Microbalance opto-(électro)-mécanique Objectif : Exploiter le haut facteur de qualité des cavités de type Fabry-Pérot afin d’effectuer une mesure de masse très précise (10-6kg) sur une grande plage dynamique (±0.1kg). Approche : Adapter le design actuel du filtre Fabry-Pérot (FFP) accordable afin que l'application d'une charge externe engendre une variation de sa réponse spectrale. MOEMS Application d’une force mécanique externe (masse) Mesure d’une variation de réponse optique 1

Microbalance opto-(électro)-mécanique Une cavité possédant un haut facteur de qualité Q est particulièrement sensible à son environnement et permet donc des mesures très précises [1]. Q=/FWHM Des facteurs de qualité allant jusqu'à 10⁴ ont été mesurés pour le FFP développé. Il est donc tout désigné pour des applications de senseurs haute précision. Ce paramètre ne donne cependant aucune information sur la plage dynamique qui dépend à la fois de considérations optiques et mécaniques. 2

Microbalance opto-(électro)-mécanique Ressorts Tranchées pour fibre optique Cavités Fabry-Pérot 500mm Une première approche consiste à relier directement une force mécanique externe à une variation de réponse spectrale. 3

Microbalance opto-(électro)-mécanique La plage dynamique est limitée par la finesse du dispositif. Selon les critères recherchés la finesse du dispositif doit être de 200,000. F = Dl/dl = précision/plage dynamique = 200 000 La finesse du FFP développé est d'environ 20 soit 10,000 fois trop faible. Elle limite la plage de mesure à un ordre de plus que la précision alors que 5 sont nécessaires. v dl Dl I l l-1 l0 l’0 4

Microbalance opto-(électro)-mécanique Il est possible d'élargir la plage dynamique en travaillant sur plusieurs ordres. Il serait alors nécessaire de couvrir 10 000 ordres ce qui correspond à environ 8mm (l0=1.55mm). Cette valeur est de deux ordres supérieure aux amplitudes de déplacement typiques des microsystèmes. v dl Dl I l l-1 l0 l’0 l’1 l’2 5

Microbalance opto-(électro)-mécanique La seule approche permettant d'utiliser un tel dispositif serait d'effectuer la mesure en 5 temps. Cinq dispositifs devraient alors être conçu et utilisés successivement. Chaque mesure permet d’atteindre un ordre supplémentaire sur la précision. MEMS 1 dm : 10-1 Dm : 10-2 MEMS 2 dm : 10-2 Dm : 10-3 MEMS 3 dm : 10-3 Dm : 10-4 MEMS 4 dm : 10-4 Dm : 10-5 MEMS 5 dm : 10-5 Dm : 10-6 6

Microbalance opto-(électro)-mécanique La seconde approche consiste à relier une force mécanique externe à une valeur de tension nécessaire au maintien de la réponse spectrale. Guide pour fibre optique Miroir amovible Zone de charge Ressorts Électrodes 7

Microbalance opto-(électro)-mécanique L'intégration d'une composante électrostatique permet de limiter le déplacement du miroir amovible sous l'action de la force mécanique externe. On peut alors virtuellement couvrir les 10 000 ordres nécessaires. v dl Dl I l l-1 l0 F D V 8

Références [1] R. St-Gelais, J. Masson, and Y.-A. Peter, “All-silicon integrated Fabry-Pérot cavity for volume refractive index measurement in microfuidic systems,” Applied Physics Letters, vol. 94, no. 24, 243905, 2009. {Selected paper published in the Virtual Journal of Biological Physics Research, vol. 18, no. 1, 2009}