FR2976072A1

FR2976072A1 - Detecteur spectroscopique et detecteur de gaz incluant au moins un tel detecteur

Info

Publication number: FR2976072A1
Application number: FR1154768A
Authority: FR
Inventors: Serge Gidon; Sergio Nicoletti; Jean-Louis Ouvrier-Buffet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-07
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: FR2976072B1; WO2012164523A1; EP2715296A1; US20140097343A1

Abstract

Détecteur spectroscopique comprenant au moins un guide d'onde (10) présentant une face d'entrée (100) destinée à être reliée à une source électromagnétique notamment infrarouge et un miroir (101) sur la face opposée, pour créer une onde stationnaire au sein du guide d'onde, et des moyens de détection de rayonnement électromagnétique, délivrant un signal électrique fonction de l'intensité locale de l'onde magnétique, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des détecteurs thermiques (14) répartis entre la face d'entrée et le miroir, lesdits détecteurs thermiques étant espacés du guide d'onde et en ce que des moyens de prélèvement (15) d'une partie de l'onde électromagnétique sont prévus entre la face d'entrée et le miroir.

Description

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DETECTEUR SPECTROSCOPIQUE ET DETECTEUR DE GAZ INCLUANT AU MOINS UN TEL DETECTEUR

L'invention concerne le domaine des détecteurs électroniques 5 permettant de fournir une information spectrale d'un champ électromagnétique. Des détecteurs de ce type sont connus mais ils présentent l'inconvénient d'être limités à un domaine spectral étroit. Le document FR-2 879 287 décrit un détecteur io spectroscopique opérationnel pour une largeur spectrale de l'ordre de la largeur de bande d'un guide d'onde. Ce détecteur comprend un guide d'onde présentant une face d'entrée et un miroir sur la face opposée, dans lequel est créée une onde stationnaire. 15 Ce détecteur comprend également des détecteurs locaux photosensibles adjacents au guide d'onde et régulièrement répartis entre la face d'entrée et le miroir du guide d'onde. Ces détecteurs permettent d'échantillonner l'intensité des ondes évanescentes issues du guide d'onde. Grâce à un échantillonnage des 20 signaux fournis par les détecteurs locaux et à un traitement adéquat, il est possible d'obtenir le spectre de l'onde stationnaire créée dans le guide d'onde. Par ailleurs, il a été envisagé d'utiliser ce type de détecteur spectroscopique pour réaliser la détection de gaz. 25 Ce détecteur spectroscopique présente l'avantage d'être miniaturisé à l'échelle du micron. Or, les dispositifs de détection de gaz sont le plus souvent conçus en optique macroscopique, ce qui conduit à des systèmes encombrants. Cependant, ce détecteur spectroscopique n'était, jusqu'ici, 30 réalisé que pour fonctionner dans le domaine du visible. En effet, il fait référence à des microbolomètres par fils supraconducteurs. Or, ces microbolomètres nécessitent d'être refroidis à la

température de fonctionnement du supraconducteur, qui est comprise entre 1 et 100 K. Le détecteur doit donc être placé dans une enceinte cryogénique qui est complexe à réaliser. De plus, dans cette gamme de température, les propriétés optiques des matériaux ne sont pas connues. D'ailleurs, le document FR-2 879 287 ne décrit aucune réalisation pratique d'un détecteur spectroscopique incluant des microbolomètres de ce type. Or, il apparaît nécessaire de disposer de détecteurs fonctionnant également dans le domaine des infrarouges, dont la longueur d'onde est comprise entre environ 1 et 1 000 dam. lo Ainsi, l'invention concerne un détecteur spectroscopique comprenant au moins un guide d'onde présentant une face d'entrée destinée à être reliée à une source électromagnétique notamment infrarouge et un miroir sur la face opposée, pour créer une onde stationnaire au sein du guide d'onde, et des moyens de détection de rayonnement électromagnétique, Is délivrant un signal électrique fonction de l'intensité locale de l'onde électromagnétique, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des détecteurs thermiques répartis entre la face d'entrée et le miroir, lesdits détecteurs thermiques étant espacés dudit guide d'onde et en ce que des moyens de prélèvement d'une partie de l'onde électromagnétique sont prévus 20 entre la face d'entrée du guide et le miroir. Dans une première variante, ces moyens de prélèvement sont réalisés à la surface du guide d'onde. Ils peuvent notamment être constitués par des plots disposés sur la surface du guide d'onde et réalisés en un matériau d'indice différent de 25 celui du milieu environnant ou du guide d'onde. Ces moyens de prélèvement peuvent également être des ruptures de continuité réalisées à la surface du guide d'onde. Dans une autre variante, ces moyens de prélèvement sont constitués par les détecteurs eux-mêmes, la distance entre les détecteurs et 30 le guide d'onde étant inférieure à la longueur d'onde À de l'onde stationnaire, typiquement inférieure à À/10.

