Système de mesure de déplacement haute résolution

Contexte

Dans le cadre d’une action transversale à l’intérieur du laboratoire TSI, un projet de réalisation d’un micro-système mécano-optico-électronique de mesure de déplacement très haute résolution a été mis en place. Il s’agit de proposer aux fabricants de machines de positionnement de wafer de silicium lors de la fabrication de circuits intégrés un capteur miniaturisé de déplacement dont la résolution est inférieure au µm. Le principe du capteur repose sur l’utilisation de réseaux optiques de faible période (ici 1µm).

Ce projet a été soutenu par le CNRS (II 27)(R8), en collaboration avec le laboratoire LAAS et l’AIME à Toulouse. La production scientifique a été de 3 articles, 4 communications et d’une affiche (P15, P12, P11, C16, C14, C13, C11, A7).

Dans ce projet, j’ai eu la responsabilité de la mise en place de toute la chaîne de mesure (des photodiodes au bus normalisé). Les contraintes de miniaturisation imposaient la réalisation d’un ASIC (application specific integrated circuit) intégrant les photodiodes et le traitement analogique. Ce circuit à été conçu en collaboration avec les collègues de l’AIME.

Principe du capteur

L’élément optique de ce capteur est un réseau diffractant gravé sur un ruban de verre. La période spatiale des réseaux réalisés par les collègues stéphanois est de 0,5 µm. Ces réseaux diffractent la lumière avec deux ordres prépondérants (+1

et -1). Deux réseaux, placés l’un après l’autre sur le chemin optique, créent 4 faisceaux qui vont interférer. Si un des deux réseaux se déplace par rapport à l’autre, un mouvement des interférogrammes peut alors être enregistré. Les photodiodes éclairées par ces interférogrammes vont fournir des courants variant de manière périodique dans le temps lorsqu’un déplacement a lieu (Figure 1).

Figure 1 : principe de mesure du capteur de déplacement A partir des variations temporelles des courants issus des photodiodes, le déplacement relatif des réseaux peut être calculé. La période temporelle de ces

courants est liée à la période spatiale des réseaux (0,5 µm). Afin de satisfaire aux contraintes de miniaturisation, une configuration avec un décalage angulaire a été calculée. En

effet, il était important de pouvoir placer la source laser à côté du réseau de lecture (figure 2).

Figure 2 : Configuration angulaire

Classiquement, on place un système de 2 réseaux de lecture avec un déphasage, ce qui permet deux séries de signaux avec le même déphasage mais cette fois ci temporel. Le fait de disposer des deux séries de signaux offre la possibilité de connaître le sens du déplacement (figure 3).

Déplacement

Réseau de mesure Réseau de lecture

F0

Le décalage entre les deux réseaux étant d’un quart de période, les signaux issus des photodiodes ont été nommés « Sinus » et « Cosinus » (figure 4).

Une période du « sinus » correspond à un déplacement d’une période du réseau de mesure, soit 0,5 µm. La première méthode consiste à compter les « minimas » et les « maximas » pour mesurer le déplacement par pas de 250 nm. En

combinant les deux signaux « sinus » et

« cosinus », le comptage s’effectue par

pas de 125 nm (figure 5).

Une méthode complémentaire permet de mesurer le déplacement

avec une précision meilleure. En effet, en

assimilant ces signaux à des fonctions trigonométriques, il est possible de

déterminer un déplacement inférieur à 125

nm. A partir de la tension mesurée dans la période et du calcul de la fonction trigo inverse (arcsin ou arccos), on peut remonter au

déplacement intermédiaire. Ce calcul est

appelé « interpolation ».

Figure 4 : dessin de l’ensemble ‘tête de

mesure’

« sinus » « cosinus » « sinus TTL » « cosinus TTL »

Figure 5 : Exemple de chronogrammes des signaux issus de la tête de mesure ASIC N°1

Une première version d’ASIC a été réalisée en 2000. Elle comportait plusieurs photodiodes, de plusieurs types et de différentes tailles. Des soustracteurs de courant avaient été câblés car cette fonction est la première à être réalisée dans ce capteur. Des essais ont été effectués sur un convertisseur analogique – numérique (CAN) de type Sigma Delta. Des CAN sont indispensables pour effectuer les calculs d’interpolation (figure 6). Les mesures sur les photodiodes ont montré que les sensibilités étaient comparables à celles des photodiodes discrètes. Ce qui est encourageant.

