Brevet FR3067812A1 — publié le 20181221

DISPOSITIF PHOTOACOUSTIQUE DE DETECTION DE GAZ ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui de la détection de gaz. La présente invention concerne un dispositif photoacoustique de détection de gaz, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Pour détecter un gaz au moyen d'un dispositif photoacoustique classique, on crée une onde acoustique dans un gaz au moyen d'une source de lumière modulée qui est généralement un laser. La longueur d'onde du rayonnement de la source de lumière est choisie pour interagir spécifiquement avec les molécules du gaz à détecter. En présence du gaz à détecter, une interaction a donc lieu entre des molécules dudit gaz et le rayonnement lumineux, qui se traduit par une absorption d'énergie du rayonnement lumineux par lesdites molécules. Les molécules ayant absorbé de l'énergie restituent ensuite cette énergie sous forme d'un échauffement. La source de lumière étant modulée, l'échauffement formé génère une onde de pression qui peut être mesurée par un microphone. On détecte ainsi l'absence ou la présence en plus ou moins grande quantité d'un gaz particulier. Par rapport aux techniques de spectroscopie d'absorption, un avantage de la technique photoacoustique est qu'en l'absence du gaz à détecter, le signal acoustique mesuré est nul. En présence de traces du gaz à détecter, on mesure donc un petit signal sur fond nul, ce qui est très favorable quant au rapport signal sur bruit. En pratique toutefois, le gaz à détecter étant confiné dans une chambre (résonante ou non), un signal de fond parasite apparaît, qui est également appelé « signal de paroi ». En effet, la chambre comporte des parois réalisées en un matériau solide qui absorbe également la lumière modulée. La chambre comporte 2 également des fenêtres d'entrée et de sortie réalisées en un matériau transparent au rayonnement lumineux de la source de lumière ; toutefois, les fenêtres d'entrée et de sortie sont également responsables de l'apparition d'un signal de paroi si leur matériau est imparfaitement transparent au rayonnement lumineux de la 5 source de lumière. L'interaction de la lumière avec le matériau solide crée alors un signal photoacoustique selon deux processus : - un effet thermique, dû à l'échauffement par les parois d'une couche de gaz proche des parois, et - un effet acoustique, dû au mouvement des parois sous l'effet de leur 10 échauffement et donc de leur dilatation périodique. Cet effet acoustique est négligeable pour les parois très opaques, par exemple les parois métalliques, qui n'absorbent le rayonnement que dans une très fine couche près de leur surface. 15 Le signal photoacoustique de paroi est déphasé par rapport au signal photoacoustique utile dû au gaz, mais il est à la même fréquence que lui. Il ne peut donc pas être éliminé par une technique de détection synchrone, asservie sur la modulation de la source laser, traitant le signal mesuré par le microphone. 20 Pour s'affranchir du signal de paroi dans un dispositif photoacoustique de détection de gaz, il est connu d'utiliser un faisceau lumineux collimaté et une chambre de confinement du gaz ayant des fenêtres d'entrée et de sortie en un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux considéré. La figure 1 montre ainsi un dispositif photoacoustique 1 de détection de gaz selon 25 l'art antérieur. Le dispositif photoacoustique 1 comporte une chambre ayant une paroi P définissant un espace confiné C. Une source de lumière S, qui émet un faisceau lumineux collimaté, est agencée au niveau d'une première extrémité de la chambre afin que le faisceau lumineux collimaté soit aligné avec la cavité de la chambre. Une première fenêtre F1 transparente pour le faisceau lumineux 30 collimaté est agencée à une première extrémité de la chambre et une deuxième fenêtre F2 transparente pour le faisceau collimaté est agencée à une deuxième extrémité de la chambre. Le faisceau lumineux collimaté peut ainsi pénétrer dans 3 la cavité de la chambre par la première fenêtre transparente Fi et en ressortir par la deuxième fenêtre transparente F2. Un gaz à étudier est introduit dans la cavité C. Un microphone M est prévu pour mesurer un signal photoacoustique. 5 Comme le faisceau lumineux est collimaté et aligné avec la chambre, il traverse la cavité C sans atteindre ses parois P ce qui permet d'éliminer le signal de paroi. Un tel dispositif est toutefois mono-passage, c'est-à-dire que le faisceau lumineux traverse une seule fois la cavité. Autrement dit, la longueur d'interaction du 10 faisceau lumineux collimaté avec le gaz à étudier est égale à la longueur L de la cavité C. Cela a pour inconvénient de réduire le signal photoacoustique utile, qui est d'autant plus faible que la longueur d'interaction est faible. La demande FR 3 017 950 - Al décrit, dans ses premier, deuxième, troisième, 15 quatrième, cinquième, septième et huitième modes de réalisation, des configurations multi-passages dans lesquelles le faisceau lumineux collimaté n'atteint pas les parois de la cavité, grâce à un système de miroirs. Ces configurations permettent d'augmenter la longueur d'interaction tout en éliminant le signal de paroi. Toutefois, ces configurations mettent en oeuvre une cuve 20 résonante de dimensions macroscopiques, environ un carré de 10 cm de côté. Elles ne sont pas transposables à des dispositifs photoacoustiques de plus petite taille, pour lesquels la collimation est difficile le système de miroirs étant difficile à réaliser et positionner. 