WO2007006834A2 - Sistema y método para la inspección de estructuras micro y nanomecánica - Google Patents

Sistema y método para la inspección de estructuras micro y nanomecánica Download PDF

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WO2007006834A2
WO2007006834A2 PCT/ES2006/000405 ES2006000405W WO2007006834A2 WO 2007006834 A2 WO2007006834 A2 WO 2007006834A2 ES 2006000405 W ES2006000405 W ES 2006000405W WO 2007006834 A2 WO2007006834 A2 WO 2007006834A2
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Francisco Javier Tamayo De Miguel
Johan Mertens
Montserrat Calleja Gomez
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
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    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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    • G—PHYSICS
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/06—Probe tip arrays

Definitions

  • the invention is related to the field of devices based on micro and nanomechanical structures, such as micro or nanocantilevers, micro or nanopuents, micro or nanomembranes, etc. STATE OF ART
  • MEMS Microelectromechanical systems
  • microcantilever-based devices are two relevant examples of this type of systems. If we mention some applications, MEMS accelerometers are used in scans and monitoring, detection in automobile airbags and inertial navigation. Similar technologies are used to monitor blood pressure. MEMS micro mirrors have been developed as photonic switches for the optical telecommunications sector; The micro mirrors can also be used for portable screens and laser placement applications. MEMS can also be used as transducers in biological and chemical sensors. There is also a wide range of applications based on microcantilevers, which can be considered as one of the simplest forms of MEMS.
  • microcantilevers are used for sensitive mapping of attractive and repulsive forces on a nano-scale scale in atomic force microscopy (Y. Martin, CC. Williams and HK Wickramasinghe, "Atomic Forces Microscope-Forcé Mapping and Profiling on a sub 100 -A scale ", Journal of Applied Physics 61, pp. 4723-4729 (1987)), for biological and chemical sensors ultrasensitive nanomechanics (B. Ilic, D. Czaplewski, HG Cxa.xgh.ea.d f P. Neuzil, C. Campagnolo and C. Batt f "Mechanical resonant immunospecific biolog ⁇ cal detector", Applied Physics Letters 77, pp.
  • the characterization of the shape, profile, movement, tension and effort of MEMS and microcantilevers plays an important role in the development and evolution of products.
  • the measurement in real time of the shape, profile, movement, tension and / or effort is of great value to monitor the mechanical response, for example, of chemical and biological sensors that are based on the shape, profile, movement, tension or effort of a MEMS or micro or nanocantilevers.
  • MEMS and microcantilever systems include cantilever-based systems provided with a fixed end and another mobile end; In these systems, what is normally detected is the displacement and / or movement of the "free" end. However, there are also systems based on cantilevers held by both ends; Then, the movement of the central part can be detected. In addition, there are other micro and nanomechanical structures that are mobile and flexible, such as doubly held vanes whose "easy" direction of movement corresponds to the torsion of the vane around the axis of the hinges that connect the vane to a frame (basically , just like a racket square fixed to a frame by two opposite handles of the racket, extending along an axis). Other known systems employ membranes that are connected to a frame by two groups of hinges, which allows two angular degrees of freedom.
  • the surface of the micro or nanomechanical element is sensitized with receptors that selectively recognize the target substance.
  • the placement of the target substance on the surface of the micro or nanomechanical element causes a change in the shape, profile, tension, stress and movement (vibration) of the mechanical element.
  • This change is usually measured by measuring the displacement of a representative part of the mechanical element (usually it is the free end of a microcantilever fixed by a single end, but it can also be the center of a microcantilever fixed by both ends, a part of a membranous sheet , etc.).
  • This displacement can be about 1-100 nanometers and, in many cases, it is necessary to obtain a resolution greater than 1 nm, depending on the application.
  • Displacement there are several techniques such as capacitive detection, current tunnel based detection, optical interferometry, piezoresistant reading and the deflection technique of an optical beam.
  • MEMS and microcantilever systems are disclosed, for example, in:
  • FIG. 1 schematically illustrates a conventional prior art system for optical beam deflection.
  • a light source 101 usually a laser source
  • produces a light beam 102 usually a laser light beam, in the visible ultraviolet or infrared spectrum
  • focused i.e., focused
  • a position sensitive detector 105 such as a photodetector, for example, a segmented photodetector, a continuous position sensing photodetector, an array of photodetectors, a CCD, etc.
  • a photodetector can be used
  • optical beam deflection technique can be applied to other types of mechanical elements such as cantilevers fixed at both ends, membrane sheets, micro pallets, etc. It can also be
  • This system is indicated to measure the static and mechanical behavior of mechanical elements such as ⁇ antilevers, for example, the maximum deflection, the average deflection value, the amplitude at a reference frequency (the element can be externally excited by a force of excitation that oscillates at the reference frequency), the phase of the movement with respect to the external excitation signal, the frequency, etc.
  • Static displacement, amplitude, frequency, etc. that have been measured can then be related to an object that has to be measured and that interacts with the cantilever and with signals and / or procedures used to stimulate the object and / or cantilever.
  • the technique described above is practical when the displacement / movement of a single part of a single mechanical element has to be measured.
  • this technique cannot be applied to devices based on matrices composed of several mechanical elements in which the displacement / movement of each element must be measured.
  • These devices offer multifunctionality and greater speed and / or more complete information than devices based on a single mechanical element.
  • chemical and biological sensors based on microcantilever matrices can detect several substances by sensitizing each cantilever with a different receptor.
  • the optical beam deflection technique as described above can solve deflections as small as 0.1 nm, the implementation of this technique for cantilever matrix readings has proved to be a complex issue. So far matrixes of light sources have been used and these sources have the same step as the cantilever matrix. The light sources are activated and deactivated individually, for the individual illumination of each cantilever of the matrix, and for the sequential reading of the deflection of each cantilever by means of a continuous position sensing photodetector (a type of sensor sensitive to the position). This type of system is revealed, for example, in HP Lang, et al., Applied Physics Letters, Volume 72, Number 3, January 19, 1998, p. 383-385, "Sequential Position Readout from Arrays of Micromechanical Cantilever Sensors".
  • cantilever systems in which the displacement of a specific part of the cantilever has to be measured, or in which the curvature of the cantilever has to be measured, there may be mechanical structures such as sensitized membrane sheets in different regions for a different stimulus, so that to obtain information about each stimulus it is necessary to measure the displacement of each sensitized region of the mechanical structure.
  • Laser-Doppler These techniques can be bulky and expensive and some use complex algorithms to get a picture of displacement and vibration. In addition, it is not always possible to simultaneously measure static and dynamic displacements using these techniques.
  • the Laser-Doppler vibrometer measures the speed outside the plane of a point of the mechanical structure.
  • DESCRIPTION OF THE INVENTION There are systems based on micro or nanomechanical elements in which the displacement or vibration of the micro or nanomechanical elements is measured in relation to an external object that interacts with the elements.
  • chemical and biological sensors based on micro and nanomechanical elements are based on the fact that the adsorption of a substance on the surface of a mechanical element varies the characteristics of shape, profile, tension, stress and vibration of the mechanical element.
  • This change is measured by measuring the displacement of the mechanical element at a specific and representative point, for example, a point near the free end of a cantilever held by a single end.
  • This can be accurately measured using the technique of deflection of an optical beam, directing a laser beam to a point near the end of a cantilever. From the displacement of that point, it is possible to deduce, using theoretical models, the displacement of the entire mechanical element. However, these models assume ideal conditions and are not always applicable to real situations. It would be advantageous to be able to obtain real-time measurements of the displacement and movement of several selected positions of a mechanical structure or a region of interest of that structure.
  • the curvature along the microcantilever is related to the adsorbed molecules on the microcantilever. To obtain the curvature, it is necessary to measure the displacement of several positions along the microcantilever. In other sensors based on more complex mechanical microstructures, profile measurements along several axes would provide more information on how the mechanical microstructure changes in response to the object to be measured.
  • the applicant has considered that there is a need for a system and method that provides the detection of the displacement and vibration of several selected points of micro or nanomechanical elements along at least one direction or axis, and that use a single light source to detect the map or profile of : static displacement and vibration characteristics (amplitude, phase, frequency, etc.) of several elements that are part of a micro or nanomechanical structure, such as a one-dimensional or two-dimensional matrix .
  • a first aspect of the invention is related to a surface inspection system arranged to detect relative displacement
  • the system consists of: a light source (such as a laser source, for example, a laser diode) arranged to generate at least one beam of light (for example, a laser beam); a position sensitive detector (for example, a photodetector or something similar arranged to generate an output signal or a set of output signals that, on the one hand, depends on the position of an incident beam of light on said photodetector and, on the other hand, of W
  • a light source such as a laser source, for example, a laser diode
  • a position sensitive detector for example, a photodetector or something similar arranged to generate an output signal or a set of output signals that, on the one hand, depends on the position of an incident beam of light on said photodetector and, on the other hand, of W
  • an electronic control system (which can be implemented in a personal computer or, for example, another type of programmable electronic device, such as a microcontroller or similar device);
  • scanning means i.e. some type of scanning mechanism
  • scanning means for the relative displacement of said beam of light with respect to the mechanical structure, to explore said mechanical structure with the beam of light, following the instructions of the system of
  • the scanning means may include a means to move the light beam generator or part thereof and / or one or more mirrors and other light reflection devices, as well as the corresponding drive means to displace
  • the electronic control system is arranged to control the scanning means in order to move the light beam along the mechanical structure following a first path in order to detect several subsequent reference positions. along that path.
  • the electronic control system is operatively associated with the position sensitive detector in order to determine said
  • the electronic control system is also responsible for controlling the scanning means to move the light beam along the mechanical structure following several second paths, each of said second paths associated with one of said reference positions (so that, for example, each second trajectory begins at said reference position or has a predetermined relationship with said reference position).
  • the electronic control system also deals with obtaining, during the movement of the light beam along each of said second paths, several position signal outputs of said position sensitive detector. These position signal outputs can be used to determine the relative displacement and / or vibration characteristics of the corresponding points of the inspected structure.
  • the electronic control system may be operatively associated with said position sensitive detector to determine said reference positions as a result of an analysis of the amplitude (eg, the position dependence of said amplitude) of at least one of said signals output of said position sensitive detector.
  • the electronic control system can be operatively associated with said position sensitive detector to determine that a position is a reference position: when said position corresponds to a local maximum of the amplitude of at least one of said output signals of said position sensitive detector (which may be due to a total reflection of the beam
  • the reference position can be chosen to correspond to a position equidistant from two 25 positions corresponding to local minimums in the intensity of reflected light, that is, to a position between the two spaces on the sides of a cantilever of an array of cantilevers).
