FR3062209A1 - Detecteur optique de particules - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un détecteur (60) de particules comprenant au moins : ○ Un dispositif optique (15) configuré pour émettre un rayonnement lumineux ; ○ Un substrat (100) s'étendant dans selon un plan (x, y) et définissant un canal (50) destiné à recevoir des particules (60), le canal (50) s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y) ; caractérisé en ce que le détecteur comprend une matrice (20) de photodétecteurs (21) et une surface réfléchissante (41); la matrice (20) de photodétecteurs (21) et la surface réfléchissante (41) étant disposées de part et d'autre de ladite portion du substrat (100) de sorte qu'une partie du rayonnement lumineux traverse le canal (50) en étant diffracté par une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41), puis parvient à la matrice (20) de photodétecteurs (21).
Description
© Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.
O Demande(s) d’extension :
® Mandataire(s) : CABINET HAUTIER.
FR 3 062 209 - A1 (54) DETECTEUR OPTIQUE DE PARTICULES.
(57) La présente invention concerne un détecteur (60) de particules comprenant au moins:
O Un dispositif optique (15) configuré pour émettre un rayonnement lumineux;
O Un substrat (100) s'étendant dans selon un plan (x, y) et définissant un canal (50) destiné à recevoir des particules (60), le canal (50) s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y) ; caractérisé en ce que le détecteur comprend une matrice (20) de photodétecteurs (21) et une surface réfléchissante (41); la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et la surface réfléchissante (41 ) étant disposées de part et d'autre de ladite portion du substrat (100) de sorte qu'une partie du rayonnement lumineux traverse le canal (50) en étant diffracté par une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41 ), puis parvient à la matrice (20) de photodétecteurs (21).
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne le domaine de la détection optique de particules en général et plus particulièrement de particules de taille micrométrique, voire nanométrique. Elle trouvera pour application particulièrement avantageuse mais non limitative la détection des particules de poussière, des particules de fumée pour détecter les incendies ou encore la détection des particules polluantes et notamment les particules dites fines.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les détecteurs de particules sont généralement basés sur la diffraction de la lumière visible, ou proche infrarouge, par des particules. Ces détecteurs comportent ainsi généralement des capteurs optiques configurés pour mesurer la diffraction de la lumière par les particules.
Les détecteurs comprennent une source de lumière et un canal à travers lequel passent les particules à détecter. En l’absence de particules, il n’y a pas de diffraction, les capteurs optiques ne mesurent donc pas de lumière. En présence de particules, la lumière est diffractée par les particules et les capteurs optiques détectent la lumière diffractée dans leur angle solide de détection. Cette mesure permet ainsi de détecter une ou plusieurs particules. Alors que l’intensité de la lumière diffractée et son diagramme angulaire sont des caractéristiques de la nature, de la forme, de la taille et de la concentration des particules, les solutions connues ne permettent pas de mesurer l’ensemble de ces caractéristiques de manière fidèle, à un coût raisonnable et en occupant un encombrement limité.
Le document FR2963101 décrit une solution existante. Cette solution prévoit une source de lumière véhiculée par un guide d’ondes qui illumine un canal gravé dans un substrat de silicium et à travers lequel des particules vont circuler. La diffraction de la lumière incidente par ces particules est détectée par deux photodiodes périphériques réalisées sur le substrat de silicium.
Cette solution permet de réduire l’encombrement du capteur. En revanche, il est extrêmement difficile avec ce type de solution d’obtenir des informations suffisamment précises et complètes sur les particules.
Il est notamment difficile, voire impossible, de déterminer la nature des particules.
Il existe donc un besoin consistant à proposer une solution pour améliorer la précision et la quantité d’informations relatives aux particules, afin par exemple de déterminer leur nature.
Tel est l’objectif de la présente invention.
RESUME DE L’INVENTION
La présente invention concerne un détecteur de particules comprenant au moins :
o Un dispositif optique apte à être connecté à au moins une source lumineuse et configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux généré par ladite source lumineuse ;
o Un substrat s’étendant dans selon un plan principal (x, y) et définissant une partie au moins d’un canal destiné à recevoir un fluide comprenant des particules, le canal s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y), une portion au moins du substrat étant configurée pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique.
Le détecteur comprend en outre une matrice de photodétecteurs et au moins une surface réfléchissante, apte à réfléchir le rayonnement lumineux. La matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont disposées de part et d’autre de ladite portion du substrat. Avantageusement, le détecteur est configuré de sorte que si des particules sont présentes dans le canal, une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse le canal en étant diffracté au moins partiellement par au moins une particule, puis se réfléchit au moins en partie sur la surface réfléchissante, puis parvient ensuite au moins en partie à la matrice de photodétecteurs.
L’association du canal, de l’au moins une surface réfléchissante et d’une matrice de photodétecteurs, permet de capter un plus grand nombre de rayons lumineux diffractés par les particules.
En effet, la matrice de photodétecteurs peut recevoir d’une part les rayons lumineux diffractés par les particules et qui parviennent après diffraction directement sur la matrice de photodétecteurs et d’autre part les rayons qui parviennent sur la matrice de photodétecteurs après réflexion sur la surface réfléchissante.
L’invention permet ainsi d’augmenter le diagramme de diffraction auquel l’on a accès.
En effet, dans le cadre du développement de la présente invention il a été remarqué que dans une solution du type de celle décrite dans le document FR2963101 cité ci-dessus, les photodétecteurs captent la lumière diffractée latéralement et détectent un angle solide de la diffraction qui est très limité. Ce type de solution ne permet alors d’accéder qu’à une portion limitée du diagramme de diffraction ce qui réduit la richesse des informations disponibles et limite la connaissance que l’on peut avoir des particules, en particulier leur nature.
Avec l’invention, la combinaison de la surface réfléchissante, de la matrice de photodétecteurs et du substrat portant le canal permet d’approximer à une mesure bidimensionnelle une diffraction tridimensionnelle.
La présente invention permet ainsi une projection sur une même matrice de photodiodes d’un très grand nombre de faisceaux lumineux diffractés dans des directions variées en trois dimensions.
La géométrie de la présente invention permet une projection d’un espace vectoriel de propagation tridimensionnelle vers un espace de mesure bidimensionnel.
L’invention permet ainsi de collecter des informations en plus grande quantité et plus précises concernant les particules. La détection des particules et l’identification de leurs paramètres, tel que leurs tailles ou leur nature, est donc améliorée.
De manière particulièrement avantageuse, la présente invention permet la détermination de l’indice de réfraction des particules.
La présente invention concerne aussi un procédé de réalisation d’au moins un détecteur de particules selon la présente invention, comprenant au moins les étapes suivantes :
o Fournir au moins un premier substrat comprenant au moins une matrice de photodétecteurs et une partie d’au moins un dispositif optique configurée pour émettre au moins un rayonnement lumineux, le premier substrat s’étendant selon un plan principal (x, y) ;
o Fournir au moins un deuxième substrat comprenant au moins une couche réfléchissante, apte à réfléchir ledit au moins un rayonnement lumineux et s’étendant en partie au moins selon le plan principal (x, y) ;
o Former un troisième substrat en assemblant le premier substrat et le deuxième substrat de sorte que la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante soient disposées de part et d’autre d’une portion au moins du substrat ;
o Avant et/ou après l’étape de formation du troisième substrat, former au moins un canal de circulation des particules s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) audit plan principal (x, y) et traversant de part en part le troisième substrat de sorte que, si des particules sont présentes dans le canal, une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse le canal en étant diffracté au moins partiellement par au moins une particule, puis se réfléchisse au moins en partie sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite au moins en partie à la matrice de photodétecteurs.
De manière avantageuse, dans le cas où l’étape de formation du canal est réalisée avant l’étape de formation du troisième substrat, le procédé comprend les étapes suivantes :
o Formation d’au moins une première portion du canal au travers du premier substrat selon la direction perpendiculaire (z) et situé à proximité de la portion distale ;
o Formation d’au moins une deuxième portion du canal au travers du deuxième substrat selon ladite direction perpendiculaire (z) ;
o Dépôt d’au moins une couche réfléchissante additionnelle, apte à réfléchir ledit au moins un rayonnement lumineux, sur au moins une partie de la deuxième portion du canal et de préférence sur au moins une paroi dudit au moins un canal.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1a est vue du dessus d’un détecteur de particules selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Sur cette figure, une projection du diagramme de diffraction de rayons lumineux par des particules est schématisée. Cette figure représente une disposition possible d’une matrice de photodétecteurs relativement à un canal de circulation des particules et à la portion distale d’un dispositif optique.
La figure 1b illustrent une vue selon la coupe A-A de la figure 1a. Sur cette figure, le chemin optique de rayons lumineux extraits depuis un réseau d’extraction est représenté. Ce chemin optique rencontre le flux de particules dans le canal de circulation des particules formant alors des rayons lumineux diffractés représentés schématiquement sur cette figure. Les réflexions des rayons lumineux extraits et des rayons lumineux diffractés par une couche réfléchissante supérieure sont représentées également.
La figure 2a est une vue du dessus, similaire à la vue de la figure 1a, mais selon une variante du mode de réalisation de la figure 1a dans laquelle des photodétecteurs sont distribués sur l’ensemble d’un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
La figure 2b est une vue selon la coupe A-A de la figure 2a. Sur cette figure, de manière identique à la figure 1b, sont schématisés les chemins optiques de rayons lumineux extraits depuis un réseau d’extraction située au niveau d’une portion distale d’un guide d’ondes, ainsi que ceux de rayons lumineux diffractés et réfléchis.
La figure 2c est une vue selon la coupe B-B de la figure 2a. Sur cette figure, de manière identique à la figure 2b, sont schématisés les chemins optiques de rayons lumineux extraits depuis le réseau d’extraction, ainsi que ceux de rayons lumineux diffractés et réfléchis.
La figure 3a est une vue du détail A de la figure 1a. Il s’agit d’une vue du dessus d’un exemple du réseau d’extraction et de ses dimensions.
La figure 3b est une vue du détail B de la figure 1b. Il s’agit d’une vue en coupe du réseau d’extraction, la coupe étant prise au niveau de la portion distale du guide d’ondes.
