EP0939893A1 - Spectrometre photoacoustique miniaturise - Google Patents

Spectrometre photoacoustique miniaturise

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Publication number
EP0939893A1
EP0939893A1 EP98944020A EP98944020A EP0939893A1 EP 0939893 A1 EP0939893 A1 EP 0939893A1 EP 98944020 A EP98944020 A EP 98944020A EP 98944020 A EP98944020 A EP 98944020A EP 0939893 A1 EP0939893 A1 EP 0939893A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor substrate
produced
microphone
membrane
filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98944020A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anne Jourdain
Claude Bieth
Hubert Bono
Olivier Constantin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0939893A1 publication Critical patent/EP0939893A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic spectrometry device, used for example for gas analysis. It relates more particularly to a miniaturized photoacoustic spectrometer.
  • This device is made from stacks of elementary components, which can be produced by substrate etching techniques, metallic deposits and assemblies of substrates, of the type used in microelectronics.
  • the device described in this document includes:
  • Document WO-96/24831 describes a photoacoustic detector comprising a chamber for receiving a gas to be measured, an infrared light beam which can pass through this chamber, and a pressure sensor capable of measuring the variations in pressure in the chamber, which are induced by a infrared beam.
  • the chamber is formed by assembling two semiconductor elements, for example silicon or quartz elements, produced in planar technology. Pressure variations are detected via a membrane.
  • the subject of the invention is a photoacoustic spectrometer comprising an electrically modulated infrared source, an interference optical filter, a microphone and a microcuvette, each of these elements being integrated on a semiconductor substrate or on at least one, or using at least one semiconductor substrate, for example made of silicon.
  • the subject of the invention is therefore a photoacoustic microspectrometer, obtained by assembling or sealing four elements integrated on a semiconductor: an electrically modulated infrared source, an optical interference filter, a microcuvette, a microphone.
  • an electrically modulated infrared source an optical interference filter
  • a microcuvette a microcuvette
  • a microphone a microphone
  • the invention relates to a photoacoustic spectrometer comprising:
  • the invention relates to a photoacoustic spectrometer, comprising:
  • microcuvette produced partially in the third semiconductor substrate and partially in a fourth semiconductor substrate
  • the invention relates to a photoacoustic spectrometer, comprising:
  • the subject of the invention is a photoacoustic spectrometer, comprising:
  • the mechanical chopping of the beam can be replaced by a direct electrical modulation of the injection current in the infrared source.
  • the source may include a metallic grid, or a metallic filament, supported by a membrane above a cavity etched in a semiconductor substrate.
  • This grid, or this filament is for example made of silicon nitride, or platinum, or tantalum, or titanium, or tungsten, or molybdenum, or chromium, or nickel, or one of their alloys, or TiN.
  • the source is placed in a cavity. Vacuuming this cavity also avoids heating problems due to the environment gas, which can be critical in a miniature device.
  • the interference filter can be a filter substrate. It can also be a tunable filter Fabry-
  • It may then comprise a first, fixed mirror, a second, mobile mirror, these mirrors delimiting, at rest, a resonant cavity of length d, first and second control electrodes being associated respectively with these first and second mirrors, the application an electric voltage between the control electrodes making it possible to move the movable mirror relative to the fixed mirror, and therefore modifying the length d of the resonant cavity.
  • the Fabry-Pérot tunable filter comprises:
  • first and second mirrors with which are associated first and second control electrodes, one of the first and second mirrors being fixed while the other is movable, - a resonant cavity, of length d, delimited by the first and second mirrors, the application of an electrical voltage between the two control electrodes causing the movable mirror to move relative to the fixed mirror and therefore modifying the length d of the resonant cavity.
  • the electrode associated with one of the mirrors is a floating electrode, and no contact is to be made. on the side of this mirror.
  • the device is therefore easier to produce, since contacting the two levels of mirrors is delicate and requires local stacking of heavily doped layers.
  • the fixed and mobile mirrors can be produced by multilayer ⁇ / 4 stacking, on the surface of semiconductor substrates.
  • the movable mirror can be produced by a membrane located above a cavity produced in a semiconductor substrate.
  • the floating electrode and the corresponding mirror can be produced on the surface of one of the semiconductor substrates.
  • control electrodes and the corresponding mirror can be produced on the surface of another of the semiconductor substrates.
  • the movable mirror can consist of a membrane etched in the second semiconductor substrate.
  • control electrodes they can be formed on either side of a reflecting area of the mirror with which they are associated.
  • this mirror has a central reflecting zone, and lateral zones on which the control electrodes are formed.
  • This reflective central zone can have a circular shape.
  • This circular shape delimited by the control electrodes, allows, if the corresponding mirror is movable, a perfectly flat displacement of the movable reflecting zone, since electrostatic attraction takes place only at the periphery of this zone, which makes it possible to have a diaphragm filter outlet.
  • control electrodes can be produced in a metallic deposit. Furthermore, electrical contacts can be made directly on the control electrodes, on the surface of the substrate on which they are formed.
  • control electrodes also form an inlet diaphragm of the microcuvette.
  • one of the walls of the microcuvette is formed by the membrane of the microphone.
  • the microphone may comprise a membrane, a first electrode associated with, or formed on, this membrane, and a second electrode, the overpressures of the microcuvette being detected by variation of the capacity of the air gap defined by the first and second electrodes.
  • the microphone comprises a membrane and a first electrode associated with this membrane, both produced on a semiconductor substrate, and a second electrode produced on another semiconductor substrate.
  • the membrane of the microphone When one of the walls of the microcuvette is formed by the membrane of the microphone, this can be made of a doped semiconductor material, the microphone further comprising a counter-electrode. This makes it possible to detect the vibrations of the membrane by measuring the variation of the capacitance formed by the membrane made of doped semiconductor material and the counter-electrode.
  • the microphone membrane can then be located on the surface of a substrate, etched under the membrane.
  • the tunable filter When the tunable filter has a membrane, it can serve both as the filter membrane and the microphone membrane.
  • the filter control and the detection of pressure variations are carried out using the same system.
  • the same electrodes as those which control the filter can then be used to measure the overpressure created in the microcuvette, that is to say that filter and microphone are somehow confused, and reduced to a single common membrane.
  • the cavity is preferably placed under a neutral atmosphere, for example under argon.
  • the overpressures created in the tank are low enough so that the tuning of the filter on the wavelength is not lost: however, and to limit possible disagreements, means for controlling the position of the membrane can be expected.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a photoacoustic spectrometer according to
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a photoacoustic spectrometer according to one invention.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of a photoacoustic spectrometer according to one invention.
  • FIG. 5A to 5K show stages in the production of a device according to the invention.
  • FIG. 6A to 6J show steps for producing another device according to the invention.
  • a device according to the invention 1 is composed of an infrared vacuum source (plates, or substrates, 2 and 4 made of semiconductor material), d '' a standard optical filter (plate, or substrate, 6 in semiconductor material), a microcuvette (plate, or substrate, 8 in semiconductor material) 12 and a capacitive microphone 14 (plates, or substrates, 8 and 10, in semiconductor material), a total of 5 substrates, 4 of which are machined.
  • the plates 2 and 4 (for example in standard Si) form the infrared source enclosed in a vacuum cavity 16, 20.
  • the membrane is released from the front face of the plate 4 by etching a sacrificial layer (resin or tungsten (W)), thus leaving a cavity 20 in the substrate.
  • a sacrificial layer (resin or tungsten (W)
  • W tungsten
  • the cover formed by the plate 2, and in which a cavity 16 is engraved makes it possible to place the source under vacuum during the sealing 22.
