Brevet FR2683631A1 — publié le 19930514

i Microcuvette pour spectroscopie à infrarouges L'invention concerne une cuvette destinée à être utilisée pour la spectroscopie à infrarouges La spectroscopie à infrarouges est un procédé simple et également rapide quand on a recours à la technique de transformation de Fourier, pour caractériser la composition de substances. Dans ce procédé, on provoque dans la substance à analyser des oscillations moléculaires au moyen de la lumière infrarouge dont le nombre d'ondes est compris dans la plage de 250 cm-1 à 7000 cm-1 et on mesure les maxima d'absorption En effectuant des mesures comparatives de ces substances et de substances connues de composition similaire, il est possible de tirer des conclusions sur la substance à analyser par les modifications de la position et de la hauteur des maxima d'absorption. Mais il arrive souvent que les données relatives obtenues par une telle mesure ne suffisent pas Pour pouvoir établir un jugement absolu, il faut mesurer les sections d'absorption des oscillations moléculaires intéressantes Des séries de mesures sont alors nécessaires, au cours desquelles l'absorption est déterminée sur des échantillons d'épaisseurs différentes. Plus l'absorption de la substance à analyser est élevée, plus l'épaisseur des échantillons à choisir est faible, pour obtenir des intensités suffisantes après la transmission des rayons infrarouges. Des cuvettes à largeurs d'interstice diverses, ainsi que des cuvettes à interstice variable, sont offertes sur le marché pour des mesures spectroscopiques à infrarouges de fluides Mais il n'existe sur le marché aucune cuvette dont la largeur d'interstice soit inférieure à 25 Mm. Pour de nombreuses substances, l'absorption par les oscillations moléculaires intéressantes est si prononcée qu'aucun signal suffisant pour l'évaluation n'est transmis par passage à travers la cuvette quand elle présente cette largeur d'interstice. On compense cet inconvénient des cuvettes disponibles jusqu'ici en diluant la substance à analyser dans un solvant ne présentant qu'une faible absorption dans la plage des nombres d'ondes intéressants. En raison des interférences entre le solvant et la substance à analyser, il est possible que les moments dipolaires et la liberté de mouvement des oscillations moléculaires à mesurer se modifient et que la position et l'importance de l'absorption soient faussées Il est donc souhaitable d'effectuer les mesures sur la substance pure et non sur des solutions. En outre, les cuvettes disponibles ont pour inconvénient que les fenêtres qui sont transparentes aux infrarouges sont sensibles à l'humidité de l'air et/ou à des sollicitations mécaniques, et/ou sont très coûteuses. L'invention a pour but de proposer une cuvette qui soit insensible à l'humidité de l'air et aux sollicitations mécaniques et qui puisse être réalisée de façon économique avec des largeurs d'interstice différentes et suffisamment petites. Ce but est atteint du fait que la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie sont constituées par des plaques de silicium à forte valeur ohmique, que la couche d'écartement est constituée par une couche de dioxyde de silicium appliquée sur la première plaque, couche qui présente un évidement entouré par la couche et servant de volume pour échantillon, que la seconde plaque de silicium comprend deux ouvertures qui débouchent dans l'évidement de la couche de dioxyde de silicium, et que la seconde plaque de silicium est fermement reliée à la couche de dioxyde de silicium. La cuvette selon l'invention comprend donc une fenêtre d'entrée et une fenêtre de sortie en silicium de forte valeur ohmique Ce matériau fait partie, du fait de son utilisation en micro- électronique, des substances qui sont les plus analysées Il existe donc de bons procédés de fabrication et de préparation Ce matériau n'est pas sensible à l'humidité et peut subir de fortes sollicitations mécaniques Il présente une zone de transmission pour des ondes électromagnétiques dont le nombre d'ondes est situé dans la plage comprise entre 33 cm-1 et 8 300 cm-1 et convient donc à la spectroscopie à infrarouges. La couche d'écartement entre les fenêtres qui détermine la largeur de l'interstice est constituée par une couche de dioxyde de silicium qui est appliquée sur l'une des plaques de silicium, par exemple par épitaxie On peut ainsi maintenir la largeur d'interstice à un niveau extrêmement petit et la faire varier dans une