Les figures 4a à 6d illustrent des étapes de réalisation d’un détecteur selon la présente invention. Plus précisément :
Les figures 4a à 4h illustrent, selon un mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes de formation du réseau d’extraction sur un premier substrat comprenant une matrice de photodétecteurs et au moins la portion distale du guide d’ondes destinée à comprendre le réseau d’extraction.
Les figures 5a à 5d illustrent, selon le premier mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes principales de formation d’un deuxième substrat et de la couche réfléchissante.
Les figures 6a à 6d illustrent, selon le premier mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, l’assemblage des premier et deuxième substrats illustrés en figures 4h et 5d ainsi que la formation du canal de circulation des particules.
Les figure 7a et 7b illustrent, selon encore un autre mode de réalisation, deux vues selon la coupe A-A coupant le canal de circulation des particules.
Sur la figure 7a, on a représenté un chemin optique qui traverse le canal directement en sortie du réseau d’extraction.
Sur la figure 7b, on a représenté un chemin optique qui traverse le canal directement en sortie du réseau d’extraction après réflexion sur une surface réfléchissante.
La figure 8a est une vue du dessus d’une variante du mode de réalisation de la figure 7a dans lequel des photodétecteurs sont distribués sur l’ensemble d’un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
Les figures 8b et 8c sont des vues selon la coupe B-B du détecteur selon la figure 8a. Ces figures 8b et 8c correspondent aux vues 7a et 7b appliquées au mode de réalisation de la figure 8a.
Les figures 9a à 9f illustrent des étapes de réalisation du détecteur illustré en figures 8a à 8c.
Les figures 9a et 9b illustrent, selon un mode de réalisation et selon une vue selon la coupe A-A, les étapes de formation du réseau d’extraction sur un premier substrat comprenant une matrice de photodétecteurs et au moins la portion distale du guide d’ondes ainsi que la formation d’une première portion du canal.
Les figures 9c à 9e illustrent, selon un mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes de formation d’un deuxième substrat et d’une deuxième portion du canal ainsi que le dépôt de la couche réfléchissante supérieure.
La figure 9f illustre, selon un mode de réalisation et selon une vue selon la coupe A-A, l’assemblage des premier et deuxième substrats.
Les figures 10 et 11 illustrent deux modes de réalisation de la présente invention dans lesquels le substrat comprend deux canaux de circulation des particules. Sur ces figures, une projection des diagrammes de diffraction de rayons lumineux par des particules est schématisée. Ces figures représentent des dispositions possibles d’une matrice de photodétecteurs relativement aux deux canaux de circulation des particules. Sur ces figures, le dispositif optique comprend un guide d’ondes se séparant en deux bras. La figure 11 est une vue du dessus d’une variante du mode de réalisation de la figure 10 dans lequel des photodétecteurs sont distribués sur l’ensemble d’un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
Les figures 12 et 13 illustrent un dispositif optique selon deux modes de réalisation de la présente invention. Sur ces figures, le dispositif optique comprend un guide d’ondes se séparant en deux bras.
Les dessins joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ces dessins sont des représentations schématiques et ne sont pas nécessairement à l’échelle de l’application pratique. En particulier les dimensions relatives des différentes couches, photodétecteurs et guide d’ondes ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Dans le cadre de la présente invention, le terme « sur », « surmonte », « recouvre » ou « sous-jacent » ou leurs équivalents ne signifient pas « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d’une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches ou substrats sont directement au contact l’une de l’autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact soit en étant séparée d’elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Dans la description qui suit, des numéros de référence similaires seront utilisés pour décrire des concepts similaires à travers des modes de réalisation différents de l’invention.
Sauf indication spécifique contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d’autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif.
Dans le cadre de la présente invention, le terme « particule », ou ses équivalents ont pour définition un constituant d’un système physique considéré comme élémentaire par rapport aux propriétés étudiées. Par exemple une particule est un élément de matière dont la plus grande dimension est inférieure au millimètre (103 mètres) et de préférence à quelques dizaines de micromètres (10’6 mètres) et de préférence inférieure au micromètre, voire de l’ordre du nanomètre (10'9 mètres). De manière générale, il s’agit d’objets composés de matière dont les dimensions sont petites par rapport aux dimensions du canal de circulation des particules.
De manière préférée dans le cadre de la présente invention, les termes « rayonnement lumineux », «onde » ou « rayon » ou leurs équivalents ont pour définition un flux électromagnétique ayant une longueur d’onde principale lambda ou une longueur d’onde lambda moyenne autour de la longueur d’onde principale avec un écart type de préférence inférieur ou de l’ordre de 20% par exemple et se propageant de préférence selon une seule direction principale ou une direction moyenne autour de la direction principale avec un écart type inférieur ou de l’ordre de 10% par exemple. Cette direction de propagation est appelée également « chemin optique ».
Dans ce qui suit, les termes « diffusion », « diffraction » ou leurs équivalents se réfèrent au phénomène par lequel un milieu de propagation produit une répartition, dans de nombreuses directions, de l'énergie d'une onde électromagnétique, lumineuse par exemple.
Dans ce qui suit, le terme Transparence ou ses équivalents se réfèrent au phénomène de laisser relativement se propager un rayonnement lumineux dans un matériau dit transparent. Dans la présente description, un matériau est considéré comme transparent dès lors qu’il laisse passer au moins 50% d’un rayonnement lumineux, de préférence au moins 75% et avantageusement au moins 90%.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
- Avantageusement, le substrat présente une première face tournée en regard de ou disposée au contact de la surface réfléchissante et une deuxième face, opposée à la première face et tournée en regard de ou disposée au contact de la matrice de photodétecteurs.
- Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont situées en partie au moins et de préférence entièrement, au droit l’une de l’autre selon ladite direction perpendiculaire (z).
ίο
Cela permet d’augmenter efficacement la quantité de rayons lumineux diffractés mesurés tout en conservant un encombrement très limité.
- Avantageusement, le détecteur de particules selon la présente invention est configuré de sorte qu’une partie au moins du rayonnement lumineux soit réfléchie par une partie au moins de la surface réfléchissante avant de traverser le canal pour être diffractée par au moins une particule. L’utilisation d’une surface réfléchissante située avant la traversée du canal de particules, par exemple située au regard de la sortie du dispositif optique tel qu’un guide d’ondes, permet à la présente invention de tirer parti des rayons rétrodiffusés en plus des rayons lumineux diffractés, augmentant d’autant le nombre de mesures et donc la richesse des informations détectées.
- Avantageusement, le substrat est formé d’au moins un matériau laissant passer au moins 50%, de préférence au moins 75% et de préférence au moins 90% dudit rayonnement lumineux, de préférence le substrat comprend un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux.
- Avantageusement, le dispositif optique présente une portion distale par laquelle le rayonnement lumineux est émis, la portion distale et la matrice de photodétecteurs sont situées de part et d’autre du canal par rapport à ladite direction perpendiculaire (z).
Cela permet d’augmenter la quantité de rayons lumineux diffractés reçus par la matrice de photodétecteurs.
- Avantageusement, la matrice de photodétecteurs s’étend autour, de préférence tout autour, du canal.
- Selon ce mode de réalisation, la matrice s’étend sur 360° autour du canal.
Cela permet de maximiser la quantité de rayons lumineux diffractés reçus par la matrice de photodétecteurs.
Le positionnement de photodétecteurs sous le guide d’ondes permet également de disposer de photodétecteurs aveugles permettant de déterminer virtuellement la position relative des autres photodétecteurs et donc de connaître virtuellement la géométrie du détecteur. Par ailleurs, cela permet de faciliter le positionnement du dispositif optique en réduisant des contraintes de positionnement.
De manière plus générale, la matrice de photodétecteurs s’étend autour du canal en couvrant un arc de cercle d’au moins 180° et de préférence 250° et de préférence 300°.
- Avantageusement, au moins une partie de la surface réfléchissante est portée par au moins une partie de la paroi du canal.
- Avantageusement, le substrat comprend au moins un premier substrat et un deuxième substrat, le premier substrat portant la matrice de photodétecteurs et de préférence une partie au moins du dispositif optique et le deuxième substrat portant au moins la surface réfléchissante, de préférence le premier substrat étant configuré pour assurer une fonction de détection du rayonnement lumineux diffracté et le deuxième substrat étant configuré pour assurer au moins en partie une fonction de réflexion du rayonnement lumineux diffracté en direction de la matrice de photodétecteurs.
- Avantageusement, le substrat comprend au moins un premier substrat et un deuxième substrat, le premier substrat portant au moins une première portion du canal et le deuxième substrat portant au moins une deuxième portion du canal, chaque portion s’étendant selon ladite direction perpendiculaire (z), la surface moyenne de la section de la première portion est sensiblement égale ou inférieure à la surface moyenne de la section de la deuxième portion, la surface moyenne de la section d’une portion correspondant à la moyenne des surfaces prise sur l’ensemble de la hauteur selon l’axe z.
- Selon un mode de réalisation, l’épaisseur moyenne de la première portion est sensiblement égale ou inférieure à l’épaisseur moyenne de la deuxième portion, les épaisseurs étant mesurées selon ladite direction perpendiculaire (z).
- Avantageusement, le substrat est un substrat monocouche.
- Alternativement, le substrat est un substrat multicouche.
- Avantageusement, le dispositif optique est formé dans ledit substrat.
- Avantageusement, la surface réfléchissante recouvre tout le substrat.
- Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont décalées suivant la direction perpendiculaire (z).
Cela permet de disposer d'un espace, comprenant de préférence un matériau transparent au rayonnement lumineux, dans lequel certains rayons lumineux diffractés peuvent se propager jusqu'à rencontrer la matrice de photodétecteurs de manière directe ou après réflexion sur la surface réfléchissante.
- Avantageusement, le rayonnement lumineux est un rayonnement monochromatique.
Cela permet de connaître avec précision la longueur d'onde du rayonnement lumineux reçu par les photodétecteurs afin de concevoir avec précision le présent détecteur afin d'accroître sa sensibilité au travers du choix des matériaux et de leur géométrie.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d’ondes, porté par le substrat, configuré pour guider le rayonnement lumineux en direction du canal.