Dans l'état de la technique, les détecteurs thermiques sont réalisés sous forme de composants discrets. Ainsi, la réalisation du dispositif intégrant des détecteurs thermiquement est nécessairement compliquée. Par ailleurs, on connaît des bolomètres réalisés sur un circuit CMOS. Cependant, ils sont assemblés, en tant qu'éléments discrets, avec d'autres éléments constitutifs. Or, les techniques d'assemblage d'éléments discrets sont complexes et posent des problèmes d'alignement et de précision. C'est pourquoi l'invention a également pour objet de simplifier io la réalisation du détecteur spectroscopique. Ainsi, dans une première variante, le détecteur comprend deux substrats assemblés, un premier substrat sur lequel est réalisé ledit au moins un guide d'onde et un deuxième substrat sur lequel sont réalisés des détecteurs thermiques. 15 Dans cette première variante, lorsque les détecteurs thermiques sont des bolomètres, le deuxième substrat comprend également un réflecteur en regard de chaque bolomètre. Dans une deuxième variante, le détecteur comprend un substrat unique portant à la fois ledit au moins un guide d'onde et les 20 détecteurs thermiques. Dans cette deuxième variante, lorsque les détecteurs thermiques sont des bolomètres, le détecteur comporte également un capot pour permettre la mise sous vide des bolomètres. Ce capot peut être commun à tous les bolomètres. 25 Il peut également être constitué d'une pluralité de capots individuels destinés chacun à un bolomètre. Dans ce dernier cas, chaque capot individuel supporte un réflecteur destiné au bolomètre recouvert par ledit capot. Dans un mode particulier de réalisation, plusieurs détecteurs 30 selon l'invention sont utilisés en étant disposés pour former une matrice. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la

description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exemple détecteur selon l'invention, utilisé en tant que détecteur de gaz, - la figure 2 est une vue en plan d'une matrice de détecteurs spectroscopiques selon l'invention, utilisant des bolomètres, - la figure 3 est une vue en perspective d'un exemple de bolomètre, tel qu'utilisé à la figure 2, - la figure 4 est une vue de côté d'une première variante de réalisation io du détecteur spectroscopique selon l'invention, - la figure 5 est une vue de côté d'une deuxième variante du dispositif spectroscopique selon l'invention, - les figures 6a à 6h représentent différentes étapes de fabrication de dispositif illustré à la figure 5 et is la figure 7 représente une variante de réalisation de la figure 2. La figure 1 montre un exemple de détecteur selon l'invention. Ce détecteur 1 comporte un guide d'onde 10 dont la face d'entrée 100 est reliée à une source électromagnétique 2. Il s'agit notamment d'une source infrarouge qui peut être une source thermique, une source LED 20 (Light Emetting Diode dans la terminologie anglais ou OLED (Organic LED dans la terminologie anglaise) infrarouge ou encore une source laser qui peut être accordable en longueur d'onde, réalisée suivant la technologie des lasers à cascade quantique (ou dans la terminologie anglaise, QCL, Quantum Cascade Laser) adaptées à des longueurs d'onde dans l'infrarouge. 25 Sur la face 101 du guide d'onde, opposée à la face d'entrée 100, est prévu un miroir 11. Ainsi, en fonctionnement, une onde stationnaire est créée au sein du guide d'onde par effet Lippmann. A proximité de la face d'entrée 100, le guide 10 comporte une 30 zone amincie 12 qui est reliée au reste du guide d'onde par un filtre 13. Le détecteur 1 comporte également six détecteurs thermiques 14, disposés sous le guide d'onde, en étant espacés de celui-ci.

La distance entre le guide d'onde et les détecteurs thermiques est de l'ordre de la longueur d'onde À de l'onde stationnaire ou supérieure à À. Elle est typiquement comprise entre 2 et 20 pm environ. Dans l'exemple illustré, ces six détecteurs sont sensiblement 5 parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction dans laquelle le guide d'onde s'étend. Bien sûr, le nombre de détecteurs est mentionné ici simplement à titre d'illustration. En pratique, il sera beaucoup plus important. Sur la face du guide d'onde en regard des détecteurs 14 et io s'étendant selon la longueur du guide d'onde, sont prévus des moyens de prélèvement d'une partie de l'onde électromagnétique stationnaire présente dans le guide d'onde. Ces moyens de prélèvement sont symbolisés par des pointes 15 sur la figure 1. Ces moyens de prélèvement sont disposés de façon à être 15 sensiblement en regard d'un détecteur 14. Ils peuvent consister en des ruptures de continuité (trous ou excroissances) réalisées à la surface du guide d'onde ou encore en des plots diffusants réalisés en un matériau d'indice différent du milieu environnant le détecteur, c'est-à-dire le vide, par exemple, ou d'indice plus faible que le guide 20 ou le coeur du guide si celui-ci comporte un revêtement. Ces ruptures de continuité ou ces plots diffusants permettent de déconfiner une partie de l'onde et la faire sortir du guide. Ces moyens de prélèvement peuvent être également constitués par les détecteurs eux-mêmes. Dans ce cas, la distance entre les 25 détecteurs et le guide d'onde est inférieure à la longueur d'onde À de l'onde stationnaire dans le guide, par exemple inférieure à À/10. Il est alors préférable de prévoir, sur les détecteurs, une structure qui crée un effet de pointe concentrant l'onde évanescente à son niveau. 30 Le détecteur spectroscopique 1 illustré à la figure 1 est destiné à être utilisé pour la détection de gaz.

