EP3635371A1 - Dispositif infrarouge - Google Patents

Dispositif infrarouge

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EP3635371A1
EP3635371A1 EP18758927.0A EP18758927A EP3635371A1 EP 3635371 A1 EP3635371 A1 EP 3635371A1 EP 18758927 A EP18758927 A EP 18758927A EP 3635371 A1 EP3635371 A1 EP 3635371A1
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EP
European Patent Office
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resistive element
infrared device
infrared
sub
cavity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18758927.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Salim Boutami
Emerick LORENT
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/06186—Resistance heated; wire sources; lamelle sources

Definitions

  • the present invention relates to an infrared device with an infrared source.
  • the present invention relates to an infrared device for the detection of gas.
  • Non-dispersive infrared sources (“NDI R” or “Non-Dispersive I nfraRed” in the Anglo-Saxon terminology) are known in the state of the art, and are commonly used in gas detectors.
  • FIG. 1 illustrates an infrared micro-source known from the state of the art and described by Barritault et al. [1].
  • the infrared microsource comprises a metal filament formed on a membrane suspended by two suspension arms.
  • the metallic filament when traversed by an electric current, heats and emits infrared radiation according to the law of the black body.
  • the intensity of the infrared radiation increases with the temperature at which the metal filament is heated.
  • This operating temperature of the infrared source remains limited, however, and can not exceed the degradation temperature of the constituent elements of the infrared source, de facto restricting the intensity of the infrared radiation likely to be emitted by said source.
  • the efficiency of the infrared source is also limited by conduction losses in the air that can occur when the latter is in operation.
  • it has been proposed to keep the infrared source under vacuum, or at least in a reduced pressure atmosphere, for example at a pressure of less than 10 -2 mbar, in order to reduce losses by thermal conduction .
  • a pressure of less than 10 -2 mbar for example at a pressure of less than 10 -2 mbar
  • the radiation emitted by the infrared source remains highly dispersed, so that only a useful fraction of said radiation is actually used for the detection of gases.
  • An object of the present invention is therefore to provide an infrared device, comprising an infrared source, and having a better efficiency than known devices of the state of the art.
  • Another object of the present invention is to provide an infrared device that can be implemented for the detection of gas without using an optical detector.
  • Another object of the present invention is to provide an arrangement of an infrared source in the infrared device for designing a gas detector whose sensitivity is improved over gas detectors known from the state of the art.
  • Another object of the present invention is to provide an infrared device coupled to a waveguide.
  • an object of the present invention is to provide an infrared device, the majority of the emitted infrared radiation is coupled to the waveguide.
  • an infrared device for generating infrared radiation comprising:
  • a main element comprising an outer surface and an inner surface, the inner surface defining a cavity
  • At least one resistive element intended to emit infrared radiation when it is traversed by a current, said at least one resistive element being kept in suspension, by at least two suspension arms, in the cavity, said suspension arms being arranged to establish an electrical contact between the resistive element and two connection terminals disposed outside the cavity,
  • the outer surface and / or the inner surface are at least partly coated with a reflective coating, said reflective coating having a reflectivity of at least 90%, preferably at least 95%, even more preferably at least 99%, in the range of infrared wavelengths that can be emitted by the at least one resistive element, the reflective coating is also arranged so that the infrared radiation emitted by the resistive element and reflected by said coating is at least partly absorbed by the resistive element.
  • the at least one resistive element is in an environment maintained at a pressure of less than 10 ⁇ 2 mbar, preferably between 10 ⁇ 3 mbar and 10 ⁇ 2 mbar.
  • the main element comprises two sub-elements, respectively, first sub-element and second sub-element, arranged so as to form the cavity, and each defining a first sub-volume and a second sub-element. sub-volume of said cavity, the two sub-elements being interconnected by a hermetic connection.
  • the two suspension arms are maintained at the level of the hermetic connection, and extend in the direction of the resistive element.
  • a waveguide is coupled, at a first end of said waveguide, to the cavity at a through aperture formed on the reflective coating, and so that infrared radiation diffusing at the through aperture out of the cavity is at least partly guided by said waveguide, said reflective coating being arranged so that only the infrared radiation likely to be emitted by the resistive element and through the diffuse through opening out of the cavity.
  • the first end of the waveguide is flush with the inner surface and in correspondence with the through opening.
  • the first end of the waveguide is at a predetermined distance from the inner surface, the predetermined distance advantageously being less than a wavelength of the infrared radiation that can be emitted by the element. resistive, and intended to be guided by said waveguide.
  • the first sub-element is made of a material that is transparent to infrared radiation.
  • the reflective coating comprises a first coating portion covering the inner surface (210b) at the first sub-element.
  • the waveguide extends from the first end in a direction substantially perpendicular to the normal direction defined by the inner surface section in correspondence with the through opening.
  • the reflective coating comprises a second coating portion covering one or the other of the inner and outer surfaces at the second sub-element.
  • the waveguide is included in the main element.
  • said infrared device further comprises a membrane that is transparent to infrared radiation that can be emitted by the resistive element, said membrane hermetically separating the volume of the cavity into two so-called volume sections, respectively, first volume section and second volume section, the main element comprises at least one, advantageously two, openings opening at the level of the first volume section and intended to ensure the flow of a gas or a liquid in said first volume section, the resistive element is disposed in the second volume section.
  • the infrared device further comprises means for detecting the temperature change of the resistive element.
  • the main element comprises the two connection terminals.
  • the resistive element comprises a metal filament, advantageously the metal filament is interposed between two dielectric layers, in addition, advantageously, the stack comprising the metal filament interposed between the two dielectric layers is arranged on a mechanical support.
  • the first sub-element and the second sub-element comprise a semiconductor material, the semiconductor material advantageously being silicon.
  • the hermetic connection between the first sub-element and the second sub-element is a metal-metal bonding, or a eutectic weld, advantageously the eutectic weld is made with silicon and gold, or Au and In, or Cu and Sn, or Au and Sn, or Au and Ge, or Al and Ge.
  • the resistive element is provided with a filter adapted to select a spectral range of the infrared radiation likely to be emitted by said resistive element.
  • the main element is made, at least in part, of a material transparent to infrared radiation.
  • the invention also relates to the use of the infrared device for the detection and identification of gas and / or liquid.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a resistive element known from the state of the art
  • FIG. 2a is a schematic representation according to a sectional plane of the infrared device according to a first variant of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2b is a schematic representation according to a sectional plane of the infrared device according to a second variant of the first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation according to a sectional plane of the infrared device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a perspective representation of a resistive element that can be implemented in the present invention.
  • FIG. 5 is a graphical representation of the attenuation of the infrared radiation (vertical axis) as a function of the imaginary absorption index of the gas k, the dotted line curve represents the attenuation in an infrared device devoid of a reflective coating. , while the solid curve considers the presence of a reflective coating,
  • FIGS. 6a-6f are schematic representations of the steps of a method of manufacturing the infrared device according to the first variant of the first embodiment of the invention.
  • the invention described in detail below implements an infrared device comprising a resistive element suspended in a cavity formed in a main element, and capable of emitting infrared radiation when it is traversed by an electric current.
  • the main element is covered, at least in part, on its outer surface and / or its inner surface by a reflective coating.
  • the implementation of the reflective coating makes it possible to confine, at least in part, infrared radiation emitted by the resistive element in the cavity.