25 On note qu'un sixième mode de réalisation est également décrit dans la demande FR 3 017 950 - Al, qui propose une configuration multi-passages dans laquelle le faisceau lumineux se reflète sur les parois de la cavité : le sixième mode de réalisation augmente la longueur d'interaction mais génère un signal de paroi. 30 RESUME DE L'INVENTION Il est donc recherché une solution pour augmenter la longueur d'interaction tout en éliminant le signal de paroi dans un dispositif photoacoustique de détection de 4 gaz, la solution étant notamment applicable aux dispositifs photoacoustiques de petite taille. Un aspect de l'invention concerne un dispositif photoacoustique de détection de 5 gaz comportant : une cavité photoacoustique ayant une paroi latérale s'étendant entre une première extrémité et une deuxième extrémité et présentant une surface interne et une surface externe ; une source de lumière apte à émettre un rayonnement lumineux fournissant 10 une énergie d'excitation à un gaz contenu dans la cavité photoacoustique, le rayonnement lumineux étant modulé à une pulsation co, la source de lumière étant couplée à la première extrémité de la cavité photoacoustique ; un microphone couplé à la paroi latérale de la cavité photoacoustique, dans lequel : 15 la cavité photoacoustique est réalisée en un matériau transparent au rayonnement lumineux de la source de lumière ; un miroir est agencé sur au moins une partie de la surface externe de la paroi latérale de la cavité photoacoustique ; la paroi latérale de la cavité photoacoustique présente une épaisseur qui est 20 choisie en fonction de la profondeur de pénétration d'une onde thermique provenant du miroir dans ledit matériau transparent, de manière qu'une telle onde thermique soit atténuée avant de parvenir au sein de la cavité. Dans le cadre de l'invention, on construit la cavité photoacoustique dans un 25 matériau transparent au rayonnement lumineux de la source de lumière. Ainsi, on permet que le rayonnement lumineux atteigne la surface interne de la paroi latérale sans que le matériau de la cavité photoacoustique n'absorbe le rayonnement lumineux et donc sans que le matériau de la cavité photoacoustique ne s'échauffe. En agençant un miroir sur au moins une partie de la surface 30 externe de la paroi latérale de la cavité photoacoustique, on permet un confinement du rayonnement dans la cavité photoacoustique et donc une configuration multi-passages. On tient compte de la profondeur de pénétration 5 d'une onde thermique provenant du miroir dans ledit matériau transparent afin de choisir une épaisseur de la paroi latérale de la cavité photoacoustique suffisante pour atténuer une telle onde thermique. Ainsi, un échauffement du miroir par le rayonnement lumineux est transmis localement, sous forme d'une onde 5 thermique, au matériau transparent de la paroi latérale au contact dudit miroir, mais est partiellement ou complètement atténué dans l'épaisseur de ladite paroi latérale. La cavité photoacoustique ne subit donc qu'un échauffement de paroi négligeable ou pas d'échauffement de paroi du tout. 10 Le dispositif photoacoustique de détection de gaz selon un aspect de l'invention permet donc d'augmenter la longueur d'interaction du rayonnement lumineux avec un gaz contenu dans la cavité photoacoustique, sans nécessiter une collimation du rayonnement lumineux et sans utiliser un système non miniaturisable de miroirs à la géométrie et/ou au positionnement complexe. Le dispositif 15 photoacoustique de détection de gaz selon un aspect de l'invention permet ainsi l'utilisation d'une cavité photoacoustique miniature, même si l'utilisation d'une cavité photoacoustique de plus grandes dimensions reste possible. On entend par cavité photoacoustique miniature une cavité photoacoustique de longueur inférieure ou égale à 5 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 3 cm, encore 20 plus préférentiellement inférieure ou égale à 2 cm, encore plus préférentiellement inférieure ou égale à 1 cm. Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif photoacoustique selon un aspect de l'invention peut 25 présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 6 - La paroi latérale présente avantageusement une épaisseur e12 qui est telle que : e12 > 8 En effet, l'amplitude d'une onde thermique diminue en se propageant dans un matériau et on constate qu'une onde thermique provenant du miroir et se 5 propageant dans le matériau transparent de la paroi latérale subit une atténuation en amplitude de 1 - exp(-1) soit environ 63% avant de parvenir dans la cavité, pour une distance de propagation de 8 dans le matériau transparent de la paroi latérale. 