  • the output of said position sensitive detector may be indicative of the intensity of the light beam received by the position sensitive detector.
  • the electronic control system can be configured to: 35. move the light beam along said first trajectory; upon detecting a reference position, interrupting the movement of the light beam along said first path and, instead, displacing the light beam along a second path corresponding to said reference position; subsequently, continue the movement of the light beam along said first path until a subsequent reference position is detected.
  • the electronic control system can be configured to: move the light beam along said first path until reaching one end of said first path, while recording subsequent reference positions; then, after reaching the end of said first path, then moving the light beam along the second paths corresponding to the registered reference positions;
  • the second paths can include a considerable number of points of each element or a region of each element in order to obtain a global plot of the surface of the slope, the displacement and / or vibration of said element or said region of said element .
  • the first path can be, for example, a basically straight path in a first direction.
  • the second paths can be, for example, basically straight paths in a direction basically perpendicular to the first path (an option that may be suitable when, for example, the objective is to detect the longitudinal curvature of the cantilevers arranged in parallel in a matrix of cantilevers)
  • the second trajectories they can be, for example, basically straight paths in a direction basically parallel to the first path (this configuration may be appropriate when the objective is to measure the longitudinal curvature of the elements arranged one behind the other in their longitudinal direction, such as cantilevers arranged in holes subsequent on a silicon substrate or something similar, or when the objective is to detect the torsion around the longitudinal axis of several elements arranged in parallel, such as the vanes or cantilevers of a matrix).
  • the first and / or the second trajectory can also be, for example, winding, zigzagging, sinusoidal and / or circular paths and can have any suitable relationship with the first trajectories.
  • the mechanical structure can be, for example, a matrix of cantilevers; if so, then the elements can be the cantilevers of said matrix of cantilevers.
  • the system can also be configured to store and / or treat the outputs of the position signals as data indicative of surface displacement
  • Another aspect of the invention is related to a surface inspection method for detecting relative displacement (corresponding, for example, to an increase in the slope of a part or region of an element) and / or the vibration characteristics of several points. of various elements that are part of a mechanical structure, said method being formed by the phases of: directing a beam of light towards said mechanical structure and producing a relative displacement of said beam of light relative to the mechanical structure to explore said mechanical structure with the beam of light; receiving a reflected beam of light from said mechanical structure, with a position sensitive detector configured to generate at least one output signal in response to the reception of said beam of light (for example, a photodetector or a similar device configured to generate an output signal or set of output signals that, on the one hand, depends on the position of an incident light beam on said photodetector and, on the other, on the intensity of the light of the incident light beam); wherein the phase to produce a relative displacement of said beam of light relative to the mechanical structure is carried out so that the beam of light is displaced along the mechanical structure following a
  • the method further comprises the detection phase of several subsequent reference positions along said first path, said reference positions being determined by analyzing at least one output signal of said sensitive detector to position.
  • the production phase of a relative displacement of said beam of light in relation to the mechanical structure is further carried out to also move the beam of light through the mechanical structure along several second paths, each of said second being associated. trajectories with one of said reference positions.
  • the method also includes obtaining, during the movement of the light beam along each W
  • the reference positions can be determined by analyzing the amplitude (for example, the dependence of positions of said amplitude) of at least one of said output signals of said detector
  • a position can be determined to be a reference position according to different criteria, for example: when said position corresponds to a maximum local of the amplitude of at least one of said output signals of said position sensitive detector ; when said position corresponds to a local minimum of the amplitude of at least one of said output signals of said position sensitive detector;
  • the amplitude of at least one of said output signals of said position sensitive detector may be indicative of the intensity of the light beam received by the position sensitive detector.
  • the phase of producing a relative displacement of said light beam in relation to the mechanical structure it can be carried out so that: the light beam travels through said first path / when a reference position is detected, the light beam movement of said first path is interrupted and, instead, the light beam travels by a second trajectory corresponding to said reference position; and, subsequently, the movement of the light beam continues along said first path, until a next reference position is detected, or the light beam moves along said first path until reaching one end of said first path, while recording positions subsequent reference; and then, after reaching the end of said first trajectory; The light beam is subsequently displaced by the second paths corresponding to the registered reference positions.
  • the method may comprise the phase of storing and / or treating said position signal outputs as data indicative of the surface slope, displacement and / or vibration characteristics of a corresponding element of the mechanical structure, along the corresponding second paths. .
  • a further aspect of the invention is related to a program, such as a computer program, comprising the program instructions to make a programmable electronic system (composed, for example, of a personal computer or other programmable electronic control means) carry carrying out the method of the invention, when the program is executed in said programmable electronic system.
  • the system may further comprise the light source, the position sensitive detector and the scanning means, such as outlined above.
  • the program can be incorporated into a recording medium (such as a magnetic or optical recording medium, such as a computer memory or a read-only memory) or can be performed on an electrical carrier signal.
  • Figure 1 is a schematic view of a prior art system for cantilever reading based on the deflection technique of an optical beam to measure the deflection of microcantilevers.
  • Figure 2 is a schematic view of a prior art system in which a laser beam is used to explore a matrix of microcantilevers.
  • Figures 3A and 3B are a schematic view of an embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic illustration of the displacement of the laser light reflected in the position sensitive detector, when the slope of the surface varies (for example, a region of a cantilever), using the technique of deflection of an optical beam.
  • Figures 5A-5C illustrate an experiment based on the present invention.
  • Figures 6A and 6B illustrate the curves obtained with an embodiment of the present invention, corresponding to real-time measurements of the absolute displacement of the cantilever end. (Figure 6A) and the radius of absolute curvature (Figure 6B) of several microcantilevers during the adsorption of MCH.
  • Figure 7 shows the paths explored according to an experiment based on an embodiment of the invention.
  • Figures 8A-8C show the output signals of the position sensitive detector corresponding to said experiment.
  • Figures 9A-9D show different examples of 10 possible implementations of the first and second trajectories. DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • Figure 3A illustrates a schematic view of an embodiment of the invention, in which a light source 1 composed of a laser diode is used to generate a laser beam 11 which is used to explore a micromechanical structure 5 formed by several cantilevers 51 , each provided with a fixed end and a free end.
  • a position sensitive detector 2 formed by a photodetector is configured to receive the light beam after reflection in the cantilevers 51 and to generate three output signals, one with an amplitude that depends on the intensity of the light that falls on the detector 25 sensitive to position 2, and the other two with an amplitude that depends on the coordinates of the position where the light falls on said position sensitive detector.
  • cantilevers 51 are differentiated from
  • the laser diode 1 is mounted on a scanning device 4 to explore the laser beam 11 along different routes through the mechanical structure 5, basically in the XY plane defined by the cantilevers 51 (in its ideal unfolded position).
  • the scanning device 4, in this embodiment of the invention is based on two linear perpendicular mobile coil impellers based on the Lorentz force between a tubular coil and a permanent magnet.
  • Mobile coil impellers typically allow a range of motion of a few millimeters, speeds between 0.1 and several mm / s and an accuracy of 100 nm.
  • other methods such as linear motors, piezoelectric impellers, etc. can be used.
  • an intermediate mirror can be used to explore the laser beam by controlling the angle of inclination.
  • the reflected laser beam is picked up by a position sensitive (photo) detector (PSD) that generates output signals indicative of the total light intensity and the position of the reflected point, that is, the point where the reflected laser beam strikes the relevant surface of the detector.
  • PSD position sensitive
  • it has an electronic control system 3 that is connected to the position sensitive detector to receive and analyze the output signals of said position sensitive detector 2 and to the scanning device 4 in order to control the monitoring device. scan 4, according to a program stored in said electronic control system.
  • the position coordinates of the point reflected in the PSD are measured.
  • the distance s * between the incidence on the position sensitive detector 2 of the laser beam HA before the increase of the slope and the laser beam HB after the increase of the slope are schematically illustrated in Figure 4.
  • Changes in the angle of inclination in the plane formed by the incident and reflected laser beams and those of the perpendicular plane can be decoupled by measuring the coordinates of the laser point reflected on the position sensitive detector along an axis contained in the plane of incidence-reflection and the other perpendicular.
  • the laser beam 11 is first scanned in a first direction (path A of Figure 3B) perpendicular to the matrix to illuminate the free ends of the cantilevers.
  • the photocurrent maxima are obtained in the detector sensitive to the linear position 2 at the positions of the laser beam where the free ends of the cantilevers are illuminated.
  • These positions which correspond to the local maximums of the photocurrents generated in the detector sensitive to position 2, are used as initial reference points (reference positions C in Figure 3B) to perform a second scan for each cantilever (second trajectories B) ..
  • This process is automated and controlled by the electronic control system, performed on a personal computer (PC).
  • the position signals (signals that identify the position of incidence of the laser beam reflected on the position sensitive detector) are read from the position sensitive detector and stored. This data can easily be used to obtain an estimate of the surface profile of the cantilevers 51 along the second paths B.
  • each cantilever can be described by a function that depends on the coordinate along the length of the cantilever, z (x).
  • the angle of inclination at each position x where the laser beam strikes is obtained dz / dx. Therefore, the position of the laser beam reflected on the PSD is described by, where the second summing explains the effect of the laser beam displacement and ⁇ is the angle between the incident laser beam and the cantilever at its resting position (cf. figure 4).
  • This particular embodiment of the invention was applied to obtain the profile of five silicon cantilevers (400 ⁇ m long, 100 pm wide and 1 ⁇ m thick) belonging to a matrix during a W
  • MCH 6-mercapto-l-hexanol
  • Figure 5A shows a cross section of the silicon structure including silicon cantilevers 51 provided with a thick
  • FIG. 5B shows the same structure as Figure 5A, but after adsorbing the MCH, whereby the cantilevers show a curved profile: the differential surface tension 25 between the gold and silicon surfaces causes the cantilever to bend and that there is a change in the radius of curvature.
  • Figure 5C shows the measured profiles of the five microcantilevers that belong to a matrix before and after the adsorption of the MCH,
  • the vertical axis represents the cantilever profile (in ⁇ m) and the horizontal axis represents the longitudinal distance along the cantilever from the root of each cantilever (also in ⁇ m).
  • the dashed lines represent the profile before the adsorption of MCH and the lines Continuous represent the profile after adsorption of MCH.
  • the separation between the cantilevers was 250 ⁇ m.
  • the profiles of the five microcantilevers can be measured in real time and can be obtained in less than a second, a time much shorter than the normal time taken by surface reactions and molecular adsorption (in the order of minutes). Therefore, by means of the invention, it is possible to measure the evolution of the cantilever profile during molecular adsorption and it is possible to obtain in real time parameters such as the displacement of the cantilever ends and the radius of curvature.
