FR3053783A1 - INFRARED SPECTROSCOPY DEVICE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de spectroscopie infra-rouge (10) comprenant : - une source lumineuse (20) qui comprend un réseau métallique, et des moyens de chauffage du réseau métallique, le réseau métallique comprenant un ensemble de pistes métalliques parallèles à une direction X, et disposées selon une période P dans une direction Y perpendiculaire à la direction X, la source lumineuse (20) étant destinée à émettre un rayonnement infra-rouge directionnel dans une gamme de longueurs d'ondes déterminée par une température T imposée au réseau métallique par les moyens de chauffage, - un thermo-détecteur (50) à une distance d de la source lumineuse, et qui comprend au moins une cellule thermosensible (51) destinée à collecter au moins en partie le rayonnement infra-rouge directionnel susceptible d'être émis par la source lumineuse.The invention relates to an infrared spectroscopy device (10) comprising: - a light source (20) which comprises a metal network, and means for heating the metal network, the metal network comprising a set of metal tracks parallel to a X direction, and arranged in a period P in a direction Y perpendicular to the direction X, the light source (20) being intended to emit directional infra-red radiation in a range of wavelengths determined by a temperature T imposed on the metal network by the heating means, - a thermo-detector (50) at a distance d from the light source, and which comprises at least one thermosensitive cell (51) intended to collect at least part of the directional infra-red radiation capable of to be emitted by the light source.
Description
DISPOSITIF DE SPECTROSCOPIE INFRA-ROUGE DESCRIPTIONINFRA-RED SPECTROSCOPY DEVICE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un dispositif de spectroscopie infra-rouge compact et léger destiné à détecter un ou plusieurs gaz.The present invention relates to a compact and lightweight infra-red spectroscopy device for detecting one or more gases.
ART ANTÉRIEURPRIOR ART
La détection et l'identification de gaz présentent un enjeu majeur dans les environnements industriels et domestiques. En effet, pour des raisons de sécurité par exemple, il peut être nécessaire de détecter la présence d'un gaz, et le cas échéant d'en déterminer la concentration. A cet égard, les hydrocarbures, dont certains présentent une dangerosité importante, doivent pouvoir être détectés et surtout correctement identifiés. C'est notamment le cas du méthane et de l'éthane qui sont des gaz explosifs, et dont la concentration peut être particulièrement élevée dans les usines d'hydrocarbures et de gaz, mais également dans des environnements domestiques, dès lors qu'une fuite de gaz est observée. Ainsi, afin de détecter efficacement ces gaz, une multitude de systèmes de détection et d'identification de gaz doivent être répartis dans les usines de gaz et d'hydrocarbures. Cette contrainte impose donc à ces systèmes de détection de gaz de présenter un faible coût, et également un encombrement réduit.Gas detection and identification is a major issue in industrial and domestic environments. Indeed, for safety reasons for example, it may be necessary to detect the presence of a gas, and if necessary to determine the concentration. In this respect, hydrocarbons, some of which present a high degree of danger, must be detectable and above all correctly identified. This is particularly the case of methane and ethane which are explosive gases, and whose concentration can be particularly high in hydrocarbon and gas plants, but also in domestic environments, as soon as a leak of gas is observed. Thus, in order to effectively detect these gases, a multitude of gas detection and identification systems must be distributed in the gas and hydrocarbon plants. This constraint therefore requires these gas detection systems to have a low cost, and also a small footprint.
En outre, des solutions portables ou mobiles peuvent également être requises.In addition, portable or mobile solutions may also be required.
La spectroscopie infra-rouge est une méthode particulièrement efficace pour la détection et l'identification des gaz.Infrared spectroscopy is a particularly effective method for the detection and identification of gases.
Cependant, les dispositifs actuels, notamment les équipements fonctionnant sur le principe de la spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier, sont extrêmement coûteux et encombrants.However, current devices, including equipment operating on the principle of infrared spectroscopy Fourier transform, are extremely expensive and bulky.
Par ailleurs, la mise en oeuvre de ces dispositifs doit répondre à des exigences en termes de niveau de vibrations et de variations de températures qui les rendent incompatibles avec les applications précitées.Furthermore, the implementation of these devices must meet requirements in terms of vibration level and temperature variations that make them incompatible with the aforementioned applications.
Un but de la présente invention est alors de proposer un dispositif de détection et d'identification de gaz présentant un encombrement et un coût réduit par rapport aux systèmes de spectroscopie infra-rouge connus de l'état de la technique.An object of the present invention is then to provide a device for detecting and identifying gas having a bulk and a reduced cost compared to infra-red spectroscopy systems known from the state of the art.
Un autre but de la présente invention est également de proposer un dispositif de détection et d'identification de gaz léger.Another object of the present invention is also to provide a device for detecting and identifying light gas.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
Les buts de l'invention sont au moins en partie atteints par un dispositif de spectroscopie infra-rouge comprenant : une source lumineuse qui comprend un réseau métallique et des moyens de chauffage du réseau métallique, le réseau métallique comprenant un ensemble de pistes métalliques parallèles à une direction X, et disposées selon une période P dans une direction Y perpendiculaire à la direction X, la source lumineuse étant destinée à émettre un rayonnement infra-rouge dans une gamme de longueurs d'ondes λ\ déterminées par une température T imposée au réseau métallique par les moyens de chauffage, le rayonnement infra-rouge étant directionnel de sorte que chaque longueur d'onde λΙ est émise selon un plan Pi qui lui est propre, le plan Pi fait un angle 0i avec un plan Ps de symétrie du réseau métallique, le plan Ps comprend la direction X et est normal au réseau métallique, un thermo-détecteur à une distance d de la source lumineuse, et qui comprend au moins une cellule thermosensible destinée à collecter au moins en partie le rayonnement infra-rouge directionnel susceptible d'être émis par la source lumineuse.The aims of the invention are at least partly achieved by an infrared spectroscopy device comprising: a light source which comprises a metal network and means for heating the metal network, the metal network comprising a set of parallel metal tracks to a direction X, and arranged in a period P in a direction Y perpendicular to the direction X, the light source being intended to emit an infra-red radiation in a range of wavelengths λ \ determined by a temperature T imposed on the network metal by the heating means, the infra-red radiation being directional so that each wavelength λΙ is emitted according to a plane Pi of its own, the plane Pi is at an angle θi with a symmetry plane Ps of the metal network , the plane Ps comprises the direction X and is normal to the metal network, a thermo-detector at a distance d from the light source, and which comprises at least one thermosensitive cell intended to collect at least partly the directional infra-red radiation likely to be emitted by the light source.
Ainsi, le dispositif selon invention est léger et peu encombrant.Thus, the device according to the invention is light and compact.
Par ailleurs, son agencement permet de faire une collecte sélective en longueur d'onde du rayonnement lumineux, et ainsi reconstruire le spectre d'absorption d'une espèce gazeuse.Moreover, its arrangement allows a wavelength selective collection of light radiation, and thus reconstruct the absorption spectrum of a gaseous species.
