Brevet FR3085070A1 — publié le 20200221

Description Titre de l'invention : «Interféromètre Fabry-Pérot et son procédé de fabrication» Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à procédé de fabrication d'un tel interféromètre. Technique antérieure [0002] Un interféromètre Fahry-Pérot comporte deux miroirs très réfléchissants plans pa- rallèles, écartés l'un de l'autre et enfermant une cavité pour former un résonnateur optique. L'interféromètre Fabry-Pérot ne présente une bonne transmission que si la distance entre les miroirs c'est-à-dire la longueur de la cavité correspond à un multiple entier de la demi-longueur d'onde de la lumière incidente. Les interféromètre FabryPérot s'utilisent comme filtre à interférence en spectroscopie ou aussi comme résonnateur laser. [0003] On peut modifier la longueur de la cavité à l'aide d'actionneur pour disposer d'un élément de filtre accordé dans le spectre. Selon les documents US 9329360 B2, US 9250418 B2, on connaît des interféromètres Fabry-Pérot ayant un support de miroir fixé par l'intermédiaire d'une membrane à un châssis ; la membrane peut être déployée par un actionneur. [0004] En outre selon le document JP 2015/165266 A on connaît un interféromètre Fabry- Pérot à deux miroirs montés sur deux substrats massifs, rigides en flexion et qui sont reliés l'un à l'autre. [0005] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0006] L'invention a pour objet un Interféromètre Fabry-Pérot comprenant [0007] un dispositif de support qui comporte un segment de substrat et un châssis, auquel est fixé un support de miroir par un grand nombre d'éléments de ressort, [0008] une première installation de miroir étant prévue sur le segment de substrat et une seconde installation de miroir fixée au support de miroir étant tournée vers la première installation de miroir en étant écartée de celle-ci et [0009] une installation d'actionneur pour modifier la distance entre la première installation de miroir et la seconde installation de miroir par une action sur les éléments de ressort. [0010] En d'autres termes, l'invention a pour objet un interféromètre Fabry-Pérot comportant un dispositif de support ayant un segment de substrat et un châssis. Un support de miroir est fixé au châssis par une multiplicité d'éléments de ressort et une première installation de miroir est prévue sur le segment de substrat, une seconde installation de miroir est prévue face à la première installation de miroir, en étant écartée de celle-ci sur le support de miroir. L'interféromètre Fabry-Pérot a une installation 2 d'actionneur pour modifier la distance entre la première installation de miroir et la seconde installation de miroir par une action sur les éléments de ressort. [0011] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un interféromètre Fabry-Pérot comportant les étapes suivantes consistant à : [0012] fournir un substrat et un châssis, un support de miroir étant fixé à l'aide d'un grand nombre d'éléments de ressort au châssis, [0013] réaliser une première installation de miroir sur le substrat et développer une seconde installation de miroir tournée vers la première installation de miroir et écartée de celle-ci sur le support de miroir, [0014] développer une installation d'actionneur pour modifier la distance entre la première installation de miroir et la seconde installation de miroir par une actions sur les éléments de ressort et [0015] relier le substrat au châssis. [0016] AVANTAGES DE L'INVENTION [0017] L'invention permet de donner à la suspension à ressorts, une forme adaptée très spé- cialement, grâce à l'utilisation d'une multiplicité d'éléments de ressort ; cela signifie qu'il y a au moins deux éléments de ressort. L'utilisation d'éléments de ressort dédiés, c'est-à-dire spécialement conçus permet de fixer le support de miroir pour avoir un déplacement aussi parallèle que possible du support de miroir à l'aide de l'installation d'actionneur. La précision du parallélisme, des installations de miroir l'une par rapport à l'autre, augmente la résolution de l'interféromètre Fabry-Pérot. En outre l'utilisation d'éléments de ressort distincts permet de concentrer les tensions mécaniques ce qui se répercutes avantageusement sui des procédés de détection fondés sur les contraintes grâce aux valeurs de contrainte élevées que l'on a, comme par exemple une détection piézorésistive. Un réglage plus précis des installations de miroir l'une pat- rapport à l'autre adapte de manière plus précise la plage spectrale de travail de l'interféromètre Fabry-Pérot. [0018] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fabry-Pérot, les éléments de ressort sont