ITTO20120692A1 - Sistema di misura a struttura oscillante - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

"Sistema di misura a struttura oscillante†.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema di misura a struttura oscillante, comprendente un’unità sensibile comprendente detta struttura oscillante, in particolare un braccio a sbalzo o cantilever, suscettibile di oscillare intorno a una posizione di riposo, e un sistema ottico per rilevare un movimento di detta struttura oscillante che comprende una sorgente laser generante un fascio laser in direzione della struttura oscillante e un sensore di posizione per rilevare la posizione di un fascio laser corrispondentemente riflesso dalla struttura oscillante lungo una direzione di oscillazione.

In generale, à ̈ noto utilizzare sistemi che comprendono celle nelle quali sono disposte delle micro-strutture o delle nano-strutture oscillanti adatte a interfacciarsi con elementi naturali di dimensione elementare confrontabile, al fine di operare misure, ad esempio della massa di elementi naturali di dimensione micrometrica o nanometrica, ad esempio batteri. Da tale interazione risulta una elevata sensibilità in caso di misura o un’elevata efficienza in caso di attuazione.

Tali micro o nano strutture oscillanti possono essere membrane oppure bracci a sbalzo, comunemente detti cantilever, di dimensioni micrometriche o nanometriche, ottenuti tramite tecniche MEMS (Micro Electrical Mechanical System). Tali cantilever, ad esempio, vengono posti in vibrazione da un dispositivo piezo-elettrico, raggiungendo in questo modo una frequenza di vibrazione di risonanza che à ̈ funzione delle caratteristiche geometriche del cantilever e delle caratteristiche fisico/chimiche dei materiali depositati sulla struttura oscillante, ad esempio un’eventuale massa di molecole target o batteri legata alla sua superficie esposta. A questo scopo il cantilever può presentare una superficie funzionalizzata per la cattura selettiva di un dato analita (batteri, biomolecole, sostanze chimiche). Secondo un possibile modo d’impiego, aumentando la massa del cantilever per effetto dell’aggiunta della massa di batteri si verifica uno shift della frequenza di risonanza che può essere rilevato per calcolare in base a tale shift la massa dei batteri.

Al fine di rilevare il movimento del cantilever, in particolare la sua ampiezza e frequenza, à ̈ previsto di usare un fascio laser indirizzato sul cantilever. Il fascio laser viene riflesso dal cantilever e raccolto da sensori. L’ampiezza delle vibrazioni del cantilever determina lo spostamento angolare, in riflessione, del fascio laser e del relativo spot che si forma al sensore di posizione.

Date le dimensioni contenute dei cantilever, dell’ordine di solito di alcune decine di micrometri, risulta difficoltoso ottenere uno spot di luce laser sul cantilever, che possa essere poi rilevato con precisione dal sensore che raccoglie la luce laser riflessa. Ciò si riflette in particolare sulla dinamica del segnale in uscita dal sensore.

Dal documento US 2005/121615 A1 Ã ̈ noto operare tramite una lente cilindrica disposta a valle della riflessione del fascio per ottenere fasci e spot ellittici per aumentare la leva ottica.

Tale soluzione determina una traslazione rigida di tali spot ellittici, che comporta un effetto di parziale riduzione della leva ottica ottenibile dal sistema.

Inoltre, tali spot ellittici hanno una bassa densità di potenza ottica in quanto l’asse generato dalla faccia piana della lente non viene focalizzato: ciò comporta un abbassamento della sensibilità del sensore e, conseguentemente un abbassamento del rapporto segnale/rumore. Una dinamica del sensore più bassa comporta da un lato una riduzione della risoluzione dello strumento e l’impossibilità di usare tipologie di cantilever per le misure con spessori più elevati, che determinano frequenze caratteristiche più elevate e ampiezze di oscillazione minori a parità di eccitazione piezoelettrica.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di realizzare un sistema di misura a struttura oscillante con rilevazione ottica, in particolare, per la rilevazione di batteri o molecole, avente una dinamica di uscita superiore ai sistemi noti.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema di misura nonché a un corrispondente procedimento di misura aventi le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

L’invenzione verrà descritta con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la Figura 1 Ã ̈ uno schema di principio di un sistema di misura secondo l'invenzione;

- la Figura 2 Ã ̈ un diagramma rappresentativo di una grandezza di uscita ottenuta dai sistemi noti;

- la Figura 3 à ̈ un diagramma rappresentativo di una grandezza di uscita ottenuta dal sistema secondo l’invenzione;

- la Figura 4 mostra un dettaglio della Figura 3.