En outre, le dispositif selon l'invention n'est pas sensible aux conditions environnementales et aux vibrations, et son emploi dans des applications mobiles peut être envisagé.In addition, the device according to the invention is not sensitive to environmental conditions and vibrations, and its use in mobile applications can be envisaged.
Selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent une membrane chauffante sur laquelle repose le réseau métallique, la membrane chauffante comprenant un élément chauffant intercalé entre une première couche et une seconde couche faites d'au moins un matériau diélectrique.According to one embodiment, the heating means comprise a heating membrane on which the metal network rests, the heating membrane comprising a heating element interposed between a first layer and a second layer made of at least one dielectric material.
Selon un mode de réalisation, la gamme de longueurs d'ondes est comprise entre une longueur d'onde minimale λmin et une longueur d'onde maximale λmax, la période P du réseau métallique étant égale à la longueur d'onde minimale Xmin.According to one embodiment, the range of wavelengths is between a minimum wavelength λmin and a maximum wavelength λmax, the period P of the metal network being equal to the minimum wavelength λmin.
Selon un mode de réalisation, les pistes métalliques ont une épaisseur supérieure à un cinquantième de la longueur d'onde minimale λmin.According to one embodiment, the metal tracks have a thickness greater than one-fiftieth of the minimum wavelength λmin.
Selon un mode de réalisation, les pistes métalliques ont une largueur, mesurée selon la direction Y, égale à la moitié de la période P.According to one embodiment, the metal tracks have a width, measured along the Y direction, equal to half of the period P.
Selon un mode de réalisation, chaque longueur d'onde λϊ et l'angle 0i correspondant sont liés par la relation : λ\ = P(l+sin(0i)).According to one embodiment, each wavelength λϊ and the corresponding angle φi are linked by the relation: λ \ = P (l + sin (0i)).
Selon un mode de réalisation, les pistes métalliques comprennent au moins un choisi parmi les matériaux suivants: tungstène. Aluminium, Cuivre, Or, Argent, Tantale, Titane, Palladium, Molybdène, Platine.According to one embodiment, the metal tracks comprise at least one selected from the following materials: tungsten. Aluminum, Copper, Gold, Silver, Tantalum, Titanium, Palladium, Molybdenum, Platinum.
Selon un mode de réalisation, l'au moins une cellule thermosensible comprend un bolomètre.According to one embodiment, the at least one thermosensitive cell comprises a bolometer.
Selon un mode de réalisation, le thermo-détecteur comprend une pluralité de cellules photosensibles agencées selon une colonne parallèle à la direction X.According to one embodiment, the thermo-detector comprises a plurality of photosensitive cells arranged in a column parallel to the direction X.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de spectroscopie infra-rouge comprend en outre des moyens de rotation destinés à faire pivoter la source lumineuse autour d'un axe parallèle à la direction X.According to one embodiment, the infrared spectroscopy device further comprises rotation means for rotating the light source about an axis parallel to the X direction.
Selon un mode de réalisation, le thermo-détecteur comprend une pluralité de cellules photosensibles agencées sous forme d'une matrice parallèle à un plan comprenant les directions X et Y.According to one embodiment, the thermo-detector comprises a plurality of photosensitive cells arranged in the form of a matrix parallel to a plane comprising the X and Y directions.
Selon un mode de réalisation, la source lumineuse est disposée parallèlement au thermo-détecteur.According to one embodiment, the light source is arranged parallel to the thermo-detector.
Selon un mode de réalisation, l'ensemble formé par le thermo-détecteur et la source lumineuse est symétrique par rapport à un plan parallèle aux pistes métalliques.According to one embodiment, the assembly formed by the thermo-detector and the light source is symmetrical with respect to a plane parallel to the metal tracks.
Selon un mode de réalisation, la source lumineuse s'étend sur une longueur I selon la direction Y, le rapport de la longueur I sur la distance d étant supérieur à un centième.According to one embodiment, the light source extends over a length I in the direction Y, the ratio of the length I over the distance d being greater than one hundredth.
Selon un mode de réalisation, la longueur I est comprise entre 10 pm et 1 mm, par exemple 250 pm.According to one embodiment, the length I is between 10 μm and 1 mm, for example 250 μm.
Selon un mode de réalisation, la distance d est comprise entre 1 mm et 10 cm, par exemple 1 cm.According to one embodiment, the distance d is between 1 mm and 10 cm, for example 1 cm.
Selon un mode de réalisation, le thermo-détecteur comprend 320 colonnes de cellules thermosensibles parallèles à la direction X, les cellules thermosensibles présentant une forme carrée de 25 pm de côté.According to one embodiment, the thermo-detector comprises 320 columns of thermosensitive cells parallel to the direction X, the heat-sensitive cells having a square shape of 25 μm side.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de spectroscopie infrarouge comprend en outre un module de traitement de données susceptibles d'être collectées par le thermo-détecteur. L'invention concerne également un procédé d'utilisation du dispositif de spectroscopie infra-rouge pour la détection et l'identification d'hydrocarbures, les hydrocarbures comprenant avantageusement du méthane et de l'éthane.According to one embodiment, the infrared spectroscopy device further comprises a data processing module that can be collected by the thermo-detector. The invention also relates to a method of using the infra-red spectroscopy device for the detection and identification of hydrocarbons, the hydrocarbons advantageously comprising methane and ethane.
