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WO 2009/112680 PCT/FR2009/000056
Dispositif de spectroscopie en longueur d'onde à filtres intégrés
La présente invention concerne un dispositif de spectroscopie en
longueur d'onde.
L'analyse spectrométrique vise notamment la recherche de constituants
chimiques entrant dans la composition d'un milieu solide, liquide ou gazeux.
Il
s'agit d'enregistrer le spectre d'absorption en réflexion ou en transmission
de ce
milieu. La lumière qui interagit avec celui-ci est absorbée dans certaines
bandes
de longueurs d'onde. Cette absorption sélective est une signature d'une partie
ou'
de l'ensemble des constituants du milieu. La plage de longueurs d'onde du
spectre à mesurer peut appartenir à l'ultra violet et/ou au rayonnement
visible
et/ou à l'infra rouge (proche, moyen, lointain).
Une première solution fait appel au spectromètre à réseau. Dans cet
appareil, le réseau agissant en tant que filtre est disposé à une distance
conséquente du détecteur. La résolution est d'autant meilleure que cette
distance est importante. Il s'ensuit que cet appareil ne peut pas être
miniaturisé
si l'on souhaite conserver une résolution acceptable. De plus, le réglage de
cet
appareil est compliqué et sa stabilité est délicate car il nécessite un
alignement
optique précis.
La plupart des autres spectromètres utilisent au moins un filtre Fabry-
Pérot.
Pour mémoire, un tel filtre est une lame à face parallèle d'un matériau (le
plus souvent d'indice de réfraction faible tel que air, silice, ...) appelé
membrane
d'espacement (plus couramment spacer en terminologie anglo-saxonne),
cette membrane figurant entre deux miroirs. Il est souvent réalisé par dépôt
de
couches minces sous vide. Ainsi, pour un filtre dont la bande passante est
centrée sur une longueur d'onde centrale ?,, le premier miroir consiste en m
alternances de couches d'épaisseur optique ?J4 d'un matériau haut indice H et
d'un matériau bas indice B. La membrane d'espacement consiste fréquemment
en 2 couches du matériau bas indice B d'épaisseur optique ?J4. En général le
second miroir est symétrique du premier. La modification de l'épaisseur
géométrique de la membrane d'espacement permet d'accorder le filtre à la
longueur d'onde centrale pour laquelle l'épaisseur optique vaut un multiple de
2J2.
Dans certains cas, un nombre fini de bandes passantes relativement
fines (c'est-à-dire un spectre discret par opposition à un spectre continu)
est
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suffisant pour identifier les constituants recherchés, si bien que la première
solution mentionnée ci-dessus n'est pas optimisée.
Une deuxième solution connue prévoit un module de filtrage comportant
un filtre par bande à analyser. Si le nombre de bandes vaut n, la réalisation
de n
filtres passe donc par n fabrications distinctes en dépôt sous vide. Le coût
est
ainsi très important (et quasi-proportionnel au nombre n de bandes) pour les
petites séries et ne devient réellement intéressant que pour des séries
suffisamment importantes. De plus, ici aussi les possibilités de
miniaturisation
sont très limitées et il est difficilement envisageable de prévoir un grand
nombre
de filtres.
Une troisième solution connue met en oeuvre un module de filtrage du
type Fabry-Pérot, les deux miroirs n'étant plus parallèles mais agencés en
forme
de coin pour ce qui concerne le profil dans un plan perpendiculaire au
substrat.
Dans ce plan repéré Oxy, les axes Ox et Oy étant respectivement colinéaire et
perpendiculaire au substrat, l'épaisseur selon Oy de la membrane d'espacement
varie linéairement en fonction de la position selon Ox où elle est mesurée.
