Brevet FR2748810A1 — publié le 19971121

SOURCE DE RAYONNEMENT INFRAROUGE MINIATURISEE La présente invention concerne une source miniaturisée de rayonnement infrarouge constituée à partir d'un ou de plusieurs filaments suspendus sur un support. Les sources de rayonnement infrarouge sont notamment utilisées dans les systèmes d'analyse de gaz. On utilisait classiquement comme source infrarouge le rayonnement thermique émis par le filament de Nernst, constitué d'oxydes de zirconium et d'yttrium et chauffé à 9000 C, par le Globar (de l'anglais glow-bar) au carbure de silicium porté à 150000 ou simplement par un fil métallique chauffé. Pour des raisons propres au traitement du signal dans le système d'analyse, il est nécessaire de moduler le faisceau infrarouge utilisé. Toujours de manière classique, on utilisait des modulateurs mécaniques (une roue percée d'un trou par exemple) pour hacher le rayonnement infrarouge et obtenir un faisceau modulé. Les modulateurs mécaniques présentent un certain nombre d'inconvénients : ils sont encombrants, peu fiables, peu stables ainsi que trop onéreux, notamment pour les analyseurs infrarouges portables (par exemple les éthylotests) que l'on veut produire à faible coût. La tendance actuelle est donc de remplacer, dans ces systèmes, la source infrarouge par une microsource modulable électriquement, ce qui permet de supprimer le modulateur mécanique et donc de gagner en encombrement, fiabilité et coût. L'article "Electrical and Optical Characteristics of Vacuum-Sealed Polysilicon Microlamps" par C.H. Mastrangelo, J. Hsi-Jen Yeh et R.S. Muller, paru dans IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 39, NO 6, Juin 1992, pages 1363-1375, divulgue une source de lumière infrarouge réalisée par des techniques de la microélectronique. La source incandescente consiste en un filament de silicium polycristallin fortement dopé p+ suspendu au-dessus d'une cavité réalisée sur une face d'un substrat de silicium et encapsulé sous vide. Pour des raisons propres à la réalisation du dispositif, le filament se trouve recouvert d'une couche de nitrure de silicium. Ce document rapporte que le filament d'un dispositif réalisé est constitué d'une poutre conductrice de silicium polycristallin de 0,9 um d'épaisseur recouverte d'une couche isolante comprise entre 0,3 et 0,5 um. En chauffant électriquement le filament à une température proche de 1400 K, on obtient un rayonnement lumineux possédant un pic dans la distribution spectrale proche de 2,5 um. Une telle source infrarouge présente l'avantage d'être modulable électriquement mais est cependant encore d'une puissance lumineuse trop faible. Pour pallier à cet inconvénient, des sources infrarouges à filament métallique ont été proposées. Ainsi, le document US-A-5 324 951 propose une source infrarouge constituée d'un film métallique plan, typiquement de 4 mm de long, de 0,75 mm de large et de 5 um d'épaisseur, monté sous tension mécanique grâce à deux éléments élastiques et fonctionnant sous atmosphère inerte. Le métal du filament est en un matériau capable d'émettre des radiations infrarouges, par exemple un alliage de nickel et de chrome. La température de fonctionnement du filament est inférieure à 1050 K. Le document US-A-S 401 966 divulgue un analyseur infrarouge comprenant au moins une microlampe comprenant un filament chauffé disposé sur un substrat. Le filament peut être en silicium polycristallin mais aussi en tungstène. De préférence, l'analyseur comprend un arrangement de plusieurs microlampes activées de manière séquentielle pour obtenir une modulation du faisceau infrarouge. Le document US-A-5 220 173 divulgue une source de rayonnement infrarouge pulsé dont l'élément rayonnant est prévu suffisamment mince pour que l'énergie thermique emmagasinée par cet élément soit inférieure à l'énergie rayonnée lors de chaque période de fonctionnement. L'élément rayonnant est réalisé en un matériau électriquement conducteur tel qu'un métal ou un alliage métallique. I1 peut être déposé ou non sur un substrat isolant et suspendu entre deux conducteurs électriques amenant le courant d'alimentation. L'inconvénient de ces microfilaments métalliques est leur faible émissivité dans l'infrarouge. En effet, pour ce