Selon un mode de réalisation, les moyens de chauffage chauffent le réseau métallique à une température adaptée pour que la source lumineuse émette un rayonnement infra-rouge dans une gamme de longueurs d'ondes s'étendant de 3 pm à 4,69 pm.According to one embodiment, the heating means heat the metal network to a temperature adapted for the light source to emit infrared radiation in a range of wavelengths ranging from 3 μm to 4.69 μm.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre des modes de réalisation du dispositif de spectroscopie infra-rouge, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de la source lumineuse dans un plan comprenant les directions X et Y, selon l'invention. - la figure 2a est une représentation schématique de la membrane chauffante dans un plan comprenant les directions X et Y, - la figure 2b est une représentation schématique de la membrane chauffante dans un plan de coupe AA' (indiqué à figure 2a), - la figure 3 est une représentation schématique de la source lumineuse selon un plan de coupe comprenant le plan H, la figure 3 illustrant en outre le caractère directionnel de la source lumineuse selon l'invention, - les figures 4a et 4b sont des représentations graphiques de l'émissivité directionnelle de deux sources lumineuse selon l'invention, plus particulièrement, les représentations graphiques donnent, en nuance de gris, l'intensité lumineuse à une longueur d'onde donnée (selon l'axe vertical) en fonction de l'angle d'émissivité Θ (selon l'axe horizontal), - la figure 5a est une représentation schématique du dispositif de spectroscopie infra-rouge selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 5b est une représentation schématique du thermo-détecteur selon un plan de coupe BB' indiqué à la figure 5a, et relatif au premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 6a est une représentation schématique du dispositif de spectroscopie infra-rouge selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 6b est une représentation schématique du thermo-détecteur selon un plan de coupe CC' indiqué à la figure 6a, et relatif au second mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 est une représentation schématique du dispositif de spectroscopie infra-rouge selon le second mode de réalisation de l'invention, le thermodétecteur ne comprenant qu'une ligne de cellules thermosensibles, parallèle à la direction Y, et comprenant en outre les moyens de focalisation, - la figure 8 est une représentation graphique de la variation du flux lumineux collecté (sur l'axe vertical) par le canal d'acquisition Ci associé à la longueur d'onde 4,26 pm en fonction de la concentration de CO2 en ppm (sur l'axe horizontal), selon le second mode de réalisation de l'invention. - la figure 9 illustre la largeur spectrale effectivement collectée par une série de canaux d'acquisition adjacents pour une distance d de 1 cm, et un pas matriciel Pm de 25 pm selon l'invention, l'axe vertical représente l'intensité lumineuse en unités arbitraires, et l'axe horizontal la longueur d'onde, - la figure 10 illustre les différences des intensités lumineuses collectée par la série de canaux d'acquisition adjacents de la figure 9, l'axe vertical représentant les intensités lumineuses et l'axe horizontal représentant la longueur d'onde, - la figure 11 représente les spectres d'absorption du méthane M et de l'éthane E en superposition avec les différences des intensités lumineuses émises par la source lumineuse, et collectées par la série de canaux d'acquisition adjacents de la figure 9, - la figure 12a représente la superposition des spectres d'absorption infra-rouge du méthane (M) et de l'éthane (E) en fonction du nombre d'onde en cm'^ (sur l'axe horizontal), - les figures 12b (pour le méthane), 12c (pour l'éthane) et 12d (pour un mélange méthane/éthane) représentent, en niveaux de gris, l'intensité infra-rouge collectée par des canaux d'acquisition (numérotés de 1 à 10).BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages will appear in the following description of the embodiments of the infrared spectroscopy device, given by way of non-limiting examples, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a schematic representation of the light source in a plane comprising the X and Y directions, according to the invention. FIG. 2a is a schematic representation of the heating membrane in a plane comprising the X and Y directions; FIG. 2b is a schematic representation of the heating membrane in a sectional plane AA '(indicated in FIG. 2a); FIG. 3 is a schematic representation of the light source along a sectional plane comprising the plane H, FIG. 3 further illustrating the directional character of the light source according to the invention, FIGS. 4a and 4b are graphical representations of the light source. directional emissivity of two light sources according to the invention, more particularly, the graphical representations give, in gray scale, the light intensity at a given wavelength (along the vertical axis) as a function of the angle d emissivity Θ (along the horizontal axis), - Figure 5a is a schematic representation of the infrared spectroscopy device according to a first embodiment of the invention, - the figure 5b is a schematic representation of the thermo-detector according to a sectional plane BB 'indicated in FIG. 5a, and relating to the first embodiment of the invention; FIG. 6a is a schematic representation of the infrared spectroscopy device according to FIG. a second embodiment of the invention, - Figure 6b is a schematic representation of the thermo-detector according to a sectional plane CC 'shown in Figure 6a, and relating to the second embodiment of the invention, - the figure 7 is a schematic representation of the infrared spectroscopy device according to the second embodiment of the invention, the thermodetector comprising only one line of thermosensitive cells, parallel to the direction Y, and further comprising the focusing means, FIG. 8 is a graphical representation of the variation of the luminous flux collected (on the vertical axis) by the acquisition channel Ci associated with the wavelength 4.26 pm depending on the the concentration of CO2 in ppm (on the horizontal axis), according to the second embodiment of the invention. FIG. 9 illustrates the spectral width actually collected by a series of adjacent acquisition channels for a distance d of 1 cm, and a matrix pitch Pm of 25 μm according to the invention, the vertical axis represents the luminous intensity in arbitrary units, and the horizontal axis the wavelength, - Figure 10 illustrates the differences in light intensities collected by the series of adjacent acquisition channels of Figure 9, the vertical axis representing the light intensities and the horizontal axis representing the wavelength, - Figure 11 shows the absorption spectra of methane M and ethane E superimposed with the differences in light intensities emitted by the light source, and collected by the series of channels d Figure 12a shows the superimposition of the infrared absorption spectra of methane (M) and ethane (E) as a function of the wavenumber in cm '. horiz axis ontal), - figures 12b (for methane), 12c (for ethane) and 12d (for a methane / ethane mixture) represent, in grayscale, the infra-red intensity collected by acquisition channels (numbered from 1 to 10).
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Pour les différents modes de mise en oeuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description.For the different modes of implementation, the same references will be used for identical elements or ensuring the same function, for the sake of simplification of the description.
La présente invention met en oeuvre un dispositif de spectroscopie infrarouge peu encombrant et léger. Le dispositif de spectroscopie infra-rouge comprend une source lumineuse en forme de membrane suspendue adaptée pour émettre un rayonnement infra-rouge directionnel (nous définirons par la suite le terme « directionnel »), et un thermo-détecteur comprenant au moins une ligne de cellules thermosensibles. L'agencement de l'au moins une ligne de cellule thermosensibles par rapport à la source lumineuse permet de mettre oeuvre des mesures de spectroscopie infra-rouge.The present invention uses a compact and lightweight infrared spectroscopy device. The infrared spectroscopy device comprises a suspended membrane light source adapted to emit directional infra-red radiation (hereinafter referred to as "directional"), and a thermo-detector including at least one line of cells heat sensitive. The arrangement of the at least one temperature-sensitive cell line with respect to the light source makes it possible to implement infrared spectroscopy measurements.
Aux figures 5a et 6b, on peut voir des représentations schématiques du dispositif de spectroscopie infra-rouge 10 selon l'invention.In FIGS. 5a and 6b, schematic representations of the infrared spectroscopy device 10 according to the invention can be seen.
Le dispositif comprend une source lumineuse 20 représentée à la figure 1. La source lumineuse est adaptée pour émettre un rayonnement lumineux dans le domaine infra-rouge (ci-après « infra-rouge »).The device comprises a light source 20 represented in FIG. 1. The light source is adapted to emit light radiation in the infra-red domain (hereinafter "infra-red").
La source lumineuse 20 comprend un réseau métallique 30 formé par un ensemble de pistes métalliques 31 et une couche métallique 32.The light source 20 comprises a metal network 30 formed by a set of metal tracks 31 and a metal layer 32.
De manière avantageuse, les pistes métalliques 31 sont en contact direct avec la couche métallique 32. L'épaisseur de la couche métallique 32 est avantageusement supérieure à 50 nm, encore plus avantageusement supérieure à 100 nm.Advantageously, the metal tracks 31 are in direct contact with the metal layer 32. The thickness of the metal layer 32 is advantageously greater than 50 nm, still more advantageously greater than 100 nm.