des ressorts-poutres. En plus ou en variante, les éléments de ressort peuvent également être des ressorts de torsion. Grâce à l'utilisation de certaines structures de ressorts, on peut influencer de manière ciblée, le spectre de modes du dispositif de support. Les ressorts de torsion peuvent être utilisés pour les modes de basculement consistant à basculer le support de miroir en évitant que les installations de miroir ne soient plus parallèles. En particulier de tels modes de basculement peuvent être décalés vers les fréquences élevées alors que les modes utiles qui se servent au débattement du support de miroir restent pratiquement inchangés. [0019] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fabry-Pérot, les éléments de ressort ont une forme de méandre. Ce choix particulier de la forme des éléments de 3 ressort permet d'influencer des propriétés de débattement du support de miroir. [0020] Selon un autre développement de l'interféromètre Fabry-Pérot, les éléments de ressort sont structurés par des étapes d'usinage relevant de la technique des microstructures, pour influencer de manière ciblée les propriétés caractéristiques telles que la fréquence propre des éléments de ressort. L'utilisation des différents éléments de ressort permet ainsi d'avoir plus de degrés de liberté pour le réglage de l'interféromètre Fahry-Pérot. En particulier les fréquences propres du support de miroir suspendu à l'aide des éléments de ressort, peuvent être avantageusement conçues selon les modes de fonctionnement ou les applications. En outre par le choix et la forme spéciale des éléments de ressort on peut absorber par des déformations, l'état initial des contraintes mécaniques résultant de la fabrication, par exemple par une rotation de l'installation de miroir ce qui rend l'interféromètre Fabry-Pérot robuste vis-à-vis des variations initiales des contraintes. Selon une forme de réalisation, l'orientation des éléments de ressort peut être autre qu'une direction radiale. [0021] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fahry-Pérot, l'installation d'actionneur comporte des segments d'actionneur reliant le support de miroir au châssis. Les segments d'actionneur peuvent être intégrés dans les éléments de ressort ou être montés sur les éléments de ressort. Les segments d'actionneur peuvent toutefois être également au moins partiellement séparés des éléments de ressort. Par exemple, les segments d'actionneur alternés et les éléments de ressort relient le support de miroir au châssis. Selon certaines formes de réalisation, les segments d'actionneur fonctionnent eux-mêmes comme des éléments de ressort. [0022] Selon un développement préférentiel, l'interféromètre Fabry-Pérot a une installation de détection conçue pour qu'en fonction de la distance entre la première installation de miroir et la seconde installation de miroir elle génère un signal de mesure. Par exemple, on peut mesurer une tension ou une intensité et à chaque valeur de la tension ou de l'intensité, par un calibrage initial, on attribue une distance (écart) correspondante. Cette relation s'enregistre dans une mémoire de l'interféromètre FabryPérot, par exemple sous la forme d'un tableau de mise à jour ou par une relation fonctionnelle. [0023] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fabry-Pérot, l'installation de détection comporte au moins un élément de mesure sur les éléments de ressort ou au moins partiellement intégré dans les éléments de ressort. L'installation de détection est conçue pour générer le signal de mesure en fonction de la déformation d'au moins un élément de mesure. Plus la déformation de l'élément de mesure est forte, et plus grande ou plus petite sera la distance en fonction de la direction du débattement de sorte que le signal de mesure, peut déterminer la distance. [0024] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fabry-Pérot, l'installation d'actionneur comporte des éléments piézoélectriques et/ou des éléments thermiques et/ ou des actionneurs de flexion électrostatiques et/ou des actionneurs électrodynamiques. [0025] Selon un développement préférentiel de l'interféromètre Fabry-Pérot, le segment de substrat a au moins un évidement pour une première installation de miroir et/ou le support de miroir a au moins un évidement pour une seconde installation de miroir. La lumière traverse l'évidement et ainsi elle ne traverse pas le substrat ou seulement faiblement ou le support de miroir ce qui réduit l'absorption par le support de miroir ou par le substrat est réduite ; cela améliore le rapport signal/bruit. En particulier, cela augmente la sensibilité de l'interféromètre Fabry-Pérot