Profils en 2D ou topographies de surface en 3D, les capteurs du profilomètre Nanojura UHP assurent la prise de mesures sur des composants ou des matériaux à l’échelle micro- voire nanométrique, permettant de contrôler des fabrications tout comme de caractériser ou certifier des étalons de mesures. Un équipement unique en son genre dans la région, mis à disposition des industriels et des chercheurs par l’Institut Pierre Vernier.
Monté sur coussin d’air pour l’absorption des chocs, entièrement réalisé dans un marbre très plan insensible aux vibrations et aux déformations, le profilomètre Nanojura UHP est un pur produit de technologie high tech. Cet appareil prend des mesures dimensionnelles de distance, hauteur, état et planéité de surface, rugosité de profils, avec une précision variant de 10 à 30 nanomètres. Il restitue les profils en 2D et les topographies de surfaces en 3D de matériaux opaques comme les céramiques noires ou les surfaces plastiques polies, tout comme de matières transparentes telles que le quartz, le saphir, le verre, le pyrex… Il permet de caractériser un élément ou un matériau de façon ultraprécise, intéressant aussi bien les microtechniques, le médical ou l’agroalimentaire que la défense. Il est capable d’établir des mesures de microcomposants horlogers tout autant que de profondeur d’une ride. Son enveloppe de mesure est de 100 x 100 x 50 mm, réservant son utilisation à de très petites pièces. En dermatologie, des empreintes en silicone sont réalisées à partir de la peau humaine pour servir de base à la mesure.
Le profilomètre sert à valider la réalisation d’étalons, la conformité de fabrication d’une production par prélèvement d’échantillons, et d’établir des comparatifs en vérifiant par exemple l’efficacité d’une crème de soin sur les rides par des mesures « avant / après ».
Le profilomètre Nanojura ultrahaute précision
Le profilomètre est équipé de trois capteurs conçus pour la prise de mesures de haute précision. Deux capteurs optiques, sans contact, sont utilisés pour établir des relevés d’une profondeur respective de 400 μm et 1 mm.
Ces sondes confocales sont complétées par un capteur à contact low force, qui suit fidèlement la géométrie de la pièce étudiée jusqu’à la moindre de ses inclinaisons, là où il est impossible d’obtenir un retour d’information par voie optique.
« Si l’on veut mesurer une surface plate et polie, un capteur optique renverra un maximum de signaux permettant de le caractériser, explique Abdellah Boulouize, du département Développements technologiques de l’IPV. Dans le cas opposé d’une matière de forme complexe, a fortiori transparente, les angles de réflexion de la lumière rendent la mesure optique impossible, et seul un capteur tactile est capable de donner les informations voulues ».
Celui-ci effectue un scan de la surface grâce à une pointe en diamant, dont le rôle est essentiel pour la qualité du relevé topographique obtenu. Lors de la caractérisation de matériaux ductiles, c’est-à-dire présentant une grande souplesse comme les polymères, ou de pièces comportant des structures fragiles, la pointe peut générer une dégradation mécanique du matériau. La mesure est alors biaisée par l’analyse et se révèle destructive pour le matériau. Le capteur nouvelle génération low force remédie à cet état de fait. Son architecture a été conçue de manière à limiter la force appliquée sur la pointe et à réduire les dommages potentiels subis par les substrats. Il peut travailler sur n’importe quelle surface jusqu’à une profondeur de 3 mm.
Précision de la mesure, qualité de l’analyse… une technologie de correction active intégrée au profilomètre Nanojura ultrahaute précision sert ces impératifs pour un résultat optimal. Un interféromètre laser se charge en effet de calculer et de faire corriger immédiatement par le logiciel d’inévitables variations du porte substrat, grâce à deux points lasers, l’un servant de référence, l’autre indiquant le positionnement de l’échantillon. Les erreurs générées par les imperfections mécaniques des tables de déplacement x, y, ou induites par les facteurs environnementaux, sont ainsi compensées automatiquement et en temps réel, garantissant la perfection de la prise de mesures.
Cette nouvelle technologie augmente la précision des mesures de profils 2D et des topographies de surface 3D d’un facteur 10 à 100, selon l’application.
Deux capteurs confocaux et un capteur inductif équipent le profilomètre
La plateforme de métrologie de l’atelier pilote de l’IPV s’est dotée, avec l’acquisition du profilomètre Nanojura UHP, d’un matériel high tech s’ajoutant aux machines déjà installées, renforçant ainsi son offre de service auprès des entreprises et des laboratoires de recherche. Développé par la société bisontine DIGITAL SURF, le profilomètre ne possède qu’un équivalent en France, au Laboratoire national des essais (LNE) à Paris, qui a, par ailleurs, apporté son expertise lors de la mise au point de la machine. « Le profilomètre n’entre pas en concurrence avec les équipements existants en entreprise ou chez d’autres prestataires de service, mais vient les compléter » précise Abdellah Boulouize. Les industriels comme les chercheurs peuvent procéder à des mesures auparavant non envisageables, et faire appel à l’IPV pour des expertises indépendantes.
Lorsque l’échantillon est scanné, les mouvements du bras du stylet vers le haut et vers le bas provoquent un changement dans l’inductance du circuit électrique. L’analyse de ces variations permet de calculer les mouvements en hauteur du bras du stylet le long de l’axe z.