Ainsi, la zone amincie 12 du guide d'onde sera une zone d'interaction entre l'onde électromagnétique provenant de la source, typiquement un flux infrarouge, avec le gaz. Grâce à cette partie amincie, le champ électromagnétique de l'onde n'est plus seulement guidé dans le guide mais se propage en partie en dehors de celui-ci. Le champ interagit alors avec le gaz voisin. Ceci modifie le spectre de l'onde électromagnétique, ce dernier étant ensuite analysé aux moyens des détecteurs 14. En effet, les détecteurs 14 sont sensibles aux ondes évanescentes issues du guide 10 et peuvent ainsi échantillonner l'intensité io des ondes évanescentes. A partir des signaux fournis par les détecteurs 14, le spectre de l'onde électromagnétique circulant dans le guide d'onde peut être établi. Le gaz peut alors être détecté en comparant le spectre établi au moyen du détecteur 1 selon l'invention et celui de l'onde 15 électromagnétique issue de la source 2. L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de réalisation. La présence de la zone amincie dans le guide n'est qu'un exemple de mode d'interaction possible, lorsque le détecteur selon l'invention est utilisé pour la détection de gaz. 20 Le filtre 13 permet de sélectionner, dans l'ensemble du spectre émis par la source 2, une bande spectrale d'intérêt. Il n'est pas indispensable au fonctionnement du dispositif 1. On comprend que le pas entre les détecteurs ainsi que la longueur du spectroscope, donc le nombre de détecteurs, sont liés aux 25 caractéristiques du spectre que l'on souhaite reconstituer. De façon générale, plus le pas des détecteurs est petit, plus le domaine d'analyse du spectre sans repliement sera grand. De plus, plus la longueur du spectroscope est grande, plus sa résolution est élevée. Par ailleurs, le fonctionnement d'un spectroscope interférentiel 30 nécessite que le pas entre les détecteurs soit au plus égal à la moitié de la longueur d'onde dans le guide. A titre d'exemple, lorsque le détecteur 1 est utilisé pour détecter du CO2, dont la longueur d'onde d'absorption est autour

de 4,2 pm, avec un indice de guide de l'ordre de 4, le pas entre détecteurs sera d'environ 0,5 pm, tandis que la longueur de l'ensemble des détecteurs sera d'environ 150 pm à quelques millimètres. Ceci correspond à un ensemble d'environ trois cents détecteurs à quelques milliers de détecteurs.

A titre d'exemple, le guide 10 peut être réalisé en un alliage de silicium-germanium, comprenant le même pourcentage de silicium et de germanium, dont l'indice est d'environ 3,84 et comporter un revêtement en Si, dont l'indice est de 3,42. Les dimensions du guide dépendront de la longueur d'onde io de l'onde électromagnétique délivrée par la source 2, ainsi que du gaz à détecter. Ainsi, lorsque le dispositif 1 est adapté pour permettre la détection du CO2, l'épaisseur du guide sera d'environ 0,6 pm, tandis que sa largeur sera d'environ 1,5 pm. 15 De façon plus générale, la largeur du guide d'onde sera typiquement comprise entre 0,5 et 5 pm et son épaisseur entre 0,1 et 3 pm. Le miroir 11 peut-être réalisé par un dépôt métallique, ou encore par une structuration de l'extrémité du guide d'onde, obtenue par gravure de saignées sur celui-ci, permettant l'obtention d'un réseau de Bragg. 20 De même, le filtre 13 peut être obtenu par gravure de saignées, de façon à obtenir une structure de réseau de type Bragg. Les plots diffusants réalisés sur le guide peuvent présenter la même largeur que le guide. Leur longueur peut être de quelques microns et leur épaisseur d'une fraction de micron. Ils peuvent être réalisés en utilisant le 25 même matériau que le guide ou le coeur du guide, lorsque ce dernier comporte un revêtement, soit la silice, le nitrure de silicium, ou encore le silicium, voire SiGe, en fonction de la gamme de longueur d'onde utilisée par le détecteur. Il est maintenant fait référence à la figure 2 qui montre, selon 30 une vue en plan et à titre d'exemple, quatre détecteurs spectroscopiques selon l'invention 1 a à 1 b.

Ces quatre détecteurs sont disposés ici de façon sensiblement parallèle et ils sont identiques. Ainsi, les détecteurs thermiques 14a, 14b, 14c et 14d forment une matrice qui est, de préférence, disposée à l'intérieur d'un boîtier 3 mis sous vide. Comme les autres détecteurs spectroscopiques, le détecteur la est relié à une source 2a et, il comporte un guide d'onde avec, dans cet exemple, une partie amincie 12a, un filtre 13a et un miroir 11a situé du côté opposé à sa face d'entrée 100a, reliée à la source 2a. lo Dans l'exemple illustré sur la figure 2, le détecteur spectroscopique la comporte quatre détecteurs thermiques 14a disposés à distance du guide d'onde 10a. Les détecteurs 14a sont des détecteurs thermiques et, plus précisément, des détecteurs infrarouges thermiques non refroidis. 15 Il peut notamment s'agir de détecteurs bolométriques ou pyroélectriques, lesquels sont utilisés à température ambiante. Ceci évite de prévoir des moyens de refroidissement spécifiques. De façon générale, ces détecteurs comportent un élément réalisé en un matériau sensible pouvant être chauffé par un rayonnement 20 infrarouge, caractéristique de la température et de l'émissivité du corps observé. L'augmentation de température de l'élément engendre une variation d'une propriété électrique du matériau sensible : apparition de charges électriques par effet pyroélectrique, variation de capacité par 25 changement de la constante diélectrique ou encore variation de la résistance d'un matériau semi-conducteur ou métallique. Le détecteur thermique peut être encapsulé sous vide ou sous un gaz peu conducteur de la chaleur pour gagner en performance. Par ailleurs, les performances du détecteur thermique sont 30 accrues si trois conditions sont remplies au niveau du matériau sensible : une faible masse calorifique, une bonne isolation de la couche active vis-à-vis de son support et une forte sensibilité de l'effet de conversion de l'échauffement

