De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Microsystèmes pour l’instrumentation optique sur puce (MIOP)

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Microsystèmes pour l’instrumentation optique sur puce (MIOP)

Porteur du projet : Christophe Gorecki
Département MN2S, FEMTO-ST (UMR CNRS 6174)
Tel : 03.81.66.66.07/christophe.gorecki@univ-fcomte.fr

Départements de FEMTO-ST associés : MN2S, AS2M, Optique

Soutiens : Région Franche-Comté, projet ANR Carnot-Fraunhofer DWST-DIS

Objectifs :
L’objectif de ce projet inter département MIOP est de renforcer notre effort de recherche sur la thématique d’intégration de microsystèmes pour l’instrumentation optique sur puce et vise à maintenir notre avance dans un domaine où nous sommes leader au niveau européen. Dans la première phase de ce projet nous privilégions la conception, le développement de briques technologiques à base de silicium pour les microsystèmes MIOP, ainsi que leur caractérisation dynamique. En particulier, la conception de ces briques doit être compatible avec les exigences de la commande avancée et une approche adaptée de packaging sera proposée, faisant appel aux technologies d’intégration verticale et le microassemblage sur des bancs microoptiques reconfigurables.

Description du projet de recherche :
Vers 1970, la technologie MEMS a connu ses premières réalisations avec les accéléromètres et capteurs de pression capacitifs. Mais un véritable essor des MEMS s'est produit au début des années 90, notamment avec des réalisations pour l’industrie automobile (airbags MEMS), les cartouches d'imprimantes à jet d'encre, le secteur biomédical et les applications militaires et spatiales. Vers 1995, l'utilisation des MEMS s'est étendue aux télécommunications optiques, donnant naissance aux systèmes micro-opto-électro-mécaniques (MOEMS). Par la suite, l’optique est devenue une des applications privilégiée de la technologie MEMS, générant une large gamme de microsystèmes allant du commutateur optique, matrice de micromiroirs, modulateur spatial de lumière, composant pour l’optique adaptative, matrice de microlentilles et microcapteurs optique, au MEMS diffractif. Il est possible maintenant de proposer des procédures de microfabrication fiables et à faible coût de microsystèmes optiques complexes.
Le projet MIOP qui est un projet inter département de FEMTO-ST, incluant 3 de ses départements. Les premières interactions entre ces partenaires ont commencé vers 2006 avec la vague de premiers projets transverses de FEMTO-ST (projet NOEMS [1] (« Intégration sur puce de microsystèmes pour la microscopie et nanolithographie ») qui a permis de réaliser des briques technologiques à base de silicium pour une architecture de microscope confocal MEMS où des microlentilles sont intégrées sur des microactionneurs électrostatiques [2,3] (figure 1). Plus récemment, dans le cadre du projet MIAAMI, soutenu en partie par la Région Franche-Comté, nous nous sommes concentrés sur le développement d’une station de microassemblage adaptée à l’assemblage de composants microoptiques sur un banc silicium composé d’une table micro-structurée avec des rails et des micro-cavaliers mobiles (voir la figure 2) [4].

Fig. 1.Vue du scanner x-y (comb-drive).

Fig. 1.Vue du scanner x-y (comb-drive).

Fig. 2. Vue du microbanc optique.

Fig. 2. Vue du microbanc optique.

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Grâce à la fusion de compétences issues de projets NOEMS et MIAAMI , il est permis d’étendre le champ conventionnel d’applications de la microscopie optique et de réaliser des architectures particulièrement compactes et parallèles dont l’intégration bénéficie des avantages de deux approches complémentaires du packaging : la technologies d’intégration verticale multi-substrat et le microassemblage de briques de bases sur un banc microoptique reconfigurable. En effet, il n’est pas toujours possible, ni rentable, d’empiler verticalement les briques de base dans la mesure où celle-ci tendent à être fabriquées par des technologies hybrides non compatibles entre elles, faisant appel aux techniques de soudure opérant en température élevée et exigeant un parfait état de surfaces des interfaces. Dans un tel cas, l’étape de microassemblage devient indispensable, garantissant la haute qualité du dispositif micro-assemblé. Ici, la solution repose sur le concept de microbanc silicium de la figure 2. La valeur ajoutée de l’approche proposée ici est de permettre la construction de microsystèmes optiques complexes tels que des microscopes miniatures où micro-interféromètres, s’appuyant sur la propagation de la lumière en espace libre et exigent des architectures 3D.
Grâce aux résultats obtenus dans le cadre de ces travaux nous sommes maintenant parmi les leaders mondiaux du domaine. La présente demande permettra à maintenir notre avance dans un environnement international très compétitif (travaux au MIT, Université de Séoul, Université de Michigan, Université de Californie Los Angeles).

