WO2018029049A1 - Capteur micromecanique avec transduction optique - Google Patents

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WO2018029049A1
WO2018029049A1 PCT/EP2017/069477 EP2017069477W WO2018029049A1 WO 2018029049 A1 WO2018029049 A1 WO 2018029049A1 EP 2017069477 W EP2017069477 W EP 2017069477W WO 2018029049 A1 WO2018029049 A1 WO 2018029049A1
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micromechanical
optical resonator
resonator
interruption
longitudinal direction
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PCT/EP2017/069477
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Benjamin WALTER
Marc Faucher
Estelle MAIRIAUX
Original Assignee
Vmicro
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Lille-1
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Publication date
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
    • G—PHYSICS
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    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up
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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical sensor using optical motion detection.
  • the invention applies in particular, but not exclusively, to atomic force microscopy.
  • Force Microscopy is a scanning microscopy technique developed since the eighties to achieve atomic resolution. In contrast to tunneling scanning microscopy, atomic force microscopy is not limited to image formation of conductive surfaces, making it suitable for insulating, semiconductor and even biological nature. This technique finds application in many areas of pure and applied research, but also in the microelectronics industry. A general introduction to AFM principles is provided by F. J. Giessibl and C. F. Quate's article "Exploring the nanoworld with atomic force microscopy", Physics Today, December 2006, pages 44 - 50.
  • the essential component of a conventional atomic force microscope is a probe constituted by a recessed lever at one end and provided at the opposite end with a point oriented towards the surface of the sample to be observed.
  • the lever generally has a length of the order of a few tens or hundreds of micrometers, and the tip a radius of curvature of a few tens or hundreds of nanometers.
  • Such a probe generally made of monocrystalline silicon or silicon nitride, can be manufactured by conventional photolithographic techniques at a low cost. When the tip of the probe is brought closer to a surface, it is influenced by attractive or repulsive forces of a chemical nature, van der Waals, electrostatic and / or magnetic.
  • a better sensitivity can be obtained by vibrating this lever according to one of its own bending modes, and by observing the resonance frequency variations induced by the gradients of these forces (dynamic AFM).
  • dynamic AFM the dynamic technique is generally preferred for observations made in vacuum or in air. This technique is less suitable for observations in a liquid medium because the vibrations of the lever are strongly damped thereby degrading the quality factor of the probe.
  • a transducer to detect the movements of the AFM tip.
  • Such a transducer must have both a high sensitivity and a significant dynamic, since the movements to be detected may have an amplitude ranging from less than a picometer to several hundred nanometers.
  • This is relatively simple in the case of a conventional probe, built-in lever type operating in bending, where we can exploit the deflection of a laser beam reflected by the lever, but is much less in the case of a probe with vertical movement.
  • micromechanical sensors other than AFM probes, for example accelerometers.
  • the identification of the modes is very difficult because not all of them are shifted in frequency by the same amount in response to the variation of the distance between the lever and the resonator.
  • the surfaces facing each other are important: the device is highly sensitive to capillary forces (especially in liquid) that can lead to the sticking of the lever on the optical resonator.
  • AFM probes (just like other micromechanical sensors such as probes) are subject to asymmetrical solicitations.
  • the tip is likely to suffer much more intense repulsive forces than the attractive forces - the limiting case being constituted by abutment.
  • it can lead to a contact between the lever and the optical resonator, which can damage these elements or cause their adhesion.
  • the invention aims to solve all or part of these disadvantages of the prior art.
  • this object is achieved by the use of an optical transducer based on a ring or disk type resonator having at least one interruption, or slot.
  • a movable micromechanical element such as a longitudinally displaceable beam, is coupled to the resonator such that movement of the micromechanical element opens or closes the interruption.
  • the surfaces facing each other are weak, especially in the case of a ring resonator having a single interruption, reducing the risk of adhesion due to the effect of capillary forces.
  • a device according to the invention and intended to operate in the presence of asymmetric biasing will be designed in such a way that the larger displacements of the mobile micromechanical element open the interrupt (s), reducing the risk of damaging the resonator.
  • An object of the invention is therefore a micromechanical sensor comprising a mobile micromechanical element and an optical resonator of disk or ring type, characterized in that the optical resonator has at least one interruption; and in that the movable micromechanical element is mechanically coupled to the optical resonator such that a movement of the movable micromechanical element induces a change in the width of the interruption of said optical resonator by moving at least one edge thereof in a direction substantially parallel to a direction of propagation of light in the resonator in correspondence of the interruption.
  • the mobile micromechanical element may extend in a so-called longitudinal direction and have a degree of freedom in translation along said longitudinal direction.
  • the movable micromechanical element may be carried by a planar substrate having a main surface parallel to the longitudinal direction and projecting from an edge of said substrate by extending in a so-called positive orientation of said longitudinal direction.
  • the movable micromechanical element can be mechanically coupled to the optical resonator so that its displacement in the longitudinal direction in a negative orientation, opposite to the positive orientation, induces an increase in the width of the interruption of the optical resonator.
  • the optical resonator can be carried by the planar substrate and be substantially aligned with the micromechanical element in the longitudinal direction.
  • the interruption or interruptions of the optical resonator may be oriented in a direction, called transverse, perpendicular to the longitudinal direction and separate the optical resonator into two disjoint parts, one of which is mechanically coupled to the mobile micromechanical element while the other is anchored to the substrate.
  • the mobile micromechanical element can be directly connected to said part of the optical resonator.
  • the mobile micromechanical element may be coupled to said portion of the optical resonator by means of a mechanical movement reversal structure.