en signal électrique. Ces deux premières conditions impliquent que le matériau sensible soit sous la forme d'une couche mince. Les détecteurs illustrés à la figure 2 sont des détecteurs bolométriques de type résistif. Dans ces détecteurs, le rayonnement incident absorbé par le détecteur provoque une augmentation de la température qui induit une variation de la résistance électrique d'un matériau résistif. Ces variations de résistance engendrent des variations de tension ou de courant aux bornes du détecteur, ces variations constituant le signal délivré par le détecteur. io Un détecteur bolométrique de type résistif est illustré, en perspective et de façon simplifiée, à la figure 3. II est également fait référence au document FR-2 885 690 qui décrit un tel détecteur. Il comporte une fine membrane 40 destinée à absorber le rayonnement infrarouge incident et à le convertir en chaleur. Elle est fixée à 15 un substrat de support 41 par intermédiaire de points d'ancrage 42 qui sont conducteurs de l'électricité. Elle est ainsi suspendue au-dessus de ce substrat. Une couche 43 est déposée sur la membrane 40 et joue le rôle de thermomètre. En fonctionnement, sous l'effet du rayonnement infrarouge, la membrane s'échauffe et transmet sa température à la couche 43. 20 La couche mince 43 peut être un thermistor. La membrane 40 et la couche 43 reposent généralement sur un support isolant qui assure la rigidité mécanique de la structure bolométrique. Elle peut également être encapsulée avec l'un de ces matériaux isolants, typiquement SiO2, SiO ou SiN. 25 Par ailleurs, la sensibilité du détecteur 4 est améliorée en prévoyant des bras d'isolement 44, entre le substrat de support 41 et la membrane 40. Ces bras d'isolement 44 permettent de limiter les pertes thermiques de la membrane et, par conséquent, de préserver son échauffement. 30 Le substrat de support 41 peut être constitué d'un circuit électronique intégré sur une plaquette de silicium comprenant des dispositifs de stimuli et de lecture du thermomètre. 2976072 io

L'interconnexion électrique entre le thermomètre 43 et les dispositifs de lecture prévus sur le substrat est assurée par une couche, généralement métallique, disposée sur les bras d'isolement 44. A titre d'exemple, la membrane 43 peut être du silicium poly- 5 cristallin ou amorphe, de type p ou n, faiblement ou fortement résistif. On peut également envisager un oxyde de vanadium (V2O5, VO2), élaboré dans une phase semi-conductrice. Le substrat de support peut être réalisé en SiO2, SiO, SiN, ZnS, à titre d'exemple. io Le dispositif illustré à la figure 2 peut être conçu de telle sorte que les circuits électroniques de tous les détecteurs sont réalisés sur une même plaquette de silicium. Sur cette dernière, pourront également être réalisés les composants de multiplexage électroniques. Ce dispositif permet de réaliser quatre analyses de gaz en 15 parallèle et donc de détecter simultanément plusieurs types de gaz, à des longueurs d'onde différentes, grâce aux filtres 13a à 13d. Ceci permet d'augmenter l'immunité aux gaz interférents, et donc d'accroître les performances de la mesure. Enfin, chacune des sources 2a à 2d associées à chacun des 20 détecteurs la à Id peuvent présenter chacune un domaine spectral particulier. Ceci permet au détecteur de mettre en évidence la présence d'une raie spectrale particulière. Dans une variante de réalisation illustrée à la figure 7, les détecteurs l'a à 1'd sont fabriqués de façon à ce qu'ils soient décalés en 25 position par rapport aux miroirs 11'a à 11'd. Ainsi, la distance entre le miroir 11'b et la face d'entrée 100'b est supérieure à la distance entre le miroir 11'a et la face d'entrée 100'a et inférieure à la distance entre le miroir 11'c et la face d'entrée 100'c. Enfin, cette dernière est inférieure à la distance entre le miroir 11'd et la face 30 d'entrée 100'd. Ce décalage spatial est illustré par les deux lignes en pointillés de la figure 7.

Ce décalage spatial des miroirs, d'un détecteur à l'autre, induit un décalage temporel qui peut être inférieur à À/4, À étant la longueur d'onde effective de l'onde dans le guide. On satisfait ainsi au principe d'échantillonnage de Shannon, tout en pouvant accepter un pas entre les détecteurs de l'ordre de 10 À, et donc des détecteurs de taille importante. Le décalage spatial peut par exemple être d'environ 5 pm d'un détecteur à l'autre. Deux variantes de réalisation d'un détecteur spectroscopique selon l'invention vont maintenant être décrites au regard des figures 4 et 5.

La figure 4 illustre un détecteur spectroscopique selon l'invention obtenu à partir de deux substrats différents. Sur un substrat 5, est formé un guide d'onde 50. A titre d'exemple, le substrat 5 est en silicium et sur celui-ci, ont été déposées une couche 51 d'indice n1, par exemple en silice, et une couche d'indice n2, n2 étant supérieur à n1, par exemple en silicium, à partir de laquelle le guide d'onde 50 sera obtenu par des techniques classiques de lithogravure. L'ensemble est recouvert d'une couche 52 d'indice n3, n3 étant inférieur à n2, par exemple en nitrure de silicium. Les couches 51 et 52 sont avantageusement réalisées dans le même matériau. La couche 52 est déposée après la réalisation du guide d'onde. Cette couche 52 est facultative. Elle constitue le revêtement du guide d'onde lorsqu'elle est prévue. II est alors classique de désigner l'ensemble des couches 50 et 52 comme le guide, la couche 50 constituant le coeur du guide. A titre de variante, les couches 51 et 52 sont complètement 25 retirées dans certaines zones, par une étape de photolithogravure et de gravure. Grâce à l'existence de ces zones situées autour et sous le guide, celui-ci est partiellement libéré, ce qui permet d'en réduire les pertes. Les zones situées sous le guide sont identifiées par les références 510, 511 30 et 512.