In breve, à ̈ proposto un sistema di misura a struttura oscillante che comprende un’unità sensibile comprendente una struttura oscillante, in particolare un braccio a sbalzo, o cantilever e un sistema ottico per rilevare un movimento di detta struttura oscillante, che include una sorgente laser che genera un fascio laser in direzione della struttura oscillante e un sensore di posizione che rileva la posizione del fascio laser corrispondentemente riflesso dalla struttura oscillante, in cui la struttura ottica à ̈ configurata per focalizzare il fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione in modo che assuma una forma sostanzialmente ovale o ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante. e la cui lunghezza aumenta quando la struttura oscillante si allontana dalla posizione di riposo. Secondo una versione preferita, la struttura ottica per determinare tale forma ellittica comprende un lente sferica di collimazione del fascio riflesso) e una lente sferica di focalizzazione del fascio sul sensore sensibile alla posizione, che à ̈ ruotata attorno al proprio asse per formare un angolo rispetto all’asse individuato dal fascio riflesso.

Inoltre, la struttura ottica prevede, secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, un sistema di focalizzazione che prevede di espandere il fascio laser prima di focalizzarlo sulla struttura oscillante.

In figura 1 à ̈ rappresentato schematicamente un sistema di misura a struttura oscillante, in particolare per la rilevazione di batteri o molecole 10 secondo l’invenzione.

Tale sistema di misura 10 comprende sostanzialmente una camera ad atmosfera controllata 22 nella quale sono dispose una o più strutture oscillanti, in particolare uno o più cantilever 15. Per comodità d’esempio, qui si farà riferimento al caso di un solo cantilever, anche se in generale vengono impiegate schiere di cantilever affiancati, che riflettono molteplici spot laser. La camera ad atmosfera controllata 22 à ̈ collegata a una pompa a vuoto 32 in modo da operare sotto condizioni di vuoto. La camera ad atmosfera controllata 22 à ̈ posizionata al di sopra di un posizionatore X-Y 24 in modo da poter allineare la posizione del cantilever 15 operando su due assi ortogonali nel piano orizzontale XY.

La posizione del cantilever 15 Ã ̈ rilevata da un sistema ottico che comprende sostanzialmente una sorgente laser 11a che emette un fascio laser 20a verso la superficie del cantilever 15. Tale superficie del cantilever 15 produce un fascio laser riflesso 20b la cui posizione, o spostamento angolare, viene rilevata da un sensore di posizione PSD (Position Sensing Detector) 18.

In figura 1 con I à ̈ indicato l’asse ottico del fascio incidente 20a, con R l’asse ottico del fascio riflesso 20b, mentre con L à ̈ indicato un asse longitudinale, perpendicolare all’asse R del fascio laser 20b, che corrisponde alla direzione di oscillazione del fascio laser riflesso 20b sul sensore di posizione 18, come meglio dettagliato in figura 4.

E’ previsto inoltre un amplificatore lock-in 26 che controlla la sorgente laser 11a e il sensore PSD 18, in modo da migliorare il rapporto segnale rumore. Il segnale rilevato dall’amplificatore lock-in 26 à ̈ inviato a un’elettronica di acquisizione 28, che fornisce poi i valori acquisiti e convertiti a un computer 30. Il sistema di misura 10 comprende anche un microscopio a CCD 34, le cui immagini sono visibili attraverso il computer 30 e servono a operare l’allineamento tramite il posizionatore 24, anch’esso controllato dal computer 30.

La camera ad atmosfera controllata 22 determina l’ambiente in cui viene alloggiata la struttura oscillante, ossia il cantilever 15. In tale camera 22 à ̈ compresa una piattaforma vibrante azionata da un disco piezoelettrico che eccita la struttura oscillante, ossia opera da attuatore. La pompa 32 preferibilmente comprende una pompa primaria a membrana e una pompa turbo molecolare da alto vuoto per permettere di avere differenti valori di pressione nella camera 22.

Il posizionatore X-Y 24 comprende slitte per la movimentazione della camera 22 ed à ̈ accoppiato al microscopio 34 per individuare, ad esempio con accuratezza di circa 2,5 micrometri il punto di misura ed allinearlo con lo spot del fascio laser focalizzato, che ha un diametro di 25 micrometri ).

Nella misura il lock-in 26 sincronizza il fascio laser con il sensore 18.

A questo riguardo, il sensore di posizione 18 per rilevare la posizione del fascio laser riflesso dal cantilever 15 Ã ̈ un dispositivo PSD (Position Sensing Detector) del tipo 2D-duo lateral effect.

Il sensore del tipo noto come PSD (Position sensitive device) ha una superficie isotropica con struttura vettoriale che fornisce dati di posizione continui. I sensori di posizione di tipo PSD possono anche essere sensori con superficie costituita da sensori discreti che forniscono dati discreti locali. Nell’esempio, il sensore utilizzato à ̈ di tipo commerciale ed à ̈ caratterizzato da elevati tempi di salita/discesa del segnale, nonché un’area utile quadrata di 2 x 2 mm.