vaste plage. La couche de dioxyde de silicium comprend un évidement servant de volume pour échantillon La couche de dioxyde de silicium est fermement reliée à la seconde plaque de silicium Deux ouvertures traversantes dans la plaque de silicium servent d'ouvertures d'entrée et de sortie pour la substance à analyser, ces ouvertures étant agencées de manière à déboucher dans l'évidement de la couche de dioxyde de silicium après assemblage avec cette couche Après remplissage du volume pour échantillon avec la substance à analyser, on ferme les ouvertures. De façon particulièrement avantageuse, la couche de dioxyde de silicium comprend plusieurs évidements séparés les uns des autres et la seconde plaque de silicium deux ouvertures pour chaque évidement, qui débouchent dans cet évidement On obtient ainsi une cuvette comprenant plusieurs volumes pour échantillons, présentant tous la même largeur d'interstice précise Cette cuvette convient particulièrement à la mesure simultanée de substances différentes. Comme déjà mentionné, l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium peut varier dans de vastes limites Avec une épaisseur comprise entre 0, 2 et 20 jam, on obtient des cuvettes à faible largeur d'interstice, qui n'étaient pas encore disponibles jusqu'ici. La seconde plaque de silicium qui sert de fenêtre est reliée à la couche de dioxyde de silicium par une liaison à plaquette de silicone On utilise alors un procédé ayant fait ses preuves dans la technique des microstructures, qui permet d'obtenir une liaison pouvant résister d'une part à de fortes sollicitations mécaniques et qui soit d'autre part absolument étanche Une cuvette ainsi réalisée résiste à des sollicitations mécaniques extrêmes et convient également à des fluides de fluidité extrêmement élevée. Les ouvertures d'entrée et de sortie peuvent être constituées par décapage de la seconde plaque de silicium Cette mesure est utilisée en appoint des procédés de la technique des microstructures pour la fabrication des cuvettes. La fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie peuvent être respectivement vaporisées avec une couche anti-reflet dure De ce fait, les pertes par réflexion du faisceau infrarouge qui les traverse sont réduites et la résistance de la cuvette à l'abrasion est augmentée. La fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie peuvent présenter une microstructure telle que leurs surfaces soient structurées Ces surfaces sont subdivisées en petites surfaces partielles inclinées par rapport à la surface d'ensemble On choisit l'inclinaison des surfaces partielles de manière que le faisceau infrarouge qui les traverse parvienne sur les surfaces partielles au-dessous de l'angle de Bruster Quand on utilise un faisceau infrarouge polarisé, on peut éviter largement des pertes par réflexion L'inclinaison des surfaces partielles est obtenue par décapage de silicium orienté de façon appropriée. Un décapage du silicium avec un angle de flanc d'environ 70 est nécessaire pour les nombres d'ondes utilisés pour la lumière infrarouge Les surfaces partielles peuvent être constituées par exemple sous forme de bandes d'une largeur pouvant atteindre quelques centaines de gm. Finalement, on peut réaliser la cuvette à l'aide des procédés connus de la technique des microstructures On utilise alors en tant que matériau de départ des plaquettes de silicium On peut structurer et constituer simultanément sur une plaquette plusieurs cuvettes identiques au cours d'une opération de production. Les avantages essentiels de l'invention consistent dans le fait que l'on peut analyser sans adjonction de solvant des substances dont les oscillations moléculaires conduisent à une absorption très prononcée En outre, la cuvette de l'invention est insensible vis-à- vis des sollicitations mécaniques et de l'humidité de l'air Elle convient également à son utilisation avec des substances inconnues car les fenêtres ne sont pas attaquées par des fractions d'eau éventuellement présentes dans ces substances Comme le silicium a un coefficient de dilatation thermique très bas, la largeur de 1 O l'interstice est pratiquement indépendante de la température, ce qui fait que la cuvette peut être utilisée dans une vaste plage de températures. Un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit plus en détail, mais sans caractère limitatif pour le concept d'ensemble de l'invention, en se référant à une unique figure. Cette figure montre schématiquement la