WO2009112680A2 - Dispositif de spectroscopie en longueur d'onde à filtres intégrés - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde comportant sur un substrat SUB un module de filtrage constitué de deux miroirs MIR1, MIR2 séparés par une membrane d'espacement SP. Ce module de filtrage comporte une pluralité de filtres interférentiels FP1, FP2, FP3, l'épaisseur de la membrane d'espacement SP étant constante pour un filtre donné et variant d'un filtre à l'autre.
Description
Dispositif de spectroscopie en longueur d'onde à filtres intégrés La présente invention concerne un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde.
L'analyse spectrométrique vise notamment la recherche de constituants chimiques entrant dans la composition d'un milieu solide, liquide ou gazeux. Il s'agit d'enregistrer le spectre d'absorption en réflexion ou en transmission de ce milieu. La lumière qui interagit avec celui-ci est absorbée dans certaines bandes de longueurs d'onde. Cette absorption sélective est une signature d'une partie ou de l'ensemble des constituants du milieu. La plage de longueurs d'onde du spectre à mesurer peut appartenir à l'ultra violet et/ou au rayonnement visible et/ou à l'infra rouge (proche, moyen, lointain).
Une première solution fait appel au spectromètre à réseau. Dans cet appareil, le réseau agissant en tant que filtre est disposé à une distance conséquente du détecteur. La résolution est d'autant meilleure que cette distance est importante. Il s'ensuit que cet appareil ne peut pas être miniaturisé si l'on souhaite conserver une résolution acceptable. De plus, le réglage de cet appareil est compliqué et sa stabilité est délicate car il nécessite un alignement optique précis.
La plupart des autres spectromètres utilisent au moins un filtre Fabry- Pérot.
Pour mémoire, un tel filtre est une lame à face parallèle d'un matériau (le plus souvent d'indice de réfraction faible tel que air, silice, ...) appelé membrane d'espacement (plus couramment « spacer » en terminologie anglo-saxonne), cette membrane figurant entre deux miroirs. Il est souvent réalisé par dépôt de couches minces sous vide. Ainsi, pour un filtre dont la bande passante est centrée sur une longueur d'onde centrale λ, le premier miroir consiste en m alternances de couches d'épaisseur optique λ/4 d'un matériau haut indice H et d'un matériau bas indice B. La membrane d'espacement consiste fréquemment en 2 couches du matériau bas indice B d'épaisseur optique λ/4. En général le second miroir est symétrique du premier. La modification de l'épaisseur géométrique de la membrane d'espacement permet d'accorder le filtre à la longueur d'onde centrale pour laquelle l'épaisseur optique vaut un multiple de λ/2.
Dans certains cas, un nombre fini de bandes passantes relativement fines (c'est-à-dire un spectre discret par opposition à un spectre continu) est
suffisant pour identifier les constituants recherchés, si bien que la première solution mentionnée ci-dessus n'est pas optimisée.
Une deuxième solution connue prévoit un module de filtrage comportant un filtre par bande à analyser. Si le nombre de bandes vaut n, la réalisation de n filtres passe donc par n fabrications distinctes en dépôt sous vide. Le coût est ainsi très important (et quasi-proportionnel au nombre n de bandes) pour les petites séries et ne devient réellement intéressant que pour des séries suffisamment importantes. De plus, ici aussi les possibilités de miniaturisation sont très limitées et il est difficilement envisageable de prévoir un grand nombre de filtres.
Une troisième solution connue met en oeuvre un module de filtrage du type Fabry-Pérot, les deux miroirs n'étant plus parallèles mais agencés en forme de coin pour ce qui concerne le profil dans un plan perpendiculaire au substrat. Dans ce plan repéré Oxy, les axes Ox et Oy étant respectivement colinéaire et perpendiculaire au substrat, l'épaisseur selon Oy de la membrane d'espacement varie linéairement en fonction de la position selon Ox où elle est mesurée.