Il fascio laser deflesso dal micro-cantilever 15 incide all’interno dell’area attiva del sensore di posizione 18 PSD generando una fotocorrente che fluisce attraverso uno strato resistivo, risultando disponibile sui contatti presenti sul sensore di posizione 18. La posizione relativa del fascio viene ricavata dalla misura delle suddette correnti. Nelle modalità di funzionamento del sistema di misura 10 secondo l’invenzione il segnale da misurare consiste in un segnale a frequenza nota fpmodulato in ampiezza dal segnale prodotto dal sensore di posizione 18. La frequenza nota fpà ̈ quella di un segnale di riferimento utilizzata per l’eccitazione del trasduttore piezoelettrico che attua in oscillazione i cantilever 15.

L’utilizzo di un lock-in 26, come noto al tecnico del settore, consente la rilevazione di segnali di piccola entità (modulati con una portante nota, quale ad esempio la portante a frequenza fp) in ambienti molto rumorosi. Nella misura operata attraverso il sistema di misura 10 sono in particolare presenti diverse sorgenti di rumore: la luce ambiente, i disturbi elettromagnetici ad alta frequenza provenienti dalle apparecchiature circostanti, i disturbi a bassa frequenza dovuti alla rete elettrica, i disturbi a bassissima frequenza dovuti ai cambiamenti di temperatura.

La risoluzione necessaria nel rilevamento della posizione del fascio laser riflesso 20b deve essere elevata per garantire una misura precisa e di qualità. Tale risoluzione risulta strettamente legata al rumore di fondo presente. Il lock-in 26 consente l’ amplificazione del segnale di piccola ampiezza prodotto dal sensore di posizione 18, che altrimenti risulterebbe annegato nel rumore rendendo impraticabile la misura. La funzione espletata dall’amplificatore lock-in 26 può essere semplicemente descritta come quella di un filtro passa banda molto stretto, che segue l’andamento della portante in modo da eliminare segnali a frequenza non voluta.

L’amplificatore lock-in 26 nella forma realizzativa d’esempio opera la generazione del segnale di riferimento per attuare il cantilever 15, in particolare genera un segnale di riferimento adatto all’attuazione del carico capacitivo offerto dal trasduttore piezoelettrico impiegato per movimentare il cantilever 15. L’amplificatore lock-in 26 per ciascuna misura effettua una scansione in frequenza del segnale di attuazione in un intervallo di frequenze selezionabile dall’utente.

Il segnale in ingresso all’amplificatore lock-in 26 dal sensore 18, secondo tecniche di amplificazione lock-in di per sé note al tecnico del settore, viene moltiplicato per il segnale di riferimento, ossia la portante a frequenza fp ed integrato in un intervallo di tempo, anch’esso selezionabile, ottenendo così il profilo di ampiezza e di fase desiderato.

L’elaboratore 30 à ̈ configurato per controllare, attraverso la scheda 27, sia la camera 22 e la relativa pompa 32, sia la sorgente laser 11a e il posizionatore 24. L’amplificatore lock-in 26, come detto, generare il segnale di riferimento a frequenza fp per il cantilever 15, e acquisisce il segnale del sensore di posizione 18, ma in generale comunica in scambio di dati con la scheda 28 e l’elaboratore 30, dal quale può venire eventualmente controllato.

Per quanto riguarda il funzionamento del sistema ottico del sistema di misura 10, la sorgente laser 11a, che può essere realizzata ad esempio attraverso un diodo laser, à ̈ accoppiata a una fibra ottica 11 e genera il fascio laser incidente 20a verso tale fibra ottica 11. Tale fascio laser incidente 20a incontra quindi, in uscita dalla fibra ottica 11, una lente asferica di collimazione del fascio 12 e poi un sistema ottico di espansione del fascio 13, o beam expander. Il beam expander 13 à ̈ un dispositivo ottico di per sé noto, nell’esempio à ̈ impiegato un beam expander di tipo galileiano, con una prima lente piano concava 13a e una seconda lente piano convessa 13b. A valle proseguendo lungo il cammino ottico del fascio laser incidente 20a à ̈ posta quindi una lente sferica di focalizzazione del fascio incidente 14 che focalizza il fascio incidente 20a sul cantilever 15. Come detto, dal cantilever 15 il fascio incidente 20a viene riflesso e qui quindi identificato come fascio riflesso laser 20b. Tale fascio riflesso laser 20b incontra una lente sferica di collimazione del fascio riflesso 16 e successivamente una lente sferica di focalizzazione 17 del fascio 20b sul sensore di posizione 18. Tale lente sferica di focalizzazione 17 non ha il proprio asse ottico parallelo all’asse del fascio riflesso 20a, ma à ̈ bensì ruotato intorno a un proprio asse di rotazione T. Tale asse di rotazione T à ̈ perpendicolare all’asse ottico della lente 17 lungo il quale o parallelamente al quale si propaga il fascio riflesso 20b sul proprio asse R. Tale asse di rotazione T à ̈ inoltre parallelo alla direzione di oscillazione dello spot laser sulla superficie del sensore 18, ossia all’asse longitudinale L.

