Brevet FR2791134A1 — publié le 20000922

DETECTEUR PHOTOACOUSTIQUE INTEGRE Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne un détecteur photoacoustique. Plus particulièrement, l'invention concerne un détecteur photoacoustique miniaturisé utilisé pour l'analyse de gaz. Le principe de la détection photoacoustique pour l'analyse de gaz a été développé dans l'article de J. Christensen intitulé "The Bruel Kjaer Photoacustic Transducer System and its physical Properties". Le dispositif décrit dans ce document comporte: - une source chaude infrarouge, - un "chopper" (ou "hacheur") mécanique, qui module l'intensité de la source, un filtre optique interférentiel, - une cuve cylindrique, - deux microphones appariés, la somme des signaux issus de ces microphones permettant de doubler le signal photoacoustique et d'annuler le bruit dû aux vibrations externes. Dans ce dispositif, on éloigne la source de la cuve afin d'éviter tout échauffement du gaz. A cette fin, l'utilisation d'un miroir ellipsoidal couplé à la source permet de réaliser une collimation adéquate du faisceau lumineux. La demande de brevet WO-96/24831 divulgue un détecteur photoacoustique constitué d'une chambre contenant un gaz à mesurer et d'un capteur de pression. La chambre contenant le gaz à mesurer est traversée par un faisceau lumineux infrarouge partiellement absorbé par le gaz. Les variations de pression du gaz induites du fait de. l'absorption partielle du faisceau lumineux sont détectées par le capteur de pression. Dans ce dispositif, la source émettrice du faisceau infrarouge est également séparée du détecteur photoacoustique. Le brevet US-4,818,882 divulgue un analyseur de gaz photoacoustique comprenant une source de lumière, un modulateur, un filtre optique, une chambre de mesure, un microphone relié à la chambre. Les différents éléments qui constituent l'analyseur sont séparés les uns des autres. Selon l'art connu, il n'existe donc pas de détecteur photoacoustique permettant d'intégrer, dans une même structure, les différents éléments que sont la source infrarouge, la chambre contenant le gaz à mesurer et le capteur de pression. Les détecteurs de l'art connu sont des dispositifs encombrants. Exposé de l'invention L'invention ne présente pas cet inconvénient. En effet, l'invention concerne un dispositif de détection photoacoustique comprenant une source infrarouge, un capteur de pression et une chambre contenant un gaz à mesurer. La source infrarouge est fixée sur un premier support, le capteur de pression est fixé sur un deuxième support, la chambre est constituée par l'assemblage des premier et deuxième supports avec une structure mécanique de façon à constituer une cavité renfermant la source infrarouge et le capteur de pression, la structure mécanique permettant une introduction du gaz à l'intérieur de la cavité. Un.avantage de l'invention est de réaliser un dispositif de détection photoacoustique compact et peu encombrant. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures ci-annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - La figure 3 représente une mise en oeuvre particulière d'un dispositif de détection photoacoustique selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de détection photoacoustique comprend un premier support 1 sur lequel est positionnée une source infrarouge 2, un deuxième support 5 sur lequel est positionné un capteur de pression 6 et deux éléments 10 et 11. Les deux éléments 10 et 11 sont la vue en coupe d'une structure qui, assemblée avec les supports 1 et , permet.de constituer une cavité 12 renfermant la source infrarouge 2 et le capteur de pression 6. La structure 10, 11 est réalisée en un matériau poreux permettant d'introduire le gaz à analyser dans la cavité. Préférentiellement, la structure 10, 11 se présente sous forme de bague. Le matériau poreux permet la diffusion du gaz de l'extérieur vers l'intérieur de la cavité. Avantageusement, la résistance à l'écoulement de l'air est suffisante pour que les variations de pression qui apparaissent dans la cavité, lors de l'échauffement du gaz, ne provoquent pas d'échappement du gaz vers l'extérieur. Il est alors possible d'éviter un échappement du gaz vers l'extérieur lors de brusques variations de pression dans la cavité, ce qui se produit, par exemple, pour une fréquence de modulation de la source infrarouge de l'ordre de 20 Hz. A titre d'exemples non limitatifs, le gaz à analyser peut être du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane, ou, plus généralement, un hydrocarbure. Le matériau poreux permettant de réaliser la structure 10, 11 peut être, par exemple, du bronze ou de la fonte. Selon le mode de réalisation représenté en figure 1, la source infrarouge 2 est une diode électroluminescente ou une diode laser. Des connexions électriques 3 et 4 traversent le premier support 1 et sont reliées à la source infrarouge 2 afin de permettre l'alimentation électrique de celle-ci. Dans le cas o la source infrarouge 2 est une diode électroluminescente, cette dernière est du type à double hétérostructure GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb. Les longueurs d'onde émises se situent alors autour de 2,35pm. Les radiations dont les longueurs d'onde se situent autour de 2,35pm correspondent à des bandes d'absorption pour les hydrocarbures et, particulièrement, le méthane. Une puissance optique d'environ 1,2 mW peut être obtenue. Le capteur de pression 6 peut être un microphone tel que celui décrit dans l'article "A New Condenser Microphone in Silicon" de J. Bergqvist et F. Rudolf paru dans la revue "Sensors and Actuators", A21- A23 (1990), p. 123-125. Le capteur de pression 6 est un capteur de type capacitif permettant de transformer les variations de pression du gaz en signal électrique. Le capteur comprend une première électrode 13 sous forme de diaphragme sensible aux vibrations acoustiques, une deuxième électrode 14 et une cavité arrière 9. Le diaphragme 13 est une membrane en silicium légèrement dopé d'épaisseur sensiblement égale, par exemple, à