Cela permet de disposer d'une source de rayonnement lumineux éloignée du canal. Le guide d’ondes permet d'amener au plus près du canal le rayonnement lumineux et de préférence tout en le conformant aux besoins de détection.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins une portion distale conformée pour former, en sortie du dispositif optique un réseau d’extraction configuré pour générer un ensemble de rayons lumineux extraits, de préférence parallèles les uns avec les autres, en sortie du dispositif optique, le réseau d’extraction présente une forme qui s’évase dans le plan principal (x, y) en direction du canal.
- Avantageusement, le réseau d’extraction comprend une pluralité de rainures elliptiques, chaque rainure étant une rainure d’extraction d’une partie au moins du rayonnement lumineux.
- Avantageusement, le réseau d’extraction comprend au moins une pluralité de rainures elliptiques et la pluralité de rainures forme une alternance de tranchées et de saillies.
Cela permet de choisir lors de la conception du guide d’ondes la longueur d'extraction et donc la dimension du faisceau extrait portant les rayons lumineux extraits, ainsi que la divergence du faisceau extrait. En effet, l'épaisseur de la gravure détermine la morphologie des rainures d'extraction et, par là même, les dimensions du faisceau extrait.
Lorsque la gravure est partielle, le faisceau extrait est large, et peu divergent, donc composé de rayons lumineux extraits ayant sensiblement la même déviation verticale correspondant à l’angle a.
Lorsque la gravure est profonde, le faisceau extrait est étroit spatialement, donc divergent, donc composé de rayons lumineux extraits ayant des déviations verticales variant autour de la valeur de l’angle a. Cet aspect elliptique permet de suivre le profil du front d'onde du rayonnement lumineux lors de sa propagation dans ladite portion distale.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d’ondes comprenant un cœur présentant une portion distale et une gaine enrobant le cœur, le cœur présentant, au niveau de la portion distale, une pluralité de rainures de plus faible épaisseur que le reste de la portion distale disposées de manière périodique selon un pas P tel que P satisfasse l’expression suivante :
Avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;
neff l'indice de réfraction effectif du mode fondamental du rayonnement lumineux ;
nc l'indice de réfraction du cœur du guide d’ondes ;
ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d’ondes ;
neff étant compris entre ncet ng.
Cela permet d'obtenir une extraction du rayonnement lumineux depuis le réseau d'extraction selon une direction de propagation faisant un angle a entre le plan (x, y) dans lequel le guide d’ondes s’étend principalement et la direction principale d’extension du canal (z) avec de préférence a compris entre 0 et 90°.
- Le rayonnement lumineux se propageant dans le guide d’ondes forme un angle a avec le plan principal (x, y), avec 0°<a<90°, de préférence 10°<a<45° et de préférence 20°<a<40° et de préférence 20°<a<30° et de préférence a environ égal à 25°. Ces valeurs permettent une détection efficace des rayons lumineux non diffractés tout en conservant un faible parasitage.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d’ondes, le guide d’ondes étant monomode.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d’ondes comprenant un cœur et une gaine, l’épaisseur h du guide d’ondes mesurée selon ladite direction perpendiculaire (z) est telle que :
2Λ
Avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;
nc l'indice de réfraction du cœur du guide d’ondes ; ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d’ondes.
Cela permet de disposer d'un guide monomode et de contrôler avec précision la direction d'extraction par le réseau d'extraction du rayonnement lumineux, c'est-à-dire la direction principale de propagation des rayons lumineux extraits.
- Avantageusement, la présente invention comprend au moins un premier canal de circulation des particules et au moins un deuxième canal de circulation des particules.
- Avantageusement, la présente invention comprend au moins un premier canal et un deuxième canal de circulation des particules, chaque canal étant destiné à recevoir le fluide comprenant des particules et étant configuré pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique.
- Avantageusement, la présente invention est configurée de sorte que le rayonnement lumineux reçu par chaque canal provient d’un unique dispositif optique et de préférence d’une unique source lumineuse.
- Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont disposées de part et d’autre de ladite portion du substrat de sorte que une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse chacun des canaux ou au moins l’un des canaux en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante, puis parvient ensuite à la matrice de photodétecteurs.
Ce mode de réalisation permet une bonne détection même si l’un des canaux est hors d’usage, par exemple s’il est bouché, typiquement par de la poussière ou de grosses particules telles que des insectes. Ce mode de réalisation permet ainsi d’améliorer la fiabilité de la détection.
- Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d’ondes comprenant au moins une jonction configurée pour former au moins un premier bras du guide d’ondes et au moins un deuxième bras du guide d’ondes. Selon un mode de réalisation, le détecteur est configuré pour que :
o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique au travers du premier bras du guide d’ondes traverse le premier canal en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite à la matrice de photodétecteurs ;
o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique au travers du deuxième bras du guide d’ondes traverse le deuxième canal en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite à la matrice de photodétecteurs.
La présente invention trouve pour domaine préférentiel d’application la détection de particules de diverses tailles, de préférence dans le domaine des particules microscopiques voire nanométriques.
Par exemple la présente invention peut servir à la détection de particules issues de fumées, de particules de poussières, de particules polluantes ou encore de particules issues d'allergènes telles que les pollens, les spores de moisissures, ou encore de particules cancérigènes, ou des particules biologiques telles que des bactéries, des virus, ou encore des exosomes.
La présente invention s’applique à tous types de particules véhiculées par un fluide, que celui-ci soit liquide et/ou gazeux.
Dans la description qui suit, la présente invention sera détaillée en référence à plusieurs modes de réalisation pouvant être combinés au besoin et disposant chacun d’une pluralité de variantes.
Un premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 a et 1 b.
La figure 1a représente une vue du dessus d'un substrat 100 comprenant une surface réfléchissante 41, une portion distale 10 d’un dispositif optique 15, un canal 50 de circulation des particules 60 et une matrice 20 de photodétecteurs 21.
Sur cette figure, une schématisation du diagramme de diffraction 70 de rayons diffractés par des particules est représentée.
La figure 1b illustre une vue du substrat 100 selon la coupe A-A représentée en figure 1 a.
Comme le présentent ces deux figures, la couche réfléchissante 41 est disposée de préférence au droit de la matrice 20 de photodétecteurs 21.
De manière avantageusement, le canal 50 de circulation des particules 60 est disposé entre la portion distale 10 du dispositif optique 15 et une partie au moins de la matrice 20 de photodétecteurs 21.
La disposition relative de la couche réfléchissante 41, de la matrice 20 de photodétecteurs 21 et de la portion distale 10 du dispositif optique 15 est configurée de sorte que, lorsque des particules 60 sont présentes dans le canal 50, les rayons lumineux extraits 11 depuis le dispositif optique 15 traversent le canal 50 en étant diffractés au moins partiellement par au moins une particule 60 de sorte à produire des rayons lumineux diffractés 12. Les rayons lumineux extraits 11 et diffractés 12 sont ensuite au moins partiellement réfléchis sur la couche réfléchissante 41 de sorte à produire des rayons lumineux extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés réfléchis 14 parvenant à la matrice 20 de photodétecteurs 21.
De manière avantageuse et non limitative, le substrat 100 comprend au moins un premier substrat 30 et au moins un deuxième substrat 40.
Selon un mode de réalisation préféré, le premier substrat 30 et le deuxième substrat 40 sont solidarisés, par exemple par collage moléculaire, de sorte à former le substrat 100. Dans ce cas, le substrat 100 peut ainsi être qualifié de substrat d’assemblage ou de « troisième substrat » obtenu par assemblage des premier 30 et deuxième 40 substrats.
De manière préférentielle, la matrice 20 de photodétecteurs 21 est portée par le premier substrat 30.
Avantageusement, le premier substrat 30 porte une partie au moins du dispositif optique 15. Ce dernier comprend au moins un guide d’ondes ayant une portion distale 10. Le guide d’ondes comprend avantageusement un cœur et une gaine.
De manière préférentielle le cœur du guide d’ondes comprend au moins un matériau à base de nitrure. La gaine du guide d’ondes comprend de préférence au moins un matériau à base de silice, ce matériau formant de préférence le matériau de base du substrat 30. Ce guide d’ondes est configuré pour amener au plus près du canal 50 le rayonnement lumineux émis par le dispositif optique 15.
Ce guide d’ondes est avantageusement situé dans le plan principal (x, y) dans lequel le substrat 100 s’étend, le repère x, y, z étant représenté sur les figures 1a et 1b.
Selon un mode de réalisation, le canal 50 de circulation des particules 60 présente une direction principale de circulation s’étendant selon la direction z perpendiculaire au plan principal (x, y).
Ce canal 50 de circulation s’étend depuis un orifice d’entrée 51 vers un orifice de sortie 52.
Selon un mode de réalisation préféré, le canal 50 de circulation des particules 60 est positionné entre la portion distale 10 du guide d’ondes et la matrice 20 de photodétecteurs 21. Dans cette position, la matrice 20 de photodétecteurs 21 reçoit la plus grande partie des rayons lumineux diffractés 12 et 14.
Selon un autre mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut également être disposée autour de la portion distale 10 du guide d’ondes de sorte à recevoir également les rayons rétrodiffusés, non représentés sur la figure 1b, c'est-à-dire diffractés selon une direction sensiblement opposée à la direction principale d’extraction des rayons lumineux extraits 11.
En effet, les particules 60 de grande taille, relativement à la longueur d’onde des rayons lumineux extraits 11, peuvent rétrodiffuser les rayons lumineux extraits 11, c'est-à-dire produire des rayons lumineux diffractés en sens inverse de la propagation des rayons incidents.
Selon un autre mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut être positionnée tout autour du canal 50 de circulation des particules 60 comme illustré au travers des figures 2a et 2b et cela de sorte à étendre la zone de détection des rayons lumineux diffractés 12 et 14 et des rayons rétrodiffusés. Cela permet de disposer d’une plus grande surface de détection et de mesurer le diagramme de diffraction 70 dans son ensemble. La figure 2b illustre, selon la coupe B-B de la figure 2a, les rayons lumineux diffractés 12 se propageant dans de multiples directions tout autour de la direction principale (z) d’extension du canal 50.
