SOURCE DE RAYONNEMENT INFRAROUGE
MINIATURISEE
La présente invention concerne une source miniaturisée de rayonnement infrarouge constituée à partir d'un ou de plusieurs filaments suspendus sur un support.SOURCE OF INFRARED RADIATION
MINIATURIZED
The present invention relates to a miniaturized source of infrared radiation formed from one or more filaments suspended on a support.
Les sources de rayonnement infrarouge sont notamment utilisées dans les systèmes d'analyse de gaz. Infrared radiation sources are used in particular in gas analysis systems.
On utilisait classiquement comme source infrarouge le rayonnement thermique émis par le filament de Nernst, constitué d'oxydes de zirconium et d'yttrium et chauffé à 9000 C, par le Globar (de l'anglais glow-bar) au carbure de silicium porté à 150000 ou simplement par un fil métallique chauffé. Pour des raisons propres au traitement du signal dans le système d'analyse, il est nécessaire de moduler le faisceau infrarouge utilisé.Conventionally, the thermal radiation emitted by the Nernst filament, made up of zirconium and yttrium oxides and heated to 9000 C, was used as an infrared source by the silicon carbide Globar. 150,000 or simply by a heated metal wire. For reasons specific to signal processing in the analysis system, it is necessary to modulate the infrared beam used.
Toujours de manière classique, on utilisait des modulateurs mécaniques (une roue percée d'un trou par exemple) pour hacher le rayonnement infrarouge et obtenir un faisceau modulé.Still in a conventional manner, mechanical modulators (a wheel pierced with a hole for example) were used to chop the infrared radiation and obtain a modulated beam.
Les modulateurs mécaniques présentent un certain nombre d'inconvénients : ils sont encombrants, peu fiables, peu stables ainsi que trop onéreux, notamment pour les analyseurs infrarouges portables (par exemple les éthylotests) que l'on veut produire à faible coût. Mechanical modulators have a certain number of drawbacks: they are bulky, unreliable, not very stable as well as too expensive, in particular for portable infrared analyzers (for example breathalyzers) which one wants to produce at low cost.
La tendance actuelle est donc de remplacer, dans ces systèmes, la source infrarouge par une microsource modulable électriquement, ce qui permet de supprimer le modulateur mécanique et donc de gagner en encombrement, fiabilité et coût.The current trend is therefore to replace, in these systems, the infrared source with an electrically modular microsource, which makes it possible to eliminate the mechanical modulator and therefore to gain bulk, reliability and cost.
L'article "Electrical and Optical Characteristics of Vacuum-Sealed Polysilicon Microlamps" par C.H. The article "Electrical and Optical Characteristics of Vacuum-Sealed Polysilicon Microlamps" by C.H.
Mastrangelo, J. Hsi-Jen Yeh et R.S. Muller, paru dans IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 39, NO 6,
Juin 1992, pages 1363-1375, divulgue une source de lumière infrarouge réalisée par des techniques de la microélectronique. La source incandescente consiste en un filament de silicium polycristallin fortement dopé p+ suspendu au-dessus d'une cavité réalisée sur une face d'un substrat de silicium et encapsulé sous vide.Mastrangelo, J. Hsi-Jen Yeh and RS Muller, published in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 39, NO 6,
June 1992, pages 1363-1375, discloses an infrared light source produced by microelectronics techniques. The incandescent source consists of a highly p + doped polycrystalline silicon filament suspended above a cavity produced on one face of a silicon substrate and encapsulated under vacuum.
Pour des raisons propres à la réalisation du dispositif, le filament se trouve recouvert d'une couche de nitrure de silicium. Ce document rapporte que le filament d'un dispositif réalisé est constitué d'une poutre conductrice de silicium polycristallin de 0,9 um d'épaisseur recouverte d'une couche isolante comprise entre 0,3 et 0,5 um. En chauffant électriquement le filament à une température proche de 1400 K, on obtient un rayonnement lumineux possédant un pic dans la distribution spectrale proche de 2,5 um.For reasons specific to the embodiment of the device, the filament is covered with a layer of silicon nitride. This document reports that the filament of a device produced consists of a conductive beam of polycrystalline silicon 0.9 µm thick covered with an insulating layer of between 0.3 and 0.5 µm. By electrically heating the filament to a temperature close to 1400 K, a light radiation is obtained having a peak in the spectral distribution close to 2.5 μm.