Esaminando i componenti del sistema ottico del sistema di misura 10 in dettaglio nella forma realizzativa descritta e la loro funzione, la sorgente laser 11a utilizzata per la rilevazione della deflessione dei cantilever à ̈ realizzata ad esempio attraverso un diodo laser con lunghezza d’onda di emissione di 635 nm e potenza ottica emessa, a monte del lancio nella fibra ottica 11, di 35 mW. La sorgente laser 11a focalizza il fascio 20a tramite una propria lente di focalizzazione, che à ̈ normalmente inclusa nei diodi laser, anche di tipo commerciale, sulla fibra ottica 11 che à ̈ una fibra ottica con core di 700 µm e lunghezza 1 m, monomodale. E’ previsto di scegliere una fibra ottica monomodale al fine di perseguire uno degli scopi principali del sistema di misura secondo l’invenzione, ossia ottenere spot piccoli sui cantilever 15, condizione che richiede un fascio incidente 20a il più possibile gaussiano a monte della focalizzazione, anche a discapito della potenza ottica trasmessa, che infatti, con tali scelte, all’uscita dalla fibra 11 risulta essere circa 7.5 mW.

Il fascio incidente 20a raggiunge quindi la lente asferica di collimazione del fascio 12, che ha una lunghezza focale di 3.5 mm ed à ̈ posta a distanza focale dal fuoco immaginario del fascio ottico uscente dalla fibra 11; la sua funzione à ̈ quella di collimare il fascio ottico 20a riducendone la divergenza. L’uso della superficie asferica invece di una normale sferica permette di ridurre le aberrazioni introdotte dalla lente stessa ed avere in uscita un fascio ottico di qualità più elevata.

Quindi il fascio incidente 20a in uscita dalla lente asferica di collimazione del fascio 12 raggiunge il beam expander 13 che à ̈ configurato nell’esempio mostrato per avere un fattore di magnificazione 3X e ha la funzione di aumentare le dimensioni del fascio incidente 20a a monte della lente di focalizzazione 14. Infatti il diametro dello spot laser su un punto di focalizzazione, ad esempio sul campione o sul cantilever, à ̈ inversamente proporzionale al diametro del fascio prima della focalizzazione, come indicato nella seguente equazione (1):

D0 = (4 • λ•f • M2)/(π • D) (1) dove D0 indica il diametro del fascio focalizzato sul campione, ossia il diametro dello spot laser 41 sul cantilever 15, indicato in figura 3. λ indica la lunghezza d’onda del fascio 20a, f indica la focale della lente di focalizzazione 14, M2 indica il fattore di qualità del fascio 20a e D indica il diametro del fascio 20a a monte della focalizzazione 14

Il beam expander 13 viene quindi impiegato per ottenere spot laser sul cantilever 15 della dimensione desiderata, nell’esempio realizzativo 25 µm. La lente sferica di focalizzazione 14 ha una focale f di 40 mm e diametro di 1†. In base all’equazione (1) con valori superiori, se il sistema di misura 10 permette i corrispondenti ingombri, à ̈ possibile ottenere uno spot 41 con dimensioni inferiori, ad esempio 20 µm.

I micro-cantilever 15 rappresentano i trasduttori opto-meccanici su cui si basa il funzionamento del sistema. Come già discusso sopra, essi vengono posti in vibrazione da un dispositivo piezo-elettrico, qui non illustrato e raggiungono una determinata frequenza di vibrazione di risonanza che à ̈ funzione delle caratteristiche geometriche del cantilever 15 e dall’eventuale massa di molecole target legate alla sua superficie esposta. L’ampiezza di tali vibrazioni determina lo spostamento angolare, in riflessione, del fascio laser riflesso 20b focalizzato sul sensore di posizione 18. Tali cantilever 15 hanno piccole dimensioni, micrometriche o anche nanometriche, nell’esempio realizzativo in particolare 70 µm, e ciò rende necessario disporre di fasci focalizzati che determinano spot 41 più piccoli di questo limite.

Il fascio 20b incidente sui cantilever 15 à ̈ caratterizzato da una notevole apertura numerica, il sistema di misura secondo l’invenzione prevede perciò un sistema ottica che comprende,lungo il cammino ottico a valle del cantilever 15, un insieme ottico di raccolta dei fasci riflessi 20b e di focalizzazione degli stessi sui sensori 18. Tale insieme ottico, rappresentato dalle lenti 16 e 17, opera per aumentare il più possibile la leva ottica del fascio 20b, cioà ̈ la proiezione longitudinale dello stesso sulla superficie del sensore di posizione 18, per massimizzare l’ampiezza del segnale misurato a parità di vibrazione del cantilever 15, in modo da aumentare il più possibile la sensibilità di misura. Per fare ciò il fascio riflesso 20b viene innanzitutto collimato, tramite la lente 16, così da poter avere meno dispersione del segnale fuori dall’area utile. La lente 16 che opera da ottica di collimazione à ̈ una lente sferica standard, con lunghezza focale di 50 mm.