Le document US 2006 / 0209413 enseigne un dispositif de spectroscopie
en longueur d'onde comportant un tel module de filtrage. Il s'ensuit que la
longueur d'onde d'accord varie ici de manière continue selon l'axe Ox. En
premier lieu, le contrôle du procédé couches minces est ici très
périlleux. En
second lieu la fabrication collective de plusieurs modules de filtrage sur un
même
wafer pose de grandes difficultés de reproductibilité d'un filtre à l'autre.
En
troisième lieu, la variation continue de l'épaisseur qui peut présenter un
avantage
dans certaines circonstances est mal adaptée au cas où un détecteur doit être
centré sur une longueur d'onde bien précise. En effet, la taille de ce
détecteur
fait qu'il va détecter toutes les longueurs d'onde comprises entre celles sur
lesquelles sont accordées ses deux extrémités. Là encore, la production en
volume à bas coût n'est pas très réaliste.
La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de spectroscopie en
longueur d'onde permettant de mesurer un spectre en transmission ou en
réflexion composé d'un nombre fini de filtres, ce dispositif présentant une
grande
simplicité mécanique et, partant, un coût des plus limités.
Selon l'invention, un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde
comporte sur un substrat un module de filtrage constitué de deux miroirs
séparés
par une membrane d'espacement ; de plus, ce module de filtrage comporte une
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pluralité de filtres interférentiels, l'épaisseur de la membrane d'espacement
étant
constante pour un filtre donné et variant d'un filtre à l'autre.
Le nombre d'opérations en technologie couches minces est de fait
considérablement réduit et il n'est plus nécessaire d'assembler les différents
filtres sur un support commun.
Avantageusement, l'un au moins de ces filtres a une fonction de transfert
passe-bande.
De plus, certains au moins de ces filtres sont alignés dans un premier
ruban.
D'autre part, certains au moins de ces filtres sont alignés dans un second
ruban parallèle au et disjoint du premier ruban.
Par ailleurs, deux au moins de ces filtres qui sont adjacents sont séparés
par une barrière de diaphonie.
Préférentiellement, le dispositif comporte de plus un détecteur
comprenant une pluralité de compartiments, chaque compartiment actif étant
dédié à un des filtres et optiquement aligné avec celui-ci pour détecter le
rayonnement qu'il émet au moyen d'au moins une cellule de détection.
De plus, un compartiment étant muni de plusieurs cellules de détection,
le dispositif comprend des moyens pour produire un signal en combinant les
signaux de sortie de ces cellules.
De préférence, le détecteur est intégré en technologie CMOS.
Suivant une première option, le substrat est constitué par une interface
figurant sur ce détecteur.
Suivant une autre option, le dispositif comporte une optique d'imagerie
pour adapter la taille des filtres à celle du détecteur.
La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le
cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre
illustratif
en se référant aux figures annexées qui représentent :
- la figure 1, le schéma de principe d'un module de filtrage à une
dimension, plus particulièrement :
- la figure la, une vue de dessus de ce module, et
- la figure 1 b, une vue en coupe de ce module ;
- la figure 2a à 2c, trois étapes d'un premier mode de réalisation de ce
module de filtrage ;
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- la figure 3a à 3fc, six étapes d'un deuxième mode de réalisation de
ce module de filtrage ;
- la figure 4, le schéma de principe d'un module de filtrage à deux
dimensions ;
- les figure 5a à 5f, chacune un masque susceptible d'être utilisé lors
d'une étape de gravure ;
- la figure 6, un schéma d'un module de filtrage à 64 filtres muni d'un
quadrillage d'écrantage ;
- la figure 7, le schéma d'un dispositif de spectroscopie comportant un
module de filtrage directement associé à un détecteur ; et
- la figure 8, le schéma d'un dispositif de spectroscopie comportant un
module de filtrage associé à un détecteur par l'intermédiaire d'une
optique d'imagerie.
Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule
et même référence.
En référence aux figures la et lb, un module de filtrage comporte trois
filtres interférentiels du type Fabry-Pérot FP1, FP2, FP3 alignés
successivement
de sorte qu'ils forment un ruban.