Une telle source infrarouge présente l'avantage d'être modulable électriquement mais est cependant encore d'une puissance lumineuse trop faible. Pour pallier à cet inconvénient, des sources infrarouges à filament métallique ont été proposées. Ainsi, le document US-A-5 324 951 propose une source infrarouge constituée d'un film métallique plan, typiquement de 4 mm de long, de 0,75 mm de large et de 5 um d'épaisseur, monté sous tension mécanique grâce à deux éléments élastiques et fonctionnant sous atmosphère inerte. Le métal du filament est en un matériau capable d'émettre des radiations infrarouges, par exemple un alliage de nickel et de chrome. La température de fonctionnement du filament est inférieure à 1050 K. Such an infrared source has the advantage of being electrically modular but is however still of too low a light power. To overcome this drawback, infrared metal filament sources have been proposed. Thus, document US-A-5 324 951 proposes an infrared source consisting of a flat metallic film, typically 4 mm long, 0.75 mm wide and 5 μm thick, mounted under mechanical tension thanks to with two elastic elements and operating under an inert atmosphere. The metal of the filament is made of a material capable of emitting infrared radiation, for example an alloy of nickel and chromium. The operating temperature of the filament is less than 1050 K.
Le document US-A-S 401 966 divulgue un analyseur infrarouge comprenant au moins une microlampe comprenant un filament chauffé disposé sur un substrat. Document US-A-S 401 966 discloses an infrared analyzer comprising at least one microlamp comprising a heated filament disposed on a substrate.
Le filament peut être en silicium polycristallin mais aussi en tungstène. De préférence, l'analyseur comprend un arrangement de plusieurs microlampes activées de manière séquentielle pour obtenir une modulation du faisceau infrarouge.The filament can be made of polycrystalline silicon but also of tungsten. Preferably, the analyzer comprises an arrangement of several microlamps activated sequentially to obtain a modulation of the infrared beam.
Le document US-A-5 220 173 divulgue une source de rayonnement infrarouge pulsé dont l'élément rayonnant est prévu suffisamment mince pour que l'énergie thermique emmagasinée par cet élément soit inférieure à l'énergie rayonnée lors de chaque période de fonctionnement. L'élément rayonnant est réalisé en un matériau électriquement conducteur tel qu'un métal ou un alliage métallique. I1 peut être déposé ou non sur un substrat isolant et suspendu entre deux conducteurs électriques amenant le courant d'alimentation. Document US-A-5 220 173 discloses a source of pulsed infrared radiation, the radiating element of which is intended to be thin enough for the thermal energy stored by this element to be less than the energy radiated during each period of operation. The radiating element is made of an electrically conductive material such as a metal or a metal alloy. I1 can be deposited or not on an insulating substrate and suspended between two electrical conductors bringing the supply current.
L'inconvénient de ces microfilaments métalliques est leur faible émissivité dans l'infrarouge. En effet, pour ce type de rayonnement, l'émissivité des métaux, et du platine en particulier, est de l'ordre de 0,05 soit 20 fois moins qu'une source thermique idéale dont l'èmissivité est de 1. The disadvantage of these metallic microfilaments is their low emissivity in the infrared. Indeed, for this type of radiation, the emissivity of metals, and of platinum in particular, is of the order of 0.05 or 20 times less than an ideal thermal source whose emissivity is 1.
Pour remédier à cet inconvénient, on propose, selon la présente lovent ion, de recouvrir les microfilaments métalliques d'un matériau déposé en couche mince et présentant une émissivité élevée dans la gamme de longueur d'onde d'utilisation de l'appareil. To remedy this drawback, it is proposed, according to the present ion, to cover the metallic microfilaments with a material deposited in a thin layer and having a high emissivity in the wavelength range of use of the device.