Nous allons à présent décrire plus en détail le dispositif optique 15 en référence notamment aux figures 3a et 3b.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif optique 15 est apte à être connecté à au moins une source lumineuse. Par exemple, cette source lumineuse peut être une diode électroluminescente ou bien une diode laser.
Selon un exemple non limitatif, le présent détecteur de particules peut être conçu afin d’utiliser la source lumineuse d’un dispositif portatif comme un éclairage, de préférence monochromatique, d’un téléphone mobile de type smartphone par exemple, afin de disposer d’un module détecteur de particules portatif. Cette application permet ainsi par exemple de réaliser des analyses de la qualité de l’air.
Selon un mode de réalisation, le dispositif optique 15 comprend au moins une source lumineuse d’un rayonnement lumineux et un guide d’ondes comprenant une portion distale 10 configurée pour générer des rayons lumineux 11 depuis le guide d’ondes.
De manière préférentielle, le guide d’ondes est configuré pour permettre la propagation du rayonnement lumineux depuis le dispositif optique 15 jusqu'au niveau du canal 50 de circulation des particules 60.
Avantageusement, la portion distale 10 comprend une extension latérale s’étendant dans le plan principale (x, y) et s’élargissant en direction du canal 50.
De manière préférentielle, la dimension maximale de cette extension latérale, prise selon l’axe y, est inférieure ou sensiblement égale à la dimension maximale du canal 50 prise selon cette même direction. Typiquement, la largeur D de la portion distale 10 est inférieure ou égale au diamètre du canal 50.
Cela permet avantageusement de maximiser le nombre de particules 60 éclairées par les rayons lumineux extraits 11 tout en évitant que des rayons lumineux extraits 11 soient émis selon des directions ne traversant pas le canal 50 de circulation des particules 60.
Selon un mode de réalisation préféré, cette portion distale 10 comprend un réseau d'extraction 10a de rayons lumineux. Ce réseau d'extraction 10a peut présenter une série de crêtes et de creux selon une certaine périodicité P, comme cela sera décrit en détail par la suite.
Le rayonnement lumineux se propageant dans le guide d’ondes est extrait du réseau d'extraction 10a en empruntant une direction principale d'extraction formant un angle a avec le plan principal (x, y). Cet angle a est illustré en figure lb.
Cette direction principale d’extraction est avantageusement située entre une direction normale et une direction rasante relativement au plan principale (x, y). Dans ce dernier cas, a = 0, selon cette configuration, une partie importante, voire la totalité, des particules 60 circulant dans le canal 50 est éclairée par les rayons lumineux extraits 11.
Selon une autre configuration, l’angle a peut être supérieur ou égal à 45°, de préférence à 75° et avantageusement à 85°. De manière particulièrement avantageuse, il est possible de prévoir que l’angle d’extraction a, est tel que les rayons lumineux extraits 11 sortent par l’orifice de sortie 52 du canal 50. Dans ce cas, la matrice 20 de photodiodes 21 ne détecte que les rayons lumineux diffractés 12 et 14 par les particules 60, elle ne détecte pas les rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15.
Dans le cas où la valeur de l’angle a permet la détection des rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15, cela permet alors de suivre la dérive de la puissance de la source lumineuse dans le temps, correspondant au vieillissement de cette source lumineuse, ou bien à l’encrassement du canal dans le temps. L’analyse de cette dérive peut alors permettre de ne pas faire d’erreur sur le rapport entre la quantité de lumière diffractée et la quantité de lumière émise par la source lumineuse. Ce rapport est en effet une grandeur souvent utile pour remonter à certains paramètres des particules comme leur nature ou leur concentration.
Toutefois, dans ce même cas, les rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15 peuvent agir comme une source de lumière parasite relativement à la détection par la matrice 20 de photodiodes 21 des rayons lumineux diffractés 12 et 14.
Lors du développement de la présente invention, il a été mis en évidence de manière surprenante que lorsque l’angle a présente une valeur proche de 25°, la détection des rayons lumineux non diffractés est efficace tout en conservant un faible parasitage.
Avantageusement, les rayons lumineux extraits 11 sont diffractés par les particules 60. Une partie au moins des rayons lumineux diffractés 12 se réfléchit sur la couche réfléchissante 41, de préférence métallique, se trouvant en partie au moins en regard de la matrice 20 de photodétecteurs 21, le diagramme de diffraction 70 est ainsi sensiblement projeté dans sa totalité sur la matrice 20 de photodétecteurs 21.
En effet, d’une part la matrice 20 reçoit une partie du diagramme de diffraction 70 directement depuis les particules et d’autre part elle reçoit une partie complémentaire du diagramme de diffraction 70 après réflexion des rayons lumineux diffractés 12 sur la couche réfléchissante 41.
De plus, la présente invention peut être adaptée selon le type de particules à détecter, que cela soit d’un point de vue matériaux, géométrie ou encore au niveau du rayonnement lumineux lui-même. Ainsi, la présente invention permet d’adapter le rayonnement lumineux à divers domaines d’applications.
Selon un mode de réalisation, le rayonnement comprend une longueur d’onde adaptée aux besoins de détection, par exemple inférieure à la dimension principale des particules à mesurer.
Selon un mode de réalisation préféré, le premier substrat 30 a une fonction principale de détection et le deuxième substrat 40 a une fonction principale de transparence et de miroir.
De manière préférentielle, le premier substrat 30 comprend du silicium et le deuxième substrat 40 comprend, selon un mode de réalisation au moins un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux de sorte à permettre au rayonnement lumineux, aux rayons lumineux extraits 11 et 13 et aux rayons lumineux diffractés 12 et 14 de le traverser.
Le deuxième substrat 40 peut comprendre de l’oxyde de silicium, c'est à dire être par exemple être en verre.
De manière particulièrement avantageuse, la couche réfléchissante 41, est disposée sur la surface supérieure du deuxième substrat 40 opposée à la surface inférieure du deuxième substrat 40 se trouvant en regard ou en contact avec le premier substrat 30.
Dans le cas de ce premier mode de réalisation, les rayons lumineux diffractés réfléchis 14 traversent le deuxième substrat 40 avant d'atteindre les photodétecteurs 21.
De manière astucieuse, l’indice de réfraction du deuxième substrat 40, en verre par exemple, est configuré pour être proche de celui de l'air. Dans cette situation, il y a très peu de réflexions aux interfaces entre l’intérieur du canal 50 et le deuxième substrat 40, c’est-à-dire au niveau des parois du canal 50.
Selon un mode de réalisation, une couche antireflet peut être déposée sur les parois du canal après réalisation de celui-ci afin de réduire voire d’éviter les réflexions aux interfaces entre l’intérieur du canal 50 et le deuxième substrat 40.
L'utilisation d'une couche réfléchissante 41 dite miroir en face supérieure du deuxième substrat 40 permet de projeter l’image du diagramme de diffraction 70 sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 située au niveau de la surface du premier substrat 30.
La présente invention permet ainsi d'obtenir une plus grande quantité d'informations concernant le diagramme de diffraction 70, voire le diagramme de diffraction 70 complet des particules 60, via l'utilisation et le positionnement astucieux d'une couche réfléchissante 41 et d'une matrice 20 de photodétecteurs 21.
Les figures 3a et 3b illustrent une géométrie possible de la portion distale 10 du guide d’ondes comprenant le réseau d'extraction 10a.
Le guide d’ondes comprend une deuxième extrémité opposée à la première extrémité. Cette deuxième extrémité présente une dimension w, prise selon l’axe y. De préférence, w est inférieur à D.
La portion distale 10 du guide d’ondes présente une longueur d’extension L prise selon la direction x et correspondant sensiblement à la longueur du réseau d’extraction 10a.
Afin que le faisceau constitué par les rayons lumineux extraits 11 atteigne une dimension sensiblement égale à D sur une très courte distance de propagation, il convient que pour une dimension D donnée, L soit d’autant plus petit que w est petit. Mathématiquement, la relation entre L, D et w peut être exprimée approximativement comme suit :
λ
Cela permet alors à la portion distale 10 du guide d’ondes de présenter une très grande divergence dans le plan principale (x, y). Le coefficient d’élargissement de la portion distale 10 est alors important. Cette configuration permet ainsi que sur une très courte distance, les rayons lumineux extraits 11 présentent ensemble une extension spatiale sensiblement égale à D et de préférence sensiblement égale au diamètre du canal 50. Cette configuration augmente ainsi la compacité de la présente invention. L’Homme de l’art, avec les outils électromagnétiques connus, saura dimensionner L, w et le réseau d’extraction 10a, en fonction de D, afin d’obtenir cet effet de compacité.
Selon un mode de réalisation, afin de pouvoir contrôler la direction principale d’extraction des rayons lumineux extraits 11 par le réseau d'extraction 10a, le guide d’ondes est conçu préférentiellement de manière à ce qu'il soit monomode relativement au rayonnement lumineux. L'épaisseur h du guide d’ondes, prise selon la direction z, est de ce fait relativement faible en comparaison de la longueur d'onde λ du rayonnement lumineux.
Dans le cas où la section du guide d’ondes est sensiblement carrée, alors l'épaisseur h du guide d’ondes est telle que :
, 2Λ
Λ < —.
/ 2 2 π^Ιη ε -ng avec :
- nc : indice de réfraction du cœur
- ng : indice de réfraction de la gaine.
Dans le cas d'un cœur en nitrure et d'une gaine en silice, les indices de réfraction respectifs sont nc = 2 et ng = 1.5 pour un rayonnement lumineux se trouvant dans le domaine des longueurs d'ondes visibles, ce qui donne pour l'épaisseur h, l'expression suivante :
Il peut être noté que l'indice de réfraction effectif neff du mode fondamental du rayonnement lumineux peut être calculé sur la base de calculs d'électromagnétisme et se trouve compris entre l'indice de réfraction du cœur nc et celui de la gaine ng.
La figure 3b est une vue du détail B de la figure 1b. Le réseau d'extraction 10a comprend une série de creux et de crêtes dont la périodicité est notée P.
Ce réseau d'extraction 10a est réalisé par gravure, partielle ou totale, de la portion distale 10 du guide d’ondes.