  • Said resonator may be of ring type and have at least one interruption oriented in the longitudinal direction, the mobile micromechanical element being mechanically connected to two points of said resonator located on either side of said interruption via a structure mechanical mechanism adapted to convert a displacement in the longitudinal direction into a force in the transverse direction.
  • said mechanical structure adapted to convert a displacement in the longitudinal direction into a force in the transverse direction may comprise a fork-shaped flexible structure, have two branches connected to said two points of the resonator located on either side of the interruption.
  • the interruption or interruptions of the optical resonator can separate the latter into two disjoint parts, one of which is mechanically coupled to the mobile micromechanical element while the other is anchored to the substrate.
  • the optical resonator may be of the ring type, have a single interruption and form, with the mobile micromechanical element, a mass-spring system.
  • the mobile micromechanical element may carry a local probe microscopy tip extending in the longitudinal direction.
  • the micromechanical sensor may also include at least one optical waveguide optically coupled to the optical resonator.
  • the width of the or each interruption of the optical resonator may be between 0.1 nm and 1 ⁇ , and preferably between 10 nm and 200 nm.
  • FIG. 2 a micromechanical device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 a micromechanical device according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 a micromechanical device according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 5 a micromechanical device according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 6 a micromechanical device according to a sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 numerical simulation results making it possible to validate the principle of the invention.
  • the probes of FIGS. 1 to 6 can be made from a SOI (silicon on insulator) type structure, comprising:
  • a silicon substrate denoted SS in the figures, generally thick from 20 ⁇ to 1 mm, preferably between 50 and 600 ⁇ ;
  • a buried layer of oxide Si0 2 (called “BOX” of the English “Buried Oxide”, that is to say “buried oxide”), generally of a thickness between 0.1 ⁇ and 5 ⁇ , preferably between 0.2 ⁇ and 2 ⁇ ; and
  • a thin layer of silicon (thickness generally between 1 nm and 100 ⁇ , preferably between 0.2 ⁇ and 5 ⁇ ), called a "device layer”.
  • the mechanical elements of the probe are made from the device layer, and are released by wet etching the underlying BOX layer.
  • the BOX layer remains in correspondence of the anchors that connect the probe to the SS substrate.
  • the probe on a material other than SOI, for example, SiN deposited on Si. It is also possible to make certain parts of the probe in the device layer on SOI and others in a material. as Si 3 N 4 or any other material having suitable mechanical properties.
  • the device layer is located above a surface of the substrate, directly or by the interposition of intermediate layers (BOX in the case of an SOI structure).
  • the probe of FIG. 1 comprises a micromechanical moving element EMM in the form of a beam extending in a so-called longitudinal direction y, and projects from the edge BS of the substrate in said longitudinal direction. It ends with an AFM tip - reference PT1 - which also extends along the positive orientation of said longitudinal direction.
  • the EMM beam is connected to two APT1, APT2 anchors by four beams ET1, ET2, ET3, ET4 extending in a so-called transverse direction x (the xy plane is parallel to the surface of the substrate).
  • APT1, APT2 anchors are attached to the substrate by buried oxide regions APS1, APS2 which have not been removed upon release of the structure; these regions are delimited by dotted lines.
  • the beams ET1 - ET4, located on either side of the EMM element, are flexible so as to allow the micromechanical structure to move back and forth in the longitudinal direction y.
  • the rear end (that is to say opposite the tip PT1) of the micromechanical element EMM is connected to a ring-type optical resonator ROP1.
  • the term "ring” must be understood in the topological sense, and covers the case of a circular ring (as in Figure 1), elongated (see Figure 2) or of more complex shape (as in the case of Figure 4 ).
  • This resonator has, at about 90 ° of the connection with the EMM element (at "3 o'clock", if the positive orientation of the direction corresponds to "12 hours"), an interruption, or slot, GR1 of width typically between 0.1 nm and 1 ⁇ , and preferably between 10 nm and 200 nm (this applies for a use of the device at a wavelength of 1.
  • the width of the slot is proportional to the wavelength.
  • the width of the interruption results from a compromise: a wide interruption allows large displacements of the EMM element, and therefore of the PT1 tip, but significantly degrades the quality factor of the optical resonator. Conversely, a narrow interruption limits the displacements of the EMM element but introduces few optical losses.
  • the resonator is fixed by an attachment point located on its side opposite the slot GR1, APT1 anchoring.
  • a planar optical waveguide GOP is arranged at the rear of the resonator, in the immediate vicinity of the latter (the GC gap between these two components is typically of the order of 200 nm or less), so as to allow a evanescent wave coupling.
  • a light wave propagates from a POP1 optical port at one end of the GOP guide to a POP2 optical port at the opposite end.
  • Wave coupling evanescent through the GC interval excites an electromagnetic resonance mode of the resonator; a portion of the luminous flux injected into the POP1 port therefore does not reach the POP2 port.
  • the optical resonator and the waveguide are monomode.
  • the resonator ROP1 and the GOP waveguide can for example be made in the device layer itself, made of silicon, which imposes the use of infrared radiation and a device layer having a suitable thickness order of hundreds of nanometers). Alternatively, they may be made of dielectric material deposited on top of the device layer.
  • the interrupted optical resonator ROP1 also has a spring mechanical function. It contributes, in the same way as the transverse beams ET1 - ET4, to the stiffness of the probe in the longitudinal direction, and therefore its mechanical resonance frequency.
  • An advantage of the invention is that the interrupted optical resonator ROP1 can be dimensioned relatively freely so as to be more or less stiff; it therefore imposes only a few constraints on the mechanical resonance frequency of the probe. It would be otherwise for an uninterrupted resonator, which would be very rigid and strongly constrain the frequency of mechanical resonance of the probe.