pm. La deuxième électrode 14 comprend des trous de ventilation 16. Les première et deuxième électrodes 13 et 14 sont reliées, de façon connue en soi (non représentée sur la figure), à des connexions électriques respectives 7 et 8, lesquelles sont reliées à un dispositif extérieur à la cavité (non représenté sur la figure) permettant ainsi de recueillir le signal électrique issu du capteur. Les trous de ventilation 16 permettent au gaz contenu entre les électrodes 13 et 14 de communiquer avec la cavité arrière 9. L'électrode 13 n'est alors pas freinée lorsqu'une pression acoustique s'exerce sur elle. Le capteur de pression 6 comprend une face arrière 15 fixée au support 5. Selon l'invention, l'équilibre des pressions entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité 12 peut être réalisé par l'intermédiaire du matériau poreux constituant la structure 10, 11. Un avantage de l'invention est de réaliser un dispositif de détection photoacoustique peu encombrant dont le volume peut être, par exemple, de l'ordre de x15x5 mm3. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est de permettre, en dépit d'une intégration poussée, de changer très facilement les éléments qui le composent. Il est alors possible, par exemple, de réparer aisément une source infrarouge défectueuse. Il est également possible de substituer une source infrarouge à une autre, toutes choses égales par ailleurs. La figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif de détection photoacoustique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments constitutifs du dispositif de détection photoacoustique selon le deuxième mode de réalisation de l'invention sont identiques à ceux du premier mode de réalisation de l'invention à l'exception de la structure 10, 11. Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, la structure 10, 11 est réalisée en un matériau métallique facilement usinable tel que, par exemple, l'aluminium ou le cuivre. La structure 10, 11 comprend un ou plusieurs évidements 17, 18 de faibles dimensions, par exemple quelques microns, par lesquels le gaz peut être introduit dans la cavité 12. Ces évidements sont conçus de façon que la structure 10, 11 présente une résistance à l'écoulement du gaz élevée lors des variations de pression qui apparaissent dans la cavité. du fait de l'échauffement du gaz (par exemple, pour une fréquence de modulation de la source infrarouge de l'ordre de 20 Hz). La figure 3 représente une mise en oeuvre particulière d'un dispositif photoacoustique selon l'invention. Selon le mode de réalisation de la figure 3, la source infrarouge 2 est une source thermique. Un filtre optique 19 permet alors d'ajuster la largeur spectrale de la source sur une raie d'absorption du gaz à analyser. Le filtre 19 peut être fixé sur la source infrarouge par tout moyen connu. Il peut être centré sur une longueur d'onde fixe ou être modulé électriquement afin de permettre une détection du gaz par modulation de la longueur d'onde. Selon un mode de réalisation particulier, la source thermique 2 est constituée d'un micro-filament en polysilicium fortement dopé P+ recouvert de nitrure de silicium et scellé sous vide. Par l'intermédiaire des connexions électriques 3 et 4, le fil est traversé par un courant lui permettant d'atteindre l'incandescence pour une température d'environ 1400 K. Pour un micro-filament de dimensions 510 x 5 x 1 pm3, la puissance optique émise peut atteindre 250pW et les radiations émises se situer autour de 2,5pm. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, le micro- filament de la source thermique est métallique (par exemple tungstène, platine). Sur la figure 3, la structure 10, 11 ne comprend pas d'évidement 17, 18. Ainsi, la structure , 1l représentée en figure 3 correspond-elle au premier mode *de réalisation de l'invention décrit en figure 1. La mise en oeuvre particulière du dispositif photoacoustique de l'invention selon laquelle la source infrarouge est une source thermique concerne cependant également le cas o le mode de réalisation de l'invention est le deuxième mode de réalisation décrit en figure 2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection photoacoustique comprenant une source infrarouge (2), un capteur de pression (6) et une chambre contenant un gaz à mesurer, caractérisé en ce que la source infrarouge (2) est fixée sur un premier support (1), en ce que le capteur de pression (6) est fixé sur un deuxième support (5), et en ce que la chambre est constituée par l'assemblage des premier (1) et deuxième supports (5) avec une structure mécanique (10, 11) de façon à constituer une cavité (12) renfermant la source infrarouge (2) et le capteur de pression (6), la structure mécanique (10, 11) permettant une introduction du gaz à l'intérieur de la cavité. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique (10, 11) est en matériau poreux. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique (10, 11) comprend au moins une ouverture (17, 18) par laquelle le gaz est introduit à l'intérieur de la cavité (12). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier support (1) est équipé de connexions (3, 4) permettant l'alimentation électrique de la source infrarouge (2) à partir de l'extérieur de la cavité. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de pression (6) est un capteur de type capacitif. 6. Dispositif selon la revendication wS; caractérisé en ce que le deuxième support (5) est équipé de connexions (7, 8) permettant de recueillir le signal électrique issu du capteur à l'extérieur de la cavité (12). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source infrarouge (2) est une source thermique et en ce qu'il comprend un filtre optique (19) fixé sur la source infrarouge. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source infrarouge (2) est une diode électroluminescente. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la source infrarouge (2) est une diode laser. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure mécanique (10, 11) est en forme de bague.