L'isolation antivibratoire à rigidité négative gagne en popularité en tant que solution privilégiée pour les applications nanotechnologiques dans les universités et l'industrie

DR. DAVID L. PLATUS, INVENTEUR DES ISOLATEURS DE VIBRATIONS À RIGIDITÉ NÉGATIVE ET PRÉSIDENT ET FONDATEUR DE LA TECHNOLOGIE MOINS K

Il n'y a pas si longtemps, la décision d'installer un microscope à sonde à balayage (SPM) était très simple : il fallait le placer au sous-sol où les vibrations ambiantes sont réduites au minimum. Bien que récemment, avec la croissance exponentielle des applications de la nanotechnologie, les scientifiques et les ingénieurs installent leurs équipements dans une multitude d'endroits où le bruit vibratoire est très élevé. Les SPM, les interféromètres et les profileurs de stylet sont installés à des endroits qui posent un sérieux défi à l'isolation vibratoire.

De plus, dans le but de maintenir les coûts aussi bas que possible, de nombreux universitaires et professionnels de l'industrie n'assurent pas une isolation adéquate contre les vibrations sur les nano-équipements ultra-sensibles installés dans leurs installations. Bien que les installations à budget élevé (d'une valeur de centaines de milliers de dollars) comportent généralement une isolation antivibratoire adéquate, ce n'est pas le cas de nombreuses installations à budget réduit (celles qui dépensent moins de 120 000 $US en équipement), qui représentent le secteur qui connaît la croissance la plus rapide dans l'univers des nanotechnologies. On estime que 40 à 50 % de ces sites, tant dans le milieu universitaire que dans l'industrie, sont amorcés avec une isolation antivibratoire inadéquate.

Ceci est influencé dans une certaine mesure par le fait que ceux qui spécifient les nano-équipements n'en saisissent pas toujours pleinement l'extrême sensibilité et qu'une sélection appropriée du site et une isolation vibratoire sont nécessaires. Tout type de microscope - même un microscope optique à haute puissance - ou tout autre instrument de niveau nanométrique doit être isolé contre le bruit, sinon les images semblent diffuses et floues ou parfois pas du tout.

Les isolateurs de vibrations sont une de ces nécessités sur lesquelles les gens ne sont pas vraiment concentrés au moment de l'achat d'un instrument tel qu'un microscope à force atomique (AFM) ", explique George McMurtry, PDG de NanoAndMore USA, un fournisseur de sondes AFM, de pointes et de cantilevers.

Mais c'est différent pour les plus gros microscopes électroniques à balayage (MEB) et les microscopes électroniques à transmission (MET) parce qu'il s'agit de pièces d'équipement très coûteuses qui nécessitent techniquement toutes sortes d'isolation afin de fonctionner correctement. Alors, ils sont plus enclins à en parler à l'avance."

Interféromètre laser Isolation antivibratoire

McMurtry a continué : "Lorsque vous entrez dans des instruments plus petits comme les microscopes à force atomique, les interféromètres à lumière blanche, les interféromètres laser et les profileurs à stylet, vous rencontrez des problèmes avec la préparation du site. Dans de nombreux cas, peu de préparation de site est effectuée, malgré le fait que ces instruments peuvent se trouver au quatrième étage d'un bâtiment et, sans isolement, finiront par produire de très mauvaises images.

"Les clients nous demandent souvent quelle sonde résoudra un problème spécifique qu'ils rencontrent. Parfois, aucune sonde ne résoudra leur problème, car ils doivent d'abord résoudre leur problème de bruit, et cela signifie qu'ils doivent envisager une sorte d'isolation mécanique."

Au fur et à mesure que l'instrumentation devient de plus en plus complexe et que les mesures deviennent de plus en plus petites, les vibrations présentes commencent à dominer, et le besoin d'une isolation plus efficace augmente. Les isolateurs ont été utilisés depuis le début avec les GFA dans les années 1980, mais il n'y avait pas beaucoup de GFA à l'époque et la plupart d'entre eux se trouvaient dans des sous-sols. L'utilisation des nano-instruments a augmenté de façon spectaculaire, et le besoin d'un isolement accru a suivi cette tendance.

"Il y a tellement plus de gens qui utilisent les AFM dans tellement d'environnements différents que les isolateurs sont nécessaires plus souvent ", confirme Mark Flowers, président de Nanoscience Instruments, un fournisseur d'outils de micro et nanométrie. "Au début, on mettait son GFA au sous-sol, mais maintenant, les gens veulent l'utiliser aux étages supérieurs.

Le sous-sol est un bien meilleur environnement pour les guichets automatiques de vol et leur permet de se débrouiller avec un isolateur peu sophistiqué, a poursuivi M. Flowers : "Dans de nombreux cas, le consommateur n'est pas conscient de la nécessité de l'isolement.