Le document US 2006 / 0209413 enseigne un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde comportant un tel module de filtrage. Il s'ensuit que la longueur d'onde d'accord varie ici de manière continue selon l'axe Ox. En premier lieu, le contrôle du procédé « couches minces » est ici très périlleux. En second lieu la fabrication collective de plusieurs modules de filtrage sur un même wafer pose de grandes difficultés de reproductibilité d'un filtre à l'autre. En troisième lieu, la variation continue de l'épaisseur qui peut présenter un avantage dans certaines circonstances est mal adaptée au cas où un détecteur doit être centré sur une longueur d'onde bien précise. En effet, la taille de ce détecteur fait qu'il va détecter toutes les longueurs d'onde comprises entre celles sur lesquelles sont accordées ses deux extrémités. Là encore, la production en volume à bas coût n'est pas très réaliste.
La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde permettant de mesurer un spectre en transmission ou en réflexion composé d'un nombre fini de filtres, ce dispositif présentant une grande simplicité mécanique et, partant, un coût des plus limités.
Selon l'invention, un dispositif de spectroscopie en longueur d'onde comporte sur un substrat un module de filtrage constitué de deux miroirs séparés par une membrane d'espacement ; de plus, ce module de filtrage comporte une
pluralité de filtres interférentiels, l'épaisseur de la membrane d'espacement étant constante pour un filtre donné et variant d'un filtre à l'autre.
Le nombre d'opérations en technologie couches minces est de fait considérablement réduit et il n'est plus nécessaire d'assembler les différents filtres sur un support commun.
Avantageusement, l'un au moins de ces filtres a une fonction de transfert passe-bande.
De plus, certains au moins de ces filtres sont alignés dans un premier ruban. D'autre part, certains au moins de ces filtres sont alignés dans un second ruban parallèle au et disjoint du premier ruban.
Par ailleurs, deux au moins de ces filtres qui sont adjacents sont séparés par une barrière de diaphonie.
Préférentiellement, le dispositif comporte de plus un détecteur comprenant une pluralité de compartiments, chaque compartiment actif étant dédié à un des filtres et optiquement aligné avec celui-ci pour détecter le rayonnement qu'il émet au moyen d'au moins une cellule de détection.
De plus, un compartiment étant muni de plusieurs cellules de détection, le dispositif comprend des moyens pour produire un signal en combinant les signaux de sortie de ces cellules.
De préférence, le détecteur est intégré en technologie CMOS.
Suivant une première option, le substrat est constitué par une interface figurant sur ce détecteur.
Suivant une autre option, le dispositif comporte une optique d'imagerie pour adapter la taille des filtres à celle du détecteur.
La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent :
- la figure 1 , le schéma de principe d'un module de filtrage à une dimension, plus particulièrement :
- la figure 1a, une vue de dessus de ce module, et
- la figure 1b, une vue en coupe de ce module ;
- la figure 2a à 2c, trois étapes d'un premier mode de réalisation de ce module de filtrage ;
- la figure 3a à 3fc, six étapes d'un deuxième mode de réalisation de ce module de filtrage ;
- la figure 4, le schéma de principe d'un module de filtrage à deux dimensions ; - les figure 5a à 5f, chacune un masque susceptible d'être utilisé lors d'une étape de gravure ;
- la figure 6, un schéma d'un module de filtrage à 64 filtres muni d'un quadrillage d'écrantage ;
- la figure 7, le schéma d'un dispositif de spectroscopie comportant un module de filtrage directement associé à un détecteur ; et
- la figure 8, le schéma d'un dispositif de spectroscopie comportant un module de filtrage associé à un détecteur par l'intermédiaire d'une optique d'imagerie.
Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence.
En référence aux figures 1a et 1b, un module de filtrage comporte trois filtres interférentiels du type Fabry-Pérot FP1 , FP2, FP3 alignés successivement de sorte qu'ils forment un ruban.
Ce module est constitué par l'empilement sur un substrat SUB, en verre ou en silice par exemple, d'un premier miroir M1 , d'une membrane d'espacement SP et d'un deuxième miroir MIR2.
La membrane d'espacement SP qui définit la longueur d'onde centrale de chaque filtre est donc constante pour un filtre donné et varie d'un filtre à l'autre. Son profil a une forme d'escalier car chaque filtre a une surface sensiblement rectangulaire.
Un premier procédé de réalisation du module de filtrage en technologie couches minces est donné à titre d'exemple.