  • a metal deposit 24 on the bottom of the cavity 16 forms a reflective means and makes it possible to recover almost any the light emitted by the source.
  • Two other small cavities 26, 28, at the two ends of the cover facilitate contacting in the contacting areas 30, 32 as well as cutting.
  • the source is for example modulated around 20 Hz.
  • the seal 22 is for example a resin seal, under vacuum.
  • Plate 6 constitutes the filter. It is inserted into the system during the final sealing.
  • the tank 12 is machined in the plate 8 (it is for example an SOI plate, with a Si0 2 layer of 0.7 ⁇ m thickness, and a layer of doped Si, of 0.3 ⁇ m thickness ; one can also take standard SOI, for example with a 0.4 ⁇ m Si0 2 layer and a 0.2 ⁇ m thick Si layer) when etching a membrane 34 of the microphone.
  • a bead of silica stops 36 makes it possible to control the thickness of the air gap 14 between the plates 8 and 10.
  • metal deposits 38, 39 on the two opposite faces constitute two measurement electrodes, a floating electrode being formed by the membrane 34.
  • the seals 40, 42, 44 can be resin seals, which provide at least one equalization vent external and internal pressures. The diameter of the vent is calculated to have a low cut-off frequency, typically 1 Hz.
  • the membrane 18 of the source may have a surface of 2x2 mm 2 , the membrane 34 of the microphone having the same size, the tank has a width of approximately 2 mm and
  • the stack in Figure 2 repeats that of Figure 1 by incorporating a tunable filter.
  • Numerical references identical to those of FIG. 1 designate identical or corresponding elements therein.
  • the stack is obtained by sealing six semiconductor substrates 2, 8, 10, 50, 52, 54, three of which are vacuum-tight.
  • the plates 2 and 50 form the source, the membrane 18 of which is released by the rear face of the plate 50.
  • the plates 2 and 50 are, for example, standard silicon substrates.
  • the plate 52 is for example an SOI plate
  • a bead of silica abutments 58 of thickness ⁇ / 2, ⁇ being the working wavelength, makes it possible to control the width of a resonant cavity 60 (Fabry-Pérot cavity).
  • An annular metallic deposit 62 on the front face of the plate 54 forms the filter control electrode, and also performs a diaphragm function at the entrance to the microcuvette 67.
  • the membrane 56 of the plate 52 forms a floating electrode.
  • the faces 56, 57 of the substrates 52, 54 are made reflective by depositing dielectric multilayers (at ⁇ / 4). This stacking has the advantage of leaving free the optical path between the source and the filter.
  • the resin seals 22 and 64 are preferably produced in an atmosphere.
  • Sealing 66 allows the source / Fabry-Perot assembly to be placed under vacuum.
  • Putting the vacuum filter provides good mechanical strength of the membrane 56.
  • a volume 67 is engraved on the rear face of the plate 54 (which is of the SOI type (example: Si0 2 of 0.7 ⁇ m thickness and Si of 0 , 3 ⁇ m thick)), for example on a half of the substrate, in depth, so that its opening is identical to that of the diaphragm outlet of the filter, in order to minimize the dead volumes.
  • the microphone 14 is produced in the plates 8 and 10: the engraving on the rear face of a volume 12 in the plate 8 (of the SOI type (example: Si0 2 of 0.7 ⁇ m thick and Si of 0.3 ⁇ m d 'thickness)), allows the release of a detection membrane 34 of doped silicon, so that the tank has the depth of a substrate and a half approximately (volume 67 + volume 12).
  • a metal deposit 38 on the front face of the counter plate 10 constitutes the microphone counter electrode, a floating electrode being formed by the membrane 34.
  • the thickness of the air gap 14 is controlled by the same principle of stops 36 in silica as that used for the filter 58.
  • the resin seals 68, 44 of the plates 54, 8 and 10 can provide a vent for equalizing the internal and external pressures.
  • Side cavities 26, 28 in the plates 2, 52 and 8 make it possible to define the cutting path for the release of the contacts.
  • FIG. 3 A simplified stack is shown in FIG. 3. Numerical references identical to those of FIGS. 1 or 2 designate identical or corresponding elements therein.
  • the plates 2 and 4 form the vacuum source carried by a silicon nitride membrane 18 released by the front face of the plate 4.
  • the seal 22 is a resin seal, under vacuum.
  • the plates 4 and 70 (SOI type: for example, Si0 2 with a thickness of 0.7 ⁇ m and Si with a thickness of 0.3 ⁇ m), simultaneously form the filter and the tank 72.
  • Silica stops 74 define the air cavity between two dielectric mirrors 76 and 78.
  • a metallic deposit 80 on the membrane 76 forms the control electrode and can also perform the diaphragm function.
  • the floating electrode is formed by the layer of doped silicon on the surface of the mirror 78.
  • the cavities 26, 28 are etched on the rear face of the plates 2 and 4 and 70 to release the contacts 30, 32 and 80, 81, 84 and 86 when cutting.
  • the microphone is produced in plate 72 (of the SOI type: for example standard SOI, with 0.4 ⁇ m of Si0 2 and 0.2 ⁇ m of Si; it is also possible to have thicker layers) by releasing the front face of a doped silicon membrane 82.
  • the measurement capacity is formed by the membrane 82 and a counter-electrode (the counter-electrode is formed by the surface 85 of the substrate 72 released after etching of the layer of Si0 2 ) thanks to contacts 84, 86.
  • the engraved rear volume 88 eliminates the fluid compression problems during deflection of the membrane.
  • An internal and external pressure equalization vent may be provided.
  • FIG. 4 a simpler solution, illustrated in FIG. 4, consists in pooling the membranes of the filter and the microphone. It is a stack similar to the previous one ( Figure 3), except for plates 4 and 70 (of SOI type: for example Si0 2 of
  • the membrane 80 on the membrane 76 serves both as a control and measurement electrode as well as, optionally, a diaphragm.
  • the floating electrode is formed by the layer of doped silicon on the surface of the mirror 78.
  • the sealing 90 is carried out under a neutral atmosphere (Argon for example).
  • the last resin seal 92 of the plates 70 and 100 closes the microcuvette and can provide an internal and external pressure equalization vent.
  • the source has been described with reference to a layer of full TiN wafer pierced with holes and coated with silica.
  • Other types of sources can be produced, within the framework of a device according to the invention.
  • the source may consist of a grid, or a metallic filament, supported by a membrane, above a cavity etched in a semiconductor substrate.
  • the grid, or the filament can for example be made of silicon nitride, or platinum, or tantalum, or titanium, or tungsten, or molybdenum, or chromium, or nickel, or one of their alloys.
  • the source may for example be a source of miniaturized infrared radiation as described in document FR-96 11866 (of September 30, 1996).
  • a source comprises at least one self-supporting microfilament, comprising a metallic material, intended to emit infrared radiation under the action of an electric current passing through it.
  • the microfilament may have the form of a film of sufficiently small thickness to have low thermal inertia, compatible with the periods of emission of infrared radiation.
  • the microfilament may consist of a metallic ribbon covered with at least one thin layer of a material improving the emissivity of the microfilament in at least part of the infrared spectrum.
  • the metallic material can be chosen from the list of materials already given above.
  • the material improving the emissivity of the microfilament is preferably chosen from nitrides (for example Si 3 N 4 ), silicides (for example SiC, SiMo), oxides (for example Si0 2 , A1 2 0 3 ) or also borides.
  • the radiation source generates infrared radiation which passes through the interference filter and reaches the tank, where its absorption occurs.
  • the microphone is arranged so as to detect a change in pressure in the tank.
  • the filter used is a tunable Fabry-Perot interference filter which is electrostatically controlled.
