FR2816407A1 - Appareil de detection en parallele du comportement de microoscillateurs mecaniques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un appareil de détection en parallèle du comportement de microoscillateurs mécaniques interagissant avec l'échantillon (21). Par des moyens optiques, on mesure l'amplitude et la phase de résonance des microoscillateurs (12).Selon l'invention, une source (1) est active pendant une fraction 1/ n de la période (n entier) et de phase variable p/ n de la période (p entier). On réalise des interférences entre des faisceaux lumineux produits par réflexion de faisceaux lumineux incidents (7) et (8), sur les microoscillateurs (12). Des moyens déplacent périodiquement les microoscillateurs (12). On fait varier la valeur du paramètre p (p entier) et on intègre N mesures élémentaires pour obtenir une mesure représentative pour chacune des valeurs de p. On calcule la phase et l'amplitude de chaque microoscillateur (12) à partir des données représentatives obtenues pour chaque valeur de p et ceci pour un grand nombre d'accumulations. Cette invention est appliquée dans le domaine des nanotechnologies.

Description

La présente invention concerne un appareil de caractérisation en parallèle

de la réponse dynamique de microleviers ou autres

microoscillateurs mécaniques.

Les nanotechnologies représentent un domaine de recherche qui ne cesse de connaître un intérêt croissant dans la communauté scientifique depuis son apparition au début des années 90. Son nom tient à son champ d'application qui porte sur des objets de l'ordre de quelques nanomètres à quelques micromètres. A ce jour, les potentialités d'un tel domaine semblent très vastes, de l'industrie de la microélectronique à la biologie et

la médecine.

Les structures mécaniques que l'on sait fabriquer aujourd'hui par des techniques dérivées de la microélectronique (usinage du silicium, de la silice, des nitrures, etc...) jouent un grand rôle dans la réalisation de

capteurs ou des actionneurs.

Par exemple, dans la microscopie à force atomique (AFM), l'image d'une surface est obtenue en détectant l'amplitude et la phase des oscillations d'une sonde autour de la résonance. Ladite sonde est composée d'un levier monté sur un support qui est soumis à une oscillation résonante par un actionneur piézoélectrique. La fréquence de résonance du levier est alors perturbée par l'interaction de la pointe, fixée à son extrémité libre, avec la surface à imager. Des oscillateurs micromécaniques, tels que les leviers d'AFM peuvent être utilisés comme capteurs de réactions chimiques, biologiques, etc.... Dans ce cas, les oscillateurs sont recouverts de composés réactifs spécifiques d'une réaction chimique ou biologique que l'on cherche à mettre en évidence. Cette réaction sera suivie d'une variation de masse de l'oscillateur et donc de sa réponse

mécanique (résonance par exemple).

Le déplacement mécanique du levier, peut être détecté en amplitude et en phase, par exemple, par la déflexion d'un faisceau laser focalisé sur l'extrémité libre du levier. Le faisceau réfléchi est alors détecté par un détecteur de position qui donne ainsi une mesure de la déformation du levier. L'acquisition des données est réalisée en balayant une plage de

fréquence, située autour de la fréquence de résonance du levier.

Cependant, ces systèmes restent limités par la mise en oeuvre d'un nombre très restreint de leviers. Dans le cas d'une mesure de la résonance mécanique, le système de détection ne permet l'utilisation que d'un seul levier. Il s'agit alors d'un monodétecteur. Dans le cas d'une détection de la déformation statique, des travaux récents par Baller et al. [Ultramicroscopy; 82 (2000) 1] et Fritz et al. [Science, 288 (2000) 316] ont montré la mesure quasi simultanée des déformations d'un ensemble de

huit leviers par un détecteur unique.

Ces systèmes actuels ne permettent pas la mesure simultanée de la

fréquence de résonance d'un très grand nombre de leviers.

On connaît, par ailleurs, un procédé et un dispositif de détection analogique multicanal (brevet FR-2 664 048) dont les performances ont été démontrées dans la prolifométrie de surface (sensibilité de l'ordre du picomètre). Avec ce procédé et ce dispositif, le signal à détecter est un signal lumineux modulé. La fréquence de lecture des signaux envoyés par le détecteur multicanal peut être dissociée de la fréquence de modulation du signal à détecter permettant ainsi d'améliorer très sensiblement le

rapport signal/bruit, indépendamment de la fréquence de modulation.