  • FIG. 2 shows a probe according to a second embodiment, differing from the first in that its optical resonator ROP2 has an elongated shape and - above all - has two interrupts GR1, GR2 situated on either side of the mechanical link with the micromechanical element EMM. These two interruptions separate the resonator ROP2 into two disjoint parts one of which - ROP2A - is attached to the mobile micromechanical element EMM, while the other - ROP2B - is connected to the substrate via the anchors APT1, APT2.
  • a longitudinal displacement of the EMM element opens or closes the interrupts GR1, GR2, which modifies the length of the resonator and therefore its resonant wavelength.
  • the resonator does not contribute to the stiffness of the probe, and therefore plays virtually no mechanical role (except a small contribution of its mobile part ROP2A to the mass of the EMM element). It should also be noted that the presence of two interruptions instead of one induces higher losses; all other things being equal, the resonator of FIG. 2 will therefore have a lower quality factor than that of FIG.
  • FIG. 3 shows a probe according to a third embodiment, similar to the second, except that its optical resonator ROP3 is of disk type, separated into two parts ROP3A and ROP3B by a slot (interruption) GR1 extending over its entire width.
  • the first mobile portion ROP3A is connected to the EMM element while the second fixed part ROP3B is connected to the substrate via the APT1 anchors,
  • interrupts GR1, GR2, GR3 extend in the transverse direction x, but this is not strictly necessary.
  • the optical resonator ROP4 has a shape in "heart", the tip is directed rearward (negative orientation of the longitudinal axis y).
  • Two interrupts GR1, GR2 separate the concave part ROP4A, located between the two “auricles” of the “heart” of the rest of the resonator, ROP4B.
  • This ROP4A portion is connected to the EMM element, and therefore mobile, while the ROP3B portion is fixed, being connected to the substrate via the anchors APT1, APT2. It is easy to see that a movement of the tip, and therefore of the micromechanical element EMM towards the rear (negative orientation of the y axis) tends to open interrupts GR1, GR2, which was desired.
  • the optical resonator ROP5 is of the elongated ring type; two interrupts GR1, GR2, extending in the transverse direction x, subdivide this resonator into two parts aligned in the longitudinal direction: one, ROP5A, located forward (in the positive orientation of y) and mobile; the other, ROP5B, located towards the rear (according to the negative orientation of y) and connected to the substrate by anchors AR01, AR02.
  • the dashed lines denote the presence of a buried oxide.
  • FIG. 1 the optical resonator
  • the mobile part ROP5A of the optical resonator is connected to the mobile micromechanical element EMM indirectly, via a mechanical SMI motion reversal structure, which converts a displacement of the EMM element to the rear in a movement of ROP5A forward, and vice versa.
  • the SMI motion reversal mechanical structure has a triangle shape with a vertex directly connected to the EMM element and a base opposite to this vertex.
  • the moving part ROP5A of the resonator is connected to the middle of the base.
  • the latter is also connected to anchors AR01, AR02 - and therefore, indirectly, to the substrate, via flexible links, modelizable by pivots, located midway between the ends of the base and its middle.
  • a movement of the EMM element in the longitudinal direction causes a flexion of the base of the triangle, which drives the moving part ROP5A of the resonator. It is understood that a rearward movement of the tip PT1, and therefore of the EMM element, causes a forward movement of ROP5A, which causes an opening of interrupts GR1, GR2.
  • the optical resonator ROP6 is of annular type, of substantially circular shape and has a single interruption GR1 in its front part (at “12 o'clock"). Furthermore, the resonator is connected to the substrate via a central anchor ARO3; the junction points between the anchor and the resonator are remote from the interruption GR1, for example located at "3 o'clock", “6 o'clock” and "9 o'clock”.
  • the resonator is also connected to the moving micromechanical element EMM via a SMT motion transformation structure which converts the displacement along the y axis of the EMM element into an x-axis oriented force.
  • the SMT structure is in the form of a fork, whose two flexible branches are attached to the resonator on either side of interrupt GR1. It is understood that a displacement of the EMM element towards the rear generates a force tending to move the edges of the interruption GR1, and vice versa in the case of a forward movement.
  • the GR3 resonator, as well as the transformation structure of the movement behave like springs and contribute to the mechanical stiffness of the probe.
  • the invention has been defined with respect to a number of embodiments, but is not limited thereto.
  • the EMM element move in the longitudinal direction; it is possible to envisage embodiments of the invention in which the movement of the mobile micromechanical element EMM which causes the opening or closing of one or more interruptions of an optical resonator is a transverse displacement (according to x ), or even bending or twisting.
  • the EMM element is presented as a simple beam oriented in the longitudinal direction, but it may also have a different shape, possibly more complex.
  • FIG. 7 shows graphs of the transmission coefficient of a split ring optical resonator (radius of 3.1 ⁇ ) for four values of slot width GR1: 100 nm, 150 nm, 200 nm and 250 nm.
  • the offset of the optical resonance frequency can be clearly seen as a function of this width.
  • the sensitivity of the sensor is 0.028 nm of optical wavelength per nm of width variation of the slot.

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Abstract

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

Description

CAPTEUR MICROMECANIQUE AVEC TRANSDUCTION OPTIQUE
L'invention porte sur un capteur micromécanique utilisant une détection optique de mouvement. L'invention s'applique en particulier, mais pas exclusivement, à la microscopie à force atomique.