Lors du développement de la présente invention il a été observé que le type de gravure utilisée influence directement la longueur d'extraction et donc influe sur la taille du faisceau portant les rayons lumineux extraits 11 et la divergence des rayons lumineux extraits 11.
Il convient par exemple d'utiliser une gravure partielle si l'on souhaite réduire la divergence des rayons lumineux extraits 11.
Le choix de la périodicité P impacte directement la direction principale d’extraction des rayons lumineux extraits 11, c’est-à-dire l’angle a défini précédemment. Comme indiqué précédemment, cette direction principale d’extraction peut être comprise entre une direction normale (a = 90°) et une direction dite rasante (a = 0°) et peut être exprimée comme suit :
Le choix de P détermine directement l’angle d’extraction des rayons lumineux extraits 11.
Heff ~ Hg COSOt
Comme illustré dans la figure 3b, une couche réfléchissante inférieure 31 peut être disposée en dessous au moins de la portion distale 10 du guide d’ondes. Cette couche réfléchissante inférieure 31, de préférence en métal, par exemple en aluminium ou en cuivre, est disposée à une distance optique du guide d’ondes étant avantageusement égale à au moins un quart de la longueur d'onde du rayonnement lumineux. Cette distance optique correspond avantageusement à une distance, dite « physique », supérieure à λ/(4η), où n est l’indice de réfraction du matériau situé entre le guide d’onde et la couche réfléchissante inférieure 31. Cette distance minimale assure que la couche réfléchissante ne perturbe pas trop le rayon dans le guide et qu’elle serve à renvoyer la lumière extraite vers le haut. Cette condition sur cette épaisseur permet d’accroître le flux de rayonnement en direction du canal 50.
De manière remarquable, la présente invention a mis en évidence que lorsque la longueur d’onde du rayonnement lumineux utilisé est en inférieure à 600nm, l’aluminium présente une meilleure réflectivité que le cuivre par exemple.
Lorsque la longueur d’onde du rayonnement lumineux utilisé est en supérieure à 600nm, le cuivre présente une meilleure réflectivité que l’aluminium.
Nous allons maintenant décrire, au travers des figures 4 à 6, un exemple de procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules selon le premier mode de réalisation présenté ci-dessus.
Ce procédé comprend de manière simplifiée les étapes suivantes :
- la réalisation du guide d’ondes sur le premier substrat 30 comprenant au préalable la matrice 20 de photodétecteurs 21 ;
- le dépôt d’une couche réfléchissante 41 sur le deuxième substrat 40 de préférence en verre ;
- le deuxième substrat 40 est ensuite collé sur le premier substrat 30 de sorte que la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la surface réfléchissante 41 soient disposées à distance l’une de l’autre et de part et d’autre d’une portion du substrat 40 ;
- puis, le canal 50 de circulation des particules 60 est formé au travers des premier et deuxième substrats 30 et 40. Cette formation du canal 50 peut par exemple être réalisée par gravure, sèche ou humide.
Ces étapes sont détaillées ci-dessous.
Les figures 4a à 4h présentent un mode de réalisation du premier substrat 30 selon la présente invention.
Sur la figure 4a, le premier substrat 30 comprend une matrice 20 de photodétecteurs 21. De préférence le premier substrat 30 est en silicium.
Selon un mode de réalisation préféré, la matrice 20 de photodétecteurs 21 comprend une couche antireflet, non représentée, disposée au niveau de la surface des photodétecteurs 21 configurée limiter la réflexion des rayons parvenant sur la matrice de photodétecteurs 21.
La figure 4b illustre le dépôt optionnel d'une couche réfléchissante inférieure 31, apte à réfléchir le rayonnement lumineux émis par le dispositif optique. De préférence cette couche réfléchissante inférieure 31 comprend au moins un métal comme par exemple de l'aluminium ou du cuivre.
La figure 4c représente la gravure d'une portion de la couche réfléchissante inférieure 31 de manière à découvrir une partie au moins de la matrice 20 de photodétecteurs 21. Cette gravure peut être humide ou bien sèche. Elle peut être précédée d’étapes conventionnelles de lithographie pour sélectionner la zone à graver.
Une fois la couche réfléchissante inférieure 31 structurée, une première couche d'oxyde 32, de silicium par exemple, est déposée sur la surface du premier substrat 30 de sorte à ne recouvrir, après planarisation par CMP (Chemical-Mechanical Planarization) par exemple, que la partie de la surface du premier substrat 30 n'étant pas recouverte par la couche réfléchissante inférieure 31, comme l'illustre la figure 4d.
Selon un mode de réalisation, ces précédentes étapes peuvent être remplacées par un damascène à base de cuivre et de silice par exemple.
La figure 4e présente le dépôt d'une couche tampon 33, de silice par exemple, sur l'ensemble de la surface du premier substrat 30 de sorte à former une couche tampon 33 dont l'épaisseur optique est d’au moins un quart de la longueur d'onde du rayonnement lumineux. Cette épaisseur optique correspond avantageusement à une épaisseur, dite « physique », au moins égale à λ/(4η), où n est l’indice de réfraction de la couche tampon 33.
Cette couche tampon 33 assure la fonction précédemment décrite de contraindre les rayons lumineux extraits 11 à se propager selon une direction s’éloignant de la surface du premier substrat 30.
Ensuite, une couche de guidage 34 est déposée sur l'ensemble de la couche tampon 33 de sorte à former, après gravure, le guide d’ondes comprenant la portion distale 10.
Avantageusement, cette couche de guidage 34 comprend un matériau à base de nitrure.
Les figures 4f et 4e représentent les étapes de structuration de la couche de guidage 34 par gravure partielle, ou totale, de sorte à former le réseau d'extraction 10a au niveau de la portion distale 10 du guide d’ondes.
La figure 4h illustre ensuite le dépôt d'une deuxième couche d'oxyde 35, par exemple de la silice, recouvrant l'ensemble de la surface du premier substrat 30.
Une étape de planarisation par polissage mecanico-chimique peut par exemple être réalisée afin de lisser la surface du premier substrat 30 ainsi formé par les précédentes étapes.
Avant ou après, ou encore simultanément à la préparation du premier substrat 30, le deuxième substrat 40 est préparé.
Pour cela et comme illustré en figures 5a à 5d, le deuxième substrat 40, de préférence transparent au rayonnement lumineux considéré, est recouvert sur une de ces surfaces principales, dite surface supérieure, par une couche réfléchissante 41, de préférence à base de métal, comme de l'aluminium ou du cuivre par exemple.
De manière optionnelle, une fois ce dépôt réalisé, une portion de la couche réfléchissante 41 est retirée par lithographie et gravure de sorte à mettre à nue une partie de la surface supérieure du deuxième substrat 40. Cette gravure est configurée pour former une ouverture 42 pour la réalisation future du canal 50 de circulation des particules 60.
Ensuite, comme illustré en figures 6a à 6d, le substrat 100 est formé par l'assemblage des premier 30 et deuxième 40 substrats. Cet assemblage peut comprendre le collage des premier 30 et deuxième 40 substrats de sorte à ce que la surface comprenant la matrice 20 de photodétecteurs 21 et le guide d’ondes du premier substrat 30 soit mise en contact avec la surface inférieure du deuxième substrat 40 opposée à la surface supérieure comprenant la couche réfléchissante 41. Dans cette configuration la couche réfléchissante supérieure 41 est, selon la direction z, en regard de la matrice 20 de photodétecteurs 21 et du guide d’ondes au travers du deuxième substrat 40.
Une fois cet assemblage réalisé, une étape de formation du canal 50 de circulation des particules 60 est réalisée au travers du substrat 100, c’est-à-dire au travers des premier 30 et deuxième substrats 40 et en passant sensiblement entre la matrice 20 de photodétecteurs 21 et le réseau d'extraction.
Cette formation du canal 50 peut être réalisée par quelques étapes conventionnelles de lithographie, et une ou plusieurs gravures.
Selon un mode de réalisation, cette gravure peut être une gravure à base d’une chimie comprenant de l’hydroxyde de potassium (KOH) ou de l’hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) et à base d'une chimie comprenant de l’acide fluorhydrique (HF) pour graver le deuxième substrat 40 si celui-ci est en verre par exemple.
Par exemple, le premier substrat 30 peut être gravé en utilisant une chimie à base de KOH ou TMAH si celui-ci est en silicium par exemple et en ayant au préalable déposé une résine 36 dans laquelle une ouverture 37 est pratiquée, l’ouverture 37 se trouvant alors à l'emplacement du futur orifice d’entrée 51 du canal 50. Cette gravure du premier substrat 30 permet ainsi la formation d’une première portion 50a du canal 50.
Le deuxième substrat 40 peut lui être gravé en utilisant une chimie à base de HF au travers par exemple de l'ouverture 42 pratiquée précédemment. Cette gravure du deuxième substrat 40 permet ainsi la formation d’une deuxième portion 50b du canal 50.
De manière avantageuse, la gravure à base de KOH ou TMAH n’entraîne qu'une très faible rugosité résiduelle puisqu'elle se réalise selon les plans cristallins du silicium.
La gravure HF génère généralement une très faible rugosité, de l’ordre de la dizaine de nanomètres uniquement.
Toutefois, une étape postérieure de dépôt d'une couche de silice sur la surface gravée du deuxième substrat 40 est possible afin de lisser la surface du canal 50 de circulation des particules 60.
Une très faible rugosité au niveau de la surface du canal 50 permet de minimiser, voire d’éviter, la présence de rayons lumineux diffractés par les parois du canal 50, lors du passage des rayons lumineux depuis ou vers le canal 50.
En effet, afin de satisfaire aux conditions rigoureuses de la détection de particules 60 par la mesure d'un diagramme de diffraction 70, il convient de limiter au maximum la rugosité des parois à l'intérieur du canal 50 de circulation des particules 60.
Cette rugosité, si elle est trop importante, peut induire une diffraction parasite, dite diffraction de fond, mesurée par les photodétecteurs 21 même en l'absence de particules 60 dans le canal 50. Un traitement des signaux mesurés peut permettre de réduire cette nuisance, néanmoins le choix précis des gravures décrites ici assure une rugosité très faible réduisant les problèmes de diffraction parasite par le canal 50 lui-même. La précision de la détection est ainsi améliorée.
