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WO2018138223A1 - Détecteur optique de particules - Google Patents

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WO2018138223A1
WO2018138223A1 PCT/EP2018/051890 EP2018051890W WO2018138223A1 WO 2018138223 A1 WO2018138223 A1 WO 2018138223A1 EP 2018051890 W EP2018051890 W EP 2018051890W WO 2018138223 A1 WO2018138223 A1 WO 2018138223A1
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substrate
channel
matrix
photodetectors
optical device
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PCT/EP2018/051890
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Salim Boutami
Sergio Nicoletti
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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Priority to US16/480,136 priority patent/US11204308B2/en
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    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical detection of particles in general and more particularly of particles of micrometric or even nanometric size. It will find particularly advantageous but not limited to the detection of dust particles, smoke particles for detecting fires or the detection of polluting particles and especially so-called fine particles.
  • Particle detectors are usually based on the diffraction of visible light, or near infrared, by particles. These detectors thus generally comprise optical sensors configured to measure the diffraction of light by the particles.
  • the detectors comprise a light source and a channel through which the particles to be detected pass.
  • optical sensors In the absence of particles, there is no diffraction, optical sensors do not measure light.
  • light is diffracted by particles and optical sensors detect light diffracted in their solid detection angle. This measurement thus makes it possible to detect one or more particles.
  • the intensity of the diffracted light and its angular pattern are characteristics of the nature, shape, size and concentration of the particles, the known solutions do not make it possible to measure all of these characteristics in such a way that faithful, at a reasonable cost and occupying a limited space.
  • Document FR2963101 describes an existing solution. This solution provides a light source carried by a waveguide which illuminates a channel etched in a silicon substrate and through which particles will flow. The diffraction of the incident light by these particles is detected by two peripheral photodiodes produced on the silicon substrate.
  • the present invention relates to a particle detector comprising at least:
  • an optical device capable of being connected to at least one light source and configured to emit at least one light radiation generated by said light source
  • a substrate extending in a main plane (x, y) and defining at least part of a channel intended to receive a fluid comprising particles, the channel extending mainly in a direction perpendicular (z) to the plane main (x, y), at least a portion of the substrate being configured to receive at least a portion of the light radiation emitted by the optical device.
  • the detector further comprises a matrix of photodetectors and at least one reflecting surface, able to reflect the light radiation.
  • the photodetector matrix and the reflecting surface are disposed on either side of said portion of the substrate.
  • the detector is configured so that if particles are present in the channel, at least part of the light radiation emitted by the optical device passes through the channel being at least partially diffracted by at least one particle, then is reflected at least partly on the reflecting surface, and then reaches the less in part to the matrix of photodetectors.
  • the association of the channel, the at least one reflecting surface and a matrix of photodetectors makes it possible to capture a greater number of light rays diffracted by the particles.
  • the matrix of photodetectors can receive, on the one hand, the light rays diffracted by the particles and which after diffraction arrive directly on the matrix of photodetectors and, on the other hand, the rays that reach the photodetector matrix after reflection on the surface. reflective.
  • the invention thus makes it possible to increase the diffraction pattern to which one has access.
  • the combination of the reflecting surface, the matrix of photodetectors and the substrate carrying the channel makes it possible to approximate to a two-dimensional measurement a three-dimensional diffraction.
  • the present invention thus makes it possible to project onto the same matrix of photodiodes a very large number of light beams diffracted in various directions in three dimensions.
  • the geometry of the present invention allows projection of a vector space of three-dimensional propagation to a two-dimensional measurement space.
  • the invention thus makes it possible to collect information in greater quantity and more precise concerning the particles.
  • the detection of particles and the identification of their parameters, such as their size or their nature, is therefore improved.
  • the present invention makes it possible to determine the refractive index of the particles.
  • the photodetector array extends in a first plane and the reflective surface extends in a second plane, said first and second planes being parallel to the main plane (x, y) and located on either side of the plane. said portion of the substrate.
  • the detector according to the invention is relatively simple to manufacture since all the layers (matrix of photodetectors and reflecting layers) can be formed in parallel planes.
  • the detector according to the invention makes it possible to project, via the reflecting surface, the image of the diffraction pattern on the matrix of photodetectors, the latter possibly covering an extended surface whose size is little or not dependent. the shape and size of the channel.
  • the invention thus makes it possible to collect reflected rays over a large area, while maintaining a limited space requirement, especially a limited length and channel width.
  • the present invention also relates to a method for producing at least one particle detector according to the present invention, comprising at least the following steps:
  • At least one first substrate comprising at least one photodetector array and a portion of at least one optical device configured to emit at least one light radiation, the first substrate extending in a main plane (x, y) and preferably, the array of photodetectors extending in a first plane parallel to said main plane (x, y);
  • At least one second substrate comprising at least one reflecting layer capable of reflecting said at least one light radiation, the second substrate extending in part at least in the main plane (x, y) and, preferably, and the layer reflective film extending in a second plane parallel to said main plane (x, y); forming a third substrate by assembling the first substrate and the second substrate so that the photodetector array and the reflecting surface are disposed on either side of at least a portion of the substrate;
  • forming at least one particle circulation channel extending mainly in a direction perpendicular (z) to said main plane (x, y) and passing through the third substrate so that, if particles are present in the channel, at least a portion of the light radiation emitted by the optical device passes through the channel while being at least partially diffracted by at least one particle, and then reflect at least partly on the reflecting surface, then then at least partially reaches the matrix of photodetectors.
  • the method comprises the following steps:
  • At least one additional reflective layer capable of reflecting said at least one light radiation on at least a portion of the second portion of the channel and preferably on at least one wall of said at least one channel.
  • Figure 1a is a top view of a particle detector according to a first embodiment of the present invention.
  • a projection of the diffraction pattern of light rays by particles is schematized.
  • This figure represents a possible arrangement of a photodetector array with respect to a particle circulation channel and the distal portion of an optical device.
  • Figure 1b shows a view according to section AA of Figure 1a.
  • the optical path of light rays extracted from an extraction network is shown. This optical path encounters the flow of particles in the particle circulation channel thus forming diffracted light rays shown schematically in this figure.
  • the reflections of the extracted light rays and light rays diffracted by an upper reflecting layer are also shown.
  • FIG. 2a is a view from above, similar to the view of FIG. 1a, but according to a variant of the embodiment of FIG. 1a in which photodetectors are distributed over the whole of a substrate so as to cover a larger detection area.
  • Figure 2b is a view according to section A-A of Figure 2a.
  • Figure 2b in a manner identical to FIG. 1b, are diagrammatically the optical paths of light rays extracted from an extraction network situated at a distal portion of a waveguide, as well as those of light rays. diffracted and reflected.
  • Figure 2c is a view according to section B-B of Figure 2a.
  • Figure 2c in a manner identical to FIG. 2b, are diagrammatically the optical paths of light rays extracted from the extraction network, as well as those of diffracted and reflected light rays.
  • Figure 3a is a detail view A of Figure 1a. This is a top view of an example of the extraction network and its dimensions.
  • Figure 3b is a detail view B of Figure 1b. This is a sectional view of the extraction network, the section being taken at the distal portion of the waveguide.
  • Figures 4a to 6d illustrate steps of making a detector according to the present invention. More precisely :
  • FIGS. 4a to 4h illustrate, according to an embodiment and in a view according to section AA, the steps of forming the extraction network on a first substrate comprising a matrix of photodetectors and at least the distal portion of the waveguide intended to understand the extraction network.
  • Figures 5a to 5d illustrate, according to the first embodiment and in a view according to section A-A, the main steps of forming a second substrate and the reflective layer.
  • Figures 6a to 6d illustrate, according to the first embodiment and in a view according to section A-A, the assembly of the first and second substrates illustrated in Figures 4h and 5d and the formation of the particle circulation channel.
  • FIGS. 7a and 7b illustrate, according to yet another embodiment, two views along section A-A intersecting the particle circulation channel.
  • FIG. 7a shows an optical path that passes through the channel directly at the exit of the extraction network.
  • FIG. 7b shows an optical path that passes through the channel directly at the exit of the extraction network after reflection on a reflecting surface.
  • Figure 8a is a top view of an alternative embodiment of Figure 7a in which photodetectors are distributed across a substrate to cover a larger sensing area.
  • Figures 8b and 8c are views according to section B-B of the detector according to Figure 8a. These figures 8b and 8c correspond to the views 7a and 7b applied to the embodiment of FIG. 8a.
  • FIGS. 9a to 9f illustrate steps for producing the detector illustrated in FIGS. 8a to 8c.
  • FIGS. 9a and 9b illustrate, according to one embodiment and in a view according to section AA, the steps of formation of the extraction network on a first substrate comprising a matrix of photodetectors and at least the distal portion of the waveguide as well as forming a first portion of the channel.
  • FIGS. 9c to 9e illustrate, according to one embodiment and in a view according to section A-A, the steps of forming a second substrate and a second portion of the channel as well as the deposition of the upper reflecting layer.
  • FIG. 9f illustrates, according to one embodiment and in a view according to section A-A, the assembly of the first and second substrates.
  • Figures 10 and 11 illustrate two embodiments of the present invention in which the substrate comprises two particle circulation channels.
  • a projection of light ray diffraction patterns by particles is schematized.
  • These figures represent possible arrangements of a matrix of photodetectors with respect to the two particle circulation channels.
  • the optical device comprises a waveguide separating into two arms.
  • Fig. 11 is a top view of an alternative embodiment of Fig. 10 in which photodetectors are distributed over a whole substrate so as to cover a larger sensing area.
  • Figures 12 and 13 illustrate an optical device according to two embodiments of the present invention.
  • the optical device comprises a waveguide separating into two arms.
  • the term “over”, “overcomes”, “overlaps” or “underlying” or their equivalents do not mean “in contact with”.
  • the deposition of a first layer on a second layer does not necessarily mean that the two layers or substrates are in direct contact with one another, but that means that the first layer at least partially covers the second layer. layer by either being directly in contact with it or being separated from it by at least one other layer or at least one other element.
  • a particle is a material element whose largest dimension is less than one millimeter (10 "3 meters) and preferably a few tens of micrometers (10 " 6 meters) and preferably less than one micrometer, or even of the order nanometer (10 "9 meters) In general, these are objects made of material whose dimensions are small relative to the dimensions of the particle circulation channel.
  • the terms "light radiation”, “wave” or “radius” or their equivalents are defined as having an electromagnetic flux having a main lambda wavelength or an average lambda wavelength. around the main wavelength with a standard deviation preferably lower or of the order of 20% for example and propagating preferably in a single main direction or a mean direction around the main direction with a lower standard deviation or of the order of 10% for example. This direction of propagation is also called “optical path”.
  • the terms “diffusion”, “diffraction” or their equivalents refer to the phenomenon by which a propagation medium produces a distribution, in many directions, the energy of an electromagnetic wave, light for example.
  • the term "transparency" or its equivalents refers to the phenomenon of relatively propagate light radiation in a so-called transparent material.
  • a material is considered as transparent since it allows at least 50% of light radiation to pass through, preferably at least 75% and advantageously at least 90%.
  • the optical device is located at least partly between said first and second planes.
  • the substrate has a first face turned facing or disposed in contact with the reflecting surface and a second face, opposite to the first face and facing facing or disposed in contact with the matrix of photodetectors.
  • the matrix of photodetectors and the reflecting surface are located at least in part and preferably entirely in line with each other in said perpendicular direction (z).