et étend la plage spectrale de travail. Les évidements ou ouvertures sont de préférence continues et traversent ainsi l'ensemble du segment de substrat ou l'ensemble du support de miroir jusqu'à la première ou seconde installation de miroir. [0026] Selon un développement préférentiel, l'interféromètre Fabry-Pérot a un encapsulagc qui protège les supports de miroir. L'encapsulage permet de régler la pression définie, par exemple régler l'amortissement de l'interféromètre Fabry-Pérot. Par l'amortissement de l'interféromètre Fabry-Pérot, on augmente par exemple sa robustesse vis-à-vis des influences de l'environnement. En outre l'cncapsulage du support de miroir protège également directement contre de telles influences de l'environnement. Selon certaines formes de réalisation, l'interféromètre Fabry-Pérot peut fonctionner en dépression. [0027] En outre on peut également avoir un encapsulage côté arrière. Brève description des dessins [0028] 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 les mêmes éléments portent les mêmes références. [0029] Ainsi : [0030] [fig.1 ] section schématique d'un premier mode de réalisation d'un interféromètre Fabry-Pérot selon l'invention [0031] [fig.2] vue de dessus schématique d'un interféromètre Fabry-Pérot selon un autre mode de réalisation de l'invention [0032] [fig.3] vue de dessus schématique d'un interféromètre Fabry-Pérot selon un autre mode de réalisation de l'invention [0033] [fig.4] vue en coupe schématique d'un détail d'un interféromètre Fabry-Pérot selon un autre mode de réalisation de l'invention [0034] [fig.5] vue en coupe schématique d'un détail d'un interféromètre Fabry-Pérot selon un autre mode de réalisation de l'invention [0035] [fig.6] différentes possibilités de liaisons entre le châssis et le support de miroir [0036] [fig.7] section schématique d'un autre mode de réalisation d'un interféromètre Fabry- Péret selon l'invention [0037] [fig.8] section schématique d'un autre mode de réalisation d'un interféromètre Fabry- Péret selon l'invention. [0038] [fig.9] section schématique d'un autre mode de réalisation d'un interféromètre Fabry- Péret selon l'invention. [0039] [fig.10] Ordinogramme d'un procédé de fabrication d'un interféromètre Fabry-Pérot selon une forme de réalisation de l'invention. [0040] DESCRIPTION DE MODES DE REALISATTON [0041] La figure 1 montre une section schématique d'un interféromètre Fabry-Pérot 11 comportant un dispositif de support 2. Le dispositif de support 2 comporte un substrat 21 principalement plan, par exemple en silicium. Un châssis 22 est relié solidairement au substrat 21 par une liaison 23 par exemple par un procédé de liaison. L'interféromètre Fabry-Pérot 11 a en outre un poussoir ou support de miroir 3 fixé au châssis 22 par un ensemble d'éléments de ressort 41. [0042] Les éléments de ressort 41 entourent par segments le support de miroir 3 ; ils sont de préférence répartis symétriquement par rapport au support de miroir. Le nombre d'éléments de ressort 41 est choisi en fonction de l'application. Par exemple on peut avoir quatre éléments de ressort 41 symétriques. Mais il est également possible de n'avoir que deux ou trois éléments de ressort ou plus de quatre éléments de ressort 41. [0043] Les éléments de ressort 41 peuvent avoir une forme de méandre et être montés sur le segment supérieur du châssis 22 et du support de miroir 3 c'est-à-dire sur un côté opposé à celui du substrat 21. [0044] Le segment de substrat 21 qui est sous le support de miroir 3, porte une première ins- tallation de miroir 51 sous la forme d'un miroir essentiellement plan. Le côté du support de miroir 3 tourné vers la première installation de miroir 51 comporte une seconde installation de miroir 52 sous la forme d'un miroir essentiellement plan. Le dispositif de support 2 sert ainsi de support de miroir 3 qui porte la seconde installation de miroir 52. La première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 sont aussi parallèles que possible l'une par rapport à l'autre. La première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 peuvent être identiques. [0045] La première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 ont un écart initial défini par exemple par la liaison 23 et/ou par la hauteur du support de miroir 3. [0046] 11 est en outre prévu une installation d'actionneur 6 qui comporte un ensemble de segments d'actionneur 61 sur ou dans les éléments de ressort 41 con-espondants. Les segments d'actionneur 61 se commandent par des signaux électriques d'une installation de détection (non représentée) de l'installation d'actionneur 6 et ils agissent 6 ainsi sur les éléments de ressort 