Brevet FR2941578A1 — publié le 20100730

Titre de l'invention Dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs d'émission de rayonnement infrarouge pulsé, émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectral [9pm; 10pm]. Une telle émission d'infrarouges est destinée à l'utilisation dans des appareils de mesure de l'absorption par l'éthanol des infrarouges situés dans l'intervalle évoqué. En général, de tels appareils de mesure basés sur une absorption dans l'infrarouge utilisent un détecteur pyroélectrique dont le fonctionnement n'est possible qu'en combinaison avec une émission d'infrarouges pulsée. Ces appareils utilisent alors en général une source continue d'infrarouges associée à un élément en rotation permettant de masquer périodiquement cette source afin de générer un signal alternatif périodique reproductible. Un tel élément en rotation est communément appelé "chopper". L'utilisation d'un tel élément en rotation implique l'implantation d'un moteur capable de fournir un mouvement de rotation constant et totalement régulier, de manière à assurer la reproductibilité des impulsions de rayonnement infrarouge. Par ailleurs, il est connu qu'il est difficile de produire des impulsions reproductibles dans le domaine de longueurs d'ondes des infrarouges en commandant un composant électronique de manière alternative. En effet, des comportements thermiques évolutifs en fonction du fonctionnement de tout composant électronique sont nécessairement rencontrés et rendent difficile l'obtention d'une reproductibilité d'une émission infrarouge pulsée. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de palier les inconvénients de l'art antérieur, en proposant un dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectral [9pm,10pm] pour une utilisation dans un appareil éthylomètre comprenant une cuve de mesure dans laquelle sont réalisées des mesures d'absorption, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module d'alimentation apte à fournir un courant pulsé reproductible à une fréquence de pulsation voulue et un module d'émission constitué d'un substrat plan sur lequel est placé un élément chauffant réalisé en matériau conducteur, cet élément chauffant étant revêtu(e) d'une couche apte à diffuser la chaleur sur laquelle est placée une couche mince d'au moins un matériau semi-conducteur, l'élément chauffant étant alimenté avec le courant pulsé fourni par le module d'alimentation. Avantageusement, dans l'application visée des éthylomètres, la fréquence de pulsation voulue est comprise entre 3 et 10 Hz pour les besoins de la combinaison émetteur/récepteur. Il a été découvert par les inventeurs que, de manière surprenante, les modules comprenant un élément chauffant constitué d'une couche conductrice ou d'un filament conducteur faisant office de résistance chauffante entre un substrat et une couche mince d'un matériau semi conducteur, cette couche semi conductrice étant isolée de la couche conductrice par une couche diffusante de chaleur, émettent des impulsions de rayonnement infrarouge tout à fait reproductibles dans l'intervalle spectral visé lorsque la couche conductrice est alimentée par un courant pulsé à une fréquence de pulsation voulue. Néanmoins, il faut noter que de tels modules d'émission, fonctionnant sur le principe de l'émission d'un rayonnement calorique, génèrent un rayonnement isotrope sur le demi-espace supérieur du module d'émission. En particulier, un composant présentant la constitution d'un module d'émission tel que défini dans l'invention est avantageusement un capteur de gaz réducteur à semi-conducteur utilisant une variation de conductivité du matériau semi-conducteur en fonction de l'adsorption du gaz sur ce matériau. Selon cette implémentation particulièrement avantageuse de l'invention, un tel composant est détourné de la fonction première pour laquelle il est conçu. Dans son application première, un tel capteur subit une réaction chimique sur la couche sensible faisant varier sa conductivité électrique. Cette couche sensible est chauffée à haute température grâce au filament conducteur. L'utilisation d'un tel capteur dans une autre application consiste, non plus à regarder les tensions aux bornes de la couche