L'objectif de la présente invention est donc de proposer un appareil simple dans sa conception et dans son mode opératoire, mettant en oeuvre un dispositif de détection multicanal pour la mesure en parallèle de l'amplitude et de la phase des oscillations d'un grand nombre de microleviers ou d'autres oscillateurs micromécaniques, autour de la résonance. A cet effet, l'invention concerne un appareil de détection en parallèle du comportement de microoscillateurs mécaniques: -des microoscillateurs mécaniques montés sur un support, interagissant avec l'échantillon, - des moyens optiques pour la mesure de l'amplitude et de la phase

des oscillations des microoscillateurs.

Selon l'invention, lesdits moyens optiques comportent: - une source lumineuse périodique, active pendant une fraction 1/n de la période (n entier) et de phase variable p/n de la période (p entier), - des moyens de production de faisceaux lumineux incidents dirigés respectivement sur chacune des extrémités des microoscillateurs, - des moyens de séparation desdits faisceaux lumineux incidents, -des moyens d'interférence des faisceaux lumineux réfléchis et modulés, produits par réflexion des faisceaux lumineux incidents sur les microoscillateurs, produisant une image d'interférence, - un détecteur multicanal comprenant au moins autant de canaux qu'il existe de microoscillateurs. Cet appareil comporte de plus: - des moyens de déplacement périodique des microoscillateurs dans leur ensemble, - des moyens permettant de faire varier la valeur du paramètre p (p entier) et d'intégrer N mesures élémentaires pour obtenir une mesure représentative pour chacune des valeurs de p, - un ordinateur permet d'enregistrer, dans une mémoire tampon, les données représentatives obtenues pour chaque valeur de p et ceci, pour un grand nombre d'accumulations. Il permet ensuite le calcul de la phase et de

l'amplitude des oscillations de chaque microoscillateur.

On appelle donc, ici, oscillateur mécanique soit un microlevier tel qu'un élément longiligne d'une longueur d'environ quelques dizaines de micromètres, généralement en forme de poutre, relié à l'une de ses extrémités, dite de première extrémité, au bâti de l'appareil par

l'intermédiaire d'une liaison élastique.

Son autre, ou seconde extrémité est en mouvement. On mesure ce mouvement transverse de cette seconde extrémité de façon à caractériser l'échantillon. Parmi les oscillateurs mécaniques utilisables, on citera aussi les membranes pour lesquelles on comparera le mouvement d'un point

généralement le centre à un autre généralement périphérique.

Par échantillon, on entend des espèces chimiques ou biologiques quelle que soit la manière dont elles interagissent avec les microoscillateurs. La seule condition à respecter par ces échantillons est que leur présence ou leur concentration affecte les propriétés mécaniques

des microoscillateurs.

Dans différents modes de réalisation particuliers ayant chacun ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: -les moyens de déplacement périodique des microoscillateurs comportent une céramique piézoélectrique, dont la fréquence d'excitation électrique, synchronisée avec la source lumineuse, est f; - le support est une lame de silicium, positionnée directement sur la céramique piézoélectrique; - l'extrémité libre des microoscillateurs est fonctionnalisée pour la détection sélective et différenciée de l'échantillon; - les moyens de séparation des faisceaux lumineux incidents comportent: * un cube séparateur de polarisation qui polarise linéairement le faisceau lumineux incident, * un prisme de Wollaston qui sépare le faisceau lumineux incident en deux faisceaux de polarisations orthogonales; - l'ensemble composé des microoscillateurs, du support et de la céramique piézoélectrique est placé sur un banc, l'ensemble étant à la pression atmosphérique; - les moyens permettant de faire varier la valeur du paramètre p, de synchroniser la détection, la source lumineuse et la céramique piézoélectrique comportent un séquenceur; - l'ensemble de détection comporte un zoom et une caméra CCD numérique; - l'ensemble de détection comporte un microscope et une caméra analogique. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique de l'appareil de détection selon l'invention;

- la figure 2 représente le cheminement optique des polarisations.