En référence à la figure 2a, on commence par déposer sur le substrat SUB le premier miroir MIR1 puis une couche ou un ensemble de couches diélectriques TF appelé à définir la membrane d'espacement SP. En référence à la figure 2b, ce diélectrique est gravé :
- dans un premier temps au niveau des deuxième FP2 et troisième FP3 filtres pour définir l'épaisseur de la membrane d'espacement SP au niveau du 2ème filtre FP2, - dans un deuxième temps au niveau du troisième filtre FP3 pour définir à son niveau l'épaisseur de cette membrane.
La membrane d'espacement SP au niveau du premier filtre FP1 a l'épaisseur du dépôt.
En référence à la figure 2c, le deuxième miroir MIR2 est déposé sur la membrane d'espacement SP pour finaliser les trois filtres. La membrane d'espacement SP peut être obtenue par dépôt d'un diélectrique TF puis gravures successives comme présenté ci-dessus mais elle peut également être obtenue par plusieurs dépôts successifs de couches minces.
A titre d'exemple, on peut balayer la plage de longueurs d'onde 800 à 1 000 nm en modifiant l'épaisseur optique de la membrane d'espacement de 1 ,4 λo/2 à 2,6 λo/2 (pour λ0 = 900 nm et n=1 ,45 tandis que e varie entre 217 nm et 403 nm).
Il convient ici de noter que l'épaisseur de la membrane d'espacement doit être suffisamment faible pour n'obtenir qu'une bande de transmission dans le domaine à sonder. En effet, plus on augmente cette épaisseur, plus le nombre de longueurs d'onde satisfaisant la condition [ne = k λ/2] augmente.
Un deuxième procédé de réalisation du module de filtrage est maintenant exposé.
En référence à la figure 3a, on commence par pratiquer une oxydation thermique d'un substrat SIL en silicium sur sa face inférieure OX1 et sur sa face supérieure OX2.
En référence à la figure 3b, les faces inférieure OX1 et supérieure OX2 du substrat sont recouvertes respectivement d'une couche inférieure PHR1 et d'une couche supérieure PHR2 de résine photosensible. Ensuite, une ouverture rectangulaire est pratiquée dans la couche inférieure PHR1 par photolithographie.
En référence à la figure 3c, l'oxyde thermique de la face inférieure OX1 est gravé au droit de l'ouverture rectangulaire pratiquée dans la couche inférieure
PHR1. Les couches inférieure PHR1 et supérieure PHR2 sont alors retirées. En référence à la figure 3d, on réalise une gravure anisotrope du substrat
SIL (orientation cristallographique 1 - 0 - 0 par exemple) au droit de l'ouverture rectangulaire, l'oxyde thermique de la face inférieure OX1 servant de masque et celui de la face supérieure OX2 servant de couche d'arrêt de gravure. Il peut s'agir soit d'une gravure humide au moyen d'une solution de potasse (KOH) ou de triméthyl ammonium hydroxyle (TMAH) soit d'une gravure sèche en plasma. Il
résulte de cette opération que seule subsiste au fond de l'ouverture rectangulaire une membrane d'oxyde.
En référence à la figure 3e, cet oxyde est gravé :
- dans un premier temps au niveau des deuxième FP2 et troisième FP3 filtres pour définir l'épaisseur de la membrane d'espacement SP au niveau du 2ème filtre FP2,
- dans un deuxième temps au niveau du troisième filtre FP3 pour définir à son niveau l'épaisseur de cette membrane SP.
En référence à la figure 6f, les premier M1 et deuxième M2 miroirs sont déposés sur les faces inférieure OX1 et supérieure OX2 du substrat SIL.
On peut éventuellement terminer la réalisation du module de filtrage en déposant une couche de passivation (non représentée) sur l'une et/ou sur l'autre des faces inférieure OX1 et supérieure OX2.
L'invention permet donc de réaliser un ensemble de filtres alignés, ces filtres pouvant ainsi être référencés dans un espace à une dimension.
En référence à la figure 4, l'invention permet également d'organiser de tels filtres dans un espace à deux dimensions. Une telle organisation est souvent dénommée matricielle.