sensible mais, à alimenter uniquement le filament conducteur pour que le module d'émission émette un rayonnement infrarouge. Cela est une utilisation totalement originale et nouvelle d'un capteur de gaz présentant les caractéristiques ci-dessus évoquées. En particulier, on sait que ces composants émettent un rayonnement infrarouge sensiblement isotrope dans un demi-espace générant une perte d'énergie dans le cas où une canalisation de l'énergie est souhaitée. Selon une caractéristique avantageuse, le module d'émission est muni d'un cône émetteur dont la surface réfléchit les infrarouges et dont l'ouverture angulaire permet une transmission accrue de l'énergie infrarouge dans une cuve de mesure tubulaire dans laquelle est mesurée l'absorption des infrarouges et l'établissement d'une pluralité de chemins optiques de longueur supérieure à celle de la cuve de mesure tubulaire. Cette caractéristique donne à la caractéristique d'émission du module d'émission, tel que défini selon l'invention, une sélectivité angulaire. La présence du cône émetteur évite, en effet, la perte de rayonnement sur les cotés du module d'émission. En absence d'un tel cône, ces rayonnements latéraux disparaissent et ne sont pas efficaces dans l'émission des infrarouges qui doivent être émis dans une ouverture angulaire réduite autour d'un axe optique perpendiculaire à la surface du module d'émission. Selon cette caractéristique, le cône émetteur est particulièrement adapté à une transmission accrue de l'énergie dans une cuve de mesure tubulaire, dans laquelle est mesurée une absorption d'infrarouge. La présence du cône émetteur permet, en outre, de récupérer des rayons faisant des angles variés avec l'axe optique du module d'émission, cela favorisant l'établissement d'une pluralité de chemins optiques pour le rayonnement infrarouge, ces chemins optiques étant, par réflexion sur la surface du cône émetteur, puis dans la cuve de mesure tubulaire, d'une longueur supérieure, voire largement supérieure, à celle de la cuve de mesure. Cela est important de multiplier la longueur et le nombre des chemins optiques puisqu'il s'agit d'une mesure d'absorption. En effet, l'utilisation du dispositif d'émission de rayonnement infrarouge pulsé reproductible selon l'invention est destinée à la fabrication d'appareils de mesure de l'absorption des infrarouges. Ce dispositif d'émission pulsée est alors couplé avec un détecteur pyroélectrique qui ne peut détecter la quantité de rayonnement infrarouge que lorsque ce rayonnement est pulsé. Cela implique aussi que le rayonnement, tel que reçu par l'élément pyroélectrique, ait traversé une longueur suffisamment importante dans le fluide absorbeur pour que la mesure d'absorption puisse être d'une précision suffisante pour les exigences de l'appareil de mesure concerné. La présence du cône émetteur permet de renforcer la quantité d'énergie émise dans l'ouverture angulaire qui correspond à celle du cône, et donc de renforcer la quantité d'énergie envoyée dans la cuve de mesure. La présence du cône permet en outre qu'une quantité suffisante de chemins optiques suffisamment longs soit effectués dans la cuve de mesure pour assurer une absorption suffisamment quantitative pour que la mesure soit fiable et suffisamment résolue. Selon une réalisation avantageuse, l'ouverture angulaire du cône émetteur est comprise entre 10° et 45°.Préférentiellement, l'ouverture angulaire est comprise entre 35° et 40°. Idéalement, l'angle est autour de 38°. Une telle ouverture angulaire correspond classiquement à un compromis entre la possibilité de réfléchir les rayons et la minimisation des pertes par absorption par la matière constituant le cône émetteur. Il faut aussi noter que le module d'émission peut être réalisé de diverses manières et avec différents matériaux. Notamment, la couche conductrice ou le filament conducteur peut être réalisé en un métal choisi parmi le platine, l'or, l'argent ou le cuivre, ou encore être réalisé en polysilicium dopé. Ces caractéristiques autorisent diverses fabrications à des coûts divers du module d'émission tel que mis en oeuvre selon l'invention. Il faut noter, néanmoins, que l'utilisation de platine autorise une très bonne commande des