  • This structure comprises a first fixed mirror 78, which is associated with a floating electrode 79. This can be formed by forming a doped layer in the substrate 4, forming an integral part of the mirror: it is the external layer of the mirror. dielectric. Facing the fixed mirror 79 is a second mirror 76, mobile, along the axis XX 'of the spectrometer. With this second mirror are associated two control electrodes designated by the reference 80. These are produced for example by metallization of a part of a reflective membrane forming the second mirror 76.
  • the two mirrors are kept relative to each other at a distance d. This distance is in fact the length of the resonant cavity delimited by the mirrors 76, 78.
  • Maintaining the two mirrors at a distance d is achieved, in Figures 3 and 4, using stops 74. It can also be achieved using spacers or crosspieces.
  • the application of an electrical voltage using means not shown in the figures, between the control electrodes 80, causes the movable mirror 76 to move relative to the fixed mirror, along the axis XX 1 , and therefore modifies the length of the resonant cavity.
  • the length d of the Fabry-Pérot cavity satisfies the relationship:
  • the cavity thus formed defines, from the electrical point of view, a capacitance Ci between the control electrodes 80 and the floating electrode 79.
  • the application of an electric voltage between the control electrodes modifies, through the capacity Ci of the air gap, the potential of the floating electrode 79 and, thus, the movable mirror 76 is attracted in the direction of the fixed mirror.
  • the floating electrode can be produced on the substrate 70 (it is then associated with, or produced on, the movable mirror 76), the control electrodes being associated with the fixed mirror.
  • FIGS. 5A to 5K A method of producing a device of the type already described above in conjunction with FIG. 2 will be described in conjunction with FIGS. 5A to 5K.
  • a semiconductor substrate 2 (preferably made of silicon) is etched, and a metallic deposit 17 is produced at the bottom of one of the boxes obtained by etching.
  • FIG. 5B a deposit Si 3 N 4 -Si0 2 -TiN 19 is produced on the front face of a semiconductor substrate 50.
  • This deposit 19 is engraved (FIG. 5C). Then, a release of the membrane is carried out by the rear face of the substrate, by etching of the latter (FIG. 5D). Then (FIG. 5E) a deposit Si0 2 is produced on the rear face of a plate 52 of the "SOI" type, and etches, in this layer, stops 58, 60. The substrate 52 is then etched so as to produce the membrane 56. On another substrate 54 of the "SOI" type, a metal deposit is made on the front face, which is etched in order to obtain the control electrodes 62 (FIG. 5G). The substrate 54 is then etched (FIG. 5H) so as to release the microcuvette 66. A fourth plate 8, also of the "SOI” type, is etched so as to produce the membrane 34 on the front face (FIG. 51). A metal deposit 35 is produced on the front face of the substrate 8 (FIG. 5J).
  • a metallic deposit for example gold, is produced, which is then etched so as to produce the electrodes 38 of the microphone (FIG. 5K).
  • a first plate 2 of a semiconductor material preferably silicon
  • a metallic deposit 17 is produced.
  • a deposit is made 19 Si 3 N 4 -
  • Si0 2 -TiN on the rear face of a substrate 4 of the "SOI" type.
  • a deposit of Si0 2 is then produced on the front face, then etched so as to release the stops 22 (FIG. 6E).
  • the membrane 18 is then released by etching
  • FIG. 6F in the zone situated under the holes etched in the layer 18. Lateral cavities can also be released to facilitate contacts to be made on the facing substrate.
  • FIG. 6G a metallic deposit 80 is produced, then etched, on the front face of a plate 70, of the "SOI" type. This plate is then etched on the rear face (FIG. 6H) so as to release the membrane 76 and to form the microcuvette 72.
  • the device of FIG. 4 can then be produced, by assembling the elements described above with a fourth plate 100 of semiconductor material.
  • the assembly is carried out in the same manner as described above (use of stops and sealing with resin joints).
  • the process continues with the steps illustrated in Figures 61 and 6J.
  • a plate 72, of the "SOI" type is engraved so as to release the rear volume 88 of the microphone, behind the membrane of the latter.
  • FIG. 6J a hole 89 for releasing the membrane is etched, and the latter is freed by the front face of the substrate 72.
  • a lateral etching and a metallic deposit allow the contacts 84, 86 to be produced (see FIG. 3) .
  • the assembly of this substrate with the preceding substrates is carried out in the manner already described above.
  • a method for producing a device as described above in connection with FIG. 1 comprises the steps for producing and machining the plates 2, 4 of the device in FIG. 3 (but without producing the mirror 78 and the electrode 79 ) as well as steps for producing the plates 8, 10 of the device in FIG. 2 (making the microcuvette and the microphone). It therefore suffices to select the necessary process steps from those described above in conjunction with FIGS. 5A-5K and 6A-6J.
  • the selected substrates are preferably silicon substrates.
  • the machined plates have thicknesses of the order of a few hundred micrometers (between 100 ⁇ m and 1 mm, for example 450 or 500 ⁇ m).
  • the microcuvette 12 ( Figures 1, 2), 72 ( Figures 3, 4) typically has a cross section of 2 mmx2 mm, while the membrane 34 ( Figures 1, 2), 76 ( Figures 3, 4) has a thickness typically included between 0.1 ⁇ m and a few micrometers (up to 10 ⁇ m, for example: 5 ⁇ m).

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Abstract

L'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique comportant: une source infrarouge (4, 18) réalisée dans un premier substrat semi-conducteur (4), un filtre réalisé à l'aide d'un second substrat semi-conducteur (6), une microcuve (12) formée dans un troisième substrat semi-conducteur, un microphone (14, 34, 38) réalisé à l'aide du troisième substrat semi-conducteur et d'un quatrième substrat semi-conducteur (10).

Description

SPECTROMETRE PHOTOACOUSTIQUE MINIATURISE
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne un dispositif de spectrométrie photoacoustique, utilisé par exemple pour l'analyse de gaz. Elle concerne plus particulièrement un spectromètre photoacoustique miniaturisé. Ce dispositif est réalisé à partir d'empilements de composants élémentaires, pouvant être réalisés par des techniques de gravure de substrat, de dépôts métalliques et d'assemblages de substrats, du type de celles utilisées en microélectronique.
Le principe de la spectroscopie photoacoustique pour l'analyse de gaz a été développé dans l'article de
J. Christensen intitulé "The Bruel Kjaer Photoacoustic
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 vibrations externes.
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 ellipsoïdal couplé à la source permet de réaliser une collimation adéquate du faisceau lumineux. Le document WO-96/24831 décrit un détecteur photoacoustique comportant une chambre pour recevoir un gaz à mesurer, un faisceau lumineux infrarouge pouvant traverser cette chambre, et un capteur de pression pouvant mesurer les variations de pression dans la chambre, qui sont induites par un faisceau infrarouge. La chambre est formée par assemblage de deux éléments semi-conducteurs, par exemple des éléments en silicium ou en quartz, réalisés en technologie planaire. Les variations de pression sont détectées par l'intermédiaire d'une membrane.
On ne connaît pas de réalisation d'un spectromètre photoacoustique, de taille miniature, permettant d'intégrer l'ensemble des éléments (source de rayonnement, filtre, cuve, microphone) de manière compacte .
Exposé de l'invention L'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique comportant une source infrarouge modulable électriquement, un filtre optique interférentiel, un microphone et une microcuve, chacun de ces éléments étant intégré sur un substrat semi- conducteur ou sur au moins un, ou à l'aide d'au moins un substrat semi-conducteur, par exemple en silicium.