Le guide 50 est destiné à être raccordé, par sa face d'entrée 500, à une source électromagnétique, symbolisée par une flèche sur la figure 4. Le guide d'onde 50 présente, sur sa face opposée à celle destinée à être raccordée à la source électromagnétique, un miroir 501. Enfin, des plots diffusants 502 à 505 sont réalisés sur le guide d'onde ou sur la couche 52 lorsqu'elle est prévue, sur sa face s'étendant selon sa longueur et opposée à la couche de silice 51. Par ailleurs, sur un autre substrat 6, sont réalisés des io détecteurs thermiques, ici des bolomètres, ainsi que leur circuit de lecture. Le substrat 6 peut par exemple être en silicium. La figure 4 illustre quatre bolomètres 60 à 63 qui sont ici tous identiques. Ainsi, le bolomètre 60 comporte une membrane 600 qui est 15 fixée au substrat 6 par l'intermédiaire de points d'ancrage 601. Cette membrane 600 supporte, sur une de ses faces, une couche mince jouant le rôle de thermomètre. Chaque bolomètre est élaboré sur une couche organique qui est retirée après la formation des points d'ancrage et de la membrane, au moyen d'un procédé par gravure plasma. 20 Dans cette structure, l'onde électromagnétique issue du guide d'onde arrive sur la face des membranes de chaque détecteur qui supporte le thermomètre. Par ailleurs, sur le substrat 6 et en regard d'une membrane 600 à 630, est prévu un réflecteur 602 à 632. Ainsi, le 25 réflecteur 602 est situé entre le substrat 6 et une face de la membrane 600, opposée à celle qui supporte le thermomètre. La figure 4 est une vue de côté et ne représente donc qu'un seul guide d'onde et quatre détecteurs thermiques alignés. Bien entendu, sur chacun des substrats 5 et 6, pourraient être 30 réalisés respectivement plusieurs guides d'onde et plusieurs séries de détecteurs thermiques.

Une fois le ou les guide(s) d'onde et les détecteurs thermiques réalisés sur chacun de leur substrat, ceux-ci sont assemblés pour obtenir le dispositif illustré à la figure 4. Cet assemblage est réalisé de telle sorte que chaque 5 bolomètre 60 à 63 se trouve sensiblement en regard d'un plot diffusant 502 à 505 prévu sur le guide 50. A l'intérieur de la cavité formée entre les deux substrats assemblés, le vide est obtenu au moment de l'assemblage, à l'aide d'un équipement de scellement sous vide. Le vide doit également être maintenu 10 pour assurer le bon fonctionnement des détecteurs thermiques. Ce vide peut par exemple être obtenu grâce à l'introduction de films de matériaux absorbant les gaz (getter dans la terminologie anglaise). On peut notamment citer des matériaux du type NEG (Non Evaporable Getter dans la terminologie anglaise). A titre d'exemple, le matériau commercialisé sous la dénomination 15 St122 par la société SAES peut être utilisé. Il présente l'avantage d'avoir une température d'activation relativement faible (300-500°C). La liaison entre les deux substrats peut être réalisée au moyen de différentes techniques appropriées de façon à d'une part, assurer l'étanchéité et d'autre part, déterminer l'écartement entre les deux substrats. 20 Cet écartement peut également être obtenu au moyen d'une entretoise générée à partir de couches déposées sur les substrats. De façon générale, ces techniques sont soumises à plusieurs contraintes. II convient tout d'abord que l'étanchéité soit assurée pendant une durée assez longue, par exemple 15 ans. De plus, ces techniques ne doivent 25 pas conduire à altérer les caractéristiques initiales des bolomètres prévus sur le substrat 6. Ainsi, ne pourront pas être utilisées des techniques mettant en oeuvre de très hautes températures, comme par exemple le scellement par adhésion moléculaire de type « collage - fusion ». 30 Plusieurs techniques peuvent être envisagées pour assurer l'assemblage des substrats 5 et 6.

