FR2791134A1 - Miniaturized photoacoustic detection device has infrared source mounted on first support, pressure detector mounted on second support and chamber containing gas to be measured - Google Patents

Miniaturized photoacoustic detection device has infrared source mounted on first support, pressure detector mounted on second support and chamber containing gas to be measured Download PDF

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Abstract

The device has an infrared source (2) mounted on a first support (1), a pressure detector (6) mounted on a second support (5). A chamber containing the gas to be measured is formed by the support assembly with a mechanical structure (10, 11) forming a cavity (12) which encloses the infrared source and the pressure detector. The structure allows the gas to be introduced into the cavity. The mechanical structure is in a porous material or has at least one opening through which the gas can be introduced. The first support has connections allowing electrical supply to the infrared source from outside the cavity. The pressure detector is a capacitative type detector. The second support has connections allowing the electrical signal from the detector to be sent outside the cavity. The infrared source is a heat source and includes an optical filter fixed to the source, or it is an electroluminescent diode or laser diode. The mechanical structure is in the form of a ring.

Description

DETECTEUR PHOTOACOUSTIQUE INTEGREINTEGRATED PHOTOACOUSTIC DETECTOR

Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne un détecteur photoacoustique. Plus particulièrement, l'invention concerne un détecteur photoacoustique miniaturisé utilisé pour  TECHNICAL FIELD AND PRIOR ART The present invention relates to a photoacoustic detector. More particularly, the invention relates to a miniaturized photoacoustic detector used for

l'analyse de gaz.gas analysis.

Le principe de la détection photoacoustique pour l'analyse de gaz a été développé dans l'article de J. Christensen intitulé "The Bruel Kjaer Photoacustic Transducer System and its physical Properties". Le dispositif décrit dans ce document comporte: - une source chaude infrarouge, - un "chopper" (ou "hacheur") mécanique, qui module l'intensité de la source, un filtre optique interférentiel, - une cuve cylindrique, - deux microphones appariés, la somme des signaux issus de ces microphones permettant de doubler le signal photoacoustique et d'annuler le bruit dû aux  The principle of photoacoustic detection for gas analysis was developed in the article by J. Christensen entitled "The Bruel Kjaer Photoacustic Transducer System and its physical Properties". The device described in this document comprises: - an infrared hot source, - a mechanical "chopper" (or "chopper"), which modulates the intensity of the source, an interference optical filter, - a cylindrical tank, - two paired microphones , the sum of the signals coming from these microphones making it possible to double the photoacoustic signal and to cancel the noise due to

vibrations externes.external vibrations.

Dans ce dispositif, on éloigne la source de la cuve afin d'éviter tout échauffement du gaz. A cette fin, l'utilisation d'un miroir ellipsoidal couplé à la source permet de réaliser une collimation adéquate du  In this device, the source is moved away from the tank in order to avoid any heating of the gas. To this end, the use of an ellipsoidal mirror coupled to the source allows an adequate collimation of the

faisceau lumineux.light bleam.

La demande de brevet WO-96/24831 divulgue un détecteur photoacoustique constitué d'une chambre  Patent application WO-96/24831 discloses a photoacoustic detector consisting of a chamber

contenant un gaz à mesurer et d'un capteur de pression.  containing a gas to be measured and a pressure sensor.

La chambre contenant le gaz à mesurer est traversée par un faisceau lumineux infrarouge partiellement absorbé par le gaz. Les variations de pression du gaz induites du fait de. l'absorption partielle du faisceau lumineux sont détectées par le capteur de pression. Dans ce dispositif, la source émettrice du faisceau infrarouge  The chamber containing the gas to be measured is crossed by an infrared light beam partially absorbed by the gas. The gas pressure variations induced by. the partial absorption of the light beam is detected by the pressure sensor. In this device, the source emitting the infrared beam

est également séparée du détecteur photoacoustique.  is also separate from the photoacoustic detector.

Le brevet US-4,818,882 divulgue un analyseur de gaz photoacoustique comprenant une source de lumière, un modulateur, un filtre optique, une chambre de mesure, un microphone relié à la chambre. Les différents éléments qui constituent l'analyseur sont  US Patent 4,818,882 discloses a photoacoustic gas analyzer comprising a light source, a modulator, an optical filter, a measurement chamber, a microphone connected to the chamber. The different elements that make up the analyzer are

séparés les uns des autres.separated from each other.