Ce module est constitué par l'empilement sur un substrat SUB, en verre
ou en silice par exemple, d'un premier miroir Ml, d'une membrane d'espacement
SP et d'un deuxième miroir MIR2.
La membrane d'espacement SP qui définit la longueur d'onde centrale
de chaque filtre est donc constante pour un filtre donné et varie d'un filtre
à
l'autre. Son profil a une forme d'escalier car chaque filtre a une surface
sensiblement rectangulaire.
Un premier procédé de réalisation du module de filtrage en technologie
couches minces est donné à titre d'exemple.
En référence à la figure 2a, on commence par déposer sur le substrat
SUB le premier miroir MIR1 puis une couche ou un ensemble de couches
diélectriques TF appelé à définir la membrane d'espacement SP.
En référence à la figure 2b, ce diélectrique est gravé :
- dans un premier temps au niveau des deuxième FP2 et troisième
FP3 filtres pour définir l'épaisseur de la membrane d'espacement SP
au niveau du 2ème filtre FP2,
- dans un deuxième temps au niveau du troisième filtre FP3 pour
définir à son niveau l'épaisseur de cette membrane.
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La membrane d'espacement SP au niveau du premier filtre FPI a
l'épaisseur du dépôt.
En référence à la figure 2c, le deuxième miroir MIR2 est déposé sur la
membrane d'espacement SP pour finaliser les trois filtres.
5 La membrane d'espacement SP peut être obtenue par dépôt d'un
diélectrique TF puis gravures successives comme présenté ci-dessus mais elle
peut également être obtenue par plusieurs dépôts successifs de couches
minces.
A titre d'exemple, on peut balayer la plage de longueurs d'onde 800 à
1 000 nm en modifiant l'épaisseur optique de la membrane d'espacement de
1,4 10/2 à 2,6 A0/2 (pour Io = 900 nm et n=1,45 tandis que e varie entre 217
nm
et 403 nm).
Il convient ici de noter que l'épaisseur de la membrane d'espacement
doit être suffisamment faible pour n'obtenir qu'une bande de transmission dans
le domaine à sonder. En effet, plus on augmente cette épaisseur, plus le
nombre
de longueurs d'onde satisfaisant la condition [ne = k 1/2] augmente.
Un deuxième procédé de réalisation du module de filtrage est
maintenant exposé.
En référence à la figure 3a, on commence par pratiquer une oxydation
thermique d'un substrat SIL en silicium sur sa face inférieure OX1 et sur sa
face
supérieure OX2.
En référence à la figure 3b, les faces inférieure OX1 et supérieure OX2
du substrat sont recouvertes respectivement d'une couche inférieure PHR1 et
d'une couche supérieure PHR2 de résine photosensible. Ensuite, une ouverture
rectangulaire est pratiquée dans la couche inférieure PHR1 par
photolithographie.
En référence à la figure 3c, l'oxyde thermique de la face inférieure 0X1
est gravé au droit de l'ouverture rectangulaire pratiquée dans la couche
inférieure
PHR1. Les couches inférieure PHR1 et supérieure PHR2 sont alors retirées.
En référence à la figure 3d, on réalise une gravure anisotrope du substrat
SIL (orientation cristallographique 1 - 0 - 0 par exemple) au droit de
l'ouverture
rectangulaire, l'oxyde thermique de la face inférieure OX1 servant de masque
et
celui de la face supérieure OX2 servant de couche d'arrêt de gravure. Il peut
s'agir soit d'une gravure humide au moyen d'une solution de potasse (KOH) ou
de triméthyl ammonium hydroxyle (TMAH) soit d'une gravure sèche en plasma. Il
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résulte de cette opération que seule subsiste au fond de l'ouverture
rectangulaire
une membrane d'oxyde.