Une source lumineuse 1, par exemple une diode électroluminescente, est commandée par un séquenceur 2, de telle sorte

qu'elle émet un signal périodique représenté par une fonction créneaux 3.

Cette fonction prend la valeur 1 pendant une fraction 1/n de la période et une valeur nulle en dehors. L'axe optique du faisceau 4 issu de la source

lumineuse 1 est orienté à 45 du plan de la figure 1.

Des moyens de séparation et de polarisation du faisceau incident 4 sont constitués, par exemple, d'un cube séparateur de polarisation 5 et d'un prisme de Wollaston 6. Le cube séparateur de polarisation 5 produit un faisceau lumineux 4 polarisé linéairement dans une direction à 45 des axes optiques du prisme de Wollaston 6. Le prisme de Wollaston 6 sépare alors le faisceau lumineux incident 4 en deux faisceaux de polarisations orthogonales 7 et 8. Les faisceaux polarisés 7 et 8 sont ensuite chacun focalisés par un objectif 9 sur l'une des extrémités 10 et 11 d'un

microoscillateur 12.

Les moyens d'interférence se composent du Wollaston 6, du cube séparateur 5 et d'un objectif 13 qui focalise les faisceaux réfléchis, ayant interféré, sur le détecteur multicanal. Ce dernier est constitué d'une caméra CCD 14. L'ensemble de détection est constitué de l'objectif 13 et de la

caméra CCD 14.

De manière générale, différents types d'interféromètres permettent la mise en oeuvre de l'invention. Les microoscillateurs doivent être dans un plan conjugué du plan du récepteur multicanal, le plus souvent la matrice

de pixels de la caméra.

Les microoscillateurs 12 sont des poutres de dimensions 70x20 am2.

Les poutres sont faites d'une couche de SiO2, d'épaisseur 0.75 tm, recouverte par une couche d'or d'épaisseur 0.45gim. Le dépôt d'une couche d'or permet d'augmenter très sensiblement le coefficient de réflexion des poutres. La fréquence de résonance calculée de ces poutres

est de 120.19 KHz.

Les microoscillateurs 12 sont montés sur un support 15 qui est une matrice en silicium. Elle est directement mise en contact avec une céramique piézoélectrique 16 qui assure un déplacement périodique des microoscillateurs 12. Afin d'assurer une bonne réponse fréquentielle des microoscillateurs 12, il est nécessaire de réaliser un couplage satisfaisant entre le support 15 et la céramique piézoélectrique 16. Avantageusement, ce couplage est assuré par une goutte d'huile de paraffine mais la colle

donne de bons résultats également.

Le séquenceur 2 commande l'acquisition des images d'interférence 17 et synchronise le signal d'excitation électrique 18 de la céramique

piézoélectrique 16 et le déclenchement 19 de la source lumineuse 1.

Un ordinateur 20 permet d'enregistrer, dans une mémoire tampon, les données représentatives obtenues pour chaque valeur de phase p/n et ceci pour un grand nombre d'accumulations. Il permet ensuite le calcul de

la phase et de l'amplitude d'oscillation de chaque microoscillateur 12.

Dans le dispositif de la Figure 1, la source lumineuse 1 est active pendant un quart de la période (n = 4) et la valeur de phase p/n est telle que p varie de 0 à 3. Quatre images d'interférences sont ainsi obtenues par la caméra CCD 14. Grâce à ces quatre images, les informations d'amplitude et de phase de chaque microoscillateur 12 peuvent être extraites à partir

des expressions décrites ci-dessous.

Soit Is,p l'intensité lumineuse de la source 1, o p représente le numéro du quart de la période d'activité de la source, l'expression de l'intensité du signal d'interférence Ip mesurée par la caméra CCD 14 s écrit alors: lp = Is, [l-cos(tw+A cos(cot + O))] (1) Pour de petites oscillations de pulsation o du microoscillateur et pour une position du point 11 correspondant à l'extrémité du microoscillateur 12, la somme yw des déphasages statiques dus au prisme de Wollaston 6 et à la déformation statique du microoscillateur 12 est

égale à n/2.

