FR2828560A1 - Capteur resonnant a excitation optique et dispositif de surveillance utilisant ce capteur - Google Patents
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Abstract
Capteur résonant à excitation optique et dispositif de surveillance utilisant ce capteur.Ce capteur comprend un résonateur (4) en silicium dopé, pour absorber un rayonnement (Re) de longueur d'onde supérieure à 1100 nm, et sert par exemple à surveiller la pression dans un puits de pétrole.
Description
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CAPTEUR RÉSONANT À EXCITATION OPTIQUE ET DISPOSITIF DE
SURVEILLANCE UTILISANT CE CAPTEUR
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un capteur résonant à excitation optique ainsi qu'un dispositif de surveillance utilisant ce capteur.
SURVEILLANCE UTILISANT CE CAPTEUR
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un capteur résonant à excitation optique ainsi qu'un dispositif de surveillance utilisant ce capteur.
Elle s'applique notamment à la surveillance de la pression dans un puits de pétrole.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On sait que de nombreux capteurs résonants ont été fabriqués par micro-usinage du silicium. Ces capteurs permettent, en particulier, de mesurer des pressions absolues, des pressions différentielles, des viscosités, des densités, des contraintes, des forces et des déplacements.
On sait que de nombreux capteurs résonants ont été fabriqués par micro-usinage du silicium. Ces capteurs permettent, en particulier, de mesurer des pressions absolues, des pressions différentielles, des viscosités, des densités, des contraintes, des forces et des déplacements.
Divers principes sont utilisables pour l'excitation et la lecture d'un capteur résonant et dépendent essentiellement de la fréquence de vibration de l'élément résonant de ce capteur et des performances que l'on vise.
En général, l'excitation consiste à donner une certaine quantité d'énergie à l'élément résonant. Cette énergie peut être fournie de façon temporaire ou permanente et peut être, par exemple, de nature acoustique, électrostatique ou optique.
La lecture, ou détection, est fondée sur la détermination de la fréquence de vibration de l'élément
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résonant et peut être, par exemple, de nature capacitive, piézorésistive, optique ou acoustique.
L'utilisation de moyens optiques pour l'excitation et la détection est très séduisante car elle permet d'associer des fibres optiques à de tels moyens.
On connaît déjà divers capteurs résonants en silicium qui sont couplés à des moyens optiques d'excitation et de détection par l'intermédiaire de fibres optiques.
Pour exciter l'élément résonant en silicium de tels capteurs, il est nécessaire d'utiliser un rayonnement que le silicium est capable d'absorber, rayonnement dont la longueur d'onde est donc inférieure à celle à laquelle le silicium est transparent.
En fait, on utilise un effet photoélastique pour exciter cet élément résonant. L'énergie lumineuse est d'abord convertie en énergie thermique. A cause de l'absorption optique différentielle engendrée dans le silicium massif, un gradient thermique est créé. Ce dernier est alors converti en un gradient mécanique (une interaction thermo-mécanique étant mise en oeuvre).
On peut calculer la quantité d'énergie qui est nécessaire pour exciter convenablement l'élément résonant et créer une variation suffisante de l'amplitude de vibration de cet élément afin de détecter la fréquence de vibration. Cette quantité d'énergie dépend principalement du nombre de photons qui sont absorbés par l'élément.
Tous les capteurs résonants à excitation optique que l'on connaît utilisent, pour l'excitation
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de leur élément résonant, des longueurs d'onde inférieures à la longueur d'onde de la bande interdite du silicium, c'est-à-dire 1100 nm. Au-delà de cette valeur, le silicium non dopé est transparent et son absorption est donc négligeable.
Malheureusement, des signaux optiques ayant de telles longueurs d'onde sont rapidement atténués par les fibres optiques en silice qui sont utilisées pour les télécommunications optiques et l'on ne peut donc transporter ces signaux sur de grandes distances avec de telles fibres.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient.
La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient.
L'invention permet l'excitation optique de l'élément résonant des capteurs considérés plus haut à l'aide de rayonnements ayant des longueurs d'onde supérieures à 1100 nm, en particulier celles qui sont utilisées pour les télécommunications optiques.
Les conséquences de cette invention sont immédiates : un capteur conforme à l'invention peut être associé à une fibre optique en silice peu coûteuse, telle que celles utilisées pour les télécommunications optiques.