  • FIGS. 2a, 2b, 3 and 4 show examples of implementations of an infrared device 100 according to the invention.
  • the infrared device 100 comprises a main element 200.
  • the main member 200 includes an outer surface 210a (or outer wall) and an inner surface 210b (or inner wall).
  • the inner surface 210b delimits the volume of a cavity 220.
  • Inner surface means a surface that is not exposed to the external environment. In other words, the cavity delimited by the inner surface is at least partly closed.
  • Outer surface means a surface which, since it is free of any coating, is exposed to the external environment (that is, the environment outside the cavity).
  • main element 200 forms an enclosure, at least partially closed.
  • the space between the outer surface 210a and the inner surface 210b defines the thickness of the main member 200.
  • the main element 200 may be made of a material transparent to infrared radiation.
  • infrared radiation transparency is meant an element permitting an infrared transmissivity of at least 50%.
  • the main element 200 may comprise at least one of the following materials: silicon, germanium, germanium silicon alloy, AIGaS, GaS, InP.
  • the infrared device 100 also comprises a resistive element
  • resistive element is meant an element which, when traversed by an electric current, heats and emits infrared radiation.
  • the resistive element 300 is an electrically resistive element.
  • Infrared radiation means light radiation in a range of wavelengths between 3 ⁇ and 12 ⁇ .
  • the resistive element 300 is held in suspension in the cavity 220 by two suspension arms 310a and 310b.
  • the resistive element 300 may comprise at least one structured part of a stack of layers 301 (FIG. 4).
  • the stack of layers may comprise a metal filament 302, for example interposed between two dielectric layers 303, 304 made of a dielectric material.
  • the metal filament 302 may in particular comprise platinum.
  • the dielectric layers 302, 304 may comprise titanium nitride.
  • the resistive element 300 may also comprise a mechanical support 305 on which the stack of layers 301 rests.
  • the mechanical support 305 is for example made of silicon, or of silicon nitride.
  • the resistive element 300 may be in the form of a circular patch. The invention should not, however, be limited to this form.
  • the two suspension arms 310a and 310b extend from the resistive element 300, and are anchored to the main element 200.
  • the structure of the suspension arms 310a and 310b is similar to that of the resistive element 300.
  • the resistive element 300 is in an environment maintained at a pressure of less than 10 ⁇ 2 mbar, preferably between 10 ⁇ 3 mbar and 10 ⁇ 2 mbar.
  • the resistive element 300 is also electrically connected to connection terminals 330a and 330b from which an electric current can be imposed on said resistive element 300.
  • connection terminals 330a and 330b are disposed outside the cavity 220. It is thus understood, without it being necessary to specify, that the connection Electrical connection between the resistive element 300 and the two connection terminals 330a and 330b is via the suspension arms 310a and 310b.
  • the infrared device within the meaning of the present invention further comprises a reflective coating 240.
  • the reflective coating 240 may cover, at least in part, the outer surface 210a and / or the inner surface 210b.
  • the reflective coating 240 also has a reflectivity coefficient of at least 90%, preferably at least 95%, even more preferably at least 99%, in the range of infrared wavelengths that can be emitted by the resistive element 300.
  • the reflective coating 240 may comprise a metal species, for example gold, and / or silver, and / or aluminum.
  • the reflective coating 240 may, for example, exclusively cover the outer surface 210a or the inner surface 210b
  • the main element 200 may comprise two sub-elements, respectively, first sub-element 250a and second sub-element 250b.
  • the two sub-elements 250a and 250b are arranged to form the cavity.
  • Each sub-element 250a and 250b forms a hollow element and comprises a rim.
  • the two sub-elements 250a and 250b when assembled, are advantageously connected by a hermetic connection.
  • the hermetic bond may advantageously be a eutectic weld.
  • eutectic welding can be performed with silicon and gold, or Au and In, or Cu and Sn, or Au and Sn, or Au and Ge, or Al and Ge.
  • the hermetic bond may be a metal-to-metal bond.
  • the two suspension stockings 310a and 310b can be maintained at the hermetic connection, and extend towards the resistive element 300.
  • the two suspension arms 310a and 310b can pass through the main element from the inside to the outside of the cavity.
  • the reflective coating 240 may cover, at the first sub-element, the outer surface 210a or the inner surface 210b.
  • the reflective coating 240 may cover, at the second sub-member 250b, the outer surface 210a or the inner surface 210b.
  • the infrared device may comprise a waveguide 400.
  • waveguide is meant a channel adapted to guide light radiation in the direction of extension of said channel.
  • the reflective coating 240 comprises a through opening 241, and is arranged so that only the infrared radiation, capable of being emitted by the resistive element 300, and passing through the through opening 241 diffuses out of cavity 220.
  • the waveguide 400 within the meaning of the present invention, is then coupled at its first end 410 to the cavity 220 at the through opening 241, so that infrared radiation diffusing out of the cavity is guided, at least in part, by the waveguide.
  • the waveguide is disposed outside the cavity.
  • the waveguide may comprise a core made of a SiGe alloy.
  • the first end 410 of the waveguide 400 is flush with the inner surface and in correspondence with the through opening.
  • the waveguide 400 may open into the cavity 220 at the first sub-element 250a.
  • the reflective coating 240 may cover the inner surface 210b at the level of first sub-element 250a, and covering either the inner surface 210b or the outer surface 210a at the second sub-element 250b.
  • the first end 410 of the waveguide 400 is at a predetermined distance from the inside surface 210b.
  • the waveguide 400 does not open into the cavity at the inner surface 210b. It is also clear that when there is an optical coupling between the cavity and the waveguide at its first end, the latter is necessarily close to the through opening.
  • the predetermined distance is advantageously less than a wavelength of the infrared radiation likely to be emitted by the resistive element 300, and intended to be guided by said waveguide 400.
  • the waveguide 400 may extend, from the first end, in a direction substantially perpendicular to the normal direction defined by the inner surface section 210b in correspondence with the through aperture.
  • inner surface section 210b in correspondence with the through opening is meant a surface section of the inner surface circumscribed by the contour of the through opening.
  • normal to a surface section means a direction perpendicular to said surface, where appropriate, perpendicular to a mean plane defined by said surface section.
  • the reflective coating 240 includes a first coating portion 240a that overlies, at the first sub-member 250a, the inner surface 210a.
  • the through opening 241 is further disposed at the first coating portion 240a.
  • the reflective coating 240 comprises a second coating portion 240b covering either of the inner and outer surfaces at the second sub-member (particularly in Figure 2b, the second coating portion is disposed on the inner surface at the second sub-element).
  • the waveguide 400 is included in the main element so that the material constituting the main element 200 forms a sheath around the waveguide 400.
  • the heart of the waveguide may comprise an alloy of silicon germanium.
  • the infrared radiation emitted by the resistive element 300 is largely coupled to the waveguide 400.
  • the infrared radiation emitted by the resistive element 300 undergoes multiple reflections, which are either reabsorbed by said resistive element 300, or coupled to the waveguide 400.
  • the radiation reabsorbed by the resistive element 300 heats said resistive element, and can therefore be reemitted as infrared radiation.
  • the implementation of the reflective coating and a waveguide according to the present invention makes it possible to create a guided NDIR source.
  • the reflective coating makes it possible to exacerbate the light power in a particular direction (i.e. the direction defined by the waveguide).
  • the waveguide 400 may be both a single-mode waveguide and a multimode waveguide.