  • FIGS. 6A and 6B schematically show the real-time experimental measurements of the absolute displacement of the cantilever ends
  • the cantilever profile is obtained by applying equation 1 by processing the data obtained from the position sensitive detector by means of the electronic control system during the second trajectories.
  • the position dependence of the position sensitive detector outputs can be filtered, smoothed, derived and integrated using numerical algorithms.
  • relevant data such as the cantilever profile, the average curvature, the local curvature at some points of interest, the displacement of the free end of the cantilever and other parts, the change of slope at several points along the cantilever, etc. can be obtained quickly in real time by properly programming the control system electronic, a task that can easily be done by the person specialized in the subject.
  • the technique provides absolute values of the cantilever profile, rather than relative variations of the local slope.
  • the present invention provides absolute cantilever profiles.
  • the cantilever can be processed independently of the device comprising the optical detection system.
  • each of the cantilevers that are part of a dense matrix receives a function with a receptor (proteins or nucleic acids).
  • the cantilever matrix is processed with the sample to be measured (for example, the RNA or the protein product of a set of cells or tissue). After exposing the cantilevers to the sample and the washing phases, the cantilever matrix can be reassembled on the device to measure the profile of each cantilever to compare the new profile with the original profile.
  • the change of profile can be related to the amount of genes expressed or the proteins existing in the cells or tissues analyzed.
  • the reference positions (C) were determined in correspondence with the positions that gave the maximum light intensity reflected in the position sensitive detector (the positions are illustrated as "suns” in Figure 7), which corresponded to the light reflection of the free ends of the cantilevers. Associated with these reference positions, an area associated with each microcantilever is explored by performing several parallel scans (paths B of Figure 7) along the long axis of the cantilevers. The exploration along the first trajectory and the second trajectories are represented by a dashed line and continuous lines, respectively, in Figure 7.
  • Figures 8A-8C show the measured output signals of the position sensitive detector as a function of the relative positions of the light laser beam obtained during scanning along the trajectories B of Figure 7.
  • the trajectories B were selected to explore three cantileveré that belonged to the matrix.
  • the position sensitive detector used was a linear photodetector sensitive to the two-dimensional position that provided three electrical outputs, one that is approximately proportional to the intensity of the light that illuminates the photodetector and the other two that are approximately proportional to the coordinates (a along the orthogonal axes of the photodetector surface) of the centroid of the light that illuminates the photodetector.
  • FIG. 8A The map of the output indicative of the total reflected light intensity of each microcantilever is shown in Figure 8A (the scale to the right of the figure shows the total intensity output of the position sensitive detector in mV).
  • Figure 8B shows a map of the output signal of the position sensitive detector corresponding to the coordinates of the beam of light reflected on the axis and of the position sensitive detector (the scale to the right of Figure 8B represents the output of the axis and from the sensitive sensor to the position in mV).
  • the position sensitive detector is configured so that its y axis and the longitudinal axis of the cantilevers are both in the plane formed by the incident and reflected beams of light. Therefore, the y-axis output is indicative of the slope along the longitudinal axis of the cantilevers.
  • Figure 8C shows a map of the output signal of the position sensitive detector corresponding to the x coordinate of the light beam reflected in the position sensitive detector (the scale on the right represents the output corresponding to the x axis in mV) .
  • This signal is indicative of the deformation (torsion) or cantilever slope perpendicular to the longitudinal axis.
  • the data indicates that there is a significant torsional formation of cantilevers. Naturally, a large number of different paths can be selected for the first and second paths.
  • Figure 9A shows a first example of said trajectories, similar to those mentioned above, that is, performing a scan in a first direction according to the first path A and then making the second paths B perpendicular to the first direction.
  • the "suns” illustrate the points corresponding to the "maximum reflection” of the light beam and, therefore, to a maximum amplitude of the photocurrents generated in the position sensitive detector).
  • Figure 9B shows an alternative embodiment, in which the reference positions are offset from the positions covered by the first path A
  • This embodiment may be useful for obtaining a surface map of the displacement and / or vibration of the mechanical elements 51.
  • Figure 9C shows a further embodiment in which a "U" shaped scan is carried out along the first path A and where the second paths are perpendicular to the first path in the "outward" direction.
  • Figure 9D shows an embodiment in which the second paths B are parallel to the said first trajectory A and, in fact, coincide with parts of said first trajectory.
  • This option may be interesting, for example, when the mechanical elements are separate cantilevers arranged in subsequent holes in a substrate along the first path, or where the mechanical elements 51, as illustrated in Figure 9D, are hinged devices located in parallel along the first trajectory, by which it is intended to measure the torsion of these devices.

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Abstract

El sistema para la inspección de superficies está configurado para detectar características de desplazamiento relativo y/o de vibración de diversos puntos de varios elementos (51) que forman parte de una estructura mecánica (5), tal como una estructura micro o nanomecánica. Un haz de luz es desplazado por la estructura mecánica a lo largo de una primera trayectoria (A) para detectar varias posiciones de referencia subsiguientes (C) a lo largo de dicha trayectoria (A), y el haz de luz es desplazado, además, por la estructura mecánica a lo largo de varias segundas trayectorias (B), siendo asociada cada una de dichas segundas trayectorias (B) con una de dichas posiciones de referencia (C). Además, la invención se refiere a un correspondiente método y a un programa para la realización del método.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA LA INSPECCIÓN DE ESTRUCTURAS MICRO
Y NANOMECÁNICAS
ÁMBITO DE LA INVENCIÓN
La invención está relacionada con el campo de los dispositivos basados en estructuras micro y nanomecánicas , como son los micro o nanocantilevers, los micro o nanopuentes, los micro o nanomembranas , etc. ESTADO DEL ARTE
Existe un interés cada vez mayor por los sistemas y métodos basados en elementos micromecánicos y nanomecánicos (JT.(?. Craighead, xxSistemas nanoelectromecánicos", Science 290, páginas 1532-1535
(2000)). Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los dispositivos basados en microcantilever son dos ejemplos relevantes de este tipo de sistemas. Si mencionamos algunas aplicaciones, los acelerómetros MEMS se emplean en exploraciones y supervisiones símicas, la detección en airbag de automóviles y la navegación inercial. Se emplean tecnologías similares para monitorizar la presión sanguínea. Se han desarrollado microespejos MEMS como interruptores fotónicos para el sector de las telecomunicaciones ópticas; los microespejos también pueden emplearse para pantallas portátiles y aplicaciones de colocación de rayos láser. Los MEMS también pueden emplearse como transductores en sensores biológicos y químicos. Existe también una amplia gama de aplicaciones basadas en los microcantilevers, que pueden considerarse como una de las formas más simples de los MEMS. Por ejemplo, los microcantilevers se utilizan para el mapeado sensible de fuerzas de atracción y repulsión a escala nanoraétrica en microscopia de fuerzas atómicas (Y. Martin, CC. Williams y H.K. Wickramasinghe, "Atomic Forcé Microscope-Forcé Mapping and Profiling on a sub 100-A scale", Journal of Applied Physics 61, págs. 4723- 4729 (1987)), para sensores biológicos y químicos nanomecánicos ultrasensibles (B. Ilic, D. Czaplewski, H. G. Cxa.xgh.ea.df P. Neuzil, C. Campagnolo y C. Battf "Mechanical resonant immunospecific biologícal detector", Applied Physics Letters 77, págs. 450-452 (2000)), para detección de partículas cargadas (A. C. Stephan, T. Gaulden, A. -D. Brovm, M. Smith, L.F. Miller y T. Thundat, "Microcantilever charged-particle flux detector" Review of Scientific Instruments 73, págs. 36-41 (2002)), para escritura y lectura de almacenamiento de datos de densidad ultra alta (P. Vettiger et al, "ültrahigh density, high-data-rate NEMS-based AFM data storage system", Microelectronics Engineering 46, págs. 11-17 (1999)) .
La caracterización de la forma, perfil, movimiento, tensión y esfuerzo de los MEMS y los microcantilevers desempeña un papel importante en el desarrollo y evolución de los productos. Además, la medida en tiempo real de la forma, perfil, movimiento, tensión y/o esfuerzo es de gran valor para monitorizar la respuesta mecánica, por ejemplo, de sensores químicos y biológicos que se basan en la forma, perfil, movimiento, tensión o esfuerzo de un MEMS o micro o nanocantilevers.
Los MEMS y los sistemas microcantilever incluyen sistemas basados en cantilevers provistos de un extremo fijo y otro extremo móvil; en estos sistemas, lo que se detecta normalmente es el desplazamiento y/o movimiento del extremo "libre" . Sin embargo, existen también sistemas basados en cantilevers sujetos por ambos extremos; entonces, el movimiento de la parte central puede ser detectado. Además, existen otras estructuras micro y nanomecánicas que son móviles y flexibles, como son las paletas sujetas doblemente cuyo sentido de movimiento "fácil" se corresponde con la torsión de la paleta alrededor del eje de las bisagras que conectan la paleta a un armazón (básicamente, igual que una raqueta cuadrada fijada a un armazón mediante dos asas opuestas de la raqueta, extendiéndose a lo largo de un eje) . Otros sistemas conocidos emplean membranas que están conectadas a un armazón mediante dos grupos de bisagras, lo que permite dos grados angulares de libertad.
En sensores químicos/biológicos basados en MEMS y microcantilevers, la superficie del elemento micro o nanomecánico está sensibilizada con receptores que reconocen selectivamente la sustancia objetivo. La colocación de la sustancia objetivo sobre la superficie del elemento micro o nanomecánico produce un cambio de la forma, perfil, tensión, esfuerzo y movimiento (vibración) del elemento mecánico. Este cambio suele medirse midiendo el desplazamiento de una parte representativa del elemento mecánico (normalmente se trata del extremo libre de un microcantilever fijado por un solo extremo, pero también puede ser el centro de un microcantilever fijado por ambos extremos, una parte de una lámina membranosa, etc.). Este desplazamiento puede ser de unos 1-100 nanómetros y, en muchos casos, es necesario obtener una resolución superior a 1 nm, dependiendo de la aplicación. Para la lectura del . desplazamiento, existen varias técnicas como la detección capacitiva, detección basada en túnel de corriente, interferometría óptica, lectura piezorresistente y la técnica de deflexión de un haz óptico.
Ejemplos de MEMS y sistemas microcantilever son revelados, por ejemplo, en:
Engel et al, Trends in CeIl Biology, Volume 9, febrero 1999, págs. 77-80, "Atomic forcé mícroscopy: a powerful tool to observe biomolecules at work".