On peut alors simplifier l'expression (1) qui devient: Ip - Is,p [1 + A cos(cot +))] L'expression A cos(oet + 0) représente le déphasage optique dû à la réflexion des faisceaux 7 et 8 sur le microoscillateur 12 oscillant. A est l'amplitude de l'oscillation des microoscillateurs 12 exprimée en déphasage optique et J le déphasage électrique de l'oscillation des microoscillateurs 12 par rapport à l'oscillation mécanique de la céramique

piézoélectrique 16.

Ce sont ces deux paramètres C et A que l'on cherche à déterminer.

Le signal mesuré par la caméra 14 est l'intégrale de Ip sur N périodes. En tenant compte de la forme du signal lumineux (fonction créneaux), on obtient alors: Sp = (1/2X) IoN27r/co [7r/2 + 2A sin(7/4)cos(pl/2 + -ys)] o ys est le déphasage électrique entre la source lumineuse 1 et la référence électrique excitatrice de la céramique piézoélectrique 16. Il inclut également le déphasage entre l'excitation électrique 18 de la céramique 16 et sa réponse mécanique. Io représente l'intensité lumineuse découpée par

l'alimentation de la source 1 (diode électroluminescente).

On en déduit alors: SO+S1+S2+S3=IoN 2 tan(4-W/) = (S3-Sl)/(S0-S2) A = t//2 x l/(SoSI+ S2+S3) x '][(S3-S1)2+(So-S2)2] L'acquisition des quatre images Sp (p = 0 à 3) permet ainsi de déterminer complètement l'amplitude et la phase des oscillations des

microoscillateurs 12.

Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant: La source lumineuse 1 produit, après la traversée d'un cube séparateur de polarisation 5 et d'un prisme de Wollaston 6, deux faisceaux incidents 7 et 8 formant, entre eux, un petit angle (de l'ordre du milliradian) et de polarisations orthogonales. Les faisceaux polarisés incidents 7 et 8 sont alors focalisés par l'objectif 9 sur les extrémités 10 et 11 d'un microoscillateur 12. Ces faisceaux polarisés sont alors modulés par leur réflexion sur le microoscillateur 12. Le prisme de Wollaston 6 est placé dans le plan focal objet de l'objectif 9. Les faisceaux réfléchis, polarisés et modulés, traversent donc, après réflexion sur les microoscillateurs, le Wollaston 6 suivant le chemin optique inverse. Après avoir traversé, en retour, le cube séparateur 5, les faisceaux polarisés modulés sont focalisés par un objectif 13 sur le détecteur multicanal. Les pixels de la caméra CCD 14 détectent ainsi le signal après interférence. Le signal reçu par un pixel de la caméra CCD 14 dépend alors de la différence de marche entre les faisceaux 7 et 8, et donc de la différence d'amplitude entre les points 10 et 11 du microoscillateur 12.

La description du fonctionnement est basée sur la considération des

seuls faisceaux polarisés 7 et 8 mais le diamètre de la zone éclairée, à la surface, par la source lumineuse 1 est fonction de la zone active de la source lumineuse 1, de la lentille de collimation du faisceau 4 et de l'objectif de focalisation 9. Pour l'objectif de focale 9 et la source lumineuse 1 considérés sur la figure 1, le diamètre de la zone éclairée est 2,35 mm. L'ensemble des signaux reçus sur les différents pixels de la caméra CCD 14 permet donc de déterminer l'amplitude et la phase d'oscillation d'un large ensemble de microoscillateurs 12. La lecture des pixels de la caméra CCD 14 est effectuée après stockage d'un nombre N de mesures élémentaires, pour chaque valeur de phase p/n. La fréquence de rafraîchissement de la matrice de pixels est donc f/N. Il est ainsi possible de suivre des fréquences de modulation des microoscillateurs 12 de l'ordre

de plusieurs centaines de KHz.