Les pistes métalliques 31 sont disposées parallèlement à une direction X.The metal tracks 31 are arranged parallel to a direction X.
Dans le cadre de la présente invention, nous considérons que le réseau métallique 30 est plan.In the context of the present invention, we consider that the metal network 30 is plane.
Les pistes métalliques 31 sont également disposées périodiquement avec une période P selon une direction Y perpendiculaire à la direction X.The metal tracks 31 are also periodically arranged with a period P in a direction Y perpendicular to the direction X.
De manière avantageuse, la source lumineuse 20 s'étend sur une longueur I selon la direction Y. Plus particulièrement, la longueur I est comprise entre 10 pm et 1mm, par exemple 250 pm.Advantageously, the light source 20 extends over a length I in the direction Y. More particularly, the length I is between 10 μm and 1 mm, for example 250 μm.
Les pistes métalliques 31 peuvent comprendre au moins un des métaux suivants parmi : tungstène. Aluminium, Cuivre, Or, Argent, Tantale, Titane, Palladium, Molybdène, Platine.The metal tracks 31 may comprise at least one of the following metals: tungsten. Aluminum, Copper, Gold, Silver, Tantalum, Titanium, Palladium, Molybdenum, Platinum.
La couche métallique 32 peut comprendre au moins un des métaux suivants parmi : tungstène. Aluminium, Cuivre, Or, Argent, Tantale, Titane, Palladium, Molybdène, Platine.The metal layer 32 may comprise at least one of the following metals: tungsten. Aluminum, Copper, Gold, Silver, Tantalum, Titanium, Palladium, Molybdenum, Platinum.
La source lumineuse 20 comprend également des moyens de chauffage 40 du réseau métallique 30. Il est ainsi entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que les moyens de chauffage 40 sont adaptés pour imposer une élévation de température au réseau métallique 30.The light source 20 also comprises heating means 40 of the metal network 30. It is thus understood, without it being necessary to specify, that the heating means 40 are adapted to impose a temperature rise to the metal network 30.
La source lumineuse 20 peut, avantageusement, être mise sous vide (encapsulée) afin de limiter les pertes par conduction dans l'air, et ainsi améliorer son efficacité. Les techniques d'encapsulation des sources lumineuses sont connues de l'homme du métier et ne sont donc pas décrites dans la présente invention.The light source 20 can advantageously be evacuated (encapsulated) in order to limit the losses by conduction in the air, and thus improve its efficiency. The encapsulation techniques of the light sources are known to those skilled in the art and are therefore not described in the present invention.
Il est connu qu'un corps, par exemple un corps métallique, émet un rayonnement dont l'étendue spectrale dépend de sa température. Plus particulièrement, ce rayonnement, aussi connu sous le nom de rayonnement du corps noir, est régi par la loi de Planck.It is known that a body, for example a metal body, emits radiation whose spectral extent depends on its temperature. More particularly, this radiation, also known as dark body radiation, is governed by Planck's law.
Ainsi, à titre d'exemple, du tungstène chauffé à 500°C émet une majeure partie de son rayonnement lumineux dans la gamme de longueurs d'ondes 3 pm à 4,69 pm.Thus, for example, tungsten heated to 500 ° C emits a major portion of its light radiation in the wavelength range 3 μm to 4.69 μm.
Les moyens de chauffage 40 peuvent comprendre une membrane, par exemple une membrane chauffante 41, sur laquelle repose de réseau métallique 30 (représentée selon une vue de dessus à la figure 2a, et selon un plan de coupe AA' à la figure 2b). La membrane chauffante 41 peut avoir une forme circulaire ou carrée ou rectangulaire.The heating means 40 may comprise a membrane, for example a heating membrane 41, on which metal lattice 30 rests (shown in a view from above in FIG. 2a, and along a sectional plane AA 'in FIG. 2b). The heating membrane 41 may have a circular or square or rectangular shape.
La membrane chauffante 41 peut comprendre un élément chauffant 42, intercalé entre une première couche 43 et une seconde couche 44 faite chacune d'au moins un matériau diélectrique. L'élément chauffant 42 peut comprendre un métal, par exemple du platine. L'au moins un matériau diélectrique formant le première couche 43 et la seconde couche 44 peut comprendre au moins un des matériaux parmi : le nitrure de silicium, l'oxyde de silicium.The heating membrane 41 may comprise a heating element 42, interposed between a first layer 43 and a second layer 44 each made of at least one dielectric material. The heating element 42 may comprise a metal, for example platinum. The at least one dielectric material forming the first layer 43 and the second layer 44 may comprise at least one of the following materials: silicon nitride, silicon oxide.
La membrane chauffante 41 peut être dimensionnée et fabriquée selon la méthode décrite dans le document [1] cité à la fin de la description. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, la première couche 43 peut comprendre une couche de nitrure de silicium (Si3N4) de 100 nm d'épaisseur. La seconde couche 44 peut comprendre une couche d'oxyde de silicium (Si02) de 100 nm d'épaisseur sur laquelle repose une couche de nitrure de silicium de 100 nm d'épaisseur. L'élément chauffant 42 peut comprendre un empilement de TiN/Pt/TiN, respectivement de 10 nm, 30 nm, et 10 nm d'épaisseur. La membrane chauffante 40 peut être de forme circulaire avec un diamètre compris entre 50 pm et 150 pm, par exemple 50 pm ou 100 pm ou 150 pm.The heating membrane 41 may be sized and manufactured according to the method described in document [1] cited at the end of the description. Thus, according to an advantageous embodiment, the first layer 43 may comprise a layer of silicon nitride (Si3N4) of 100 nm thick. The second layer 44 may comprise a layer of silicon oxide (SiO 2) 100 nm thick on which a layer of silicon nitride of 100 nm thick rests. The heating element 42 may comprise a TiN / Pt / TiN stack of 10 nm, 30 nm and 10 nm, respectively. The heating membrane 40 may be circular in shape with a diameter of between 50 μm and 150 μm, for example 50 μm or 100 μm or 150 μm.
La formation du réseau métallique 30 sur la membrane chauffante 40 fait appel à des techniques connues de l'homme du métier et n'est donc pas décrite en détails dans la présente demande.The formation of the metal network 30 on the heating membrane 40 uses techniques known to those skilled in the art and is therefore not described in detail in the present application.
La source lumineuse 20 selon l'invention est ainsi adaptée pour émettre un rayonnement lumineux directionnel.The light source 20 according to the invention is thus adapted to emit directional light radiation.