Selon l'art connu, il n'existe donc pas de détecteur photoacoustique permettant d'intégrer, dans une même structure, les différents éléments que sont la source infrarouge, la chambre contenant le gaz à  According to known art, there is therefore no photoacoustic detector making it possible to integrate, in the same structure, the different elements that are the infrared source, the chamber containing the gas to

mesurer et le capteur de pression.measure and the pressure sensor.

Les détecteurs de l'art connu sont des  The detectors of the known art are

dispositifs encombrants.bulky devices.

Exposé de l'inventionStatement of the invention

L'invention ne présente pas cet inconvénient.  The invention does not have this drawback.

En effet, l'invention concerne un dispositif de détection photoacoustique comprenant une source infrarouge, un capteur de pression et une chambre contenant un gaz à mesurer. La source infrarouge est fixée sur un premier support, le capteur de pression est fixé sur un deuxième support, la chambre est constituée par l'assemblage des premier et deuxième supports avec une structure mécanique de façon à constituer une cavité renfermant la source infrarouge et le capteur de pression, la structure mécanique permettant une introduction du gaz à l'intérieur de la cavité. Un.avantage de l'invention est de réaliser un dispositif de détection photoacoustique compact et peu encombrant.  Indeed, the invention relates to a photoacoustic detection device comprising an infrared source, a pressure sensor and a chamber containing a gas to be measured. The infrared source is fixed on a first support, the pressure sensor is fixed on a second support, the chamber consists of the assembly of the first and second supports with a mechanical structure so as to constitute a cavity containing the infrared source and the pressure sensor, the mechanical structure allowing an introduction of the gas inside the cavity. An advantage of the invention is to provide a compact and space-saving photoacoustic detection device.

Brève description des figuresBrief description of the figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures ci-annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - La figure 3 représente une mise en oeuvre particulière d'un dispositif de détection  Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading a preferred embodiment of the invention, made with reference to the appended figures, among which: - Figure 1 shows a sectional view of a photoacoustic detection device according to a first embodiment of the invention, - Figure 2 shows a sectional view of a photoacoustic detection device according to a second embodiment of the invention, - Figure 3 shows a layout special work of a detection device

photoacoustique selon l'invention.photoacoustic according to the invention.

Description détaillée de modes de réalisation de  Detailed description of embodiments of

l'invention Sur toutes les figures, les mêmes références  the invention In all the figures, the same references

désignent les mêmes éléments.denote the same elements.

La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un  FIG. 1 represents a sectional view of a photoacoustic detection device according to a

premier mode de réalisation de l'invention.  first embodiment of the invention.

Le dispositif de détection photoacoustique comprend un premier support 1 sur lequel est positionnée une source infrarouge 2, un deuxième support 5 sur lequel est positionné un capteur de  The photoacoustic detection device comprises a first support 1 on which an infrared source 2 is positioned, a second support 5 on which is positioned a

pression 6 et deux éléments 10 et 11.  pressure 6 and two elements 10 and 11.

Les deux éléments 10 et 11 sont la vue en coupe d'une structure qui, assemblée avec les supports 1 et , permet.de constituer une cavité 12 renfermant la source infrarouge 2 et le capteur de pression 6. La structure 10, 11 est réalisée en un matériau poreux permettant d'introduire le gaz à analyser dans la cavité. Préférentiellement, la structure 10, 11 se présente sous forme de bague. Le matériau poreux permet la diffusion du gaz de l'extérieur vers l'intérieur de la cavité. Avantageusement, la résistance à l'écoulement de l'air est suffisante pour que les variations de pression qui apparaissent dans la cavité, lors de l'échauffement du gaz, ne provoquent pas d'échappement du gaz vers l'extérieur. Il est alors possible d'éviter un échappement du gaz vers l'extérieur lors de brusques variations de pression dans la cavité, ce qui se produit, par exemple, pour une fréquence de modulation de la source infrarouge de l'ordre de 20 Hz. A titre d'exemples non limitatifs, le gaz à analyser peut être du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane, ou, plus généralement, un hydrocarbure. Le matériau poreux permettant de réaliser la structure 10, 11 peut être, par exemple, du  The two elements 10 and 11 are the sectional view of a structure which, assembled with the supports 1 and, makes it possible to constitute a cavity 12 containing the infrared source 2 and the pressure sensor 6. The structure 10, 11 is produced made of a porous material allowing the gas to be analyzed to be introduced into the cavity. Preferably, the structure 10, 11 is in the form of a ring. The porous material allows the diffusion of gas from the outside to the inside of the cavity. Advantageously, the resistance to air flow is sufficient so that the pressure variations which appear in the cavity, during the heating of the gas, do not cause the gas to escape towards the outside. It is then possible to avoid an escape of the gas to the outside during sudden variations in pressure in the cavity, which occurs, for example, for a modulation frequency of the infrared source of the order of 20 Hz. By way of nonlimiting examples, the gas to be analyzed can be carbon monoxide, carbon dioxide, methane, or, more generally, a hydrocarbon. The porous material making it possible to produce the structure 10, 11 can be, for example,

bronze ou de la fonte.bronze or cast iron.