I fasci riflessi 20b collimati a valle della lente 16 vengono poi focalizzati sul sensore di posizione 18 PSD per mezzo una lente di focalizzazione 17 a lunga focale, in particolare nell’esempio con focale di 100 mm, sferica. In configurazione standard, cioà ̈ posizionando la lente 17 in modo tale che l’asse di tale lente 17 sia parallelo all’asse R del fascio, ossia all’asse ottico del sistema, la cosiddetta configurazione on-axis, degli spot 43 ottenuti sul sensore 18 di posizione sono circolari ed hanno diametro ridotto, ma l’escursione massima degli stessi sul sensore di posizione 18, conseguenza della vibrazione dei cantilever, à ̈ minima, rendendo lo strumento poco sensibile, come mostrato in figura 2 che rappresenta l’escursione massima dello spot laser 43 sul sensore 18 con fascio riflesso circolare, lente 17 in asse. In altre parole, con la configurazione on-axis, con una lente a lunga focale, in corrispondenza delle posizioni estreme assunte dal cantilever durante una vibrazione lo spostamento sul sensore di posizione del fascio focalizzato sarebbe minimo, ed i segnali in uscita sarebbero quindi fortemente attenuati in ampiezza. La risoluzione del sistema nel dominio delle frequenze sarebbe quindi estremamente ridotta.

Al fine di disporre di uno spot 42 di piccola dimensione, ma con grande escursione longitudinale sulla superficie del sensore di posizione 18 à ̈ previsto quindi di operare con la lente 17 ruotata attorno all’asse di rotazione T di un angolo di circa 20°, ossia in modo che l’asse ottico della lente 17 formi circa un angolo di 20° con l’asse R del fascio laser 20 in un piano perpendicolare alla direzione di oscillazione o asse longitudinale L. In questo modo lo spot laser 42 sul sensore di posizione 18 assume una forma di tipo ellittico, non più circolare, ossia una forma con un semiasse maggiore e un semiasse minore. Il semiasse maggiore, parallelo alla direzione di oscillazione dei cantilever 15, à ̈ pari a circa 1,5 volte il semiasse minore in condizioni di riposo, o statiche. Per condizioni di riposo, o statiche, si intende la posizione di riposo quando il cantilever 15 non à ̈ attuato. Lo spot 42 così ottenuto ha una elevata densità di potenza ottica in corrispondenza del proprio centro. Data la forma ellittica del fascio riflesso 20b e la sua disposizione spaziale, le oscillazioni dei cantilever 15 non fanno che deformare ulteriormente l’ellisse, aumentandone l’eccentricità, a vantaggio della leva ottica del sistema di misura 10, come visibile in figura 3, che mostra l’escursione massima dello spot laser 42 sul sensore 18 con il fascio riflesso 20b ellittico e la lente 17 ruotata, e conseguentemente della sua sensibilità di misura.

In figura 2 à ̈ mostrato il funzionamento di un sistema convenzionale, privo in particolare delle lenti 16 e 17, a tre istanti diversi t1, t2, t3, dove t3>t2>t1. Il cantilever 15 oscilla sotto l’effetto dell’attuazione. Al tempo t2corrisponde la posizione cosiddetta statica o di riposo del cantilever 15, mentre al tempo t1corrisponde il punto estremo di oscillazione verso l’alto della punta del cantilever 15 e al tempo t2corrisponde il punto estremo di oscillazione della punta del cantilever 15. Conseguentemente il fascio riflesso 20b determina uno spot 41 al sensore di posizione 18 in tre posizioni diverse. Tale spot 43 mantiene sostanzialmente sempre la stessa forma, corrispondente alla forma circa circolare dello spot 41 focalizzato sul cantilever 15. In figura 2, al tempo t2corrispondente alla posizione di riposo à ̈ anche raffigurato lo spot 41 focalizzato sul cantilever 15. Si sottolinea che, in generale, comunque, le figure 2 e 3 sono semplici schemi illustrativi del principio secondo cui opera l’invenzione, per cui forme, proporzioni e dimensioni di spot, fasci laser e dispostivi possono anche essere fortemente differenti nei sistemi reali da quanto ivi rappresentato.

In figura 3 à ̈ mostrato il funzionamento del sistema di misura 10 secondo l’invenzione, in cui, per effetto delle lenti 16 e 17, al sensore di posizione 18 si ottengono spot 42 dotati di una forma ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante, ossia il cantilever 15 nell’esempio, con la lunghezza di tale semiasse maggiore che varia all’allontanarsi dalla posizione statica.

In figura 4 à ̈ mostrato in dettaglio lo spot 42 ottenuto tramite il sistema di misura 10 al sensore di posizione 18.In tale figura lo spot 42 à ̈ rappresentato tramite curve di livello che indicano una maggiore densità di potenza procedendo verso il centro dello spot 42. Come si può notare, al tempo t2corrispondente alla posizione statica del cantilever 15, lo spot 42 ha una lunghezza del semiasse maggiore l0, allontanandosi verso le posizioni estremali agli istanti t1o t3la lunghezza del semiasse maggiore dello spot 42 aumenta fino a raggiungere un valore maggiore l1.