type de rayonnement, l'émissivité des métaux, et du platine en particulier, est de l'ordre de 0,05 soit 20 fois moins qu'une source thermique idéale dont l'èmissivité est de 1. Pour remédier à cet inconvénient, on propose, selon la présente lovent ion, de recouvrir les microfilaments métalliques d'un matériau déposé en couche mince et présentant une émissivité élevée dans la gamme de longueur d'onde d'utilisation de l'appareil. L'invention a donc pour objet une source de rayonnement infrarouge miniaturisée comprenant au moins un microfilament autoporté, comprenant un matériau métallique, destiné à émettre un rayonnement infrarouge sous l'action d'un courant électrique le traversant, ce courant électrique étant modulé pour faire alterner des périodes d'émission dudit rayonnement infrarouge et des périodes d'absence d'émission dudit rayonnement infrarouge, le microfilament ayant la forme d'un film d'épaisseur suffisamment faible pour présenter une faible inertie thermique compatible avec les périodes d'émission du rayonnement infrarouge, caractérisée en ce que le microfilament est constitué d'un ruban métallique recouvert d'au moins une couche mince d'un matériau améliorant l'émissivité du microfilament dans au moins une partie du spectre infrarouge. Le micro filament peut avantageusement avoir la forme d'un serpentin afin d'augmenter sa longueur tout en le confinant dans un espace restreint. La source infrarouge ainsi constituée peut comporter plusieurs filaments que l'on peut lnterconnecter en partie ou en totalité, en série ou/et en parallèle. L'épaisseur de la couche mince recouvrant le ruban métallique est de préférence voisine de la longueur de pénétration du rayonnement infrarouge émis par cette couche mince. Le ruban métallique peut être recouvert de plusieurs couches minces de matériaux différents, chaque couche mince améliorant l'émissivité du micro filament dans une partie du spectre infrarouge qui lui est spécifique. Si la source de rayonnement infrarouge comprend plusieurs microfilaments, au moins deux microfilaments peuvent être constitués de rubans métalliques recouverts chacun d'une couche mince de matériau améliorant l'émissivité, de nature différente afin d'améliorer ltémissivité dans des parties différentes du spectre infrarouge. Les rubans métalliques peuvent être en platine, en tantale, en titane, en tungstène, en molybdène, en chrome, en nickel ou en l'un de leurs alliages. L'épaisseur de ces rubans est avantageusement comprise entre quelques dixièmes de um et quelques um. Le matériau améliorant l'émissivité du microfilament est de préférence choisi parmi des nitrures (par exemple Si3N4), des siliciures (par exemple SiC, SiMo) , des oxydes (par exemple SiO2, AlO3)ou encore des borures. Le microfilament est de préférence supporté par un support isolant (par exemple en quartz, en verre ou en silicium) et disposé parallèlement à ce support. Il peut être encapsulé dans une enceinte sous vide ou contenant un gaz inerte. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue d'une source infrarouge miniaturisée comportant plusieurs microfilaments, selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme représentant des impulsions électriques an fonction du temps, - la figure 3 est un diagramme représentant des spectres d'émission infrarouge de matériaux déposés sur un microfilament, et - la figure 4 est un diagramme représentant l'évolution du signal délivré par un détecteur pyreélectrique en fonction de la fréquence des impulsions électriques du courant injecté dans des ;nlcrofilaments selon 1' invention. La source de rayonnement infrarouge 1 représentée à la figure 1 comporte huit filaments 2, par exemple en Platine, autoportés sur un cadre de quartz 3. Chaque extrémité de filament 2 est reliée à un plot conducteur 4, 5 déposé sur le cadre 3. Chaque plot 4, 5 assure le maintien mécanique d'un filament correspondant et sert de borne de connexion électrique à un dispositif d'alimentation en courant électrique. Les huit microfilaments 2 de la source 1 peuvent être interconnectés au choix, en partie ou en totalité, en série ou en parallèle ou selon des configurations mixtes. Le cadre de quartz 3 peut être collé sur un boîtier TOS ou Tous. La figure 1 montre