Selon le mode de réalisation représenté en figure 1, la source infrarouge 2 est une diode électroluminescente ou une diode laser. Des connexions électriques 3 et 4 traversent le premier support 1 et sont reliées à la source infrarouge 2 afin de permettre  According to the embodiment shown in FIG. 1, the infrared source 2 is a light-emitting diode or a laser diode. Electrical connections 3 and 4 pass through the first support 1 and are connected to the infrared source 2 in order to allow

l'alimentation électrique de celle-ci.  its power supply.

Dans le cas o la source infrarouge 2 est une diode électroluminescente, cette dernière est du type à double hétérostructure GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb. Les longueurs d'onde émises se situent alors autour de 2,35pm. Les radiations dont les longueurs d'onde se situent autour de 2,35pm correspondent à des bandes d'absorption pour les hydrocarbures et, particulièrement, le méthane. Une puissance optique  In the case where the infrared source 2 is a light-emitting diode, the latter is of the GaAlAsSb / GaInAsSb / GaAlAsSb double heterostructure type. The wavelengths emitted are then around 2.35pm. Radiation with wavelengths around 2.35pm corresponds to absorption bands for hydrocarbons and, in particular, methane. Optical power

d'environ 1,2 mW peut être obtenue.  about 1.2 mW can be obtained.

Le capteur de pression 6 peut être un microphone tel que celui décrit dans l'article "A New Condenser Microphone in Silicon" de J. Bergqvist et F.  The pressure sensor 6 can be a microphone such as that described in the article "A New Condenser Microphone in Silicon" by J. Bergqvist and F.

Rudolf paru dans la revue "Sensors and Actuators", A21-  Rudolf published in the magazine "Sensors and Actuators", A21-

A23 (1990), p. 123-125.A23 (1990), p. 123-125.

Le capteur de pression 6 est un capteur de type capacitif permettant de transformer les variations de pression du gaz en signal électrique. Le capteur comprend une première électrode 13 sous forme de diaphragme sensible aux vibrations acoustiques, une deuxième électrode 14 et une cavité arrière 9. Le diaphragme 13 est une membrane en silicium légèrement dopé d'épaisseur sensiblement égale, par exemple, à pm. La deuxième électrode 14 comprend des trous de ventilation 16. Les première et deuxième électrodes 13 et 14 sont reliées, de façon connue en soi (non représentée sur la figure), à des connexions électriques respectives 7 et 8, lesquelles sont reliées à un dispositif extérieur à la cavité (non représenté sur la figure) permettant ainsi de recueillir le signal électrique issu du capteur. Les trous de ventilation 16 permettent au gaz contenu entre les électrodes 13 et 14 de communiquer avec la cavité arrière 9. L'électrode 13 n'est alors pas freinée lorsqu'une pression acoustique  The pressure sensor 6 is a capacitive type sensor allowing the pressure variations of the gas to be transformed into an electrical signal. The sensor comprises a first electrode 13 in the form of a diaphragm sensitive to acoustic vibrations, a second electrode 14 and a rear cavity 9. The diaphragm 13 is a lightly doped silicon membrane of thickness substantially equal, for example, to pm. The second electrode 14 includes ventilation holes 16. The first and second electrodes 13 and 14 are connected, in a manner known per se (not shown in the figure), to respective electrical connections 7 and 8, which are connected to a device outside the cavity (not shown in the figure) thus making it possible to collect the electrical signal from the sensor. The ventilation holes 16 allow the gas contained between the electrodes 13 and 14 to communicate with the rear cavity 9. The electrode 13 is then not braked when an acoustic pressure

s'exerce sur elle.is exerted on it.

Le capteur de pression 6 comprend une face arrière 15 fixée au support 5. Selon l'invention, l'équilibre des pressions entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité 12 peut être réalisé par l'intermédiaire du matériau poreux constituant la  The pressure sensor 6 comprises a rear face 15 fixed to the support 5. According to the invention, the pressure balance between the interior and the exterior of the cavity 12 can be achieved by means of the porous material constituting the

structure 10, 11.structure 10, 11.