On peut ainsi citer le scellement anodique qui utilise du verre borosilicate, fortement dopé avec du sodium ou du potassium. Les substrats sont placés sous vide à une température typiquement comprise entre 300 et 500 °C, et en présence d'un champ 5 électrique élevé de l'ordre de 7.106V/m dans le verre. Sous l'effet conjugué du champ électrique et de la température, les ions migrent vers l'anode et la cathode où ils sont piégés. Les ions ainsi accumulés créent un champ électrique interne important qui assure l'adhésion des matériaux en présence. 10 Une autre technique de scellement par fusion peut également être mise en oeuvre avec des verres à bas point de fusion. Ces verres peuvent être préalablement déposés en couche mince par pulvérisation cathodique. On peut notamment citer des borates de plomb et notamment des eutectiques constitués d'une forte concentration 15 d'oxyde de plomb et d'additions de B202, ZnO2, SiO2, Al2O3. Tous ces verres présentent une température de fusion supérieure à 415°C mais permettent de réaliser le scellement à des températures inférieures à celle nécessaire pour assurer la fusion d'un verre borosilicate, qui est d'environ 800°C. L'assemblage peut également être réalisé au moyen 20 d'adhésifs organiques se présentant sous la forme de polymères ou d'époxydes. Le scellement s'effectue à basse température, typiquement inférieure à 200°C, ce qui convient bien aux détecteurs selon l'invention du fait de la présence des bolomètres. 25 Cependant, l'étanchéité de l'assemblage est assurée pour une durée inférieure à celle qui peut être obtenue avec un scellement anodique, quel que soit le verre utilisé. Enfin, l'assemblage entre les deux substrats peut être obtenu par une technique de scellement eutectique. Elle consiste à introduire une 30 couche métallique entre deux surfaces de silicium puis à chauffer l'ensemble. La température de fusion du mélange formé par diffusion est plus faible que celle du métal ou du silicium. 25 30

Comme alternative à ce scellement direct, une brasure peut être réalisée par l'apport d'un alliage métallique dont la température de fusion est compatible avec le dispositif. Cet alliage peut être par exemple AuSn, InPb, SnPb.

Quelle que soit la technique de scellement utilisée, une entretoise 65 est créée entre les substrats 5 et 6. Sa hauteur est choisie de façon à créer un espace de plusieurs dizaines de microns entre les deux substrats. En effet, du fait de la différence de pression entre l'intérieur et io l'extérieur du détecteur, les substrats peuvent se courber vers l'intérieur du dispositif. Cette flèche peut atteindre une dizaine de microns. II est donc nécessaire d'espacer suffisamment les deux substrats pour que le détecteur puisse fonctionner, malgré cette flèche. Cette première variante de réalisation présente l'avantage de 15 simplifier la fabrication du détecteur puisqu'elle ne nécessite que l'utilisation de deux substrats sur lesquels sont réalisés d'une part, les guides d'onde, et d'autre part, les bolomètres et le circuit électronique qui leur est associé. Elle permet également de réaliser les réflecteurs associés à chaque bolomètre directement sur le même substrat 6. 20 La figure 5 illustre une autre variante, dans laquelle le détecteur spectroscopique selon l'invention est réalisé à partir d'un substrat unique. Sur un substrat 7, vont être ainsi formés un guide d'onde 70 et des détecteurs thermiques, ainsi que leur circuit de lecture. A titre d'exemple, le substrat 7 est en silicium et sur celui-ci, ont été déposées une couche en silice et/ou de nitrure de silicium 71 et une couche de silicium à partir duquel le guide 70 sera obtenu par des techniques classiques. La figure 5 n'illustre pas de couche formant le revêtement du guide d'onde. Là encore, le guide 70 est destiné à être raccordé, par sa face d'entrée 700, à une source électromagnétique, symbolisée par une flèche sur la figure 5.

Par ailleurs, le guide d'onde présente, sur sa face opposée à la face 700, un miroir 701. Enfin, des plots diffusants 702 à 705 sont réalisés sur le guide d'onde, sur sa face s'étendant selon sa longueur et opposée à la couche 71.

Sur ce même substrat, sont réalisés des détecteurs thermiques, ici des bolomètres, qui sont au nombre de quatre. Ces bolomètres 72 à 75 sont ici tous identiques. A titre d'exemple, le bolomètre 72 comporte une membrane 720 qui est fixée au substrat 7 par l'intermédiaire de points d'ancrage 721. Cette membrane 720 supporte une couche mince, jouant le rôle de thermomètre, sur sa face opposée au guide d'onde 70. Comme l'illustre la figure 5, chaque membrane 720 à 750 d'un détecteur est située en regard d'un plot diffractant 702 à 705. On comprend donc que, dans cette structure, l'onde électromagnétique issue du guide d'onde arrive sur les membranes de chaque détecteur, du côté opposé à la couche mince supportée par cette membrane. Enfin, sur le substrat 7 pourraient être réalisés plusieurs guides d'onde et plusieurs séries de détecteurs thermiques.

La référence 8 désigne un capot qui pourra être assemblé sur le substrat 7 par une des techniques de scellement qui ont été décrites précédemment au regard de la figure 4. Cet assemblage permettra d'assurer la mise sous vide de la cavité définie par le substrat 7 et le capot 8. On comprend que dans cette forme de réalisation, aucun réflecteur n'est associé au bolomètre, ce qui peut conduire à une limitation des performances du détecteur. On peut également prévoir une couche réflectrice sur la face 80 du capot 8, en regard du substrat 7. Cette couche réflectrice permet d'augmenter les performances du détecteur.

Un procédé de réalisation d'un détecteur spectroscopique selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 6a à 6h qui en représentent quelques étapes.