L'invention a donc pour objet un microspectromètre photoacoustique, obtenu par assemblage ou scellement de quatre éléments intégrés sur semi-conducteur : une source infrarouge modulable électriquement, un filtre optique interférentiel, une microcuve, un microphone. Chacun des éléments composant le spectromètre selon l'invention peut être intégré sur, ou réalisé à l'aide de, un ou deux substrats semiconducteurs.
Selon un premier mode particulier de réalisation, l'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique comportant :
- une source infrarouge réalisée dans un premier substrat semi-conducteur,
- un filtre réalisé à l'aide d'un second substrat semi- conducteur,
- une microcuve formée dans un troisième substrat semiconducteur,
- un microphone réalisé à l'aide du troisième substrat semi-conducteur et d'un quatrième substrat semi- conducteur.
Selon un second mode particulier de réalisation, l'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique, comportant :
- une source infrarouge réalisée dans un premier substrat semiconducteur,
- un filtre interférentiel Fabry-Pérot formé à l'aide d'un deuxième et d'un troisième substrats semiconducteurs,
- une microcuve réalisée partiellement dans le troisième substrat semi-conducteur et partiellement dans un quatrième substrat semi-conducteur,
- un microphone réalisé à l'aide du quatrième et d'un cinquième substrats semi-conducteurs.
Selon un troisième mode particulier de réalisation, l'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique, comportant :
- une source infrarouge, réalisée dans un premier substrat semi-conducteur, - un filtre interférentiel Fabry-Pérot formé à l'aide du premier et d'un deuxième substrats semiconducteurs,
- une microcuve réalisée dans le deuxième substrat semi-conducteur,
- un microphone réalisé en surface d'un troisième substrat semi-conducteur.
Selon un quatrième mode particulier de réalisation, l'invention a pour objet un spectromètre photoacoustique, comportant :
- une source infrarouge réalisée dans un premier substrat semi-conducteur,
- un filtre interférentiel Fabry-Pérot réalisé à l'aide du premier et d'un deuxième substrats semi- conducteurs,
- un microphone et une microcuve, réalisés dans le deuxième substrat semi-conducteur;
Dans le dispositif selon l'invention, le hachage mécanique du faisceau peut être remplacé par une modulation électrique directe du courant d'injection dans la source infrarouge.
La source peut comporter une grille métallique, ou un filament métallique, supporté (e) par une membrane au-dessus d'une cavité gravée dans un substrat semi- conducteur. Cette grille, ou ce filament, est par exemple en nitrure de silicium, ou en platine, ou en tantale, ou en titane, ou en tungstène, ou en molybdène, ou en chrome, ou en nickel, ou en l'un de leurs alliages, ou en TiN. De préférence, la source est placée dans une cavité. Mettre cette cavité sous vide permet en outre d'éviter les problèmes d'échauffement dus au milieu gazeux, qui peuvent être critiques dans un dispositif miniature.
Le filtre interférentiel peut être un substrat filtrant. Ce peut être aussi un filtre accordable Fabry-
Pérot.
Il peut alors comporter un premier miroir, fixe, un second miroir, mobile, ces miroirs délimitant, au repos, une cavité résonnante de longueur d, des première et deuxième électrodes de commande étant associées respectivement à ces premier et second miroirs, l'application d'une tension électrique entre les électrodes de commande permettant de réaliser un déplacement du miroir mobile par rapport au miroir fixe, et modifiant donc la longueur d de la cavité résonnante .
Selon un autre mode de réalisation, le filtre accordable Fabry-Pérot comporte :
— un premier miroir, auquel est associé une électrode flottante,
— un second miroir, auquel sont associées une première et une seconde électrodes de commande, l'un des premier et second miroirs étant fixe tandis que l'autre est mobile, — une cavité résonnante, de longueur d, délimitée par les premier et second miroirs, l'application d'une tension électrique entre les deux électrodes de commande entraînant un déplacement du miroir mobile par rapport au miroir fixe et modifiant donc la longueur d de la cavité résonnante.
Dans ce mode de réalisation, l'électrode associée à l'un des miroirs est une électrode flottante, et aucune prise de contact n'est à réaliser du côté de ce miroir. Il n'y a donc plus, dans ce système, qu'un seul niveau de contact à prendre, correspondant aux électrodes de commande. Le dispositif est donc plus facile à réaliser, car la prise de contact sur les deux niveaux de miroirs est délicate et nécessite un empilement local de couches fortement dopées .
Les miroirs fixe et mobile peuvent être réalisés par empilement multicouches à λ/4, en surface de substrats semi-conducteurs.
Le miroir mobile peut être réalisé par une membrane située au-dessus d'une cavité réalisée dans un substrat semi-conducteur.
L'électrode flottante et le miroir correspondant peuvent être réalisés en surface d'un des substrats semi-conducteurs.
Les électrodes de commande et le miroir correspondant peuvent être réalisés en surface d'un autre des substrats semi-conducteurs. Par exemple, le miroir mobile peut être constitué d'une membrane gravée dans le second substrat semi-conducteur .
Quant aux électrodes de commande, elle peuvent être formées de part et d'autre d'une zone réfléchissante du miroir auquel elles sont associées. En d'autres termes, ce miroir comporte une zone centrale réfléchissante, et des zones latérales sur lesquelles sont formées les électrodes de commande.
Cette zone centrale réfléchissante, peut avoir une forme circulaire. Cette forme circulaire, délimitée par les électrodes de commande, permet, si le miroir correspondant est mobile, un déplacement parfaitement plan de la zone réfléchissante mobile, puisque l'attraction électrostatique n'a lieu qu'à la périphérie de cette zone, ce qui permet d'avoir une sortie de filtre diaphragmée .
Les électrodes de commande peuvent être réalisées en un dépôt métallique. Par ailleurs, des contacts électriques peuvent être pris directement sur les électrodes de commande, en surface du substrat sur lequel elles sont formées.
De préférence, les électrodes de commande forment également un diaphragme d'entrée de la microcuve.
Selon un autre aspect, une des parois de la microcuve est constituée par la membrane du microphone.
Selon encore un autre aspect de l'invention, le microphone peut comporter une membrane, une première électrode associée à, ou formée sur, cette membrane, et une seconde électrode, les surpressions de la microcuve étant détectées par variation de la capacité de l'entrefer défini par les première et deuxième électrodes.
Selon encore un autre aspect, le microphone comporte une membrane et une première électrode associée à cette membrane, réalisées toutes deux sur un substrat semi-conducteur, et une deuxième électrode réalisée sur un autre substrat semi-conducteur.
Lorsque l'une des parois de la microcuve est constituée par la membrane du microphone, celle-ci peut être réalisée en un matériau semi-conducteur dopé, le microphone comportant en outre une contre-électrode. Celle-ci permet de détecter les vibrations de la membrane par mesure de la variation de la capacité formée par la membrane en matériau semi-conducteur dopé et la contre-électrode. La membrane du microphone peut être alors située en surface d'un substrat, gravé sous la membrane.
Lorsque le filtre accordable comporte une membrane, celle-ci peut servir à la fois en tant que membrane de filtre et membrane du microphone. Dans ce cas, la commande du filtre et la détection des variations de pression sont réalisées à l'aide d'un même système. Les mêmes électrodes que celles qui commandent le filtre peuvent alors servir à mesurer la surpression créée dans la microcuve, c'est-à-dire que filtre et microphone sont en quelque sorte confondus, et ramenés à une seule membrane commune. Dans ce cas, et afin de ne pas créer de signal photoacoustique parasite dans la cavité dû à l'absorption du gaz à mesurer ou d'un autre gaz présent en même temps, on place de préférence la cavité sous atmosphère neutre, par exemple sous argon. En principe, les surpressions créées dans la cuve sont suffisamment faibles pour que l'accord du filtre sur la longueur d'onde ne soit pas perdu : cependant, et pour limiter d'éventuels désaccords, des moyens d'asservissement en position de la membrane peuvent être prévus.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon 1 ' invention.