L'invention a donc pour objet une source de rayonnement infrarouge miniaturisée comprenant au moins un microfilament autoporté, comprenant un matériau métallique, destiné à émettre un rayonnement infrarouge sous l'action d'un courant électrique le traversant, ce courant électrique étant modulé pour faire alterner des périodes d'émission dudit rayonnement infrarouge et des périodes d'absence d'émission dudit rayonnement infrarouge, le microfilament ayant la forme d'un film d'épaisseur suffisamment faible pour présenter une faible inertie thermique compatible avec les périodes d'émission du rayonnement infrarouge, caractérisée en ce que le microfilament est constitué d'un ruban métallique recouvert d'au moins une couche mince d'un matériau améliorant l'émissivité du microfilament dans au moins une partie du spectre infrarouge. The invention therefore relates to a source of miniaturized infrared radiation comprising at least one self-supporting microfilament, comprising a metallic material, intended to emit infrared radiation under the action of an electric current passing through it, this electric current being modulated to make alternate periods of emission of said infrared radiation and periods of no emission of said infrared radiation, the microfilament having the form of a film of thickness sufficiently small to have a low thermal inertia compatible with the periods of emission of the infrared radiation, characterized in that the microfilament consists of a metallic strip covered with at least one thin layer of a material improving the emissivity of the microfilament in at least part of the infrared spectrum.
Le micro filament peut avantageusement avoir la forme d'un serpentin afin d'augmenter sa longueur tout en le confinant dans un espace restreint. The micro filament can advantageously have the shape of a serpentine in order to increase its length while confining it in a limited space.
La source infrarouge ainsi constituée peut comporter plusieurs filaments que l'on peut lnterconnecter en partie ou en totalité, en série ou/et en parallèle. The infrared source thus formed may comprise several filaments which can be interconnected in part or in whole, in series or / and in parallel.
L'épaisseur de la couche mince recouvrant le ruban métallique est de préférence voisine de la longueur de pénétration du rayonnement infrarouge émis par cette couche mince. The thickness of the thin layer covering the metal strip is preferably close to the penetration length of the infrared radiation emitted by this thin layer.
Le ruban métallique peut être recouvert de plusieurs couches minces de matériaux différents, chaque couche mince améliorant l'émissivité du micro filament dans une partie du spectre infrarouge qui lui est spécifique. The metallic strip can be covered with several thin layers of different materials, each thin layer improving the emissivity of the micro filament in a part of the infrared spectrum which is specific to it.
Si la source de rayonnement infrarouge comprend plusieurs microfilaments, au moins deux microfilaments peuvent être constitués de rubans métalliques recouverts chacun d'une couche mince de matériau améliorant l'émissivité, de nature différente afin d'améliorer ltémissivité dans des parties différentes du spectre infrarouge. If the infrared radiation source comprises several microfilaments, at least two microfilaments may consist of metallic ribbons each covered with a thin layer of emissivity-improving material, of a different nature in order to improve the emissivity in different parts of the infrared spectrum.
Les rubans métalliques peuvent être en platine, en tantale, en titane, en tungstène, en molybdène, en chrome, en nickel ou en l'un de leurs alliages. The metallic ribbons can be platinum, tantalum, titanium, tungsten, molybdenum, chrome, nickel or one of their alloys.
L'épaisseur de ces rubans est avantageusement comprise entre quelques dixièmes de um et quelques um.The thickness of these ribbons is advantageously between a few tenths of a μm and a few μm.
Le matériau améliorant l'émissivité du microfilament est de préférence choisi parmi des nitrures (par exemple Si3N4), des siliciures (par exemple SiC, SiMo) , des oxydes (par exemple SiO2, AlO3)ou encore des borures. The material improving the emissivity of the microfilament is preferably chosen from nitrides (for example Si3N4), silicides (for example SiC, SiMo), oxides (for example SiO2, AlO3) or also borides.