Par rayonnement lumineux directionnel, on entend que chaque longueur d'onde λ formant le rayonnement lumineux est émise dans un plan qui lui est propre. Plus particulièrement, dans le cadre de la présente invention, lorsqu'il est chauffé à une température T, le réseau métallique 30 émet un ensemble de longueurs d'onde λϊ. Chaque longueur d'onde λΙ est émise selon un plan Pi. Le plan Pi fait un angle 0i avec un plan Ps de symétrie du réseau métallique 30. Le plan Ps comprend la direction X, et est normal au plan du réseau métallique 30. Il est également entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que chaque plan Pi et le plan de symétrie Ps s'intersectent au niveau du plan du réseau métallique 30. Les inventeurs ont démontré que la longueur d'onde λϊ et l'angle 0i correspondant vérifient la relation (1). λi = P(l+sin(0i)) (1)By directional light radiation, it is meant that each wavelength λ forming the light radiation is emitted in a plane of its own. More particularly, in the context of the present invention, when it is heated to a temperature T, the metal network 30 emits a set of wavelengths λϊ. Each wavelength λΙ is emitted along a plane Pi. The plane Pi is at an angle φ with a plane Ps of symmetry of the metal network 30. The plane Ps comprises the direction X, and is normal to the plane of the metal network 30. is also understood, without it being necessary to specify it, that each plane Pi and the plane of symmetry Ps intersect at the level of the plane of the metal network 30. The inventors have demonstrated that the wavelength λϊ and the angle 0i corresponding satisfy the relation (1). λi = P (l + sin (0i)) (1)
Ainsi, et de manière avantageuse, la gamme de longueurs d'ondes X\ est comprise entre une longueur d'onde minimale λmin et une longueur d'onde maximale λmax, la période P du réseau métallique étant égale à la longueur d'onde minimale λmin.Thus, and advantageously, the range of wavelengths X 1 lies between a minimum wavelength λmin and a maximum wavelength λmax, the period P of the metal network being equal to the minimum wavelength λmin.
Par exemple, le réseau métallique 30 peut être chauffé par l'élément chauffant 42 à une température de 500°C, de manière à émettre la majeure partie de son rayonnement lumineux compris dans la gamme de longueurs d'ondes 3 pm - 4.69 pm.For example, the metal network 30 may be heated by the heating element 42 at a temperature of 500 ° C, so as to emit most of its light radiation in the wavelength range 3 μm - 4.69 μm.
Une augmentation de la température imposée par l'élément chauffant 42 permet d'augmenter le rayonnement lumineux émis par le réseau métallique 30.An increase in the temperature imposed by the heating element 42 makes it possible to increase the light radiation emitted by the metal network 30.
Cependant, l'augmentation de ladite température augmente également la consommation électrique de l'élément chauffant 42, et peut également le dégrader. Il peut ainsi être avantageux de limiter la température imposée par l'élément chauffant 42 à 700°C.However, increasing said temperature also increases the power consumption of the heater 42, and can also degrade it. It can thus be advantageous to limit the temperature imposed by the heating element 42 to 700 ° C.
De manière avantageuse, les pistes métalliques 31 ont une épaisseur E supérieure à un cinquantième de la longueur d'onde minimale λmin, de manière avantageuse l'épaisseur E est comprise entre un cinquantième et un dixième de la longueur d'onde minimale Xmin. L'épaisseur E des pistes métalliques 31 est par exemple comprise entre 50 nm et 300 nm, par exemple 175 nm.Advantageously, the metal tracks 31 have a thickness E greater than one fiftieth of the minimum wavelength λmin, advantageously the thickness E is between one fiftieth and one tenth of the minimum wavelength λmin. The thickness E of the metal tracks 31 is for example between 50 nm and 300 nm, for example 175 nm.
Par épaisseur d'une piste métallique 31, on entend la dimension de ladite piste métallique selon une direction perpendiculaire au plan du réseau métallique 30.By thickness of a metal track 31 is meant the dimension of said metal track in a direction perpendicular to the plane of the metal network 30.
Toujours de manière avantageuse, la largeur des pistes métalliques 31 est comprise entre 0,5pm et 2,5pm, par exemple 1,5 pm.Advantageously, the width of the metal tracks 31 is between 0.5 μm and 2.5 μm, for example 1.5 μm.
Plus particulièrement, la largueur des pistes métalliques 31 peut être égale à la moitié de la période P du réseau métallique 30.More particularly, the width of the metal tracks 31 may be equal to half the period P of the metal network 30.
Par largeur des pistes métalliques 31, on entend la dimension desdites pistes métalliques 31 selon la direction Y.By width of the metal tracks 31 is meant the dimension of said metal tracks 31 in the Y direction.
La longueur des pistes métalliques 31 peut être comprise entre lOpm et 1mm.The length of the metal tracks 31 can be between lOpm and 1mm.
Les inventeurs ont ainsi réalisé des simulations optiques d'une source lumineuse selon la présente invention afin de déterminer le spectre d'émissivité de ladite source en fonction de l'ange 0i. Dans ces simulations, les inventeurs ont considéré des pistes métalliques 31 faites de tungstène, avec une période P de 3 pm.The inventors have thus made optical simulations of a light source according to the present invention in order to determine the emissivity spectrum of said source as a function of the angel 0i. In these simulations, the inventors have considered metal tracks 31 made of tungsten, with a period P of 3 μm.
La figure 4a est une représentation graphique d'une simulation optique selon une première configuration, l'épaisseur E est de 175 nm, et la largeur est de 1,5 pm.FIG. 4a is a graphical representation of an optical simulation in a first configuration, the thickness E is 175 nm, and the width is 1.5 μm.
Les pistes métalliques reposent également sur une couche métallique 32 de 100 nm de tungstène. Sur la figure 4a, l'axe vertical représente la longueur l'onde λ, et l'axe horizontal l'angle d'émissivité Θ. L'intensité lumineuse émise pour chaque longueur d'onde est donnée en niveaux de gris.The metal tracks also rest on a metal layer 32 of 100 nm of tungsten. In FIG. 4a, the vertical axis represents the length of the wave λ, and the horizontal axis represents the emissivity angle Θ. The luminous intensity emitted for each wavelength is given in gray levels.
La figure 4b est une représentation graphique d'une simulation optique selon une première configuration, l'épaisseur E est de 100 nm, et la largeur est de 2,5 pm. Sur la figure 4b, l'axe vertical représente la longueur l'onde λ, et l'axe horizontal l'angle d'émissivité Θ. L'intensité lumineuse émise pour chaque longueur d'onde est donnée en niveaux de gris.FIG. 4b is a graphical representation of an optical simulation in a first configuration, the thickness E is 100 nm, and the width is 2.5 μm. In FIG. 4b, the vertical axis represents the length of the wave λ, and the horizontal axis represents the emissivity angle Θ. The luminous intensity emitted for each wavelength is given in gray levels.
Ces simulations peuvent être mises à profit pour le dimensionnement de la source lumineuse 20 et/ou d'un thermo-détecteur 50.These simulations can be used for sizing the light source 20 and / or a thermo-detector 50.
Le dispositif de spectroscopie infrarouge 10 comprend en outre un thermo-détecteur 50.The infrared spectroscopy device 10 further comprises a thermo detector 50.
