de la longueur du résonateur, et donc de sa longueur d’onde de résonance, quel que soit le mode considéré ; cette modification peut donc être détectée aisément. Les surfaces en vis-à-vis sont faibles, surtout dans le cas d’un résonateur en anneau présentant une seule interruption, réduisant les risques d’adhésion par effet des forces capillaires.

Avantageusement, un dispositif selon l’invention et destiné à opérer en présence de sollicitation asymétriques sera conçu de telle façon que les déplacements de plus grande amplitude de l’élément micromécanique mobile ouvrent la ou les interruptions, réduisant les risques d’endommagement du résonateur.

L’interruption introduit des pertes dans le résonateur, et réduit donc son facteur de qualité. Cet inconvénient est cependant largement compensé par les avantages mécaniques qu’elle apporte, et qui seront discutés plus en détail dans la suite.

Un objet de l’invention est donc un capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile et un résonateur optique de type disque ou anneau, caractérisée en ce que le résonateur optique présente au moins une interruption ; et en ce que l’élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu’un mouvement de l’élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l’interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l’interruption.

Selon des modes de réalisation avantageux d’un tel capteur : L’élément micromécanique mobile peut s’étendre dans une direction dite longitudinale et présenter un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale. Plus particulièrement, l’élément micromécanique mobile peut être porté par un substrat planaire présentant une surface principale parallèle à la direction longitudinale et faire saillie d’un bord dudit substrat en s’étendant selon une orientation dite positive de ladite direction longitudinale. Plus particulièrement encore, l’élément micromécanique mobile peut être couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon que son déplacement dans la direction longitudinale selon une orientation dite négative, opposée à l’orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l’interruption du résonateur optique. Par ailleurs, le résonateur optique peut être porté par le substrat planaire et être sensiblement aligné avec l’élément micromécanique dans la direction longitudinale.

La ou les interruptions du résonateur optique peuvent être orientées selon une direction, dite transversale, perpendiculaire à la direction longitudinale et séparer le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l’une est couplée mécaniquement à l’élément micromécanique mobile tandis que l’autre est ancrée au substrat.

L’élément micromécanique mobile peut être directement relié à la dite partie du résonateur optique.

En variante, l’élément micromécanique mobile peut être couplé à la dite partie du résonateur optique par l’intermédiaire d’une structure mécanique d’inversion du mouvement.

Ledit résonateur peut être de type anneau et présenter au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l’élément micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d’autre de ladite interruption par l’intermédiaire d’une structure mécanique adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale. Plus particulièrement, ladite structure mécanique adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale peut comprendre une structure flexible en forme de fourche, présentent deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d’autre de l’interruption.

La ou les interruptions du résonateur optique peuvent séparer ce dernier en deux parties disjointes, dont l’une est couplée mécaniquement à l’élément micromécanique mobile tandis que l’autre est ancrée au substrat.

Le résonateur optique peut être est de type anneau, présenter une seule interruption et former, avec l’élément micromécanique mobile, un système masse-ressort.

L’élément micromécanique mobile peut porter une pointe de microscopie à sonde locale s’étendant dans la direction longitudinale.

Le capteur micromécanique peut comprendre également au moins un guide d’onde optique couplé optiquement au résonateur optique.

Dans un état de repos dans lequel aucune force externe n’agit sur l’élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque interruption du résonateur optique peut être comprise entre 0,1 nm et 1 pm, et de préférence entre 10 nm et 200 nm.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :

la figure 1, un dispositif micromécanique selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

la figure 2, un dispositif deuxième mode de réalisation de l’invention ;	micromécanique	selon	un
la figure 3, un dispositif troisième mode de réalisation de l’invention ;	micromécanique	selon	un
la figure 4, un dispositif quatrième mode de réalisation de l’invention ;	micromécanique	selon	un
la figure 5, un dispositif	micromécanique	selon	un

cinquième mode de réalisation de l’invention ;

la figure 6, un dispositif micromécanique selon un sixième mode de réalisation de l’invention ; et la figure 7, des résultats de simulation numériques permettant de valider le principe de l’invention.

L’invention sera décrite en référence à des modes de réalisation qui concernent tous des sondes pour AFM, et plus particulièrement pour AFM à mouvement vertical. Cependant, elle n’est pas limitée à cette application particulière.