Le choix de la focale de l'objectif 9 doit représenter un compromis entre une résolution optique satisfaisante et une distance d séparant les extrémités 10 et 11, suffisante. La distance d est proportionnelle à la focale de l'objectif 9. En choisissant un fort grossissement et donc une meilleure résolution optique, la distance d séparant les points 10 et 11 se trouve ainsi diminuée au risque de ne plus détecter la différence d'amplitude réelle des extrémités du microoscillateur 12. Pour l'objectif 9 de focale 50 mm et un objectif 13 de focale 300 mm considérés sur la figure 1, le décalage entre

et 11 est de 70 gm, la résolution optique est de 2,7 gm.

Cet appareil de caractérisation de l'échantillon 21 peut avantageusement être utilisé dans le cadre de la détection d'espèces chimiques ou biologiques. La fonctionnalisation de l'extrémité libre 11 des microoscillateurs 12 conduit, en effet, à une adsorption sélective et différenciée d'espèces. La variation de masse résultante entraîne un décalage de la fréquence de résonance des microoscillateurs 12 actifs par rapport à celle qu'aurait un microoscillateur 12 inerte pour l'espèce

considérée. Il est ainsi possible d'en déduire la masse de l'adsorbat.

Avec la possibilité de détecter simultanément, par la technique d'imagerie multiplexée, les réponses mécaniques d'un large nombre de microoscillateurs 12, cet appareil a l'avantage de permettre l'acquisition de données multiples. Il devient, dés lors, possible d'obtenir par un appareil

simple d'utilisation et de mise en oeuvre, des données différenciées et multiples sur un échantillon 21 à analyser.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Appareil de détection en parallèle du comportement de microoscillateurs mécaniques: - des microoscillateurs mécaniques (12) montés sur un support (13) interagissant avec l'échantillon (21), - des moyens optiques pour la mesure de l'amplitude et de la phase des oscillations des microoscillateurs (12), caractérisé en ce que lesdits moyens optiques comportent: - une source lumineuse (1) périodique, active pendant une fraction 1/n de la période (n entier) et de phase variable p/n de la période (p entier), - des moyens de production de faisceaux lumineux incidents (7) et (8), dirigés respectivement sur chacune des extrémités (10) et (11) des microoscillateurs (12), - des moyens de séparation desdits faisceaux lumineux incidents (7) et (8), -des moyens d'interférence des faisceaux lumineux réfléchis et modulés, produits par réflexion des faisceaux lumineux incidents sur les microoscillateurs (12), produisant une image d'interférence, - un détecteur multicanal (14) comprenant au moins autant de canaux qu'il existe de microoscillateurs (12), et en ce qu'il comporte: - des moyens de déplacement périodique des microoscillateurs (12), dans leur ensemble (21), - des moyens permettant de faire varier la valeur du paramètre p (p entier) et d'intégrer N mesures élémentaires pour obtenir une mesure représentative pour chacune des valeurs de p, - un ordinateur (20) permet d'enregistrer, dans une mémoire tampon, les données représentatives obtenues pour chaque valeur de p et ceci pour un grand nombre d'accumulations et permet ensuite le calcul de la phase et

de l'amplitude de chaque microoscillateur (12).

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déplacement périodique des microoscillateurs (12) comportent une céramique piézoélectrique (16) dont la fréquence d'excitation

électrique (18), synchronisée avec la source lumineuse (1), est f.

l1

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (15) est une lame de silicium, positionnée directement sur la céramique

piézoélectrique (16).

4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité libre (11) des microoscillateurs (12) est fonctionnalisée pour la

détection sélective et différenciée de l'échantillon (21).

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séparation et de polarisation des faisceaux lumineux incidents comportent: - un cube séparateur de polarisation (5) qui polarise linéairement le faisceau lumineux incident, - un prisme de Wollaston (6) qui sépare le faisceau lumineux

incident en deux faisceaux de polarisations orthogonales (7) et (8).

6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que l'ensemble composé des microoscillateurs (12), du support (15) et de la céramique piézoélectrique (16) est placé sur un banc,

l'ensemble étant à la pression atmosphérique.

7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant de faire varier la valeur du paramètre p, de synchroniser la détection (17), la source lumineuse (1) et la céramique

piézoélectrique (16) comportent un séquenceur (2).

8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de détection comporte un zoom (13) et une caméra CCD

numérique (14).

9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de détection comporte un microscope et une caméra analogique.