Le thermo-détecteur 50 comprend au moins une cellule thermosensible 51.The thermo-detector 50 comprises at least one thermosensitive cell 51.
Par cellule thermosensible 51, nous entendons une cellule apte à détecter de la chaleur incidente sur sa surface.By thermosensitive cell 51, we mean a cell capable of detecting heat incident on its surface.
Aussi, dès lors qu'un rayonnement infra-rouge est incident sur la surface d'une cellule thermosensible, cette dernière subit une augmentation de température qui est fonction de l'énergie lumineuse du rayonnement infra-rouge incident. Par ailleurs, aussitôt qu'un rayonnement lumineux infrarouge incident sur une cellule thermosensible 51 provoque un échauffement de cette dernière, nous considérons que le rayonnement infrarouge est collecté par ladite cellule thermosensible. L'au moins une cellule thermosensible 51 peut comprendre des bolomètres.Also, when infra-red radiation is incident on the surface of a thermosensitive cell, the latter undergoes an increase in temperature which is a function of the light energy of the infra-red radiation incident. Moreover, as soon as infrared light radiation incident on a heat-sensitive cell 51 causes the latter to heat up, we consider that the infrared radiation is collected by said thermosensitive cell. The at least one thermosensitive cell 51 may comprise bolometers.
Un bolomètre est une cellule apte à collecter un rayonnement infrarouge.A bolometer is a cell capable of collecting infrared radiation.
Le bolomètre comprend généralement une membrane suspendue faite d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance («TCR» ou « Température Coefficient of Résistance » selon la terminologie Anglo-Saxonne).The bolometer generally comprises a suspended membrane made of a material having a temperature coefficient of resistance ("TCR" or "Temperature Coefficient of Resistance" according to the terminology Anglo-Saxon).
Autrement dit, la variation de température du bolomètre par absorption d'un rayonnement infra-rouge induit une variation de résistance électrique dudit bolomètre. Ainsi, la mesure et/ou la détection d'un rayonnement infra-rouge est basée sur une mesure de la variation de résistance électrique par la membrane suspendue du bolomètre. Les bolomètres sont connus de l'homme du métier, et décrits par exemple dans la demande de brevet [2] citée à la fin de la description.In other words, the temperature variation of the bolometer by absorption of infra-red radiation induces a variation of electrical resistance of said bolometer. Thus, the measurement and / or detection of infra-red radiation is based on a measurement of the electrical resistance variation by the diaphragm suspended membrane. Bolometers are known to those skilled in the art, and described for example in the patent application [2] cited at the end of the description.
De manière avantageuse, le thermo-détecteur 50 et la source lumineuse 20 sont en regard et à une distance d l'un de l'autre. Ainsi, l'au moins une cellule thermosensible 51 peut collecter une partie du rayonnement infra-rouge émit par la source lumineuse 20. Plus particulièrement, dès lors que la source lumineuse 20 est directionnelle. l'au moins une cellule thermosensible 51 n'est exposée qu'à une gamme restreinte de longueurs d'ondes.Advantageously, the thermo-detector 50 and the light source 20 are facing and at a distance from one another. Thus, the at least one heat-sensitive cell 51 can collect a portion of the infra-red radiation emitted by the light source 20. More particularly, since the light source 20 is directional. the at least one thermosensitive cell 51 is exposed only to a restricted range of wavelengths.
La distance d peut être comprise entre 1mm et 10cm, par exemple 1 cm.The distance d can be between 1mm and 10cm, for example 1 cm.
Avantageusement, le rapport de la longueur I sur la distance d étant supérieur à un centième.Advantageously, the ratio of the length I to the distance d being greater than one hundredth.
De manière avantageuse, le dispositif de spectroscopie infra-rouge 10 peut comprendre en outre un module 60 de traitement de données susceptibles d'être collectées par le thermo-détecteur 50. Le module 60 de traitement de données peut être un ordinateur ou un calculateur équipé d'un programme d'ordinateur adapté pour traiter les données collectées par le thermo-détecteur 50.Advantageously, the infrared spectroscopy device 10 may further comprise a data processing module 60 capable of being collected by the thermo-detector 50. The data processing module 60 may be a computer or a computer equipped with a computer program adapted to process the data collected by the thermo-detector 50.
Selon un premier mode de réalisation particulièrement avantageux illustré à la figure 5a, le thermo-détecteur 50 ne comprend qu'une colonne de cellules thermosensibles 51 agencée parallèlement à la direction X (figure 5b).According to a first particularly advantageous embodiment illustrated in FIG. 5a, the thermo-detector 50 comprises only one column of heat-sensitive cells 51 arranged parallel to the X direction (FIG. 5b).
Ainsi, la colonne de cellules thermosensibles 51 n'est exposée qu'à une gamme restreinte de longueurs d'onde.Thus, the column of heat-sensitive cells 51 is exposed only to a restricted range of wavelengths.
Par exemple, une colonne de cellules thermosensibles 51 d'une largeur de 25 pm, et disposées à un centimètre de la source lumineuse 20 de période P = 3 pm, sera exposée, en théorie, à un rayonnement d'une largeur spectrale de 80 nm (nommé également résolution spectrale).For example, a column of thermosensitive cells 51 with a width of 25 μm, and disposed one centimeter from the light source 20 of period P = 3 μm, will be theoretically exposed to a radiation with a spectral width of 80 μm. nm (also called spectral resolution).
La colonne de cellules thermosensibles 51 peut comprendre 320 cellules thermosensibles 51.The column of heat-sensitive cells 51 may comprise 320 heat-sensitive cells 51.
De manière avantageuse, et dans le cadre du premier mode de réalisation, la source lumineuse 20 peut être dotée d'un moyen de rotation 21, par exemple un moteur pas-à-pas. Ainsi, le thermo-détecteur 50 peut collecter et échantillonner l'intégralité du rayonnement infra-rouge émis par la source lumineuse 20.Advantageously, and in the context of the first embodiment, the light source 20 may be provided with a rotation means 21, for example a stepping motor. Thus, the thermo-detector 50 can collect and sample all the infra-red radiation emitted by the light source 20.
Selon un second mode de réalisation, illustré à la figure 6a, le thermodétecteur 50 comprend une pluralité de cellules photosensibles 51 agencées sous forme d'une matrice (figure 6b).According to a second embodiment, illustrated in FIG. 6a, the thermodetector 50 comprises a plurality of photosensitive cells 51 arranged in the form of a matrix (FIG. 6b).
Par matrice, nous entendons un arrangement de cellules photosensibles régulier et périodique selon les directions X et Y. La périodicité selon la direction Y est notée pas matriciel Pm.By matrix, we mean a regular and periodic arrangement of photosensitive cells according to the X and Y directions. The periodicity in the Y direction is noted as a matrix pitch Pm.