  • the sizing of the waveguide is left to the appreciation of the person skilled in the art and of his general knowledge.
  • the infrared device makes it possible to consider the co-integration of said device on a silicon chip with other devices, for example a gas chamber, a detector.
  • the infrared device makes it possible to consider a gas sensor also devoid of optical filter.
  • the inventors have been able to perform optical simulations according to the first variant of the first embodiment. These optical simulations were conducted considering two sizing cavities different from the infrared device.
  • the resistive element considered emits infrared radiation at a length of 4.2 ⁇
  • the inner surface of the main element is covered with a layer of gold.
  • the waveguide is opening on the inner surface, and is of a height of 3 ⁇ (monomode waveguide).
  • the two cavity sizing are, respectively, 100 ⁇ x 100 ⁇ (first dimensioning), and 200 ⁇ x 200 ⁇ (second dimensioning).
  • the coupling ratio of infrared radiation is 85% and 60%, respectively, for the first cavity sizing and the second cavity sizing.
  • the infrared device comprises a transparent membrane 500 to infrared radiation that can be emitted by the resistive element 300.
  • the transparent membrane 500 hermetically separates the volume of the cavity into two so-called volume sections, respectively, first volume section 260a and second volume section 260b.
  • the transparent membrane 500 is for example made of silicon, but may include any other material transparent to infrared radiation.
  • the main element 200 comprises two openings 270a and
  • the resistive element 300 is disposed in the second volume section. Particularly advantageously, the atmosphere in the second volume section is maintained at a pressure of less than 10 -2 mbar, preferably between 10 3 mbar and 10 -2 mbar.
  • the infrared device 100 may also include temperature change detecting means of the resistive element 300.
  • this device makes it possible to detect and identify a liquid or a gas.
  • the infrared radiation emitted by the resistive element 300 undergoes multiple reflections, which are either reabsorbed by said resistive element 300, or absorbed by the gas or liquid (hereinafter "gas") circulating in the first volume section 260a. .
  • the absorption by the gas then limits the heating of the resistive element 300 by reabsorption of the reflected or "multi-reflected" infrared radiation.
  • the implementation of the reflective coating within the meaning of the present invention makes it possible to consider multiple reflections of the infrared radiation, and thus increase the probability of absorption of said infrared radiation by the gas.
  • the temperature variations thus observed at the level of the resistive element 300 are then exacerbated, so that the infrared device according to the second embodiment can constitute a gas detector of improved sensitivity compared to the same detector devoid of reflective coating. .
  • the temperature variations of the resistive element 300 can be detected by measuring the circulating current (for example with a ammeter) in said resistive element as a function of the electrical voltage imposed on it.
  • the gas can therefore be detected by a sudden cooling of the resistive element 300.
  • the inventors have determined by numerical simulation the reflective coating effect on the sensitivity of a gas detector according to the second embodiment.
  • Figure 5 is a graphical representation resulting from the simulation.
  • the dashed line represents the attenuation of the infrared radiation as a function of the imaginary absorption index k of the gas in the absence of a reflective coating, while the solid line curve considers the presence of a reflective coating. It is noted that the attenuation of the infrared radiation is much greater in the presence of reflective coating. In other words, a gas detector based on this second embodiment sees its sensitivity exacerbated by the implementation of the reflective coating.
  • the gas detector is also devoid of optical detector.
  • the infrared radiation emitted by the resistive element 300 can be filtered.
  • the resistive element may be provided with a filter 320 (FIG. 4) adapted to select a spectral range at which the gas of interest is sensitive.
  • the filter 320 may be a metal-insulator-metal resonator (MIMs) placed directly on the resistive element 300.
  • MIMs metal-insulator-metal resonator
  • the implementation of a filter 320 also makes it possible to improve the sensitivity of the detector relative to the specific gas (in other words to improve its detection threshold).
  • the limitation of the emission spectrum of the resistive element limits the amount of radiation reabsorbed by said resistive element.
  • the specific gas absorbs at least part of the infrared radiation emitted by the resistive element, a larger temperature drop of said resistive element.
  • a first step of the manufacturing method consists in providing a first substrate SI, for example a silicon substrate, which comprises two so-called faces, respectively, front face FAV and rear face FAR (FIG. 6a).
  • a first substrate SI for example a silicon substrate, which comprises two so-called faces, respectively, front face FAV and rear face FAR (FIG. 6a).
  • a trench T intended to receive the GO waveguide, is then formed (by dry etching or liquid) on the front face FAV of the substrate S.
  • the trench T is then filled with a material intended to form the core of the guide.
  • GO wave for example SiGe.
  • An encapsulation layer CE is formed on the front face FAV of the substrate S so as to encapsulate the waveguide.
  • the encapsulation layer CE may be a silicon layer formed by an epitaxial step (FIG. 6b).
  • the formation of the encapsulation layer CE is then followed by a step of forming a first cavity CA1 (FIG. 6c).
  • the step of forming the cavity comprises an etching step (for example a liquid etching) performed so that the waveguide GO opens, in a first end PE, in said cavity.
  • the cavity forming step includes steps of masking, and / or alignment of lithographic photo masks which are part of the knowledge general of the person skilled in the art and which are therefore not explained in this presentation.
  • the walls of the cavity are then covered with a reflective coating provided with a through opening OT at the first end PE of the waveguide GO.
  • the reflective coating can be a layer of gold.
  • the formation of the gold layer on the walls of the first cavity CA1 may be preceded by the deposition of diffusion barriers comprising, for example, a stack of a titanium layer and a silicon oxide layer.
  • the manufacturing method also comprises a step of forming a resistive element ER on a second substrate S2 (FIG. 6d).
  • the resistive element ER is suspended by two suspension arms BS1 and BS2 over a second cavity CA2.
  • a metallization bead CM comprising chromium, nickel and gold may be formed around the cavity.
  • This metallization bead CM is for example intended to ensure a hermetic assembly, by metal-metal bonding or by eutectic bonding, for example, between the first cavity CA1 and the second cavity CA2 (FIG. 6e).
  • a step of thinning the second substrate S2, following the assembly of the two cavities CA1 and CA2, can be performed.
  • a trench TA defining the second sub-element described above, is then performed.
  • This trench TA can be formed by "RIE” ("Reactive Ion Etching"), and is followed by a step of forming the reflective coating on the outer surface of the second sub-element 250b.
  • a method of manufacturing the infrared device according to the second embodiment can essentially be transposed to the manufacturing steps previously presented.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif infrarouge comprenant un élément résistif en suspension dans une cavité formée dans un élément principal, et susceptible d'émettre un rayonnement infrarouge lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. En particulier, l'élément principal est recouvert, au moins en partie, sur sa surface externe et/ou sa surface interne par un revêtement réfléchissant. La mise en œuvre du revêtement réfléchissant permet de confiner, au moins en partie, un rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif dans la cavité.

Description

TITRE
DISPOSITIF INFRAROUGE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif infrarouge doté d'une source infrarouge. En particulier, la présente invention concerne un dispositif infrarouge destiné à la détection de gaz.
ART ANTÉRIEUR
Les sources infrarouges non-dispersives (« NDI R » ou « Non-Dispersive I nfraRed » selon la terminologie Anglo-Saxonne) sont connues de l'état de la technique, et sont couramment mises en œuvre dans des détecteurs de gaz.