La microscopie à force atomique (ou "AFM" pour « Atomic
Force Microscopy » en anglais) est une technique de microscopie à balayage développée à partir des années quatre-vingt et permettant d'atteindre une résolution à l'échelle atomique. Contrairement à la microscopie à balayage à effet tunnel, la microscopie à force atomique n'est pas limitée à la formation d'images de surfaces conductrices, ce qui la rend adaptée à des matériaux isolants, semi-conducteurs, voire même à des échantillons de nature biologique. Cette technique trouve application dans de nombreux domaines de la recherche pure et appliquée, mais également dans l'industrie microélectronique. Une introduction générale aux principes de l'AFM est fournie par l'article de F. J. Giessibl et C. F. Quate " Exploring the nanoworld with atomic force microscopy", Physics Today, décembre 2006, pages 44 - 50.
Le composant essentiel d'un microscope à force atomique conventionnel est une sonde constituée par un levier encastré à une extrémité et pourvu, à l'extrémité opposée, d'une pointe orientée vers la surface de l'échantillon à observer. Le levier présente généralement une longueur de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de micromètres, et la pointe un rayon de courbure de quelques dizaines ou centaines de nanomètres. Une telle sonde, généralement constituée de silicium monocristallin ou de nitrure de silicium, peut être fabriquée par des techniques photolithographiques conventionnelles, à un coût faible. Lorsque la pointe de la sonde est rapprochée d'une surface, elle subit l'influence de forces attractives ou répulsives de nature chimique, de van der Waals, électrostatiques et/ou magnétiques. En mesurant ces forces pendant que la pointe balaye la surface de l'échantillon à observer, il est possible de reconstituer une image de ce dernier. La mesure des forces s'exerçant entre la pointe et l'échantillon peut s'effectuer de différentes manières. Selon la technique la plus simple et plus ancienne (AFM statique) on se limite à observer, notamment par des moyens optiques, la déflexion du levier encastré supportant la pointe.
Une meilleure sensibilité peut être obtenue en faisant vibrer ce levier selon l'un de ses modes propres de flexion, et en observant les variations de fréquence de résonance induites par les gradients de ces forces (AFM dynamique). En pratique, la technique dynamique est généralement préférée pour les observations effectuées dans le vide ou dans l'air. Cette technique convient moins bien aux observations en milieu liquide, car les vibrations du levier y sont fortement amorties ce qui dégrade le facteur de qualité de la sonde.
Il est également connu d'utiliser des sondes d'AFM exploitant des modes de vibration planaires - on parle aussi de « mouvement vertical » ou « longitudinal » - qui permettent d'atteindre des facteurs de qualités très élevés même en AFM dynamique dans des milieux visqueux.
Quelle que soit la géométrie choisie, il est nécessaire de réaliser un transducteur permettant de détecter les mouvements de la pointe AFM. Un tel transducteur doit présenter à la fois une sensibilité élevée et une dynamique importante, car les mouvements à détecter peuvent présenter une amplitude allant de moins d'un picomètre à plusieurs centaines de nanomètres. Cela est relativement simple dans le cas d'une sonde conventionnelle, de type levier encastré fonctionnant en flexion, où l'on peut exploiter la déflexion d'un faisceau laser réfléchi par le levier, mais l'est beaucoup moins dans le cas d'une sonde à mouvement vertical. Le même problème se pose dans le cas de capteurs micromécaniques autres que des sondes AFM, par exemple des accéléromètres.
L'article de Y. Liu et al. « Wide cantilever stiffness range cavity optomechanical sensors for atomic force microscopy » Optics Express Vol. 20, No. 1 6, pp. 18268 - 18280 (2012) et le brevet US 8,997,258 divulguent des sondes d'AFM comprenant un levier pouvant s'approcher d'un résonateur optique de type en anneau ou en disque, perturbant les conditions de résonance de ce dernier. Le principe de fonctionnement de ces transducteurs exploite une interaction entre le levier et les ondes évanescentes à proximité de la surface extérieure du résonateur optique. Dans cette configuration, seulement certains modes de résonance optique du résonateur sont modulés. L'indentification des modes est donc très difficile, car tous ne se décalent pas en fréquence de la même quantité en réponse à la variation de la distance entre le levier et le résonateur. De plus, les surfaces en vis à vis sont importantes : le dispositif est fortement sensible aux forces capillaires (notamment en liquide) pouvant conduire au collage du levier sur le résonateur optique.
Par ailleurs, les sondes d'AFM (tout comme d'autres capteurs micromécaniques tels les palpeurs) sont soumises à des sollicitations asymétriques. Ainsi, dans le cas d'une sonde d'AFM à mouvement vertical, la pointe est susceptible de subir des forces répulsives beaucoup plus intenses que les forces attractives - le cas limite étant constitué par une mise en butée. Or, dans le cas des systèmes de l'art antérieur mentionnés ci-dessus, cela peu conduire à une mise en contact du levier et du résonateur optique, qui peut endommager ces éléments ou provoquer leur adhésion.
L'invention vise à résoudre en tout ou en partie ces inconvénients de l'art antérieur.
Conformément à l'invention, ce but est atteint par l'utilisation d'un transducteur optique basé sur un résonateur de type anneau ou disque, présentant au moins une interruption, ou fente. Un élément micromécanique mobile, tel qu'une poutre pouvant être animée d'un déplacement longitudinal, est couplé au résonateur de telle manière qu'un mouvement de l'élément micromécanique ouvre ou referme l'interruption. Il en résulte une modification de la longueur du résonateur, et donc de sa longueur d'onde de résonance, quel que soit le mode considéré ; cette modification peut donc être détectée aisément. Les surfaces en vis-à-vis sont faibles, surtout dans le cas d'un résonateur en anneau présentant une seule interruption, réduisant les risques d'adhésion par effet des forces capillaires. Avantageusement, un dispositif selon l'invention et destiné à opérer en présence de sollicitation asymétriques sera conçu de telle façon que les déplacements de plus grande amplitude de l'élément micromécanique mobile ouvrent la ou les interruptions, réduisant les risques d'endommagement du résonateur.