Nous discutons avec eux du type d'environnement dans lequel l'équipement sera installé et des applications qu'il visera, avant de déterminer ce dont il aura besoin dans un isolateur. Nous assistons à une croissance énorme du marché de l'éducation ; il existe de nombreuses initiatives pour exposer les étudiants de premier cycle et les étudiants du secondaire à la nanotechnologie, mais ils ne savent pas nécessairement ce dont ils ont besoin pour maintenir un isolement adéquat."

Les vibrations sont généralement très subtiles. Par exemple, on ne peut pas les sentir à travers les mains ou les pieds, mais ils causent beaucoup de bruit et de perturbation pour un AFM ou un interféromètre.

Les vibrations sont attribuables à une multitude de facteurs, elles ne proviennent pas d'un seul endroit. Les bâtiments eux-mêmes vibrent constamment et émettent donc du bruit. L'intensité de ces vibrations varie en fonction de l'âge du bâtiment et de la hauteur à laquelle se trouve l'équipement.

"À MESURE QUE L'INSTRUMENTATION DEVIENT DE PLUS EN PLUS COMPLEXE ET QUE LES MESURES DEVIENNENT DE PLUS EN PLUS PETITES, LES VIBRATIONS PRÉSENTES COMMENCENT À DOMINER, ET LE BESOIN D'UNE ISOLATION PLUS EFFICACE AUGMENTE"

Ensuite, il y a ces facteurs à l'intérieur du bâtiment, par exemple, les systèmes de chauffage et de ventilation, les ventilateurs, les pompes qui ne sont pas bien isolées et les ascenseurs. Ces dispositifs mécaniques sont responsables d'une énorme quantité de vibrations et, selon la distance qui les sépare des instruments, ils peuvent ou non en être affectés.

Enfin, il faut aussi tenir compte des facteurs extérieurs au bâtiment, comme la circulation, la construction et les conditions météorologiques. Par exemple, une brise cause une petite quantité de mouvement, mais le balancement de la brise seule mesure environ 2 Hz et peut causer une résonance substantielle. Un train près du bâtiment provoque un mouvement dans la dalle de ciment, rien de visible à l'œil nu ou même de ressenti, mais il a des conséquences désastreuses pour l'instrumentation. Ces influences internes et externes provoquent des vibrations de basse fréquence, provoquant des dégâts avec les nano-instruments.

Imaginez que vous essayez de mesurer seulement quelques angströms ou nanomètres de déplacement en utilisant un instrument sur une surface qui n'est pas complètement stable. Toute vibration transmise à la structure mécanique de l'instrument provoque un bruit vertical et, fondamentalement, une incapacité à mesurer ce type de caractéristiques à haute résolution.

Un isolateur de vibrations est utilisé pour résoudre le problème, mais la gravité du problème déterminera le type d'isolateur requis. Les tables à air sont utilisées depuis les années 1960. Ce sont essentiellement des boîtes de conserve d'air et restent les isolateurs les plus populaires. Cependant, les tables à air offrent des fréquences de résonance de 2 à 2,5 Hz et ne peuvent donc généralement supporter que des vibrations d'environ 8 à 10 Hz, ce qui n'est pas suffisant pour une performance optimale sur un équipement moderne au niveau nanométrique. Pour des raisons de clarté sur les interféromètres et les SPM, les tables d'air sont une solution d'isolation inefficace. Ils étaient adéquats jusqu'à il y a dix ans, quand une meilleure isolation est devenue une exigence.

Les lecteurs se rappelleront peut-être qu'au cours des premières années de la nanotechnologie, les chercheurs ont décidé de suspendre leurs très coûteux MFA à des cordons élastiques suspendus au plafond afin de maintenir une isolation acceptable contre les vibrations. Bien que certains utilisent encore cette technique, leur nombre diminue ; la majorité d'entre eux ne sont pas prêts à courir le risque d'une mauvaise imagerie et d'un mauvais ensemble de données et ont donc opté pour des systèmes d'isolation des vibrations de bonne réputation.

L'un de ces systèmes est l'isolement actif, également connu sous le nom d'annulation électronique de la force. L'isolation active utilise l'électronique pour détecter le mouvement, puis met des quantités égales de mouvement électroniquement pour compenser, annulant efficacement le mouvement. Leur efficacité est bonne pour les applications nanotechnologiques les plus récentes parce qu'elles peuvent commencer à isoler jusqu'à 0,7 Hz, ce qui est tout à fait suffisant pour isoler les basses fréquences qui sont si dommageables pour la clarté de l'image avec les SPM et les interféromètres.

Cependant, si l'instrumentation peut être isolée mécaniquement sans dépendre de l'électricité, c'est une restriction de moins qui doit être prise en compte dans l'équation d'isolation vibratoire. En effet, le système de rigidité négative est devenu un choix populaire pour cette raison même. Il s'agit non seulement d'une solution très pratique, mais elle offre également la flexibilité et la portabilité que d'autres systèmes d'isolation antivibratoire n'offrent pas.