Le microfilament est de préférence supporté par un support isolant (par exemple en quartz, en verre ou en silicium) et disposé parallèlement à ce support. Il peut être encapsulé dans une enceinte sous vide ou contenant un gaz inerte. The microfilament is preferably supported by an insulating support (for example made of quartz, glass or silicon) and arranged parallel to this support. It can be encapsulated in a vacuum enclosure or containing an inert gas.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 est une vue d'une source infrarouge miniaturisée comportant plusieurs microfilaments, selon l'invention,
- la figure 2 est un diagramme représentant des impulsions électriques an fonction du temps,
- la figure 3 est un diagramme représentant des spectres d'émission infrarouge de matériaux déposés sur un microfilament, et
- la figure 4 est un diagramme représentant l'évolution du signal délivré par un détecteur pyreélectrique en fonction de la fréquence des impulsions électriques du courant injecté dans des ;nlcrofilaments selon 1' invention.The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended drawings among which
FIG. 1 is a view of a miniaturized infrared source comprising several microfilaments, according to the invention,
FIG. 2 is a diagram representing electrical pulses as a function of time,
FIG. 3 is a diagram representing infrared emission spectra of materials deposited on a microfilament, and
- Figure 4 is a diagram showing the evolution of the signal delivered by a pyreelectric detector as a function of the frequency of the electrical pulses of the current injected into; nlcrofilaments according to one invention.
La source de rayonnement infrarouge 1 représentée à la figure 1 comporte huit filaments 2, par exemple en
Platine, autoportés sur un cadre de quartz 3. Chaque extrémité de filament 2 est reliée à un plot conducteur 4, 5 déposé sur le cadre 3. Chaque plot 4, 5 assure le maintien mécanique d'un filament correspondant et sert de borne de connexion électrique à un dispositif d'alimentation en courant électrique. Les huit microfilaments 2 de la source 1 peuvent être interconnectés au choix, en partie ou en totalité, en série ou en parallèle ou selon des configurations mixtes. Le cadre de quartz 3 peut être collé sur un boîtier TOS ou Tous.The infrared radiation source 1 shown in FIG. 1 has eight filaments 2, for example in
Plate, self-supporting on a quartz frame 3. Each end of filament 2 is connected to a conductive pad 4, 5 deposited on the frame 3. Each pad 4, 5 ensures the mechanical maintenance of a corresponding filament and serves as a connection terminal electric power supply device. The eight microfilaments 2 of the source 1 can be interconnected as desired, in part or in whole, in series or in parallel or according to mixed configurations. The quartz frame 3 can be glued to a TOS or Tous box.
La figure 1 montre un mode préféré de réalisation des microfilaments selon l'invention. Chaque microfilament comprend un ruban métallique (en platine dans le cas présent) de 6 um d'épaisseur et de 52 um de largeur. Il comporte plusieurs spires. La largeur d'une spire est de 284 um et sa longueur 120 um. Chaque microfilament comporte 21 spires représentant une longueur totale de 2512 um. Pour émettre un rayonnement infrarouge, les micro filaments peuvent être portés à une température de 600"C ou 800"C, mais il est préférable de ne pas dépasser 600"C pour obtenir une durée de vie supérieure à 1000"h. Figure 1 shows a preferred embodiment of the microfilaments according to the invention. Each microfilament comprises a metallic ribbon (in platinum in the present case) 6 μm thick and 52 μm wide. It has several turns. The width of a turn is 284 µm and its length 120 µm. Each microfilament has 21 turns representing a total length of 2512 µm. To emit infrared radiation, the micro filaments can be brought to a temperature of 600 "C or 800" C, but it is preferable not to exceed 600 "C to obtain a lifespan greater than 1000" h.