constitution d'une cuvette selon l'invention. On utilise une plaque de silicium l en tant que base pour la constitution de la cuvette On peut utiliser par exemple une plaquette de silicium habituelle d'une épaisseur de 0,5 mm La réalisation de plusieurs cuvettes identiques s'effectue au cours d'une unique opération Ensuite, les cuvettes identiques sont séparées les unes des autres. Le silicium comprend un dopage compris entre i et 10 ohm/cm La plage de transmission de ce matériau est celle des nombres d'ondes compris entre 30 et 8 300 cmn 1 La perméabilité est d'environ 40 % Des modifications du pouvoir d'absorption et de la position d'absorption par des interactions des oscillations moléculaires avec les fenêtres de silicium sont situées, pour des mesures de transmission, au-dessous du seuil de détectabilité même pour des compositions chimiques. Sur la plaque de silicium est appliquée par exemple par épitaxie une couche de dioxyde de silicium constituant la couche d'écartement 3 L'épaisseur de la couche peut varier simplement entre environ 0,2 et 20 gm La couche de dioxyde de silicium comprend un évidement 4 servant de volume pour échantillon L'évidement est réalisé par exemple par lithographie ou par décapage La forme du volume pour échantillon peut être adaptée à chaque cas d'utilisation. Une seconde plaque de silicium 2 est reliée fermement à la couche de dioxyde de silicium La liaison peut être réalisée avantageusement par une liaison formée par une plaquette de silicone, ou par des techniques de collage. La seconde couche de dioxyde de silicium 2 comprend deux ouvertures traversantes 5, 6 servant d'ouvertures d'entrée ou de sortie pour la substance à analyser Après liaison avec la couche de dioxyde de silicium, les ouvertures 5, 6 débouchent dans l'évidement 4. Pour limiter les pertes par réflexion du faisceau infrarouge entrant et sortant, les plaquesde silicium 1, 2 sont munies d'une couche anti-reflet 7. La longueur et la largeur des cuvettespeuvent être comprises entre quelques millimètres et quelques centimètres selon l'utilisation envisagée. REVENDICATIONS 1 Cuvette pour la spectroscopie à infrarouges comprenant au moins une fenêtre d'entrée et une fenêtre de sortie, au moins un volume pour échantillon et une couche d'écartement, caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie sont constituées par des plaques de silicium ( 1, 2) à forte valeur ohmique, en ce que la couche d'écartement ( 3) est constituée par une couche de dioxyde de silicium appliquée sur la première plaque ( 1), couche qui présente un évidement ( 4) entouré par la couche et servant de volume pour échantillon, en ce que la seconde plaque de silicium ( 2) comprend deux ouvertures ( 5, 6) qui débouchent dans l'évidement ( 4) de la couche de dioxyde de silicium et la seconde plaque de silicium ( 2) est fermement reliée à la couche de dioxyde de silicium ( 3). 2 Cuvette selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de dioxyde de silicium ( 3) comprend plusieurs évidements ( 4) séparés les uns des autres et la seconde plaque de silicium ( 2) comprend deux ouvertures ( 5, 6) par évidement, qui débouchent dans l'évidement. 3 Cuvette selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche de dioxyde de silicium ( 3) a une épaisseur comprise entre 0,2 et 20 gm. 4 Cuvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les plaques de silicium ( 1, 2) et la couche de dioxyde de silicium ( 3) sont reliées l'une à l'autre de façon à ne plus pouvoir être séparées par une liaison par plaquette de silicone. Cuvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les ouvertures ( 5, 6) de la seconde plaque de silicium ( 2) sont constituées au moyen d'un procédé de décapage. 6 Cuvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie sont vaporisées avec une couche anti-reflet dure ( 7). 7 Cuvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la fenêtre d'entrée et la fenêtre de sortie présentent une microstructure telle que leurs surfaces sont subdivisées en surfaces partielles inclinées de manière que le faisceau infrarouge incident arrive au-dessous de l'angle de Bruster. 8 Cuvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'on utilise en tant que matériau de départ pour réaliser la cuvette des plaquettes de silicium traitées au moyen des procédés de la technique des microstructures et de manière qu'au cours d'une opération de production, plusieurs cuvettes identiques puissent être réalisées en même temps.