- La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon
1 ' invention.
- La figure 3 représente un troisième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon 1 ' invention. - La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon 1 ' invention .
- Les figures 5A à 5K représentent des étapes de réalisation d'un dispositif selon l'invention. - Les figures 6A à 6J représentent des étapes de réalisation d'un autre dispositif selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' invention Selon un premier mode de réalisation, un dispositif selon l'invention 1 est composé d'une source infrarouge sous vide (plaques, ou substrats, 2 et 4 en matériau semi-conducteur), d'un filtre optique standard (plaque, ou substrat, 6 en matériau semi-conducteur) , d'une microcuve (plaque, ou substrat, 8 en matériau semi-conducteur) 12 et d'un microphone capacitif 14 (plaques, ou substrats, 8 et 10, en matériau semiconducteur) , soit au total 5 substrats dont 4 sont usinés . Les plaques 2 et 4 (par exemple en Si standard) forment la source infrarouge enfermée dans une cavité sous vide 16, 20. Il s'agit par exemple d'une couche de TiN pleine tranche percée de petits trous, enrobée de silice, et portée par une membrane de nitrure de silicium 18. La membrane est libérée de la face avant de la plaque 4 par gravure d'une couche sacrificielle (résine ou tungstène (W) ) , laissant ainsi une cavité 20 dans le substrat. Le capot formé par la plaque 2, et dans lequel est gravée une cavité 16, permet de placer la source sous vide lors du scellement 22. Un dépôt métallique 24 sur le fond de la cavité 16 forme un moyen réflecteur et permet de récupérer presque toute la lumière émise par la source. Deux autres petites cavités 26, 28, aux deux extrémités du capot, facilitent la prise de contact dans les zones de prises de contacts 30, 32 ainsi que la découpe.
La source est par exemple modulée autour de 20 Hz.
Le scellement 22 est par exemple un scellement par résine, sous vide.
La plaque 6 constitue le filtre. Il est inséré dans le système lors du scellement final. La cuve 12 est usinée dans la plaque 8 (il s'agit par exemple d'une plaque SOI, avec une couche Si02 d'épaisseur 0,7 μm, et une couche de Si dopé, de 0,3 μm d'épaisseur ; on peut aussi prendre du SOI standard, par exemple avec une couche Si02 de 0,4μm et une couche Si de 0,2 μm d'épaisseur) lors de la gravure d'une membrane 34 du microphone. Un cordon de butées en silice 36 permet de contrôler l'épaisseur de l'entrefer 14 entre les plaques 8 et 10. Enfin, des dépôts métalliques 38, 39 sur les deux faces en regard constituent deux électrodes de mesure, une électrode flottante étant formée par la membrane 34. Les scellements 40, 42, 44 peuvent être des scellements en résine, qui prévoient au moins un évent d'égalisation des pressions externe et interne. Le diamètre de 1 ' évent est calculé pour avoir une fréquence de coupure basse, typiquement 1 Hz.
Pour donner un ordre de grandeur des différents éléments, la membrane 18 de la source peut avoir une surface de 2x2 mm2, la membrane 34 du microphone ayant la même taille, la cuve a une largeur d'environ 2 mm et
1 ' évent un diamètre d'environ 10 μm.
L'empilement de la figure 2 reprend celui de la figure 1 en intégrant un filtre accordable. Des références numériques identiques à celles de la figure 1 y désignent des éléments identiques ou correspondants. L'empilement est obtenu par le scellement de six substrats semi-conducteurs 2, 8, 10, 50, 52, 54 dont trois sont étanches au vide.
Les plaques 2 (qui sert de capot) et 50 forment la source dont la membrane 18 est libérée par la face arrière de la plaque 50. Les plaques 2 et 50 sont par exemple des substrats standards en silicium.
La plaque 52 est par exemple une plaque SOI
(par exemple : couche Si02 de 0,7 μm d'épaisseur et couche Si de 0,3 μm d'épaisseur). Elle sert entre autres à la libération face arrière d'une membrane 56 du Fabry-Pérot accordable.
Un cordon de butées en silice 58 d'épaisseur λ/2, λ étant la longueur d'onde de travail, permet de contrôler la largeur d'une cavité résonnante 60 (cavité Fabry-Pérot) . Un dépôt métallique annulaire 62 sur la face avant de la plaque 54 forme l'électrode de commande du filtre, et assure également une fonction de diaphragme à l'entrée de la microcuve 67. La membrane 56 de la plaque 52 forme une électrode flottante. Les faces 56, 57 des substrats 52, 54 sont rendues réflectrices par dépôt de multicouches diélectriques (à λ/4). Cet empilement a l'avantage de laisser libre le chemin optique entre la source et le filtre. Les scellements de résine 22 et 64 sont de préférence réalisés sous atmosphère. Le scellement 66 permet de mettre l'ensemble source/Fabry-Pérot sous vide. Mettre le filtre sous vide procure une bonne tenue mécanique de la membrane 56. Un volume 67 est gravé en face arrière de la plaque 54 (qui est de type SOI (exemple : Si02 de 0,7 μm d'épaisseur et Si de 0,3 μm d'épaisseur)), par exemple sur une moitié de substrat, en profondeur, de telle sorte que son ouverture est identique à celle de la sortie diaphragmée du filtre, afin de minimiser les volumes morts.
Le microphone 14 est réalisé dans les plaques 8 et 10 : la gravure face arrière d'un volume 12 dans la plaque 8 (de type SOI (exemple : Si02 de 0,7 μm d'épaisseur et Si de 0,3 μm d'épaisseur)), permet la libération d'une membrane de détection 34 en silicium dopé, de sorte que la cuve a la profondeur d'un substrat et demi environ (volume 67 + volume 12) . Un dépôt métallique 38 sur la face avant de la contre- plaque 10 (semi-conducteur standard ou substrat standard) constitue la contre-électrode du microphone, une électrode flottante étant formée par la membrane 34. L'épaisseur de l'entrefer 14 est contrôlée par le même principe de butées 36 en silice que celui utilisé pour le filtre 58.
Les scellements de résine 68, 44 des plaques 54, 8 et 10 peuvent prévoir un évent d'égalisation des pressions interne et externe. Des cavités latérales 26, 28 dans les plaques 2, 52 et 8 permettent de définir le chemin de découpe pour la libération des contacts.
Un empilement simplifié est représenté sur la figure 3. Des références numériques identiques à celles des figures 1 ou 2 y désignent des éléments identiques ou correspondants. Les plaques 2 et 4 forment la source sous vide portée par une membrane de nitrure de silicium 18 libérée par la face avant de la plaque 4. Le scellement 22 est un scellement de résine, sous vide .
Les plaques 4 et 70 (de type SOI : par exemple, Si02 de 0,7 μm d'épaisseur et Si de 0,3 μm d'épaisseur), forment simultanément le filtre et la cuve 72. Des butées de silice 74 définissent la cavité d'air entre deux miroirs diélectriques 76 et 78. Un dépôt métallique 80 sur la membrane 76 forme l'électrode de commande et peut aussi assurer la fonction de diaphragme. L'électrode flottante est formée par la couche de silicium dopé à la surface du miroir 78. Les cavités 26, 28 sont gravées face arrière des plaques 2 et 4 et 70 pour dégager les contacts 30, 32 et 80, 81, 84 et 86 lors de la découpe. Le microphone est réalisé dans la plaque 72 (de type SOI : par exemple du SOI standard, avec 0,4 μm de Si02 et 0,2 μm de Si ; on peut avoir aussi des couches plus épaisses) par libération face avant d'une membrane de silicium dopé 82. La capacité de mesure est formée par la membrane 82 et une contre-électrode (la contre- électrode est formée par la surface 85 du substrat 72 dégagée après gravure de la couche de Si02) grâce à des contacts 84, 86. Le volume arrière gravé 88 élimine les problèmes de compression de fluide lors de la déflexion de la membrane.