Un avantage de l'invention est de réaliser un dispositif de détection photoacoustique peu encombrant dont le volume peut être, par exemple, de l'ordre de  An advantage of the invention is to provide a space-saving photoacoustic detection device whose volume can be, for example, of the order of

x15x5 mm3.x15x5 mm3.

Un autre avantage du dispositif selon l'invention est de permettre, en dépit d'une intégration poussée, de changer très facilement les éléments qui le composent. Il est alors possible, par exemple, de réparer aisément une source infrarouge défectueuse. Il est également possible de substituer une source infrarouge à une autre, toutes choses égales  Another advantage of the device according to the invention is that, despite extensive integration, it is very easy to change the elements that compose it. It is then possible, for example, to easily repair a defective infrared source. It is also possible to substitute one infrared source for another, all other things being equal

par ailleurs.otherwise.

La figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un  FIG. 2 represents a sectional view of a photoacoustic detection device according to a

deuxième mode de réalisation de l'invention.  second embodiment of the invention.

Les éléments constitutifs du dispositif de détection photoacoustique selon le deuxième mode de réalisation de l'invention sont identiques à ceux du premier mode de réalisation de l'invention à  The constituent elements of the photoacoustic detection device according to the second embodiment of the invention are identical to those of the first embodiment of the invention at

l'exception de la structure 10, 11.except for structure 10, 11.

Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, la structure 10, 11 est réalisée en un matériau métallique facilement usinable tel que, par exemple, l'aluminium ou le cuivre. La structure 10, 11 comprend un ou plusieurs évidements 17, 18 de faibles dimensions, par exemple quelques microns, par lesquels le gaz peut être introduit dans la cavité 12. Ces évidements sont conçus de façon que la structure 10, 11 présente une résistance à l'écoulement du gaz élevée lors des variations de pression qui apparaissent dans la cavité. du fait de l'échauffement du gaz (par exemple, pour une fréquence de modulation de la source  According to the second embodiment of the invention, the structure 10, 11 is made of an easily machinable metallic material such as, for example, aluminum or copper. The structure 10, 11 comprises one or more small recesses 17, 18, for example a few microns, through which the gas can be introduced into the cavity 12. These recesses are designed so that the structure 10, 11 has resistance to the high gas flow during pressure variations that appear in the cavity. due to gas heating (for example, for a source modulation frequency

infrarouge de l'ordre de 20 Hz).infrared of the order of 20 Hz).

La figure 3 représente une mise en oeuvre particulière d'un dispositif photoacoustique selon l'invention. Selon le mode de réalisation de la figure 3, la source infrarouge 2 est une source thermique. Un filtre optique 19 permet alors d'ajuster la largeur spectrale de la source sur une raie d'absorption du gaz à analyser. Le filtre 19 peut être fixé sur la source infrarouge par tout moyen connu. Il peut être centré sur une longueur d'onde fixe ou être modulé électriquement afin de permettre une détection du gaz  FIG. 3 represents a particular implementation of a photoacoustic device according to the invention. According to the embodiment of Figure 3, the infrared source 2 is a thermal source. An optical filter 19 then makes it possible to adjust the spectral width of the source on an absorption line of the gas to be analyzed. The filter 19 can be fixed to the infrared source by any known means. It can be centered on a fixed wavelength or be electrically modulated to allow gas detection

par modulation de la longueur d'onde.  by modulation of the wavelength.

Selon un mode de réalisation particulier, la source thermique 2 est constituée d'un micro-filament en polysilicium fortement dopé P+ recouvert de nitrure de silicium et scellé sous vide. Par l'intermédiaire des connexions électriques 3 et 4, le fil est traversé par un courant lui permettant d'atteindre  According to a particular embodiment, the heat source 2 consists of a highly P + doped polysilicon microfilament coated with silicon nitride and sealed under vacuum. Through the electrical connections 3 and 4, the wire is crossed by a current allowing it to reach

l'incandescence pour une température d'environ 1400 K.  incandescence for a temperature of around 1400 K.

Pour un micro-filament de dimensions 510 x 5 x 1 pm3, la puissance optique émise peut atteindre 250pW et les  For a 510 x 5 x 1 pm3 micro-filament, the optical power emitted can reach 250 pW and the

radiations émises se situer autour de 2,5pm.  radiation emitted is around 2.5pm.

Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, le micro- filament de la source thermique  According to other embodiments of the invention, the microfilament of the thermal source

est métallique (par exemple tungstène, platine).  is metallic (e.g. tungsten, platinum).