Les sondes des figures 1 à 6 peuvent être réalisées à partir d’une structure de type SOI (silicium sur isolant), comprenant :

un substrat en silicium, noté SS sur les figures, en général épais de 20 pm à 1 mm, de préférence entre 50 et 600 pm ;

une couche enterrée d’oxyde S1O2 (dite « BOX >> de l’anglais « Buried Oxyde », c'est-à-dire « oxyde enterré >>), généralement d’une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 5 pm, de préférence entre 0,2 pm et 2 pm ; et

- une couche mince de silicium (épaisseur généralement comprise entre 1 nm et 100 pm, de préférence entre 0,2 pm et 5 pm), appelée « couche de dispositif >>.

Les éléments mécaniques de la sonde sont réalisés à partir de la couche de dispositif, et sont libérés par gravure humide de la couche

BOX sous-jacente. La couche BOX subsiste en correspondance des ancrages qui relient la sonde au substrat SS.

Il est également possible de réaliser la sonde sur un matériau autre que le SOI, par exemple, du SiN déposé sur Si. Il est également possible de réaliser certaines parties de la sonde dans la couche de dispositif sur SOI et d’autres dans un matériau comme Si₃N₄ ou tout autre matériau ayant des propriétés mécaniques convenables. En pratique, tout matériau présentant un rapport entre le module d’Young E et la densité de masse p suffisamment élevé (typiquement 1 ^km/s < < 12 ^km/s) peut convenir à la mise en œuvre de l’invention. A titre d’exemple, pour le silicium = 9 ^km/s

0 et pour le carbure de silicium = 12 ^km/_s.

D’une manière générale, la couche de dispositif est située audessus d’une surface du substrat, directement ou par l’interposition de couches intermédiaires (BOX dans le cas d’une structure SOI).

La sonde de la figure 1 comprend un élément 2 5 micromécanique mobile EMM en forme de poutre s’étendant selon une direction dite longitudinale y, et fait saillie du bord BS du substrat dans ladite direction longitudinale. Elle se termine par une pointe d’AFM - référence PT1 - qui s’étend aussi selon l’orientation positive de ladite direction longitudinale. La poutre EMM est reliée à deux ancrages APT1, APT2 par quatre poutres

ET1, ET2, ET3, ET4 s’étendant dans une direction x dite transversale (le plan xy est parallèle à la surface du substrat). A leur tour, les ancrages APT1, APT2 sont fixés au substrat par des régions APS1, APS2 d’oxyde enterré qui n’ont pas été enlevées lors de la libération de la structure ; ces régions sont délimitées par des lignes pointillées. Les poutres ET1 - ET4, situées de part et d’autre de l’élément EMM, sont flexibles de manière à permettre à la structure micromécanique d’effectuer un mouvement de va-et-vient dans la direction longitudinale y.

L’extrémité arrière (c'est-à-dire opposée à la pointe PT1) de l’élément micromécanique EMM est reliée à un résonateur optique ROP1 de type en anneau. Le terme « anneau » doit être entendu au sens topologique, et couvre le cas d’un anneau circulaire (comme dans la figure 1), allongé (cf. figure 2) ou de forme plus complexe (comme dans le cas de la figure 4). Ce résonateur présente, à environ 90° de la liaison avec l’élément EMM (à « 3 heures », si l’orientation positive de la direction y correspond à « 12 heures »), une interruption, ou fente, GR1 de largeur typiquement comprise entre 0,1 nm et 1 pm, et de préférence entre 10 nm et 200 nm (cela vaut pour une utilisation du dispositif à une longueur d’onde de 1,55 pm, cas le plus fréquent ; de manière plus générale, la largeur de la fente est proportionnelle à la longueur d’onde). La largeur de l’interruption résulte d’un compromis : une interruption large autorise des déplacements importants de l’élément EMM, et donc de la pointe PT1, mais dégradent de manière significative le facteur de qualité du résonateur optique. Réciproquement, une interruption étroite limite les déplacements de l’élément EMM mais introduit peu de pertes optiques.

Par ailleurs le résonateur est fixé, à l’opposé de la fente GR1, à l’ancrage APT1.

Un guide d’onde optique planaire GOP est agencé à l’arrière du résonateur, à proximité immédiate de ce dernier (l’écartement GC entre ces deux composants est typiquement de l’ordre de 200 nm ou moins), de manière à permettre un couplage par onde évanescente. Une onde lumineuse se propage d’un port optique POP1 à une extrémité du guide GOP jusqu’à un port optique POP2 situé à l’extrémité opposé. Le couplage par onde évanescente à travers l’intervalle GC excite un mode de résonance électromagnétique du résonateur ; une partie du flux lumineux injecté dans le port POP1 ne parvient donc pas au port POP2. De préférence le résonateur optique et le guide d’onde sont monomode.