Les scellements résine 90, 92 des plaques 4 et 70 ferment la microcuve sur le microphone. Un évent d'égalisation des pressions interne et externe peut être prévu.
Enfin, une solution plus simple, illustrée sur la figure 4, consiste à mettre en commun les membranes du filtre et du microphone. C'est un empilement semblable au précédent (figure 3), sauf pour les plaques 4 et 70 (de type SOI : par exemple Si02 de
0,7 μm d'épaisseur et Si de 0,3 μm d'épaisseur) qui forment simultanément le filtre, le microphone avec une membrane commune 76, et la cuve 72. Le dépôt métallique
80 sur la membrane 76 sert à la fois d'électrode de commande et de mesure ainsi que, éventuellement, de diaphragme. L'électrode flottante est formée par la couche de silicium dopé à la surface du miroir 78. Le scellement 90 est réalisé sous atmosphère neutre (Argon par exemple) .
Le dernier scellement résine 92 des plaques 70 et 100 ferme la microcuve et peut prévoir un évent d'égalisation des pressions interne et externe.
Dans les divers modes de réalisation exposés ci-dessus, la source a été décrite par référence à une couche de TiN pleine tranche percée de trous et enrobée de silice. D'autres types de sources peuvent être réalisés, dans le cadre d'un dispositif selon l'invention. En particulier, la source peut être constituée d'une grille, ou d'un filament, métallique, supporté (e) par une membrane, au-dessus d'une cavité gravée dans un substrat semi-conducteur. La grille, ou le filament, peut être par exemple en nitrure de silicium, ou en platine, ou en tantale, ou en titane, ou en tungstène, ou en molybdène, ou en chrome, ou en nickel, ou en l'un de leurs alliages.
La source peut être par exemple une source de rayonnement infrarouge miniaturisée telle que décrite dans le document FR-96 11866 (du 30 septembre 1996) Une telle source comporte au moins un microfilament autoporté, comprenant un matériau métallique, destiné à émettre un rayonnement infrarouge sous l'action d'un courant électrique le traversant. Le microfilament peut avoir la forme d'un film d'épaisseur suffisamment faible pour présenter une faible inertie thermique, compatible avec les périodes d'émission du rayonnement infrarouge. Le microfilament peut être constitué d'un ruban métallique recouvert d'au moins une couche mince d'un matériau améliorant l'emissivité du microfilament dans au moins une partie du spectre infrarouge. Le matériau métallique peut être choisi parmi la liste de matériaux déjà donnée ci-dessus. Le matériau améliorant l'emissivité du microfilament est de préférence choisi parmi les nitrures (par exemple Si3N4) , des siliciures (par exemple SiC, SiMo) , des oxydes (par exemple Si02, A1203) ou encore des borures.
Dans tous les cas, la source de rayonnement engendre un rayonnement infrarouge qui traverse le filtre interférentiel et atteint la cuve, où se produit son absorption. Le microphone est disposé de manière à détecter une variation de pression dans la cuve. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus en liaison avec les figures 3 et 4, le filtre utilisé est un filtre interférentiel Fabry-Pérot accordable et commandé électrostatiquemen . Cette structure comporte un premier miroir 78, fixe, auquel est associée une électrode flottante 79. Celle-ci peut être constituée par formation d'une couche dopée dans le substrat 4, faisant partie intégrante du miroir : c'est la couche externe du miroir diélectrique. Face au miroir fixe 79 se trouve un second miroir 76, mobile, selon l'axe XX' du spectromètre. A ce second miroir sont associées deux électrodes de commande désignées par la référence 80. Celles-ci sont réalisées par exemple par métallisation d'une partie d'une membrane réflectrice formant le second miroir 76.
Les deux miroirs sont maintenus l'un par rapport à l'autre à une distance d. Cette distance est en fait la longueur de la cavité résonnante délimitée par les miroirs 76, 78.
Le maintien des deux miroirs à une distance d est réalisé, sur les figures 3 et 4, à l'aide de butées 74. Il peut être également réalisé à l'aide d' entretoises ou de traverses. L'application d'une tension électrique à l'aide de moyens non représentés sur les figures, entre les électrodes de commande 80, entraîne un déplacement du miroir mobile 76 par rapport au miroir fixe, le long de l'axe XX1, et modifie donc la longueur de la cavité résonnante.
La longueur d de la cavité Fabry-Pérot satisfait à la relation :
2nd=mλ (1) où d est la longueur qui sépare les surfaces réfléchissantes, m est un nombre entier, n est l'indice de réfraction du milieu situé entre les deux miroirs et λ est la longueur d'onde. Toute variation de d entraîne donc une variation de la longueur d'onde centrale de la bande passante de 1 ' interféromètre .
La cavité ainsi formée définit, du point de vue électrique, une capacité Ci entre les électrodes de commande 80 et l'électrode flottante 79. En fait, l'application d'une tension électrique entre les électrodes de commande, modifie, à travers la capacité Ci de l'entrefer, le potentiel de l'électrode flottante 79 et, ainsi, le miroir mobile 76 est attiré en direction du miroir fixe. L'électrode flottante peut être réalisée sur le substrat 70 (elle est alors associée au, ou réalisée sur, le miroir mobile 76) , les électrodes de commande étant associées au miroir fixe.
On peut aussi réaliser une électrode de commande associée à chaque miroir (fixe et mobile). Néanmoins, la réalisation d'un système à une électrode flottante permet d'éviter un niveau de prises de contact, ce qui simplifie le dispositif et son procédé de réalisation. Sur la figure 2, c'est la membrane 56 qui porte en surface l'électrode flottante (couche de Si dopée).
Un procédé de réalisation d'un dispositif du type déjà décrit ci-dessus en liaison avec la figure 2, va être décrit en liaison avec les figures 5A à 5K.
Dans une première étape (figure 5A) un substrat semi-conducteur 2 (de préférence en silicium) est gravé, et un dépôt métallique 17 est réalisé au fond d'un des caissons obtenus par gravure.
Ensuite (figure 5B) un dépôt Si3N4-Si02-TiN 19 est réalisé en face avant d'un substrat semi-conducteur 50.
Ce dépôt 19 est gravé (figure 5C) . Puis, on réalise une libération de la membrane par la face arrière du substrat, par gravure de celui-ci (figure 5D) . Ensuite (figure 5E) on réalise un dépôt Si02 en face arrière d'une plaque 52 de type "SOI", et on grave, dans cette couche, des butées 58, 60. Le substrat 52 est ensuite gravé de façon à réaliser la membrane 56. Sur un autre substrat 54 de type "SOI", on réalise un dépôt métallique en face avant, que l'on grave afin d'obtenir les électrodes de commande 62 (figure 5G) . Le substrat 54 est ensuite gravé (figure 5H) de manière à dégager la microcuve 66. Une quatrième plaque 8, également de type "SOI" est gravée de manière à réaliser la membrane 34 en face avant (figure 51) . Un dépôt métallique 35 est réalisé sur la face avant du substrat 8 (figure 5J) .
Sur un substrat 10, de type "SOI", on réalise un dépôt métallique, par exemple d'or, qui est ensuite gravé de manière à réaliser les électrodes 38 du microphone (figure 5K) .