Le rayonnement d'excitation de l'élément résonant peut alors être transporté sur de grandes distances, par exemple plusieurs kilomètres, par une telle fibre.
L'invention permet donc la surveillance, à très grande distance, de paramètres physiques en utilisant des capteurs résonants en silicium, peu
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coûteux et très performants, et des réseaux de fibres optiques utilisant des fibres standard.
De façon précise, la présente invention a pour objet un capteur résonant à excitation optique, ce capteur comprenant un élément résonant en silicium, destiné à absorber un rayonnement incident, ce capteur étant caractérisé en ce que l'élément résonant est fait de silicium dopé, permettant à cet élément résonant d'absorber un rayonnement incident dont la longueur d'onde est supérieure à 1100 nm.
De préférence, l'élément résonant est fait de silicium dopé, permettant à cet élément résonant d'absorber un rayonnement incident dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle allant de 1300 nm à 1600 nm.
Selon un mode de réalisation préféré du capteur objet de l'invention, le dopage du silicium de l'élément résonant est de type P.
De préférence, ce dopage est au moins égal à 5x1017 atomes par cm\ d'où une absorption suffisante pour un rayonnement de longueur d'onde supérieure à 1100 nm.
Le capteur objet de l'invention peut être un capteur de pression.
Dans ce cas, l'élément résonant peut être solidaire de l'intérieur d'un boîtier formé d'un capot et d'une embase assemblés l'un à l'autre.
De préférence, le capot et l'embase sont formés, en totalité ou en quasi-totalité, à partir de silicium, la pression à détecter s'appliquant autour du boîtier.
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Le capteur objet de l'invention peut comprendre en outre une fibre optique pour amener le rayonnement jusqu'à l'élément résonant du capteur.
Dans le cas où l'on utilise le boîtier mentionné plus haut, ce boîtier est de préférence pourvu d'un passage étanche pour cette fibre optique.
La fibre optique peut être en outre destinée à transmettre, simultanément à l'excitation, un rayonnement de lecture, ou rayonnement de détection, au capteur objet de l'invention, ce rayonnement de lecture étant situé en dehors de la bande d'absorption du silicium mais dans la bande de transparence de la fibre optique, la longueur d'onde de ce rayonnement de lecture étant de préférence égale à 1550 nm.
La présente invention concerne aussi un dispositif de surveillance d'au moins un paramètre, en particulier la pression, dans un puits, ce dispositif comprenant un réseau de capteurs destinés à mesurer ce ou ces paramètres et répartis le long d'au moins une partie du puits, ces capteurs étant reliés à des moyens de surface, ces moyens de surface étant des moyens de commande et de traitement des signaux fournis par ces capteurs, dispositif dans lequel chacun des capteurs est un capteur conforme à l'invention.
Dans le cas où chacun de ces capteurs est pourvu d'une fibre optique, il peut être relié aux moyens de commande et de traitement par l'intermédiaire de cette fibre optique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation
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donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : 'la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation particulier du capteur résonant objet de l'invention, 'la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de surveillance objet de l'invention, et 'la figure 3 est une vue schématique de moyens de commande et de traitement de signaux, faisant partie du dispositif de surveillance que l'on a représenté sur la figure 2.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le capteur résonant à excitation optique 2 conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté en coupe transversale sur la figure 1, est un capteur de pression qui convient pour la détection de hautes pressions, par exemple supérieures à 108 Pa.
Le capteur résonant à excitation optique 2 conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté en coupe transversale sur la figure 1, est un capteur de pression qui convient pour la détection de hautes pressions, par exemple supérieures à 108 Pa.
Ce capteur de pression comporte un résonateur ou élément résonant 4 qui est de préférence soumis au vide.
La fréquence de résonance du résonateur 4 varie avec la pression Pe qui s'applique sur le capteur. On excite le résonateur 4 en lui appliquant une énergie optique, qui est généralement modulée en amplitude, et l'on détecte une variation de sa fréquence de résonance de manière optique. Cette variation de fréquence de résonance traduit une variation de la pression à détecter.
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Le capteur de la figure 1 est muni d'une fibre optique multimode en silice 8, par exemple du genre 62, 5/125G. I., dont on voit le coeur (en anglais core ) 10, la gaine optique (en anglais optical cladding ) 12 et la gaine protectrice 14.
Cette fibre optique 8 est optiquement couplée au résonateur 4 et destinée à transmettre des rayonnement d'excitation, de détection et de mesure Re, Rd et Rm.