Le résonateur ROP1 et le guide d’onde GOP peuvent par exemple être réalisés dans la couche de dispositif elle-même, en silicium, ce qui impose l’utilisation d’un rayonnement infrarouge et une couche de dispositif présentant une épaisseur adaptée (de l’ordre des centaines de nanomètres). En variante, ils peuvent être réalisés en matériau diélectrique déposé au-dessus de la couche de dispositif.

Des forces exercées par la surface d’un échantillon sur la pointe PT1 provoquent un déplacement de l’élément micromécanique EMM selon la direction longitudinale (y) ; ce dernier déforme le résonateur en anneau ROP1 en ouvrant l’interruption GR1 (si le déplacement se fait suivant l’orientation positive de l’axe y) ou en la refermant (si le déplacement se fait suivant l’orientation négative de y). L’ouverture ou la fermeture partielle de GR1 se font en déplaçant ses bords dans une direction qui est sensiblement parallèle à la direction de propagation de la lumière dans le résonateur - c'està-dire une direction tangentielle dans le cas d’un résonateur circulaire ; dans le cas particulier de la figure 1, l’interruption GR1 étant orientée selon la direction x, se bords se déplacent suivant la direction y. II en résulte une variation de la longueur du résonateur, et donc de sa longueur d’onde de résonance. Cela se traduit par une variation de l’intensité lumineuse à la sortie POP2 du guide optique GOP (si le rayonnement se propageant dans ce guide présente une bande étroite par rapport au pic du résonateur) ou de son spectre (si ce rayonnement présente une bande plus large). Par contre, le niveau de pertes dans le résonateur est peu affecté par la variation de largeur de l’interruption, tant que cette dernière reste relativement petite, car le désalignement de ses bords reste minime.

II est intéressant de noter que le résonateur optique interrompu ROP1 a également une fonction mécanique de ressort. II contribue, au même titre que les poutres transversales ET1 - ET4, à la ίο raideur de la sonde dans la direction longitudinale, et donc à sa fréquence de résonance mécanique. Un avantage de l’invention est que le résonateur optique interrompu ROP1 peut être dimensionné assez librement de manière à être plus ou moins raide ; il n’impose donc que peu de contraintes à la fréquence de résonance mécanique de la sonde. II en irait autrement pour un résonateur non interrompu, qui serait très rigide et contraindrait fortement la fréquence de résonance mécanique de la sonde.

La figure 2 montre une sonde selon un deuxième mode de réalisation, se différenciant du premier en ce que son résonateur optique ROP2 présente une forme allongée et - surtout - comporte deux interruptions GR1, GR2 situées de part et d’autre de la liaison mécanique avec l’élément micromécanique EMM. Ces deux interruptions séparent le résonateur ROP2 en deux parties disjointes dont l’une - ROP2A - est fixée à l’élément micromécanique mobile EMM, tandis que l’autre - ROP2B - est reliée au substrat via les ancrages APT1, APT2. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, un déplacement longitudinal de l’élément EMM ouvre ou referme les interruptions GR1, GR2, ce qui modifie la longueur du résonateur et donc sa longueur d’onde de résonance. Contrairement au cas de la figure 1, cependant, le résonateur ne contribue pas à la raideur de la sonde, et ne joue donc quasiment aucun rôle mécanique (sauf une petite contribution de sa partie mobile ROP2A à la masse de l’élément EMM). II faut également noter que la présence de deux interruptions au lieu d’une seule induit des pertes plus élevées ; toutes autres choses égales, le résonateur de la figure 2 présentera donc un facteur de qualité inférieur à celui de la figure 1.

La figure 3 montre une sonde selon un troisième mode de réalisation, semblable au deuxième, sauf en ce que son résonateur optique ROP3 est de type disque, séparé en deux parties ROP3A et ROP3B par une fente (interruption) GR1 s’étendant sur toute sa largeur. La première partie ROP3A, mobile, est reliée à l’élément EMM, tandis que la deuxième partie ROP3B, fixe, est reliée au substrat par l’intermédiaire des ancrages APT1, APT2.

Dans ces trois modes de réalisation, les interruptions GR1, GR2, GR3 s’étendent dans la direction transversale x, mais cela n’est pas strictement indispensable.

Les modes de réalisation des figures 1 à 3 présentent un inconvénient. En effet, en cas de déplacement important de l’élément mécanique mobile EMM - provoqué par exemple par une mise en butée de la pointe PT1 contre la surface d’un échantillon - les interruptions GR1, GR2, GR3 pourraient se refermer complètement, au risque d’une adhésion entre leurs bords, ou d’une rupture du résonateur optique. Pour éviter ce risque, il serait préférable qu’un déplacement de l’élément micromécanique mobile EMM suivant l’orientation négative de la direction longitudinale y induise une ouverture des fentes du résonateur, et inversement. En effet, il est peu vraisemblable qu’il se produise un déplacement important de l’élément micromécanique mobile EMM suivant l’orientation positive de la direction longitudinale y, car cela nécessiterait une force attractive intense s’exerçant sur la pointe PT1. Cet effet est obtenu de trois façons différentes dans les modes de réalisation des figures 4, 5 et 6.