L'avantage d'un ruban métallique aussi mince est que celui-ci présente une inertie thermique faible et qu'il peut donc être modulé électriquement à une fréquence de quelques dizaines de Hz. En effet, pour un tel microfilament, en platine et placé dans l'air, la constante de temps thermique est de l'ordre de 17 ms. The advantage of such a thin metal strip is that it has a low thermal inertia and that it can therefore be electrically modulated at a frequency of a few tens of Hz. Indeed, for such a microfilament, made of platinum and placed in air, the thermal time constant is around 17 ms.
Afin de moduler l'émission de la source infrarouge, les micro filaments sont alimentés par des impulsions électriques qui peuvent être en général quelconques. On choisira préférentiellement des impulsions sinusoldales ou rectangulaires. La figure 2 montre un exemple d'impulsions rectangulaires utilisables, l'axe des ordonnées représentant le courant l traversant un microfilament et l'axe des abscisses représentant le temps t. L'intervalle de temps e entre deux impulsions successives ne doit pas être trop petit devant la constante de temps thermique du microfilament afin d'obtenir une modulation suffisante de l'émission lumineuse. In order to modulate the emission of the infrared source, the micro filaments are supplied by electrical pulses which may in general be any. Preferably, sinusoidal or rectangular pulses will be chosen. FIG. 2 shows an example of usable rectangular pulses, the ordinate axis representing the current l passing through a microfilament and the abscissa axis representing time t. The time interval e between two successive pulses must not be too small compared to the thermal time constant of the microfilament in order to obtain sufficient modulation of the light emission.
Selon l'invention, afin d'améliorer l'émission infrarouge d'un microfilament, son ruban métallique est recouvert d'un matériau déposé en couche mince et présentant une émissivité élevée dans la gamme de longueur d'onde d'utilisation de l'appareil. D'un point de vue physique, un bon émetteur est un bon absorbant, ce qui signifie qu'un bon matériau, pour une longueur d'onde donnée, doit absorber suffisamment pour pouvoir être déposé en couche mince afin de ne pas augmenter l'inertie thermique du microfilament. La profondeur de pénétration idéale de la lumière dans le matériau doit être voisine de l'épaisseur de celui-ci, c'est-à-dire de l'ordre du um dans le cas d'un microfilament de 6 um d'épaisseur. Si la profondeur de pénétration est trop faible (cas des métaux), le matériau ne va plus absorber le rayonnement incident mais le réfléchir selon les lois de Fresnel. According to the invention, in order to improve the infrared emission of a microfilament, its metal strip is covered with a material deposited in a thin layer and having a high emissivity in the wavelength range of use of the apparatus. From a physical point of view, a good emitter is a good absorbent, which means that a good material, for a given wavelength, must absorb enough to be able to be deposited in a thin layer so as not to increase the thermal inertia of the microfilament. The ideal penetration depth of the light into the material must be close to the thickness of the latter, that is to say on the order of μm in the case of a microfilament 6 μm thick. If the penetration depth is too small (case of metals), the material will no longer absorb the incident radiation but will reflect it according to Fresnel laws.
Le diagramme de la figure 3 représente des spectres d'émission infrarouge de quelques matériaux déposés sur un ruban métallique pour former un microfilament selon l'invention. L'axe des abscisses est gradué en um. La courbe 10 se rapporte au cas d'une couche d'alumine de 14 um d'épaisseur déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. La courbe 11 se rapporte au cas d'une couche de silice déposée sur un ruban de platine de 6 pm d'épaisseur. La courbe 12 se rapporte au cas d'une couche de nitrure de silicium déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. The diagram in FIG. 3 represents infrared emission spectra of a few materials deposited on a metal strip to form a microfilament according to the invention. The abscissa axis is graduated in um. Curve 10 relates to the case of an alumina layer 14 μm thick deposited on a platinum ribbon 6 μm thick. Curve 11 relates to the case of a layer of silica deposited on a platinum ribbon 6 μm thick. Curve 12 relates to the case of a layer of silicon nitride deposited on a platinum ribbon 6 μm thick.