Quatre rubans horizontaux identiques comprennent chacun quatre filtres interférentiels. Le premier ruban, celui qui apparaît en haut de la figure, correspond à la première ligne d'une matrice et comprend les filtres IF11 à IF14.
Le deuxième, le troisième, respectivement le quatrième ruban comprend les filtres IF21 à IF24, les filtres IF31 à IF34, respectivement les filtres IF41 à IF44.
L'organisation est dite ;matricielle car le filtre IFjk appartient au jème ruban horizontal et également à un kième ruban vertical qui comprend les filtres IF1k, IF2k, ..., IF4k.
Le procédé de réalisation du module de filtrage peut être analogue à l'un quelconque des deux procédés décrits plus haut.
On commence donc par déposer sur le substrat le premier miroir puis un diélectrique. Ce diélectrique est gravé :
- en référence à la figure 5a, au moyen d'un premier masque MA1 qui cache les deux premiers rubans horizontaux IF11-IF14 et IF21-IF24,
- en référence à la figure 5b, au moyen d'un second masque MA2 qui cache les premier IF11-IF14 et troisième IF31-IF34 rubans horizontaux,
- en référence à la figure 5c, au moyen d'un troisième masque MA3 qui cache les premier IF11-IF41 et deuxième IF12-IF42 rubans verticaux, et
- en référence à la figure 5d, au moyen d'un quatrième masque MA4 qui cache les premier IF11-IF41 et troisième IF13-IF43 rubans verticaux.
Ensuite, le deuxième miroir est déposé sur la membrane d'espacement ainsi gravée pour finaliser les 16 filtres de la matrice 4-4.
La gravure d'une même profondeur au moyen des différents masques présente peu d'intérêt. Par contre, si l'on souhaite obtenir une progression régulière de l'épaisseur des filtres, on peut procéder comme suit :
- gravure d'une profondeur p au moyen du quatrième masque MA4,
- gravure d'une profondeur 2p au moyen du troisième masque MA3,
- gravure d'une profondeur 4p au moyen du deuxième masque MA2, et - gravure d'une profondeur 8p au moyen du premier masque MAI
Accessoirement, on remarque que, par un processus itératif, en utilisant un cinquième masque MA5 représenté à la figure 5e et un sixième masque MA6 représenté à la figure 5f, on transforme la matrice 4-4 visée ci-dessus en matrice 8-8 comportant 64 filtres interférentiels. Le cinquième masque MA5, comme suite logique aux premier MA1 et deuxième MA2 masques, représente une alternance horizontale de quatre couples ruban noir - ruban blanc.
De même, le sixième masque MA6, comme suite logique aux troisième MA3 et quatrième MA4 masques, représente une alternance verticale de quatre couples ruban noir - ruban blanc.
En référence à la figure 6, il est souhaitable de bien séparer les différents filtres du module de filtrage afin d'éviter un recouvrement partiel d'un filtre sur un filtre qui lui est adjacent et de minimiser un éventuel problème de diaphonie. Pour ce faire, on peut ajouter sur le module de filtrage un quadrillage (en noir sur la figure) constituant une barrière de diaphonie pour délimiter tous les filtres. Ce quadrillage sera absorbant si ce module est utilisé en réflexion ou bien réfléchissant si celui-ci est employé en transmission. A titre d'exemple, un quadrillage absorbant peut être réalisé par dépôt et gravure d'un chrome noir (chrome + oxyde de chrome) tandis qu'un quadrillage réfléchissant peut être réalisé par dépôt et gravure de chrome.
A titre indicatif, la dimension des filtres est de l'ordre de 300x300 microns2. D'autres tailles de filtre sont bien sûr possibles cependant, la taille doit être suffisante pour éviter des phénomènes de diffraction trop marqués.
Le module de filtrage peut présenter une organisation de ces filtres en ligne, matricielle, hexagonale ou de toute autre nature. La forme des filtres peut être quelconque (carrée, rectangle, hexagonale, ...).
Le module de filtrage est prévu pour être associé à un détecteur à même de mesurer les flux lumineux produits par au moins certains des filtres si ce n'est la totalité de ceux-ci. Ce détecteur est donc formé d'une pluralité de compartiments, chaque compartiment actif étant dédié à un filtre spécifique.