Les figures 6a à 6g sont des vues dans un plan perpendiculaire à la direction dans laquelle s'étend le guide 70. Ce détecteur est du type de celui illustré à la figure 5, le capot 8 étant remplacé par une pluralité de capots individuels, destinés 5 chacun à un détecteur donné. La figure 6a représente une première étape du procédé. Sur le substrat 7, ont été tout d'abord déposées une couche 71, puis une autre couche à partir de laquelle le guide d'onde 70 et un autre guide d'onde 76 seront obtenus. Sur le substrat 7, est tout d'abord réalisé le circuit électronique de lecture et d'adressage destiné aux bolomètres. A titre d'exemple, le substrat 7 est en silicium, la couche 71 peut être en silice, SiO ou SiN et les guides 70 et 76 peuvent être obtenus à partir d'une couche de SiGe. Les guides d'onde 70 et 76 sont obtenus par des techniques classiques de lithogravure. La figure 6a montre que, dans cet exemple, la couche 71 a été retirée dans la zone 710, grâce à une étape de photolithogravure et de gravure. 20 Ainsi, au niveau de cette zone 710, le guide 70 est partiellement libéré, ce qui permet d'en réduire les pertes. Un moyen 702 de prélèvement de l'onde électromagnétique est réalisé sur le guide 70, par un procédé classique de microtechnologie, telle que gravure chimique ou plasma, ou un procédé dit de « lift-off », selon la 25 terminologie anglaise. Par contre, aucun moyen similaire n'est réalisé sur le guide 76 qui reste inactif optiquement. L'étape illustrée à la figure 6b consiste à déposer une couche sacrificielle 77 sur les guides d'onde 70 et 76. Cette couche sacrificielle peut notamment être réalisée en 30 polyimide. Son épaisseur peut être comprise entre 1 et 10 pm. La figure 6c illustre une autre étape consistant à réaliser les points d'ancrage des futurs bolomètres. i0 15 Dans un premier temps, la couche sacrificielle 77 est gravée, par exemple en mettant en oeuvre un procédé de gravure plasma. Les points d'ancrage 78 sont ensuite réalisés par électrolyse, par pulvérisation cathodique ou encore par décomposition thermique (dépôt chimique en phase s vapeur à basse pression ou LPCVD dans la terminologie anglaise) ou plasma (dépôt en phase vapeur activée par plasma ou PECVD dans la terminologie anglaise). Ces points d'ancrage peuvent être en aluminium, en cuivre ou encore en tungstène par exemple. Sont ensuite réalisés les éléments permettant de relier les bolomètres au circuit électronique qui leur est associé. La figure 6d illustre une étape du procédé dans laquelle sont réalisées les membranes de chaque détecteur ainsi que la couche mince qu'elles supportent, sur leur face opposée au substrat 7. Ainsi, sur la couche sacrificielle 77, sont déposées successivement les différentes couches constitutives de la structure bolométrique. Ainsi, est tout d'abord déposée une couche en matériau isolant, comme Si2O, SiN ou ZnS. 20 Sur cette couche isolante, est ensuite déposé un film destiné à absorber un rayonnement infrarouge incident et à le convertir en chaleur. Ce film est typiquement réalisé en métal et il présente une épaisseur comprise entre 5 et 10 nm. Enfin, est déposée sur ce film une couche d'un matériau 25 thermométrique, tel qu'un matériau chimique ou semi-conducteur amorphe ou polycristallin. Il s'agit typiquement de Si, Ge, SiC, a-Si:H, a-SiC:H ou encore a-SiGe: H. L'épaisseur de la couche de matériau thermométrique est typiquement comprise entre 50 et 500 nm. 30 Les couches de matériau absorbant et de matériau thermométrique sont obtenues à l'aide de techniques de dépôt basse température, habituellement utilisées pour ces matériaux. On peut notamment i0 15 citer les techniques de pulvérisation cathodique, décomposition thermique (LPCVD, dans la terminologie anglaise) ou plasma (PECVD, dans la terminologie anglaise). Le dopage éventuel de ces couches est réalisé en 5 introduisant un gaz dopant, tel que BF3 ou PH3 dans le réacteur ou bien par implantation ionique. Après le dépôt de ces trois couches, une étape de gravure est réalisée de façon à former des membranes individualisées et supportées par les points d'ancrage 78. 10 La gravure de ces couches est généralement réalisée par des procédés d'attaque chimique assistée par plasma. La figure 6d illustre ainsi une membrane 79 formant avec les piliers 78, un bolomètre 72 au-dessus du guide 70. Sur la partie droite de la figure 6d, au-dessus du guide 76, est 15 formé un autre bolomètre 72R qui sera utilisé en tant que bolomètre de référence. On peut noter qu'avec d'autres technologies, les bolomètres peuvent être réalisés directement sur le substrat, sans nécessiter le dépôt d'une couche sacrificielle sur le guide d'onde. 20 Lors du fonctionnement du détecteur spectroscopique qui sera obtenu, les bolomètres de référence permettront de s'affranchir des modes communs de fonctionnement, grâce à un montage différentiel, et des fluctuations de température du substrat. Ils permettent donc d'accroître la sensibilité de la mesure réalisée par le détecteur. Leur présence et leur 25 nombre dépendent des performances souhaitées. En référence à la figure 6e, l'étape suivante consiste à déposer une deuxième couche sacrificielle 90 sur les bolomètres réalisés précédemment. De préférence, l'épaisseur de cette couche 90 correspond 30 sensiblement au quart de la longueur d'onde de la lumière transportée dans le guide 70. Ceci permet de réaliser une cavité optique au-dessus du guide qui concentre le champ électromagnétique sur le détecteur bolométrique et

augmente ainsi le couplage entre le guide et le détecteur. Est ensuite réalisée une étape de gravure, grâce à laquelle les bolomètres sont séparés les uns des autres. Ainsi, des espaces libres 91 sont ménagés entre deux bolomètres adjacents.

