Brevet FR2875908A1 — publié le 20060331

Domaine de l'invention La présente invention concerne un photomètre à réflexion totale atténuée comportant une source de rayonnement, une couche de couverture et un détecteur de rayonnement. Etat de la technique Les photomètres à réflexion totale atténuée encore appelés photomètres RTA, utilisent un certain effet physique selon lequel un rayon lumineux subit une réflexion totale à l'interface ou diode entre un milieu optiquement dense et un milieu optiquement dilué si l'angle d'incidence du rayon lumineux dépasse l'angle limite correspondant à la réflexion totale. On a ainsi le phénomène que le rayon lumineux pénètre dans le milieu optique le moins dense à l'emplacement de l'incidence jusqu'à un second point situé dans la direction de passage du faisceau lumineux, comme onde de surface passant sur le milieu optique plus dense pour revenir ensuite dans le milieu optique plus dense. Si le mi-lieu optique le moins dense absorbe le rayonnement, on peut mesurer cette atténuation du rayon ou faisceau lumineux. Cette atténuation peut dépendre de la longueur d'onde et être utilisée en photométrie RTA pour l'analyse du milieu optique le moins dense. Les photomètres RTA sont utilisés de préférence dans le domaine infrarouge (IR) et dans le domaine de l'ultraviolet visible (UV-VIS). Les particules de suie contenues dans l'huile du moteur absorbent le rayonnement IR dans une plage spectrale large. Un photomètre RTA intégré dans la paroi d'un moteur Diesel permet ainsi d'analyser l'huile du moteur et d'assurer son remplacement lorsque cela est nécessaire. On évite ainsi un remplacement anticipé, coûteux ou un dommage potentiel occasionné par un remplacement tardif de l'huile du moteur. Selon l'état de la technique, les photomètres RTA sont réalisés sous la forme de composants uniques comme source de rayonnement, de couche de couverture cristalline et d'un filtre de rayonne-ment ainsi que d'un détecteur de rayonnement. Ces composants sont montés sur une plaque de circuit et sont ajustés les uns par rapport aux autres pour offrir les propriétés optiques et les effets de mesure. Comme les différentes pièces de ce système sont séparées les unes des autres par des intervalles d'air et que le système ne peut être rendu étanche que difficilement vis-à-vis de l'environnement extérieur, on a le risque d'encrassage. En particulier, dans la plage spectrale de l'infrarouge, de faibles quantités d'encrassage réduisent de manière très significative le signal optique et simulent un effet de mesure. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un photomètre RTA ayant une bonne étanchéité et qui puisse se fabriquer d'une manière économique avec un ajustage simple. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un photomètre du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la source de rayonnement, la couche de couverture et le détecteur de rayonnement sont intégrés sous la forme d'un nid de composants. On réalise ainsi un ajustage précis, bien reproductible avec un procédé de fabrication économique. De plus, grâce à l'intégration, il est particulièrement facile d'assurer l'étanchéité du photomètre et sa protection contre l'influence de l'environnement. Si la couche de couverture est une plaquette de couver- ture en silicium, elle peut être réalisée selon les techniques connues des semi-conducteurs et servir dans une plage spectrale large de l'ordre de 1,3 à 6,7 microns. Si la couche de couverture est une plaquette de couverture en quartz, elle est particulièrement résistante du point de vue chi- mique et thermique et peut également s'utiliser dans le domaine du rayonnement visible et dans le domaine spectral de l'ultraviolet. Un mode de réalisation particulièrement économique pré-voit d'intégrer dans la couche de couverture des éléments optiques tels que des sillons à section en forme de V ou des sillons-tranchées. En même temps, dans ce mode de réalisation, l'ajustage des éléments sera particulièrement précis et durable. Les sillons-tranchées augmentent le rendement du rayonnement car ils réfléchissent la lumière de la source de rayonnement en direction du détecteur de rayonnement, pour une partie du rayonnement qui serait dans d'autres cas perdue pour la me- sure. Les sillons à section en forme de V réfractent la lumière sous un angle inférieur à celui correspondant à la réflexion totale à la surface de la couche de couverture. Dans le cas d'un ou plusieurs sillons en forme de V revêtus d'un filtre optique, on peut régler la sensibilité spectrale du pho- tomètre. Si le photomètre utilise plusieurs sources de rayonne-ment et/ou plusieurs détecteurs de rayonnement avec des sillons associés à section en forme de V et des sillons à section en forme de V munis de revêtement pour une transmission spectrale différente, on peut réaliser une mesure simultanée dans des plages de longueur d'onde différentes et augmenter ainsi la précision de la mesure. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche de couverture est fixée à l'aide de verre fondu. Ainsi le photomètre est étanche en permanence ce qui le protège contre les influences extérieu- res. Si la couche de couverture est en quartz, elle peut être fixée par liaison anodique à la plaquette formant substrat. Si les cavités du photomètre sont remplies de gaz protecteur, la surface intérieure est alors protégée d'une manière particuliè- rement efficace contre l'encrassage et la corrosion. Si la source de rayonnement est appliquée sur une membrane ou au-dessus d'une cavité ou au-dessus d'une couche d'isolation thermique en silicium poreux oxydé, on a une isolation thermique particulièrement bonne et le rendement de la source de rayonnement est particulièrement élevé. Un mode de réalisation avec des éléments bien intégrés prévoit de réaliser la source de rayonnement comme couche de polysilicium ou de métal ou d'un fil métallique. On obtient un degré d'émission élevé pour la source de rayonnement et ainsi un rapport de signal utile du photomètre plus élevé par rapport au bruit si la surface de la source de rayonnement est structurée pour augmenter le degré d'émission. Un mode de réalisation économique, stable et insensible aux vibrations prévoit de réaliser le détecteur de rayonnement sous la forme d'une thermopile. En variante le détecteur de rayonnement peut également être réalisé sous la forme d'un détecteur piézo-électrique pour arriver à une capacité de détection plus importante de façon caractéristique multipliée par 10. Si le détecteur de rayonnement est réalisé sur une mem- brane notamment sur une membrane au-dessus d'une cavité ou sur une couche en silicium poreux oxydé, on aura une sensibilité particulièrement élevée. A côté du détecteur de rayonnement utilisé pour la me-sure, on peut également prévoir un détecteur de référence ce qui stabilise le photomètre vis-à-vis des influences extérieures telles que les variations de température. En outre, on peut détecter une variation de l'intensité de la source de rayonnement même en cas de modification par vieillissement et compenser cette modification. Si une couche de protection est prévue au-dessus du dé- tecteur de référence, on évite d'influencer le chemin de référence à travers le milieu. On aura un montage à résolution locale particulièrement élevée, obtenue de manière économique si plusieurs photomètres sont prévus sur une plaquette de substrat. Si la couche de couverture comporte des biomolécules et/ou des couches d'adsorption chimiques et/ou des couches absorption chimiques, on peut analyser sélectivement des composés qui eux-mêmes sont actifs aux infrarouges ou qui, en combinaison avec des modules de la couche de couverture, ont une activité aux infrarouges. En outre, on peut mesurer de manière sélective des biomolécules sans les marquer par fluorescence ou radioactivité. Un mode de réalisation particulièrement simple à intégrer et réalisable par des procédés connus prévoit des chemins conducteurs métallisés pour assurer la liaison électrique du photomètre sur la pla- quette de substrat. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un photomètre RTA, intégré correspondant à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 montre un photomètre RTA avec des sillons en forme de dents de scie, - la figure 3 montre un photomètre RTA avec une référence intégrée, et - la figure 4 montre un réseau de photomètres RTA. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un photomètre RTA 10 correspondant à un mode de réalisation de l'invention. Une plaquette de substrat 16 comporte des cavités pour une source de rayonnement 20 et un détecteur de rayonnement 22; la source de rayonnement 20 et le détecteur de rayonnement 22 sont prévus sur une membrane 21 au-dessus d'une cavité 24 ou d'une couche de silicium poreux oxydé prévu à cet endroit pour assurer une meilleure isolation thermique. Cela permet un meilleur rendement de la source de rayonnement 20 et une meilleure sensibilité du détecteur de rayonnement 22. La plaquette de substrat 16 est couverte par un couvercle 11 qui peut être réalisé comme plaquette de couverture et sert à guider le rayonnement généré par la source de rayonnement 20. En réflexion à la surface de la couche de couverture 11, le rayonnement arrive dans le milieu optiquement moins dense 30 et se développe jusqu'à un second point situé au-delà dans la direction de circulation du faisceau lumineux, comme onde de surface sur la couche de couverture 11 optiquement plus dense pour pénétrer ensuite de nouveau dans le milieu optiquement moins dense c'est-à-dire la cou- che de couverture 11. Si le milieu optiquement moins dense 30 absorbe le rayonnement, cela peut se mesurer comme atténuation du faisceau lumineux. Après cette réflexion, le rayonnement ou faisceau est appliqué au détecteur de rayonnement 22 ou arrive sur la couche réfléchissante 12 qui le réfléchit en direction du milieu 30 et permet une autre opération de mesure avec le même rayonnement. Cela permet d'augmenter la sensibilité du montage. La couche de couverture 11 protège le système vis-à-vis du fluide 30 à mesurer et protège aussi l'appareil de mesure contre les influences extérieures. La couche de couverture 11 comporte des sillons 13 pour coupler le rayonnement généré par la source de rayonnement dans la couche de couverture 11. Des sillons 13 de même type servent au découplage du rayonnement vers le détecteur de rayonnement 22. Les sillons peuvent être revêtus de filtres par exemple des filtres d'interférence pour que le photomètre ne mesure le rayonnement que dans une certaine plage. Latéralement au-dessus de la source de rayonnement 20 et du détecteur de rayonnement 22, la couche de couverture 11 peut comporter des sillonstranchées 14. De tels sillons 14 augmentent le rendement du rayonnement car la lumière émise par la source de rayonnement 20 est réfléchie en direction du détecteur de rayonnement 22 alors que sans ces sillons, le rayonnement serait perdu pour la me-sure. La plaquette de substrat 16 et la couche de couverture 11 de l'exemple de réalisation présenté sont reliées de manière étanche et permanente par du verre fondu 15. La figure 2 montre une structure sans les sillons-tranchées 14 utilisés à la figure 1. Pour cela, les sillons 13 ont une forme en