  • the particle detector according to the present invention is configured so that at least a portion of the light radiation is reflected by at least a portion of the reflecting surface before passing through the channel to be diffracted by at least one particle.
  • a reflective surface located before the passage of the particle channel for example located opposite the output of the optical device such as a waveguide, allows the present invention to take advantage of the backscattered rays in addition to diffracted light rays, thereby increasing the number of measurements and therefore the wealth of information detected.
  • At least a portion of the light radiation preferably at least 90% of the light radiation, preferably all the light radiation, remains confined in the substrate, that is to say between the first plane and the second plane.
  • at least a portion of the light radiation, preferably at least 90% of the light radiation, preferably all the light radiation remains confined in the substrate, that is to say between the first face and the second face.
  • the substrate is formed of at least one material passing through at least 50%, preferably at least 75% and preferably at least 90% of said light radiation, preferably the substrate comprises a transparent material relative to the light radiation.
  • the optical device has a distal portion through which the light radiation is emitted, the distal portion and the photodetector array are located on either side of the channel relative to said perpendicular direction (z).
  • the optical device and the matrix of photodetectors are arranged in the substrate.
  • the optical device and the matrix of photodetectors are arranged outside the at least one channel.
  • the optical device and the matrix of photodetectors are arranged in the substrate and outside the at least one channel, so as to be protected from direct contact with the fluid comprising particles.
  • the invention makes it possible to prolong the performance of the detector over time.
  • the invention makes it possible to limit the maintenance operations to be performed on the detector.
  • the matrix of photodetectors extends around, preferably all around, the channel.
  • the matrix extends over 360 ° around the channel.
  • the positioning of photodetectors under the waveguide also makes it possible to have blind photodetectors making it possible to virtually determine the relative position of the other photodetectors and thus to know virtually the geometry of the detector. Moreover, this allows facilitate the positioning of the optical device by reducing positioning constraints.
  • the matrix of photodetectors extends around the channel covering an arc of at least 180 ° and preferably 250 ° and preferably 300 °.
  • At least a portion of the reflecting surface is carried by at least a portion of the wall of the channel.
  • the substrate comprises at least a first substrate and a second substrate, the first substrate carrying the photodetector matrix and preferably at least a portion of the optical device and the second substrate carrying at least the reflecting surface, preferably the first substrate being configured to provide a diffracted light radiation detection function and the second substrate configured to provide at least partially a reflection function of the light radiation diffracted towards the photodetector array.
  • the substrate comprises at least a first substrate and a second substrate, the first substrate carrying at least a first portion of the channel and the second substrate carrying at least a second portion of the channel, each portion extending in said perpendicular direction (z ), the average surface of the section of the first portion is substantially equal to or less than the average surface of the section of the second portion, the average surface of the section of a portion corresponding to the average of the surfaces taken on the whole the height along the z axis.
  • the average thickness of the first portion is substantially equal to or less than the average thickness of the second portion, the thicknesses being measured along said perpendicular direction (z).
  • the substrate is a monolayer substrate.
  • the substrate is a multilayer substrate.
  • the optical device is formed in said substrate.
  • the reflective surface covers the entire substrate.
  • the photodetector matrix and the reflecting surface are shifted in the perpendicular direction (z).
  • the light radiation is a monochromatic radiation.
  • the optical device comprises at least one waveguide, carried by the substrate, configured to guide the light radiation towards the channel.
  • the optical device comprises at least one distal portion shaped to form, at the output of the optical device, an extraction network configured to generate a set of extracted light rays, preferably parallel to one another, at the output of the optical device, the extraction network has a shape that flares in the main plane (x, y) towards the channel.
  • the extraction network comprises a plurality of elliptical grooves, each groove being an extraction groove of at least a portion of the light radiation.
  • the extraction network comprises at least a plurality of elliptical grooves and the plurality of grooves form an alternation of trenches and projections.
  • the thickness of the etching determines the morphology of the extraction grooves and, by the same, the dimensions of the extracted beam.
  • the extracted beam is wide, and little divergent, so composed of extracted light rays having substantially the same vertical deviation corresponding to the angle a.
  • the extracted beam is narrow spatially, so divergent, thus composed of extracted light rays having vertical deviations varying around the value of the angle a.
  • This elliptical appearance makes it possible to follow the profile of the wavefront of the light radiation during its propagation in said distal portion.
  • the optical device comprises at least one waveguide comprising a heart having a distal portion and a sheath encapsulating the heart, the heart having, at the level of the distal portion, a plurality of grooves of smaller thickness than the rest of the the distal portion arranged periodically in a pitch P such that P satisfies the following expression:
  • n eff the effective refractive index of the fundamental mode of light radiation
  • n c the refractive index of the waveguide core
  • n g the refractive index of the sheath of the waveguide
  • n eff being between n c and n g.
  • the light radiation propagating in the waveguide forms an angle ⁇ with the main plane (x, y), with 0 ° ⁇ a ⁇ 90 °, preferably 10 ° ⁇ a ⁇ 45 ° and preferably 20 ⁇ ⁇ ⁇ 40 ⁇ and preferably 20 ⁇ ⁇ 30 ⁇ and preferably about 25 °.
  • the optical device comprises at least one waveguide, the waveguide being monomode.
  • the optical device comprises at least one waveguide comprising a core and a sheath, the thickness h of the waveguide measured along said perpendicular direction (z) is such that:
  • ⁇ the wavelength of the light radiation
  • n c the refractive index of the waveguide core
  • n g the refractive index of the sheath of the waveguide.
  • the present invention comprises at least a first particle circulation channel and at least a second particle circulation channel.
  • the present invention comprises at least a first channel and a second particle circulation channel, each channel being intended to receive the fluid comprising particles and being configured to receive at least a portion of the light radiation emitted by the optical device.
  • the present invention is configured so that the light radiation received by each channel comes from a single optical device and preferably from a single light source.
  • the photodetector matrix and the reflecting surface are disposed on either side of said portion of the substrate so that at least a portion of the light radiation emitted by the optical device passes through each of the channels or at least one of the channels. by being diffracted by at least one particle, then reflected on the reflecting surface, and then arrives at the photodetector array.
  • This embodiment allows good detection even if one of the channels is out of use, for example if it is clogged, typically with dust or large particles such as insects. This embodiment thus makes it possible to improve the reliability of the detection.
  • the optical device comprises at least one waveguide comprising at least one junction configured to form at least a first arm of the waveguide and at least one second arm of the waveguide.
  • the detector is configured so that:
  • At least a part of the light radiation emitted by the optical device through the first arm of the waveguide passes through the first channel while being diffracted by at least one particle, then is reflected on the reflecting surface and then reaches the matrix photodetectors; at least a portion of the light radiation emitted by the optical device through the second arm of the waveguide passes through the second channel while being diffracted by at least one particle, then is reflected on the reflecting surface and then reaches the matrix photodetectors.
  • the present invention finds the preferred field of application the detection of particles of various sizes, preferably in the field of microscopic or even nanoscale particles.
  • the present invention can be used for the detection of particles from fumes, dust particles, pollutant particles or particles derived from allergens such as pollens, mold spores or carcinogenic particles, or biological particles such as bacteria, viruses, or exosomes.
  • the present invention applies to all types of particles carried by a fluid, whether it is liquid and / or gaseous.
  • FIG. 1a is a view from above of a substrate 100 comprising a reflecting surface 41, a distal portion 10 of an optical device 15, a channel 50 for circulating the particles 60 and a matrix 20 of photodetectors 21.
  • Figure 1b shows a view of the substrate 100 according to section A-A shown in Figure 1a.
  • the reflecting layer 41 is preferably arranged in line with the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the channel 50 for circulating the particles 60 is disposed between the distal portion 10 of the optical device 15 and at least a portion of the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the relative arrangement of the reflective layer 41, the photodetector matrix 20 and the distal portion 10 of the optical device 15 is configured so that, when particles 60 are present in the channel 50, the light rays extracted 1 since the optical device 15 passes through the channel 50 by being at least partially diffracted by at least one particle 60 so as to produce diffracted light rays 12.
  • the extracted and diffracted light rays 12 are then at least partially reflected on the reflective layer 41 so as to produce reflected light radiation rays 13 and reflected diffracted light rays 14 reaching the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the substrate 100 comprises at least a first substrate 30 and at least a second substrate 40.
  • the first substrate 30 and the second substrate 40 are secured, for example by molecular bonding, so as to form the substrate 100.
  • the substrate 100 can thus be described as an assembly substrate or of "third substrate” obtained by assembling the first 30 and second 40 substrates.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 is carried by the first substrate 30.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 is advantageously protected from direct contact with the fluid comprising particles 60, so as to limit its fouling by said particles.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 is in particular situated outside the channel 50.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 may be arranged in or encapsulated by the substrate 100. This makes it possible to prolong the performance of the matrix 20 over time. photodetectors 21 and thus the detector. Moreover, the maintenance operations to be performed on this detector are reduced compared to the detectors in which the photodetectors are potentially in contact with a fluid comprising particles.
  • the invention therefore also limits the maintenance operations to be performed.
  • the first substrate 30 carries at least part of the optical device 15.
  • the latter comprises at least one waveguide having a distal portion 10.
  • the waveguide advantageously comprises a core and a sheath.
  • the heart of the waveguide comprises at least one nitride-based material.
  • the sheath of the waveguide preferably comprises less a silica-based material, this material preferably forming the base material of the substrate 30.
  • This waveguide is configured to bring closer to the channel 50 the light radiation emitted by the optical device 15.
  • the distal portion 10 of the waveguide, and preferably the optical device 15, are protected from direct contact with the fluid comprising particles 60, so as to limit their fouling by said particles.
  • the distal portion 10 and / or at least a portion of the device 15 comprising the distal portion 10 are located outside the channel 50. According to an advantageous embodiment, they may be arranged in or encapsulated by the substrate 100.
  • This waveguide is advantageously located in the main plane (x, y) in which the substrate 100 extends, the x, y, z mark being represented in FIGS. 1a and 1b.
  • the waveguide is preferably located between a first plane at which the matrix 20 of photodetectors 21 is disposed, this first plane preferably being parallel to the (x, y) plane, and a second plane at which the reflecting surface 41, this second plane being parallel to the foreground.
  • the first plane contains the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the second plane contains the at least one reflecting surface 41.
  • the channel 50 for circulating the particles 60 has a main direction of circulation extending in the direction z perpendicular to the main plane (x, y).
  • This circulation channel 50 extends from an inlet port 51 to an outlet port 52.
  • the channel 50 for circulating the particles 60 is positioned between the distal portion 10 of the waveguide and the matrix 20 of photodetectors 21. In this position, the matrix 20 of photodetectors 21 receives most of the diffracted light rays 12 and 14.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 may also be arranged around the distal portion 10 of the waveguide so as to also receive the backscattered rays, not shown in FIG. 1b, that is, - say diffracted in a direction substantially opposite to the main direction of extraction of light rays extracted 1 1.
  • the particles 60 of large size, relative to the wavelength of the light rays extracted 1 1, can backscatter the extracted light rays 1 1, that is to say produce light rays diffracted in the opposite direction of the propagation of incident rays.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 can be positioned all around the channel 50 for circulating the particles 60 as illustrated through FIGS. 2a and 2b and this so as to extend the zone of detection of the diffracted light rays 12 and 14 and backscattered rays. This makes it possible to have a larger detection area and to measure the diffraction pattern 70 as a whole.
  • FIG. 2b illustrates, according to the section BB of FIG. 2a, the diffracted light rays 12 propagating in multiple directions all around the main direction (z) of extension of the channel 50.