P. Vettiger et al, IBM J. Res. Develop., Volume 44, Number 3, May 2000, págs. 323-339. "The miliipede-more than one thousand tips for future AFM storage" PlTO-A-02/33226" El método de deflexión de haz óptico es el más sensible y presenta la ventaja de que puede implementarse fácilmente. La figura 1 ilustra de manera esquemática un 5 sistema convencional de arte previo para la deflexión de haz óptico. Una fuente de luz 101 (normalmente un fuente láser) produce un haz de luz 102 (normalmente un haz de luz láser, en el espectro visible ultravioleta o infrarrojo) que es enfocado (es decir, enfocado
10 directamente o a través de medios de dirección que implican, por ejemplo, uno o más espejos 103, etc.) sobre la parte del elemento mecánico donde ha de medirse el desplazamiento, por ejemplo, sobre el extremo de un microcantilever 104. La deflexión del haz que se refleja
15 del cantilever se mide con un detector sensible a la posición 105 (tal como un fotodetector, por ejemplo, un fotodetector segmentado, un fotodetector de captación continua de la posición, una matriz de fotodetectores, un CCD, etc.). Por ejemplo, puede emplearse un fotodetector
20 segmentado que se divide en dos segmentos orientados en paralelo al eje de movimiento del cantilever. La deflexión del cantilever produce un desplazamiento del punto de láser reflejado sobre el fotodetector. Así, la diferencia de fotocorrientes entre los dos segmentos es
25 proporcional a la deflexión del cantilever. Asimismo, la técnica de deflexión del haz óptico puede aplicarse a otros tipos de elementos mecánicos como son los cantilevers fijados por ambos extremos, láminas membranosas, micropaletas, etc. Igualmente, puede ser
30 aplicado para la lectura de otros tipos de desplazamientos en lugar de los desplazamientos fuera de plano, como movimientos torsionales de los microcantilevers y micropaletas, etc. (G. Meyer and N.M. Αmer, "Simultaneous measurement of lateral and normal 35. forces with an optical-beam-deflection atomic forcé microscope", Applied Physics Letters, vol. 57, pp. 2089- 2091) .
Este sistema está indicado para medir el comportamiento estático y mecánico de los elementos mecánicos como los σantilevers, por ejemplo, la deflexión máxima, el valor medio de deflexión, la amplitud a una frecuencia de referencia (el elemento puede ser excitado externamente mediante un fuerza de excitación que oscile a la frecuencia de referencia) , la fase del movimiento con respecto a la seña de excitación externa, la frecuencia, etc. El desplazamiento estático, la amplitud, la frecuencia, etc. que se hayan medido pueden relacionarse entonces con un objeto que se tenga que medir y que interactúe con el cantilever y con señales y/o procedimientos empleados para estimular el objeto y/o cantilever.
Ahora bien, la técnica descrita anteriormente es práctica cuando se tenga que medir el desplazamiento/movimiento de una sola parte de un único elemento mecánico. Sin embargo, esta técnica no puede aplicarse a dispositivos basados en matrices compuestas de varios elementos mecánicos en los que haya que medir el desplazamiento/movimiento de cada elemento. Estos dispositivos ofrecen multifuncionalidad y mayor velocidad y/o una información más completa que los dispositivos basados en un solo elemento mecánico. Por ejemplo, los sensores químicos y biológicos basados en matrices de microcantilevers pueden detectar varias sustancias sensibilizando cada cantilever con un receptor diferente. Además, puede resultar ventajoso obtener información sobre el desplazamiento de varias regiones del elemento mecánico para así obtener más información sobre el estímulo externo que se está midiendo o sobre los diferentes estímulos que interactúan con distintas partes del elemento mecánico. Aunque la técnica de deflexión de haz óptico tal como se ha descrito antes puede resolver deflexiones tan pequeñas como 0,1 nm, la implementación de esta técnica para lecturas en matrices de cantilevers ha resultado ser una cuestión compleja. Hasta ahora se han utilizado matrices de fuentes de luz y dichas fuentes tienen el mismo paso que la matriz de cantilevers. Las fuentes de luz se activan y se desactivan individualmente, para la iluminación individual de cada cantilever de la matriz, y para la lectura secuencial de la deflexión de cada cantilever mediante un fotodetector de captación continua de la posición (un tipo de detector sensible a la posición) . Este tipo de sistemas se revela, por ejemplo, en H.P. Lang, et al., Applied Physics Letters, Volumen 72, Numero 3, 19 Enero 1998, págs. 383-385, "Sequential Position Readout from Arrays of Micromechanical Cantilever Sensors".
No obstante, esta técnica requiere el uso de tecnología sofisticada y la alineación precisa de los haces de luz, los microcantilevers y el fotodetector o los fotodetectores. Además, una matriz de haces de luz sólo será adecuada para matrices de microcantilevers que tengan del mismo paso (la distancia entre cantilevers subsiguientes) y el mismo número de elementos. Mar Alvarez y Javier Tamayo, "Optical sequential readout of microcantilever arrays for biological detection", Sensors and Actuators B 106 (2005), págs. 687-690, disponible en línea en www.sciencedirect.com, revela un sistema como el ilustrado en la figura 2, en el que los microcantilevers de una matriz 204 son iluminados por una sola fuente de luz láser 201 situada en un impulsor de bobina móvil unidimensional mediante el cual el haz láser incidente explora periódicamente la matriz en sentido perpendicular a los ejes longitudinales de los cantilevers. Así, el extremo libre de cada cantilever de la micromatriz es iluminado secuencialmente . Cuando el haz láser sale reflejado de la superficie de un microcantilever de la matriz, se detecta un aumento de la fotocorriente total de un detector sensible a la posición 5 205 que está colocado con una geometría adecuada para recoger el haz láser reflejado del cantilever (este incremento se corresponde con los picos de la fotocorriente detectada 206) . Cuando se detecta el aumento de la fotocorriente, se determinan las
10 coordenadas de posición del punto correspondiente donde el haz láser reflejado incide sobre el fotodetector basándose en las señales de la fotocorriente generadas por el detector y estas coordenadas pueden utilizarse entonces para determinar la deflexión del cantilever.
15 Por otra parte, en ocasiones puede ser necesario medir no sólo el desplazamiento de una parte especifica del cantilever u otro tipo de elemento mecánico, sino también el cambio general de curvatura o la forma general del cantilever o de un elemento similar, o bien parte del
20 mismo. Así, se conoce una técnica que se ha aplicado a sensores microcantilever y que emplea la curvatura de un cantilever provisto de una estructura de doble capa
(p.ej. una fina lámina de oro sobre silicio o nitruro de silicio) . Las curvaturas de los cantilevers sufren un
25 cambio en respuesta a cualquier variación de temperatura o tensión superficial diferencial debida a la adsorción molecular. Para obtener el cambio de radio de curvatura, se conoce un sistema de medida basado en el uso de ocho diodos emisores de luz enfocados sobre varias posiciones
30 de un cantilever de silicio bañado en oro. La deflexión en cada punto del cantilever se mide con la precisión de un subnanómetro mediante un detector sensible a la posición que emplea la técnica de deflexión de un haz óptico y, de este modo, se obtiene la curvatura del 35. cantilever. Este método es revelado en Sangmin Jeon, et al., "Instant curvature measurement for microcantilever sensors", Applied Physics Letters, vol. 85, n" . 6, págs. 1083-1084 (9 agosto 2004).
Además de los sistemas cantilever en los que ha de medirse el desplazamiento de una parte específica del cantilever, o en los que se ha de medir la curvatura del cantilever, puede haber estructuras mecánicas como las láminas membranosas sensibilizadas en diferentes regiones para un estimulo distinto, de manera que para obtener la información sobre cada estímulo es necesario medir el desplazamiento de cada región sensibilizada de la estructura mecánica.
Por otra parte, el mapeado del desplazamiento estático y dinámico de MEMS y sistemas microcantilever desempeña un papel importante en la caracterización de estos sistemas para el desarrollo de dispositivos fiables, reproducibles . y comercializables . Entre las técnicas para la representación gráfica del movimiento de estructuras micromecánicas, encontramos: Sistema de Interferómetro microscópico estroboscópico y vibrómetro
Láser-Doppler. Estas técnicas pueden ser voluminosas y caras y algunas utilizan algoritmos complejos para obtener una imagen del desplazamiento y la vibración. Además, no siempre es posible medir simultáneamente los desplazamientos estático y dinámico empleando estas técnicas. Por ejemplo, el vibrómetro Láser-Doppler mide la velocidad fuera del plano de un punto de la estructura mecánica . DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Existen sistemas basados en elementos micro o nanomecánicos en los que el desplazamiento o la vibración de los elementos micro o nanomecánicos se mide en relación con un objeto externo que interactúa con los elementos. Por ejemplo, los sensores químicos y biológicos basados en elementos micro y nanomecánicos se basan en el hecho de que la adsorción de una sustancia sobre la superficie de un elemento mecánico varía las características de forma, perfil, tensión, esfuerzo y vibración del elemento mecánico. Este cambio se mide midiendo el desplazamiento del elemento mecánico en un punto específico y representativo, por ejemplo, un punto cercano al extremo libre de un cantilever sujeto por un solo extremo. Esto puede medirse con precisión empleando la técnica de deflexión de un haz óptico, dirigiendo un haz láser a un punto próximo al extremo de un cantilever. A partir del desplazamiento de ese punto, es posible deducir, utilizando modelos teóricos, el desplazamiento de todo el elemento mecánico. No obstante, estos modelos suponen condiciones ideales y no siempre son aplicables a las situaciones reales. Resultaría ventajoso poder obtener medidas en tiempo real del desplazamiento y el movimiento de varias posiciones seleccionadas de una estructura mecánica o de una región de interés de esa estructura. Esto proporcionaría una mayor cantidad de información sobre cómo varía la estructura mecánica en relación con el objeto a medir, lo que a su vez implicaría mayor sensibilidad y una mayor relación señal- ruido. Por ejemplo, en algunos sensores microcantilever, la curvatura a lo largo del microcantilever está relacionada con las moléculas adsorbidas sobre el microcantilever. Para obtener la curvatura, es necesario medir el desplazamiento de varias posiciones a lo largo del microcantilever. En otros sensores basados en microestructuras mecánicas más complejas, las mediciones del perfil a lo largo de varios ejes proporcionarían más información sobre cómo cambia la microestructura mecánica en respuesta al objeto a medir. Además, puede haber estructuras mecánicas como las láminas membranosas sensibilizadas en distintas regiones para diferentes estímulos, de modo que para obtener la información sobre cada estímulo, es necesario medir el desplazamiento de cada región sensibilizada de la estructura mecánica. Igualmente, puede ser necesario medir el desplazamiento de elementos individuales que pertenezcan a matrices tridimensionales en aplicaciones que requieran multifuncionalidad, alta velocidad y grandes cantidades de información. Por tanto el solicitante ha considerado que existe la necesidad de un sistema y un método que proporcione la detección del desplazamiento y la vibración de varios puntos seleccionados de elementos micro o nanomecánicos a lo largo de, al menos, una dirección o un eje, y que utilice una sola fuente de luz para detectar el mapa o perfil de: características de desplazamiento estático y vibración (amplitud, fase, frecuencia, etc.) de varios elementos que forman parte de una estructura micro o nanomecánica, tal como una matriz unidimensional o bidimensional.