En référence à la figure 3e, cet oxyde est gravé :
- dans un premier temps au niveau des deuxième FP2 et troisième
FP3 filtres pour définir l'épaisseur de la membrane d'espacement SP
au niveau du 2ème filtre FP2,
- dans un deuxième temps au niveau du troisième filtre FP3 pour
définir à son niveau l'épaisseur de cette membrane SP.
En référence à la figure 6f, les premier Ml et deuxième M2 miroirs sont
déposés sur les faces inférieure OX1 et supérieure OX2 du substrat SIL.
On peut éventuellement terminer la réalisation du module de filtrage en
déposant une couche de passivation (non représentée) sur l'une et/ou sur
l'autre
des faces inférieure OX1 et supérieure OX2.
L'invention permet donc de réaliser un ensemble de filtres alignés, ces
filtres pouvant ainsi être référencés dans un espace à une dimension.
En référence à la figure 4, l'invention permet également d'organiser de
tels filtres dans un espace à deux dimensions. Une telle organisation est
souvent
dénommée matricielle.
Quatre rubans horizontaux identiques comprennent chacun quatre filtres
interférentiels. Le premier ruban, celui qui apparaît en haut de la figure,
correspond à la première ligne d'une matrice et comprend les filtres IF11 à
IF14.
Le deuxième, le troisième, respectivement le quatrième ruban comprend les
filtres IF21 à IF24, les filtres IF31 à IF34, respectivement les filtres IF41
à IF44.
L'organisation est dite matricielle car le filtre IFjk appartient au jème
ruban horizontal et également à un kième ruban vertical qui comprend les
filtres
IF1k, IF2k, ..., IF4k.
Le procédé de réalisation du module de filtrage peut être analogue à l'un
quelconque des deux procédés décrits plus haut.
On commence donc par déposer sur le substrat le premier miroir puis un
diélectrique. Ce diélectrique est gravé :
- en référence à la figure 5a, au moyen d'un premier masque MAI qui
cache les deux premiers rubans horizontaux IF11-IF14 et IF21-IF24,
- en référence à la figure 5b, au moyen d'un second masque MA2 qui
cache les premier IF11-IF14 et troisième IF31-IF34 rubans
horizontaux,
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- en référence à la figure 5c, au moyen d'un troisième masque MA3 qui
cache les premier IF11-IF41 et deuxième IF12-IF42 rubans verticaux,
et
- en référence à la figure 5d, au moyen d'un quatrième masque MA4
qui cache les premier IF11-IF41 et troisième IF13-IF43 rubans
verticaux.
Ensuite, le deuxième miroir est déposé sur la membrane d'espacement
ainsi gravée pour finaliser les 16 filtres de la matrice 4-4.
La gravure d'une même profondeur au moyen des différents masques
présente peu d'intérêt. Par contre, si l'on souhaite obtenir une progression
régulière de l'épaisseur des filtres, on peut procéder comme suit :
- gravure d'une profondeur p au moyen du quatrième masque MA4,
- gravure d'une profondeur 2p au moyen du troisième masque MA3,
- gravure d'une profondeur 4p au moyen du deuxième masque MA2, et
- gravure d'une profondeur 8p au moyen du premier masque MAI.
Accessoirement, on remarque que, par un processus itératif, en utilisant
un cinquième masque MA5 représenté à la figure 5e et un sixième masque MA6
représenté à la figure 5f, on transforme la matrice 4-4 visée ci-dessus en
matrice
8-8 comportant 64 filtres interférentiels.
Le cinquième masque MA5, comme suite logique aux premier MAI et
deuxième MA2 masques, représente une alternance horizontale de quatre
couples ruban noir - ruban blanc.
De même, le sixième masque MA6, comme suite logique aux troisième
MA3 et quatrième MA4 masques, représente une alternance verticale de quatre
couples ruban noir- ruban blanc.