Dalla descrizione precedente dunque risultano chiari i vantaggi del sistema di misura secondo l’invenzione.

Il sistema di misura secondo l’invenzione vantaggiosamente à ̈ in grado di misurare elevate frequenze proprie grazie al sistema ottico che opera per focalizzare il fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione con una forma ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante.

Tale struttura ottica comprende a tale scopo una lente di focalizzazione sul sensore di posizione a lunga focale ruotata attorno un asse parallelo alla direzione di oscillazione, per formare un angolo fra il proprio asse ottico e l’asse del fascio riflesso. Ciò evita vantaggiosamente la riduzione della leva ottica derivante invece da una lente in asse, che origina una limitata escursione del fascio riflesso sul sensore di posizione a causa dell’elevata lunghezza focale di tale lente di focalizzazione.

Vantaggiosamente, con la struttura ottica proposta, una volta posto in oscillazione il cantilever in una direzione di oscillazione parallela all’asse maggiore dell’ellisse, lo spot si deforma considerevolmente lungo questo asse, mentre invece si mantiene sostanzialmente invariato lungo l’altro asse. La rotazione della lente di focalizzazione sul sensore di posizione cioà ̈ non genera una semplice traslazione rigida dello spot come nel caso di lente on-axis, ma una traslazione longitudinale dello spot combinata con una deformazione mono-assiale nella stessa direzione: questi due fattori simultanei permettono vantaggiosamente di massimizzare da un lato la densità di potenza ottica incidente sul sensore di posizione (spot piccolo), e conseguentemente il rapporto segnale/rumore misurato, dall’altro di massimizzare la leva ottica del sistema poiché il fascio riflesso sfrutta l’intera superficie della PSD nell’ambito di un’oscillazione completa picco-picco di un cantilever.

Inoltre il sistema di misura secondo l’invenzione comprende vantaggiosamente un sistema di focalizzazione che comprende mezzi per espandere il fascio laser generato dalla sorgente laser prima di focalizzarlo sulla struttura oscillante. Il sistema di focalizzazione a monte del cantilever opera per ridurre il più possibile le dimensioni dello spot laser. Ciò incrementa la risoluzione spaziale dell’intero sistema di misura. Oltre all’incremento della risoluzione, tale sistema di focalizzazione secondo l’invenzione ha come ulteriore conseguenza l’incremento di densità di potenza ottica del fascio sul sensore di posizione, cioà ̈ la distribuzione del fascio su un’area più ridotta. Poiché il sensore di posizione misura l’intensità dei segnali che lo colpiscono, maggiore à ̈ la densità di potenza ottica del fascio, maggiore à ̈ l’ampiezza dei segnali letti a parità di ampiezza di vibrazione dei cantilever, e migliore à ̈ quindi la qualità del segnale in uscita in termini di rapporto segnale/rumore (elevata dinamica del segnale). Dunque il sistema di focalizzazione del fascio a monte dei cantilever contribuisce a ottimizzare le performance dinamiche del sistema di raccolta del fascio riflesso a valle degli stessi.

In definitiva, quindi, il sistema di focalizzazione a monte del cantilever aumenta la risoluzione del sistema di misura, ma coopera anche sinergicamente con il sistema di focalizzazione del raggio riflesso per migliorare ulteriormente la dinamica del sistema di misura.

Il sistema di misura secondo l’invenzione, presenta i seguenti vantaggi rispetto a sistemi che impiegano una lente cilindrica in asse per ottenere fasci o spot ellittici:

- non determina una semplice traslazione rigida dello spot, che causa una riduzione della leva ottica, abbinando invece la deformazione mono-assiale derivata dalla vibrazione del cantilever, come menzionato in precedenza;

- la densità di potenza degli spot ellittici ottenuti à ̈ maggiore rispetto a quella ottenibile da una lente cilindrica, dove uno dei due assi (quello generato dalla faccia piana della lente) non viene focalizzato, ma lasciato libero. Ciò comporta un abbassamento della sensibilità del sensore e per conseguenza un rapporto segnale/rumore più basso rispetto alla soluzione secondo l’invenzione ,che prevede preferibilmente una lente piano convessa ruotata. Una dinamica del sensore più elevata comporta da un lato un aumento della risoluzione del sistema di misura (cioà ̈, ad esempio, la massa di molecole target minima rilevabile con lo strumento diminuisce), dall’altro permette di poter utilizzare alcune tipologie di cantilever per le misure: uno spessore del cantilever più elevato infatti determina una frequenza di risonanza caratteristica elevata ed un’ampiezza di oscillazione minore a parità di eccitazione piezoelettrica. Questi due fattori fanno sì che si necessiti di elevate dinamiche del sensore per effettuare una misura, dinamiche che sono raggiungibili dal sistema secondo l’invenzione, mentre sono precluse ad altri sistemi, ad esempio comprendenti una lente cilindrica on-axis. Si noti che ruotare una lente cilindrica non sarebbe una soluzione applicabile in quanto le dimensioni dei vari spot laser sulla PSD non sarebbero omogenee, e quindi le misure ottenute su un array di cantilever non sarebbero confrontabili tra loro.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

La struttura ottica per focalizzare il fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione con una forma ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante à ̈ preferibilmente ottenuta tramite la lente sferica di focalizzazione ruotata attorno a un asse parallelo alla direzione di oscillazione per formare un angolo, ad esempio 20°, rispetto all’asse individuato dal fascio riflesso.