10 - L'épaisseur e12 de la paroi latérale est encore plus avantageusement telle que : e12 > 27r8 En effet, on constate qu'une onde thermique provenant du miroir et se propageant dans le matériau transparent de la paroi latérale subit une atténuation en amplitude de 1 - exp(-2-rr), soit environ 99,8% avant de parvenir 15 dans la cavité, pour une distance de propagation de 27r8 dans le matériau transparent de la paroi latérale. - Par ailleurs, l'épaisseur e12 de la paroi latérale est préférentiellement telle que : e12 REVENDICATIONS1. Dispositif photoacoustique (10, 10') de détection de gaz comportant : - une cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2) ayant une paroi latérale (12) s'étendant entre une première extrémité (13) et une deuxième extrémité (14) et présentant une surface interne (12a) et une surface externe (12b) ; - une source de lumière (S) apte à émettre un rayonnement lumineux fournissant une énergie d'excitation à un gaz contenu dans la cavité photoacoustique (11), le rayonnement lumineux étant modulé à une pulsation co, la source de lumière (S) étant couplée à la première extrémité (13) de la cavité photoacoustique (11) ; - un microphone (M) couplé à la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11), la cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2) étant caractérisée en ce que : - elle est réalisée en un matériau transparent au rayonnement lumineux de la source de lumière (S) ; - un miroir (15) est agencé sur au moins une partie de la surface externe (12b) de la paroi latérale (12) ; - la paroi latérale (12) présente une épaisseur e12 qui est choisie en fonction de la profondeur de pénétration ô d'une onde thermique provenant du miroir (15) dans ledit matériau transparent, de manière qu'une telle onde thermique soit atténuée avant de parvenir au sein de la cavité (11), la profondeur de pénétration ô étant définie par : ô = .'i2a/co avec a la diffusivité thermique du matériau transparent et co la pulsation de la source de lumière (S). 2. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'épaisseur el 2 de la paroi latérale (12) est telle que : e12 > ô 25 3. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'épaisseur el 2 de la paroi latérale (12) est telle que : e12 > 27r8 4. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des 5 revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que l'épaisseur e12 de la paroi latérale (12) est telle que : 5. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe (12b) 10 de la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2) est de forme parallélépipédique, et en ce que le miroir (15) est agencé sur deux faces opposées (12b1, 12b3) de la surface externe (12b) de la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2). 15 6. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le miroir (15) est agencé sur chacune des quatre faces (12b1, 12b2, 12b3, 12b4) de la surface externe (12b) de la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2). 20 7. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité photoacoustique (11, 11-1, 11-2) comporte une première couche antireflet (AR) agencée sur au moins une partie de la surface externe (13b) de sa première extrémité (13), et/ou une deuxième couche antireflet (AR) 25 agencée sur au moins une partie de la surface interne (13a) de sa première extrémité (13). 8. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière (S) 30 émet un rayonnement lumineux ayant une divergence supérieure ou égale à 20°. 26 9. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière (S) est une source laser à cascade quantique QCL. 5 10. Dispositif photoacoustique (10, 10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité photoacoustique (11) présente une longueur, mesurée entre les surfaces internes (13a, 14a) des première et deuxième extrémités (13, 14), inférieure à 5 cm, préférentiellement inférieure à 3 cm, plus 10 préférentiellement inférieure à 2 cm, encore plus préférentiellement inférieure à 1 cm. 11 Procédé de fabrication (100) d'un dispositif photoacoustique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant les étapes 15 suivantes : - une première étape (101) selon laquelle une première demi-cavité (11a) est gravée dans une première galette de silicium (g1) et une deuxième demi-cavité (11b) est gravée dans une deuxième galette de silicium (g2) ; 20 - une troisième étape (103) selon laquelle les première et deuxième galettes (g1, g2) gravées sont assemblées de manière à former, à partir des première et deuxième demi-cavités (11a, 11b), une cavité photoacoustique (11) entière présentant une première extrémité (13), une deuxième extrémité (14) et une paroi latérale (12) entre les 25 première et deuxième extrémités (13, 14), la paroi latérale (12) présentant une surface interne (12a) et une surface externe (12b) ; - une quatrième étape (104) selon laquelle un miroir est déposé sur la surface externe (12b) de la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11) ; 30 - une cinquième étape (105) selon laquelle le miroir (15) est structuré par gravure locale de manière à créer dans le miroir (15) au moins une première structuration (s1), une deuxième structuration (s2) et une troisième structuration ; 27 - une sixième étape (106) selon laquelle la paroi latérale (12) de la cavité photoacoustique (11) est structurée par gravure profonde à l'aplomb des première et deuxième structurations (st s2) du miroir (15), de manière à former une première ouverture (01) à l'aplomb de la première structuration (s1), une deuxième ouverture (02) à l'aplomb de la deuxième structuration (s2) et une troisième ouverture à l'aplomb de la troisième structuration, les première, deuxième et troisième ouvertures (01, 02) débouchant dans la cavité photoacoustique (11).