Brevet FR2924107A1 — publié le 20090529

Domaine de l'invention La présente invention concerne un élément de capteur pour des mesures optiques ou spectroscopiques qui comporte au moins : - une plaquette de capteur équipée d'une installation de mesure sensible au rayonnement, - une plaquette en forme de capuchon fixée sur la plaquette de capteur par au moins une liaison étanche au vide, - un espace libre réalisé entre la plaquette en forme de capuchon et l'installation de mesure, cet espace étant rendu étanche par au moins une liaison étanche au vide, et - une structure de zones de Fresnel pour regrouper le rayonnement incident sur l'installation de mesure. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel élément de capteur pour des mesures optiques et spectroscopiques. Etat de la technique Les systèmes micro-électromécaniques ou encore appelés systèmes MEMS, utilisant des capteurs à infrarouge sont entre autres utilisés pour la mesure spectroscopique servant à déterminer les concentrations de gaz. Pour cela, on les place dans un boîtier métallique, en particulier un boîtier TO dans lequel on fait le vide. Dans ce boîtier, la plaquette se trouve au fond du boîtier fermé par un capuchon métallique assurant une étanchéité hermétique et dans laquelle est intégrée une fenêtre optique. La fenêtre optique peut également être réalisée sous la forme d'une lentille pour regrouper le rayonnement. De telles réalisations sont relativement encombrantes et coûteuses. On connaît des capteurs intégrés correspondants pour lesquels la plaquette de capteur est fermée par une plaquette en forme de capuchon, rapportée de manière hermétique étanche. Le capteur ainsi encapsulé est en général installé avec un élément optique supplémentaire, à distance définie entre le capteur et l'élément optique, pour permettre un regroupement du rayonnement utilisable en optique. Il est en outre connu de réaliser un regroupement du faisceau ou rayonnement par des lentilles de Fresnel. Pour cela, on réalise des structures tridimensionnelles à la surface d'une plaquette. En déposant du silicium et de l'air, on réalise une variation importante de l'indice de réfraction ce qui se traduit par le réglage d'un indice de réfraction effectif, localement indépendant. On obtient ainsi un effet de collecte et de plus un effet de diffraction de sorte que le rayonnement électromagnétique qui passe est décomposé en son spectre. La structure de la lentille peut être conçue pour ne projeter qu'une longueur d'onde de mesure caractéristique sur la surface active de l'installation de mesure et éviter ainsi des éléments de filtre supplémentaires. De telles structures tridimensionnelles sont développées pour des longueurs d'onde dans une plage inférieure au micron (�m). Si du liquide arrive sur la surface de la lentille, l'effet de lentille et de filtre ne sera plus assuré. La structure tridimensionnelle ainsi réalisée évite d'avoir à nettoyer la surface de la lentille ou encore de vaporiser complètement le liquide. Pour de telles structures miniatures, les forces d'adhérence peuvent accentuer le développement des gouttelettes de rosée. En particulier, dans le domaine automobile, on pourra avoir une contamination par contact avec les différentes matières telles qu'un brouillard d'eau et d'huile. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un élément de capteur pour des mesures optiques et spectroscopiques du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la structure de zones de Fresnel est réalisée dans la plaquette en forme de capuchon. Selon l'invention, la structure de lentille à zones de Fresnel n'est pas une structure tridimensionnelle sur la surface supérieure d'une plaquette mais elle est réalisée à l'intérieur de la plaquette formant capuchon ou capsule. Elle peut s'obtenir notamment par le dopage de zones caractéristiques. C'est ainsi que selon l'invention, on peut réaliser une lentille à zones de Fresnel, intégrées dans la plaquette en forme de capsule, en ayant une surface supérieure plane. L'invention repose sur la considération qu'un dopage permet d'obtenir des indices de réfraction très différents. Comme l'indice de réfraction est proportionnel à la diélectricité, par de forts dopages de la matière, on pourra obtenir des variations importantes de l'indice de réfraction ce qui permet d'éviter des structures tridimensionnelles pour la lentille de Fresnel. Il est également possible de prévoir la réalisation dans la plaquette en forme de capuchon. Cela élimine les problèmes d'une surface supérieure à structure tridimensionnelle que l'on a dans l'état de la technique. Selon l'invention, on peut avoir une surface supérieure plane qui rend difficile l'adhérence de substances