  • the optical device 15 is able to be connected to at least one light source.
  • this light source may be a light emitting diode or a laser diode.
  • the present particle detector may be designed to use the light source of a portable device such as lighting, preferably monochromatic, of a smartphone-type mobile phone for example, in order to have a portable particle detector module.
  • a portable device such as lighting, preferably monochromatic, of a smartphone-type mobile phone for example.
  • This application allows for example to perform analyzes of air quality.
  • the optical device 15 comprises at least one light source of light radiation and a waveguide comprising a distal portion 10 configured to generate light rays January 1 from the waveguide.
  • the waveguide is configured to allow propagation of the light radiation from the optical device 15 to the level of the channel 50 for circulating the particles 60.
  • the distal portion 10 comprises a lateral extension extending in the main plane (x, y) and widening towards the channel 50.
  • the maximum dimension of this lateral extension, taken along the y axis, is less than or substantially equal to the maximum dimension of the channel 50 taken according to this same direction.
  • the width D of the distal portion 10 is less than or equal to the diameter of the channel 50.
  • this distal portion 10 comprises an extraction network 10a of light rays.
  • This extraction network 10a may have a series of peaks and valleys at a certain periodicity P, as will be described in detail later.
  • the light radiation propagating in the waveguide is extracted from the extraction network 10a by taking a main extraction direction forming an angle ⁇ with the main plane (x, y). This angle a is illustrated in FIG.
  • the angle a may be greater than or equal to 45 °, preferably 75 ° and preferably 85 °.
  • the extraction angle ⁇ is such that the extracted light rays 1 1 exit through the outlet orifice 52 of the channel 50.
  • the matrix 20 of photodiodes 21 detects only the diffracted light rays 12 and 14 by the particles 60, it does not detect the undiffracted light rays emitted by the optical device 15.
  • the value of the angle a allows the detection of non-diffracted light rays emitted by the optical device 15
  • this then makes it possible to follow the drift of the power of the light source over time, corresponding to the aging of this source bright, or the fouling of the channel in time.
  • the analysis of this drift can then make it possible to make no mistake about the ratio between the amount of diffracted light and the quantity of light emitted by the light source. This ratio is indeed a quantity often useful to go back to certain parameters of the particles as their nature or their concentration.
  • the undiffracted light rays emitted by the optical device 15 may act as a source of stray light relatively detection by the matrix 20 of photodiodes 21 of the diffracted light rays 12 and 14.
  • the extracted light rays 1 1 are diffracted by the particles 60. At least a portion of the diffracted light rays 12 is reflected on the reflective layer 41, preferably metal, at least partially facing the matrix 20 of photodetectors 21, the diffraction pattern 70 is thus substantially projected in its entirety on the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the matrix 20 receives part of the diffraction pattern 70 directly from the particles and on the other hand it receives a complementary part of the diffraction pattern 70 after reflection of the diffracted light rays 12 on the reflecting layer 41.
  • the present invention may be adapted according to the type of particles to be detected, whether from a materials, geometry or light radiation point of view itself.
  • the present invention makes it possible to adapt the light radiation to various fields of application.
  • the radiation comprises a wavelength adapted to the detection needs, for example less than the main dimension of the particles to be measured.
  • the first substrate 30 has a main detection function and the second substrate 40 has a main function of transparency and mirror.
  • the first substrate 30 comprises silicon and the second substrate 40 comprises, according to one embodiment, at least one transparent material relative to the light radiation so as to allow the light radiation, the extracted light rays 1 1 and 13 and the diffracted light rays 12 and 14 to pass through it.
  • the second substrate 40 may comprise silicon oxide, that is to say for example be made of glass.
  • the reflecting layer 41 is disposed on the upper surface of the second substrate 40 opposite to the lower surface of the second substrate 40 facing or in contact with the first substrate 30.
  • the reflected diffracted light rays 14 pass through the second substrate 40 before reaching the photodetectors 21.
  • the refractive index of the second substrate 40 is configured to be close to that of air. In this situation, there are very few reflections at the interfaces between the inside of the channel 50 and the second substrate 40, that is to say at the level of the walls of the channel 50.
  • an antireflection layer may be deposited on the walls of the channel after forming thereof in order to reduce or even avoid reflections at the interfaces between the inside of the channel 50 and the second substrate 40.
  • mirror a reflective layer 41 called "mirror" on the upper face of the second substrate 40 makes it possible to project the image of the diffraction pattern 70 onto the matrix 20 of photodetectors 21 located at the surface of the first substrate 30.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate a possible geometry of the distal portion 10 of the waveguide comprising the extraction network 10a.
  • the waveguide includes a second end opposite the first end.
  • This second end has a dimension w, taken along the y axis.
  • w is less than D.
  • the distal portion 10 of the waveguide has an extension length L taken in the direction x and substantially corresponding to the length of the extraction network.
  • the distal portion 10 of the waveguide to have a very large divergence in the main plane (x, y).
  • the enlargement coefficient of the distal portion 10 is then important.
  • This configuration thus makes it possible for a very short distance, the extracted light rays 1 1 together have a spatial extension substantially equal to D and preferably substantially equal to the diameter of the channel 50.
  • This configuration thus increases the compactness of the present invention.
  • Those skilled in the art, with the known electromagnetic tools will be able to size L, w and the extraction network 10a, as a function of D, in order to obtain this effect of compactness.
  • the waveguide in order to be able to control the main direction of extraction of light rays extracted 1 1 by the extraction network 10a, the waveguide is preferably designed so that it is monomode relative to the radiation luminous.
  • the thickness h of the waveguide, taken along the z direction, is therefore relatively small in comparison with the wavelength ⁇ of the light radiation.
  • the thickness h of the waveguide is such that:
  • FIG. 3b is a detail view B of Figure 1b.
  • the extraction network 10a comprises a series of valleys and ridges whose periodicity is noted P.
  • This extraction network 10a is produced by partial or total etching of the distal portion 10 of the waveguide.
  • a lower reflecting layer 31 may be disposed below at least the distal portion 10 of the waveguide.
  • This optical distance advantageously corresponds to a distance, called "physical", greater than ⁇ / (4 ⁇ ), where n is the refractive index of the material located between the waveguide and the lower reflective layer 31.
  • This minimum distance ensures that the reflective layer does not disturb too much the radius in the guide and it serves to return the light extracted upwards. This condition on this thickness makes it possible to increase the flow of radiation towards the channel 50.
  • the present invention has demonstrated that when the wavelength of the light radiation used is less than 600 nm, the aluminum has a better reflectivity than copper, for example.
  • FIGS. 4 to 6 an exemplary method for producing at least one particle detector according to the first embodiment presented above.
  • This method comprises, in a simplified manner, the following steps:
  • the realization of the waveguide on the first substrate 30 comprising beforehand the matrix 20 of photodetectors 21;
  • a reflecting layer 41 on the second substrate 40 preferably made of glass
  • the second substrate 40 is then bonded to the first substrate 30 so that the matrix 20 of photodetectors 21 and the reflecting surface 41 are arranged at a distance from one another and on either side of a portion of the substrate 40;
  • the channel 50 of particle circulation 60 is formed through the first and second substrates 30 and 40.
  • This formation of the channel 50 may for example be performed by etching, dry or wet.
  • Figures 4a to 4h show an embodiment of the first substrate 30 according to the present invention.
  • the first substrate 30 comprises a matrix 20 of photodetectors 21.
  • the first substrate 30 is made of silicon.
  • the photodetector matrix 20 comprises an antireflection layer, not shown, disposed at the level of the surface of the photodetectors 21 configured to limit the reflection of the rays arriving at the photodetector matrix 21.
  • FIG. 4b illustrates the optional deposition of a lower reflective layer 31, able to reflect the light radiation emitted by the optical device.
  • this lower reflective layer 31 comprises at least one metal such as aluminum or copper.
  • FIG. 4c shows the etching of a portion of the lower reflective layer 31 so as to discover at least a portion of the matrix 20 of photodetectors 21.
  • This engraving can be wet or dry. It can be preceded by conventional lithography steps to select the area to be engraved.
  • a first silicon oxide layer 32 is deposited on the surface of the first substrate 30 so as not to cover, after planarization by CMP (Chemical Mechanical Planarization) for example, that the portion of the surface of the first substrate 30 not being covered by the lower reflective layer 31, as shown in Figure 4d.
  • CMP Chemical Mechanical Planarization
  • these previous steps may be replaced by a damascene based on copper and silica, for example.
  • FIG. 4e shows the deposition of a buffer layer 33, of silica for example, over the entire surface of the first substrate 30 so as to form a buffer layer 33 whose optical thickness is at least a quarter of the wavelength of the light radiation.
  • This optical thickness advantageously corresponds to a so-called "physical" thickness, at least equal to ⁇ / (4 ⁇ ), where n is the refractive index of the buffer layer 33.
  • This buffer layer 33 provides the previously described function of constraining the extracted light rays 1 1 to propagate in a direction away from the surface of the first substrate 30.
  • a guide layer 34 is deposited on the whole of the buffer layer 33 so as to form, after etching, the waveguide comprising the distal portion 10.
  • this guide layer 34 comprises a nitride-based material.
  • Figures 4f and 4e show the structuring steps of the guiding layer 34 by partial or total etching, so as to form the extraction network 10a at the distal portion 10 of the waveguide.
  • FIG. 4h then illustrates the deposition of a second oxide layer 35, for example silica, covering the entire surface of the first substrate 30.
  • a second oxide layer 35 for example silica
  • a planarization step by mechanical-chemical polishing can for example be performed in order to smooth the surface of the first substrate 30 thus formed by the previous steps.
  • the second substrate 40 is prepared.
  • the second substrate 40 preferably transparent to the light radiation considered, is covered on one of these main surfaces, said upper surface, by a reflective layer 41, preferably based on metal, like aluminum or copper for example.
  • a portion of the reflective layer 41 is removed by lithography and etching so as to expose a portion of the upper surface of the second substrate 40.
  • This etching is configured to form an opening 42 for the future embodiment of the channel 50 for circulating particles 60.
  • the substrate 100 is formed by assembling the first 30 and second 40 substrates.
  • This assembly may comprise bonding the first and second substrates so that the surface comprising the photodetector array 21 and the waveguide of the first substrate 30 is brought into contact with the bottom surface of the opposing second substrate 40. at the upper surface comprising the reflecting layer 41.
  • the upper reflecting layer 41 is, in the z direction, facing the matrix 20 of photodetectors 21 and the waveguide through the second substrate 40.
  • a step of forming the channel 50 for circulating the particles 60 is carried out through the substrate 100, that is to say through the first 30 and second substrates 40 and passing substantially between the matrix 20 photodetectors 21 and the extraction network.
  • This formation of the channel 50 can be achieved by a few conventional lithography steps, and one or more engravings.
  • this etching may be an etching based on a chemistry comprising potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and based on a chemistry comprising acid hydrofluoric (HF) for etching the second substrate 40 if it is glass for example.
  • KOH potassium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • HF acid hydrofluoric
  • the first substrate 30 can be etched using a KOH or TMAH-based chemistry if it is silicon for example and having previously deposited a resin 36 in which an opening 37 is made, the opening 37 then being at the location of the future inlet 51 of the channel 50. This etching of the first substrate 30 thus allows the formation of a first portion 50a of channel 50.
  • the second substrate 40 may be etched to it using HF-based chemistry through, for example, aperture 42 previously made. This etching of the second substrate 40 thus allows the formation of a second portion 50b of the channel 50.