41 de façon que ceux-ci se déforment dans une direction perpendiculaire au substrat 21. Le support de miroir 3 est ainsi dévié et la distance entre la première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 se modifient. La modification de la distance entre les installations de miroir 51, 52 permet de modifier la longueur d'onde de passage de l'interféromètre Fabry-Pérot. [0047] Les segments d'actionneur 61 ont par exemples des éléments piézoélectriques. Pour cela on dépose une couche piézoélectrique telle que du zirconate-titanate de plomb, PZT ou du nitrure d'aluminium, AIN sur l'élément de ressort 41. [0048] Les segments d'actionneur 61 peuvent également être des éléments thermiques par exemple sous la forme d'actionneur thermique bimorphes qui ont deux couches dont les coefficients de dilatation thermiques sont différents (actionneurs bilames). [0049] Les segments d'actionneur 61 peuvent être des actionneurs de flexion et en plus ou en variante des actionneurs électrostatiques et/ou des actionneurs électrodynamiques. [0050] La figure 2 est une vue de dessus schématique d'un autre interféromètre Fabry-Pérot 12. A la différence de la forme de réalisation présentée à la figure 1, l'interféromètre Fabry-Pérot 12 a des éléments de ressort en forme de poutre ou de segments de disque intégrant des segments d'actionneur 62. [0051] La figure 3 est une vue de dessus schématique d'un autre interféromètre Fabry-Pérot 13 qui diffère de la forme de réalisation représentée à la figure 2 en ce que les éléments de ressort 42 sont distincts des segments d'actionneur. Par exemple l'interféromètre Fabry-Pérot comporte quatre éléments de ressort 42 alternant avec quatre segments d'actionneur 63. L'interféromètre Fabry-Pérot peut toutefois avoir un nombre quelconque de segments d'actionneur 63 et d'éléments de ressort 42. En particulier le nombre de segments d'actionneur 63 peut être différent du nombre d'éléments de ressort 42. [0052] Les figures 4 et 5 montrent différentes formes de réalisation possibles des segments d'actionneur de l'installation d'actionneur 6. [0053] La figure 4 montre un segment d'actionneur 64 comportant des segments conducteurs 641, 642, 643 ; un premier segment 641 est relié par un second segment 642 avec une zone isolante la séparant du premier segment 641 pour être relié au troisième segment 643. Comme les sections conductrices sont différentes des segments 641, 642, 643, le premier segment 641 chauffe plus fortement que le second segment 642 qui lui-même chauffe plus fortement que le troisième segment 643. Ce système à couches multiples permet d'avoir un débattement vertical perpendiculaire à la surface supérieure du substrat 21 car les segments 641, 642, 643 se dilatent différemment du fait de leurs températures différentes et des sections conductrices différentes. Les segments d'actionneur 64 peuvent être intégrés dans les éléments de ressort 42 ou être réalisés séparément de ceux-ci comme éléments indépendants. 7 [0054] La figure 5 montre un segment d'actionneur 65 comme actionneur de flexion électro- statique ayant une électrode supérieure 651 qui sépare les segments d'isolateur 653 de l'électrode inférieure 652. L'électrode supérieure 651 a par exemple un tracé dentelé et lorsqu'on applique une tension aux électrodes 651, 652, celles-ci s'attirent réciproquement ce qui déforme le segment d'actionneur 65. Selon une forme de réalisation avantageuse, au moins une couche d'isolant passe par segment entre les électrodes 651, 652. Le segment d'actionneur 65 lui-même intégré dans les éléments de ressort 42 est réalisé indépendamment de ceux-ci. Cette forme de réalisation se caractérise par une plus grande course. [0055] Selon une autre forme de réalisation, l'installation d'actionneur 6 comporte un aimant tel qu'un aimant annulaire fixé au support de miroir 3 ainsi qu'une bobine d'actionneur installée dans ou sur le substrat 21 et/ou dans ou sur le châssis 22 ; lorsque le courant traverse la bobine d'actionneur, l'aimant est attiré et déplace ainsi le support de miroir 3. Inversement, l'aimant tel qu'un aimant annulaire, peut être installé dans ou sur le substrat 21 et/ou dans ou sur le châssis 22 et la bobine d'actionneur être fixée au support de miroir 3. [0056] La figure 6 montre différents exemples géométriques d'éléments de ressort. A gauche en haut, on a un élément de ressort 42 en forme de poutre alors qu'en haut à droit l'élément de ressort comporte deux segments 431, 432 perpendiculaires l'un à l'autre ; le segment 432 porte le support de miroir 3 dans une cavité. On peut également envisager une réalisation avec deux segments 431, 432 reliés l'un à