venant de l'extérieur et dont le comportement optique ne dépend pas ou seulement très faiblement de matières accrochées à l'extérieur telles que de l'eau ou de l'huile. En outre, il est possible de nettoyer des impuretés par évaporation totale et le cas échéant également de prévoir un nettoyage mécanique simple sans risque d'endommagement. La succession selon l'invention de zones à dopage différent en particulier de zones faiblement dopées et de zones fortement dopées sous la forme d'une structure d'anneaux concentriques, conduit à un indice de réfraction efficace, dépendant du lieu dans la structure. En conséquence, le rayonnement incident dans les zones latérales extérieures qui ont un indice de réfraction efficace élevé ou dans les zones fortement dopées qui ont un écart radial plus important, sera plus fortement réfracté qu'au milieu de la structure annulaire ; il en résulte l'effet de regroupement selon l'invention et ainsi l'effet de lentille à zones de Fresnel qui permet de concentrer le rayonnement incident sur l'installation de mesure sensible ou sur sa structure sensible. Selon l'invention, il est notamment prévu un dopage des zones. En variante du dopage, les zones peuvent être réalisées avec un indice de réfraction différent dans le substrat de la plaquette en forme de capuchon, en principe également par une modification chimique, par exemple par une oxydation ou nitruration de la matière Si. Selon l'invention la conception concerne également le rayonnement dans le domaine de l'infrarouge en particulier également dans le domaine des longueurs d'onde d'absorption de gaz telles que celles pour le CO2, les oxydes d'azote ou autres car cela permet de réaliser des structures avec des ordres de grandeurs appropriés. Cela permet selon l'invention d'utiliser notamment également un capteur spectroscopique pour mesurer l'absorption du rayonnement infrarouge IR du gaz carbonique CO2, pour déterminer une éventuelle fuite d'agent de refroidissement contenant du gaz carbonique CO2 ou l'enrichissement en CO2 de l'air à l'intérieur d'un véhicule automobile. L'élément de capteur selon l'invention peut ainsi être réalisé sans moyen optique supplémentaire pour regrouper des faisceaux c'est-à-dire sans utiliser de lentille supplémentaire placée dans le chemin du faisceau. La structure à zones de Fresnel selon l'invention regroupe avantageusement non seulement le rayonnement incident d'une zone de longueur d'onde autour d'une longueur d'onde centrale sur l'installation de mesure sensible, de façon à ne pas nécessiter d'éléments de filtre supplémentaires, sélectifs vis-à-vis des longueurs d'onde. L'invention permet la fabrication d'une plaquette plane avec une structure séparée réalisée pour la plaquette de capteur et pour la plaquette de capuchon que l'on assemble ensuite de façon que les différents éléments de capteur puissent être réalisés séparément. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un élément de capteur selon l'invention installé sur un support de circuit, l'ensemble étant coupé verticalement, - la figure 2 est une coupe verticale de la plaquette en forme de capuchon selon l'invention, et - la figure 3 est une vue de dessus de la plaquette en forme de capuchon. Description des modes de réalisation Un élément de capteur 1 selon l'invention comporte une plaquette de capteur 2 équipée d'une installation de mesure 3 sensible au rayonnement infrarouge. Sur le capteur 2, une plaquette en forme de capuchon ou de capsule 6 est fixée par l'intermédiaire d'une liaison en verre de scellement 5, étanche vis-à-vis du vide, sur une matière vitreuse à faible température de fusion. La plaquette en forme de capuchon 6 comporte dans sa face intérieure 7 une caverne réalisée par une gravure à la potasse KOH, qui forme ainsi un espace libre 7 entre l'installation de mesure 3 et la plaquette en forme de capuchon 6. Le vide est réalisé dans cet espace libre 7. L'installation de mesure 3 est connue en tant que telle Elle peut présenter une structure par exemple de thermopile et l'isolation thermique dans la plaquette de capteur 2 peut se faire par une cavité 4. L'installation de mesure 3 peut également comporter des photodiodes, des photorésistances ou autres éléments sensibles vis-à-vis du rayonnement concerné ; de tels éléments ne nécessitent pas de cavité 4. Selon l'invention, la face supérieure 8 de la plaquette en forme de capuchon 6 est plane ou lisse. La face inférieure 9 dans la zone au-dessus de la cavité 7 est également de préférence plane. Une lentille à zones de Fresnel 12 est réalisée dans la plaquette en forme de capuchon 6 pour focaliser le rayonnement incident 10. La lentille à zones de Fresnel 12 est formée par une structure en