  • the etching based on KOH or TMAH causes only a very low residual roughness since it is carried out according to the crystalline planes of silicon.
  • HF etching generally generates a very low roughness, of the order of about ten nanometers only.
  • a subsequent step of depositing a silica layer on the etched surface of the second substrate 40 is possible in order to smooth the surface of the channel 50 for circulating the particles 60.
  • a very low roughness at the surface of the channel 50 makes it possible to minimize or even avoid the presence of light rays diffracted by the walls of the channel 50 during the passage of the light rays from or to the channel 50.
  • This roughness if it is too great, can induce a diffraction parasite, called background diffraction, measured by the photodetectors 21 even in the absence of particles 60 in the channel 50.
  • a treatment of the measured signals can reduce this nuisance, nevertheless the precise choice of the engravings described here ensures a very low roughness reducing the problems of diffraction parasite by the channel 50 itself. The accuracy of the detection is thus improved.
  • the channel 50 for circulating the particles 60 then crosses the substrate 100 from one end to the other, allowing a stream of particles 60 conveyed by a fluid to flow therethrough.
  • the first and second portions 50a and 50b serving to form the channel 50 can be formed before the step of assembling the substrate 100.
  • a dry etching may be used, for example based on ions, for the partial or total formation of the channel 50.
  • the photodetectors are generally in direct contact with the particles, this can cause the formation of a deposit on their surface which reduces their sensitivity or blind.
  • the photodetectors 21 are protected by the presence of the second transparent substrate 40 directly located at their contact.
  • the photodetectors 21 are protected while receiving a greater amount of light information via the reflection phenomenon allowing a better measurement of the diffraction pattern 70 of the particles 60 and therefore their size and nature, for example.
  • the present invention comprises a second embodiment, fully compatible with the first described above.
  • FIGS. 7a and 7b This second embodiment, illustrated by FIGS. 7a and 7b, is based on the use of a first substrate 30 identical to that of the first preceding embodiment and a second substrate 40 which can be substantially opaque to light radiation. According to the present embodiment, the transparency of the second substrate 40 relative to the light radiation is not necessary.
  • FIGS. 7a and 7b illustrate the substrate 100 resulting from the assembly of the first substrate 30 with the second substrate 40.
  • the channel 50 passes through the first and second substrates 30 and 40.
  • the second substrate 40 is configured so that the second portion 50b of the channel 50, the one passing through the second substrate 40, presents a diameter greater than the diameter of the first portion 50a of the channel 50, that passing through the first substrate 30.
  • the second portion 50b of the channel 50 comprises a diameter which decreases as the channel 50 is directed, along the z axis, towards the outlet orifice 52. This diameter narrowing makes it possible to form inclined walls 41 relative to the main plane (x, y).
  • These walls 41 are advantageously covered with a reflective layer
  • FIGS. 7a and 7b thus illustrate the optical path of extracted light rays 1 1 and diffracted 12 from the extraction network 10a towards the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the extracted light rays 1 1 from the extraction network 10a and the diffracted light rays 12 are reflected on the walls 41a of the second portion 50b of the channel 50, allowing their measurement by the photodetectors 21.
  • the walls 41a are inclined, it is possible to cause the reflected light rays reflected 13 and the reflected diffracted light rays 14 to have an angle of incidence that is almost normal to the surface of the photodetector matrix 21.
  • This geometry has the advantage of not deforming the diffracted light front by projection on the matrix 20 of photodetectors 21, that is to say the diffraction pattern 70 of the particles 60.
  • the digital processing of the diagram diffraction 70 measured is simplified, because the geometric corrections to be made are weak or nonexistent.
  • the wall 41a of this second portion 50b of the channel 50, passing through the second substrate 40 has a cylindrical or parallelepipedal shape.
  • the wall 41a may have a vertically extruded shape.
  • the wall 41a may have a pyramid shape.
  • the wall 41a will have a pyramid shape for presenting inclinations around the z axis to allow the reflection of incident light rays while maintaining a flat surface at the wall 41a so that not distort the forehead of light.
  • wet etching is an advantageous embodiment.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 can be positioned all around the channel 50 for circulating the particles 60 as illustrated through FIGS. 8a and 8b and this so as to extend the detection zone to the diffracted light rays 12 and 14 and backscattered rays. In a manner identical to the embodiment illustrated in FIGS. 2a and 2b, this makes it possible to have a larger detection area and to measure the diffraction pattern 70 as a whole.
  • FIG. 8b illustrates, according to section B-B of FIG. 8a, the diffracted light rays 12 propagating in multiple directions all around the main direction (z) of extension of the channel 50.
  • the angle that the walls 41 of the channel 50 form with the surface of the second substrate 40 parallel to the main plane (x, y) can be perfectly controlled during manufacture. Indeed, in the case of wet etching of a crystalline material for example, the etching planes are predictable and therefore this angle can be easily known and controlled.
  • a wet etching based on KOH causes the formation of walls 41a whose angle ⁇ with respect to the principal plane (x, y) is substantially equal to 54.7 ° .
  • ⁇ is illustrated in FIGS. 8b and 8c.
  • the angle of incidence of the light rays extracted 1 1 on the reflective layer 41 deposited on the walls 41a is also perfectly known and controlled since it depends on the configuration of the extraction network 10a.
  • the angle of incidence on the matrix 20 of photodetectors 21 is also well known by simple geometrical construction.
  • the angle of incidence of the reflected reflected rays 13 and reflected diffracted light rays 14 may be close to the normal (z) relative to the plane main (x, y), that is to say relative to the plane of the matrix 20 of photodetectors 21.
  • FIGS. 4e to 4h and 9a to 9f we will now describe the method of producing at least one particle detector 60 according to this second embodiment illustrated in FIGS. 7a to 8c.
  • the steps described in FIGS. 4a to 4h above are identical for this second embodiment and allow the formation and structuring of the first substrate 30.
  • an orifice is formed so as to form the first portion 50a of the channel 50, ie that passing through the first substrate 30.
  • This formation may comprise an etching of the first substrate 30. This etching is preferably carried out between the distal portion 10 of the waveguide and the matrix 20 of photodetectors 21.
  • FIGS. 9c to 9e show the formation and structuring of the second substrate 40 through the formation of a second portion 50b of the channel 50 for circulating the particles 60 through the second substrate 40.
  • This second portion 50b is advantageously produced by etching , and preferably by wet etching. Indeed the wet etching makes it possible to have inclined surfaces whose advantages are indicated above.
  • the substrate 100 is formed by assembling the second substrate 40 with the first substrate 30 so as to form a channel 50 of particle circulation 60 defined by the meeting of the first and second portions 50a and 50b of the channel 50. As previously this assembly can be achieved by a molecular bonding.
  • This second embodiment in addition to having many advantages in common with the first embodiment, reduces to a minimum the roughness of the channel 50 by the clever use of a wet etching operated on a crystalline material.
  • the almost total lack of roughness of the channel 50 is indeed possible by the wet etching of the silicon by a KOH-based chemistry, this etching being without roughness since carried out along the crystalline planes of the silicon.
  • this second embodiment makes it possible to obtain a direction of propagation of the extracted reflected rays 13 and of the diffracted light rays 14 that are almost normal, that is to say substantially along the axis (z), on the surface.
  • This situation has the advantage of giving a direct image of the diffraction pattern 70 of the particles 60, without deformation due to projections which must otherwise be corrected electronically and / or electronically by processing the signals measured by the matrix 20 of photodetectors 21.
  • extracted light rays 1 1 can be backscattered .
  • the extraction angle a is such that the extracted light rays 1 1 have a main direction of extraction substantially parallel to the z direction and are moving towards the outlet port 52 of the channel 50, that is to say with an angle substantially equal to 90 °.
  • the matrix 20 of photodetectors 21 detects only the diffracted light rays 12 and 14 and backscattered by the particles 60.
  • the channel 50 may be blocked over time by very large particles, for example dust, or insects. It is also possible that the production method generates defects in the channel, leading to its total or partial obstruction.
  • FIGS. 10 and 11 advantageously combine with the preceding embodiments.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate a substrate 100 comprising a first 50c and a second 50d particle circulation channel 60.
  • the unobstructed channel allows the present invention to continue to operate.
  • a single light source 1 in the form of a light emitting diode for example has been shown.
  • This light source 1 is configured to emit light radiation.
  • the optical device 15 is advantageously configured to understand this light source 1 or to be able to connect to it.
  • the optical device 15 and the light source 1 cooperate so that this light radiation is guided in the waveguide 2.
  • the waveguide 2 may have one or more junctions 3 so as to form a plurality of arms 4b and 4c.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate the case of a single junction 3 allowing the formation of a first arm 4b of the waveguide 2 and of a second arm 4c of the waveguide 2.
  • each of these distal portions 10b, 10c forms or carries an extraction network as for the previously described embodiments.
  • the first channel 50c, the photodetector matrix 20 and the distal portion 10b of the first waveguide arm 2b are arranged so that at least a portion of the light radiation emitted at the distal portion 10b of the first waveguide arm 4b 2 crosses the first channel 50c by being diffracted by at least one particle 60, then is reflected on the reflecting surface 41, then reaches the matrix 20 of photodetectors 21.
  • the second channel 50d, the photodetector matrix 20 and the distal portion 10c of the second waveguide arm 2c are arranged such that at least a portion of the light radiation emitted at the level of the portion distal 10c of the second waveguide arm 2c crosses the second channel 50d by being diffracted by at least one particle 60, then is reflected on the reflecting surface 41, then arrives at the photodetector matrix 21.
  • a single photodetector matrix 20 receives the light radiation that has passed through all the channels 50c, 50d.
  • This matrix 20 is preferably continuous. In Figure 1 1, the matrix 20 extends around the channels 50c, 50d.
  • Figures 12 and 13 describe two embodiments of the waveguide 2 of the optical device 15 and particularly two embodiments of the junction 3 so as to form the first arm 4b and the second arm 4c.
  • FIG. 12 represents the formation of the first arm 4b and the second arm 4c by a simple separating junction 3 at the level of the waveguide 2.
  • FIG. 13 presents an advantageous embodiment in which the junction
  • an interferometer 4a preferably multimode, thereby providing this optical device 15 with greater robustness to technological inaccuracies.
  • the distance, in the direction perpendicular (z) to the main plane (x, y) in which the substrate 100 extends, between the matrix 20 of photodetectors 21 and the reflecting surface 41 is between 10 ⁇ and 10mm, preferably between ⁇ ⁇ 1 mm and advantageously between 500 ⁇ and 1 mm.
  • the length of the circulation channel 50 of the particles 60 is between ⁇ ⁇ and 10mm, preferably between 100 ⁇ and 5mm and advantageously between 500 ⁇ and 2mm.
  • the diameter of the first portion 50a of the channel 50 of circulation of the particles 60 in the direction y is between 10 ⁇ and 10mm, preferably between ⁇ ⁇ and 5mm and advantageously between 500 ⁇ and 2mm.
  • the channel 50 extends in a main direction (z) of circulation of said particles 60 and the light radiation, at the output of the optical device 15, has a main direction of propagation forming with the main flow direction of the particles 60 an angle included between 0 and 90 °, preferably between 10 ° and 75 ° and advantageously between 10 ° and 45 °.
  • the waveguide may or may not be at the same vertical level as the photodetector array.
  • the waveguide is located at a raised level relative to the photodetector array.
  • the light radiation comprises a wavelength of between 400 nm and 2 ⁇ m, preferably between 500 nm and 1.6 ⁇ m and advantageously between 600 nm and 1 ⁇ m.