Plus précisément, cette fibre 8 est destinée à la propagation d'un rayonnement d'excitation Re, prévu pour exciter le résonateur 4, à la propagation d'un rayonnement de détection Rd, ou rayonnement de lecture, prévu pour détecter la variation de la fréquence de résonance de ce résonateur 4, et à la propagation d'un rayonnement de mesure Rm qui est réfléchi par le résonateur 4 et constitué par le rayonnement Rd ayant interagi avec ce résonateur.
La longueur d'onde ke du rayonnement d'excitation Re vaut par exemple 1550 nm que la longueur d'onde Àe du rayonnement d'excitation Re vaut
par exemple 1550 nm tandis que la longueur d'onde Àd du rayonnement de détection Rd vaut par exemple 1300 nm.
par exemple 1550 nm tandis que la longueur d'onde Àd du rayonnement de détection Rd vaut par exemple 1300 nm.
Plus généralement, Àe et Ad sont choisis au-delà de 1100 nm, de préférence dans l'intervalle allant de 1300 nm à 1550 nm, utilisé pour les télécommunications optiques.
Conformément à l'invention, le résonateur 4 est fait de silicium monocristallin qui est dopé de telle façon qu'il puisse absorber le rayonnement d'excitation Re de longueur d'onde supérieure à
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1100 nm. Ce dopage est de type P et par exemple obtenu avec le bore.
Ce dopage est supérieur à 0,5 x 1018 atomes/cm3 et de préférence au moins égal à 1018 atomes/cm3. Il est par exemple égal à 2x1019 atomes/cm3 et dans ce cas l'absorption du silicium vaut environ 100 cm-1 si Àe vaut 1550 nm.
Le résonateur 4 est solidaire d'un boîtier 18 à l'intérieur duquel il est monté.
Ce boîtier 18 est formé d'une embase 20 et d'un capot 22 qui coopèrent. Cette embase 20 et ce capot 22 sont réalisés, en totalité ou en quasitotalité, à partir de silicium monocristallin et la pression à détecter Pe s'applique autour du boîtier 18.
Lorsqu'ils sont assemblés l'un à l'autre, l'embase 20 et le capot 22 délimitent une cavité 24 dans laquelle est suspendu le résonateur 4. Le boîtier 18 est hermétique et dans la cavité 24 règne une pression différente de celle qui est à détecter.
De préférence, on établit un vide primaire dans cette cavité 24 pour ne pas amortir les vibrations du résonateur 4 lorsqu'il est excité.
Le boîtier 18 est placé dans une enceinte de protection 26 qui peut être métallique. Cette enceinte de protection 26 est soumise extérieurement à la pression Pe à détecter, cette pression étant imposée par un milieu dans lequel est plongée l'enceinte 26. Il s'agit d'un gaz ou d'un liquide, plus généralement d'un fluide.
Cette enceinte 26 est dotée de moyens d'égalisation de pression, permettant que la même
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pression Pe puisse s'établir aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.
Dans l'exemple de la figure 1, ces moyens comprennent un capillaire 28, qui perce l'enceinte 26, et un soufflet 34 qui est fixé, de façon étanche, à la paroi extérieure de l'enceinte 26, autour de la zone où débouche le capillaire 28.
L'enceinte 26 et le capot 22 sont respectivement pourvus de perçages coaxiaux 38 et 40 pour le passage de la fibre 8. L'extrémité de cette fibre se trouve sensiblement au niveau de la partie supérieure de la cavité 24.
Dans l'exemple de la figure 1, le couplage optique entre la fibre 8 et le résonateur 4 est assuré, de façon connue, par la forme en toit qui est donnée à l'extrémité de la fibre 8.
A ce sujet, on se reportera par exemple au document suivant : FR 2 739 445 A.
Les diamètres respectifs des perçages 38 et 40 sont très légèrement supérieurs au diamètre de la gaine optique 12.
Comme on le voit, la fibre est privée de gaine protectrice à son extrémité.
Une couche de résine époxy 44 recouvre la périphérie de la gaine optique 12 qui émerge du perçage 40 ainsi que la partie supérieure du capot 22, qui est située au voisinage de ce perçage 40, cette couche 44 formant un moyen de scellement étanche.
Une couche de résine époxy 48 recouvre la périphérie de la gaine optique 12 qui émerge du perçage 38 ainsi que l'extrémité de la gaine protectrice 14.