A titre d'exemple, la figure 1 illustre une micro-source infrarouge connue de l'état de la technique et décrite par Barritault et al. [1]. En particulier, la microsource infrarouge comprend un filament métallique formé sur une membrane suspendue par deux bras de suspension.
Le filament métallique, lorsqu'il est parcouru par un courant électrique, chauffe et émet un rayonnement infrarouge selon la loi du corps noir.
Autrement dit, l'intensité du rayonnement infrarouge augmente avec la température à laquelle le filament métallique est chauffé.
Cette température de fonctionnement de la source infrarouge reste cependant limitée, et ne peut excéder la température de dégradation des éléments constitutifs de la source infrarouge, restreignant de facto l'intensité du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par ladite source.
L'efficacité de la source infrarouge est éga lement limitée par des pertes par conduction dans l'air qui peuvent intervenir lorsque cette dernière est en fonctionnement. A cet égard, il a pu être proposé de maintenir la source infrarouge sous vide, ou à tout le moins, dans une atmosphère à pression réduite, par exemple à une pression inférieure à 10~2 mbar, afin de réduire les pertes par conduction thermique. Toutefois, un tel agencement n'est toujours pas satisfaisant.
En effet, le rayonnement émis par la source infrarouge reste très dispersé, de sorte que seule une fraction utile dudit rayonnement est effectivement utilisée pour la détection des gaz.
Par ailleurs, dès lors qu'une intensité lumineuse importante est requise, il peut être nécessaire de mettre en œuvre une source infrarouge dont la surface est plus importante.
Un but de la présente invention est alors de proposer un dispositif infrarouge, comprenant une source infrarouge, et présentant une meilleure efficacité que les dispositifs connus de l'état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif infrarouge susceptible d'être mis en œuvre pour la détection de gaz sans avoir recours à un détecteur optique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un agencement d'une source infrarouge dans le dispositif infrarouge permettant de concevoir un détecteur de gaz dont la sensibilité est améliorée par rapport aux détecteurs de gaz connus de l'état de la technique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif infrarouge couplé à un guide d'onde. En particulier, un but de la présente invention est de proposer un dispositif infrarouge dont la majeure partie du rayonnement infrarouge émis est couplé au guide d'onde.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les but de l'invention sont, au moins en partie, atteints par un dispositif infrarouge destiné à générer un rayonnement infrarouge, ledit dispositif comprenant :
- un élément principal comprenant une surface extérieure et une surface intérieure, la surface intérieure définissant une cavité ;
- au moins un élément résistif destiné à émettre un rayonnement infrarouge lorsqu'il est parcouru par un courant, ledit au moins un élément résistif étant maintenu en suspension, par au moins deux bras de suspension, dans la cavité, lesdits bras de suspension étant agencés pour établir un contact électrique entre l'élément résistif et deux bornes de connexion disposées à l'extérieur de la cavité,
la surface extérieure et/ou la surface intérieure sont, au moins en partie, revêtues d'un revêtement réfléchissant, ledit revêtement réfléchissant présentant un coefficient de réflectivité d'au moins 90%, préférentiellement d'au moins 95%, encore plus préférentiellement d'au moins 99%, dans le domaine de longueurs d'ondes infrarouges susceptibles d'être émises par l'au moins un élément résistif, le revêtement réfléchissant est également agencé de sorte que le rayonnement infrarouge émit par l'élément résistif et réfléchi par ledit revêtement, est, au moins en partie, absorbé par l'élément résistif.
Selon un mode de mise en œuvre, l'au moins un élément résistif est dans un environnement maintenu à une pression inférieure à 10~2 mbar, préférentiellement comprise entre 10~3 mbar et 10~2 mbar.
Selon un mode de mise en œuvre, l'élément principal comprend deux sous-éléments dits, respectivement, premier sous-élément et second sous-élément, agencés de manière à former la cavité, et définissant chacun un premier sous-volume et un second sous-volume de ladite cavité, les deux sous-éléments étant liés entre eux par une liaison hermétique.
Selon un mode de mise en œuvre, les deux bras de suspension sont maintenus au niveau de la liaison hermétique, et s'étendent en direction de l'élément résistif.
Selon un mode de mise en œuvre, un guide d'onde est couplé, selon une première extrémité dudit guide d'onde, à la cavité au niveau d'une ouverture traversante formée sur le revêtement réfléchissant, et de sorte qu'un rayonnement infrarouge diffusant au niveau de l'ouverture traversante hors de la cavité soit, au moins en partie, guidé par ledit guide d'onde, ledit revêtement réfléchissant étant agencé de sorte que seul le rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif et traversant l'ouverture traversante diffuse hors de la cavité. Selon un mode de mise en œuvre, la première extrémité du guide d'onde est en affleurement avec la surface intérieure et en correspondance avec l'ouverture traversante.
Selon un mode de mise en œuvre, la première extrémité du guide d'onde est à une distance prédéterminée de la surface intérieure, la distance prédéterminée étant avantageusement inférieure à une longueur d'onde du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif, et destiné à être guidé par ledit guide d'onde.
Selon un mode de réalisation, le premier sous-élément est fait d'un matériau transparent au rayonnement infrarouge.
Selon un mode de réalisation, le revêtement réfléchissant comprend une première partie de revêtement recouvrant la surface intérieur (210b) au niveau du premier sous élément.
Selon un mode de mise en œuvre, le guide d'onde s'étend, à partir de la première extrémité, selon une direction essentiellement perpendiculaire à la direction normale définie par la section de surface intérieure en correspondance avec l'ouverture traversante.
Selon un mode de mise en œuvre, le revêtement réfléchissant comprend une seconde partie de revêtement recouvrant l'une ou l'autre des surfaces intérieure et extérieure au niveau du second sous-élément.
Selon un mode de mise en œuvre, le guide d'onde est compris dans l'élément principal.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif infrarouge comprend en outre une membrane transparente au rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif, ladite membrane séparant de manière hermétique le volume de la cavité en deux sections volumiques dites, respectivement, première section volumique et seconde section volumique, l'élément principal comprend au moins une, avantageusement deux, ouvertures débouchant au niveau de la première section volumique et destinées à assurer l'écoulement d'un gaz ou d'un liquide dans ladite première section volumique, l'élément résistif est disposé dans la seconde section volumique.
Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif infrarouge comprend en outre des moyens de détection de changement de température de l'élément résistif.
Selon un mode de mise en œuvre, l'élément principal comporte les deux bornes de connexion.
Selon un mode de mise en œuvre, l'élément résistif comprend un filament métallique, avantageusement, le filament métallique est intercalé entre deux couches diélectriques, en plus avantageusement, l'empilement comprenant le filament métallique intercalé entre les deux couches diélectriques est disposé sur un support mécanique.
Selon un mode de mise en œuvre, le premier sous-élément et le second sous-élément comprennent un matériau semi-conducteur, le matériau semi-conducteur étant avantageusement du silicium.
Selon un mode de mise en œuvre, la liaison hermétique entre le premier sous-élément et le second sous-élément est un collage métal-métal, ou une soudure eutectique, avantageusement la soudure eutectique est réalisée avec du silicium et de l'or, ou Au et In, ou Cu et Sn, ou Au et Sn, ou Au et Ge, ou Al et Ge.
Selon un mode de mise en œuvre, l'élément résistif est pourvu d'un filtre adapté pour sélectionner une gamme spectrale du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par ledit élément résistif.
Selon un mode de réalisation, l'élément principal est fait, au moins en partie, d'un matériau transparent au rayonnement infrarouge.