un mode préféré de réalisation des microfilaments selon l'invention. Chaque microfilament comprend un ruban métallique (en platine dans le cas présent) de 6 um d'épaisseur et de 52 um de largeur. Il comporte plusieurs spires. La largeur d'une spire est de 284 um et sa longueur 120 um. Chaque microfilament comporte 21 spires représentant une longueur totale de 2512 um. Pour émettre un rayonnement infrarouge, les micro filaments peuvent être portés à une température de 600"C ou 800"C, mais il est préférable de ne pas dépasser 600"C pour obtenir une durée de vie supérieure à 1000"h. L'avantage d'un ruban métallique aussi mince est que celui-ci présente une inertie thermique faible et qu'il peut donc être modulé électriquement à une fréquence de quelques dizaines de Hz. En effet, pour un tel microfilament, en platine et placé dans l'air, la constante de temps thermique est de l'ordre de 17 ms. Afin de moduler l'émission de la source infrarouge, les micro filaments sont alimentés par des impulsions électriques qui peuvent être en général quelconques. On choisira préférentiellement des impulsions sinusoldales ou rectangulaires. La figure 2 montre un exemple d'impulsions rectangulaires utilisables, l'axe des ordonnées représentant le courant l traversant un microfilament et l'axe des abscisses représentant le temps t. L'intervalle de temps e entre deux impulsions successives ne doit pas être trop petit devant la constante de temps thermique du microfilament afin d'obtenir une modulation suffisante de l'émission lumineuse. Selon l'invention, afin d'améliorer l'émission infrarouge d'un microfilament, son ruban métallique est recouvert d'un matériau déposé en couche mince et présentant une émissivité élevée dans la gamme de longueur d'onde d'utilisation de l'appareil. D'un point de vue physique, un bon émetteur est un bon absorbant, ce qui signifie qu'un bon matériau, pour une longueur d'onde donnée, doit absorber suffisamment pour pouvoir être déposé en couche mince afin de ne pas augmenter l'inertie thermique du microfilament. La profondeur de pénétration idéale de la lumière dans le matériau doit être voisine de l'épaisseur de celui-ci, c'est-à-dire de l'ordre du um dans le cas d'un microfilament de 6 um d'épaisseur. Si la profondeur de pénétration est trop faible (cas des métaux), le matériau ne va plus absorber le rayonnement incident mais le réfléchir selon les lois de Fresnel. Le diagramme de la figure 3 représente des spectres d'émission infrarouge de quelques matériaux déposés sur un ruban métallique pour former un microfilament selon l'invention. L'axe des abscisses est gradué en um. La courbe 10 se rapporte au cas d'une couche d'alumine de 14 um d'épaisseur déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. La courbe 11 se rapporte au cas d'une couche de silice déposée sur un ruban de platine de 6 pm d'épaisseur. La courbe 12 se rapporte au cas d'une couche de nitrure de silicium déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. L'alumine, la silice et le nitrure de silicium améliorent nettement ltémissivté des microfilaments vers 10 pm avec des profils de courbe variables. La gamme spectrale utilisée et la fréquence de travail imposeront le choix d'un matériau et de son épaisseur. L'invention s' applique particulièrement bien à la réalisation d'une source pour éthylotest pour la détection de l'éthanol à 9,4 um. Dans ce cas, les meilleurs résultats sont obtenus avec une couche de SiO2 de 1 um d'épaisseur déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur (voir la figure 4 qui a été tracée pour une émission infrarouge transmise via un filtre infrarouge dont la bande de transmission spectrale est centrée sur la raie d'absorption de l'éthanol à 10 hum). Le diagramme représenté à la figure 4 a son axe des ordonnées gradué de façon logarithmique pour représenter le signal S recueilli par un détecteur pyroélectrique. Son axe des abscisses, également gradué de façon logarithmique, représente la fréquence des impulsions de courant d'alimentation des filaments. La courbe 20 correspond au cas où le microfilament est simplement constitué d'un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. Les courbes 21 à 24 correspondent à des microfilaments selon