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Cette couche 48 recouvre aussi la partie supérieure de l'enceinte 26, qui est située au voisinage du perçage 38. Cette couche 48 forme aussi un moyen de scellement étanche.
Les couches de résine époxy 44 et 48 permettent donc à la gaine optique 12 de traverser de façon étanche le capot 22 et l'enceinte 26 et forment donc, en coopération avec les perçages 38 et 40, des passages étanches pour la fibre optique.
Cependant, l'étanchéité peut être réalisée par d'autres moyens tels que la soudure ou le collage par exemple.
Remarquons que le boîtier 18 est supporté à l'intérieur de l'enceinte de protection 26, par la fibre optique 8.
Dans l'exemple de la figure 1, l'embase 20 est monobloc mais comporte une couche sacrificielle résiduelle 52 en silice, qui est prise en sandwich entre deux couches de silicium. La présence de cette couche sacrificielle résiduelle 52 justifie le terme quasi-totalité utilisé plus haut.
Dans cet exemple, le résonateur 4 est en forme de pont, ses deux extrémités sont solidaires de l'embase 20 et ce résonateur se trouve suspendu en travers de la cavité 24.
Lorsque l'embase 20 est assemblée au capot 22, le résonateur 4 est sans contact avec cette embase et ce capot, à l'exception de ses extrémités qui sont fixées à l'embase 20.
Le scellement du boîtier 18 se fait en assemblant le capot 22 et l'embase 20. Cet assemblage
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peut se faire par soudure sous atmosphère oxydante.
Cette soudure se fait par diffusion d'oxygène à l'interface entre les deux parties à assembler.
Pour fabriquer le capteur 2 de la figure 1, on peut par exemple utiliser une structure du genre silicium sur isolant (en anglais silicon on insulator ) ou SOI, comprenant : - un substrat en silicium prévu pour former l'embase 20, - une couche de silice sur ce substrat, cette couche permettant de former la couche 52, et - une couche de silicium sur cette couche de silice, cette couche de silicium permettant de former le résonateur 4.
Une photolithographie suivie d'une gravure par plasma de la couche de silicium permet de former ce résonateur 4 que l'on peut ensuite doper avec du bore par implantation ionique localisée. Cependant, de façon plus simple, on peut utiliser une structure SOI dont la couche de silicium est dopée avec du bore.
Une gravure isotrope, par exemple au moyen d'acide fluorhydrique non dilué, permet ensuite de libérer ce résonateur 4 et d'obtenir l'embase 20.
On usine séparément le capot 22 à partir d'une plaquette (en anglais"wafer") de silicium et on le soude à l'embase 20 en maintenant de préférence la cavité 24 sous vide.
Un dispositif de surveillance conforme à l'invention est schématiquement représenté sur la figure 2.
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Ce dispositif est destiné à surveiller la pression dans un puits 56. Ce puits peut être un puits de pétrole de type quelconque, par exemple un puits profond, un puits de faible diamètre, un puits latéral ou un puits multiple.
Le dispositif de la figure 2 comprend un réseau de capteurs de pression 58, du genre de la figure 1, ce réseau étant réparti le long d'au moins une partie du puits et connecté à des moyens de surface 60 par l'intermédiaire d'un câble optique 62 dont la longueur peut être de plusieurs kilomètres, par exemple 5 km.
Ce câble est formé de fibres optiques 64 qui sont respectivement connectées aux capteurs 58 comme on l'a expliqué plus haut.
Les moyens de surface 60 sont destinés à envoyer à chacun des capteurs 58 le rayonnement d'excitation Re ainsi que le rayonnement de détection Rd, à détecter le rayonnement de mesure Rm issu de chacun de ces capteurs et à traiter ce rayonnement de mesure pour déterminer la pression au niveau du capteur 58 qui lui correspond.
Un exemple des moyens de surface 60 est schématiquement représenté sur la figure 3 et comprend : - des diodes lasers 66 prévues pour émettre le rayonnement d'excitation Re et respectivement associées aux capteurs 58, - des diodes lasers 68 prévues pour émettre le rayonnement de détection Rd et respectivement associées aux capteurs 58,
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- des photodiodes 70 prévues pour détecter le rayonnement de mesure Rm issu de chacun des capteurs
58, - des moyens 72 de commande des diodes lasers 66 et 68 et - des moyens 74 d'amplification et de traitement des signaux électriques fournis par les photodiodes 70, pour déterminer les pressions au niveau des capteurs
58.