L'invention concerne également l'utilisation du dispositif infrarouge pour la détection et l'identification de gaz et/de liquide.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre des modes de réalisation du dispositif infrarouge, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un élément résistif connu de l'état de la technique,
- la figure 2a est une représentation schématique selon un plan de coupe du dispositif infrarouge selon une première variante d'un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2b est une représentation schématique selon un plan de coupe du dispositif infrarouge selon une seconde variante du premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une représentation schématique selon un plan de coupe du dispositif infrarouge selon un second mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une représentation en perspective d'un élément résistif susceptible d'être mis en œuvre dans la présente invention,
- la figure 5 est une représentation graphique de l'atténuation du rayonnement infrarouge (axe vertical) en fonction de l'indice imaginaire d'absorption du gaz k, la courbe en traits pointillés représente l'atténuation dans un dispositif infrarouge dépourvu de revêtement réfléchissant, tandis que la courbe en trait plein considère la présence d'un revêtement réfléchissant,
- les figures 6a-6f sont des représentations schématiques des étapes d'un procédé de fabrication du dispositif infrarouge selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'invention décrite de manière détaillée ci-dessous met œuvre un dispositif infrarouge comprenant un élément résistif en suspension dans une cavité formée dans un élément principal, et susceptible d'émettre un rayonnement infrarouge lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. En particulier, l'élément principal est recouvert, au moins en partie, sur sa surface externe et/ou sa surface interne par un revêtement réfléchissant. La mise en œuvre du revêtement réfléchissant permet de confiner, au moins en partie, un rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif dans la cavité. Sur les figures 2a, 2b, 3, et 4 on peut voir des exemples de mises en œuvre d'un dispositif infrarouge 100 selon l'invention.
Le dispositif infrarouge 100 comprend un élément principal 200.
L'élément principal 200 comprend une surface extérieure 210a (ou paroi extérieure) et une surface intérieure 210b (ou paroi intérieure). En particulier, la surface intérieure 210b délimite le volume d'une cavité 220.
Par « surface intérieure », on entend une surface qui n'est pas exposée à l'environnement extérieur. En d'autres termes, la cavité délimitée par la surface intérieure est, au moins en partie, fermée.
Par « surface extérieure », on entend une surface qui, dès lors qu'elle n'est revêtue d'aucun revêtement, est exposée à l'environnement extérieur (autrement dit, l'environnement extérieur à la cavité).
Il est donc entendu sans qu'il soit nécessaire de le préciser que l'élément principal 200 forme une enceinte, au moins partiellement, fermée.
L'espace entre la surface extérieure 210a et la surface intérieure 210b définit l'épaisseur de l'élément principal 200.
L'élément principal 200 peut être fait d'un matériau transparent au rayonnement infrarouge.
Par « transparent au rayonnement infrarouge », on entend un élément autorisant une transmissivité dans l'infrarouge d'au moins 50%.
L'élément principal 200 peut comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : silicium, germanium, alliage de silicium germanium, AIGaS, GaS, InP.
Le dispositif infrarouge 100 comprend également un élément résistif
300.
Par « élément résistif », on entend un élément qui, lorsqu'il est parcouru par un courant électrique, chauffe et émet un rayonnement infrarouge. En d'autres termes, l'élément résistif 300 est un élément électriquement résistif.
Par « rayonnement infrarouge », on entend un rayonnement lumineux dans un domaine de longueurs d'ondes comprises entre 3 μιη et 12 μιη. L'élément résistif 300 est maintenu en suspension dans la cavité 220 par deux bras de suspension 310a et 310b.
A titre d'exemple, l'élément résistif 300 peut comporter au moins une partie structurée d'un empilement de couches 301 (figure 4). En particulier, l'empilement de couches peut comprendre un filament métallique 302, par exemple intercalé entre deux couches diélectriques 303, 304 faites d'un matériau diélectrique. Le filament métallique 302 peut notamment comprendre du platine.
Les couches diélectriques 302, 304 peuvent comprendre du nitrure de titane.
L'élément résistif 300 peut également comprendre un support mécanique 305 sur lequel repose l'empilement de couches 301. Le support mécanique 305 est par exemple fait de silicium, ou de nitrure de silicium.
L'élément résistif 300 peut avoir la forme d'une pastille circulaire. L'invention ne doit cependant pas être limitée à cette forme.
Les deux bras de suspension 310a et 310b s'étendent à partir de l'élément résistif 300, et sont ancrés à l'élément principal 200.
La structure des bras de suspension 310a et 310b est similaire à celle de l'élément résistif 300.
De manière avantageuse, l'élément résistif 300 est dans un environnement maintenu à une pression inférieure à 10~2 mbar, préférentiellement comprise entre 10~3 mbar et 10~2 mbar.
Des détails sur la mise en œuvre et le dimensionnement d'un élément résistif 300 au sens de la présente invention sont donnés dans le document [1] cité à la fin de la description. L'invention n'est toutefois pas limitée à l'élément résistif tel que décrit dans le document [1].
L'élément résistif 300 est également relié électriquement à des bornes de connexion 330a et 330b à partir desquelles un courant électrique peut être imposé audit élément résistif 300.
Les bornes de connexion 330a et 330b sont disposées à l'extérieur de la cavité 220. Il est ainsi entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que la liaison électrique entre l'élément résistif 300 et les deux bornes de connexion 330a et 330b se fait via les bras de suspension 310a et 310b.
Le dispositif infrarouge au sens de la présente invention comprend en outre un revêtement réfléchissant 240. En particulier, le revêtement réfléchissant 240 peut recouvrir, au moins en partie, la surface extérieure 210a et/ou la surface intérieure 210b.
Le revêtement réfléchissant 240 présente par ailleurs un coefficient de réflectivité d'au moins 90%, préférentiellement d'au moins 95%, encore plus préférentiellement d'au moins 99%, dans le domaine de longueurs d'ondes infrarouges susceptibles d'être émises par l'élément résistif 300.
Le revêtement réfléchissant 240 peut comprendre une espèce métallique, par exemple de l'or, et/ou de l'argent, et/ou de l'aluminium.
Le revêtement réfléchissant 240 peut, par exemple, recouvrir, exclusivement, la surface extérieure 210a ou la surface intérieure 210b
L'élément principal 200 peut comprendre deux sous-éléments dits, respectivement, premier sous-élément 250a et second sous-élément 250b.
Les deux sous-éléments 250a et 250b sont agencés de manière à former la cavité. Chaque sous-élément 250a et 250b forme un élément creux et comprend un rebord. L'assemblage des deux sous-éléments 250a et 250b, en apposant le rebord de l'un contre le rebord de l'autre, forme la cavité 220.
Les deux sous-élément 250a et 250b, lorsqu'ils sont assemblés, sont avantageusement liés par une liaison hermétique.
La liaison hermétique peut, avantageusement être une soudure eutectique.
Par exemple, la soudure eutectique peut être réalisée avec du silicium et de l'or, ou Au et In, ou Cu et Sn, ou Au et Sn, ou Au et Ge, ou Al et Ge.
La liaison hermétique peut être une liaison métal-métal.
Par ailleurs, les deux bas de suspension 310a et 310b peuvent être maintenus au niveau de la liaison hermétique, et s'étendre en direction de l'élément résistif 300. En particulier, les deux bras de suspension 310a et 310b peuvent traverser l'élément principal de l'intérieur vers l'extérieur de la cavité.