  • the diffraction of the light rays extracted is all the more important that the wavelength of the light radiation is small to given particle size.
  • the diameter w of the waveguide is between 100 nm and ⁇ ⁇ , preferably between 200 nm and 800 nm and advantageously between 300 nm and 600 nm.
  • the thickness h of the waveguide is between 100 nm and ⁇ ⁇ , preferably between 200 nm and 800 nm and advantageously between 300 nm and 600 nm.
  • the extension length L of the distal portion 10 of the waveguide is between 10 ⁇ and 10mm, preferably between 100 ⁇ and 5mm and advantageously between 1 mm and 3mm.
  • the dimension D of the distal portion 10 of the waveguide is between 10 ⁇ and 10mm, preferably between 100 ⁇ and 5mm and advantageously between 1 mm and 3mm.
  • the lower reflective layer 31 has a thickness of between 10 nm and ⁇ ⁇ ⁇ m, preferably between 50 nm and 1 ⁇ m and advantageously between 100 nm and 300 nm.
  • the first oxide layer 32 has a thickness of between 10 nm and ⁇ ⁇ , preferably between 50 nm and 1 ⁇ m and advantageously between 100 nm and 300 nm.
  • the buffer layer 33 has a thickness that can be between 10 nm and ⁇ ⁇ ⁇ m, preferably between 50 nm and 5 ⁇ m and advantageously between 100 nm and 1 ⁇ m.
  • the guiding layer 34 has a thickness between 100 nm and ⁇ ⁇ , preferably between 200 nm and 800 nm and advantageously between 300 nm and 600 nm.
  • the second oxide layer 35 has a thickness of between 0.1 nm and ⁇ ⁇ , preferably between 1 nm and 1 ⁇ and advantageously between 10 nm and 500 nm.
  • the reflecting layer 41 has a thickness between 10 nm and ⁇ ⁇ ⁇ m, preferably between 50 nm and 1 ⁇ m and advantageously between 100 nm and 300 nm.
  • the walls 41a of the second portion 50b of the channel 50 have an angle with the perpendicular direction (z) between 5 ° and 75 °, preferably between 10 ° and 65 ° and preferably between 15 ° and 55 °.
  • the first substrate comprises at least one material selected from: silicon, III-V materials, for example GaN, InP for integrating the light source into the substrate itself.
  • the second substrate comprises at least one material selected from: glass, silicon.
  • the optical device 15 comprises a core and a sheath, the core comprising at least one material selected from: silicon nitride (SiN), titanium dioxide ( ⁇ 02) and the sheath comprising at least one material selected from: silica, MgF 2, Al 2 O 3.
  • the reflecting surface 41 comprises at least one material selected from: aluminum, copper, silver, gold.
  • the implementation of the present invention may include the use of various mathematical and computer tools to extract from the photodetector measurements, intrinsic parameters of the particles such as their size for example.
  • a "fluid” is understood as a body whose constituents, particles for example, have little adhesion and can slide freely on each other, in the case of liquids, or move independently from each other, in the case of a gas.
  • air is a fluid, as well as water.
  • a fluid can carry particles, such as micrometric and nanometric particles transported by air, for example.
  • the matrix of photodetectors may advantageously be periodic or aperiodic and have a polygonal or circular shape.
  • the present invention can also be applied to the case of one or more channels of circulation of possibly open particles in a longitudinal direction. Thus, the contour of the channel (s) is not closed.
  • the section of the channel in the plane (x, y) is not necessarily circular.
  • it can be polygonal, for example rectangular or square.

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Abstract

La présente invention concerne un détecteur (60) de particules comprenant au moins: o Un dispositif optique (15) configuré pour émettre un rayonnement lumineux; o Un substrat (100) s'étendant dans selon un plan (x,y) et définissant un canal (50) destiné à recevoir des particules (60), le canal (50) s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x,y); caractérisé en ce que le détecteur comprend une matrice(20) de photo détecteurs (21) et une surface réfléchissante(41); la matrice (20) de photo détecteurs (21) et la surface réfléchissante (41) étant disposées sur des plans parallèles entre eux et situées de part et d'autre de ladite portion du substrat (100) de sorte qu'une partie du rayonnement lumineux traverse le canal (50) en étant diffracté par une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41), puis parvient à la matrice (20) de photo détecteurs (21).

Description

« Détecteur optique de particules »
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de la détection optique de particules en général et plus particulièrement de particules de taille micrométrique, voire nanométrique. Elle trouvera pour application particulièrement avantageuse mais non limitative la détection des particules de poussière, des particules de fumée pour détecter les incendies ou encore la détection des particules polluantes et notamment les particules dites fines.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les détecteurs de particules sont généralement basés sur la diffraction de la lumière visible, ou proche infrarouge, par des particules. Ces détecteurs comportent ainsi généralement des capteurs optiques configurés pour mesurer la diffraction de la lumière par les particules.
Les détecteurs comprennent une source de lumière et un canal à travers lequel passent les particules à détecter. En l'absence de particules, il n'y a pas de diffraction, les capteurs optiques ne mesurent donc pas de lumière. En présence de particules, la lumière est diffractée par les particules et les capteurs optiques détectent la lumière diffractée dans leur angle solide de détection. Cette mesure permet ainsi de détecter une ou plusieurs particules. Alors que l'intensité de la lumière diffractée et son diagramme angulaire sont des caractéristiques de la nature, de la forme, de la taille et de la concentration des particules, les solutions connues ne permettent pas de mesurer l'ensemble de ces caractéristiques de manière fidèle, à un coût raisonnable et en occupant un encombrement limité.
Le document FR2963101 décrit une solution existante. Cette solution prévoit une source de lumière véhiculée par un guide d'ondes qui illumine un canal gravé dans un substrat de silicium et à travers lequel des particules vont circuler. La diffraction de la lumière incidente par ces particules est détectée par deux photodiodes périphériques réalisées sur le substrat de silicium.
Cette solution permet de réduire l'encombrement du capteur. En revanche, il est extrêmement difficile avec ce type de solution d'obtenir des informations suffisamment précises et complètes sur les particules.
Il est notamment difficile, voire impossible, de déterminer la nature des particules.
Il existe donc un besoin consistant à proposer une solution pour améliorer la précision et la quantité d'informations relatives aux particules, afin par exemple de déterminer leur nature.
Tel est l'objectif de la présente invention.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention concerne un détecteur de particules comprenant au moins :
o Un dispositif optique apte à être connecté à au moins une source lumineuse et configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux généré par ladite source lumineuse ;
o Un substrat s'étendant dans selon un plan principal (x, y) et définissant une partie au moins d'un canal destiné à recevoir un fluide comprenant des particules, le canal s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y), une portion au moins du substrat étant configurée pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique.
Le détecteur comprend en outre une matrice de photodétecteurs et au moins une surface réfléchissante, apte à réfléchir le rayonnement lumineux. La matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont disposées de part et d'autre de ladite portion du substrat. Avantageusement, le détecteur est configuré de sorte que si des particules sont présentes dans le canal, une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse le canal en étant diffracté au moins partiellement par au moins une particule, puis se réfléchit au moins en partie sur la surface réfléchissante, puis parvient ensuite au moins en partie à la matrice de photodétecteurs.
L'association du canal, de l'au moins une surface réfléchissante et d'une matrice de photodétecteurs, permet de capter un plus grand nombre de rayons lumineux diffractés par les particules.
En effet, la matrice de photodétecteurs peut recevoir d'une part les rayons lumineux diffractés par les particules et qui parviennent après diffraction directement sur la matrice de photodétecteurs et d'autre part les rayons qui parviennent sur la matrice de photodétecteurs après réflexion sur la surface réfléchissante.
L'invention permet ainsi d'augmenter le diagramme de diffraction auquel l'on a accès.
En effet, dans le cadre du développement de la présente invention il a été remarqué que dans une solution du type de celle décrite dans le document FR2963101 cité ci-dessus, les photodétecteurs captent la lumière diffractée latéralement et détectent un angle solide de la diffraction qui est très limité. Ce type de solution ne permet alors d'accéder qu'à une portion limitée du diagramme de diffraction ce qui réduit la richesse des informations disponibles et limite la connaissance que l'on peut avoir des particules, en particulier leur nature.
Avec l'invention, la combinaison de la surface réfléchissante, de la matrice de photodétecteurs et du substrat portant le canal permet d'approximer à une mesure bidimensionnelle une diffraction tridimensionnelle.
La présente invention permet ainsi une projection sur une même matrice de photodiodes d'un très grand nombre de faisceaux lumineux diffractés dans des directions variées en trois dimensions.
La géométrie de la présente invention permet une projection d'un espace vectoriel de propagation tridimensionnelle vers un espace de mesure bidimensionnel.
L'invention permet ainsi de collecter des informations en plus grande quantité et plus précises concernant les particules. La détection des particules et l'identification de leurs paramètres, tel que leurs tailles ou leur nature, est donc améliorée.
De manière particulièrement avantageuse, la présente invention permet la détermination de l'indice de réfraction des particules. De préférence, la matrice de photodétecteurs s'étend selon un premier plan et la surface réfléchissante s'étend selon un deuxième plan, lesdits premier et deuxième plans étant parallèles au plan principal (x, y) et situés de part et d'autre de ladite portion du substrat.
De cette manière, le détecteur selon l'invention est relativement simple à fabriquer puisque toutes les couches (matrice de photodétecteurs et couches réfléchissantes) peuvent être formées dans des plans parallèles.
Par ailleurs, le détecteur selon l'invention permet de projeter, par l'intermédiaire de la surface réfléchissante, l'image du diagramme de diffraction sur la matrice de photodétecteurs, cette dernière couvrant possiblement une surface étendue dont la taille est peu ou pas dépendante de la forme et de la dimension du canal. L'invention permet ainsi de collecter des rayons réfléchis sur une grande surface, tout en conservant un encombrement limité, notamment une longueur et une largeur de canal limités.
La présente invention concerne aussi un procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules selon la présente invention, comprenant au moins les étapes suivantes :
o Fournir au moins un premier substrat comprenant au moins une matrice de photodétecteurs et une partie d'au moins un dispositif optique configurée pour émettre au moins un rayonnement lumineux, le premier substrat s'étendant selon un plan principal (x, y) et, de préférence, la matrice de photodétecteurs s'étendant selon un premier plan parallèle audit plan principal (x, y) ;
o Fournir au moins un deuxième substrat comprenant au moins une couche réfléchissante apte à réfléchir ledit au moins un rayonnement lumineux, le deuxième substrat s'étendant en partie au moins selon le plan principal (x, y) et, de préférence, et la couche réfléchissante s'étendant selon un deuxième plan parallèle audit plan principal (x, y) ; o Former un troisième substrat en assemblant le premier substrat et le deuxième substrat de sorte que la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante soient disposées de part et d'autre d'une portion au moins du substrat ;
o Avant et/ou après l'étape de formation du troisième substrat, former au moins un canal de circulation des particules s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) audit plan principal (x, y) et traversant de part en part le troisième substrat de sorte que, si des particules sont présentes dans le canal, une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse le canal en étant diffracté au moins partiellement par au moins une particule, puis se réfléchisse au moins en partie sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite au moins en partie à la matrice de photodétecteurs.
