FR2768813A1

FR2768813A1 - Spectrometre photoacoustique miniaturise

Info

Publication number: FR2768813A1
Application number: FR9711697A
Authority: FR
Inventors: Anne Jourdain; Claude Bieth; Olivier Constantin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-03-26
Anticipated expiration: 2017-09-19
Also published as: EP0939893A1; FR2768813B1; US6344647B1; WO1999015879A1; JP2002511946A

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 Brüel 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 ellipsoidal 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 semiconducteur 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 semi
conducteur, - 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 semi
conducteurs, - 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 semi
conducteurs, - 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 semiconducteur. 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.

I1 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. I1 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 B/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 l'invention.

- La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon l'invention.

- La figure 3 représente un troisième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon l'invention.

- La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon l'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 l'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. I1 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
SiO2 d'épaisseur 0,7 um, et une couche de Si dopé, de 0,3 um d'épaisseur ; on peut aussi prendre du SOI standard, par exemple avec une couche SiO2 de 0,4um et une couche Si de 0,2 um 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 l'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 l'évent un diamètre d'environ 10 um.

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 SiO2 de 0,7 pm d'épaisseur et couche Si de 0,3 um 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 R/2, X 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 X/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 : SiO2 de 0,7 um d'épaisseur et Si de 0,3 um 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 : SiO2 de 0,7 um d'épaisseur et Si de 0,3 um 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 contreplaque 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,
SiO2 de 0,7 um d'épaisseur et Si de 0,3 um 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 um de
SiO2 et 0,2 um 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 contreélectrode est formée par la surface 85 du substrat 72 dégagée après gravure de la couche de SiO2) 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 SiO2 de 0,7 pm d'épaisseur et Si de 0,3 um 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'émissivité 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'émissivité du microfilament est de préférence choisi parmi les nitrures (par exemple
Si3N4), des siliciures (par exemple SiC, SiMo), des oxydes (par exemple SiO2, 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 électrostatiquement.

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 XX', et modifie donc la longueur de la cavité résonnante.

La longueur d de la cavité Fabry-Pérot satisfait à la relation
2nd=mX (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 X est la longueur d'onde. Toute variation de d entraîne donc une variation de la longueur d'onde centrale de la bande passante de l'interféromètre.

La cavité ainsi formée définit, du point de vue électrique, une capacité C1 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
C1 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-SiO2-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 SiO2 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 SI) . 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
SiO2-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 SiO2 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 SiO2 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 micromètres (entre 100 um et 1 mm, par exemple 450 ou 500 um). 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 um 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 um et quelques micromètres (jusqu'à 10 um, par exemple : 5 pm).

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 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)

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 semi

conducteurs (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 semi

conducteurs (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 audessus 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, 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 B/4, en surface des premier et deuxième - ou deuxième et troisième substrats semiconducteurs.

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, 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, 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 la revendication 11, le filtre accordable comportant une membrane servant en outre de membrane de microphone.

26. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon 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 selon 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 semi

conducteurs (8, 10).

28. Procédé de réalisation d'un spectromètre photoacoustique selon 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 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).