58, - des moyens 72 de commande des diodes lasers 66 et 68 et - des moyens 74 d'amplification et de traitement des signaux électriques fournis par les photodiodes 70, pour déterminer les pressions au niveau des capteurs
58.
Ces moyens d'amplification et de traitement 74 sont munis de moyens non représentés, destinés à afficher les résultats des mesures faites au moyen des capteurs 58.
De plus, pour chaque capteur 58, les moyens de surface 60 comprennent un multiplexeur en longueur d'onde 76 qui est optiquement connecté, d'un côté, à la fibre correspondante 64 et, de l'autre côté, d'une part à la diode laser correspondante 66, par l'intermédiaire d'une fibre optique 78 et d'une lentille 80, et d'autre part à une voie d'un coupleur optique 82 de type 2xl dont les deux autres voies sont respectivement couplées à la diode laser 68 et à la photodiode 70 par l'intermédiaire de fibres optiques 84 et de lentilles 86, comme on le voit sur la figure 3.
L'invention n'est pas limitée à la surveillance de la pression dans un puits de pétrole. Elle s'applique aussi à la surveillance de la pression dans tout autre fluide.
De plus, l'invention n'est pas limitée à la mesure de pressions. Des capteurs résonants à
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excitation optique, conformes à l'invention, peuvent être fabriqués pour mesurer d'autres paramètres que la pression, par exemple la température.
Il convient en outre de noter que seul l'élément résonant d'un capteur conforme à l'invention doit être en silicium dopé. Le reste du capteur peut être fait d'un ou plusieurs autres matériaux.
Claims (12)
1. Capteur résonant à excitation optique, ce capteur comprenant un élément résonant en silicium (4), destiné à absorber un rayonnement incident (Re), ce capteur étant caractérisé en ce que l'élément résonant est fait de silicium dopé, permettant à cet élément résonant d'absorber un rayonnement incident dont la longueur d'onde est supérieure à 1100 nm.
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'élément résonant (4) est fait de silicium dopé, permettant à cet élément résonant d'absorber un rayonnement incident (Re) dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle allant de 1300 nm à 1600 nm.
3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le dopage du silicium de l'élément résonant (4) est de type P.
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel ce dopage est au moins égal à 5xlO17 atomes par
3 cm3.
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ce capteur étant un capteur de pression (2,58).
6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel l'élément résonant (4) est solidaire de l'intérieur d'un boîtier (18) formé d'un capot (22) et d'une embase (20) assemblés l'un à l'autre.
7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel le capot (22) et l'embase (20) sont formés, en totalité ou en quasi-totalité, à partir de silicium, la pression à détecter (Pe) s'appliquant autour du boîtier.
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8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une fibre optique (8) pour amener le rayonnement (Re) jusqu'à l'élément résonant (4) du capteur.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, comprenant en outre une fibre optique (8), pour amener le rayonnement (Re) jusqu'à l'élément résonant (4) du capteur, le boîtier (18) étant pourvu d'un passage étanche (38) pour cette fibre optique.
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel la fibre optique (8) est en outre destinée à transmettre, simultanément à l'excitation, un rayonnement de lecture (Rd) au capteur, ce rayonnement de lecture étant situé en dehors de la bande d'absorption du silicium mais dans la bande de transparence de la fibre optique, la longueur d'onde de ce rayonnement de lecture étant de préférence égale à 1550 nm.
11. Dispositif de surveillance d'au moins un paramètre, en particulier la pression, dans un puits (56), ce dispositif comprenant un réseau de capteurs (58) destinés à mesurer ce ou ces paramètres et répartis le long d'au moins une partie du puits, ces capteurs étant reliés à des moyens de surface (60), ces moyens de surface étant des moyens de commande et de traitement des signaux fournis par ces capteurs, dispositif dans lequel chacun des capteurs est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Dispositif de surveillance d'au moins un paramètre, en particulier la pression, dans un puits
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(56), ce dispositif comprenant un réseau de capteurs (58) destinés à mesurer ce ou ces paramètres et répartis le long d'au moins une partie du puits, ces capteurs étant reliés à des moyens de surface (60), ces moyens de surface étant des moyens de commande et de traitement des signaux fournis par ces capteurs, dispositif dans lequel chacun des capteurs est conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 10 et relié aux moyens de commande et de traitement par l'intermédiaire de la fibre optique (64).
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