Suivant une caractéristique additionnelle de l'invention, le détecteur est intégré. Lorsque le rayonnement utile est compris entre 350 et 1 100 nanomètres, il est de préférence réalisé en technologie CMOS.
En référence à la figure 7, on reprend le module de filtrage MF qui est présenté à la figure 4 en l'utilisant en transmission. Celui-ci est optiquement aligné avec le détecteur DET dont les compartiments sont homothétiques des filtres. Ainsi, le premier CP11 , le deuxième CP12, respectivement le troisième CP13 compartiment est prévu pour recevoir le flux lumineux transmis par le premier IF11 , le deuxième IF12, respectivement le troisième IF13 filtre. De manière plus générale, le compartiment CPjk qui appartient à la jième ligne et à la kième colonne du détecteur DET reçoit le rayonnement transmis par le filtre IFjk qui appartient à la jième ligne et à la kième colonne du module de filtrage MF. Avantageusement, un compartiment est muni de plusieurs cellules de détection indépendantes car celles-ci ont couramment une taille de l'ordre de 6 microns. On prévoit alors des moyens pour produire un signal d'estimation du flux lumineux reçu par ce compartiment en combinant les signaux de sortie de ces différentes cellules. Il est ainsi possible de faire la moyenne de ces signaux de sortie, d'éliminer ceux de ces signaux qui s'éloignent sensiblement de cette moyenne ou d'effectuer tout traitement connu de l'homme du métier. Le montage est très simple car il comporte peu de pièces optiques et il ne comporte pas de pièce mobile. La mesure est en conséquence très stable et très reproductible.
Le montage peut même être supprimé si le module de filtrage est intégré directement sur une interface du détecteur. Cette interface peut être une couche de passivation ou bien directement la face supérieure de ce détecteur.
En référence à la figure 8, le dispositif de spectroscopie comprend une optique d'imagerie OPT tel qu'un objectif agencée entre le module de filtrage MF et le détecteur DET. Cette optique a pour but d'adapter la taille du module de filtrage MF à celle du détecteur DET. Elle peut réaliser un aggrandissement ou une réduction. Dans ce dernier cas, on augmente le flux lumineux reçu par le détecteur dans le rapport de la surface du module de filtrage à celle de ce détecteur.
Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de Ia présente invention.
Claims
REVENDICATIONS
1) Dispositif de spectroscopie en longueur d'onde comportant sur un substrat (SUB) un module de filtrage constitué de deux miroirs (MIR1 , MIR2 ; M1, M2) séparés par une membrane d'espacement (SP), caractérisé en ce que ce module de filtrage comporte une pluralité de filtres interférentiels (FP1 , FP2, FP3 ; IF11-IF44), l'épaisseur de ladite membrane d'espacement SP étant constante pour un filtre donné et variant d'un filtre à l'autre.
2) Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'un au moins desdits filtres (FP1 , FP2, FP3 ; IF11-IF44) a une fonction de transfert passe- bande.
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que certains au moins desdits filtres (FP1, FP2, FP3 ; IF11-IF14) sont alignés dans un premier ruban.
4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que certains au moins desdits filtres (IF21-IF24) sont alignés dans un second ruban parallèle au et disjoint du premier ruban.
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux au moins desdits filtres (FP1 , FP2, FP3 ; IF11- IF44) qui sont adjacents sont séparés par une barrière de diaphonie.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un détecteur (DET) comprenant une pluralité de compartiments (CP11-CP44), chaque compartiment actif étant dédié à un desdits filtres (FP1 , FP2, FP3 ; IF11-IF44) et optiquement aligné avec celui-ci pour détecter le rayonnement qu'il émet au moyen d'au moins une cellule de détection.
7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que, un compartiment (CP11-CP44) étant muni de plusieurs cellules de détection, il comprend des moyens pour produire un signal en combinant les signaux de sortie desdites cellules.
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit détecteur (DET) est intégré en technologie CMOS.
9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué par une interface figurant sur ledit détecteur (DET).
10) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une optique d'imagerie (OPT) pour adapter la taille desdits filtres (FP1 , FP2, FP3 ; IF11-IF44) à celle dudit détecteur (DET).
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