Des butées en silice permettent ensuite d'ajuster les différentes plaques les unes par rapport aux autres. Des scellements en résine 22, 64, 66, 68,
44 permettent ensuite d'obtenir l'empilement illustré sur la figure 2. Un procédé de réalisation des dispositifs décrits ci-dessus en liaison avec les figures 3 et 4 va maintenant être décrit en liaison avec les figures 6A à 6J. Tout d'abord, dans une première étape (figure
6A) une première plaque 2 d'un matériau semi-conducteur (de préférence du silicium) est gravée, de manière à y dégager des cavités. Au fond d'une des cavités, un dépôt métallique 17 est réalise. Puis (figure 6B) on réalise un dépôt 19 Si3N4-
Si02-TiN sur la face arrière d'un substrat 4 de type "SOI".
Des trous sont ensuite gravés dans ce dépôt (figure 6C) . Puis (figure 6D) un dépôt Si02 est réalisé et gravé de manière à y ouvrir des supports de contact : un dépôt d'or sur ces supports de contact permet de réaliser les contacts 32 (figure 6D) .
Un dépôt de Si02 est ensuite réalisé en face avant, puis gravé de manière à dégager les butées 22 (figure 6E) .
La membrane 18 est ensuite libérée par gravure
(figure 6F), dans la zone située sous les trous gravés dans la couche 18. Des cavités latérales peuvent en outre être dégagées pour faciliter des contacts à prendre sur le substrat en regard.
Ensuite (figure 6G) un dépôt métallique 80 est réalisé, puis gravé, en face avant d'une plaque 70, du type "SOI". Cette plaque est ensuite gravée en face arrière (figure 6H) de manière à dégager la membrane 76 et à former la microcuve 72.
Le dispositif de la figure 4 peut alors être réalisé, par assemblage des éléments décrits ci-dessus avec une quatrième plaque 100 de matériau semiconducteur. L'assemblage est réalisé de la même manière que décrit ci-dessus (utilisation de butées et scellement par des joints de résine) . Pour le mode de réalisation de la figure 3, le procédé se poursuit par les étapes illustrées sur les figures 61 et 6J.
Une plaque 72, de type "SOI" est gravée de manière à dégager le volume arrière 88 du microphone, derrière la membrane de celui-ci.
Puis (figure 6J) on grave un trou 89 de libération de la membrane, et on libère celle-ci par la face avant du substrat 72. Une gravure latérale et un dépôt métallique permettent de réaliser les contacts 84, 86 (voir figure 3). L'assemblage de ce substrat avec les substrats précédents est réalisé de la manière déjà décrite ci-dessus.
Un procédé pour réaliser un dispositif tel que décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1 comporte les étapes pour réaliser et usiner les plaques 2, 4 du dispositif de la figure 3 (mais sans la réalisation du miroir 78 et de l'électrode 79) ainsi que des étapes pour réaliser les plaques 8, 10 du dispositif de la figure 2 (réalisation de la microcuve et du microphone) . Il suffit donc de sélectionner les étapes nécessaires de procédé parmi celles décrites ci-dessus en liaison avec les figures 5A-5K et 6A-6J.
Pour tous les modes de réalisation décrits ci- dessus, les substrats sélectionnés sont de préférence des substrats en silicium. Ainsi, les plaques usinées ont des épaisseurs de l'ordre de quelques centaines de micromètres (entre 100 μm et 1 mm, par exemple 450 ou 500 μm) . La superposition de 4 , 5 ou 6 plaques usinées avec les éléments correspondants, conformément à l'invention, conduit donc à un dispositif ayant une épaisseur totale comprise entre 500 μm et 2 à 3 mm. La microcuve 12 (figures 1, 2), 72 (figures 3, 4) présente typiquement une section de 2 mmx2 mm, tandis que la membrane 34 (figures 1, 2), 76 (figures 3, 4) a une épaisseur typiquement comprise entre 0,1 μm et quelques micromètres (jusqu'à 10 μm, par exemple : 5 μm) .
Par ailleurs, il a été décrit ci-dessus une technique de liaison des substrats ; des butées servent à contrôler l'épaisseur d'air entre deux substrats, tandis que les scellements se font à l'aide de résine à haute température (200°C) . On peut également utiliser d'autres techniques d'assemblage de substrat, dérivées de la microélectronique. Par exemple, la technique dite "Anodic Bonding" (scellement silicium sur verre et sous champ électrique à 400°C) permet de réaliser un dispositif selon l'invention.
On peut aussi utiliser la technique dite SDB
("Silicon Direct Bonding") (scellement oxyde sur oxyde à haute température (>800°C) ) ou la technique de soudure par eutectique décrite dans "Sensors and Actuators", A45 (p. 227-236).

Claims

REVENDICATIONS
1. Spectromètre photoacoustique comportant :
- une source infrarouge (4, 18) réalisée dans un premier substrat semi-conducteur (4), — un filtre réalisé à l'aide d'un second substrat semiconducteur ( 6) ,
- une microcuve (12) formée dans un troisième substrat semi-conducteur,
- un microphone (14, 34, 38) réalisé à l'aide du troisième substrat semi-conducteur et d'un quatrième substrat semi-conducteur (10).
2. Spectromètre photoacoustique, comportant :
- une source infrarouge (50, 18) réalisée dans un premier substrat semiconducteur, - un filtre interférentiel Fabry-Pérot (56, 57, 60) formé à l'aide d'un deuxième et d'un troisième substrats semi-conducteurs (52, 54),
- une microcuve (67) réalisée partiellement dans le troisième substrat semi-conducteur et partiellement dans un quatrième substrat semi-conducteur (8),
- un microphone (14, 34, 38) réalisé à l'aide du quatrième et d'un cinquième substrats semiconducteurs (8, 10) .
3. Spectromètre photoacoustique, comportant : - une source infrarouge (4, 18), réalisée dans un premier substrat semi-conducteur (4),
- un filtre interférentiel Fabry-Pérot (76, 78) formé à l'aide du premier et d'un deuxième substrats (4, 70) semi-conducteurs, - une microcuve (72) réalisée dans le deuxième substrat semi-conducteur (70) ,
- un microphone (82, 84, 86) réalisé en surface d'un troisième substrat semi-conducteur.
4. Spectromètre photoacoustique, comportant :
- une source infrarouge (4, 18) réalisée dans un premier substrat semi-conducteur (4),
- un filtre interférentiel Fabry-Pérot (76, 78) réalisé à l'aide du premier et d'un deuxième substrats semiconducteurs (4, 70),
- un microphone et une microcuve, réalisés dans le deuxième substrat semi-conducteur (70) ;
5. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 4, la source infrarouge étant modulable électriquement .
6. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 5, la source infrarouge comportant une grille ou un filament métallique (18) supporté par une membrane au- dessus d'une cavité (20) gravée dans le premier substrat semi-conducteur (4, 50).
7. Spectromètre selon la revendication 6, la grille, ou le filament métallique, étant en nitrure de silicium ou en platine, ou en tantale, ou en titane, ou en tungstène, ou en molybdène, ou en chrome, ou en nickel, ou en l'une de leurs alliages.
8. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 7, la source infrarouge étant placée dans une cavité sous-vide (16) .
9. Spectromètre selon l'une des revendications
1 à 8, un substrat gravé (2) fermant la source infrarouge, un élément réflecteur (24) étant disposé dans une cavité gravée dans ce substrat.
10. Spectromètre selon la revendication 1, le filtre interférentiel étant un substrat filtrant (6).
11. Spectromètre selon l'une des revendications
2 à 4 ou 5 à 10 prise en combinaison avec l'une des revendications 2 à 4, le filtre interférentiel étant un filtre accordable Fabry-Pérot (56, 57, 60 ; 76, 78).