De manière avantageuse, dans le cas où l'étape de formation du canal est réalisée avant l'étape de formation du troisième substrat, le procédé comprend les étapes suivantes :
o Formation d'au moins une première portion du canal au travers du premier substrat selon la direction perpendiculaire (z) et situé à proximité de la portion distale ;
o Formation d'au moins une deuxième portion du canal au travers du deuxième substrat selon ladite direction perpendiculaire (z) ;
o Dépôt d'au moins une couche réfléchissante additionnelle, apte à réfléchir ledit au moins un rayonnement lumineux, sur au moins une partie de la deuxième portion du canal et de préférence sur au moins une paroi dudit au moins un canal.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 a est vue du dessus d'un détecteur de particules selon un premier mode de réalisation de la présente invention. Sur cette figure, une projection du diagramme de diffraction de rayons lumineux par des particules est schématisée. Cette figure représente une disposition possible d'une matrice de photodétecteurs relativement à un canal de circulation des particules et à la portion distale d'un dispositif optique.
La figure 1 b illustrent une vue selon la coupe A-A de la figure 1 a. Sur cette figure, le chemin optique de rayons lumineux extraits depuis un réseau d'extraction est représenté. Ce chemin optique rencontre le flux de particules dans le canal de circulation des particules formant alors des rayons lumineux diffractés représentés schématiquement sur cette figure. Les réflexions des rayons lumineux extraits et des rayons lumineux diffractés par une couche réfléchissante supérieure sont représentées également.
La figure 2a est une vue du dessus, similaire à la vue de la figure 1 a, mais selon une variante du mode de réalisation de la figure 1 a dans laquelle des photodétecteurs sont distribués sur l'ensemble d'un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
La figure 2b est une vue selon la coupe A-A de la figure 2a. Sur cette figure, de manière identique à la figure 1 b, sont schématisés les chemins optiques de rayons lumineux extraits depuis un réseau d'extraction située au niveau d'une portion distale d'un guide d'ondes, ainsi que ceux de rayons lumineux diffractés et réfléchis.
La figure 2c est une vue selon la coupe B-B de la figure 2a. Sur cette figure, de manière identique à la figure 2b, sont schématisés les chemins optiques de rayons lumineux extraits depuis le réseau d'extraction, ainsi que ceux de rayons lumineux diffractés et réfléchis.
La figure 3a est une vue du détail A de la figure 1 a. Il s'agit d'une vue du dessus d'un exemple du réseau d'extraction et de ses dimensions.
La figure 3b est une vue du détail B de la figure 1 b. Il s'agit d'une vue en coupe du réseau d'extraction, la coupe étant prise au niveau de la portion distale du guide d'ondes.
Les figures 4a à 6d illustrent des étapes de réalisation d'un détecteur selon la présente invention. Plus précisément :
Les figures 4a à 4h illustrent, selon un mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes de formation du réseau d'extraction sur un premier substrat comprenant une matrice de photodétecteurs et au moins la portion distale du guide d'ondes destinée à comprendre le réseau d'extraction.
Les figures 5a à 5d illustrent, selon le premier mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes principales de formation d'un deuxième substrat et de la couche réfléchissante.
Les figures 6a à 6d illustrent, selon le premier mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, l'assemblage des premier et deuxième substrats illustrés en figures 4h et 5d ainsi que la formation du canal de circulation des particules.
Les figure 7a et 7b illustrent, selon encore un autre mode de réalisation, deux vues selon la coupe A-A coupant le canal de circulation des particules.
Sur la figure 7a, on a représenté un chemin optique qui traverse le canal directement en sortie du réseau d'extraction. Sur la figure 7b, on a représenté un chemin optique qui traverse le canal directement en sortie du réseau d'extraction après réflexion sur une surface réfléchissante.
La figure 8a est une vue du dessus d'une variante du mode de réalisation de la figure 7a dans lequel des photodétecteurs sont distribués sur l'ensemble d'un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
Les figures 8b et 8c sont des vues selon la coupe B-B du détecteur selon la figure 8a. Ces figures 8b et 8c correspondent aux vues 7a et 7b appliquées au mode de réalisation de la figure 8a.
Les figures 9a à 9f illustrent des étapes de réalisation du détecteur illustré en figures 8a à 8c.
Les figures 9a et 9b illustrent, selon un mode de réalisation et selon une vue selon la coupe A-A, les étapes de formation du réseau d'extraction sur un premier substrat comprenant une matrice de photodétecteurs et au moins la portion distale du guide d'ondes ainsi que la formation d'une première portion du canal.
Les figures 9c à 9e illustrent, selon un mode de réalisation et selon un vue selon la coupe A-A, les étapes de formation d'un deuxième substrat et d'une deuxième portion du canal ainsi que le dépôt de la couche réfléchissante supérieure.
La figure 9f illustre, selon un mode de réalisation et selon une vue selon la coupe A-A, l'assemblage des premier et deuxième substrats.
Les figures 10 et 11 illustrent deux modes de réalisation de la présente invention dans lesquels le substrat comprend deux canaux de circulation des particules. Sur ces figures, une projection des diagrammes de diffraction de rayons lumineux par des particules est schématisée. Ces figures représentent des dispositions possibles d'une matrice de photodétecteurs relativement aux deux canaux de circulation des particules. Sur ces figures, le dispositif optique comprend un guide d'ondes se séparant en deux bras. La figure 11 est une vue du dessus d'une variante du mode de réalisation de la figure 10 dans lequel des photodétecteurs sont distribués sur l'ensemble d'un substrat de sorte à couvrir une plus grande surface de détection.
Les figures 12 et 13 illustrent un dispositif optique selon deux modes de réalisation de la présente invention. Sur ces figures, le dispositif optique comprend un guide d'ondes se séparant en deux bras.
Les dessins joints sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ces dessins sont des représentations schématiques et ne sont pas nécessairement à l'échelle de l'application pratique. En particulier les dimensions relatives des différentes couches, photodétecteurs et guide d'ondes ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans le cadre de la présente invention, le terme « sur », « surmonte », « recouvre » ou « sous-jacent » ou leurs équivalents ne signifient pas « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d'une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches ou substrats sont directement au contact l'une de l'autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact soit en étant séparée d'elle par au moins une autre couche ou au moins un autre élément.
Dans la description qui suit, des numéros de référence similaires seront utilisés pour décrire des concepts similaires à travers des modes de réalisation différents de l'invention.
Sauf indication spécifique contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées aux caractéristiques techniques décrites dans le contexte d'autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif.
Dans le cadre de la présente invention, le terme « particule », ou ses équivalents ont pour définition un constituant d'un système physique considéré comme élémentaire par rapport aux propriétés étudiées. Par exemple une particule est un élément de matière dont la plus grande dimension est inférieure au millimètre (10"3 mètres) et de préférence à quelques dizaines de micromètres (10"6 mètres) et de préférence inférieure au micromètre, voire de l'ordre du nanomètre (10"9 mètres). De manière générale, il s'agit d'objets composés de matière dont les dimensions sont petites par rapport aux dimensions du canal de circulation des particules.
De manière préférée dans le cadre de la présente invention, les termes « rayonnement lumineux », «onde » ou « rayon » ou leurs équivalents ont pour définition un flux électromagnétique ayant une longueur d'onde principale lambda ou une longueur d'onde lambda moyenne autour de la longueur d'onde principale avec un écart type de préférence inférieur ou de l'ordre de 20% par exemple et se propageant de préférence selon une seule direction principale ou une direction moyenne autour de la direction principale avec un écart type inférieur ou de l'ordre de 10% par exemple. Cette direction de propagation est appelée également « chemin optique ».
Dans ce qui suit, les termes « diffusion », « diffraction » ou leurs équivalents se réfèrent au phénomène par lequel un milieu de propagation produit une répartition, dans de nombreuses directions, de l'énergie d'une onde électromagnétique, lumineuse par exemple.
Dans ce qui suit, le terme "Transparence" ou ses équivalents se réfèrent au phénomène de laisser relativement se propager un rayonnement lumineux dans un matériau dit transparent. Dans la présente description, un matériau est considéré comme transparent dès lors qu'il laisse passer au moins 50% d'un rayonnement lumineux, de préférence au moins 75% et avantageusement au moins 90%.
Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Avantageusement, le dispositif optique est situé au moins en partie entre lesdits premier et deuxième plans.
Cela permet d'optimiser l'efficacité de détection des rayons diffractés.
Avantageusement, le substrat présente une première face tournée en regard de ou disposée au contact de la surface réfléchissante et une deuxième face, opposée à la première face et tournée en regard de ou disposée au contact de la matrice de photodétecteurs.
Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont situées en partie au moins et de préférence entièrement, au droit l'une de l'autre selon ladite direction perpendiculaire (z).
Cela permet d'augmenter efficacement la quantité de rayons lumineux diffractés mesurés tout en conservant un encombrement très limité.
Avantageusement, le détecteur de particules selon la présente invention est configuré de sorte qu'une partie au moins du rayonnement lumineux soit réfléchie par une partie au moins de la surface réfléchissante avant de traverser le canal pour être diffractée par au moins une particule.
L'utilisation d'une surface réfléchissante située avant la traversée du canal de particules, par exemple située au regard de la sortie du dispositif optique tel qu'un guide d'ondes, permet à la présente invention de tirer parti des rayons rétrodiffusés en plus des rayons lumineux diffractés, augmentant d'autant le nombre de mesures et donc la richesse des informations détectées.
Avantageusement, au moins une partie du rayonnement lumineux, de préférence au moins 90 % du rayonnement lumineux, de préférence tout le rayonnement lumineux, reste confiné dans le substrat, c'est-à-dire entre le premier plan et le deuxième plan. Avantageusement, au moins une partie du rayonnement lumineux, de préférence au moins 90 % du rayonnement lumineux, de préférence tout le rayonnement lumineux, reste confiné dans le substrat, c'est-à-dire entre la première face et la deuxième face.
- Avantageusement, le substrat est formé d'au moins un matériau laissant passer au moins 50%, de préférence au moins 75% et de préférence au moins 90% dudit rayonnement lumineux, de préférence le substrat comprend un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux.
- Avantageusement, le dispositif optique présente une portion distale par laquelle le rayonnement lumineux est émis, la portion distale et la matrice de photodétecteurs sont situées de part et d'autre du canal par rapport à ladite direction perpendiculaire (z).
Cela permet d'augmenter la quantité de rayons lumineux diffractés reçus par la matrice de photodétecteurs.
- Avantageusement, le dispositif optique et la matrice de photodétecteurs sont disposés dans le substrat.
Avantageusement, le dispositif optique et la matrice de photodétecteurs sont disposés en dehors de l'au moins un canal.
Avantageusement, le dispositif optique et la matrice de photodétecteurs sont disposés dans le substrat et en dehors de l'au moins un canal, de sorte à être protégés d'un contact direct avec le fluide comprenant des particules.
Cela permet de limiter voire de supprimer un encrassement du dispositif optique et de la matrice de photodétecteurs par les particules du fluide.
Par conséquent, l'invention permet de prolonger dans le temps les performances du détecteur.
En outre, l'invention permet de limiter les opérations de maintenance à effectuer sur le détecteur.
Avantageusement, la matrice de photodétecteurs s'étend autour, de préférence tout autour, du canal.
- Selon ce mode de réalisation, la matrice s'étend sur 360° autour du canal.
Cela permet de maximiser la quantité de rayons lumineux diffractés reçus par la matrice de photodétecteurs.
Le positionnement de photodétecteurs sous le guide d'ondes permet également de disposer de photodétecteurs aveugles permettant de déterminer virtuellement la position relative des autres photodétecteurs et donc de connaître virtuellement la géométrie du détecteur. Par ailleurs, cela permet de faciliter le positionnement du dispositif optique en réduisant des contraintes de positionnement.