, Un primer aspecto de la invención está relacionado con un sistema para la inspección de la superficie dispuesto para detectar el desplazamiento relativo
(correspondiente, por ejemplo, a la pendiente de una parte o región de una elemento) y/o las características de vibración de varios puntos de diversos elementos (como los cantilevers) que forman parte de una estructura mecánica (tal como una estructura micro o nanomecánica, como es una matriz de microcantilevers) . El sistema se compone de: una fuente de luz (como es una fuente láser, por ejemplo, un diodo láser) dispuesta para generar, al menos, un haz de luz (por ejemplo, un rayo láser) ; un detector sensible a la posición (por ejemplo, un fotodetector o algo similar dispuesto para general una señal de salida o un conjunto de señales de salida que, por un lado, dependa de la posición de un haz de luz incidente sobre dicho fotodetector y, por otro lado, de W
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la intensidad de la luz del haz de luz incidente) dispuesto para recibir el haz de luz cuando es reflejado de la estructura mecánica y para generar, al menos, una señal de salida en respuesta a la recepción de dicho haz 5 de luz; un sistema de control electrónico (que puede implementarse en un ordenador personal o, por ejemplo, otro tipo de dispositivo electrónico programable, tal como un microcontrolador o un dispositivo similar) ;
10 medio de exploración (es decir, algún tipo de mecanismo de exploración) para el desplazamiento relativo de dicho haz de luz con respecto a la estructura mecánica, para explorar dicha estructura mecánica con el haz de luz, siguiendo las instrucciones del sistema de
15 control electrónico (el medio de exploración puede incluir un medio para desplazar el generador de haz de luz o parte del mismo y/o uno o más espejos y otros dispositivos de reflexión de luz, así como los correspondientes medios de accionamiento para desplazar
20 los componentes pertinentes) .
De acuerdo con la invención, el sistema de control electrónico está dispuesto para controlar el medio de exploración con el fin de desplazar el haz de luz a lo largo de la estructura mecánica siguiendo una primera 25 trayectoria con el objeto de detectar varias posiciones de referencia subsiguientes a lo largo de dicha trayectoria. El sistema de control electrónico está asociado operativamente con el detector sensible a la posición para poder determinar dichas posiciones de
30 referencia como resultado de un análisis de, al menos, una señal de salida de dicho detector sensible a la posición (por ejemplo, como resultado de la dependencia de posición de dicha señal de salida, es decir, como resultado de analizar cómo varía la señal de salida 35 durante el desplazamiento del haz de luz a lo largo de la estructura) .
El sistema de control electrónico también se encarga de controlar el medio de exploración para desplazar el haz de luz a lo largo de la estructura mecánica siguiendo varias segundas trayectorias, estando cada una de dichas segundas trayectorias asociada a una de dichas posiciones de referencia (de modo que, por ejemplo, cada segunda trayectoria comience en dicha posición de referencia o tenga una relación predeterminada con dicha posición de referencia) .
El sistema de control electrónico se ocupa además de obtener, durante el desplazamiento del haz de luz a lo largo de cada una de dichas segundas trayectorias, varias salidas de señales de posición de dicho detector sensible a la posición. Estas salidas de señales de posición pueden emplearse para determinar las características de desplazamiento relativo y/o de vibración de los correspondientes puntos de la estructura inspeccionada.
Por tanto, la invención posibilita obtener información relacionada con un gran número de punto de diferentes elementos que componen una estructura, explorando dichos elementos de acuerdo con las correspondientes segundas trayectorias. Así es posible obtener una información más completa. El sistema de control electrónico puede asociarse operativamente con dicho detector sensible a la posición para determinar dichas posiciones de referencia como resultado de un análisis de la amplitud (por ejemplo, la dependencia de posición de dicha amplitud) de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición.
Por ejemplo, el sistema de control electrónico puede asociarse operativamente con dicho detector sensible a la posición para determinar que una posición es una posición de referencia: cuando dicha posición se corresponda con un máximo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (que puede deberse a una reflexión total del haz
5 contra el elemento correspondiente) ; cuando dicha posición se corresponda con un mínimo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (dicho mínimo local puede deberse, por ejemplo, 10 a un espacio entre dos cantilevers de una matriz de cantilevers) ; cuando dicha posición se corresponda con un máximo local de pendiente de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector 15 sensible a la posición (esto puede deberse al margen de un cantilever de una matriz, donde existe un cambio repentino de la intensidad de luz reflejada) ; o bien cuando dicha posición se corresponda con una posición que tenga una relación especificada con
20 posiciones correspondientes a máximos y/o mínimos locales de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (por ejemplo, la posición de referencia puede elegirse para que se corresponda con una posición equidistante a dos 25 posiciones correspondientes a mínimos locales en la intensidad de luz reflejada, es decir, a una posición entre los dos espacios a los lados de un cantilever de una matriz de cantilevers) .
La amplitud de, al menos, una de dichas señales de
30 salida de dicho detector sensible a la posición puede ser indicativa de la intensidad del haz de luz recibido por el detector sensible a la posición.
El sistema de control electrónico puede configurarse para: 35. desplazar el haz de luz a lo largo de dicha primera trayectoria; al detectar una posición de referencia, interrumpir el desplazamiento del haz de luz a lo largo de dicha primera trayectoria y, en su lugar, desplazar el haz de luz a lo largo de una segunda trayectoria correspondiente a dicha posición de referencia; posteriormente, continuar el desplazamiento del haz de luz por dicha primera trayectoria hasta detectar una posterior posición de referencia. Como alternativa, el sistema de control electrónico puede configurarse para: desplazar el haz de luz por dicha primera trayectoria hasta alcanzar un extremo de dicha primera trayectoria, mientras registra posteriores posiciones de referencia; luego, tras alcanzar el extremo de dicha primera trayectoria, posteriormente desplazando el haz de luz por las segundas trayectorias correspondientes a las posiciones de referencia registradas; Las segundas trayectorias pueden incluir un considerable número de puntos de cada elemento o una región de cada elemento con el fin de obtener un trazado global de la superficie de la pendiente, el desplazamiento y/o la vibración de dicho elemento o dicha región de dicho elemento.
La primera trayectoria puede ser, por ejemplo, una trayectoria básicamente recta en una primera dirección.
Las segundas trayectorias pueden ser, por ejemplo, trayectorias básicamente rectas en una dirección básicamente perpendicular a la primera trayectoria (una opción que puede ser adecuada cuando, por ejemplo, el objetivo es detectar la curvatura longitudinal de los cantilevers dispuestos en paralelo en una matriz de cantilevers) . De modo alternativo, las segundas trayectorias pueden ser, por ejemplo, trayectorias básicamente rectas en una dirección básicamente paralela a la primera trayectoria (esta configuración puede ser adecuada cuando el objetivo es medir la curvatura longitudinal de los elementos dispuestos uno detrás del otro en su dirección longitudinal, como cantilevers dispuestos en orificios subsiguientes en un sustrato de silicio o algo similar, o cuando el objetivo es detectar la torsión alrededor del eje longitudinal de varios elementos dispuestos en paralelo, como son las paletas o cantilevers de una matriz) .
La primera y/o la segunda trayectoria también pueden ser, por ejemplo, trayectorias serpenteantes, zigzagueantes, sinusoidales y/o circulares y pueden tener cualquier relación adecuada con las primeras trayectorias .
La estructura mecánica puede ser, por ejemplo, una matriz de cantilevers; si es asi, entonces los elementos pueden ser los cantilevers de dicha matriz de cantilevers.
El sistema puede configurarse además para almacenar y/o tratar las salidas de las señales de posición como datos indicativos del desplazamiento de superficie
(correspondiente, por ejemplo, al desplazamiento relativo o la pendiente de la superficie) y/o las características de vibración de un elemento correspondiente de la estructura mecánica, a lo largo de las correspondientes segundas trayectorias .
Otro aspecto de la invención está relacionado con un método de inspección de superficie para detectar el desplazamiento relativo (correspondiente, por ejemplo, a un incremento de la pendiente de una parte o región de un elemento) y/o las características de vibración de varios puntos de diversos elementos que forman parte de una estructura mecánica, estando formado dicho método por las fases de: dirigir un haz de luz hacia dicha estructura mecánica y producir un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica para explorar dicha estructura mecánica con el haz de luz; recibir un haz de luz reflejado de dicha estructura mecánica, con un detector sensible a la posición configurado para generar, al menos, una señal de salida como respuesta a la recepción de dicho haz de luz (por ejemplo, un fotodetector o un dispositivo similar configurado para generar una señal de salida o un conjunto de señales de salida que, por un lado, dependa de la posición de un haz de luz incidente sobre dicho fotodetector y, por otro, de la intensidad de la luz del haz de luz incidente) ; en el que la fase para producir un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica se realice de manera que el haz de luz sea desplazado a lo largo de la estructura mecánica siguiendo una primera trayectoria.
De acuerdo con la invención, el método comprende además la fase de detección de varias posiciones de referencia posteriores a lo largo de dicha primera trayectoria, siendo determinadas dichas posiciones de referencia mediante el análisis de, al menos, una señal de salida de dicho detector sensible a la posición.
La fase de producción de un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica se lleva a cabo además para desplazar también el haz de luz por la estructura mecánica a lo largo de varias segundas trayectorias, siendo asociada cada una de dichas segundas trayectorias con una de dichas posiciones de referencia.
El método incluye además obtener, durante el desplazamiento del haz de luz a lo largo de cada una W
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dichas segundas trayectorias, varias salidas de señales de posición de dicho detector sensible a la posición.
Lo que se ha establecido en relación con la descripción del sistema también es aplicable al método, 5 mutatis mutandis.
Por ejemplo, las posiciones de referencia pueden determinarse analizando la amplitud (por ejemplo, la dependencia de posiciones de dicha amplitud) de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector
10 sensible a la posición.