En référence à la figure 6, il est souhaitable de bien séparer les différents
filtres du module de filtrage afin d'éviter un recouvrement partiel d'un
filtre sur un
filtre qui lui est adjacent et de minimiser un éventuel problème de diaphonie.
Pour ce faire, on peut ajouter sur le module de filtrage un quadrillage (en
noir sur
la figure) constituant une barrière de diaphonie pour délimiter tous les
filtres. Ce
quadrillage sera absorbant si ce module est utilisé en réflexion ou bien
réfléchissant si celui-ci est employé en transmission. A titre d'exemple, un
quadrillage absorbant peut être réalisé par dépôt et gravure d'un chrome noir
(chrome + oxyde de chrome) tandis qu'un quadrillage réfléchissant peut être
réalisé par dépôt et gravure de chrome.
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A titre indicatif, la dimension des filtres est de l'ordre de 300x300
microns. D'autres tailles de filtre sont bien sûr possibles cependant, la
taille doit
être suffisante pour éviter des phénomènes de diffraction trop marqués.
Le module de filtrage peut présenter une organisation de ces filtres en
ligne, matricielle', hexagonale ou de toute autre nature. La forme des filtres
peut
être quelconque (carrée, rectangle, hexagonale, ...).
Le module de filtrage est prévu pour être associé à un détecteur à même
de mesurer les flux lumineux produits par au moins certains des filtres si ce
n'est
la totalité de ceux-ci. Ce détecteur est donc formé d'une pluralité de
compartiments, chaque compartiment actif étant dédié à un filtre spécifique.
Suivant une caractéristique additionnelle de l'invention, le détecteur est
intégré. Lorsque le rayonnement utile est compris entre 350 et 1 100
nanomètres, il est de préférence réalisé en technologie CMOS.
En référence à la figure 7, on reprend le module de filtrage MF qui est
présenté à la figure 4 en l'utilisant en transmission. Celui-ci est
optiquement
aligné avec le détecteur DET dont les compartiments sont homothétiques des
filtres. Ainsi, le premier CP11, le deuxième CP12, respectivement le troisième
CP13 compartiment est prévu pour recevoir le flux lumineux transmis par le
premier IF11, le deuxième IF12, respectivement le troisième IF13 filtre. De
manière plus générale, le compartiment CPjk qui appartient à la jième ligne et
à
la kième colonne du détecteur DET reçoit le rayonnement transmis par le filtre
lFjk qui appartient à la jième ligne et à la kième colonne du module de
filtrage
MF. Avantageusement, un compartiment est muni de plusieurs cellules de
détection indépendantes car celles-ci ont couramment une taille de l'ordre de
6
microns. On prévoit alors des moyens pour produire un signal d'estimation du
flux lumineux reçu par ce compartiment en combinant les signaux de sortie de
ces différentes cellules. Il est ainsi possible de faire la moyenne de ces
signaux
de sortie, d'éliminer ceux de ces signaux qui s'éloignent sensiblement de
cette
moyenne ou d'effectuer tout traitement connu de l'homme du métier.
Le montage est très simple car il comporte peu de pièces optiques et il
ne comporte pas de pièce mobile. La mesure est en conséquence très stable et
très reproductible.
Le montage peut même être supprimé si le module de filtrage est intégré
directement sur une interface du détecteur. Cette interface peut être une
couche
de passivation ou bien directement la face supérieure de ce détecteur.
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En référence à la figure 8, le dispositif de spectroscopie comprend une
optique d'imagerie OPT tel qu'un objectif agencée entre le module de filtrage
MF
et le détecteur DET. Cette optique. a pour but d'adapter la taille du module
de
filtrage MF à celle du détecteur DET. Elle peut réaliser un aggrandissement ou
une réduction. Dans ce dernier cas, on augmente le flux lumineux reçu par le
détecteur dans le rapport de la surface du module de filtrage à celle de ce
détecteur.
Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été
choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible
de
répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre
cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un
moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.