L'interruption introduit des pertes dans le résonateur, et réduit donc son facteur de qualité. Cet inconvénient est cependant largement compensé par les avantages mécaniques qu'elle apporte, et qui seront discutés plus en détail dans la suite.
Un objet de l'invention est donc un capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile et un résonateur optique de type disque ou anneau, caractérisée en ce que le résonateur optique présente au moins une interruption ; et en ce que l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un mouvement de l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption.
Selon des modes de réalisation avantageux d'un tel capteur :
L'élément micromécanique mobile peut s'étendre dans une direction dite longitudinale et présenter un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale. Plus particulièrement, l'élément micromécanique mobile peut être porté par un substrat planaire présentant une surface principale parallèle à la direction longitudinale et faire saillie d'un bord dudit substrat en s'étendant selon une orientation dite positive de ladite direction longitudinale. Plus particulièrement encore, l'élément micromécanique mobile peut être couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon que son déplacement dans la direction longitudinale selon une orientation dite négative, opposée à l'orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l'interruption du résonateur optique. Par ailleurs, le résonateur optique peut être porté par le substrat planaire et être sensiblement aligné avec l'élément micromécanique dans la direction longitudinale.
La ou les interruptions du résonateur optique peuvent être orientées selon une direction, dite transversale, perpendiculaire à la direction longitudinale et séparer le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l'une est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre est ancrée au substrat.
L'élément micromécanique mobile peut être directement relié à la dite partie du résonateur optique.
- En variante, l'élément micromécanique mobile peut être couplé à la dite partie du résonateur optique par l'intermédiaire d'une structure mécanique d'inversion du mouvement.
Ledit résonateur peut être de type anneau et présenter au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l'élément micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d'autre de ladite interruption par l'intermédiaire d'une structure mécanique adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale. Plus particulièrement, ladite structure mécanique adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale peut comprendre une structure flexible en forme de fourche, présentent deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d'autre de l'interruption.
La ou les interruptions du résonateur optique peuvent séparer ce dernier en deux parties disjointes, dont l'une est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre est ancrée au substrat.
Le résonateur optique peut être est de type anneau, présenter une seule interruption et former, avec l'élément micromécanique mobile, un système masse-ressort.
L'élément micromécanique mobile peut porter une pointe de microscopie à sonde locale s'étendant dans la direction longitudinale. Le capteur micromécanique peut comprendre également au moins un guide d'onde optique couplé optiquement au résonateur optique.
Dans un état de repos dans lequel aucune force externe n'agit sur l'élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque interruption du résonateur optique peut être comprise entre 0,1 nm et 1 μηπ, et de préférence entre 10 nm et 200 nm.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , un dispositif micromécanique selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2, un dispositif micromécanique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 3, un dispositif micromécanique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4, un dispositif micromécanique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 5, un dispositif micromécanique selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6, un dispositif micromécanique selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 7, des résultats de simulation numériques permettant de valider le principe de l'invention.
L'invention sera décrite en référence à des modes de réalisation qui concernent tous des sondes pour AFM, et plus particulièrement pour AFM à mouvement vertical. Cependant, elle n'est pas limitée à cette application particulière.
Les sondes des figures 1 à 6 peuvent être réalisées à partir d'une structure de type SOI (silicium sur isolant), comprenant :
- un substrat en silicium, noté SS sur les figures, en général épais de 20 μηι à 1 mm, de préférence entre 50 et 600 μηι ; une couche enterrée d'oxyde Si02 (dite « BOX » de l'anglais « Buried Oxyde », c'est-à-dire « oxyde enterré »), généralement d'une épaisseur comprise entre 0,1 μηι et 5 μηπ, de préférence entre 0,2 μηι et 2 μηι ; et
- une couche mince de silicium (épaisseur généralement comprise entre 1 nm et 1 00 μηπ, de préférence entre 0,2 μηι et 5 μηπ), appelée « couche de dispositif ».
Les éléments mécaniques de la sonde sont réalisés à partir de la couche de dispositif, et sont libérés par gravure humide de la couche BOX sous-jacente. La couche BOX subsiste en correspondance des ancrages qui relient la sonde au substrat SS.
Il est également possible de réaliser la sonde sur un matériau autre que le SOI, par exemple, du SiN déposé sur Si. Il est également possible de réaliser certaines parties de la sonde dans la couche de dispositif sur SOI et d'autres dans un matériau comme Si3N4 ou tout autre matériau ayant des propriétés mécaniques convenables. En pratique, tout matériau présentant un rapport entre le module d'Young E et la densité de masse p suffisamment élevé (typiquement 1 km/s≤ < 12 km/s) peut convenir à la mise en œuvre de l'invention. A titre d'exemple, pour le silicium ^ = 9 km/s et pour le carbure de silicium ^ = 12 km/s.
D'une manière générale, la couche de dispositif est située au- dessus d'une surface du substrat, directement ou par l'interposition de couches intermédiaires (BOX dans le cas d'une structure SOI).
La sonde de la figure 1 comprend un élément micromécanique mobile EMM en forme de poutre s'étendant selon une direction dite longitudinale y, et fait saillie du bord BS du substrat dans ladite direction longitudinale. Elle se termine par une pointe d'AFM - référence PT1 - qui s'étend aussi selon l'orientation positive de ladite direction longitudinale. La poutre EMM est reliée à deux ancrages APT1 , APT2 par quatre poutres ET1 , ET2, ET3, ET4 s'étendant dans une direction x dite transversale (le plan xy est parallèle à la surface du substrat). A leur tour, les ancrages APT1 , APT2 sont fixés au substrat par des régions APS1 , APS2 d'oxyde enterré qui n'ont pas été enlevées lors de la libération de la structure ; ces régions sont délimitées par des lignes pointillées. Les poutres ET1 - ET4, situées de part et d'autre de l'élément EMM, sont flexibles de manière à permettre à la structure micromécanique d'effectuer un mouvement de va-et-vient dans la direction longitudinale y.