Dans le cas de la figure 4, le résonateur optique ROP4 présente une forme en « cœur », dont la pointe est dirigée vers l’arrière (orientation négative de l’axe longitudinal y). Deux interruptions GR1, GR2 séparent la partie concave ROP4A, située entre les deux « oreillettes >> du « cœur >> du reste du résonateur, ROP4B. Cette partie ROP4A est reliée à l’élément EMM, et donc mobile, tandis que la partie ROP3B est fixe, étant reliée au substrat par l’intermédiaire des ancrages APT1, APT2. On voit aisément qu’un mouvement de la pointe, et donc de l’élément micromécanique EMM, vers l’arrière (orientation négative de l’axe y) tend à ouvrir les interruptions GR1, GR2, ce qui était recherché.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le résonateur optique ROP5 est du type en anneau de forme allongée ; deux interruptions GR1, GR2, s’étendant dans la direction transversale x, subdivisent ce résonateur en deux parties alignées selon la direction longitudinale : l’une, ROP5A, située vers l’avant (selon l’orientation positive de y) et mobile ; l’autre,

ROP5B, située vers l’arrière (selon l’orientation négative de y) et reliée au substrat par des ancrages ARO1, ARO2. Comme dans le cas des ancrages APT1, APT2, les lignes pointillées dénotent la présence d’un oxyde enterré. Contrairement au cas de la figure 2, cependant, la partie mobile ROP5A du résonateur optique est reliée à l’élément micromécanique mobile EMM de manière indirecte, par l’intermédiaire d’une structure mécanique d’inversion du mouvement SMI, qui convertit un déplacement de l’élément EMM vers l’arrière en un déplacement de ROP5A vers l’avant, et réciproquement. Dans l’exemple de la figure 5, la structure mécanique d’inversion du mouvement SMI présente une forme en triangle avec un sommet directement relié à l’élément EMM et une base opposée à ce sommet. La partie mobile ROP5A du résonateur est connectée au milieu de la base. Cette dernière est par ailleurs connectée aux ancrages ARO1, ARO2 - et donc, indirectement, au substrat, par l’intermédiaire de liaisons flexibles, modélisables par des pivots, situées à mi-chemin entre les extrémités de la base et son milieu. Ainsi, un mouvement de l’élément EMM dans la direction longitudinale provoque une flexion de la base du triangle, qui entraîne la partie mobile ROP5A du résonateur. On comprend qu’un mouvement vers l’arrière de la pointe PT1, et donc de l’élément EMM, provoque un mouvement vers l’avant de ROP5A, ce qui entraîne une ouverture des interruptions GR1, GR2.

Dans le mode de réalisation de la figure 6, le résonateur optique ROP6 est de type annulaire, de forme sensiblement circulaire et présente une seule interruption GR1 dans sa partie avant (à « 12 heures >>). Par ailleurs, le résonateur est relié au substrat par l’intermédiaire d’un ancrage central ARO3 ; les points de jonction entre l’ancrage et le résonateur sont éloignés de l’interruption GR1, par exemple situés à «3 heures», «6 heures » et « 9 heures ». Le résonateur est également relié à l’élément micromécanique mobile EMM par l’intermédiaire d’une structure de transformation du mouvement SMT qui convertit le déplacement selon l’axe y de l’élément EMM en un effort orienté selon l’axe x. Plus particulièrement, la structure SMT se présente sous la forme d’une fourche, dont les deux branches, flexibles, sont fixées au résonateur de part et d’autre de l’interruption GR1. On comprend qu’un déplacement de l’élément EMM vers l’arrière engendre une force tendant à écarter les bords de l’interruption GR1, et inversement dans le cas d’un déplacement vers l’avant. Comme dans le cas de la figure 1, le résonateur GR3, ainsi que la structure de transformation du mouvement, se comportent comme des ressorts et contribuent à la raideur mécanique de la sonde.

