Procédé retenu

3.5.2.1 Description du procédé

Comme précédemment le processus développé s’inspire de ce qui existe déjà et plus parti- culièrement des techniques classiques de polissage.

Après différents tests expérimentaux et la réalisation de plusieurs prototypes, nous sommes parvenus à définir avec exactitude le cahier des charges du système de polissage.

Les exigences imposées à cet outil sont :

– une précision parfaite au niveau de ses mouvements, c’est-à-dire un jeu quasi-nul dans l’association des différents éléments qui le constituent ;

– une précision d’usinage proche du micron et un processus de polissage parfaitement reproductible ;

– une mise en mouvement des différents éléments mobiles déportée, permettant ainsi de supprimer au maximum les vibrations du système.

Le dispositif retenu est un prototype développé au Laboratoire de Chronométrie Électro- nique et Piézoélectricité (LCEP) de Besançon. À l’origine cet instrument est dédié à l’usinage de motifs réalisés sur des wafers de Silicium. Après quelques modifications, ce système (figure 3.31) répond à nos attentes.

déplacement 3 Fibre 2 Outil de polissage déplacement 1 support de fibre sens du polissage

3.5 Ouverture de la fenêtre d’analyse 115

Avant de débuter toute opération, la fibre est collée sur un support plan. L’ensemble fibre + sup- port est alors mis en position par déplacement des éléments mobiles 1 et 2 (figure 3.31).

L’ouverture de la fenêtre se fait à l’aide d’un abrasif. Ce dernier est déposé sur le support entre la fibre et l’outil d’usinage.

L’outil est ensuite mis en mouvement (déplacement 3), et c’est ce mouvement de va-et- vient combiné à l’abrasif qui usine la fibre optique entre les deux miroirs.

L’usinage de la fibre se fait en deux parties :

– le rodage (ou dégrossissage) : enlèvement grossier de matière ;

– le polissage (ou doussissage) : amélioration de l’état de surface jusqu’à l’obtention d’une surface polie miroir.

L’abrasif est l’élément de consommation essentiel à l’obtention des caractéristiques d’usi- nage de la fibre. En effet, la rugosité de la surface est directement liée à la nature et à la granulo- métrie de l’abrasif choisi. De plus, il est important d’utiliser ces abrasifs dans un milieu chimique (un liant), liquide ou pâteux, pour garder les particules abrasives libres.

Un autre élément essentiel est l’outil d’usinage. La géométrie (forme, dimensions, pla- néité..) de la surface est directement induite par la géométrie de l’outil.

Dans notre cas, l’outil est un barreau dont la largeur est égale à 1 cm. C’est cette largeur qui définie la largeur de la fenêtre sensible du capteur. On aperçoit dès lors le caractère générique de la méthode, en changeant la forme et la dimension de l’outil nous obtenons un autre type de fenêtre.

3.5.2.2 Réalisation de la fenêtre d’analyse

Les premiers tests entrepris sont effectués avec deux types d’abrasif standard :

Rodage Polissage

a. oxyde d’aluminium tailles des grains ∼ 6 µm tailles des grains ∼ 4 µm b. liquide diamant tailles des grains ∼ 3 µm tailles des grains ∼ 1 µm

Après différents tests, il s’avère que le plan d’expérience qui répond le mieux à nos attentes est le suivant. Ce process est inspiré du principe d’usinage des connecteurs optiques.

L’ouverture de la fenêtre s’effectue alors en quatre étapes :

1. un premier rodage avec un grain d’oxyde d’aluminium dont la taille est d’environ 6 µm ; 2. un second rodage plus fin, grain d’oxyde d’aluminium ∼ 4 µm ;

3. un premier polissage avec un liquide diamant dont la taille des grains est de 3 µm ; 4. un polissage plus fin avec un liquide diamant dont la taille des grains est de 1 µm.

Pour chaque type d’abrasif, un étalonnage de la profondeur d’usinage en fonction du nombre d’aller-retour de l’outil est effectué. Nous avons donc accès à tout moment du processus à la quantité de matière supprimée et donc à la profondeur d’ouverture de la fenêtre d’analyse. Un contrôle en temps réel de la puissance lumineuse transmise, nous permet en plus d’affiner ces observations.

La combinaison de ces deux procédés de contrôle nous donne une précision d’usinage égale à 1 µm, c’est-à-dire à la taille du grain le plus fin utilisé en dernier lieu.