La figure 6f illustre les étapes de dépôt de deux couches successives sur la couche sacrificielle 90. La première couche déposée 92 est une couche métallique et constitue le réflecteur du bolomètre 72 présent au-dessus du guide 70 et du bolomètre de référence 72R. io La deuxième couche 93 est prévue pour assurer la stabilité thermique et/ou la passivation du réflecteur. Cette couche peut être omise. La couche 92 peut notamment être réalisée en Ti, TiN, Pt, Al, Pd, Ni ou encore NiCr. Cette couche 92 peut notamment être déposée par 15 pulvérisation cathodique ou encore par décomposition thermique (LPCVD) ou plasma (PECVD). Son épaisseur est typiquement comprise entre 0,005 pm et 1 pm. Les couches 92 et 93 peuvent être utilisées pour réaliser l'encapsulation sous vide de chacun des bolomètres. Elles entourent alors 20 complètement chaque bolomètre et ces couches seront hermétiques. II convient ensuite de retirer les couches sacrificielles 77 et 90 pour libérer les bolomètres. Ainsi, un évent 94 est réalisé à travers les couches 92 et 93. Cet évent est obtenu en déposant une couche sacrificielle sur 25 l'ensemble de la structure illustrée à la figure 6f et en la gravant par plasma. Les couches sacrificielles 77 et 90 peuvent alors être retirées, également en utilisant une technique de gravure par plasma radiofréquence ou microonde. La figure 6g illustre la dernière étape du procédé de 30 réalisation selon l'invention qui consiste à déposer au moins une couche 95, de manière à encapsuler sous vide et individuellement chacun des bolomètres réalisés sur le substrat 7.

La figure 6h est une vue du dispositif illustré à la figure 6g mais dans un plan parallèle à la direction dans laquelle s'étend le guide d'onde 70. Elle montre que la couche 92 peut être directement en contact 5 avec la couche 71 ou encore en contact avec le guide d'onde. Ainsi, dans le détecteur spectroscopique obtenu à partir du procédé qui vient d'être décrit, chaque bolomètre est mis individuellement sous vide. Chaque boîtier étanche 96 formé autour d'un bolomètre comporte un réflecteur dans sa partie supérieure. io Les détecteurs obtenus présentent de nombreux avantages. Tout d'abord, comme pour le détecteur illustré à la figure 5, l'ensemble des guides d'onde et des bolomètres peut être réalisé sur un même substrat. Ceci simplifie considérablement sa fabrication, notamment par rapport au détecteur illustré à la figure 4.

15 Par ailleurs, chaque bolomètre est associé à un réflecteur, ce qui permet d'accroître la sensibilité du dispositif. Enfin, les performances du détecteur ne sont pas affectées par la flèche qui peut survenir, du fait de la mise sous vide des boîtiers. En effet, cette flèche est relativement peu importante du fait 20 de la taille réduite des boîtiers. Par ailleurs, elle est sensiblement la même pour tous les bolomètres et la qualité de la mesure n'en est donc pas affectée. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée. 25

Claims

REVENDICATIONS1. Détecteur spectroscopique comprenant au moins un guide d'onde (10, 50, 70) présentant une face d'entrée (100, 500, 700) destinée à être reliée à une source électromagnétique notamment infrarouge et un miroir (101, 501, 701) sur la face opposée, pour créer une onde stationnaire au sein du guide d'onde, et des moyens de détection de rayonnement électromagnétique, délivrant un signal électrique fonction de l'intensité locale de l'onde magnétique, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des io détecteurs thermiques (14, 60 à 63, 72 à 75) répartis entre la face d'entrée et le miroir, lesdits détecteurs thermiques étant espacés du guide d'onde et en ce que des moyens de prélèvement (15, 502 à 505, 702 à 705) d'une partie de l'onde électromagnétique sont prévus entre la face d'entrée et le miroir. 15
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement sont réalisés à la surface du guide d'onde.
3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement sont constitués par des plots disposés sur la surface 20 du guide d'onde et réalisés en un matériau d'indice différent de celui du milieu environnant ou du guide d'onde.
4. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement sont des ruptures de continuité réalisées à la surface 25 du guide d'onde.
5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement sont constitués par les détecteurs eux-mêmes, la distance entre les détecteurs et le guide d'onde étant inférieure à la longueur 30 d'onde de l'onde stationnaire.
6. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux substrats assemblés, un premier substrat (5) sur lequel est réalisé ledit au moins un guide d'onde (50) et un deuxième substrat (6) sur lequel sont réalisés des détecteurs thermiques (60 à 63).
7. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lorsque les détecteurs thermiques sont des bolomètres, le deuxième substrat (6) comprend également un réflecteur (602 à 632) en regard de chaque bolomètre (60 à 63). i0
8. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat unique (7) portant à la fois ledit au moins un guide d'onde (70) et les détecteurs thermiques (72 à 75). 15
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lorsque les détecteurs thermiques sont des bolomètres, il comporte également un capot (8) pour permettre la mise sous vide des bolomètres.
10. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capot (8) 20 est commun à tous les bolomètres (72 à 75).
11. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capot est constitué d'une pluralité de capots individuels (96), destinés chacun à un bolomètre.
12. Détecteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque capot individuel (96) comporte un réflecteur destiné au bolomètre qu'il recouvre. 30
13. Détecteur spectroscopique comportant une pluralité de détecteurs selon l'une des revendications 1 à 12, disposés pour former une matrice.
14. Détecteur de gaz comprenant un détecteur spectroscopique selon l'une des revendications 1 à 13. 25 35