l'invention, c'est-à-dire un microfilament constitué d'un ruban de platine de 6 um d'épaisseur recouvert soit d'une couche d'alumine de 2,3 um d'épaisseur (courbe 21) ou de 14 um d'épaisseur (courbe 22), soit d'une couche de Si3N4 de 1 um d'épaisseur (courbe 23), soit une couche de silice de 1 um d'épaisseur (courbe 24). Le diagramme de la figure 4 montre que la couche d'alumine de 14 um est meilleure que la couche de Si3N4 de 1 pm à basse fréquence, mais moins bonne à plus haute fréquence en raison de son inertie thermique. Si on compare les microfilaments de platine seul et de platine recouvert d'une couche de SiO2 de 1 um, on constate que le gain en émissivité du micro filament recouvert par rapport au microfilament nu est de 7 à basse fréquence et de 5 à 40 Hz. La réduction du gain à 40 Hz résulte de l'augmentation de l'inertie thermique du micro filament qui pénalise la modulation de l'émission lumineuse. REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement infrarouge miniaturisée (1) comprenant au moins un microfilament autoporté (2), comprenant un matériau métallique, destiné à émettre un rayonnement infrarouge sous l'action d'un courant électrique le traversant, ce courant électrique étant modulé pour faire alterner des périodes d 'émission dudit rayonnement infrarouge et des périodes d'absence d'émission dudit rayonnement infrarouge, le microfilament (2) ayant la forme d'un film d'épaisseur suffisamment faible pour présenter une faible inertie thermique compatible avec les périodes d'émission du rayonnement infrarouge, caractérisée en ce que le microfilament (2) est constitué d'un ruban métallique recouvert d'au moins une couche mince d'un matériau améliorant l'émissivité du microfilament dans au moins une partie du spectre infrarouge. 2. Source de rayonnement infrarouge selon la revendication 1, caractérisée en ce que le micro filament (2) possède une forme en serpentin. 3. Source de rayonnement infrarouge selon l'une des revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs microfilaments (2) pouvant être interconnectés an partie ou en totalité, en série ou/et an parallèle. 4. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite couche mince est voisine de la longueur de pénétration du rayonnement infrarouge émis par cette couche mince. 5. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le ruban métallique est recouvert de plusieurs couches minces de matériaux différents, chaque couche millce améliorant ltémissivité du microfilament (2) dans une partie du spectre infrarouge qui lui est spécifique. 6. Source de rayonnement infrarouge selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins deux microfilaments (2) sont constitués de rubans métalliques recouverts chacun d'une couche mince de matériau améliorant l'émissivité, de nature différente afin d'améliorer l'émissivitè dans des parties différentes du spectre infrarouge. 7. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le(s) ruban(s) métallique(s) est (sont) en platine, en tantale, en titane, en tungstène, en molybdène, en chrome, en nickel ou an l'un de leurs alliages. 8. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'épaisseur du ruban métallique est comprise entre quelques dixièmes de pm et quelques um. 9. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau améliorant l'èmissivité du microfilament (2) est choisi parmi des nitrures, des siliciures, des oxydes ou des borures. 10. Source de rayonnement infrarouge selon la revendication 9, caractérisée en ce que le matériau améliorant l'émissivité du microfilament est choisi parmi Si02, A1203' Si3N4, SiC et SiMo. 11. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le microfilament (2) est supporté par un support isolant (3). 12. Source de rayonnement infrarouge selon la revendication 11, caractérisée en ce que le microfilament (2) est disposé parallèlement au support isolant (3). 13. Source de rayonnement infrarouge selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le support isolant (3) est en quartz, en verre ou en silicium. 14. Source de rayonnement infrarouge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le(s) microfilamant(s) (2) est (sont) encapsulé(s) dans une enceinte sous vide ou contenant un gaz inerte.