l'autre et placé dans un évidement ou cavité du châssis. En bas à gauche, à la figure 6 l'élément de ressort 44 est en forme de méandre. Alors qu'à droite en bas l'élément de ressort 45 a trois segments, un segment 452, 453 étant placé dans un évidement du châssis 22 c'est-à-dire un évidement du support de miroir 3 alors que le troisième segment, perpendiculaire 451 relie les deux segments 452, 453. L'utilisation de segments perpendiculaires permet d'avoir des éléments de ressort en forme de ressort de tension. On peut également envisager une combinaison des différentes formes géométriques et des segments. [0057] La figure 7 est une section schématique d'un autre interféromètre Fabry-Pérot 14 qui comporte en plus une installation de détection 7 ; cette installation a par exemple un premier élément de mesure 72 annulaire et un second éléments de mesure 71 par exemple également annulaire ; ces éléments de mesure entourent la première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 par exemple selon une forme annulaire et ils sont installés sur le segment de substrat 21 ou sur le support de miroir 3. En déterminant la variation de capacité formée entre la première électrode constituée par le premier élément de mesure 71 et la seconde électrode réalisée par le second élément de mesure 72, l'installation de détection 7 fournit un signal de mesure 8 correspondant permettant dc déterminer notamment la distance entre la première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52. Le premier élément de mesure 71 et le second élément de mesure 72 ne sont pas nécessairement dans le même plan que la première installation de miroir 51 et la seconde installation dc miroir 52. En particulier le premier élément de mesure 71 peut être intégré dans le substrat 21 et le second élément de mesure 72, intégré dans le support dc miroir 3. Cette disposition telle que présentée est toutefois avantageuse car elle permet de tirer directement des conclusions concernant la distance ou l'intervalle optique et permet ainsi dc se calibrer plus simplement. [0058] La figure 8 est une section schématique d'un autre interféromètre Fahry-Pérot 15. A la place de la mesure directe de distance comme cela se fait à la figure 7, ici on mesure la distance indirecte d'éléments dc mesure piézorésistants 73 de l'installation de détection 7 ; ces éléments sont prévus sur tous les éléments de ressort 41 ou sur plusieurs tels éléments de ressort. Les éléments dc mesure 72 peuvent être par exemple réalisés dans un système de couches avec les segments d'actionneur 61 sur les éléments de ressort 41. [0059] La figure 9 est une section schématique d'un autre interféromètre Fahry-Pérot 16. Il est prévu ici en plus un encapsulage 8 qui comporte un segment de liaison 82 et un autre segment d'encapsulage 81 ; le segment de liaison 82 est relié au châssis 22 et rencapsulagc 8 protège le support de miroir 3. [0060] La figure 10 montre l'ordinogramme, d'un procédé de fabrication d'un inter- féromètre Fabry-Pérot. [0061] Dans une première étape de procédé Si, on développe séparément un substrat 21 et un châssis 22. A l'aide de plusieurs éléments de ressort on fixe un support de miroir 3 au châssis 22. Ces structures s'obtiennent de préférence par un procédé de gravure et/ ou un procédé lithographique. [0062] Dans l'étape de procédé S2, on développe les installations de miroir ; ainsi on réalise une première installation de miroir 51 sur le substrat 21 et une seconde installation de miroir 52 sur le support de miroir 3. [0063] Dans l'étape de procédé S3, on développe une installation d'actionneur 6 sur le dispositif de support 2 et/ou le support de miroir 3 et/ou sur les éléments de ressort ; on réalise un écart entre la première installation de miroir 51 et la seconde installation de miroir 52 que l'on modifie en agissant sur les éléments de ressort. [0064] Dans l'étape de procédé S4, on relie entre eux le substrat 21 et le châssis 22. Pour cela on développe une couche de liaison 23 et on relie les structures par un procédé de liaison. [0065] La succession des étapes n'est pas définitive, il peut le cas échéant être adaptée. [0066] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0067] 2 Dispositif de support [0068] 21 Segment de substrat [0069] 22 Châssis [0070] 3 Support de miroir [0071] 41-45 Elements de ressort [0072] 51 Première installation de miroir [0073] 52 Seconde installation de miroir [0074] 6 Installation d'actionneur [0075] 61 Segment d'actionneur [0076] 7 Installation de détection [0077] 17, 72, 73 Elements de mesure [0078] 8 Encapsulage [0079] S1-S4 Etapes du procédé de fabrication de l'interféromètre 10