L'extrémité arrière (c'est-à-dire opposée à la pointe PT1 ) de l'élément micromécanique EMM est reliée à un résonateur optique ROP1 de type en anneau. Le terme « anneau » doit être entendu au sens topologique, et couvre le cas d'un anneau circulaire (comme dans la figure 1 ), allongé (cf. figure 2) ou de forme plus complexe (comme dans le cas de la figure 4). Ce résonateur présente, à environ 90° de la liaison avec l'élément EMM (à « 3 heures », si l'orientation positive de la direction y correspond à « 12 heures »), une interruption, ou fente, GR1 de largeur typiquement comprise entre 0,1 nm et 1 μηπ, et de préférence entre 10 nm et 200 nm (cela vaut pour une utilisation du dispositif à une longueur d'onde de 1 ,55 μηπ, cas le plus fréquent ; de manière plus générale, la largeur de la fente est proportionnelle à la longueur d'onde). La largeur de l'interruption résulte d'un compromis : une interruption large autorise des déplacements importants de l'élément EMM, et donc de la pointe PT1 , mais dégradent de manière significative le facteur de qualité du résonateur optique. Réciproquement, une interruption étroite limite les déplacements de l'élément EMM mais introduit peu de pertes optiques.
Par ailleurs le résonateur est fixé, par un point de fixation situé de son côté opposé à la fente GR1 , à l'ancrage APT1 .
Un guide d'onde optique planaire GOP est agencé à l'arrière du résonateur, à proximité immédiate de ce dernier (l'écartement GC entre ces deux composants est typiquement de l'ordre de 200 nm ou moins), de manière à permettre un couplage par onde évanescente. Une onde lumineuse se propage d'un port optique POP1 à une extrémité du guide GOP jusqu'à un port optique POP2 situé à l'extrémité opposé. Le couplage par onde évanescente à travers l'intervalle GC excite un mode de résonance électromagnétique du résonateur ; une partie du flux lumineux injecté dans le port POP1 ne parvient donc pas au port POP2. De préférence le résonateur optique et le guide d'onde sont monomode.
Le résonateur ROP1 et le guide d'onde GOP peuvent par exemple être réalisés dans la couche de dispositif elle-même, en silicium, ce qui impose l'utilisation d'un rayonnement infrarouge et une couche de dispositif présentant une épaisseur adaptée (de l'ordre des centaines de nanomètres). En variante, ils peuvent être réalisés en matériau diélectrique déposé au-dessus de la couche de dispositif.
Des forces exercées par la surface d'un échantillon sur la pointe PT1 provoquent un déplacement de l'élément micromécanique EMM selon la direction longitudinale (y) ; ce dernier déforme le résonateur en anneau ROP1 en ouvrant l'interruption GR1 (si le déplacement se fait suivant l'orientation positive de l'axe y) ou en la refermant (si le déplacement se fait suivant l'orientation négative de y). L'ouverture ou la fermeture partielle de GR1 se font en déplaçant ses bords dans une direction qui est sensiblement parallèle à la direction de propagation de la lumière dans le résonateur - c'est- à-dire une direction tangentielle dans le cas d'un résonateur circulaire ; dans le cas particulier de la figure 1 , l'interruption GR1 étant orientée selon la direction x, se bords se déplacent suivant la direction y. Il en résulte une variation de la longueur du résonateur, et donc de sa longueur d'onde de résonance. Cela se traduit par une variation de l'intensité lumineuse à la sortie POP2 du guide optique GOP (si le rayonnement se propageant dans ce guide présente une bande étroite par rapport au pic du résonateur) ou de son spectre (si ce rayonnement présente une bande plus large). Par contre, le niveau de pertes dans le résonateur est peu affecté par la variation de largeur de l'interruption, tant que cette dernière reste relativement petite, car le désalignement de ses bords reste minime.
II est intéressant de noter que le résonateur optique interrompu ROP1 a également une fonction mécanique de ressort. Il contribue, au même titre que les poutres transversales ET1 - ET4, à la raideur de la sonde dans la direction longitudinale, et donc à sa fréquence de résonance mécanique. Un avantage de l'invention est que le résonateur optique interrompu ROP1 peut être dimensionné assez librement de manière à être plus ou moins raide ; il n'impose donc que peu de contraintes à la fréquence de résonance mécanique de la sonde. Il en irait autrement pour un résonateur non interrompu, qui serait très rigide et contraindrait fortement la fréquence de résonance mécanique de la sonde.
La figure 2 montre une sonde selon un deuxième mode de réalisation, se différenciant du premier en ce que son résonateur optique ROP2 présente une forme allongée et - surtout - comporte deux interruptions GR1 , GR2 situées de part et d'autre de la liaison mécanique avec l'élément micromécanique EMM. Ces deux interruptions séparent le résonateur ROP2 en deux parties disjointes dont l'une - ROP2A - est fixée à l'élément micromécanique mobile EMM, tandis que l'autre - ROP2B - est reliée au substrat via les ancrages APT1 , APT2. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1 , un déplacement longitudinal de l'élément EMM ouvre ou referme les interruptions GR1 , GR2, ce qui modifie la longueur du résonateur et donc sa longueur d'onde de résonance. Contrairement au cas de la figure 1 , cependant, le résonateur ne contribue pas à la raideur de la sonde, et ne joue donc quasiment aucun rôle mécanique (sauf une petite contribution de sa partie mobile ROP2A à la masse de l'élément EMM). Il faut également noter que la présence de deux interruptions au lieu d'une seule induit des pertes plus élevées ; toutes autres choses égales, le résonateur de la figure 2 présentera donc un facteur de qualité inférieur à celui de la figure 1 .