Dans ce programme de recherche la réalisation de deux démonstrateurs sur puce est envisagée : un microscope confocal fluorescent [5] et un système de tomographie optique cohérente (appelé OCT) [10, 11]. Le choix de ces deux démonstrateurs repose sur le fait qu’il s’agit de transposer à l’échelle micro des techniques d’imagerie existantes sous la forme macro (ou massif). Les objectifs de ce programme de recherche ne peuvent être accomplis totalement que par une approche multidisciplinaire, fédérant les compétences de trois départements en design et modélisation optique, microfabrication et microoptique, microassemblage et commande de microsystèmes. En effet, nous avons la chance unique au niveau de FEMTO-ST de rassembler au sein des départements de FEMTO-ST l’ensemble de ces compétences qui sont nécessaires au développement de telles architectures en technologie MOEMS. L’interaction entre les départements est schématisée par le diagramme du programme de travail du projet MIOP, illustrant les cinq tâches principales de ce projet multidisciplinaire (figure 3). Il est à noter que les tâches T1-T4 reposent davantage sur les compétences intra départementales tandis que la tâche T5 exige l’intégration du savoir-faire de tous les départements. Le département MN2S est en charge de la partie « microsystème optique », il apporte ses compétences en micro et nano fabrication et coordonnera la réalisation de deux démonstrateurs (tâches T1 et T5)). Le département AS2M nous apporte son expertise en microassemblage, la commande des MEMS et il est en charge de la caractérisation des microactionneurs (tâches T3 et T4) [12-14]. Enfin, le département d’Optique interviet au niveau de la conception de systèmes optiques et de la validation de leurs performances (tache T2). Sa valeur ajoutée de ce projet important repose donc sur son effet de structuration de nos activités à long terme. Les interactions entre les tâches sont indiquées ainsi que la contribution du savoir-faire spécifique de chaque département. A chaque étape de ce projet un challenge scientifique ou technologique doit être relevé.

Fig. 3. Interactions entre les principales tâches du projet.

Fig. 3. Interactions entre les principales tâches du projet.

L’approche multidisciplinaire proposée ici permettra de coupler les moyens techniques, technologiques et humains des trois départements qui sont indispensables à la réalisation du projet.
Les défis à relever pour accomplir le programme de recherche proposé sont à la fois d’ordre instrumental, technologique et économique :
• une miniaturisation grâce à l’intégration complète de la tête de mesure
• un coût de fabrication faible lié à la fabrication collective
• réduction de composants optomécaniques et alignement par la photolithographie
• proposer des architectures facilement adaptables à une haute densité de lecture grâce à la mesure rendue parallèle
• résoudre les difficultés liées au microassemblage de composants élémentaires du microscope en proposant une approche simple du packaging
• permettre une haute résolution spatiale et une réponse ultra-rapide grâce à un système de commande avancée et une électronique performante.
• mesurer l’impact de microscopes sur puce en tant que systèmes multisondes d’imagerie. Une telle validation expérimentale peut se faire à travers deux démonstrateurs fonctionnels complets incluant la modélisation, la réalisation de briques technologiques de base, le microassemblage de ces composants, et la validation expérimentale du microsystème complet possédant un module de commande et une électronique de commande.