Le revêtement réfléchissant 240 peut recouvrir, au niveau du premier sous-élément, la surface extérieure 210a ou la surface intérieure 210b.
De manière équivalente, le revêtement réfléchissant 240 peut recouvrir, au niveau du second sous-élément 250b, la surface extérieure 210a ou la surface intérieure 210b.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif infrarouge peut comprendre un guide d'onde 400.
Par « guide d'onde », on entend un canal adapté pour guider un rayonnement lumineux dans la direction d'extension dudit canal.
Par ailleurs, selon ce mode de réalisation, le revêtement réfléchissant 240 comprend une ouverture traversante 241, et est agencé de sorte que seul le rayonnement infrarouge, susceptible d'être émis par l'élément résistif 300, et traversant l'ouverture traversante 241 diffuse hors de la cavité 220.
Le guide d'onde 400, au sens de la présente invention, est alors couplé selon sa première extrémité 410 à la cavité 220 au niveau de l'ouverture traversante 241, de sorte qu'un rayonnement infrarouge diffusant hors de la cavité est guidé, au moins en partie, par le guide d'onde.
II est clair, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que le guide d'onde est disposé hors de la cavité.
De manière avantageuse, le guide d'onde peut comprendre un cœur fait d'un alliage de SiGe.
Selon une première variante du premier mode de réalisation illustrée à la figure 2a, la première extrémité 410 du guide d'onde 400 est en affleurement avec la surface intérieure et en correspondance avec l'ouverture traversante.
En particulier, le guide d'onde 400 peut déboucher dans la cavité 220 au niveau du premier sous-élément 250a. Toujours selon cette première variante, le revêtement réfléchissant 240 peut recouvrir la surface intérieure 210b au niveau du premier sous-élément 250a, et recouvrir soit la surface intérieure 210b soit la surface extérieure 210a au niveau du second sous-élément 250b.
Selon une seconde variante du premier mode de réalisation illustrée à la figure 2b, la première extrémité 410 du guide d'onde 400 est à une distance prédéterminée de la surface intérieure 210b. En d'autres termes, le guide d'onde 400 ne débouche pas dans la cavité au niveau de la surface intérieure 210b. Il est également clair que dès lors qu'il y a un couplage optique entre la cavité et le guide d'onde au niveau de sa première extrémité, cette dernière est nécessairement à proximité de l'ouverture traversante. La distance prédéterminée est avantageusement inférieure à une longueur d'onde du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif 300, et destiné à être guidé par ledit guide d'onde 400.
En particulier, le guide d'onde 400 peut s'étendre, à partir de la première extrémité, selon une direction essentiellement perpendiculaire à la direction normale définie par la section de surface intérieure 210b en correspondance avec l'ouverture traversante.
Par « section de surface intérieure 210b en correspondance avec l'ouverture traversante », on entend une section de surface de la surface intérieure circonscrite par le contour de l'ouverture traversante.
Par ailleurs, par « normale à une section de surface », on entend une direction perpendiculaire à ladite surface, le cas échéant, perpendiculaire à un plan moyen défini par ladite section de surface.
Par exemple, le revêtement réfléchissant 240 comprend une première partie de revêtement 240a qui recouvre, au niveau du premier sous-élément 250a, la surface intérieure 210a. L'ouverture traversante 241 est par ailleurs disposée au niveau de la première partie de revêtement 240a. La première extrémité 410 du guide d'onde
400 est, en outre, disposée à une distance prédéterminée de l'ouverture traversante.
Il est par ailleurs clair, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que dès lors que le guide d'onde est optiquement couplé à la cavité au niveau de sa première extrémité, une section du guide d'onde s'étendant à partir de ladite première extrémité est nécessairement en regard de l'ouverture traversante. Par « en regard de l'ouverture traversante », on entend une section du guide d'onde au niveau de laquelle le couplage optique est effectif.
De manière avantageuse, le revêtement réfléchissant 240 comprend une seconde partie de revêtement 240b recouvrant l'une ou l'autre des surfaces intérieure et extérieure au niveau du second sous-élément (en particulier sur la figure 2b, la seconde partie de revêtement est disposée sur la surface intérieure au niveau du second sous-élément).
Toujours de manière avantageuse, le guide d'onde 400 est compris dans l'élément principal de sorte que le matériau constituant l'élément principal 200 forme une gaine autour du guide d'onde 400.
Par ailleurs, le cœur du guide d'onde peut comprendre un alliage de silicium germanium.
En fonctionnement, dans un tel dispositif infrarouge 100 selon l'une ou l'autre des première et seconde variantes, le rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif 300 est en grande partie couplé au guide d'onde 400.
En effet, le rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif 300 subit de multiples réflexions, qui sont soit réabsorbées par ledit élément résistif 300, soit couplées au guide d'onde 400.
Le rayonnement réabsorbé par l'élément résistif 300 réchauffe ledit élément résistif, et peut donc être réémis sous forme de rayonnement infrarouge. On parle de recyclage du rayonnement infrarouge. Ce recyclage permet alors d'augmenter le taux de rayonnement couplé au guide d'onde par rapport à un dispositif équivalent, mais dépourvu de revêtement réfléchissant. La mise en œuvre du revêtement réfléchissant et d'un guide d'onde selon la présente invention permet de créer une source NDIR guidée.
En particulier, le revêtement réfléchissant permet d'exacerber la puissance lumineuse selon une direction particulière (i.e. : la direction définie par le guide d'onde).
Enfin, le guide d'onde 400 peut être aussi bien un guide d'onde monomode qu' un guide d'onde multimode. Le dimensionnement du guide d'onde est laissé à l'appréciation de l'homme du métier et de ses connaissances générales.
Le dispositif infrarouge selon ce premier mode de réalisation permet d'envisager la co-intégration dudit dispositif sur une puce de silicium avec d'autres dispositifs, par exemple une chambre à gaz, un détecteur.
Il peut également être envisagé d'intégrer sur ladite puce des composants de démultiplexage, et ainsi séparer le flux infrarouge guidé par le guide d'onde en différentes bandes spectrales, en particulier pour l'identification de gaz de natures différentes. Le dispositif infrarouge selon ce mode de réalisation permet de considérer un capteur de gaz également dépourvu de filtre optique.
Les inventeurs ont pu réaliser des simulations optiques selon la première variante du premier mode de réalisation. Ces simulations optiques ont été conduites en considérant deux dimensionnements de cavités différents du dispositif infrarouge.
Dans chacun des cas, l'élément résistif considéré émet un rayonnement infrarouge à une longueur de 4,2 μιη, la surface intérieure de l'élément principal est recouverte d'une couche d'or. Le guide d'onde est débouchant sur la surface intérieure, et est d'une hauteur de 3 μιη (guide d'onde monomode).
Les deux dimensionnement de cavité sont, respectivement, 100 μιη x 100 μιη (premier dimensionnement), et 200 μιη x 200 μιη (second dimensionnement).
Le taux de couplage du rayonnement infrarouge est de 85 % et 60 %, respectivement, pour le premier dimensionnement de cavité et le second dimensionnement de cavité. Ainsi, tel que précisé précédemment, le rayonnement émis par l'élément résistif subit une pluralité de réflexions dans la cavité, jusqu'à être soit réabsorbé par l'élément résistif (il sera alors réémis car il réchauffe l'élément résistif), soit couplé au guide d'onde, soit absorbé par le revêtement réfléchissant.