Ainsi, nous définissons l'expression ligne de cellules thermosensibles par un agencement de cellules thermosensibles alignées selon la direction Y.Thus, we define the expression line of heat-sensitive cells by an arrangement of thermosensitive cells aligned in direction Y.
De manière équivalente, une colonne de cellules thermosensibles est un ensemble de cellules alignées selon la direction X.Equivalently, a column of heat-sensitive cells is a set of cells aligned along the X direction.
Il est entendu que la matrice peut ne comprendre qu'une seule ligne de cellules thermosensibles 51. Dans ce cas particulier, le dispositif de spectroscopie infrarouge 10 peut comprendre des moyens de focalisation 70 du rayonnement infra-rouge sur la ligne de cellules thermosensibles 51 (illustrée à la figure 7).It is understood that the matrix may comprise only one line of heat-sensitive cells 51. In this particular case, the infrared spectroscopy device 10 may comprise means 70 for focusing the infra-red radiation on the line of heat-sensitive cells 51 ( illustrated in Figure 7).
Les moyens de focalisation 70 peuvent comprendre une lentille, par exemple une lentille convergente. Le choix ou le dimensionnement des moyens de focalisation 70 font partie des connaissances générales de l'homme du métier et ne sont donc pas décrites plus en détails dans la présente description.The focusing means 70 may comprise a lens, for example a convergent lens. The choice or the dimensioning of the focusing means 70 are part of the general knowledge of those skilled in the art and are therefore not described in more detail in the present description.
De manière avantageuse, la source lumineuse 20 peut être disposée parallèlement au thermo-détecteur 50.Advantageously, the light source 20 may be arranged parallel to the thermo-detector 50.
Toujours de manière avantageuse, l'ensemble formé par le thermodétecteur 50 et la source lumineuse 20 est symétrique par rapport à un plan parallèle aux pistes métalliques 31, et perpendiculaire à la direction Y.Still advantageously, the assembly formed by the thermodetector 50 and the light source 20 is symmetrical with respect to a plane parallel to the metal tracks 31, and perpendicular to the Y direction.
Chaque colonne de cellules thermosensibles 51 correspond à un canal d'acquisition Ci d'une bande spectrale du rayonnement infra-rouge émis par la source lumineuse 20.Each column of heat-sensitive cells 51 corresponds to an acquisition channel Ci of a spectral band of the infra-red radiation emitted by the light source 20.
La puissance spectrale détectée par un canal d'acquisition Ci peut être déterminée afin de déterminer la sensibilité du dispositif de spectroscopie infra-rouge 10 selon l'invention. Par sensibilité, on entend la capabilité du dispositif de spectroscopie infra-rouge à détecter une variation d'intensité lumineuse à une longueur d'onde donnée du fait de la présence d'une espèce chimique entre la source lumineuse et le thermodétecteur 50. A titre d'exemple, nous considérons la longueur d'onde 4,26 pm (qui est une raie d'absorption du dioxyde de carbone CO2).The spectral power detected by an acquisition channel Ci can be determined in order to determine the sensitivity of the infra-red spectroscopy device 10 according to the invention. Sensitivity means the ability of the infrared spectroscopy device to detect a variation in light intensity at a given wavelength due to the presence of a chemical species between the light source and the thermodetector 50. for example, we consider the wavelength 4.26 pm (which is a line of carbon dioxide CO2 absorption).
La source lumineuse considérée dans cet exemple a les caractéristiques données dans le tableau 1 :The light source considered in this example has the characteristics given in Table 1:
Chaque canal d'acquisition Ci du thermo-détecteur comprend 480 bolomètres du type NEP 10 pW de 25 pm de côté. Le flux alors collecté par le canal d'acquisition Ci associé à la longueur λΙ de 4,26 pm est de l'ordre de 165 nW, et est similaire au flux collecté par un capteur pyroélectrique illuminé par un corps noir (source lumineuse non directionnelle au sens de l'invention). Le dispositif selon l'invention présente un bruit de détection de l'ordre de 205 pW (la détermination du bruit de détection fait partie des connaissances générales de l'homme du métier et n'est donc pas décrite dans la présente description). La figure 8 présente alors la variation du flux lumineux collecté (sur l'axe vertical) par le canal d'acquisition Ci associé à la longueur d'onde 4,26 pm en fonction de la concentration de CO2 en ppm (sur l'axe horizontal). On peut déduire de ce graphique qu'une variation de 1000 ppm en CO2 équivaut à une variation de flux de 30 nW (soit 100 fois supérieur au bruit de détection). Il est ainsi possible de détecter quelques dizaines de ppm de gaz (CO2) avec le dispositif de spectroscopie infra-rouge selon l'invention.Each acquisition channel Ci of the thermo-detector comprises 480 bolometers of NEP type 10 pW of 25 μm side. The flux then collected by the acquisition channel Ci associated with the length λΙ of 4.26 μm is of the order of 165 nW, and is similar to the flux collected by a pyroelectric sensor illuminated by a black body (non-directional light source within the meaning of the invention). The device according to the invention has a detection noise of the order of 205 pW (the determination of the detection noise is part of the general knowledge of those skilled in the art and is therefore not described in the present description). FIG. 8 then shows the variation of the light flux collected (on the vertical axis) by the acquisition channel Ci associated with the wavelength 4.26 μm as a function of the CO2 concentration in ppm (on the axis horizontal). It can be deduced from this graph that a variation of 1000 ppm in CO2 equates to a flux variation of 30 nW (100 times greater than the detection noise). It is thus possible to detect a few tens of ppm of gas (CO2) with the infra-red spectroscopy device according to the invention.
La résolution spectrale du dispositif de spectroscopie infra-rouge selon l'invention est donnée par la largeur de la bande spectrale Bsi effectivement collectée par chaque canal d'acquisition Ci.The spectral resolution of the infrared spectroscopy device according to the invention is given by the width of the spectral band Bsi effectively collected by each acquisition channel Ci.
La détermination de la résolution spectrale doit tenir compte de la divergence du faisceau, de longueur d'onde λΙ (la longueur d'onde λΙ étant la longueur d'onde centrale de la bande spectrale Bsi collectée par le canal d'acquisition Ci) émis dans chaque direction di, et donnée par la relation suivante :The determination of the spectral resolution must take into account the divergence of the beam, of wavelength λΙ (the wavelength λΙ being the central wavelength of the spectral band Bsi collected by the acquisition channel Ci) emitted in each direction di, and given by the following relation:
où w(z) est la taille (surface) du faisceau, dans une direction donnée et à la distance z de la source lumineuse, wo est la surface de la source lumineuse effectivement vue par un canal d'acquisition, et Zr est donnée par la relation :where w (z) is the size (area) of the beam, in a given direction and at the distance z from the light source, wo is the area of the light source actually seen by an acquisition channel, and Zr is given by the relationship :
La figure 9 illustre la largeur spectrale effectivement collectée par une série de canaux d'acquisition adjacents pour une distance d de 1 cm, et un pas matriciel Pm de 25 pm. Nous observons ainsi une résolution spectrale du dispositif 10 de 80 nm à la figure 7. La figure 8 illustre, pour le même dispositif, les différences successives entre les intensités collectées par des canaux d'acquisition voisins Ci et Ci+1. La résolution ainsi obtenue est de l'ordre de 40 nm.FIG. 9 illustrates the spectral width actually collected by a series of adjacent acquisition channels for a distance d of 1 cm, and a matrix pitch Pm of 25 μm. We thus observe a spectral resolution of the device 10 of 80 nm in FIG. 7. FIG. 8 illustrates, for the same device, the successive differences between the intensities collected by neighboring acquisition channels Ci and Ci + 1. The resolution thus obtained is of the order of 40 nm.