Les premiers tests sont entrepris, sur une fibre "nue", par l’ouverture d’une fenêtre d’ana- lyse dont les dimensions théoriques sont les suivantes : profondeur d’usinage égale à 62,5 µm, largeur de la fenêtre égale à 125 µm, et longueur de la fenêtre égale à 10 mm.

Les deux premières valeurs théoriques seront comparées aux mesures expérimentales réa- lisées au microscope électronique à balayage (MEB) (figure 3.32).

250 µm

gaine mécanique

gaine optique

125 µm

L

L=62,5 µm

vue de dessus

vue de face

FIG. 3.32 – Images obtenues au MEB de la fenêtre d’analyse.

Nous obtenons donc une profondeur expérimentale de la fenêtre d’analyse égale à 125 µm, soit une profondeur de 62,5 µm dans la fibre seule (i.e. sans la gaine mécanique). De plus la largeur expérimentale est quant à elle égale à 125 µm.

Ces résultats sont en parfait accord avec les résultats théoriques énoncés précédemment. Ils permettent ainsi de valider notre processus d’usinage des fibres.

3.5 Ouverture de la fenêtre d’analyse 117

En outre, le contrôle en temps réel de la lumière transmise (figure 3.33) permet dans un premier temps de mettre en évidence la reproductibilité de notre système quelle que soit la na- ture de l’abrasif utilisé. En second lieu, ce contrôle nous offre aussi la possibilité d’observer l’évolution par palier de la puissance transmise au cours du processus. Cette dernière reste tout d’abord quasi constante jusqu’à l’attaque du cœur de la fibre. Puis elle subit une chute linéaire relativement importante, pour être enfin totalement nulle à la profondeur d’usinage L=64.5 µm, c’est-à-dire 2µm en dessous du centre du cœur de la fibre.

À partir de ces différentes observations, nous devrons donc trouver un compromis entre la sensibilité de notre biocapteur, sensibilité liée à la profondeur d’usinage, et la quantité de lumière transmise. 110 114 118 122 126 130 coeur de la fibre profondeur d'attaque (µm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Puissance transmise normalis

é e 110 114 118 122 126 130 coeur de la fibre profondeur d'attaque (µm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Puissance transmise normalis

é

e

a. usinage à base de poudre d'alumine. b. usinage à base de poudre de diamant.

courbe expérimentale n 1o courbe expérimentale n 2o

FIG. 3.33 – Evolution de la puissance transmise par la fibre au cours du processus d’usinage. Un des derniers éléments à contrôler est l’état de surface de notre fenêtre d’analyse. Pour ce faire, des mesures sont effectuées au profilomètre optique. La figure 3.34 représente une partie de la surface (l’ensemble des autres parties étant similaires, elles ne seront pas représentées dans ce manuscrit).

563,8 nm

0 nm 10 µm

83,4 µm

75 µm

FIG. 3.34 – Image profilométrique de la surface polie.

La surface obtenue présente donc des défauts de rugosité pic à pic d’environ 0,5 µm, c’est- à-dire une rugosité égale à λ/2,3. Cette surface est obtenue avec un abrasif diamant dont la taille des grains est d’environ 1 µm. N’ayant a priori aucune idée de l’état de surface nécessaire au bon fonctionnement du biocapteur (l’étude théorique de la diffusion et diffraction n’ayant pas été commencée), nous définirons cet état au moment de la validation expérimentale du biocapteur. Il faut cependant garder à l’esprit que notre biocapteur travaille en milieu liquide, ce qui diminue le niveau de ces pertes.

En outre, la rugosité de la surface peut être diminuée en intégrant une étape supplémentaire lors du polissage. L’étape finale sera alors entreprise avec comme abrasif un oxyde de cérium ou de la silice colloïdale (grains de 30 à 50 nm), l’outil d’usinage sera recouvert de feutrine ou de mousse de polyurétane. Dans ces conditions, la rugosité maximale de la surface devrait être égale à 50 nm soit environ λ/26, nous affranchissant ainsi des problèmes de diffusion et de diffraction. Il faut également noter que la qualité de parallélisme de la surface est directement liée au nombre de pièces à polir et donc à la surface totale en contact avec l’outil d’usinage. Afin de garantir un parallélisme optimal, nous usinons plusieurs fibres en même temps (figure 3.35). Ce principe offre par là même une réalisation en série des fenêtres d’analyses.