impulsions, le transfert d'énergie se faisant alors de manière tout à fat satisfaisante vers les éléments voisins de la couche conductrice et en autorisant une très bonne reproductibilité des impulsions de rayonnement infrarouge obtenues. La couche mince semi conductrice, aussi dite couche sensible, est avantageusement réalisée en oxyde métallique. Parmi ces oxydes, on note en particulier les oxydes d'Etain, d'Aluminium, de Tungstène, de Silice, de Niobium. En particulier, l'association d'un fil de platine avec une couche semi conductrice mince d'oxyde d'Etain permet d'obtenir un module d'émission qui émet des impulsions reproductibles, dès lors que ce fil est alimenté avec un courant périodique pulsé. Avantageusement, l'oxyde métallique est dopé. Cela n'a pas réellement d'incidence sur le comportement thermique et donc sur le rayonnement infrarouge du module d'émission. Néanmoins, le dopage de l'oxyde métallique peut répondre à d'autres exigences du module d'émission, celui-ci pouvant servir à d'autres applications. Dans des réalisations de l'invention, le substrat peut être réalisé en un matériau choisi parmi les céramiques ou les substrats à base de silicium. De tels substrats communément utilisés dans le domaine des semi-conducteurs autorisent l'obtention d'une source infrarouge pulsée reproductible. Selon une caractéristique avantageuse, une membrane limitatrice de diffusion thermique est insérée entre le substrat et la couche conductrice. Cette caractéristique améliore encore le comportement thermique du composant en stabilisant les phénomènes thermiques. Avantageusement, la longueur de la cuve est choisie de telle manière que l'on obtienne les mesures d'absorption en respectant un écart-type de 0,007 mg/l pour des concentrations inférieures à 0,4 mg/I, un écart-type relatif inférieur à 1,75% pour les concentrations supérieures ou égales à 0,4 mg/l et inférieures ou égales à 2 mg/l et inférieur à 6% pour les concentrations supérieures ou égales à 2 mg/l. Cette caractéristique assure que l'appareil de mesure obtenu soit considéré comme un éthylomètre et non comme un éthylotest. En outre, il sera avantageux que l'erreur maximale tolérée soit de 0,02 mg/l en plus ou en moins pour des concentrations inférieures à 0,4 mg/I, que l'erreur maximale tolérée relative soit de 5% pour les concentrations supérieures ou égales à 0,4 mg/l et inférieures ou égales à 2 mg/l et de 20% pour les concentrations supérieures ou égales à 2 mg/l. Enfin, l'invention concerne également l'utilisation d'un capteur de gaz réducteur à semi conducteur, utilisant une variation de conductivité du matériau semi conducteur en fonction de l'adsorption du gaz sur ce matériau. Dans la fabrication d'un dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectral [9; 10pm] selon l'invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description fait ci-dessous, en référence aux figures annexées qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif, figures sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'émission de rayonnement infrarouge selon l'invention sur laquelle figure un exemple de signal périodique constitué de pulses reproductibles tel que fourni en entrée du dispositif d'émission de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un module d'émission tel que mis en oeuvre dans un dispositif selon l'invention, la figure 2A est une vue de dessus et la figure 2B est une vue en coupe du module d'émission selon un mode de réalisation avantageux d'un cône émetteur selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement les éléments essentiels d'un dispositif de mesure de la concentration d'un gaz dans une cuve de mesure par absorption infrarouge. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'émission de rayonnement infrarouge selon l'invention. Ce dispositif comprend un module d'alimentation 1, apte à fournir un courant I périodique pulsé ou une tension V également périodique et pulsée. Cette tension V ou ce courant I est fournie à l'entrée d'un module d'émission 2, éventuellement muni d'un cône émetteur 3, pour la production d'un rayonnement infrarouge IR par le module d'émission 2. L'alimentation de l'émetteur est donc réalisée par une électronique qui permet de générer un signal constitué de pulses réguliers tel que représenté sur la figure 2. La figure 3 représente la constitution d'un module d'émission 2 tel qu'utilisé dans un dispositif d'émission de rayonnement infrarouge selon l'invention. Ainsi que visible sur la figure 3B, le module d'émission 2 comprend un substrat 20 réalisé en silicium ou en céramique, sur lequel une membrane 21 est placée. Cette membrane 21 est recouverte d'une couche d'isolant électrique 22 dans laquelle est intégrée une couche de matériau conducteur 23. Une autre couche de matériau isolant 24 et diffuseur de chaleur recouvre l'ensemble de la couche 22 et de la couche conductrice 23, avant que ne soient disposées des métallisations 25 et une couche active d'oxyde métallique 26. Cette couche active 26 est celle sur laquelle s'adsorbe le gaz dont on souhaite mesurer la concentration lorsque le module d'émission 2 est utilisé en capteur de gaz réducteur. La présence de la membrane 21 permet de limiter la diffusion thermique vers le substrat 20 et autorise une bonne stabilité de l'inertie thermique, permettant d'améliorer la reproductibilité des impulsions de rayonnement infrarouge, telles qu'émises par le module d'émission 2. On remarque ici qu'il est décrit un capteur de gaz réducteur basé sur la technologie semi conducteur. Ainsi que la membrane 21, la présence des métallisations 25 a un impact sur l'inertie thermique de l'ensemble du composant. Néanmoins, les parties fonctionnelles essentielles de l'émission de rayonnement infrarouge comprennent le substrat 20, les couches d'isolant 22, 24, entourant la couche conductrice 23, faisant office de résistance et la couche de matériau semi conducteur 26. Il s'agit en fait d'utiliser un filament métallique 23, conducteur thermiquement, situé sous la couche sensible 26 de l'émetteur. Il est isolé électriquement de cette dernière par une autre couche 24 qui diffuse la température. C'est donc l'ensemble filament + couches qui émet le rayonnement infrarouge. Le module d'émission est donc avantageusement un composant semi conducteur utilisé comme capteur de gaz réducteur, par exemple le gaz COHC ou VOC. Ces capteurs sont généralement réalisés avec un oxyde métallique sur lequel s'adsorbe le gaz. Cette adsorption provoque alors la variation de la résistivité, soit de la conductivité électrique de la couche 26 semi conductrice en oxyde métallique mesurée aux bornes des métallisations 25. Il est nécessaire, pour observer la variation de résistivité, que cette couche 26 soit chauffée à des températures importantes, supérieures à 250 °C en général. Le rôle de la résistance chauffante 23 est donc, dans ces capteurs, de chauffer la couche mince 26 de semi conducteur pour permettre la réaction d'oxydoréduction permettant la détection du gaz concerné. La résistance chauffante 23 peut être réalisée avec un fil de platine ou d'un autre métal ou encore, de manière plus intégrée, à partir d'une couche en polysilicium dopé, dont les connexions métalliques 27 sont réalisées en alliage chrome-titane-platine qui permet d'obtenir un pouvoir thermoélectrique satisfaisant. Le substrat 20 est avantageusement réalisé en silicium ou en céramique. Les couches d'isolant 22, 24, sont avantageusement réalisées à partir d'une céramique à base de Silicium, par exemple du nitrure de silicium de formulation Si3N4. La membrane 21, qui permet de limiter la diffusion thermique, peut aussi être réalisée aussi à partir d'un matériau céramique. Elle présente par exemple une épaisseur de 3 pm pour un composant d'une profondeur L1 de l'ordre de 100 pm. La largeur caractéristique, notée L2 de la couche active d'oxyde métallique 26 et de la couche conductrice 23 est, typiquement, de l'ordre de 50 pm. Le module d'émission, tel que représenté sur la figure 3, permet de travaillé en mode pulsé, de manière répétable et reproductible. Cela évite l'utilisation d'un encombrant couple moteur/chopper, habituellement nécessaire aux mesures infrarouges ou monochromatiques pour obtenir un signal avec un rapport signal sur bruit exploitable. On constate que l'encombrement et la consommation électrique très faibles du dispositif d'émission d'infrarouge selon l'invention permettent la réalisation