Une fois la ou les gravures achevées, le canal 50 de circulation des particules 60 traverse alors le substrat 100 de part en part, permettant à un flux de particules 60 véhiculées par un fluide de circuler au travers.
Selon un mode de réalisation alternatif, les première et deuxième portions 50a et 50b servant à former le canal 50 peuvent être formées avant l'étape d'assemblage du substrat 100.
Selon un autre mode de réalisation, une gravure sèche peut être utilisée, par exemple à base d'ions, pour la formation partielle ou totale du canal 50.
Un des nombreux avantages de ce premier mode de réalisation utilisant un deuxième substrat 40 transparent est une protection des photodétecteurs 21.
En effet, si les photodétecteurs sont généralement en contact direct avec les particules, cela peut entraîner la formation d'un dépôt à leur surface ce qui réduit leur sensibilité voire les aveugle.
Selon ce mode de réalisation de la présente invention, les photodétecteurs 21 sont protégés par la présence du deuxième substrat 40 transparent directement situé à leur contact.
Ainsi, les photodétecteurs 21 sont protégés tout en recevant une plus grande quantité d'informations lumineuse via le phénomène de réflexion permettant une meilleure mesure du diagramme de diffraction 70 des particules 60 et donc de leur taille et de leur nature par exemple.
En effet, sur la base des documents “The Mie Theory: Basics and Applications”; Wolfram Hergert, Thomas Wriedt; Springer, 30 juin 2012 - 259 pages, et “Light scattering and surface plasmons on small spherical particles”, Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh, Light: Science & Applications (2014) 3 ou encore J. R. Hodkinson and I. Greenleaves, Computations of Light-Scattering and Extinction by Spheres According to Diffraction and Geometrical Optics, and Some Comparisons with the Mie Theory, Journal of the Optical Society of America 53, 577 (1963), il est connu de l'Homme du métier la détermination de la taille d'une particule sur la base de son diagramme de diffraction, diagramme que la présente invention permet de mesurer avec une très grande précision.
Comme précisé en début de description, la présente invention comprend un deuxième mode de réalisation, entièrement compatible avec le premier décrit précédemment.
Les avantages du premier mode de réalisation sont donc applicables au mode de réalisation ci-dessous.
Ce deuxième mode de réalisation, illustré par les figures 7a et 7b, se base sur l'utilisation d'un premier substrat 30 identique à celui du premier mode de réalisation précédent et d’un deuxième substrat 40 pouvant être sensiblement opaque au rayonnement lumineux.
Selon le présent mode de réalisation, le caractère transparent du deuxième substrat 40 relativement au rayonnement lumineux n’est pas nécessaire.
Les figures 7a et 7b illustrent le substrat 100 résultant de l’assemblage du premier substrat 30 avec le deuxième substrat 40.
Selon ce deuxième mode de réalisation, le canal 50 traverse les premier et deuxième substrats 30 et 40. De manière préférentielle, le deuxième substrat 40 est configuré de sorte que la deuxième portion 50b du canal 50, celle traversant le deuxième substrat 40, présente un diamètre supérieur au diamètre de la première portion 50a du canal 50, celle traversant le premier substrat 30.
De plus, la deuxième portion 50b du canal 50 comprend un diamètre se réduisant à mesure que le canal 50 se dirige, selon l’axe z, vers l’orifice de sortie 52. Ce rétrécissement de diamètre permet de former des parois 41a inclinées relativement au plan principal (x, y).
Ces parois 41a sont avantageusement recouvertes d'une couche réfléchissante 41, de préférence similaire à celle du premier mode de réalisation.
De par cette inclinaison particulière de ces surfaces réfléchissantes, un rayon lumineux diffracté 12 rencontrant lesdites parois 41a est directement réfléchi en direction de la matrice 20 de photodétecteurs 21 se trouvant en regard desdites parois 41a. L’angle β d’inclinaison des parois 41a est représenté en figures 8b et 8c.
Les figures 7a et 7b illustrent ainsi le chemin optique de rayons lumineux extraits 11 et diffractés 12 depuis le réseau d’extraction 10a vers la matrice 20 de photodétecteurs 21. Les rayons lumineux extraits 11 issus du réseau d’extraction 10a et les rayons lumineux diffractés 12, se réfléchissent sur les parois 41a de la deuxième portion 50b du canal 50, permettant leur mesure par les photodétecteurs 21.
Les parois 41a étant inclinées, il est possible de faire en sorte que les rayons lumineux extraits réfléchis 13 et les rayons lumineux diffractés réfléchis 14 se présentent avec un angle d'incidence quasi-normal à la surface de la matrice 20 de photodétecteurs 21.
Cette géométrie présente l’avantage de ne pas déformer le front de lumière diffractée par projection sur la matrice 20 de photodétecteurs 21, c'està-dire le diagramme de diffraction 70 des particules 60. Dans cette situation, le traitement numérique du diagramme de diffraction 70 mesuré est simplifié, car les corrections géométriques à apporter sont faibles, voire inexistantes.
Il est à noter que compte tenu du procédé de formation de la deuxième portion 50b du canal 50, la paroi 41a de cette deuxième portion 50b du canal 50, traversant le deuxième substrat 40, présente une forme cylindrique ou parallélépipédique.
Dans le cas d’une gravure sèche, la paroi 41a peut présenter une forme extrudée verticalement.
Dans le cas d’une gravure humide, la paroi 41a peut présenter une forme de pyramide.
De manière préférée, la paroi 41a présentera une forme de pyramide permettant de présenter des inclinaisons autour de l’axe z afin de permettre la réflexion des rayons lumineux incidents tout en conservant une surface plane au niveau de la paroi 41a de sorte à ne pas déformer le front de la lumière. Ainsi, la gravure humide est un mode de réalisation avantageux.
De manière avantageuse, une partie seulement ou la totalité de la surface de cette paroi 41a peut être utilisée pour la réflexion des rayons lumineux extraits 11 et diffractés 12.
Selon un mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut être positionnée tout autour du canal 50 de circulation des particules 60 comme illustré au travers des figures 8a et 8b et cela de sorte à étendre la zone de détection aux rayons lumineux diffractés 12 et 14 et aux rayons rétrodiffusés. De manière identique au mode de réalisation illustré au travers des figures 2a et 2b, cela permet de disposer d’une plus grande surface de détection et de mesurer le diagramme de diffraction 70 dans son ensemble. La figure 8b illustre selon la coupe B-B de la figure 8a, les rayons lumineux diffractés 12 se propageant dans de multiples directions tout autour de la direction principale (z) d’extension du canal 50.
De manière particulièrement avantageuse, l’angle que les parois 41a du canal 50 forment avec la surface du deuxième substrat 40 parallèle au plan principal (x, y) peut être parfaitement maîtrisé lors de la fabrication. En effet, dans le cas de la gravure humide d'un matériau cristallin par exemple, les plans de gravure sont prévisibles et donc cet angle peut être aisément connu et maîtrisé.
Ainsi par exemple dans le cas d'un deuxième substrat 40 en silicium, une gravure humide à base de KOH entraîne la formation de parois 41a dont l'angle β par rapport au plan principal (x, y) est sensiblement égal à 54.7°. β est illustré en figures 8b et 8c.
De plus, l'angle d'incidence des rayons lumineux extraits 11 sur la couche réfléchissante 41 déposée sur les parois 41a est également parfaitement connu et maîtrisé puisque celui-ci dépend de la configuration du réseau d'extraction 10a.
De ce fait, l'angle d'incidence sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 est parfaitement connu également par simple construction géométrique. Ainsi, de par l’inclinaison des parois 41a de la deuxième portion 50b du canal 50, l’angle d’incidence des rayons extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés réfléchis 14 peut être proche de la normale (z) relativement au plan principal (x, y), c'est-à-dire relativement au plan de la matrice 20 de photodétecteurs 21.
En référence aux figures 4e à 4h et 9a à 9f, nous allons à présent décrire le procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules 60 selon ce deuxième mode de réalisation illustré en figures 7a à 8c.
Les étapes décrites aux figures 4a à 4h précédentes sont identiques pour ce deuxième mode de réalisation et permettent la formation et la structuration du premier substrat 30.
Comme illustré par les figures 9a et 9b, une fois le premier substrat 30 formé et structuré convenablement, un orifice est pratiqué de sorte à former la première portion 50a du canal 50, c'est à dire celle traversant le premier substrat 30.
Cette formation peut comprendre une gravure du premier substrat 30. Cette gravure est effectuée de préférence entre la portion distale 10 du guide d’ondes et la matrice 20 de photodétecteurs 21.
Les figures 9c à 9e représentent la formation et la structuration du deuxième substrat 40 au travers de la formation d'une deuxième portion 50b du canal 50 de circulation des particules 60 au travers du deuxième substrat 40. Cette deuxième portion 50b est avantageusement réalisée par gravure, et préférentiellement par gravure humide. En effet la gravure humide permet d’avoir des surfaces inclinées dont les avantages sont indiqués ci-dessus.
Une fois cette deuxième portion 50b formée, une couche réfléchissante 41, de type métallique, à base d'aluminium ou cuivre par exemple, est déposée principalement sur les parois 41a de la deuxième portion 50b du canal 50.
Comme illustré par la figure 9f, une fois cette deuxième portion 50b du canal 50 réalisée et ses parois 41a recouvertes d'une couche réfléchissante 41, le substrat 100 est formé par assemblage du deuxième substrat 40 avec le premier substrat 30 de sorte à former un canal 50 de circulation des particules 60 défini par la réunion des première et deuxième portions 50a et 50b du canal 50. Comme précédemment cet assemblage peut être réalisé par un collage moléculaire.
Ce deuxième mode de réalisation, en plus de présenter de nombreux avantages en commun avec le premier mode de réalisation, permet de réduire à son minimum la rugosité du canal 50 par l'utilisation astucieuse d'une gravure humide opérée sur un matériau cristallin.