Les isolateurs à rigidité négative permettent une approche passive pour obtenir des environnements à faibles vibrations et une isolation contre les vibrations sub-Hz. Ils permettent aux instruments sensibles aux vibrations tels que les appareils d'essai de microdureté, les MEB et les MEB de fonctionner dans des environnements à fortes vibrations tels que les étages supérieurs des bâtiments et les salles blanches. Les images et les données produites sont bien meilleures que celles que l'on peut obtenir avec des isolateurs pneumatiques.

Les isolateurs de rigidité négative sont basés sur un concept unique et entièrement mécanique dans l'isolation vibratoire basse fréquence et comprennent à la fois un isolateur à mouvement vertical à mécanisme de rigidité négative (NSM) et un isolateur à mouvement horizontal NSM. Un ressort rigide qui supporte une charge de poids est combiné avec un NSM pour former l'isolateur de mouvement vertical. La rigidité verticale nette est très faible sans affecter la capacité de charge statique du ressort. Les colonnes de faisceaux sont connectées en série avec l'isolateur à mouvement vertical pour former l'isolateur à mouvement horizontal.

La rigidité horizontale des poteaux de poutre est réduite par l'effet poutre-colonne. Une poutre-colonne se comporte comme un ressort lorsqu'elle est combinée avec un NSM. Le résultat est un isolateur passif compact capable de fréquences propres verticales et horizontales très basses et de fréquences structurelles internes très élevées.

"CE QUE LES ISOLATEURS DE RIGIDITÉ NÉGATIVE FOURNISSENT EST VRAIMENT UNIQUE DANS LE DOMAINE DE LA NANOTECHNOLOGIE. LA TRANSMISSIBILITÉ EST CONSIDÉRABLEMENT AMÉLIORÉE PAR RAPPORT À L'AIR OU AUX SYSTÈMES D'ISOLATION ACTIFS."

"L'amélioration de l'isolation vibratoire est en corrélation directe avec l'amélioration des performances de l'instrument ", a déclaré Patrick O'Hara, ancien président et CEO d'Ambios Technology, un fabricant de SPM, de profileurs de stylet et d'interféromètres optiques utilisés en nanotechnologie (depuis acquis par KLA-Tencor). "Lorsque vous essayez de mesurer des caractéristiques à l'échelle atomique, les structures de soutien mécaniquement stables sont d'une importance capitale. Jusqu'à l'avènement des microscopes à sonde et de certaines autres techniques d'imagerie et d'acquisition de données à très haute résolution, les isolateurs d'air étaient adéquats pour la plupart des applications, mais ils ne le sont plus maintenant."

O'Hara a poursuivi : "Ce que les isolateurs de rigidité négative fournissent est vraiment unique dans le domaine de la nanotechnologie. Je pense en particulier à leur transmissibilité. C'est la vibration qui se transmet à travers l'isolateur telle que mesurée en fonction des vibrations du sol. La transmissibilité est considérablement améliorée par rapport à l'air ou aux systèmes d'isolation actifs."

"CE QUE LES ISOLATEURS DE RIGIDITÉ NÉGATIVE FOURNISSENT EST VRAIMENT UNIQUE DANS LE DOMAINE DE LA NANOTECHNOLOGIE. EN PARTICULIER, JE FAIS RÉFÉRENCE À LEUR TRANSMISSIBILITÉ. C'EST-À-DIRE LA VIBRATION QUI SE TRANSMET À TRAVERS L'ISOLATEUR TELLE QUE MESURÉE EN FONCTION DES VIBRATIONS DU SOL. LA TRANSMISSIBILITÉ EST CONSIDÉRABLEMENT AMÉLIORÉE PAR RAPPORT À L'AIR OU AUX SYSTÈMES D'ISOLATION ACTIFS."

Les isolateurs de rigidité négative résonnent à 0,5 Hz. A cette fréquence, il n'y a presque pas d'énergie présente. Il serait très inhabituel de trouver une vibration importante à 0,5 Hz. Les vibrations avec des fréquences supérieures à 0,7 Hz (là où les isolateurs de rigidité négative commencent à isoler) sont rapidement atténuées avec l'augmentation de la fréquence. Les isolateurs d'air peuvent aggraver les problèmes d'isolation des vibrations, car ils ont une fréquence de résonance qui peut correspondre à celle des vibrations du sol.

Réglés à 0,5 Hz, les isolateurs à rigidité négative atteignent un rendement d'isolement d'environ 93 % à 2 Hz, 99 % à 5 Hz et 99,7 % à 10 Hz.

Les progrès réalisés dans l'isolation antivibratoire ont permis à la fabrication et à la recherche d'atteindre des niveaux de précision impossibles auparavant lorsque l'isolation pneumatique était la seule option. Les systèmes d'isolation antivibratoire à rigidité active et négative ont évolué au cours des 20 dernières années et permettent maintenant aux instruments de précision de fonctionner à l'échelle nanométrique avec une précision non représentée.