12. Spectromètre selon la revendication 11, le filtre interférentiel comportant un premier miroir fixe (57), un second miroir (56), mobile, ces miroirs délimitant, au repos, une cavité résonnante (60) de longueur d, des première et deuxième électrodes de commande respectivement associées à ces premier et second miroirs, l'application d'une tension électrique entre les électrodes de commande permettant de réaliser un déplacement du miroir mobile par rapport au miroir fixe et modifiant donc la longueur d de la cavité résonnante .
13. Spectromètre selon la revendication 11, le filtre accordable Fabry-Pérot comportant :
— un premier miroir, auquel est associée une électrode flottante,
— un second miroir, auquel sont associées une première et une seconde électrodes de commande, l'un parmi les premier et second miroirs étant prévu fixe et l'autre mobile,
— une cavité résonnante, de longueur d, délimitée par les premier et second miroirs, l'application d'une tension électrique entre les deux électrodes de commande entraînant un déplacement du miroir mobile par rapport au miroir fixe et modifiant donc la longueur d de la cavité résonnante.
14. Spectromètre selon l'une des revendications 12 ou 13, le miroir mobile étant réalisé par une membrane située au-dessus d'une cavité réalisée dans le second substrat semi-conducteur.
15. Spectromètre selon l'une des revendications 12 ou 13, le miroir mobile étant constitué d'une membrane gravée dans le second substrat semiconducteur.
16. Spectromètre selon l'une des revendications 12 à 15, les miroirs du filtre étant réalisés par empilement multicouches à λ/4, en surface des premier et deuxième ou deuxième et troisième substrats semiconducteurs . substrat semiconducteur.
17. Spectromètre selon la revendication 13, les électrodes de commande étant formées de part et d'autre d'une zone réfléchissante mobile du second miroir.
18. Spectromètre selon la revendication 17, la zone réfléchissante, mobile, ayant une forme circulaire.
19. Spectromètre selon l'une des revendication 12 à 18, les électrodes de commande formant diaphragme d'entrée de la microcuve.
20. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, l'une des parois de la microcuve (12, 72) étant constituée par la membrane du microphone.
21. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, le microphone comportant une membrane (34, 82, 76) , une première électrode (39) associée à cette membrane, et une seconde électrode (38), les surpression de la microcuve étant détectées par variation de la capacité de l'entrefer (14) compris entre la première et la deuxième électrodes.
22. Spectromètre selon l'une des revendications 1 ou 2, ou selon l'une des revendications 5 à 9 ou 20 ou 21 prise en combinaison avec l'une des revendications 1 ou 2 ou l'une des revendications 11 à 19 prise en combinaison avec la revendication 2, le microphone comportant une membrane et une première électrode (39) associée à cette membrane, réalisées toutes deux sur le troisième ou le quatrième substrat en semi-conducteur (8), et une deuxième électrode (38), réalisée sur le quatrième ou le cinquième substrat semiconducteur (10) .
23. Spectromètre selon la revendication 3 ou 4 ou selon l'une des revendications 3 à 20 prise en combinaison avec l'une des revendications 3 ou 4, la membrane du microphone étant réalisée en un matériau semi-conducteur dopé, le microphone comportant en outre une contre-électrode (84).
24. Spectromètre selon la revendication 23, la membrane du microphone étant située en surface du troisième ou du quatrième substrat, celui-ci étant gravé sous la membrane.
25. Spectromètre selon l'une des revendications 12 à 19 et selon l'une des revendications 21 à 23, la membrane du filtre accordable constituant en outre le miroir mobile du filtre accordable.
26. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique, en particulier selon la revendication 1, ou selon l'une des revendications 5 à 10 ou 20 à 25 prise en combinaison avec la revendication 1, comportant :
— la réalisation d'une source infrarouge dans un premier substrat semi-conducteur (4),
— la réalisation d'un filtre interférentiel (60) à l'aide d'un second substrat semi-conducteur (6), — la réalisation d'une microcuve dans un troisième substrat semiconducteur (8),
— la réalisation d'un microphone à l'aide du troisième (8) et d'un quatrième substrat semi-conducteur (10), - l'assemblage de la source infrarouge, du filtre, de la microcuve et du microphone par assemblage des substrats .
27. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique, en particulier selon la revendication 2, ou selon l'une des revendications 5 à 25 prise en combinaison avec la revendication 2, comportant :
- la réalisation d'une source infrarouge dans un premier substrat semi-conducteur (50) , - la réalisation d'un filtre interférentiel (56, 57, 60) accordable à l'aide d'un deuxième et d'un troisième substrats semi-conducteurs,
- la réalisation d'une microcuve (67), partiellement dans le troisième substrat semi-conducteur et dans un quatrième substrat semi-conducteur (8),
- la réalisation d'un microphone (14, 34, 38) à l'aide du quatrième et d'un cinquième substrats semiconducteurs (8, 10) .
28. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique, en particulier selon la revendication 3, ou selon l'une des revendications 5 à 25 prise en combinaison avec la revendication 3, comportant :
- la réalisation d'une source infrarouge dans un premier substrat semi-conducteur (4), - la réalisation d'un filtre à l'aide du premier (4) et d'un deuxième substrats (70) semi-conducteurs,
- la réalisation d'une microcuve (72), dans le deuxième substrat semi-conducteur (70) ,
- la réalisation d'un microphone, en surface d'un troisième substrat (72) semi-conducteur,
- l'assemblage de la source infrarouge, du filtre, de la microcuve et du microphone par assemblage des substrats .
29. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique, en particulier selon la revendication 4, comportant :
- la réalisation d'une source infrarouge (4, 18) dans un premier substrat semi-conducteur (4),
- la réalisation d'un filtre interférentiel et d'un microphone à l'aide du premier (4) et d'un deuxième
(70) substrats semi-conducteurs,
- la réalisation d'une microcuve (72) dans le deuxième substrat semi-conducteur (70) ,
- l'assemblage de la source infrarouge, du filtre et du microphone et de la microcuve, par assemblage des premier et deuxième substrats.
30. Procédé selon l'une des revendications 26 à 29, l'assemblage étant réalisé par "anodic-bonding" ou par scellement des substrats.
31. Procédé selon la revendication 30, l'assemblage étant réalisé par scellement par résine.
32. Procédé selon l'une des revendications 27 à 31, le filtre étant un filtre interférentiel Fabry- Pérot, sa réalisation mettant en oeuvre :
- la réalisation d'un premier miroir, et d'une première électrode de commande associée,
- la réalisation d'un second miroir, et d'une seconde électrode de commande associée, l'un des premier et second miroirs étant fixe et l'autre étant mobile.
33. Procédé selon l'une des revendications 27 à 31, le filtre étant un filtre interférentiel Fabry- Pérot, sa réalisation mettant en oeuvre : — la réalisation d'un premier miroir, et d'une électrode flottante, — la réalisation d'un second miroir, et d'électrodes de commande associées, l'un des premier et second miroirs étant fixe et l'autre étant mobile.
34. Procédé selon l'une des revendications 26 à 33, la microcuve étant réalisée par gravure d'au moins un substrat semi-conducteur jusqu'à obtention d'une membrane, le microphone étant ensuite réalisé par formation d'une électrode sur la membrane et formation d'électrodes sur un autre substrat.
35. Procédé selon l'une des revendications 32 ou 33, le miroir mobile étant réalisé par gravure d'un des substrats, le volume gravé définissant la microcuve .
36. Procédé selon la revendication 28, le microphone étant réalisé par gravure du troisième substrat (70) pour dégager une membrane conductrice (82), et formation d'une contre-électrode (84).
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