anneaux qui apparaît notamment figure 3. Cette structure est constituée par des zones dopées 14 et des zones non dopées 15. Ces zones sont réalisées sur la face supérieure 8 de la plaquette en forme de capuchon 6. Pour cela, on peut réaliser par exemple des zones 14 à faible dopage de type n dans le silicium de la plaquette en forme de capuchon 6 par exemple à dopage p. De manière avantageuse, les zones 14 sont fortement dopées c'est-à-dire à dopage de type n+ pour avoir une différence plus importante de dopage entre les zones 14 et les zones 15 intermédiaires de la plaquette en forme de capuchon 6. La relation de proportionnalité entre la constante diélectrique e et l'indice de réfraction n s'obtient grâce à la différence élevée de dopage qui donne une différence significative pour l'indice de réfraction. La structure annulaire précise selon la figure 3 est définie par le principe de la lentille à zones de Fresnel ou plaque à zones de Fresnel, avec diffraction au niveau de la structure annulaire. Du fait de la distance importante de l'objet par comparaison à la distance focale, 10 c'est-à-dire la très grande distance de la source de lumière infrarouge IR par rapport à la lentille à zones de Fresnel 12 (en particulier pour un rayonnement incident parallèle c'est-à-dire un objet situé à l'infini) pour les anneaux Ri de rayon ri respectifs et pour un indice de réfraction n;, alterné pour une longueur d'onde de mesure Ào caractéristique, et pour la distance verticale H entre la face supérieure 8 et l'installation de mesure 3, on a l'équation suivante : ri =.j2'4H i=1,2,3... Les anneaux Ri de rayon ri sont formés par une alternance de zones 14 et de zones 15. Les rayons ri c'est-à-dire les 15 écarts latéraux des zones 14, 15 par rapport à l'axe optique A, avec i=1, 2, 3... augmentent vers l'extérieur. La largeur ai des différents anneaux Ri diminue vers l'extérieur. La hauteur verticale h des zones latérales 14 est avantageusement constante. Le rayonnement 10 est plus fortement réfracté dans les 20 zones latérales extérieures qui ont un indice de réfraction efficace élevé qu'au centre de la structure annulaire. On obtient ainsi l'effet de regroupement ou de focalisation connue pour la plaque à zones de Fresnel. La structure présentée figures 2 et 3 pour les zones dopées 14 est choisie pour que l'installation de mesure 3 corresponde précisément 25 à la longueur d'onde de mesure Ào caractéristique, par exemple la longueur d'onde d'absorption de CO2 au foyer de la lentille à zones de Fresnel 12. De manière avantageuse, on élimine d'autres longueurs d'onde À ou on ne regroupe que le rayonnement incident 10 d'une plage de longueurs d'onde AX autour de la longueur d'onde de mesure Ào 30 comme longueur d'onde centrale sur l'installation de mesure 3, sensible de façon qu'aucun autre filtre spécifique à d'autres longueurs d'onde ne soit nécessaire. La distance verticale H entre la face supérieure 8 et l'installation de mesure 3 est choisie de manière appropriée en fonction 35 de la longueur d'onde de mesure Ào, de l'indice de réfraction des zones 14, 15 en tenant compte de la réalisation géométrique ri de la structure annulaire des zones dopées 14 ainsi que de la réfraction de la lumière sur la face inférieure 9 de la plaquette en forme de capuchon 6. L'élément de capteur 1 présenté ne comporte ainsi aucune lentille supplémentaire ni miroir ni autres moyens optiques de regroupement du faisceau. La focalisation du rayonnement infrarouge IR incident 10 se fait pour la longueur d'onde de mesure Ào caractéristique ou dans la plage des longueurs d'onde AX autour de la longueur d'onde de mesure Ào comme longueur d'onde centrale selon le principe de la lentille à zones de Fresnel exclusivement par réfraction, diffraction et interférences. A la place du rayonnement infrarouge IR 10, la lentille à zones de Fresnel 12 peut en principe être également conçue pour le rayonnement optique visible. L'élément de capteur 1 selon l'invention peut être conçu notamment pour des applications en bande large par exemple comme capteur de température de surface caractéristique par exemple pour des longueurs d'onde dans une plage de 8 �m à 14 �m. La réalisation peut se faire sur une plaquette plane selon l'invention. On réalise la structure d'une plaquette de capteur 2 et d'une plaquette en forme de capuchon ou de capsule 6. Dans la face arrière de la plaquette en forme de capuchon 6, on réalise une cavité 7 par une gravure à la potasse KOH et à partir de la face supérieure 8, on réalise les zones dopées 14 par un procédé de dopage tel que l'implantation ionique ou un autre procédé de dopage, le cas échéant en utilisant une technique de masques appropriée. Ensuite, on fixe la plaquette en forme de capuchon sur la plaquette en forme de capteur par des liaisons de verre de scellement 5 et on sépare les différents éléments de capteur 1 en sciant la pile de plaquettes. 