L'alumine, la silice et le nitrure de silicium améliorent nettement ltémissivté des microfilaments vers 10 pm avec des profils de courbe variables. La gamme spectrale utilisée et la fréquence de travail imposeront le choix d'un matériau et de son épaisseur.Alumina, silica and silicon nitride markedly improve the emissivity of the microfilaments around 10 μm with variable curve profiles. The spectral range used and the working frequency will impose the choice of a material and its thickness.
L'invention s' applique particulièrement bien à la réalisation d'une source pour éthylotest pour la détection de l'éthanol à 9,4 um. Dans ce cas, les meilleurs résultats sont obtenus avec une couche de
SiO2 de 1 um d'épaisseur déposée sur un ruban de platine de 6 um d'épaisseur (voir la figure 4 qui a été tracée pour une émission infrarouge transmise via un filtre infrarouge dont la bande de transmission spectrale est centrée sur la raie d'absorption de l'éthanol à 10 hum).The invention applies particularly well to the production of a source for breathalyser for the detection of ethanol at 9.4 μm. In this case, the best results are obtained with a layer of
1 μm thick SiO2 deposited on a 6 μm thick platinum ribbon (see FIG. 4 which has been traced for an infrared emission transmitted via an infrared filter whose spectral transmission band is centered on the line of ethanol absorption at 10 hum).
Le diagramme représenté à la figure 4 a son axe des ordonnées gradué de façon logarithmique pour représenter le signal S recueilli par un détecteur pyroélectrique. Son axe des abscisses, également gradué de façon logarithmique, représente la fréquence des impulsions de courant d'alimentation des filaments. La courbe 20 correspond au cas où le microfilament est simplement constitué d'un ruban de platine de 6 um d'épaisseur. Les courbes 21 à 24 correspondent à des microfilaments selon l'invention, c'est-à-dire un microfilament constitué d'un ruban de platine de 6 um d'épaisseur recouvert soit d'une couche d'alumine de 2,3 um d'épaisseur (courbe 21) ou de 14 um d'épaisseur
(courbe 22), soit d'une couche de Si3N4 de 1 um d'épaisseur (courbe 23), soit une couche de silice de 1 um d'épaisseur (courbe 24).The diagram shown in FIG. 4 has its ordinate axis graduated logarithmically to represent the signal S collected by a pyroelectric detector. Its abscissa axis, also graduated logarithmically, represents the frequency of the filament supply current pulses. Curve 20 corresponds to the case where the microfilament simply consists of a platinum ribbon 6 μm thick. Curves 21 to 24 correspond to microfilaments according to the invention, that is to say a microfilament consisting of a platinum ribbon 6 μm thick covered with either a layer of alumina of 2.3 μm thick (curve 21) or 14 µm thick
(curve 22), either a layer of Si3N4 1 μm thick (curve 23), or a layer of silica 1 μm thick (curve 24).
Le diagramme de la figure 4 montre que la couche d'alumine de 14 um est meilleure que la couche de Si3N4 de 1 pm à basse fréquence, mais moins bonne à plus haute fréquence en raison de son inertie thermique. The diagram in Figure 4 shows that the 14 µm alumina layer is better than the 1 µm Si3N4 layer at low frequency, but worse at higher frequency due to its thermal inertia.
Si on compare les microfilaments de platine seul et de platine recouvert d'une couche de SiO2 de 1 um, on constate que le gain en émissivité du micro filament recouvert par rapport au microfilament nu est de 7 à basse fréquence et de 5 à 40 Hz. La réduction du gain à 40 Hz résulte de l'augmentation de l'inertie thermique du micro filament qui pénalise la modulation de l'émission lumineuse. If we compare the microfilaments of platinum alone and of platinum coated with a layer of SiO2 of 1 μm, it is found that the gain in emissivity of the microfilament covered compared to the bare microfilament is 7 at low frequency and from 5 to 40 Hz The reduction in gain to 40 Hz results from the increase in the thermal inertia of the micro filament which penalizes the modulation of the light emission.
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9611866AFR2748810A1 (en) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | Miniature source of infrared radiation, with coated metal microfilament |
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