d'une source infrarouge très intéressante pour les mesures de concentration de gaz par adsorption infrarouge. Avantageusement, le module d'émission 2 est muni d'un concentrateur 3, dans lequel est creusé un cône dit émetteur 31 dont les surfaces sont polies et revêtues d'un dépôt 32 de matière réfléchissant les infrarouges. L'ensemble constitué par le module d'émission 2 et le concentrateur 3 autorise la production de dispositif d'émission de rayonnement infrarouge tout à fait adapté à une mesure des concentrations d'éthanol par absorption d'infrarouge. La figure 4 représente schématiquement les éléments essentiels d'un appareil de mesure éthylomètre portable fonctionnant par absorption infrarouge. Cet appareil permet d'analyser la concentration d'alcool alvéolaire et utilise une source d'infrarouges pulsés selon l'invention. L'utilisation de l'invention permet de réaliser un éthylomètre portable approuvé par la métrologie légale internationale et dont les mesures peuvent faire office de références et de preuves légales dans le cadre de la mesure de l'alcool dans le souffle humain. L'utilisation de la source d'impulsions de rayonnement infrarouge selon l'invention permet l'intégration de cette technologie sur un appareil mobile de taille réduite et fonctionnant sur ses propres batteries. Dans le système de mesure partiellement représenté sur la figure 4, une cuve de mesure 40 tubulaire est munie de deux embouts 41 et 42, portant chacun respectivement un émetteur infrarouge 2 selon l'invention muni d'un cône émetteur 3 et une cellule réceptrice 45. L'émetteur infrarouge 2 est relié à un module d'alimentation 1 non représenté sur la figure 3. Le système de mesure présenté sur cette figure fonctionne en mono-trajet optique. Les embouts 41 et 42 comprennent respectivement une structure tubulaire d'entrée de l'échantillon 43 et une structure tubulaire de sortie de l'échantillon 44. Ces structures tubulaires 43 et 44 sont avantageusement connectées à un système de pompage afin d'assurer la circulation de l'échantillon soufflé par l'utilisateur de l'appareil éthylomètre portable. Les embouts 41 et 42 comprennent aussi avantageusement une structure interne conique de manière à canaliser le rayonnement dans la cuve tubulaire. La cellule réceptrice 45 est avantageusement un détecteur pyroélectrique, ce type de composant permettant de détecter les radiations thermiques dans le spectre du domaine lointain à partir de 3 pm. Les plages de réponse de ce type de détecteur varient entre 1 et 200Hz. Le couple de composants émetteur et récepteur utilisé donne un signal optimal pour une fréquence autour de 5Hz. Avantageusement, la fréquence utilisée est comprise entre 4 et 8 Hz. On sait que l'effet pyroélectrique se traduit par une modification de la polarisation naturelle de l'élément ferroélectrique du capteur qui est un cristal. L'absorption de radiation thermique correspond généralement à une variation de température et se traduit par l'apparition de charges électriques en surface. Cependant, à température constante, la distribution de charges alternées doit être neutralisée par les électrons libres et les potentiels de surface, de telle sorte qu'aucune différence de potentiel n'est mesurée. Par contre, si la température est rapidement modifiée, les moments desdits pôles internes changent, ce qui se traduit par l'apparition d'une différence de potentiel transitoire. Il est donc nécessaire que la source d'irradiation infrarouge ne soit pas constante en intensité afin de générer des variations de polarisation et de permettre la détection du rayonnement. C'est pour cette raison que l'émetteur infrarouge 2 doit être pulsé à une fréquence donnée grâce à une électronique adaptée. Avantageusement, cette fréquence sera de l'ordre de 5 Hz pour les applications visées. En outre, il faut noter qu'il est nécessaire pour qu'aucune condensation n'apparaisse dans la cuve de mesure 40 et, en particulier à ses extrémités, que la cuve de mesure 40 soit chauffée. Une réalisation avantageuse d'un tel chauffage consiste à munir la cuve de mesure 40, sur sa face externe, d'une résistance, non représentée, enroulée sur toute la longueur de la cuve de mesure 40. Cette résistance permet