20 REVENDICATIONS 1 °) Elément de capteur pour des mesures optiques ou spectroscopiques qui comporte au moins : - une plaquette de capteur (2) équipée d'une installation de mesure (3) 5 sensible au rayonnement (10), - une plaquette en forme de capuchon (6) fixée sur la plaquette de capteur (2) par au moins une liaison (5) étanche au vide, - un espace libre (7) réalisé entre la plaquette en forme de capuchon (6) et l'installation de mesure (3), cet espace étant rendu étanche par 10 au moins une liaison (5) étanche au vide, et - une structure de zones de Fresnel (12) pour regrouper le rayonnement incident (10) sur l'installation de mesure (3), caractérisé en ce que la structure de zones de Fresnel (12) est réalisée dans la plaquette en 15 forme de capuchon (6). 2°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le côté supérieur (8) de la plaquette en forme de capuchon (6) est plane. 3°) Elément de capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face inférieure (9) de la plaquette en forme de capuchon (6) est plane. 25 4°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de zones de Fresnel (12) est réalisée de façon adjacente à la face supérieure (8) et/ou la face inférieure (9) de la plaquette en forme de capuchon (6). 30 5°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de zones de Fresnel (12) comporte des zones dopées (14) dans la plaquette en forme de capuchon (6). 356°) Elément de capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure à zones de Fresnel (12) est réalisée par une alternance d'anneaux (Ri) formés de zones (14, 15) présentant des dopages différents. 7°) Elément de capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que des zones dopées (14) de forme annulaire sont réalisées sur la face supérieure (8) et/ou la face inférieure (9) et entre celles-ci il subsiste des zones (15) de la matière du substrat de la plaquette en forme de capuchon (6). 8°) Elément de capteur selon les revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les zones dopées (14) sont fortement dopées de préférence avec un type de porteur de charge opposé à celui du substrat de la plaquette en forme de capuchon (6). 9°) Elément de capteur selon les revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les zones dopées (14) sont réalisées avec pratiquement la même hauteur verticale (h). 10°) Elément de capteur selon les revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la largeur (ai) des zones dopées (14) diminue vers l'extérieur dans la direction radiale. 11°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure des zones de Fresnel (12) regroupe un rayonnement incident (10) d'une plage de longueur d'onde (A) autour d'une longueur d'onde centrale de mesure (Ào) sur l'installation de mesure sensible (3). 30 3512°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de mesure sensible (3) est sensible aux rayonnements infrarouges (10) et la structure à zones de Fresnel (12) regroupe les rayonnements infrarouges incidents (10). 13°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est conçu comme capteur de température de surface par exemple pour des longueurs d'onde dans la plage comprise entre 8 �m et 14 �m. 14°) Elément de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte comme installation optique et comme filtre spectral uniquement la lentille à zones de Fresnel (12) et ne comporte aucune autre installation optique sélective vis-à-vis des longueurs d'onde et qui regrouperait le rayonnement (10). 15°) Procédé de fabrication d'un élément de capteur selon les revendications 1 à 14, comprenant les étapes suivantes : - fabrication d'une plaquette de capteur (2) avec plusieurs installations de mesure sensibles (3), - mise en structure d'une plaquette en forme de capuchon (6) par les étapes suivantes : - gravure du dos (9) de la plaquette en forme de capuchon (6) pour réaliser plusieurs cavités (7), - mise en structure notamment dopage des zones (14) sur la face supérieure (8) de la plaquette en forme de capuchon (6) comme structure à zones de Fresnel (12) avec des anneaux (14), radialement concentriques ayant des rayons (ri) différents, - mise en place et assemblage étanche au vide de la plaquette en forme de capuchon (6) sur la plaquette de capteur (2) par des liaisons (5) étanches au vide de façon que chaque fois une structure à zones de Fresnel (12) soit prise au-dessus d'une 511 installation de mesure sensible (3) et séparation de la pile de plaquettes ainsi réalisée pour obtenir plusieurs éléments de capteur (1) . 10