Sur la figure 3, la structure 10, 11 ne comprend pas d'évidement 17, 18. Ainsi, la structure , 1l représentée en figure 3 correspond-elle au premier mode *de réalisation de l'invention décrit en figure 1. La mise en oeuvre particulière du dispositif photoacoustique de l'invention selon laquelle la source infrarouge est une source thermique concerne cependant également le cas o le mode de réalisation de l'invention est le deuxième mode de réalisation décrit  In FIG. 3, the structure 10, 11 does not include a recess 17, 18. Thus, the structure, 11 shown in FIG. 3 corresponds to the first embodiment * of the invention described in FIG. particular implementation of the photoacoustic device of the invention according to which the infrared source is a thermal source however also relates to the case where the embodiment of the invention is the second embodiment described

en figure 2.in figure 2.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection photoacoustique comprenant une source infrarouge (2), un capteur de pression (6) et une chambre contenant un gaz à mesurer, caractérisé en ce que la source infrarouge (2) est fixée sur un premier support (1), en ce que le capteur de pression (6) est fixé sur un deuxième support (5), et en ce que la chambre est constituée par l'assemblage des premier (1) et deuxième supports (5) avec une structure mécanique (10, 11) de façon à constituer une cavité (12) renfermant la source infrarouge (2) et le capteur de pression (6), la structure mécanique (10, 11) permettant une introduction du gaz à l'intérieur de  1. Photoacoustic detection device comprising an infrared source (2), a pressure sensor (6) and a chamber containing a gas to be measured, characterized in that the infrared source (2) is fixed on a first support (1), in that the pressure sensor (6) is fixed on a second support (5), and in that the chamber consists of the assembly of the first (1) and second supports (5) with a mechanical structure (10, 11) so as to constitute a cavity (12) containing the infrared source (2) and the pressure sensor (6), the mechanical structure (10, 11) allowing an introduction of the gas inside la cavité.the cavity. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique (10, 11)  2. Device according to claim 1, characterized in that the mechanical structure (10, 11) est en matériau poreux.is made of porous material. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique (10, 11) comprend au moins une ouverture (17, 18) par laquelle  3. Device according to claim 1, characterized in that the mechanical structure (10, 11) comprises at least one opening (17, 18) through which le gaz est introduit à l'intérieur de la cavité (12).  the gas is introduced inside the cavity (12). 4. Dispositif selon l'une quelconque des  4. Device according to any one of revendications précédentes, caractérisé en ce que le  previous claims, characterized in that the premier support (1) est équipé de connexions (3, 4) permettant l'alimentation électrique de la source  first support (1) is equipped with connections (3, 4) allowing the electrical supply of the source infrarouge (2) à partir de l'extérieur de la cavité.  infrared (2) from outside the cavity. 5. Dispositif selon l'une quelconque des  5. Device according to any one of revendications précédentes, caractérisé en ce que le  previous claims, characterized in that the capteur de pression (6) est un capteur de type  pressure sensor (6) is a type sensor capacitif.capacitive. 6. Dispositif selon la revendication wS; caractérisé en ce que le deuxième support (5) est équipé de connexions (7, 8) permettant de recueillir le signal électrique issu du capteur à l'extérieur de la  6. Device according to claim wS; characterized in that the second support (5) is equipped with connections (7, 8) making it possible to collect the electrical signal coming from the sensor outside the cavité (12).cavity (12). 7. Dispositif selon l'une quelconque des  7. Device according to any one of revendications précédentes, caractérisé en ce que la  previous claims, characterized in that the source infrarouge (2) est une source thermique et en ce qu'il comprend un filtre optique (19) fixé sur la  infrared source (2) is a thermal source and in that it comprises an optical filter (19) fixed on the source infrarouge.infrared source. 8. Dispositif selon l'une quelconque des  8. Device according to any one of revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source  claims 1 to 6, characterized in that the source infrarouge (2) est une diode électroluminescente.  infrared (2) is a light emitting diode. 9. Dispositif selon l'une quelconque des  9. Device according to any one of revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source  claims 1 to 6, characterized in that the source infrarouge (2) est une diode laser.infrared (2) is a laser diode. 10. Dispositif selon l'une quelconque des  10. Device according to any one of revendications précédentes, caractérisé en ce que la  previous claims, characterized in that the structure mécanique (10, 11) est en forme de bague.  mechanical structure (10, 11) is in the form of a ring.
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