Puede determinarse una posición para que sea una posición de referencia de acuerdo con criterios diferentes, por ejemplo: cuando dicha posición corresponda a un máximo 15 local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición; cuando dicha posición corresponda a un mínimo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición;
20 - cuando dicha posición corresponda a un máximo local de la pendiente de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición; cuando dicha posición corresponda a una 25 posición que tenga una relación especificada con las posiciones correspondientes a máximos y/o mínimos locales de la amplitud de, al menos, una de las señales de salida de dicho detector sensible a la posición; como se ha explicado anteriormente.
30 La amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición puede ser indicativa de la intensidad del haz de luz recibido por el detector sensible a la posición.
La fase de producir un desplazamiento relativo de 35 dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica puede realizarse de modo que: el haz de luz se desplace por dicha primera trayectoria/ al detectarse una posición de referencia, el desplazamiento del haz de luz de dicha primera trayectoria es interrumpido y, en su lugar, el haz de luz se desplaza por una segunda trayectoria correspondiente a dicha posición de referencia; y, posteriormente, continúa el desplazamiento del haz de luz por dicha primera trayectoria , hasta que se detecta una posición de referencia siguiente, o bien el haz de luz se desplaza por dicha primera trayectoria hasta alcanzar un extremo de dicha primera trayectoria, mientras registra posiciones de referencia posteriores; y luego, tras alcanzar el final de dicha primera trayectoria; el haz de luz es desplazado posteriormente por las segundas trayectorias correspondientes a las posiciones de referencia registradas. Además, el método puede comprender la fase de almacenar y/o tratar dichas salidas de señales de posición como datos indicativos de la pendiente de superficie, características de desplazamiento y/o vibración de un elemento correspondiente de la estructura mecánica, por las segundas trayectorias correspondientes.
Un aspecto adicional de la invención está relacionado con un programa, tal como un programa informático, que comprende las instrucciones de programa para hacer que un sistema electrónico programable (compuesto, por ejemplo, de un ordenador personal u otro medio de control electrónico programable) lleve a cabo el método de la invención, cuando se ejecuta el programa en dicho sistema electrónico programable. El sistema puede comprender, además, la fuente de luz, el detector sensible a la posición y los medios de exploración, tal como se ha esbozado anteriormente. El programa puede incorporarse en un soporte de grabación (como es un soporte de grabación magnético u óptico, tal como una memoria de ordenador o una memoria de sólo lectura) o puede realizarse en una señal de portadora eléctrica. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS ILUSTRACIONES
Para completar la descripción y con objeto de ofrecer una mejor comprensión de la invención, ofrecemos una conjunto de ilustraciones. Dichas ilustraciones forma una parte esencial de la descripción e ilustran una realización preferida de la invención, lo cual no debe interpretarse como limitación de ámbito de la invención, sino como sólo un ejemplo de cómo puede realizarse la invención. Las ilustraciones comprenden las siguientes figuras :
La figura 1 es una vista esquemática de un sistema del estado de la técnica anterior para la lectura de cantilevers basada en la técnica de deflexión de un haz óptico para medir la deflexión de microcantilevers . La figura 2 es una vista esquemática de un sistema del estado de la técnica anterior en el que se emplea un haz láser para explorar una matriz de microcantilevers.
Las figuras 3A y 3B son una vista esquemática de una realización de la invención. La figura 4 es una ilustración esquemática del desplazamiento de la luz láser reflejada en el detector sensible a la posición, cuando varía la pendiente de la superficie (por ejemplo, una región de una cantilever) , empleando la técnica de deflexión de un haz óptico. Las figuras 5A-5C ilustran un experimento basado en la presente invención.
Las figuras 6A y 6B ilustran las curvas obtenidas con una realización de la presente invención, correspondientes a mediciones en tiempo real del desplazamiento absoluto del extremo del cantilever (figura 6A) y del radio de curvatura absoluto (figura 6B) de varios microcantilevers durante la adsorción de MCH.
La figura 7 muestra las trayectorias exploradas de acuerdo con un experimento basado en una realización de 5 la invención.
Las figuras 8A-8C muestran las señales de salida del detector sensible a la posición correspondientes a dicho experimento .
Las figuras 9A-9D muestran distintos ejemplo de 10 posibles implementaciones de la primera y segundas trayectorias . DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN
La figura 3A ilustra una vista, esquemática de una realización de la invención, en la que se emplea una 15 fuente de luz 1 compuesta por un diodo láser para generar un haz láser 11 que es utilizado para explorar una estructura micromecánica 5 formada por varios cantilevers 51,, provisto cada uno de un extremo fijado y un extremo libre.
20 Un detector sensible a la posición 2 formado por un fotodetector está configurado para recibir el haz de luz tras su reflexión en los cantilevers 51 y para generar tres señales de salida, una con una amplitud que depende de la intensidad de la luz que incide sobre el detector 25 sensible a la posición 2, y las otras dos con una amplitud que depende de las coordenadas de la posición donde incide la luz sobre dicho detector sensible a la posición.
Asi, los cantilevers 51 son diferenciados de los
30 espacios que separan los cantilevers debido a un incremento de la fotocorriente en el detector sensible a
. la posición, cuando la luz es reflejada de un cantilever, de modo similar al revelado en Mar Álvarez and Javier
Tamayo, "Optical sequential readout of microcantilever
35. arrays for biological detection", Sensors and Actuators B 206" (2005), págs. 687-690 (citado anteriormente).
El diodo láser 1 va montado sobre un dispositivo de exploración 4 para explorar el haz láser 11 a lo largo de diferentes rutas por la estructura mecánica 5, básicamente en el plano XY definido por los cantilevers 51 (en su posición ideal no doblada) . El dispositivo de exploración 4, en esta realización de la invención, se basa en dos impulsores lineales de bobina móvil perpendiculares basados en la fuerza de Lorentz entre una bobina tubular y un imán permanente. Los impulsores de bobina móvil normalmente permiten un margen de movimiento de unos pocos milímetros, velocidades entre 0,1 y varios mm/s y una precisión de 100 nm. No obstante, pueden emplearse otros métodos como motores lineales, impulsores piezoeléctricos, etc. Además, puede utilizarse un espejo intermedio para explorar el haz láser mediante el control del ángulo de inclinación.
Como se ha esbozado anteriormente, el haz láser reflejado es recogido por un (foto) detector sensible a la posición (PSD) que genera señales de salida indicativas de la intensidad de luz total y de la posición del punto reflejado, es decir, del punto donde el haz láser reflejado incide sobre la superficie pertinente del detector. Además, dispone de un sistema de control electrónico 3 que se conecta al detector sensible a la posición para recibir y analizar las señales de salida de dicho detector sensible a la posición 2 y hasta el dispositivo de exploración 4 con el fin de controlar el dispositivo de exploración 4, de acuerdo con un programa almacenado en dicho sistema de control electrónico.
En los puntos de alta fotocorriente total recogida por el detector sensible a la posición (por ejemplo, mayor que un valor umbral o correspondiente a máximos locales en la fotocorriente total, mediante el cual dichos máximos locales pueden detectarse fácilmente empleando rutinas de software estándar adecuadas) , se miden las coordenadas de posición del punto reflejado en el PSD. Como en la técnica de deflexión del haz óptico, la principal contribución a los cambios de posición del punto láser reflejado sobre el detector sensible a la posición se corresponde con los cambios del ángulo de inclinación (pendiente) a del cantilever, lo que da un movimiento s del punto láser reflejado en el detector sensible a la posición obtenido por s = 2Oa para a«l, donde D es la distancia entre el cantilever y el detector sensible a la posición 2, como se muestra de modo esquemático en la figura 4, en la que la pendiente de un cantilever es incrementada a un ángulo a. La distancia s * entre la incidencia sobre el detector sensible a la posición 2 del haz láser HA antes del incremento de la pendiente y el haz láser HB después del incremento de la pendiente se ilustran esquemáticamente en la figura 4.
Los cambios del ángulo de inclinación que hay en el plano formado por los haces láser incidente y reflejado y los del plano perpendicular pueden desacoplarse midiendo las coordenadas del punto láser reflejado sobre el detector sensible a la posición a lo largo de un eje contenido en el plano de incidencia-reflexión y el otro en sentido perpendicular.
En esta realización de la invención, se pretende medir el perfil de los cantilever 51 a lo largo de sus ejes longitudinales. Así, de acuerdo con los principios subyacentes a la invención, el haz láser 11 se explora primero en una primera dirección (la trayectoria A de la figura 3B) perpendicular a la matriz para iluminar los extremos libres de los cantilevers. Los máximos de fotocorriente se obtienen en el detector sensible a la posición lineal 2 en las posiciones del haz láser donde los extremos libres de los cantilevers son iluminados. Estas posiciones, que se corresponden con los máximos locales de las fotocorrientes generadas en el detector sensible a la posición 2, se emplean como puntos iniciales de referencia (posiciones de referencia C en la figura 3B) para realizar una segunda exploración por cada cantilever (segundas trayectorias B).. Este proceso es automatizado y controlado por el sistema de control electrónico, realizado en un ordenador personal (PC) .
Durante las segundas trayectorias, las señales de posición (señales que identifican la posición de incidencia del haz láser reflejado sobre el detector sensible a la posición) son leídas del detector sensible a la posición y almacenadas . Estos datos pueden utilizarse fácilmente para obtener una estimación del perfil de la superficie de los cantilevers 51 a lo largo de las segundas trayectorias B.
El desplazamiento vertical de cada cantilever puede describirse mediante una función que depende de la coordenada a lo largo de la longitud del cantilever, z (x) . El ángulo de inclinación en cada υosición x donde incide el haz láser se obtiene
Figure imgf000025_0001
dz/dx. Por tanto, la posición del haz láser reflejado sobre el PSD se describe mediante , donde el segundo sumando explica el efecto del desplazamiento del haz láser y β es el ángulo entre el haz láser incidente y el cantilever en su posición de reposo (cf. figura 4). Integrando la señal de salida s (x) del detector sensible a la posición, el perfil del cantilever z (x) puede obtenerse mediante:
<x)- -~]s(x')ώc'-~^cosβ (1)
Esta realización en particular de la invención se aplicó para obtener el perfil de cinco cantilevers de silicio (de 400 μm de longitud, 100 pm de anchura y 1 μm de espesor) pertenecientes a una matriz durante un W
24
experimento de adsorción molecular. Los cantilevers se bañaron previamente con una capa fina de oro por su lado inferior. Las distintas superficies de ambos lados de cada cantilever (superior->silicio, inferior->oro) 5 implican diferencias entre dichas superficies en lo que se refiere a su adsorción de moléculas. Esto crea una diferencia de tensión de superficie que se traslada a la curvatura de los cantilevers. Esta realización de la invención se comprobó midiendo el perfil de la matriz de
10 microcantilevers en agua durante la inyección en la celda de fluido, donde se asignó la matriz, de una molécula orgánica denominada 6-mercapto-l-hexanol (MCH) , que se adsorbe ávidamente en superficies de oro debido al fuerte enlace que se forma entre el grupo tiol del MCH y el oro.