De manière plus générale, la matrice de photodétecteurs s'étend autour du canal en couvrant un arc de cercle d'au moins 180° et de préférence 250° et de préférence 300°.
Avantageusement, au moins une partie de la surface réfléchissante est portée par au moins une partie de la paroi du canal.
Avantageusement, le substrat comprend au moins un premier substrat et un deuxième substrat, le premier substrat portant la matrice de photodétecteurs et de préférence une partie au moins du dispositif optique et le deuxième substrat portant au moins la surface réfléchissante, de préférence le premier substrat étant configuré pour assurer une fonction de détection du rayonnement lumineux diffracté et le deuxième substrat étant configuré pour assurer au moins en partie une fonction de réflexion du rayonnement lumineux diffracté en direction de la matrice de photodétecteurs.
Avantageusement, le substrat comprend au moins un premier substrat et un deuxième substrat, le premier substrat portant au moins une première portion du canal et le deuxième substrat portant au moins une deuxième portion du canal, chaque portion s'étendant selon ladite direction perpendiculaire (z), la surface moyenne de la section de la première portion est sensiblement égale ou inférieure à la surface moyenne de la section de la deuxième portion, la surface moyenne de la section d'une portion correspondant à la moyenne des surfaces prise sur l'ensemble de la hauteur selon l'axe z.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur moyenne de la première portion est sensiblement égale ou inférieure à l'épaisseur moyenne de la deuxième portion, les épaisseurs étant mesurées selon ladite direction perpendiculaire (z).
Avantageusement, le substrat est un substrat monocouche.
Alternativement, le substrat est un substrat multicouche.
Avantageusement, le dispositif optique est formé dans ledit substrat.
Avantageusement, la surface réfléchissante recouvre tout le substrat.
Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont décalées suivant la direction perpendiculaire (z).
Cela permet de disposer d'un espace, comprenant de préférence un matériau transparent au rayonnement lumineux, dans lequel certains rayons lumineux diffractés peuvent se propager jusqu'à rencontrer la matrice de photodétecteurs de manière directe ou après réflexion sur la surface réfléchissante.
Avantageusement, le rayonnement lumineux est un rayonnement monochromatique.
Cela permet de connaître avec précision la longueur d'onde du rayonnement lumineux reçu par les photodétecteurs afin de concevoir avec précision le présent détecteur afin d'accroître sa sensibilité au travers du choix des matériaux et de leur géométrie.
Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d'ondes, porté par le substrat, configuré pour guider le rayonnement lumineux en direction du canal.
Cela permet de disposer d'une source de rayonnement lumineux éloignée du canal. Le guide d'ondes permet d'amener au plus près du canal le rayonnement lumineux et de préférence tout en le conformant aux besoins de détection. Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins une portion distale conformée pour former, en sortie du dispositif optique un réseau d'extraction configuré pour générer un ensemble de rayons lumineux extraits, de préférence parallèles les uns avec les autres, en sortie du dispositif optique, le réseau d'extraction présente une forme qui s'évase dans le plan principal (x, y) en direction du canal.
Avantageusement, le réseau d'extraction comprend une pluralité de rainures elliptiques, chaque rainure étant une rainure d'extraction d'une partie au moins du rayonnement lumineux.
Avantageusement, le réseau d'extraction comprend au moins une pluralité de rainures elliptiques et la pluralité de rainures forme une alternance de tranchées et de saillies.
Cela permet de choisir lors de la conception du guide d'ondes la longueur d'extraction et donc la dimension du faisceau extrait portant les rayons lumineux extraits, ainsi que la divergence du faisceau extrait. En effet, l'épaisseur de la gravure détermine la morphologie des rainures d'extraction et, par là même, les dimensions du faisceau extrait.
Lorsque la gravure est partielle, le faisceau extrait est large, et peu divergent, donc composé de rayons lumineux extraits ayant sensiblement la même déviation verticale correspondant à l'angle a. Lorsque la gravure est profonde, le faisceau extrait est étroit spatialement, donc divergent, donc composé de rayons lumineux extraits ayant des déviations verticales variant autour de la valeur de l'angle a.
Cet aspect elliptique permet de suivre le profil du front d'onde du rayonnement lumineux lors de sa propagation dans ladite portion distale.
Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d'ondes comprenant un cœur présentant une portion distale et une gaine enrobant le cœur, le cœur présentant, au niveau de la portion distale, une pluralité de rainures de plus faible épaisseur que le reste de la portion distale disposées de manière périodique selon un pas P tel que P satisfasse l'expression suivante :
Figure imgf000015_0001
n. n. - n g
Avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;
neff l'indice de réfraction effectif du mode fondamental du rayonnement lumineux ;
nc l'indice de réfraction du cœur du guide d'ondes ;
ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d'ondes ;
neff étant compris entre nc et ng.
Cela permet d'obtenir une extraction du rayonnement lumineux depuis le réseau d'extraction selon une direction de propagation faisant un angle a entre le plan (x, y) dans lequel le guide d'ondes s'étend principalement et la direction principale d'extension du canal (z) avec de préférence a compris entre 0 et 90°. Le rayonnement lumineux se propageant dans le guide d'ondes forme un angle a avec le plan principal (x, y), avec 0°<a<90°, de préférence 10°<a<45° et de préférence 20ο≤α≤40ο et de préférence 20ο≤α≤30ο et de préférence a environ égal à 25°. Ces valeurs permettent une détection efficace des rayons lumineux non diffractés tout en conservant un faible parasitage.
Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d'ondes, le guide d'ondes étant monomode.
Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d'ondes comprenant un cœur et une gaine, l'épaisseur h du guide d'ondes mesurée selon ladite direction perpendiculaire (z) est telle que :
Figure imgf000015_0002
Avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ; nc l'indice de réfraction du cœur du guide d'ondes ;
ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d'ondes.
Cela permet de disposer d'un guide monomode et de contrôler avec précision la direction d'extraction par le réseau d'extraction du rayonnement lumineux, c'est-à-dire la direction principale de propagation des rayons lumineux extraits.
Avantageusement, la présente invention comprend au moins un premier canal de circulation des particules et au moins un deuxième canal de circulation des particules.
Avantageusement, la présente invention comprend au moins un premier canal et un deuxième canal de circulation des particules, chaque canal étant destiné à recevoir le fluide comprenant des particules et étant configuré pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique. Avantageusement, la présente invention est configurée de sorte que le rayonnement lumineux reçu par chaque canal provient d'un unique dispositif optique et de préférence d'une unique source lumineuse.
Avantageusement, la matrice de photodétecteurs et la surface réfléchissante sont disposées de part et d'autre de ladite portion du substrat de sorte que une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique traverse chacun des canaux ou au moins l'un des canaux en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante, puis parvient ensuite à la matrice de photodétecteurs.
Ce mode de réalisation permet une bonne détection même si l'un des canaux est hors d'usage, par exemple s'il est bouché, typiquement par de la poussière ou de grosses particules telles que des insectes. Ce mode de réalisation permet ainsi d'améliorer la fiabilité de la détection.
Avantageusement, le dispositif optique comprend au moins un guide d'ondes comprenant au moins une jonction configurée pour former au moins un premier bras du guide d'ondes et au moins un deuxième bras du guide d'ondes. Selon un mode de réalisation, le détecteur est configuré pour que :
o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique au travers du premier bras du guide d'ondes traverse le premier canal en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite à la matrice de photodétecteurs ; o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique au travers du deuxième bras du guide d'ondes traverse le deuxième canal en étant diffracté par au moins une particule, puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante, puis parvienne ensuite à la matrice de photodétecteurs.
La présente invention trouve pour domaine préférentiel d'application la détection de particules de diverses tailles, de préférence dans le domaine des particules microscopiques voire nanométriques.
Par exemple la présente invention peut servir à la détection de particules issues de fumées, de particules de poussières, de particules polluantes ou encore de particules issues d'allergènes telles que les pollens, les spores de moisissures, ou encore de particules cancérigènes, ou des particules biologiques telles que des bactéries, des virus, ou encore des exosomes.
La présente invention s'applique à tous types de particules véhiculées par un fluide, que celui-ci soit liquide et/ou gazeux.
Dans la description qui suit, la présente invention sera détaillée en référence à plusieurs modes de réalisation pouvant être combinés au besoin et disposant chacun d'une pluralité de variantes.
Un premier mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 a et 1 b.
La figure 1 a représente une vue du dessus d'un substrat 100 comprenant une surface réfléchissante 41 , une portion distale 10 d'un dispositif optique 15, un canal 50 de circulation des particules 60 et une matrice 20 de photodétecteurs 21 .
Sur cette figure, une schématisation du diagramme de diffraction 70 de rayons diffractés par des particules est représentée.
La figure 1 b illustre une vue du substrat 100 selon la coupe A-A représentée en figure 1 a.
Comme le présentent ces deux figures, la couche réfléchissante 41 est disposée de préférence au droit de la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
De manière avantageusement, le canal 50 de circulation des particules 60 est disposé entre la portion distale 10 du dispositif optique 15 et une partie au moins de la matrice 20 de photodétecteurs 21. La disposition relative de la couche réfléchissante 41 , de la matrice 20 de photodétecteurs 21 et de la portion distale 10 du dispositif optique 15 est configurée de sorte que, lorsque des particules 60 sont présentes dans le canal 50, les rayons lumineux extraits 1 1 depuis le dispositif optique 15 traversent le canal 50 en étant diffractés au moins partiellement par au moins une particule 60 de sorte à produire des rayons lumineux diffractés 12. Les rayons lumineux extraits 1 1 et diffractés 12 sont ensuite au moins partiellement réfléchis sur la couche réfléchissante 41 de sorte à produire des rayons lumineux extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés réfléchis 14 parvenant à la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
De manière avantageuse et non limitative, le substrat 100 comprend au moins un premier substrat 30 et au moins un deuxième substrat 40.
Selon un mode de réalisation préféré, le premier substrat 30 et le deuxième substrat 40 sont solidarisés, par exemple par collage moléculaire, de sorte à former le substrat 100. Dans ce cas, le substrat 100 peut ainsi être qualifié de substrat d'assemblage ou de « troisième substrat » obtenu par assemblage des premier 30 et deuxième 40 substrats.
De manière préférentielle, la matrice 20 de photodétecteurs 21 est portée par le premier substrat 30.
La matrice 20 de photodétecteurs 21 est avantageusement protégée d'un contact direct avec le fluide comprenant des particules 60, de sorte à limiter son encrassement par lesdites particules. La matrice 20 de photodétecteurs 21 est notamment située en dehors du canal 50. Selon un mode de réalisation la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut être disposée dans ou encapsulée par le substrat 100. Cela permet de prolonger dans le temps les performances de la matrice 20 de photodétecteurs 21 et donc du détecteur. Par ailleurs, les opérations de maintenance à effectuer sur ce détecteur s'en trouvent réduites par rapport aux détecteurs dans lesquels les photodétecteurs sont potentiellement au contact d'un fluide comprenant des particules.
L'invention permet donc également de limiter les opérations de maintenance à effectuer.
Avantageusement, le premier substrat 30 porte une partie au moins du dispositif optique 15. Ce dernier comprend au moins un guide d'ondes ayant une portion distale 10. Le guide d'ondes comprend avantageusement un cœur et une gaine.