Selon un second mode de réalisation (figure 3), le dispositif infrarouge comprend une membrane transparente 500 au rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif 300. En particulier, la membrane transparente 500 sépare de manière hermétique le volume de la cavité en deux sections volumiques dites, respectivement, première section volumique 260a et seconde section volumique 260b.
La membrane transparente 500 est par exemple faite de silicium, mais peut comprendre tout autre matériau transparent au rayonnement infrarouge.
Par ailleurs, l'élément principal 200 comprend deux ouvertures 270a et
270b débouchant au niveau de la première section volumique et destinées à permettre l'écoulement d'un gaz ou d'un liquide dans ladite première section volumique.
L'élément résistif 300 est disposé dans la seconde section volumique. De manière particulièrement avantageuse, l'atmosphère dans la seconde section volumique est maintenu à une pression inférieure à 10~2 mbar, préférentiellement comprise entre ÎO 3 mbar et 10~2 mbar.
Le dispositif infrarouge 100 peut également comprendre des moyens de détection de changement de température de l'élément résistif 300.
En fonctionnement, ce dispositif permet de détecter et d'identifier un liquide ou un gaz.
En effet, le rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif 300 subit de multiples réflexions, qui sont soit réabsorbées par ledit élément résistif 300, soit absorbées par le gaz ou liquide (ci-après « gaz ») circulant dans la première section volumique 260a.
L'absorption par le gaz limite alors réchauffement de l'élément résistif 300 par réabsorption du rayonnement infrarouge réfléchi ou « multi réfléchi ».
La mise en œuvre du revêtement réfléchissant au sens de la présente invention permet de considérer des réflexions multiples du rayonnement infrarouge, et ainsi augmenter la probabilité d'absorption dudit rayonnement infrarouge par le gaz. Les variations de température ainsi observées au niveau de l'élément résistif 300 sont alors exacerbées, de sorte que le dispositif infrarouge selon le second mode de réalisation peut constituer un détecteur de gaz d'une sensibilité améliorée par rapport au même détecteur dépourvu de revêtement réfléchissant.
En particulier, les variations de température de l'élément résistif 300 peuvent être détectées via la mesure du courant circulant (par exemple avec un ampèremètre) dans ledit élément résistif en fonction de la tension électrique qui lui est imposée.
Le gaz peut donc être détecté par un refroidissement soudain de l'élément résistif 300.
A titre d'exemple, les inventeurs ont déterminé par simulation numérique l'effet de revêtement réfléchissant sur la sensibilité d'un détecteur de gaz selon le second mode de réalisation.
Dans le cadre de la simulation, les inventeurs ont tenu compte de :
- la longueur d'onde, λ = 4,2 μιη, du rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif,
- du coefficient d'absorption a du gaz, ce coefficient est lié à un indice imaginaire d'absorption du gaz k par la relation :
± -—
-— Q j -k.L
-a.C.L
= e
La figure 5 est une représentation graphique résultant de la simulation. La courbe en pointillés représente l'atténuation du rayonnement infrarouge en fonction de l'indice imaginaire d'absorption k du gaz en l'absence de revêtement réfléchissant, tandis que la courbe en trait plein considère la présence d'un revêtement réfléchissant. On note que l'atténuation du rayonnement infrarouge est bien plus importante en présence de revêtement réfléchissant. En d'autres termes, un détecteur de gaz basé sur ce second mode de réalisation voit sa sensibilité exacerbée par la mise en œuvre du revêtement réfléchissant.
Selon le principe précédemment décrit, la détecteur de gaz est également dépourvu de détecteur optique.
Par ailleurs, pour être sensible à un gaz spécifique, le rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif 300 peut être filtré.
A cet égard, l'élément résistif peut être pourvu d'un filtre 320 (figure 4) adapté pour sélectionner une gamme spectrale à laquelle le gaz d'intérêt est sensible. Par exemple le filtre 320 peut être un résonateur métal-isolant-métal (MIMs) placé directement sur l'élément résistif 300. Dans le cadre du second mode de réalisation, la mise en œuvre d'un filtre 320 permet également d'améliorer la sensibilité du détecteur par rapport au gaz spécifique (en d'autres termes améliorer son seuil de détection). En effet, la limitation du spectre d'émission de l'élément résistif limite la quantité de rayonnement réabsorbé par ledit élément résistif. Il en résulte, dès lors que le gaz spécifique absorbe au moins en partie le rayonnement infrarouge émis par l'élément résistif, une chute de température plus importante dudit élément résistif.
La fabrication d'un dispositif infrarouge selon l'un ou l'autre des deux modes de réalisation fait appel à des techniques de micro-fabrication connues de l'homme du métier.
Néanmoins, nous proposons dans la suite de cet énoncé d'en décrire les grandes lignes, et en particulier dans le cadre du premier mode de réalisation de la présente invention et en relation avec les figures 6a à 6f.
Une première étape du procédé de fabrication consiste à fournir un premier substrat SI, par exemple un substrat de silicium, qui comprend deux faces dites, respectivement, face avant FAV et face arrière FAR (figure 6a).
Une tranchée T, destinée à accueillir le guide d'onde GO est alors formée (par gravure sèche ou liquide) sur la face avant FAV du substrat S. La tranchée T est ensuite comblée par un matériau destiné à former le cœur du guide d'onde GO, par exemple du SiGe.
Une couche de d'encapsulation CE est formée sur la face avant FAV du substrat S de manière à encapsuler le guide d'onde. La couche d'encapsulation CE peut être une couche de silicium formée par une étape d'épitaxie (figure 6b).
La formation de la couche d'encapsulation CE est alors suivie d'une étape de formation d'une première cavité CA1 (figure 6c). En particulier, l'étape de formation de la cavité comprend une étape de gravure (par exemple une gravure liquide) exécutée de sorte que le guide d'onde GO débouche, selon une première extrémité PE, dans ladite cavité. L'étape de formation de la cavité comprend des étapes de masquage, et/ou d'alignement de masques photo lithographiques qui font partie des connaissances générales de l'homme du métier et qui ne sont donc pas explicitées dans le présent exposé.
Les parois de la cavité sont ensuite recouvertes d'un revêtement réfléchissant pourvu d'une ouverture traversante OT au niveau de la première extrémité PE du guide d'onde GO.
Le revêtement réfléchissant peut être une couche d'or. Par ailleurs, la formation de la couche d'or sur les parois de la première cavité CAl peut être précédée du dépôt de barrières de diffusion comprenant par exemple un empilement d'une couche de titane et d'une couche d'oxyde de silicium.
Le procédé de fabrication comprend également une étape de formation d'un élément résistif ER sur un second substrat S2 (figure 6d). L'élément résistif ER est suspendu par deux bras de suspension BS1 et BS2 au-dessus d'une seconde cavité CA2.
Les étapes de procédé de fabrication de l'élément résistif ER font partie de l'état de la technique, et à cet égard, l'homme du métier pourra consulter le document [1] cité à la fin de la description (en particulier la section « 3. Device fabrication », qui fait partie intégrante de la présente description).
Un cordon de métallisation CM comprenant du chrome, du nickel et de l'or peut être formé autour de la cavité. Ce cordon de métallisation CM est par exemple destiné à assurer un assemblage hermétique, par collage métal-métal ou par collage eutectique par exemple, entre la première cavité CAl et la seconde cavité CA2 (figure 6e).
