Sondes optomécaniques pour la microscopie à force atomique

Le fort couplage obtenu dans les microcavités optomécaniques en silicium permet l’actionnement de micro/nanosystèmes par les forces optiques ainsi que la mesure de leurs déplacements avec une résolution sub-femtométrique à des fréquences dépassant le GHz. Cela ouvre la voie à des micro-capteurs vibrants aux performances exceptionnelles que nous développons dans le cadre de la microscopie à force atomique (AFM). L’objectif est d’ouvrir une nouvelle fenêtre expérimentale pour l’AFM avec des sondes optomécaniques travaillant à une fréquence mille fois plus grande que la sonde cantilever usuelle et avec des amplitudes de vibration non perturbatives. Les premières applications concernent la spectroscopie de force hautement résolue en temps, à l’échelle de la dizaine de nanosecondes, pour étudier les processus dynamiques dans les complexes moléculaires biologiques. Une autre perspective dans le cadre des collaborations en cours concerne l’utilisation de ces sondes optomécaniques pour l’AFM quantique. Leur fréquence de résonance supérieure au GHz, associée à un fonctionnement à une température inférieure à 10 mK, placera le résonateur mécanique de la sonde AFM dans son état quantique fondamental, permettant de mesurer les échanges d'énergie au niveau du phonon unique.

Chercheur impliqué

Bernard Legrand

Ingénieurs

Nicolas Mauran, Laurent Mazenq, Samuel Charlot

Projets

ANR AAPG HERMES 2022-2026 en collaboration avec MPQ Paris, CEA-LETI Grenoble, DyNaMo Marseille

ANR Capteurs Quantiques SINPHONY 2024-2028 en collaboration avec MPQ Paris, CEA-LETI Grenoble

Publications

• Optomechanical resonating probe for very high frequency sensing of atomic forces,
  P.E. Allain, L. Schwab, C. Mismer, M. Gély, E. Mairiaux, M. Hermouet, B. Walter, G. Leo, S. Hentz, M. Faucher, G. Jourdan, B. Legrand, and I. Favero, Nanoscale, 12 (2020) 2939-2945. Selected for the themed collection: 2020 Nanoscale HOT Article Collection
• Low Latency Demodulation for High-Frequency Atomic Force Microscopy Probes,
  D. Lagrange, N. Mauran, L. Schwab, and B. Legrand, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 29, 5 (2020) 2264-2270
• Very high frequency probes for atomic force microscopy with silicon optomechanics,
  L. Schwab, P. E. Allain, N. Mauran, X. Dollat, L. Mazenq, D. Lagrange, M. Gély, S. Hentz, G. Jourdan, I. Favero, and B. Legrand, Nature Microsystems and Nanoengineering, 8 (2022) 32
  arXiv: https://arxiv.org/abs/2109.02478
  HAL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03326075
• Behavior analysis of comb-drive actuators operating in near-zero-overlap configuration,
  A. Marković, H. Fanet, G. Pillonnet, and B. Legrand, Sensors and Actuators A: Physical, 376 (2024) 115652
• Suspended tip overhanging from chip edge for atomic force microscopy with an optomechanical resonator, A. Marković, M. Lefebvre, M. Mazenq, S. Charlot, M. Gély, A. Lecestre, M. Arribat, G. Jourdan, and B. Legrand, Journal of Optical Microsystems, 4, 3 (2024) 033501

Circuits logiques MEMS pour le calcul adiabatique

Ce projet vise à développer une technologie innovante de dispositifs MEMS capacitifs pour créer des portes et circuits logiques à ultra-basse consommation fonctionnant sans contact. Cette approche vise à surmonter certaines limitations des transistors électroniques, en particulier les pertes statiques et dynamiques. Le dispositif de base est constitué par la porte logique inverseuse qui a été implémentée sur silicium avec des actionneurs "combdrive" et selon une architecture compatible avec un fonctionnement adiabatique. Sur cette base sont ensuite développées des portes logiques plus complexes (NAND, NOR…) qui peuvent être associées en cascade pour former des circuits complets. Ceux-ci pourront s'intégrer naturellement dans la même couche physique que les capteurs MEMS (ex. accéléromètres…) ouvrant la possibilité d'un traitement de l'information de proximité (in-sensor computing), à basse consommation, et susceptible de résister aux environnements sévères (ex. hautes températures, radiations).