15 Esta fuerte adsorción no se produce sobre a superficie de silicio. Una representación esquemática del experimento se muestra en las figuras 5A-5C. La figura 5A muestra una sección transversal de la estructura de silicio que incluye cantilevers de silicio 51 provistos de una gruesa
20 capa de oro de 40 nm en su parte inferior, para adsorber el MCH, antes de recibir el MCH. La figura 5B muestra la misma estructura que la figura 5A, pero después de adsorber el MCH, mediante el cual los cantilevers muestran un perfil curvado: la tensión de superficie 25 diferencial entre las superficies de oro y de silicio hace que el cantilever se curve y que haya un cambio del radio de curvatura. La figura 5C muestra los perfiles medidos de los cinco microcantilevers que pertenecen a una matriz antes y después de la adsorción del MCH,
30 aplicando la ecuación (1) anterior. En la figura 5C, el eje vertical representa el perfil del cantilever (en μm) y eje horizontal representa la distancia longitudinal a lo largo del cantilever desde la raíz de cada cantilever (también en μm) . Las líneas discontinuas representan el 35 perfil antes de la adsorción de MCH y las líneas continuas representan el perfil después de la adsorción de MCH. En el experimento, la separación entre los cantilevers era de 250 μm.
Los perfiles de los cinco microcantilevers pueden medirse en tiempo real y pueden obtenerse en menos de un segundo, un tiempo muy inferior al tiempo normal que tardan las reacciones de superficie y la adsorción molecular (del orden de minutos) . Por tanto, mediante la invención, es posible medir la evolución del perfil del cantilever durante la adsorción molecular y es posible obtener en tiempo real parámetros como el desplazamiento de los extremos del cantilever y el radio de curvatura.
Las Figuras 6A y 6B muestran esquemáticamente las mediciones experimentales en tiempo real del desplazamiento absoluto de los extremos del cantilever
(figura 6A) y del radio de curvatura absoluto (figura 6B) de los cinco microcantilevers durante la adsorción de MCH
(indicado por la flecha) (en la figura 6B, sólo se muestran las curvas correspondientes a cuatro cantilevers) . La escala de tiempo se encuentra en el eje horizontal y los números dados corresponden a minutos.
El perfil del cantilever se obtiene aplicando la ecuación 1 procesando los datos obtenidos del detector sensible a la posición mediante el sistema de control electrónico durante las segundas trayectorias. La dependencia de posiciones de las salidas del detector sensible a la posición puede filtrarse, suavizarse, derivarse e integrarse mediante algoritmos numéricos. De este modo, datos relevantes como el perfil del cantilever, la curvatura media, la curvatura local en algunos puntos de interés, el desplazamiento del extremo libre del cantilever y de otras partes, el cambio de pendiente en varios puntos a lo largo del cantilever, etc. pueden obtenerse rápidamente en tiempo real programando debidamente el sistema de control electrónico, una tarea que puede realizar fácilmente la persona especializada en la materia.
Estos datos más completos de los perfiles de los cantilevers proporcionan más información sobre la reacción de la superficie de los cantilevers que la que se obtiene empleando las técnicas convenciones de deflexión de un haz óptico, que sólo proporcionan datos sobre las variaciones de la pendiente local en el extremo del cantilever. Además, la técnica proporciona valores absolutos del perfil del cantilever, en lugar de variaciones relativas de la pendiente local . En otras palabras, mediante el empleo de técnicas convencionales de deflexión de un haz óptico, es posible determinar las variaciones temporales de la pendiente local en el extremo del cantilever. Esta información apenas puede recuperarse una vez que el cantilever es retirado del dispositivo que forma parte del sistema óptico, es decir, la fuente de láser y el fotodetector. Sin embargo, la presente invención proporciona los perfiles absolutos del cantilever. Así el cantilever puede procesarse independientemente del dispositivo que comprende el sistema óptico de detección. Esto, por ejemplo, puede ser relevante para aplicaciones genómicas o proteómicas, en las que, por ejemplo, cada uno de los cantilevers que forman parte de una matriz densa recibe una función con un receptor (proteínas o ácidos nucleicos) . La matriz de cantilevers es procesada con la muestra que ha de medirse (por ejemplo, el ARN o el producto proteínico de un conjunto de células o tejido) . Tras exponer los cantilevers a la muestra y las fases de lavado, la matriz de cantilevers puede volver a montarse en el dispositivo para medir el perfil de cada cantilever para comparar el nuevo perfil con el perfil original. El cambio de perfil puede relacionarse con la cantidad de genes expresados o las proteínas existentes en las células o tejidos analizados .
De hecho, para obtener el desplazamiento real de los extremos del cantilever, se necesitan todos los datos del perfil. En sistemas anteriores basados en la técnica de deflexión de un haz de luz, sólo se puede obtener una estimación del desplazamiento del extremo del cantilever, que se basa en varias aproximaciones. Esto también se aplica a la determinación del radio de curvatura de un cantilever. En otra aplicación de la realización de la invención descrita anteriormente, se deseaba obtener un mapa de los ángulos de inclinación (deformación) de los cantilevers a lo largo del eje longitudinal y, también, en sentido perpendicular. Al igual que en el ejemplo anterior, se realiza una primera exploración (trayectoria A de la figura 3B) con el fin de iluminar los extremos libres de los cantilevers que pertenecen a la matriz. Las posiciones de referencia (C) se determinaron en correspondencia con las posiciones que dieron los máximos de la intensidad de luz reflejada en el detector sensible a la posición (las posiciones están ilustradas como "soles" en la figura 7) , que correspondían a la reflexión de la luz de los extremos libres de los cantilevers. Asociada a esas posiciones de referencia, se explora un área asociada a cada microcantilever realizando varias exploraciones paralelas (trayectorias B de la figura 7) a lo largo del eje largo de los cantilevers. La exploración a lo largo de la primera trayectoria y las segundas trayectorias se representan mediante una línea discontinua y líneas continuas, respectivamente, en la figura 7.
Las figuras 8A-8C muestran las señales de salida medidas del detector sensible a la posición como función de las posiciones relativas del haz láser luminoso obtenidas durante la exploración a lo largo de las trayectorias B de la figura 7. Se seleccionaron las trayectorias B para explorar tres cantileveré que pertenecían a la matriz. El detector sensible a la posición empleado fue un fotodetector lineal sensible a la posición bidimensional que proporcionar tres salidas eléctricas, una que es aproximadamente proporcional a la intensidad de la luz que ilumina el fotodetector y las otras dos que son aproximadamente proporcionales a las coordenadas (a lo largo de los ejes ortogonales de la superficie del fotodetector) del centroide de la luz que ilumina el fotodetector. El mapa de la salida indicativo de la intensidad de luz total reflejada de cada microcantilever se muestra en la figura 8A (la escala a la derecha de la figura muestra la salida de intensidad total del detector sensible a la posición en mV) . La figura 8B muestra un mapa de la señal de salida del detector sensible a la posición correspondiente a las coordenadas del haz de luz reflejado en el eje y del detector sensible a la posición (la escala a la derecha de la figura 8B representa la salida del eje y desde el detector sensible a la posición en mV) . El detector sensible a la posición está configurado de modo que su eje y y el eje longitudinal de los cantilevers se encuentren ambos en el plano formado por los haces de luz incidentes y reflejados. Por tanto, la salida del eje y es indicativa de la pendiente a lo largo del eje longitudinal de los cantilevers. La pendiente creciente desde el extremo fijo hasta el extremo libre de un cantilever indica que los cantilevers no son rectos, sino que están curvados. La figura 8C muestra un mapa de la señal de salida del detector sensible a la posición correspondiente a la coordenada x del haz de luz reflejado en el detector sensible a la posición (la escala de la derecha representa la salida correspondiente al eje x en mV) . Esta señal es indicativa de la deformación (torsión) o la pendiente del cantilever en sentido perpendicular al eje longitudinal. Los datos indican que existe una formación torsional significativa de los cantilevers . Naturalmente, puede seleccionarse un gran número de diferentes trayectorias para la primera y segundas trayectorias. La figura 9A muestra un primer ejemplo de dichas trayectorias, similares a las citadas anteriormente, es decir, realizando una exploración en una primera dirección de acuerdo con la primera trayectoria A y, luego, realizando las segundas trayectorias B en sentido perpendicular a la primera dirección (en las figuras 9A-9D, los "soles" ilustran los puntos correspondientes a la "reflexión máxima" del haz de luz y, por tanto, a una amplitud máxima de las fotocorrientes generadas en el detector sensible a la posición) .
La figura 9B muestra una realización alternativa, en la que las posiciones de referencia está desplazadas de las posiciones cubiertas por la primera trayectoria A
(por ejemplo, definidas como provistas de una relación específica con los puntos de reflexión máxima a lo largo de la primera trayectoria) y donde las segundas trayectorias B siguen una ruta serpenteante, cruzando dicha primera trayectoria. Esta realización puede ser de utilidad para obtener un mapa de superficie del desplazamiento y/o vibración de los elementos mecánicos 51.
La figura 9C muestra una realización adicional en la que se efectúa una exploración en forma de "U" a lo largo de la primera trayectoria A y donde las segundas trayectorias son perpendiculares a la primera trayectoria en dirección "hacia afuera" .
Por último, la figura 9D muestra una realización en la que las segundas trayectorias B son paralelas a la dicha primera trayectoria A y, en realidad, coinciden con partes de dicha primera trayectoria. Esta opción puede ser interesante, por ejemplo, cuando los elementos mecánicos son cantilevers separados dispuestos en orificios subsiguientes en un substrato a lo largo de la primera trayectoria, o donde los elementos mecánicos 51, como se ilustra en la figura 9D, son dispositivos abisagrados situados en paralelo a lo largo de la primera trayectoria, mediante lo cual se pretende medir la torsión de estos dispositivos.
En este texto, el término "se compone" y sus derivados (como "compuesto", etc.) no deben entenderse con un sentido excluyente, es deciE, estos términos no deben interpretarse como que se excluye la posibilidad de que lo se describe y se define pueda incluir más elementos, fases, etc.