Une étape d'amincissement du second substrat S2, à la suite de l'assemblage des deux cavités CAl et CA2, peut être exécutée.
Une tranchée TA, définissant le second sous-élément décrit précédemment, est alors réalisée. Cette tranchée TA peut être formée par « RIE » (« Reactive Ion Etching »), et est suivie d'une étape de formation du revêtement réfléchissant sur la surface externe du second sous-élément 250b.
Un procédé de fabrication du dispositif infrarouge selon le second mode de réalisation sont transposables pour l'essentiel les étapes de fabrication précédemment présentées.
RÉFÉRENCES
[1] P. Barritault et al., "Mid-IR source based on a free-standing microhotplate for autonomous C02 sensing in indoor- applications", Sensors and Actuators A, 172, p. 379-385, (2011)

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif infrarouge (100) destiné à générer un rayonnement infrarouge, comprenant :
- un élément principal (200) comprenant une surface extérieure (210a) et une surface intérieure (210b), la surface intérieure (210b) définissant une cavité (220) ;
- au moins un élément résistif (300) destiné à émettre un rayonnement infrarouge lorsqu'il est parcouru par un courant, ledit au moins un élément résistif (300) étant maintenu en suspension, par au moins deux bras de suspension (310a, 310b), dans la cavité (220), lesdits bras de suspension (310a, 310b) étant agencés pour établir un contact électrique entre l'élément résistif (300) et deux bornes de connexion (330a, 330b) disposées à l'extérieur de la cavité (220),
le dispositif infrarouge étant caractérisé en ce que la surface extérieure (210a) et/ou la surface intérieure (210b) sont, au moins en partie, revêtues d'un revêtement réfléchissant (240), ledit revêtement réfléchissant (240) présentant un coefficient de réflectivité d'au moins 90%, préférentiellement d'au moins 95%, encore plus préférentiellement d'au moins 99%, dans le domaine de longueurs d'ondes infrarouges susceptibles d'être émises par l'au moins un élément résistif (300), le revêtement réfléchissant est également agencé de sorte que le rayonnement infrarouge émit par l'élément résistif et réfléchi par ledit revêtement, est, au moins en partie, absorbé par l'élément résistif.
2. Dispositif infrarouge selon la revendication 1, dans lequel l'au moins un élément résistif (300) est dans un environnement maintenu à une pression inférieure à 10~2 mbar, préférentiellement comprise entre 10~3 mbar et
10~2 mbar.
3. Dispositif infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément principal (200) comprend deux sous-éléments dits, respectivement, premier sous-élément (250a) et second sous-élément (250b), agencés de manière à former la cavité (220), et définissant chacun un premier sous-volume et un second sous-volume de ladite cavité (220), les deux sous-éléments étant liés entre eux par une liaison hermétique.
4. Dispositif infrarouge selon la revendication 3, dans lequel les deux bras de suspension (310a, 310b) sont maintenus au niveau de la liaison hermétique, et s'étendent en direction de l'élément résistif (300).
5. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel un guide d'onde (400) est couplé, selon une première extrémité (410) dudit guide d'onde (400), à la cavité (220) au niveau d'une ouverture traversante (241) formée à travers le revêtement réfléchissant (240), et de sorte qu'un rayonnement infrarouge diffusant au niveau de l'ouverture traversante (241) hors de la cavité (220) soit, au moins en partie, guidé par ledit guide d'onde (400), ledit revêtement réfléchissant (240) étant agencé de sorte que seul le rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif (300) et traversant l'ouverture traversante (241) diffuse hors de la cavité (220).
6. Dispositif infrarouge selon la revendication 5, dans lequel la première extrémité (410) du guide d'onde (400) est en affleurement avec la surface intérieure (210b) et en correspondance avec l'ouverture traversante (241).
7. Dispositif infrarouge selon la revendication 5, dans lequel la première extrémité (410) du guide d'onde (400) est à une distance prédéterminée de la surface intérieure (210b), la distance prédéterminée étant avantageusement inférieure à une longueur d'onde du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif (300), et destiné à être guidé par ledit guide d'onde (400).
8. Dispositif infrarouge selon la revendication 7, dans lequel le guide d'onde s'étend, à partir de la première extrémité, selon une direction essentiellement perpendiculaire à la direction normale définie par la section de surface intérieure (210b) en correspondance avec l'ouverture traversante.
9. Dispositif infrarouge selon la revendication 7 ou 8 en combinaison avec la revendication 3, dans lequel le premier sous-élément (250a) est fait d'un matériau transparent au rayonnement infrarouge.
10. Dispositif infrarouge selon la revendication 9, dans lequel le revêtement réfléchissant (240) comprend une première partie de revêtement (240a) recouvrant la surface intérieur (210b) au niveau du premier sous élément (250a).
11. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 7 à 10 en combinaison avec la revendication 3, dans lequel le revêtement réfléchissant (240) comprend une seconde partie de revêtement (240b) recouvrant l'une ou l'autre des surfaces intérieure et extérieure au niveau du second sous-élément (250b).
12. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 5 à 11, da ns lequel le guide d'onde (400) est compris dans l'élément principal (200).
13. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 4, da ns lequel ledit dispositif infrarouge comprend en outre une membrane transparente (500) au rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par l'élément résistif (300), ladite membrane séparant de manière hermétique le volume de la cavité (220) en deux sections volumiques dites, respectivement, première section volumique (260a) et seconde section volumique (260b), l'élément principal (200) comprend au moins une, avantageusement deux, ouverture (270a, 270b) débouchant au niveau de la première section volumique (260a) et destinées à assurer l'écoulement d'un gaz ou d'un liquide dans ladite première section volumique (260a), l'élément résistif (300) est disposé dans la seconde section volumique (260b).
14. Dispositif infrarouge selon la revendication 13, dans lequel le dispositif infrarouge comprend en outre des moyens de détection de changement de température de l'élément résistif (300).
15. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel l'élément principal (200) comporte les deux bornes de connexion (330a, 330b).
16. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 15, dans lequel l'élément résistif (300) comprend un filament métallique (302), avantageusement, le filament métallique (302) est intercalé entre deux couches diélectriques (303, 304), en plus avantageusement, l'empilement comprenant le filament métallique (302) intercalé entre les deux couches diélectriques (303, 304) est disposé sur un support mécanique
17. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 16 et en combinaison avec la revendication 3, dans lequel le premier sous-élément (250a) et le second sous-élément (250b) comprennent un matériau semi-conducteur, le matériau semi-conducteur étant avantageusement du silicium.
18. Dispositif infrarouge selon la revendication 17, dans lequel la liaison hermétique entre le premier sous-élément (250a) et le second sous-élément (250b) est un collage métal-métal ou une soudure eutectique, avantageusement la soudure eutectique est réalisée avec du silicium et de l'or, ou Au et In, ou Cu et Sn, ou Au et Sn, ou Au et Ge, ou Al et Ge.
19. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel l'élément résistif (300) est pourvu d'un filtre (320) adapté pour sélectionner une gamme spectrale du rayonnement infrarouge susceptible d'être émis par ledit élément résistif (300).
20. Dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 19, dans lequel l'élément principal (200) est fait, au moins en partie, d'un matériau transparent au rayonnement infrarouge.
21. Utilisation du dispositif infrarouge selon l'une des revendications 1 à 20 pour la détection et l'identification de gaz et/de liquide.
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