dents de scie ce qui assure le couplage du rayonnement de la source de rayonnement 20 seulement en direction du récepteur de rayonnement 22 à partir de la couche de couverture 11. Les flancs des sillons 13 peuvent également être revêtus de filtres. Les sillons 13 peu-vent être perpendiculaires à la vue présentée c'est-à-dire sous forme de polygones et de cercles. Pour alimenter à partir d'une seule source de rayonnement 20 plusieurs détecteurs de rayonnement 22 et réaliser ainsi plusieurs chemins de mesure. Les chemins de mesure peuvent avoir une sensibilité spectrale différente. La figure 3 montre un photomètre 10 avec un chemin de référence intégré. Le rayonnement émis par la source de rayonnement 20 est couplé dans la couche de couverture 11 grâce aux sillons 13; le rayonnement est dirigé vers la droite sur le détecteur de rayonnement 22 prévu sur la membrane 21. La fraction du rayonnement dirigé vers la gauche est appliquée au détecteur de référence 23. Dans cette zone, le côté tourné vers le milieu 30 comporte une couche protectrice 17 pour que le rayonnement ne soit pas influencé par le milieu 30. La partie gauche du photomètre 10 peut ainsi détecter des variations de l'intensité de la source de rayonnement 20 ainsi que le vieillissement et fournir des signaux de correction. La figure 4 montre un réseau de photomètres 10 installés sur une plaquette de substrat 16 commune. On peut réaliser un sys- tème à résolution locale pour mesurer l'absorption infrarouge. Le rayonnement est émis par une source de rayonnement 20 et est fourni aux détecteurs de rayonnement 22. Les sillons-tranchées 14 peuvent servir à délimiter. Un seul photomètre 10 se trouve ainsi entre la limite gauche 40 indiquée schématiquement et la limite droite 41. Des molécules indicatrices 31 peuvent être immobilisées sur la face supérieure de la couche de couverture 11. Ces molécules peuvent fixer certaines biomolécules 32 de manière sélective telle que par exemple ssDNA ou des protéines et permettent ainsi de détecter leur présence. Il est avantageux que cela soit possible sans utiliser des mar- queurs par fluorescence ou radioactivité. La couche de couverture 11 peut également avoir des couches d'adsorption ou d'absorption chimiques sélectives qui permettent de détecter des substances à activé infra-rouge. En outre, cette détection de substances est également possible si la combinaison au revêtement de la couche de couverture 11 modifie l'activité infrarouge. REVENDICATIONS 1 ) Photomètre à réflexion totale atténuée (10) comportant une source de rayonnement (20), une couche de couverture (11) et un détecteur de rayonnement (22), caractérisé en ce que la source de rayonnement (20), la couche de couverture (11) et le détecteur de rayonnement (22) sont intégrés sous la forme d'un nid de composants. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de couverture (11) est une plaquette de couverture en silicium. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de couverture (11) est une plaquette de couverture en quartz. 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des éléments optiques tels que des sillons (13) à section en forme de V ou des sillonstranchées (14) sont intégrés dans la couche de couverture (11). 5 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que un ou plusieurs sillons (13) à section en forme de V sont revêtus d'un filtre optique. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par plusieurs sources de rayonnement (20) et/ou plusieurs détecteurs de rayonnement (22) comportant des sillons (13) à section en forme de V munis d'un revêtement avec une transmission spectrale différente. 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de couverture (11) est fixée à l'aide de verre fondu (15). 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de couverture (11) est fixée par une liaison anodique. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les cavités du photomètre (10) sont remplies de verre protecteur. 10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement (20) est appliquée sur une membrane (21) au-dessus d'une cavité (24) ou par une couche à isolation thermique en silicium poreux oxydé. 11 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement (20) est réalisée sous la forme d'une couche de polysilicium ou de métal ou d'un fil métallique. 12 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la source de rayonnement (20) est structurée pour augmenter le degré d'émission. 13 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement (22) est réalisé sous la forme d'une thermopile ou d'un détecteur pyroélectrique. 14 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement (22) est appliqué sur une membrane (21) notamment une membrane (21) au-dessus d'une cavité (24) ou par l'intermédiaire d'une couche en silicium poreux oxydé. 15 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' en plus du détecteur de rayonnement (22) utilisé pour la mesure, il est prévu un détecteur de référence (23). 16 ) Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par une couche protectrice au-dessus du détecteur de référence (23). 17 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par plusieurs photomètres (10) installés sur une plaquette formant substrat (16). 18 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de couverture (11) comporte des biomolécules et/ ou des couches d'adsorption chimiques et/ou des couches d'absorption chimiques. 19 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des chemins conducteurs métallisés réalisés sur la plaquette de substrat (16) pour assurer la liaison électrique des photomètres (10).