Le dispositif de spectroscopie infra-rouge 10 peut avantageusement être mis en oeuvre pour la détection et l'identification d'hydrocarbures, les hydrocarbures comprenant avantageusement du méthane et de l'éthane.The infrared spectroscopy device 10 may advantageously be used for the detection and identification of hydrocarbons, the hydrocarbons advantageously comprising methane and ethane.
Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que la détection et l'identification d'hydrocarbures impose que ces derniers soient présents entre la source lumineuse 20 et le thermo-détecteur 50.It is understood, without it being necessary to specify, that the detection and identification of hydrocarbons requires that the latter be present between the light source 20 and the thermo-detector 50.
Par ailleurs, les moyens de chauffage peuvent chauffer le réseau métallique 31 à une température adaptée pour que la source lumineuse 20 émette un rayonnement infra-rouge dans une gamme de longueurs d'ondes s'étendant de 3 pm à 4,69 pm. A titre d'illustration, la figure 11 représente les spectres d'absorption du méthane et de l'éthane en superposition avec les différences des intensités lumineuses émises par la source lumineuse, et collectées par la série de canaux d'acquisition adjacents.Furthermore, the heating means can heat the metal network 31 to a temperature adapted for the light source 20 to emit infrared radiation in a range of wavelengths ranging from 3 pm to 4.69 pm. By way of illustration, Figure 11 shows the absorption spectra of methane and ethane superimposed with differences in light intensities emitted by the light source, and collected by the series of adjacent acquisition channels.
La figure 12a représente la superposition des spectres d'absorption infrarouge du méthane (M) et de l'éthane (E) en fonction du nombre d'onde en cm'^ (sur l'axe horizontal).Figure 12a shows the superposition of the infrared absorption spectra of methane (M) and ethane (E) as a function of the wavenumber in cm 2 (on the horizontal axis).
Les figures 12b (pour le méthane), 12c (pour l'éthane) et 12d (pour un mélange méthane/éthane) représentent, en niveaux de gris, l'intensité infra-rouge collectée par des canaux d'acquisition (numérotés de 1 à 10). Les canaux d'acquisition 1 à 10 collectent chacun une bande spectrale de 40 nm, chaque canal d'acquisition étant séparé « spectralement » de 8 nm des canaux d'acquisition les plus proches. Plus particulièrement, l'ensemble des 10 canaux d'acquisition permet de collecter un rayonnement infra-rouge s'étendant de 2945 cm'^ à 3025 cm'^. Un gris prononcé révèle une forte absorption du rayonnement avant qu'il n'atteigne le canal d'acquisition, tandis qu'un gris clair révèle une très faible absorption du rayonnement infra-rouge. La figure 12b montre que les canaux d'acquisition 1 à 3 et 10 sont essentiellement sensibles à la présence de méthane, tandis que les canaux 4 à 8 peuvent révéler la présence d'éthane.FIGS. 12b (for methane), 12c (for ethane) and 12d (for a methane / ethane mixture) represent, in grayscale, the infra-red intensity collected by acquisition channels (numbered 1 to 10). The acquisition channels 1 to 10 each collect a 40 nm spectral band, each acquisition channel being "spectrally" 8 nm apart from the nearest acquisition channels. More particularly, all of the acquisition channels make it possible to collect infra-red radiation extending from 2945 cm -1 to 3025 cm -1. A pronounced gray reveals a strong absorption of radiation before it reaches the acquisition channel, while a light gray reveals a very weak absorption of infra-red radiation. Figure 12b shows that acquisition channels 1 to 3 and 10 are essentially sensitive to the presence of methane, while channels 4 to 8 may reveal the presence of ethane.
Ainsi, le dispositif selon l'invention permet la détection mais aussi la discrimination d'hydrocarbures, et plus particulièrement de l'éthane et du méthane. L'analyse des niveaux de gris du signal collecté par chacun des canaux permet également, par utilisation de la loi de Beer-Lambert, de déterminer la concentration des gaz détectés.Thus, the device according to the invention allows the detection but also the discrimination of hydrocarbons, and more particularly of ethane and methane. The analysis of the gray levels of the signal collected by each of the channels also makes it possible, by using the Beer-Lambert law, to determine the concentration of the detected gases.
Le dispositif de spectroscopie infra-rouge 10 selon l'invention est ainsi un dispositif peu encombrant, et présente un coût relativement bas. Il peut par conséquent être utilisé comme détecteur de gaz, plus particulièrement comme détecteur de méthane et d'éthane. Le dispositif 10 permet également de déterminer la concentration dans l'air du gaz détecté.The infra-red spectroscopy device 10 according to the invention is thus a compact device, and has a relatively low cost. It can therefore be used as a gas detector, more particularly as a methane and ethane detector. The device 10 also makes it possible to determine the concentration in the air of the detected gas.
Par ailleurs, contrairement aux dispositifs spectroscopiques conventionnel, tels que les dispositifs à transformée de Fourier, le dispositif de spectroscopie infra-rouge selon l'invention n'est pas sensible aux vibrations, et est stable. Il peut par conséquent également être utilisé comme équipement portable, et/ou sur des applications mobiles, embarqué sur des drones par exemple.Moreover, unlike conventional spectroscopic devices, such as Fourier transform devices, the infrared spectroscopy device according to the invention is not sensitive to vibrations, and is stable. It can therefore also be used as portable equipment, and / or mobile applications, embedded on drones, for example.
RÉFÉRENCESREFERENCES
[1] P. Barritault et al., "Mid-IR source based on a free-standing microhotpiate for autonomous CO2 sensing in indoor- applications", Sensors and Actuators A, 172, p. 379-385, (2011), [2] FR 2 977 937.[1] P. Barritault et al., "Mid-IR source based on a free-standing micro-sensor for independent CO2 sensing in indoor applications," Sensors and Actuators A, 172, p. 379-385, (2011), [2] FR 2 977 937.
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US20090127478A1 (en) * | 2006-05-26 | 2009-05-21 | Nalux Co., Ltd. | Infrared Source and Method of Manufacturing the Same |
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2017
- 2017-01-03 FR FR1750023A patent/FR3053783A1/en active Pending
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