Collaborations internationales
La réalisation de la première version de la table x-y pour la microscopie sur puce a été soutenue dans le cadre Réseau Européen d’Excellence en Microoptique NEMO. Dans ce cadre nous avons collaboré avec l’Université Technologique de Wroclaw, l’Université Technologique de Varsovie, l’Université Vrije de Bruxelles, l’Université de Joensuu (Finlande) et des instituts de recherche tels que VTT (Finlande), SINTEF (Norvège), et l’Institut Fraunhofer de Jéna.

Références
[1] D. Heinis, Y. Poujet, C. Gorecki, A. Lesuffleur, P. Gogol, “A New Concept of an Integrated SNOM Microscope using Optical Feedback within Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”, J. of the Korean Physical Society, vol. 47, S182-S185, (2005).

[2] S. Bargiel, D. Heinis, C. Gorecki, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, M. Józwik, “A micromachined silicon-based probe for scanning near-field optical microscope on-chip”, Measurement Science and Technology, vol. 17, 32-37, (2006).

[3] K. Laszczyk, S. Bargiel, C. Gorecki, J. Krężel, Towards integration of glass microlens with silicon comb-drive X-Y microstage, Proceed. IEEE Conference, Freiburg, Germany, August 2008

[4] K. Rabenorosoa, C. Clévy, P. Lutz, S. Bargiel, C . Gorecki, « A micro-assembly station used for 3D reconfigurable hybrid MOEMS assembly », Proc. of the IEEE Intl Symposium on Assembly and Manufacturing ISAM’09, Corée, 2009.

[5] D. Heinis and C. Gorecki, “Feedback-induced voltage change of Vertical Cavity Surface Emitting Laser as an active detection system for miniature optical scanning probe microscopes », Optics Express, vol. 14(8), 3396-3405, (2006).

[6] K. Laszczyk, S. Bargiel, J. Krężel, Ch. Gorecki, M. Kujawińska, Silicon comb-drive X-Y microstage with frame-in-the-frame architecture for MOEMS applications, Proceed. SPIE Conference New Microtechnology for New Millennium, Dresden, Germany, 04-06 May 2009.

[7] C. Gorecki, L. Nieradko, S. Bargiel, “On−Chip Scanning Confocal Microscope with 3D MEMS Scanner and VCSEL Feedback Detection” , Proc. of Transducers & Eurosensors ’07, 2561-2564, Lyon, juin 2007.

[8] Chollet F., Hegde G. M., Zhang XM., Liu AQ., Asundi A., “Vibration measurement with a micromachined mirror in a very-short external cavity laser”, Sensors and Actuators A, vol. 116, no. 2 (2004) : 232 -240

[9] Chollet F., Liu AQ., Zheng LD., Asundi A., Lin LW., “Improved silicon micromachined 3-D mirror for acceleration sensing using an extra-short external cavity laser self-mixing interferometer”, Proc.
SPIE 3899, SPIE, pp. 98-108, 1-3 December 1999, SPIE conference on photonics technology into the 21st century: Semiconductors, Microstructures, and Nanostructures, Singapore (1999)

[10] L. Froehly et al., “Spectroscopic OCT by grating-based temporal correlation coupled to optical spectral analysis,” International Journal of Biomedical Imaging 2008 (2008).

[11] L. Froehly et al., “Dispersion compensation properties of grating-based temporal-correlation Optical Coherence Tomography systems,” Optics Communications 282, no. 7 (2009): 1488–1495.

[12] Y. Haddab, Q. Chen, P. Lutz, « Improvement of Strain Gauges Micro-forces Measurement using Kalman Optimal Filtering », International Journal of IFAC Mechatronics, Special Section on “Robotics and Factory of the Future, New Trends and Challenges in Mechatronics”, Volume 19, issue 4, May 2009,

[13] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz, “Quadrilateral modelling and robust control of a nonlinear piezoelectric cantilever”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, IEEE TCST, Volume 17, issue 3, May 2009.

[14] M. Rakotondrabe, Y. Haddab, P. Lutz : “Voltage/Frequency proportional Control of Stick-Slip Microsystems”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, IEEE TCST, Volume 16, Issue 6, Nov. 2008.

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