Forme realizzative varianti di strutture ottiche varianti per ottenere la variazione di forma del fascio sopra descritta e la conseguente dinamica del segnale di uscita, possono prevedere ad esempio l’uso di un obbiettivo telecentrico a valle del cantilever, cioà ̈ in sostituzione delle lenti 16 ed 17 indicate in figura 1. Gli obbiettivi telecentrici sono obbiettivi ottici compositi che hanno la pupilla d’ingresso o di uscita all’infinito, e pertanto consentono di focalizzare un fascio luminoso in ingresso su piccoli spot in posizioni diverse all’interno del campo di vista dell’obbiettivo stesso a seconda dell’inclinazione che il fascio in ingresso assume rispetto all’asse ottico. Questa soluzione à ̈ più complessa dal punto di vista ottico rispetto alla lente sferica ruotata e la soluzione con la lente ruotata à ̈ comunque preferibile all’uso dell’obbiettivo telecentrico in quanto comporta un costo minore. Inoltre, l’obiettivo telecentrico per un funzionamento ottimale richiede che i raggi entrino nell’obiettivo con cammini pseudo - paralleli all’asse ottico, il che in effetti si realizza in quanto le vibrazioni dei cantilever producono deflessioni dei fasci riflessi molto contenute, ma anche con bassa divergenza. Questa condizione à ̈ più difficile da raggiungere se si impiega il beam expander a monte del cantilever, come descritto con riferimento a figura 1. I fasci riflessi dal cantilever infatti non hanno bassa divergenza, a causa dell’elevata apertura numerica con cui à ̈ stato focalizzato il fascio laser sul cantilever tramite il beam expander. La qualità della rifocalizzazione dei fasci riflessi sul sensore di posizione ad opera del sistema telecentrico non à ̈ pertanto ottimale e anche la dinamica del segnale di uscita può risultare penalizzata rispetto alla forma realizzativa preferita. E’ possibile però pensare di usare tale obiettivo telecentrico in configurazioni in cui il sistema di focalizzazione che comprende mezzi per espandere il fascio laser generato dalla sorgente laser prima di focalizzarlo sulla struttura oscillante non sia presente. E’ altresì possibile, volendo mantenere il beam expander, con l’obiettivo telecentrico, utilizzare anche una lente a lunga focale (ad esempio, 100 mm o maggiore) per focalizzare il fascio sui cantilever: in questo modo infatti lo spot diventa più grande, ma l'apertura numerica del fascio diminuisce.

Una seconda variante della struttura ottica per focalizzare il fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione può prevedere di impiegare in luogo della lente sferica 17 ruotata attorno a un asse parallelo alla direzione di oscillazione una lente fortemente asferica on-axis. Grazie al raggio di curvatura variabile della lente lungo il diametro à ̈ possibile ottenere uno spot ellittico sul sensore di posizione che si deformi in modo progressivo a mano a mano che ci si allontana dall’asse ottico, ossia dalla posizione statica del cantilever. La forma realizzativa preferita con la lente sferica ruotata rispetto a tale soluzione non richiede però lenti di fabbricazione complessa, in quanto la descritta lente dovrebbe essere fortemente asferica e di grande diametro per poter raccogliere i fasci riflessi provenienti dalla lente sferica di collimazione del fascio riflesso 16, e pertanto il controllo sulla precisione della curvatura della lente lungo l’intero diametro risulterebbe difficoltoso dal punto di vista del processo manifatturiero.

Dunque, si evidenzia come diverse possano essere le strutture ottiche disposte a valle del cantilever atte a focalizzare un fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione come rivendicato, ossia con una forma ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante e la cui lunghezza aumenta quando la struttura oscillante si allontana dalla posizione statica. L’adozione per tale struttura ottica di una lente sferica ruotata rispetto all’asse ottico riveste tuttavia di per sé un’altezza inventiva.