Par exemple, l’absence quasi-totale de rugosité du canal 50 est en effet possible par la gravure humide du silicium par une chimie à base de KOH, cette gravure étant sans rugosité puisque effectuée suivant les plans cristallins du silicium.
De plus, ce deuxième mode de réalisation permet d’obtenir une direction de propagation des rayons extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés 14 quasi-normale, c’est-à-dire sensiblement selon l’axe (z), à la surface des photodétecteurs 21, c’est-à-dire le plan principal (x, y).
Cette situation présente l'avantage de donner une image directe du diagramme de diffraction 70 des particules 60, sans déformation due à des projections qui doivent autrement être corrigées informatiquement et/ou électroniquement par traitements des signaux mesurés par la matrice 20 de photodétecteurs 21.
De plus, dans le cas de rayons rétrodiffusés, c’est-à-dire dans le cas où les particules 60 ont une taille grande par rapport à la longueur d’onde du rayonnement lumineux utilisé, des rayons lumineux extraits 11 peuvent être rétrodiffusés. Dans ce cas également, il est possible d’adapter la présente invention pour que l’angle d’extraction a soit tel que les rayons lumineux extraits 11 présentent une direction principale d’extraction sensiblement parallèle à la direction z et se dirigent vers l’orifice de sortie 52 du canal 50, c’est-à-dire avec un angle a sensiblement égal à 90°. Dans ce cas, la matrice 20 de photodétecteurs 21 ne détecte que les rayons lumineux diffractés 12 et 14 et rétrodiffusés par les particules 60.
Nous allons à présent décrire au travers des figures 10 et 11 deux modes de réalisation présentant, en plus des avantages précédemment cités, l’avantage de permettre à la présente invention de fonctionner quand bien même le canal 50 de circulation des particules 60 serait entièrement ou partiellement bouché.
En effet, il est envisageable que le canal 50 puisse être bouché dans le temps par des très grosses particules, de poussière par exemple, ou des insectes. Il est également possible que le procédé de réalisation génère des défauts dans le canal, conduisant à son obstruction totale ou partielle.
Les deux modes de réalisation non limitatifs que nous allons présenter maintenant permettent de répondre à cette problématique.
De plus, les deux modes de réalisation illustrés par les figures 10 et 11 se combinent avantageusement avec les modes de réalisations précédents.
Les figures 10 et 11 illustrent un substrat 100 comprenant un premier 50c et un deuxième 50d canal de circulation des particules 60.
Selon ces deux modes de réalisation, dans le cas où un canal parmi le premier 50c et le deuxième 50d se retrouve bouché, le canal non bouché permet à la présente invention de continuer à fonctionner.
Sur les figures 10 et 11, une unique source lumineuse 1 sous la forme d’une diode électroluminescente par exemple a été représentée. Cette source lumineuse 1 est configurée pour émettre un rayonnement lumineux. Le dispositif optique 15 est avantageusement configuré pour comprendre cette source lumineuse 1 ou pour être apte à s’y connecter. Le dispositif optique 15 et la source lumineuse 1 coopèrent de sorte à ce que ce rayonnement lumineux soit guidé dans le guide d’ondes 2.
De manière préférentielle, le guide d’ondes 2 peut présenter une ou plusieurs jonctions 3 de sorte à former une pluralité de bras 4b et 4c.
Les figures 10 et 11 illustrent le cas d’une seule jonction 3 permettant la formation d’un premier bras 4b du guide d’ondes 2 et d’un deuxième bras 4c du guide d’ondes 2.
Dans le cas des figures 10 et 11, une portion distale 10b du premier bras 4b et une portion distale 10c du deuxième bras 4c du guide d’ondes 2 sont représentées. De préférence, chacune de ces portions distales 10b, 10c forme ou porte un réseau d’extraction comme pour les modes de réalisation décrits précédemment.
De manière identique aux modes de réalisation précédents, le premier canal 50c, la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la portion distale 10b du premier bras 4b de guide d’ondes 2 sont disposés de sorte à ce qu’une partie au moins du rayonnement lumineux émis au niveau de la portion distale 10b du premier bras 4b de guide d’ondes 2 traverse le premier canal 50c en étant diffracté par au moins une particule 60, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante 41, puis parvient ensuite à la matrice 20 de photodétecteurs 21.
De même, le deuxième canal 50d, la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la portion distale 10c du deuxième bras 4c de guide d’ondes 2 sont disposés de sorte à ce qu’une partie au moins du rayonnement lumineux émis au niveau de la portion distale 10c du deuxième bras 4c de guide d’ondes 2 traverse le deuxième canal 50d en étant diffracté par au moins une particule 60, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante 41, puis parvient ensuite à la matrice 20 de photodétecteurs 21.
De manière avantageuse, une unique matrice 20 de photodétecteurs 21 reçoit les rayonnements lumineux ayant traversés l’ensemble des canaux 50c, 50d. De préférence cette matrice 20 est continue. En figure 11, la matrice 20 s’étend tout autour des canaux 50c, 50d.
L’ensemble des caractéristiques décrites pour les précédents modes de réalisation illustrés par les figures 1 à 9 sont applicables aux modes de réalisation des figures 10 et 11 et à leurs variantes.
Les figures 12 et 13 décrivent deux modes de réalisation du guide d’ondes 2 du dispositif optique 15 et particulièrement deux modes de réalisation de la jonction 3 de sorte à former le premier bras 4b et le deuxième bras 4c.
La figure 12 représente la formation du premier bras 4b et du deuxième bras 4c par une simple jonction 3 séparatrice au niveau du guide d’ondes 2.
La figure 13 présente un mode de réalisation avantageux dans lequel la jonction 3 est réalisée par un interféromètre 4a, de préférence multimode, permettant ainsi d’apporter à ce dispositif optique 15 une meilleure robustesse aux imprécisions technologiques.
A titre d’exemple non limitatif, les valeurs numériques et dimensions suivantes pourront être adaptées aux différents éléments de la présente invention :
- La distance, suivant la direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y) dans lequel le substrat 100 s’étend, entre la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la surface réfléchissante 41 est comprise entre 10pm et 10mm, de préférence entre 100pmet 1mm et avantageusement entre 500pm et 1mm.
Cela permet de maximiser le flux de rayons lumineux diffractés en direction de la surface réfléchissante ainsi qu'en direction de la matrice de photodétecteurs.
- La longueur du canal 50 de circulation des particules 60 est comprise entre 100pm et 10mm, de préférence entre 100pm et 5mm et avantageusement entre 500pm et 2mm.
- Le diamètre de la première portion 50a du canal 50 de circulation des particules 60 selon la direction y est compris entre 10pm et 10mm, de préférence entre 100pm et 5mm et avantageusement entre 500pm et 2mm.
- Le canal 50 s’étend selon une direction principale (z) de circulation desdites particules 60 et le rayonnement lumineux, en sortie du dispositif optique 15, présente une direction principale de propagation formant avec la direction principale de circulation des particules 60 un angle a compris entre 0 et 90°, de préférence entre 10° et 75° et avantageusement entre 10° et 45°.
Cela permet d'optimiser le volume d'interaction entre les particules et le rayonnement lumineux de sorte à optimiser le nombre de rayons lumineux diffractés, améliorant ainsi la détection de particules.
De plus, le guide d’ondes peut se trouver ou non au même niveau vertical que la matrice de photodétecteurs.
Dans le but de simplifier le procédé de fabrication de la présente invention, le guide d’ondes est situé à un niveau surélevé relativement à la matrice de photodétecteurs.
- De manière préférentielle, le rayonnement lumineux comprend une longueur d'onde comprise entre 400nm et 2pm, de préférence entre 500nm et 1,6pm et avantageusement entre 600nm et 1 pm.
Cela permet de disposer d'un rayonnement lumineux dans le domaine du visible, simplifiant entre autre sa mise en œuvre et sa maintenance.
De plus, la diffraction des rayons lumineux extraits est d'autant plus importante que la longueur d'onde du rayonnement lumineux est faible à taille de particules donnée.
- Le diamètre w du guide d’ondes est compris entre 100nm et 1pm, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm.
- L'épaisseur h du guide d’ondes est comprise entre 100nm et 1pm, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm.
- La longueur d’extension L de la portion distale 10 du guide d’ondes est comprise entre 10pm et 10mm, de préférence entre 100pm et 5mm et avantageusement entre 1mm et 3mm.
- La dimension D de la portion distale 10 du guide d’ondes est comprise entre 10pm et 10mm de préférence entre 100pm et 5mm et avantageusement entre 1mm et 3mm.
- La couche réfléchissante inférieure 31 présente une épaisseur comprise entre 10nm et 10pm, de préférence entre 50nm et 1pm et avantageusement entre 100nm et 300nm.
- La première couche d'oxyde 32 présente une épaisseur comprise entre 10nm et 10pm, de préférence entre 50nm et 1pm et avantageusement entre 100nm et 300nm.
- La couche tampon 33 présente une l'épaisseur peut être comprise entre 10nm et 10pm, de préférence entre 50nm et 5pm et avantageusement entre 100nm et 1 pm.
- La couche de guidage 34 présente une épaisseur comprise entre 100nm et 1 pm, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm.
- La deuxième couche d'oxyde 35 présente une épaisseur comprise entre 0.1 nm et 10pm, de préférence entre 1nm et 1pm et avantageusement entre 10nm et 500nm.
- La couche réfléchissante 41 présente une épaisseur comprise entre 10nm et 10pm, de préférence entre 50nm et 1pm et avantageusement entre 100nm et 300nm.
- Les parois 41a de la deuxième portion 50b du canal 50 présentent un angle avec la direction perpendiculaire (z) compris entre 5° et 75°, de préférence entre 10° et 65° et avantageusement entre 15° et 55°.
- Le premier substrat comprend au moins un matériau pris parmi : silicium, matériaux lll-V, par exemple GaN, InP permettant d’intégrer la source de lumière au substrat lui-même.
- Le deuxième substrat comprend au moins un matériau pris parmi : verre, silicium.
- Le dispositif optique 15 comprend un cœur et une gaine, le cœur comprenant au moins un matériau pris parmi : nitrure de silicium (SiN), dioxyde de titane (TiO2) et la gaine comprenant au moins un matériau pris parmi : silice, MgF2, AI2O3.