La figure 3 montre une sonde selon un troisième mode de réalisation, semblable au deuxième, sauf en ce que son résonateur optique ROP3 est de type disque, séparé en deux parties ROP3A et ROP3B par une fente (interruption) GR1 s'étendant sur toute sa largeur. La première partie ROP3A, mobile, est reliée à l'élément EMM, tandis que la deuxième partie ROP3B, fixe, est reliée au substrat par l'intermédiaire des ancrages APT1 ,
APT2. Dans ces trois modes de réalisation, les interruptions GR1 , GR2, GR3 s'étendent dans la direction transversale x, mais cela n'est pas strictement indispensable.
Les modes de réalisation des figures 1 à 3 présentent un inconvénient. En effet, en cas de déplacement important de l'élément mécanique mobile EMM - provoqué par exemple par une mise en butée de la pointe PT1 contre la surface d'un échantillon - les interruptions GR1 , GR2, GR3 pourraient se refermer complètement, au risque d'une adhésion entre leurs bords, ou d'une rupture du résonateur optique. Pour éviter ce risque, il serait préférable qu'un déplacement de l'élément micromécanique mobile EMM suivant l'orientation négative de la direction longitudinale y induise une ouverture des fentes du résonateur, et inversement. En effet, il est peu vraisemblable qu'il se produise un déplacement important de l'élément micromécanique mobile EMM suivant l'orientation positive de la direction longitudinale y, car cela nécessiterait une force attractive intense s'exerçant sur la pointe PT1 . Cet effet est obtenu de trois façons différentes dans les modes de réalisation des figures 4, 5 et 6.
Dans le cas de la figure 4, le résonateur optique ROP4 présente une forme en « cœur », dont la pointe est dirigée vers l'arrière (orientation négative de l'axe longitudinal y). Deux interruptions GR1 , GR2 séparent la partie concave ROP4A, située entre les deux « oreillettes » du « cœur » du reste du résonateur, ROP4B. Cette partie ROP4A est reliée à l'élément EMM, et donc mobile, tandis que la partie ROP3B est fixe, étant reliée au substrat par l'intermédiaire des ancrages APT1 , APT2. On voit aisément qu'un mouvement de la pointe, et donc de l'élément micromécanique EMM, vers l'arrière (orientation négative de l'axe y) tend à ouvrir les interruptions GR1 , GR2, ce qui était recherché.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le résonateur optique ROP5 est du type en anneau de forme allongée ; deux interruptions GR1 , GR2, s'étendant dans la direction transversale x, subdivisent ce résonateur en deux parties alignées selon la direction longitudinale : l'une, ROP5A, située vers l'avant (selon l'orientation positive de y) et mobile ; l'autre, ROP5B, située vers l'arrière (selon l'orientation négative de y) et reliée au substrat par des ancrages AR01 , AR02. Comme dans le cas des ancrages APT1 , APT2, les lignes pointillées dénotent la présence d'un oxyde enterré. Contrairement au cas de la figure 2, cependant, la partie mobile ROP5A du résonateur optique est reliée à l'élément micromécanique mobile EMM de manière indirecte, par l'intermédiaire d'une structure mécanique d'inversion du mouvement SMI, qui convertit un déplacement de l'élément EMM vers l'arrière en un déplacement de ROP5A vers l'avant, et réciproquement. Dans l'exemple de la figure 5, la structure mécanique d'inversion du mouvement SMI présente une forme en triangle avec un sommet directement relié à l'élément EMM et une base opposée à ce sommet. La partie mobile ROP5A du résonateur est connectée au milieu de la base. Cette dernière est par ailleurs connectée aux ancrages AR01 , AR02 - et donc, indirectement, au substrat, par l'intermédiaire de liaisons flexibles, modélisables par des pivots, situées à mi-chemin entre les extrémités de la base et son milieu. Ainsi, un mouvement de l'élément EMM dans la direction longitudinale provoque une flexion de la base du triangle, qui entraine la partie mobile ROP5A du résonateur. On comprend qu'un mouvement vers l'arrière de la pointe PT1 , et donc de l'élément EMM, provoque un mouvement vers l'avant de ROP5A, ce qui entraine une ouverture des interruptions GR1 , GR2.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le résonateur optique ROP6 est de type annulaire, de forme sensiblement circulaire et présente une seule interruption GR1 dans sa partie avant (à « 12 heures »). Par ailleurs, le résonateur est relié au substrat par l'intermédiaire d'un ancrage central ARO3 ; les points de jonction entre l'ancrage et le résonateur sont éloignés de l'interruption GR1 , par exemple situés à « 3 heures », « 6 heures » et « 9 heures ». Le résonateur est également relié à l'élément micromécanique mobile EMM par l'intermédiaire d'une structure de transformation du mouvement SMT qui convertit le déplacement selon l'axe y de l'élément EMM en un effort orienté selon l'axe x. Plus particulièrement, la structure SMT se présente sous la forme d'une fourche, dont les deux branches, flexibles, sont fixées au résonateur de part et d'autre de l'interruption GR1 . On comprend qu'un déplacement de l'élément EMM vers l'arrière engendre une force tendant à écarter les bords de l'interruption GR1 , et inversement dans le cas d'un déplacement vers l'avant. Comme dans le cas de la figure 1 , le résonateur GR3, ainsi que la structure de transformation du mouvement, se comportent comme des ressorts et contribuent à la raideur mécanique de la sonde.
