Conception et commande d’un microscope a force atomique poly-articulé pour l’observation et la caractérisation In situ de structures intracellulaires au sein d’un microscope électronique – Robine

1 - Étude de l’actionnement et de la mesure piézoélectriques push-pull pour un AFM rapide :

- Caractérisation dynamique et identification (analyseur spectral) d’une table de nano-positionnement conçue à l’ISIR, à actionnement et mesure piézoélectriques push-pull. Étude et implémentation expérimentale de commandes pour l’amortissement des vibrations (boucle interne analogique) et le suivi de trajectoire AFM rapide (boucle externe numérique). La boucle interne repose sur une paramétrisation affine, la boucle externe sur un modèle interne. Les rétroactions utilisent des mesures piézoélectriques différentielles.

2- Algorithmes d’automatisation pour la microscopie corrélative AFM-in-SEM :

- Méthode de commande pour l’atterrissage multi-échelle d’une sonde AFM en trois étapes : commande en vitesse (mode grossier), commande en position (mode mixte grossier/fin), puis commande en position/force (mode fin).

- Guidage et commande référencée vision MEB d’une sonde AFM : positionnement de la sonde AFM sur le « point principal » de l’image MEB après identification de ses coordonnées. Le porte-échantillon translate ensuite la ROI choisie vers ce point, le MEB restant focalisé sur l'échantillon. Les coordonnées du point principal étant invariantes au grossissement, la sonde entre en contact avec la ROI de manière robuste quel que soit le zoom du MEB.

- Imagerie topographique AFM multi-échelle (« Mosaic AFM ») : méthode étendant la zone d’imagerie AFM via le déplacement multi-échelle des actionneurs piézoélectriques inertiels. L’image est reconstruite par l’algorithme GPA-ICP. La méthode est adaptée à l’AFM par l'acquisition des topographies locales en motif « serpentin » et le sous-échantillonnage des patches pour maîtriser le calcul.

3- Méthodes d’étalonnage et de commande pour systèmes AFM articulés opérants dans un MEB:

- Contrôle de la déviation angulaire des échantillons AFM : utilisation d’un scanner AFM cartésien 3-DDLs pour l’acquisition d'informations topographiques et d’un robot hexapode 6-DOF comme porte-échantillon. L’orientation est corrigée uniquement à partir des données topographiques AFM du substrat, sans repères intégrés ni formes de référence dans le substrat ou la plateforme robotique.

- Rotation d’une sonde AFM par rapport à l’échantillon dans le plan du porte-échantillon : le robot parallèle réoriente d’abord l’échantillon selon plusieurs poses avec acquisition AFM afin d’estimer le centre cinématique de rotation. Le jeu articulaire induisant des erreurs, une seconde étape d’affinement par imagerie MEB corrige les désalignements pour garantir une rotation précise à l'échelle du micromètre.

- Correction des déviations angulaires de microstructures dans un MEB pour la mesure de dimensions critiques : extension de la méthode de correction appliquée aux échantillons AFM, avec identification et contrôle de l’axe spatial de rotation du système AFM articulé 3T-3R.

1 - Étude de l’actionnement et de la mesure piézoélectrique push-pull pour un AFM rapide : commande en boucle fermée à 1 kHz, balayages nanométriques à 4 fps, sans capteurs externes.

2 - Algorithme d’atterrissage longue portée d’une sonde AFM : premier atterrissage d'une sonde AFM contrôlé sur distances millimétriques par un actionnement stick-slip. A partir d’une distance sonde/échantillon initiale de 2,5 mm, la sonde entre en contact en douceur avec l’échantillon en moins de 3 minutes, sans dommage.

3 - Guidage et commande référencée vision pour l’AFM-in-SEM : deux algorithmes sont développés pour le fonctionnement AFM-in-SEM. Le premier permet à l’utilisateur de guider la sonde AFM vers n’importe quelle ROI par simple clic sur l’image MEB. L’algorithme réalise une calibration pour identifier le point principal du MEB et aligner la plateforme parallèle. Le second corrige automatiquement la dérive du MEB lors de l’atterrissage de la sonde en suivant en temps réel l’échantillon et la sonde. La détection de cette dernière est assistée par un réseau neuronal U-Net.

4 - Imagerie topographique AFM multi-échelle basée sur l’actionnement stick-slip : une méthode combinant robotique, commande et traitement d’images est proposée pour étendre l’imagerie AFM via le déplacement multi-échelle des actionneurs piézoélectriques inertiels. Les topographies locales sont acquises selon un motif en « serpentin » et fusionnées via l’algorithme GPA-ICP, produisant des images cohérentes et sans dérive sur de grandes distances à partir de 50 patches. La méthode est testée sur des grilles d’étalonnage micrométriques et des échantillons préparés pour l’étude de microfossiles.

5 - Étude du concept d’un AFM robotisé de type hexapode 6-DOF

- Méthode de correction de l’orientation des échantillons utilisant uniquement la topographie AFM du substrat, sans repères intégrés ni formes de référence. La correction de l’orientation est réalisée avec une précision de 0,1 degrés sur un échantillons mica V1. Elle ne nécessite que l’orientation relative (et non la position) entre les robots cartésien et parallèle. La méthode permet une correction angulaire matérielle remplaçant le post-traitement logiciel en microscopie à sonde locale.

- Méthode de rotation in-plane à précision micrométrique du porte-échantillon par rapport à la pointe AFM. Cette approche démontre une nouvelle fonctionnalité en microscopie corrélative AFM-in-SEM pour la rotation des échantillons dans un MEB, rendue possible par l’architecture articulée du système AFM et les algorithmes d'étalonnage et de commande développés.

- Méthode de correction des déviations angulaires de microstructures dans un MEB pour la mesure de dimensions critiques : extension de la méthode de correction appliquée aux échantillons AFM, avec identification et contrôle de l’axe spatial de rotation du système AFM articulé 3T-3R. Validation expérimentale sur des micro-tubes conçus par nanoscribe.

Confidentiels pour le rapport public.

La preuve de concept de la microscopie corrélative a été démontrée pour l'observation et la caractérisation de cellules biologiques utilisant des Microscopes Électroniques (ME). Néanmoins, les techniques de corrélation actuelles impliquant un ME ne sont pas en mesure de fournir des informations précises sur le rendu 3D et la topographie des échantillons observés. L’ambition du projet Robine est de développer un instrument nano-robotique poly-articulé à haute vitesse unique à l'échelle internationale intégrant une sonde AFM (Microscope à Force Atomique) afin d’avoir un rendu 3D avec une reconstruction précise des bords sur des structures intracellulaires d’une taille typique comprise entre 10 nm et 500 nm observées sous un ME. Nous soutenons que la maitrise d’un positionnement précis d’une sonde AFM dans l'espace tridimensionnel à l'intérieur d’un ME modifiera profondément le mode d'obtention des images topographiques et la caractérisation de force à l'échelle nanométrique.