Por otra parte, la invención no se limita, evidentemente, a la(s) realización (es) aquí descrita (s), sino que abarca todas las variantes que puedan ser consideradas por cualquier persona experta en la materia
(por ejemplo, en relación con la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del ámbito general de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Un sistema para la inspección de superficies configurado para detectar características de desplazamiento relativo y/o de vibración de diversos puntos de varios elementos (51) que forman parte de una estructura mecánica (5), compuesto dicho sistema de: una fuente de luz (l) configurada para generar, al menos, un haz de luz (11) ; un detector sensible a la posición (2) configurado para recibir el haz de luz cuando se refleja de la estructura mecánica (5) y para generar, al menos, una señal de salida en respuesta a la recepción de dicho haz de luz; un sistema de control electrónico (3) ; un medio de exploración (4) para el desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica (5) con el fin de explorar dicha estructura mecánica con el haz de luz, siguiendo las instrucciones del sistema de control electrónico (3); donde dicho sistema de control electrónico (3) está configurado para controlar el medio de exploración (4) con el fin de desplazar el haz de luz por la estructura mecánica a lo largo de una primera trayectoria (A) con objeto de detectar varias posiciones de referencia subsiguientes (C) a lo largo de dicha primera trayectoria
(A) , donde dicho sistema de control electrónico (3) está asociado operativamente con dicho detector sensible a la posición (2) para determinar dichas posiciones de referencia (C) como resultado de un análisis de, al menos, una señal de salida de dicho detector sensible a la posición (2) ; donde dicho sistema de control electrónico (3) está configurado además para controlar el medio de exploración (4) para desplazar el haz de luz por la estructura mecánica a lo largo de varias segundas trayectorias (B) , estando asociada cada una de dichas segundas trayectorias (B) con una de dichas posiciones de referencia (C) ; dicho sistema de control electrónico se ocupa además de obtener, durante el desplazamiento del haz de luz a lo
5 largo de cada una de dichas segundas trayectorias (B) , varias salidas de señales de posición de dicho detector sensible a la posición (2) .
2.- Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el sistema de control electrónico (3) está asociado
10 operativamente con dicho detector sensible a la posición
(2) para determinar dichas posiciones de referencia (C) como resultado de un análisis de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
15 3.- Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el sistema de control electrónico (3) está asociado operativamente con dicho detector sensible a la posición (2) para determinar que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponda con un
20 máximo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
4. - Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2 , en el que el sistema de control electrónico (3) está asociado
25 operativamente con dicho detector sensible a la posición
(2) para determinar que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponda con un mínimo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la
30 posición (2) .
5. - Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2 , en el que el sistema de control electrónico (3) está asociado operativamente con dicho detector sensible a la posición (2) para determinar que una posición es una posición de
35. referencia cuando dicha posición se corresponda con un máximo local de la pendiente de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
6. - Un sistema de acuerdo con la reivindicación 2 , en el
5 que el sistema de control electrónico (3) está asociado operativamente con dicho detector sensible a la posición
(2) para determinar que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponda con una posición que tiene una relación especificada con las
10 posiciones correspondientes a máximos y/o mínimos locales de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
7. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-6, en el que la amplitud de, al menos,
15 una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) es indicativa de la intensidad del haz de luz recibido, por dicho detector sensible a la posición (2) .
8. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las
20 reivindicaciones anteriores, en el que dicho sistema de control electrónico está configurado para: desplazar el haz de luz a lo largo de dicha primera trayectoria (A) ; al detectar una posición de referencia (C) , 25 interrumpir el desplazamiento del haz de luz a lo largo de dicha primera trayectoria (A) y, en su lugar, desplazar el haz de luz a lo largo de una segunda trayectoria (B) correspondiente a dicha posición de referencia (C) ;
30 posteriormente, continuar el desplazamiento del haz de luz por dicha primera trayectoria hasta detectar una posterior posición de referencia (C) .
9. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que dicho sistema de control
35. electrónico (3) está configurado para: desplazar el haz de luz por dicha primera trayectoria (A) hasta alcanzar un extremo de dicha primera trayectoria (A) , mientras registra posteriores posiciones de referencia (C) ; luego, tras alcanzar el extremo de dicha primera trayectoria (A) , posteriormente desplazando el haz de luz por las segundas trayectorias (B) correspondientes a las posiciones de referencia registradas (C) ; 10.- Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas segundas trayectorias (B) incluyen un considerable número de puntos de cada elemento o una región de cada elemento con el fin de obtener un trazado global de la superficie de la pendiente, el desplazamiento y/o la vibración de dicho elemento o dicha región de dicho elemento.
11. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera trayectoria (Á) es básicamente una trayectoria recta en una primera dirección.
12.- Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas segundas trayectorias (B) son básicamente trayectorias rectas en sentido básicamente perpendicular a la primera trayectoria (A) .
13,- Un sistema de acuerdo con las reivindicaciones 1-11, en el que dichas segundas trayectorias (B) son básicamente trayectorias rectas en sentido básicamente paralelo a la primera trayectoria (A) .
14. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que la primera y/o segundas trayectorias son trayectorias serpenteantes y/o zigzagueantes .
15. - Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la estructura mecánica (5) es una matriz de cantilevers y en el que los elementos (51) son cantilevers de dicha matriz de cantilevers .
16.- Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando configurado dicho sistema además para almacenar y/o tratar las señales de salida de dichas posiciones como datos indicativos de características de desplazamiento y/o vibración de la superficie de un correspondiente elemento (51) de la estructura mecánica (5) , a lo largo de las correspondientes segundas trayectorias (B) .
17.- Un método de inspección de superficies para detectar características de desplazamiento relativo y/o de vibración de diversos puntos de varios elementos (51) que forman parte de una estructura mecánica (5) , compuesto dicho método de las fases de: dirigir un haz de luz (11) hacia dicha estructura mecánica (5) y producir un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica (5) para explorar dicha estructura mecánica (5) con el haz de luz; recibir un haz de luz reflejado de dicha estructura mecánica (5) , con un detector sensible a la posición (2) configurado para producir, al menos, una señal de salida en respuesta a la recepción de dicho haz de luz; donde la fase para producir un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica (5) se realiza de modo que el haz de luz se desplace por la estructura mecánica a lo largo de una primera trayectoria (A) , el método comprende además una fase de detección de varias posiciones de referencia subsiguientes (C) a lo largo de dicha primera trayectoria (A) , siendo determinadas dichas posiciones de referencia (C) por, al menos, una señal de salida de dicho detector sensible a la posición (2) ; en el que la fase de producción de un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica se lleva a cabo además para desplazar también el haz de luz por la estructura mecánica a lo largo de varias segundas trayectorias (B) , siendo asociada cada 5 una de dichas segundas trayectorias (B) con una de dichas posiciones de referencia (C) ; en el que el método incluye además obtener, durante el desplazamiento del haz de luz a lo largo de cada una de dichas segundas trayectorias (B) , varias señales de
10 salida de posición de dicho detector sensible a la posición (2) .
18.- Un método de acuerdo con la reivindicación 17, en el que dichas posiciones de referencia (C) son determinadas mediante el análisis de la amplitud de, al menos, una de
15 dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
19.- Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en el que se determina que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponde con un
20 máximo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
20.- Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en el que se determina que una posición es una posición de 25 referencia cuando dicha posición se corresponde con un mínimo local de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
21.- Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en el
30 que se determina que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponde con un máximo local de la pendiente de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) . 35.
22.- Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en el que se determina que una posición es una posición de referencia cuando dicha posición se corresponde con una posición que guarda una relación especificada con posiciones correspondientes a máximos y/o mínimos locales 5 de la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector sensible a la posición (2) .
23.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-22, en el que la amplitud de, al menos, una de dichas señales de salida de dicho detector
10 sensible a la posición (2) es indicativa de la intensidad del haz de luz recibido por el detector sensible a la posición (2) .
24. - Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-23, en el que la fase de producción
15 de un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica (5) se realiza de modo que: el haz de luz es desplazado a lo largo de dicha primera trayectoria (A) ;
20 al detectar una posición de referencia (C) , el desplazamiento del haz de luz a lo largo de dicha primera trayectoria (A) es interrumpido y, en su lugar, el haz de luz es desplazado a lo largo de una segunda trayectoria (B) correspondiente a dicha posición de referencia (C) ; 25 posteriormente, se continúa con el desplazamiento del haz de luz por dicha primera trayectoria hasta detectar una posterior posición de referencia (C) .
25.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-23, en el que la fase de producción
30 de un desplazamiento relativo de dicho haz de luz con relación a la estructura mecánica (5) se realiza de modo que : el haz de luz es desplazado por dicha primera trayectoria (A) hasta alcanzar un extremo de dicha
35. primera trayectoria (A) , mientras registra posteriores posiciones de referencia (C) ; luego, tras alcanzar el extremo de dicha primera trayectoria (A) , el haz de luz es desplazado posteriormente por las segundas trayectorias (B)
5 correspondientes a las posiciones de referencia registradas (C) ;
26.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-25, en el que dichas segundas trayectorias (B) incluyen un considerable número de 10 puntos de cada elemento o una región de cada elemento con el fin de obtener un trazado global de la superficie de la pendiente, el desplazamiento y/o la vibración de dicho elemento o dicha región de dicho elemento.
27.- Un método de acuerdo con cualquiera de las 15 reivindicaciones 17-26, en el que la primera trayectoria
(A) es básicamente una trayectoria recta en una primera dirección.
28.- Un método de acuerdo con las reivindicaciones 17-27, en el que dichas segundas trayectorias (B) son
20 básicamente trayectorias rectas en sentido básicamente perpendicular a la primera trayectoria (A) .
29.- Un método de acuerdo con las reivindicaciones 17-27, en el que dichas segundas trayectorias (B) son básicamente trayectorias rectas en sentido básicamente 25 paralelo a la primera trayectoria (A) .
30.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-26, en el que la primera y/o segundas trayectorias son trayectorias serpenteantes y/o zigzagueantes .
30 31.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-30, en el que la estructura mecánica (5) es una matriz de cantilevers y en el que los elementos (51) son cantilevers de dicha matriz de cantilevers. 35.
32.- Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-31, estando compuesto dicho sistema además por la fase de almacenar y/o tratar las señales de salida de dichas posiciones como datos indicativos de características de desplazamiento y/o vibración de la superficie de un correspondiente elemento (51) de la estructura mecánica (5) , a lo largo de las correspondientes segundas trayectorias (B) .
33.- Un programa compuesto por instrucciones de programa para hacer que un sistema electrónico programable lleve a cabo el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-32, cuando el programa se ejecuta en dicho sistema electrónico programable.
34.- Un programa de acuerdo con la reivindicación 33, incorporado en un soporte de grabación.
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