- La surface réfléchissante 41 comprend au moins un matériau pris parmi : aluminium, Cuivre, Argent, Or.
La mise en œuvre de la présente invention peut comprendre l’utilisation de divers outils mathématiques et informatiques afin d’extraire depuis les mesures des photodétecteurs, des paramètres intrinsèques des particules comme leur taille par exemple.
L’Homme du métier peut trouver de tels outils dans les références suivantes :
“The Mie Theory: Basics and Applications”; Wolfram Hergert, Thomas Wriedt; Springer, 30 juin 2012 - 259 pages, et “Light scattering and surface plasmons on small spherical particles”, Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh, Light: Science & Applications (2014) 3.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais s’étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit.
En particulier, il est à noter que la présente invention peut également être appliquée à des fluides liquides véhiculant des particules. Ainsi, dans la présente description, un « Fluide » se comprend comme un corps dont les constituants, les particules par exemples, ont peu d'adhésion et peuvent glisser librement les unes sur les autres, dans le cas des liquides, ou se déplacer indépendamment les unes des autres, dans le cas d’un gaz. Selon cette définition, l’air est un fluide, ainsi que l’eau. Un fluide peut transporter des 5 particules, comme des particules micrométriques et nanométriques transportées par l’air par exemple.
La matrice de photodétecteurs peut avantageusement être périodique ou apériodique et présenter une forme polygonale ou circulaire.
La présente invention peut également être appliquée au cas d’un ou de plusieurs canaux de circulation des particules possiblement ouverts selon une direction longitudinale. Ainsi, le contour du ou des canaux n’est pas fermé.
Par ailleurs, la section du canal dans le plan (x, y) n’est pas nécessairement circulaire. Avantageusement, elle peut être polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée.
REFERENCES
1. Source de lumière
2. Guide d’onde
3. Jonction
4a. Interféromètre
4b. Premier bras du guide d’onde
4c. Deuxième bras du guide d’onde
10. Portion distale du guide d’onde
10a. Réseau d’extraction
10b. Portion distale du premier bras du guide d’onde
10c. Portion distale du deuxième bras du guide d’onde
11. Rayons lumineux extraits
12. Rayons lumineux diffractés
13. Rayons lumineux extraits réfléchis
14. Rayons lumineux diffractés réfléchis
15. Dispositif optique
20. Matrice de photodétecteurs
21. Photodétecteur(s)
30. Premier substrat
31. Couche réfléchissante inférieure
32. Première couche d’oxyde de silicium
33. Couche tampon
34. Couche de guidage
35. Deuxième couche d’oxyde de silicium
36. Couche de résine
37. Ouverture de formation de la première portion du canal
40. Deuxième substrat
41. Couche réfléchissante
41a. Paroi recouverte d’une couche réfléchissante
42. Ouverture de formation de la deuxième portion
50. Canal de circulation des particules
50a. Première portion du canal
50b. Deuxième portion du canal
50c. Premier canal de circulation
50d. Deuxième canal de circulation
51. Orifice d’entrée du canal
52. Orifice de sortie du canal
60. Particule(s)
70. Diagramme de diffraction
70a. Premier diagramme de diffraction
70b. Deuxième diagramme de diffraction
100. Substrat
Claims (18)
- REVENDICATIONS1. Détecteur (60) de particules comprenant au moins :o Un dispositif optique (15) apte à être connecté à au moins une source lumineuse (1) et configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux généré par ladite source lumineuse (1) ;o Un substrat (100) s’étendant dans selon un plan principal (x, y) et définissant une partie au moins d’au moins un canal (50, 50c, 50d) destiné à recevoir un fluide comprenant des particules (60), ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y), une portion au moins du substrat (100) étant configurée pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) ;caractérisé en ce que le détecteur comprend en outre une matrice (20) de photodétecteurs (21) et au moins une surface réfléchissante (41) ;la matrice (20) de photodétecteurs (21) et la surface réfléchissante (41) étant disposées de part et d’autre de ladite portion du substrat (100) de sorte que une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) traverse ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21).
- 2. Détecteur selon la revendication précédente dans lequel le substrat (100) présente une première face tournée en regard de ou disposée au contact de la surface réfléchissante (41) et dans lequel le substrat (100) présente une deuxième face, opposée à la première face et tournée en regard de ou disposée au contact de la matrice (20) de photodétecteurs (21).
- 3. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la matrice (20) de photodétecteurs (21) et la surface réfléchissante (41) sont situées en partie au moins et au droit l’une de l’autre selon ladite direction perpendiculaire (z).
- 4. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes configuré de sorte qu’une partie au moins du rayonnement lumineux soit réfléchie par une partie au moins de la surface réfléchissante (41) avant de traverser ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) pour être diffractée par au moins une particule (60).
- 5. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) est formé d’au moins un matériau laissant passer au moins 50%, de préférence au moins 75% et de préférence au moins 90% dudit rayonnement lumineux, de préférence le substrat comprend un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux.
- 6. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) présente une portion distale (10, 10b, 10c) par laquelle le rayonnement lumineux est émis et dans lequel la portion distale (10, 10b, 10c) et la matrice (20) de photodétecteurs (21) sont situées de part et d’autre dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) par rapport à ladite direction perpendiculaire (z).
- 7. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la matrice (20) de photodétecteurs (21) s’étend autour dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).
- 8. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins une partie de la surface réfléchissante (41) est portée par au moins une partie de la paroi dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).
- 9. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) comprend au moins un premier substrat (30) et un deuxième substrat (40), le premier substrat (30) portant la matrice (20) de photodétecteurs (21) et de préférence une partie au moins du dispositif optique (15) et le deuxième substrat (40) portant au moins la surface réfléchissante (41).
- 10. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) comprend au moins un premier substrat (30) et un deuxième substrat (40), le premier substrat (30) portant au moins une première portion (50a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) et le deuxième substrat (40) portant au moins une deuxième portion (50b) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d), chaque portion (50a et 50b) s’étendant selon ladite direction perpendiculaire (z) et dans lequel la surface moyenne de la section de la première portion (50a) est sensiblement égale ou inférieure à la surface moyenne de la section de la deuxième portion (50b), la surface moyenne de la section d’une portion correspondant à la moyenne des surfaces d’une portion prise sur l’ensemble de la hauteur selon l’axe z.
- 11. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins une portion distale (10, 10b, 10c) conformée pour former, en sortie du dispositif optique (15), un réseau d’extraction (10a) configuré pour générer un ensemble de rayons lumineux extraits (11) et dans lequel le réseau d’extraction (10a) présente une forme qui s’évase dans le plan principal (x, y) en direction dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).
- 12. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d’ondes (2) comprenant un cœur présentant une portion distale (10, 10b, 10c) et une gaine enrobant le cœur, le cœur présentant, au niveau de la portion distale (10, 10b, 10c), une pluralité de rainures disposées de manière périodique selon un pas P tel que P satisfasse l’expression suivante :<P<avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;neff l'indice de réfraction effectif du mode fondamental du rayonnement lumineux ;nc l'indice de réfraction du cœur du guide d’ondes (2) ; ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d’ondes (2) ; neff étant compris entre nc et ng.
- 13. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d’ondes (2) comprenant un cœur et une gaine et dans lequel l’épaisseur h du guide d’ondes mesurée selon ladite direction perpendiculaire (z) est telle que :2Λ avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;nc l'indice de réfraction du cœur du guide d’ondes (2) ;ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d’ondes (2).
- 14. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un premier canal (50c) et un deuxième canal (50d) de circulation des particules (60), chaque canal (50c, 50d) étant destiné à recevoir le fluide comprenant des particules (60) et étant configuré pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15).
- 15. Détecteur selon la revendication précédente, configuré de sorte que le rayonnement lumineux reçu par chaque canal (50c, 50d) provient d’une unique source lumineuse (1).
- 16. Détecteur selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un premier et au moins un deuxième canal (50c, 50d) de circulation des particules (60) et dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d’ondes (2) comprenant au moins une jonction (3, 4a) configurée pour former au moins un premier bras (4b) du guide d’ondes (2) et au moins un deuxième bras (4c) du guide d’ondes, le détecteur étant configuré pour que :o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) au travers du premier bras (4b) du guide d’ondes (2) traverse le premier canal (50c) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21) ;o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) au travers du deuxième bras (4b) du guide d’ondes (2) traverse le deuxième canal (50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21).
- 17. Procédé de réalisation d’au moins un détecteur de particules (60) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins les étapes suivantes :o Fournir au moins un premier substrat (30) comprenant au moins une matrice (20) de photodétecteurs (21) et une partie d’au moins un dispositif optique (15) configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux, le premier substrat (30) s’étendant selon un plan principal (x, y) ;o Fournir au moins un deuxième substrat (40) comprenant au moins une couche réfléchissante (41) et s’étendant en partie au moins selon le plan principal (x, y) ;o Former un troisième substrat (100) en assemblant le premier substrat (30) et le deuxième substrat (40) de sorte que la matrice (20) de photodétecteurs (21) et la surface réfléchissante (41) soient disposées de part et d’autre d’une portion au moins du substrat (100) ;o Avant et/ou après l’étape de formation du troisième substrat (100), former au moins un canal (50, 50c, 50d) de circulation des particules (60) s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire(z) audit plan principal (x, y) et traversant de part en part le troisième substrat (100) de sorte que une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) traverse le canal (50, 50c, 50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante (41), puis parvienne ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21).
- 18. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, dans le cas où l’étape de formation dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) est réalisée avant l’étape de formation du troisième substrat (100), le procédé comprend les étapes suivantes :o Formation d’au moins une première portion (50a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) au travers du premier substrat (30) selon la direction perpendiculaire (z) et située à proximité de la portion distale (10, 10b, 10c) ;o Formation d’au moins une deuxième portion (50b) du canal (50, 50c, 50d) au travers du deuxième substrat (40) selon ladite direction perpendiculaire (z) ;o Dépôt d’au moins une couche réfléchissante additionnelle (42) sur au moins une partie de la deuxième portion (50b) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) et de préférence sur au moins une paroi (41a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).1 / 10
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