L'invention a été définie par rapport à un certain nombre de modes de réalisation, mais ne se limite pas à ces derniers. Par exemple, il est possible d'envisager des structures d'inversion/transformation du mouvement différentes de celles illustrées par les figures 5 et 6. De plus, il n'est pas essentiel que l'élément EMM se déplace selon la direction longitudinale ; il est possible d'envisager des modes de réalisation de l'invention dans lesquels le mouvement de l'élément micromécanique mobile EMM qui provoque l'ouverture ou fermeture d'une ou plusieurs interruptions d'un résonateur optique est un déplacement transversal (selon x), voire une flexion ou une torsion. Dans tous les modes de réalisation considérés, l'élément EMM se présente comme une simple poutre orientée dans la direction longitudinale, mais il peut également présenter une forme différente, éventuellement plus complexe. De plus, il n'est pas essentiel que l'élément EMM et le résonateur optique soient orientés dans la direction longitudinale, bien que cela simplifie la structure du dispositif.
La figure 7 montre des graphiques du coefficient de transmission d'un résonateur optique en anneau fendu (rayon de 3,1 μιτι) pour quatre valeurs de la largeur de la fente GR1 : 100 nm, 150 nm, 200 nm et 250 nm. On peut voir clairement le décalage de la fréquence de résonance optique en fonction de cette largeur. La sensibilité du capteur est de 0,028 nm de longueur d'onde optique par nm de variation de largeur de la fente.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Capteur micromécanique comprenant un élément micromécanique mobile (EMM) et un résonateur optique (ROP1 - ROP6) de type disque ou anneau, caractérisée en ce que
le résonateur optique présente au moins une interruption (GR1 , GR2, GR3) ; et en ce que
l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique de telle façon qu'un mouvement de l'élément micromécanique mobile induit une modification de la largeur de l'interruption dudit résonateur optique, mesurée dans une direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption, en déplaçant au moins un bord de cette dernière dans ladite direction sensiblement parallèle à une direction de propagation de la lumière dans le résonateur en correspondance de l'interruption.
2. Capteur micromécanique selon la revendication 1 dans lequel l'élément micromécanique mobile s'étend dans une direction dite longitudinale (y) et présente un degré de liberté en translation suivant ladite direction longitudinale.
3. Capteur micromécanique selon la revendication 2 dans lequel l'élément micromécanique mobile est porté par un substrat planaire (SS) présentant une surface principale parallèle à la direction longitudinale et fait saillie d'un bord (BS) dudit substrat en s'étendant selon une orientation dite positive de ladite direction longitudinale.
4. Capteur micromécanique selon la revendication 3 dans lequel l'élément micromécanique mobile est couplé mécaniquement au résonateur optique (ROP4, ROP5, ROP6) de telle façon que son déplacement dans la direction longitudinale selon une orientation dite négative, opposée à l'orientation positive, induit une augmentation de la largeur de l'interruption du résonateur optique.
5. Capteur micromécanique selon la revendication 4 dans lequel le résonateur optique est porté par le substrat planaire et est sensiblement aligné avec l'élément micromécanique dans la direction longitudinale.
6. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique sont orientées selon une direction, dite transversale (x), perpendiculaire à la direction longitudinale et séparent le résonateur optique en deux parties disjointes, dont l'une (ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre (ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat.
7. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans lequel l'élément micromécanique mobile est directement relié à la dite partie (ROP4A) du résonateur optique.
8. Capteur micromécanique selon la revendication 6 dans lequel l'élément micromécanique mobile est couplé à la dite partie du résonateur optique (ROP5A) par l'intermédiaire d'une structure mécanique d'inversion du mouvement (SMI).
9. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel ledit résonateur (ROP6) est de type anneau et présente au moins une interruption orientée selon la direction longitudinale, l'élément micromécanique mobile étant relié mécaniquement à deux points dudit résonateur situés de part et d'autre de ladite interruption par l'intermédiaire d'une structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale.
10. Capteur micromécanique selon la revendication 9 dans lequel ladite structure mécanique (SMT) adaptée pour convertir un déplacement dans la direction longitudinale en une force dans la direction transversale comprend une structure flexible en forme de fourche, présentent deux branches reliées aux deux dits points du résonateur situés de part et d'autre de l'interruption.
1 1 . Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel la ou les interruptions du résonateur optique (ROP2, ROP3,
ROP4, ROP5) séparent ce dernier en deux parties disjointes, dont l'une (ROP2A, ROP3A, ROP4A, ROP5A) est couplée mécaniquement à l'élément micromécanique mobile tandis que l'autre (ROP2B, ROP3B, ROP4B, ROP5B) est ancrée au substrat.
12. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel le résonateur optique est de type anneau (ROP1 ), présente une seule interruption et se comporte comme un ressort.
13. Capteur micromécanique selon l'une des revendications 2 à 12 dans lequel l'élément micromécanique mobile porte une pointe de microscopie à sonde locale (PT1 ) s'étendant dans la direction longitudinale.
14. Capteur micromécanique selon l'une des revendications précédentes comprenant également au moins un guide d'onde optique (GOP) couplé optiquement au résonateur optique.
15. Capteur micromécanique selon l'une des revendications précédentes dans lequel, dans un état de repos dans lequel aucune force externe n'agit sur l'élément micromécanique mobile, la largeur de la ou de chaque interruption (GR1 , GR2, GR3) du résonateur optique est comprise entre 0,1 nm et 1 μηπ, et de préférence entre 10 nm et 200 nm.
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