Figure 6 : photographie de l’ASIC N°1 ASIC N°2

Les tests fonctionnels, les caractéristiques des photodiodes, des soustracteurs et du CAN ayant été satisfaisants, une autre réalisation d’ASIC a été entrepris avec l’objectif d‘intégrer le maximum de fonctions.

La taille des photodiodes est fixée à 200µm de côté, l’expérience du premier ASIC a permis de savoir si cette surface était suffisante. La taille des photodiodes entre en compte dans la structure mécanique de l’ensemble, capteur, réseaux et source. La distance entre les deux photodiodes d’un capteur (sinus- et sinus+) intervient également dans la construction de l’ensemble (figure 7).

Le premier traitement des courants issus des photodiodes est un soustracteur de façon a éliminer les niveaux continus et d’augmenter l’amplitude. Ces courants « sinus » (« cosinus ») sont ensuite comparés à une référence de courant pour obtenir des signaux appelés « TTL » (voir photographie des chronogrammes ci dessus). Les valeurs de référence peuvent être sélectionnées par l’utilisateur via la ligne de communication série de l’ASIC (4 seuils positifs et 3 seuils négatifs).

Figure 7 : synoptique des fonctions intégrées dans l’ASIC N°2

Les valeurs « sinus » et « cosinus » sont disponibles sur les bornes du circuit en courant et en TTL. Ces signaux TTL incrémentent ou décrémentent un compteur de 24 bits suivant le sens du déplacement. Ce compteur enregistre les déplacements par pas de 125 nm. La valeur du compteur peut

Sinus -Sinu s + cosinus cosinus -+ -Sinus TTL Seuil + -Seuil Cosinus TTL Gain variable CAN CAN Compteur Data out Data in Clo ck

Les courants « sinus » et « cosinus » sont amplifiés avant d’être convertis en tension. Ces deux tensions sont disponibles sur les bornes du

circuit. Le gain de cet amplificateur est sélectionné par l’utilisateur via la ligne série entre 8 valeurs allant de 0,25 à 32. Ces

tensions sont converties en un nombre de 12 bits

ou de 6 bits (choix de l’utilisateur) par des convertisseurs de type Sigma Delta. Les résultats des convertisseurs peuvent être également transmis par la ligne série.

L’interface de liaison série synchrone reçoit la configuration (gain, seuil, taille du

CAN, remise à zéro du compteur) et transmet les

valeurs des CAN et du compteur (figure 8).

Figure 8 : photographie de l’ASIC 2 Boîtier de contrôle

La tête de mesure composée des réseaux de lecture et

de mesure, du laser, de l’ASIC N°2 et du câble de liaison se place dans un boîtier métallique d’une longueur de 30 mm (figure 9).

Ce module est relié à un boîtier de commande dont le rôle

consiste à dialoguer avec l’ASIC de la tête de mesure via une

ligne série synchrone. Le dialogue avec l’utilisateur s’effectue avec quelques boutons poussoirs et un afficheur

alphanumérique. Une connexion USB permet un transfert des

valeurs vers un ordinateur (figure 10).

Laser Réseau de mesure

Figure 9 : Photographie de la tête de mesure

Figure 10 : synoptique des fonctions du boîtier de contrôle

Ce boîtier de contrôle est prévu également pour lire une tête de mesure non miniaturisée (construction hybride). Un amplificateur à gain asservi a été placé pour maintenir des tensions calibrées à 1 Vcc. Un circuit logique programmable permet le comptage des impulsions issues de la tête de mesure, En effet, le temps de réponse nécessaire était trop faible pour le micro contrôleur.

Photodiodes OptoAsic µP C165 U PC USB Afficheur mini clavier Construction hybride Vsin Vcos TrigCos TrigSin Vsin Vcos TrigCos TrigSin CPLD Compteur ClK, Din et Dout H Ampli à gain variable Tensions calibrées à 1V Asservissement ou contrôle manuel Ampli différentiel ^Ligne Can Bus CAN

Une limite, toutefois, est constituée par la bande passante de l’optoasic qui ne permet pas d’obtenir des signaux TTL de fréquence supérieure à 200 KHz. Le débit de la ligne série, même si elle fonctionne avec une horloge de 8 MHz, impose une vitesse de déplacement du réseau de lecture inférieure à 1m/s.