Chercheur impliqué

Bernard Legrand

Ingénieurs

Adrian Laborde, Laurent Mazenq, Nicolas Mauran

Projet

ANR AAPG ZEROUATE 2020-2025 en collaboration avec CEA-LETI Grenoble, ESYCOM Paris, G2ELAB Grenoble

Publications

• Adiabatic Logic Gates for Ultra-Low-Power Operation Using Contactless Capacitive MEMS, A. Marković, L. Mazenq, A. Laborde, H. Fanet, G. Pillonnet, and B. Legrand, 22nd International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Transducers 2023, Kyoto, Japan, june 2023, 546-549
• Behavior analysis of comb-drive actuators operating in near-zero-overlap configuration,
  A. Marković, H. Fanet, G. Pillonnet, and B. Legrand, Sensors and Actuators A: Physical, 376 (2024) 115652

Technologies MEMS innovantes pour la détection de gaz en environnement sévère

L'objectif principal du projet MIGNON est de développer des méthodes innovantes pour la mesure des gaz et de réaliser une détection chimique précise et fiable dans des environnements hostiles en utilisant des mesures physiques plutôt que des couches sensibles. Dans ce cadre, le LAAS joue un rôle clé en coordonnant le développement de dispositifs, en particulier des MEMS électrostatiques tels que des microleviers en silicium fabriqués au LAAS et des microleviers en carbure de silicium ainsi que des transducteurs ultrasoniques micromécaniques capacitifs (CMUTs) fabriqués au GREMAN Tours. Ces dispositifs sont conçus pour mesurer des propriétés des gaz telles que la densité de masse, la viscosité, la vitesse du son et l'atténuation. Le LAAS se concentre également sur l'intégration de plusieurs MEMS dans un système compact et portable, garantissant précision et fiabilité pour la détection des gaz dans des applications variées.

Chercheurs impliqués

Thierry Leïchlé, Liviu Nicu, Daisuke Saya

Ingénieur

Fabrice Mathieu

Projet

ANR AAPG MIGNON 2023-2027 en collaboration avec IMS Bordeaux, CRHEA Nice et GREMAN Tours.

Méthodes avancées pour l'interrogation des capteurs MEMS

Ce projet s'inscrit dans le cadre de l'utilisation des capteurs MEMS en environnement sévère, caractérisé par des températures élevées, de fortes pressions, des radiations, ou des conditions corrosives et explosives. Notre recherche aborde spécifiquement les défis liés à l'acquisition et au traitement du signal des capteurs, avec une application ciblée sur la détection dans des environnements à risque explosif. Nous explorons deux axes principaux de recherche. Le premier concerne l'interrogation sans fil et à distance des capteurs par technologie radiofréquence. Cette approche présente l'avantage d'être applicable aux capteurs passifs, qui ne nécessitent ni source d'énergie embarquée ni électronique de proximité – éléments particulièrement vulnérables en environnement sévère. Le second axe, plus exploratoire et mené par le partenaire TIMA, étudie des modes de fonctionnement avancés en régime résonant pour compenser la dégradation du rapport signal sur bruit inhérente au fonctionnement en environnement sévère et à l'interrogation à distance. Nous nous intéressons particulièrement à l'exploitation des non-linéarités et des régimes chaotiques. Ces approches promettent de produire des réponses exaltées, voire exponentielles, du capteur aux variations de la grandeur à mesurer, permettant ainsi de surmonter les limitations de la détection en régime linéaire.

Chercheur impliqué

Bernard Legrand

Ingénieurs

Fabrice Mathieu, Laurent Mazenq

Projet

PEPR Electronique, France 2030, projet ciblé RESISTE.

Collaborations : CEA-LETI Grenoble, TIMA Grenoble, IMS Bordeaux

Aimants permanents miniaturisés pour des MEMS électromagnétiques

Il existe deux méthodes d’intégration d’aimants dans des dispositifs miniaturisés: l’élaboration de couches minces et la structuration de composites polymères magnétiques. Aucune de ces techniques ne permet de répondre aux critères d'application clés que sont l’intégrabilité, la performance et l’épaisseur. En collaboration avec l’équipe de Lise-Marie Lacroix du LPCNO, nous avons développé une méthode alternative de réalisation d’aimants basée sur l’assemblage de nanobâtonnets de cobalt par évaporation sous champ magnétique. Ce procédé permet de fabriquer des aimants offrant des propriétés magnétiques intermédiaires entre les ferrites et les aimants à base de terres rares. Nous utilisons ces micro-aimants pour l’actionnement électromagnétique de capteurs gravimétriques et pour la récupération d’énergie vibratoire. Nous adaptons également cette technique à la réalisation d’aimants doux dans le but d’augmenter les performances des inductances dans les circuits radiofréquences.

Chercheurs impliqués

Liviu Nicu, Thierry Leïchlé

Ingénieur

Fabrice Mathieu

Projet

ANR AAPG POMADE (2019-2024) en collaboration avec le LPCNO à Toulouse et l’Institut NEEL à Grenoble ; Projet de pré-maturation Région Occitanie SoftRF (2022-2024) avec le LPCNO; Projet Maturation Toulouse Tech Transfer SoftMagneto (2023-2024) avec le LPCNO.