Si evidenzia anche come sono ricomprese nel sistema di misura secondo l’invenzione anche forme realizzative comprendenti il solo assieme ottico configurato per focalizzare il fascio laser riflesso dalla struttura oscillante sul sensore di posizione in uno spot avente una forma ellittica con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione della struttura oscillante e la cui lunghezza aumenta quando la struttura oscillante si allontana dalla posizione di riposo, senza il beam expander a monte della struttura oscillante.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di misura a struttura oscillante, comprendente un'unità sensibile comprendente detta struttura oscillante (15), in particolare un braccio a sbalzo o cantilever, suscettibile di oscillare intorno a una posizione di riposo (t2), e un sistema ottico (Ila, 12, 13, 14, 16, 17, 18) per rilevare un movimento di detta struttura oscillante (15) che comprende una sorgente laser (Ila) generante un fascio laser (20a) in direzione della struttura oscillante (15) e un sensore di posizione (18) per rilevare la posizione di un fascio laser (20b) corrispondentemente riflesso dalla struttura oscillante (15) lungo una direzione di oscillazione (L), caratterizzato dal fatto che il sistema ottico (Ila, 12, 13, 14, 16, 17, 18) comprende un assieme ottico (16, 17) configurato per focalizzare il fascio laser (20b) riflesso dalla struttura oscillante (15) sul sensore di posizione (18) in uno spot (42) avente una forma di tipo ellittico con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione (L) della struttura oscillante (15) e la cui lunghezza (1D, li) aumenta quando la struttura oscillante (15) si allontana dalla posizione di riposo (t2).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'assieme ottico (16, 17) configurato per focalizzare il fascio riflesso (20b) dalla struttura oscillante (15) sul sensore di posizione (18) comprende una lente di focalizzazione (17) del fascio (20b) sul sensore di posizione (18), detta lente di focalizzazione (17) essendo ruotata attorno a un proprio asse (T) parallelo alla direzione di oscillazione (L) per formare un angolo rispetto all'asse (R) individuato dal fascio riflesso (20b) tale da determinare al sensore di posizione (18) detto spot (42) avente una forma di tipo ellittico con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione (L) della struttura oscillante (15) e la cui lunghezza (lo, li) aumenta quando la struttura oscillante (15) si allontana dalla posizione di riposo (t2).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la lente di focalizzazione (17) Ã ̈ ruotata di un angolo di circa 20°.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che la lente di focalizzazione (17) Ã ̈ sferica e a lunga focale.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3 o 4, caratterizzato dal fatto che la lente di focalizzazione (17) determina al sensore di posizione (18) spot ellittici (42) con rapporto di circa 1.5 a 1 fra il semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione (L) della struttura oscillante (15) e il semiasse minore.
6. 6. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5, caratterizzato dal fatto che l'assieme ottico (16, 17) configurato per focalizzare il fascio riflesso (20b) comprende una lente sferica di collimazione del fascio riflesso (16) per collimare il fascio riflesso (20b) su detta lente sferica di focalizzazione (17).
7. 7. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che inoltre detto sistema ottico (Ila, 12, 13, 14, 16, 17, 18) comprende un sistema di focalizzazione (11, 12, 13, 14) del fascio laser (20a) generato sulla struttura oscillante (15) che comprende mezzi (13) per espandere il fascio laser (20a) generato dalla sorgente laser (11) prima di focalizzarlo su detta struttura oscillante (15), in particolare un beam expander galileiano.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (13) per espandere il fascio sono posti a monte di una prima lente di focalizzazione (14), in particolare una lente sferica, che focalizza il fascio laser (20a) su detta struttura oscillante(15).
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che i mezzi (13) per espandere il fascio sono configurati per fornire sulla prima lente di focalizzazione (14) un fascio avente un diametro (D) inversamente proporzionale al diametro (DO) del fascio focalizzato sulla struttura oscillante (15) e direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda (λ) del fascio (20a) e alla distanza focale (f) della lente di focalizzazione (14).
10. 10. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura oscillante (15) comprende un cantilever, in particolare un cantilever (15) comprendente una superficie funzionalizzata per la cattura selettiva di un determinato analita.
11. 11. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che à ̈ configurato per misurare tramite il sensore di posizione (18) uno spostamento del fascio riflesso (20b) e in funzione di tale spostamento del fascio riflesso (20b) calcolare una frequenza di vibrazione di risonanza del cantilever (15)
12. 12. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che detta struttura oscillante (15) comprende una membrana.
13. 13. Procedimento di misura a struttura oscillante, che comprende di impiegare quale unità sensibile una struttura oscillante (15), in particolare un braccio a sbalzo o cantilever, e di rilevare otticamente (Ila, 12, 13, 14, 16, 17, 18) un movimento di detta struttura oscillante (15), detta rilevazione ottica comprendendo generare (Ila) un fascio laser in direzione della struttura oscillante e tramite sensore di posizione (18) rilevare la posizione di un fascio laser (20b) corrispondentemente riflesso dalla struttura oscillante (15) lungo una direzione di oscillazione (L) caratterizzato dal fatto di focalizzare il fascio laser (20b) riflesso dalla struttura oscillante (15) sul sensore di posizione (18) in uno spot (42) avente una forma di tipo ellittico con semiasse maggiore parallelo alla direzione di oscillazione (L) della struttura oscillante (15) e la cui lunghezza (1D, li) aumenta quando la struttura oscillante (15) si allontana dalla posizione di riposo (t2).