d'atteindre, au sein de la cuve de mesure 40, des températures de l'ordre de 40°C, supérieures à la température maximale que peut atteindre le souffle humain. Cela assure l'absence de condensation sur les parois de la cuve et à ses extrémités. En outre, il est nécessaire que l'émetteur 2 muni de son cône émetteur 3 et le récepteur 45 soient protégés du souffle de l'utilisateur, qui peut comprendre des éléments chimiques susceptibles de détériorer le fonctionnement de ces composants. Aussi, chacun de ces composants est avantageusement muni d'une fenêtre optique 46 et 47 en fluorure de baryum d'épaisseur, par exemple, de l'ordre de 1,5 mm. L'étanchéité de cette fenêtre est assurée, avantageusement, grâce à des joints toriques 46' et 47'. Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 3, des écrous de serrage 48 et 49 maintiennent en place respectivement l'émetteur 2 et le récepteur pyroélectrique 45. La longueur de la cuve de mesure et son diamètre sont choisis en fonction des erreurs maximales tolérées et des écart-types tels que définis dans la norme internationale OIML R 126. Avantageusement les embouts 41 et 42 présente des sections coniques d'ouverture angulaire compris entre 7 et 30°, et préférentiellement entre 8° et 17°, 12,5° sur la figure 4. On remarque enfin que diverses mises en oeuvre peuvent être réalisées 5 selon les principes de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectral [9pm,10pm] pour une utilisation dans un appareil éthylomètre comprenant une cuve de mesure dans laquelle sont réalisées des mesures d'absorption, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module d'alimentation apte à fournir un courant pulsé reproductible à une fréquence de pulsation voulue et un module d'émission constitué d'un substrat plan sur lequel est placé un élément chauffant réalisé en matériau conducteur, cet élément chauffant étant revêtu(e) d'une couche apte à diffuser la chaleur sur laquelle est placée une couche mince d'au moins un matériau semi-conducteur, l'élément chauffant étant alimenté avec le courant pulsé fourni par le module d'alimentation. 2. Dispositif d'émission selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module d'émission est un capteur de gaz réducteur à semi-conducteur utilisant une variation de conductivité du matériau semi-conducteur en fonction de l'adsorption du gaz sur ce matériau. 3. Dispositif d'émission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le module d'émission est muni d'un cône émetteur dont la surface réfléchit les infrarouges et dont l'ouverture angulaire permet une transmission accrue de l'énergie infrarouge dans une cuve de mesure tubulaire dans laquelle est mesurée l'absorption des infrarouges et l'établissement d'une pluralité de chemins optiques de longueur supérieure à celle de la cuve de mesure tubulaire. 4. Dispositif d'émission selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture angulaire du cône émetteur est comprise entre 10° et 45°. 5. Dispositif d'émission selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture angulaire est comprise entre 35° et 40°. 6. Dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément chauffant est réalisé en un métal choisi parmi le platine, l'or, l'argent, le cuivre ou en polysilicium dopé. 7. Dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche mince semi-conductrice est réalisé en oxyde métallique. 8. Dispositif d'émission selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oxyde métallique est choisi parmi les oxydes d'Etain, d'Aluminium, de Tungstène, de Silice, de Niobium. 9. Dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est réalisé en un matériau choisi parmi les matériaux suivants : céramiques, silicium. 10. Dispositif d'émission selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une membrane limitatrice de diffusion thermique est insérée entre le substrat et la couche conductrice. 11. Utilisation d'un capteur de gaz réducteur à semi-conducteur utilisant une variation de conductivité du matériau semi-conducteur en fonction de l'adsorption du gaz sur ce matériau dans la fabrication d'un dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectral [9pm,10pm] selon l'une des revendications précédentes.