L’invention a été définie par rapport à un certain nombre de modes de réalisation, mais ne se limite pas à ces derniers. Par exemple, il est possible d’envisager des structures d’inversion/transformation du mouvement différentes de celles illustrées par les figures 5 et 6. De plus, il n’est pas essentiel que l’élément EMM se déplace selon la direction longitudinale ; il est possible d’envisager des modes de réalisation de l’invention dans lesquels le mouvement de l’élément micromécanique mobile EMM qui provoque l’ouverture ou fermeture d’une ou plusieurs interruptions d’un résonateur optique est un déplacement transversal (selon x), voire une flexion ou une torsion. Dans tous les modes de réalisation considérés, l’élément EMM se présente comme une simple poutre orientée dans la direction longitudinale, mais il peut également présenter une forme différente, éventuellement plus complexe. De plus, il n’est pas essentiel que l’élément EMM et le résonateur optique soient orientés dans la direction longitudinale, bien que cela simplifie la structure du dispositif.

La figure 7 montre des graphiques du coefficient de transmission d’un résonateur optique en anneau fendu (rayon de 3,1 pm) pour quatre valeurs de la largeur de la fente GR1 : 100 nm, 150 nm, 200 nm et 250 nm. On peut voir clairement le décalage de la fréquence de résonance optique en fonction de cette largeur. La sensibilité du capteur est de 0,028 nm de longueur d’onde optique par nm de variation de largeur de la fente.

Claims

REVENDICATIONS

1. Capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile (EMM) et un résonateur optique (ROP1 - ROP6) de type disque ou anneau, caractérisée en ce que le résonateur optique présente au moins une interruption (GR1, GR2, GR3) ; et en ce que l’élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu’un mouvement de l’élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l’interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l’interruption.
2. Capteur micromécanique selon la revendication 1 dans lequel l’élément micromécanique mobile s’étend dans une direction dite longitudinale (y) et présente un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale.
3. Capteur micromécanique selon la revendication 2 dans lequel l’élément micromécanique mobile est porté par un substrat planaire (SS) présentant une surface principale parallèle à la direction longitudinale et fait saillie d’un bord (BS) dudit substrat en s’étendant selon une orientation dite positive de ladite direction longitudinale.
4. Capteur micromécanique selon la revendication 3 dans lequel l’élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique (ROP4, ROP5, ROP6) de telle façon que son déplacement dans la direction longitudinale selon une orientation dite négative, opposée à l’orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l’interruption du résonateur optique.
5. Capteur micromécanique selon la revendication 4 dans lequel le résonateur optique est porté par le substrat planaire et est sensiblement aligné avec l’élément micromécanique dans la direction longitudinale.
6. Capteur micromécanique selon l’une des revendications 4 ou 5 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique sont orientées selon une direction, dite transversale (x), perpendiculaire à la direction longitudinale et séparent le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l’une (ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l’élément micromécanique mobile tandis que l’autre (ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat.
7. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans lequel l’élément micromécanique mobile est directement relié à la dite partie (ROP4A) du résonateur optique.
8. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans lequel l’élément micromécanique mobile est couplé à la dite partie du résonateur optique (ROP5A) par l’intermédiaire d’une structure mécanique d’inversion du mouvement (SMI).
9. Capteur micromécanique selon l’une des revendications 4 ou 5 dans lequel ledit résonateur (ROP6) est de type anneau et présente au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l’élément micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d’autre de ladite interruption par l’intermédiaire d’une structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale.
10. Capteur micromécanique selon la revendication 9 dans lequel ladite structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale comprend une structure flexible en forme de fourche, présentent deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d’autre de l’interruption.
11. Capteur micromécanique selon l’une des revendications 2 ou 3 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique (ROP2, ROP3, ROP4, ROP5) séparent ce dernier en deux parties disjointes, dont l’une (ROP2A, ROP3A, ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l’élément micromécanique mobile tandis que l’autre (ROP2B, ROP3B, ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat.
12. Capteur micromécanique selon l’une des revendications 2 ou 3 dans lequel le résonateur optique est de type anneau (ROP1), présente une seule interruption et forme, avec l’élément micromécanique mobile, un système masse-ressort.
13. Capteur micromécanique selon l’une des revendications 2 à 12 dans lequel l’élément micromécanique mobile porte une pointe de microscopie à sonde locale (PT 1 ) s’étendant dans la direction longitudinale.
14. Capteur micromécanique selon l’une des revendications précédentes comprenant également au moins un guide d’onde optique (GOP) couplé optiquement au résonateur optique.
15. Capteur micromécanique selon l’une des revendications précédentes dans lequel, dans un état de repos dans lequel aucune force externe n’agit sur l’élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque interruption (GR1, GR2, GR3) du résonateur optique est comprise entre 0,1 nm et 1 pm, et de préférence entre 10 nm et 200 nm.

1/6 y

y

Ux

GC

Fiq. 2

2/6 y

Fia. 3

3/6

Fiq. 4

4/6

Fiq. 5

5/6

Fiq. 6

6/6