De manière préférentielle le cœur du guide d'ondes comprend au moins un matériau à base de nitrure. La gaine du guide d'ondes comprend de préférence au moins un matériau à base de silice, ce matériau formant de préférence le matériau de base du substrat 30. Ce guide d'ondes est configuré pour amener au plus près du canal 50 le rayonnement lumineux émis par le dispositif optique 15.
La portion distale 10 du guide d'onde, et de préférence le dispositif optique 15, sont protégés d'un contact direct avec le fluide comprenant des particules 60, de sorte à limiter leur encrassement par lesdites particules. La portion distale 10 et/ou une partie au moins du dispositif 15 comprenant la portion distale 10 sont donc situées en dehors du canal 50. Selon un mode de réalisation avantageux, elles peuvent être disposées dans ou encapsulées par le substrat 100.
Cela permet de prolonger dans le temps l'efficacité de transmission du dispositif optique et donc du détecteur.
Ce guide d'ondes est avantageusement situé dans le plan principal (x, y) dans lequel le substrat 100 s'étend, le repère x, y, z étant représenté sur les figures 1 a et 1 b.
Le guide d'ondes est de préférence situé entre un premier plan au niveau duquel est disposée la matrice 20 de photodétecteurs 21 , ce premier plan étant de préférence parallèle au plan (x, y), et un deuxième plan au niveau duquel est disposée la surface réfléchissante 41 , ce deuxième plan étant parallèle au premier plan.
Selon un mode de réalisation, le premier plan contient la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
Selon un mode de réalisation, le deuxième plan contient l'au moins une surface réfléchissante 41 .
Selon un mode de réalisation, le canal 50 de circulation des particules 60 présente une direction principale de circulation s'étendant selon la direction z perpendiculaire au plan principal (x, y).
Ce canal 50 de circulation s'étend depuis un orifice d'entrée 51 vers un orifice de sortie 52.
Selon un mode de réalisation préféré, le canal 50 de circulation des particules 60 est positionné entre la portion distale 10 du guide d'ondes et la matrice 20 de photodétecteurs 21 . Dans cette position, la matrice 20 de photodétecteurs 21 reçoit la plus grande partie des rayons lumineux diffractés 12 et 14.
Selon un autre mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut également être disposée autour de la portion distale 10 du guide d'ondes de sorte à recevoir également les rayons rétrodiffusés, non représentés sur la figure 1 b, c'est-à- dire diffractés selon une direction sensiblement opposée à la direction principale d'extraction des rayons lumineux extraits 1 1. En effet, les particules 60 de grande taille, relativement à la longueur d'onde des rayons lumineux extraits 1 1 , peuvent rétrodiffuser les rayons lumineux extraits 1 1 , c'est-à-dire produire des rayons lumineux diffractés en sens inverse de la propagation des rayons incidents.
Selon un autre mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut être positionnée tout autour du canal 50 de circulation des particules 60 comme illustré au travers des figures 2a et 2b et cela de sorte à étendre la zone de détection des rayons lumineux diffractés 12 et 14 et des rayons rétrodiffusés. Cela permet de disposer d'une plus grande surface de détection et de mesurer le diagramme de diffraction 70 dans son ensemble. La figure 2b illustre, selon la coupe B-B de la figure 2a, les rayons lumineux diffractés 12 se propageant dans de multiples directions tout autour de la direction principale (z) d'extension du canal 50. Nous allons à présent décrire plus en détail le dispositif optique 15 en référence notamment aux figures 3a et 3b.
Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif optique 15 est apte à être connecté à au moins une source lumineuse. Par exemple, cette source lumineuse peut être une diode électroluminescente ou bien une diode laser.
Selon un exemple non limitatif, le présent détecteur de particules peut être conçu afin d'utiliser la source lumineuse d'un dispositif portatif comme un éclairage, de préférence monochromatique, d'un téléphone mobile de type smartphone par exemple, afin de disposer d'un module détecteur de particules portatif. Cette application permet ainsi par exemple de réaliser des analyses de la qualité de l'air.
Selon un mode de réalisation, le dispositif optique 15 comprend au moins une source lumineuse d'un rayonnement lumineux et un guide d'ondes comprenant une portion distale 10 configurée pour générer des rayons lumineux 1 1 depuis le guide d'ondes.
De manière préférentielle, le guide d'ondes est configuré pour permettre la propagation du rayonnement lumineux depuis le dispositif optique 15 jusqu'au niveau du canal 50 de circulation des particules 60.
Avantageusement, la portion distale 10 comprend une extension latérale s'étendant dans le plan principale (x, y) et s'élargissant en direction du canal 50.
De manière préférentielle, la dimension maximale de cette extension latérale, prise selon l'axe y, est inférieure ou sensiblement égale à la dimension maximale du canal 50 prise selon cette même direction. Typiquement, la largeur D de la portion distale 10 est inférieure ou égale au diamètre du canal 50.
Cela permet avantageusement de maximiser le nombre de particules 60 éclairées par les rayons lumineux extraits 1 1 tout en évitant que des rayons lumineux extraits 1 1 soient émis selon des directions ne traversant pas le canal 50 de circulation des particules 60.
Selon un mode de réalisation préféré, cette portion distale 10 comprend un réseau d'extraction 10a de rayons lumineux. Ce réseau d'extraction 10a peut présenter une série de crêtes et de creux selon une certaine périodicité P, comme cela sera décrit en détail par la suite.
Le rayonnement lumineux se propageant dans le guide d'ondes est extrait du réseau d'extraction 10a en empruntant une direction principale d'extraction formant un angle a avec le plan principal (x, y). Cet angle a est illustré en figure lb.
Cette direction principale d'extraction est avantageusement située entre une direction normale et une direction rasante relativement au plan principale (x, y). Dans ce dernier cas, a = 0, selon cette configuration, une partie importante, voire la totalité, des particules 60 circulant dans le canal 50 est éclairée par les rayons lumineux extraits 1 1 .
Selon une autre configuration, l'angle a peut être supérieur ou égal à 45°, de préférence à 75° et avantageusement à 85°. De manière particulièrement avantageuse, il est possible de prévoir que l'angle d'extraction a, est tel que les rayons lumineux extraits 1 1 sortent par l'orifice de sortie 52 du canal 50. Dans ce cas, la matrice 20 de photodiodes 21 ne détecte que les rayons lumineux diffractés 12 et 14 par les particules 60, elle ne détecte pas les rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15.
Dans le cas où la valeur de l'angle a permet la détection des rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15, cela permet alors de suivre la dérive de la puissance de la source lumineuse dans le temps, correspondant au vieillissement de cette source lumineuse, ou bien à l'encrassement du canal dans le temps. L'analyse de cette dérive peut alors permettre de ne pas faire d'erreur sur le rapport entre la quantité de lumière diffractée et la quantité de lumière émise par la source lumineuse. Ce rapport est en effet une grandeur souvent utile pour remonter à certains paramètres des particules comme leur nature ou leur concentration.
Toutefois, dans ce même cas, les rayons lumineux non diffractés émis par le dispositif optique 15 peuvent agir comme une source de lumière parasite relativement à la détection par la matrice 20 de photodiodes 21 des rayons lumineux diffractés 12 et 14.
Lors du développement de la présente invention, il a été mis en évidence de manière surprenante que lorsque l'angle a présente une valeur proche de 25°, la détection des rayons lumineux non diffractés est efficace tout en conservant un faible parasitage.
Avantageusement, les rayons lumineux extraits 1 1 sont diffractés par les particules 60. Une partie au moins des rayons lumineux diffractés 12 se réfléchit sur la couche réfléchissante 41 , de préférence métallique, se trouvant en partie au moins en regard de la matrice 20 de photodétecteurs 21 , le diagramme de diffraction 70 est ainsi sensiblement projeté dans sa totalité sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
En effet, d'une part la matrice 20 reçoit une partie du diagramme de diffraction 70 directement depuis les particules et d'autre part elle reçoit une partie complémentaire du diagramme de diffraction 70 après réflexion des rayons lumineux diffractés 12 sur la couche réfléchissante 41.
De plus, la présente invention peut être adaptée selon le type de particules à détecter, que cela soit d'un point de vue matériaux, géométrie ou encore au niveau du rayonnement lumineux lui-même. Ainsi, la présente invention permet d'adapter le rayonnement lumineux à divers domaines d'applications.
Selon un mode de réalisation, le rayonnement comprend une longueur d'onde adaptée aux besoins de détection, par exemple inférieure à la dimension principale des particules à mesurer.
Selon un mode de réalisation préféré, le premier substrat 30 a une fonction principale de détection et le deuxième substrat 40 a une fonction principale de transparence et de miroir.
De manière préférentielle, le premier substrat 30 comprend du silicium et le deuxième substrat 40 comprend, selon un mode de réalisation au moins un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux de sorte à permettre au rayonnement lumineux, aux rayons lumineux extraits 1 1 et 13 et aux rayons lumineux diffractés 12 et 14 de le traverser.
Le deuxième substrat 40 peut comprendre de l'oxyde de silicium, c'est à dire être par exemple être en verre. De manière particulièrement avantageuse, la couche réfléchissante 41 , est disposée sur la surface supérieure du deuxième substrat 40 opposée à la surface inférieure du deuxième substrat 40 se trouvant en regard ou en contact avec le premier substrat 30.
Dans le cas de ce premier mode de réalisation, les rayons lumineux diffractés réfléchis 14 traversent le deuxième substrat 40 avant d'atteindre les photodétecteurs 21 .
De manière astucieuse, l'indice de réfraction du deuxième substrat 40, en verre par exemple, est configuré pour être proche de celui de l'air. Dans cette situation, il y a très peu de réflexions aux interfaces entre l'intérieur du canal 50 et le deuxième substrat 40, c'est-à-dire au niveau des parois du canal 50.
Selon un mode de réalisation, une couche antireflet peut être déposée sur les parois du canal après réalisation de celui-ci afin de réduire voire d'éviter les réflexions aux interfaces entre l'intérieur du canal 50 et le deuxième substrat 40.
L'utilisation d'une couche réfléchissante 41 dite "miroir" en face supérieure du deuxième substrat 40 permet de projeter l'image du diagramme de diffraction 70 sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 située au niveau de la surface du premier substrat 30.
La présente invention permet ainsi d'obtenir une plus grande quantité d'informations concernant le diagramme de diffraction 70, voire le diagramme de diffraction 70 complet des particules 60, via l'utilisation et le positionnement astucieux d'une couche réfléchissante 41 et d'une matrice 20 de photodétecteurs 21 . Les figures 3a et 3b illustrent une géométrie possible de la portion distale 10 du guide d'ondes comprenant le réseau d'extraction 10a.
Le guide d'ondes comprend une deuxième extrémité opposée à la première extrémité. Cette deuxième extrémité présente une dimension w, prise selon l'axe y. De préférence, w est inférieur à D.
La portion distale 10 du guide d'ondes présente une longueur d'extension L prise selon la direction x et correspondant sensiblement à la longueur du réseau d'extraction
10a.
Afin que le faisceau constitué par les rayons lumineux extraits 1 1 atteigne une dimension sensiblement égale à D sur une très courte distance de propagation, il convient que pour une dimension D donnée, L soit d'autant plus petit que w est petit. Mathématiquement, la relation entre L, D et w peut être exprimée approximativement comme suit :
nc lnc 2 - ng 2
Cela permet alors à la portion distale 10 du guide d'ondes de présenter une très grande divergence dans le plan principale (x, y). Le coefficient d'élargissement de la portion distale 10 est alors important. Cette configuration permet ainsi que sur une très courte distance, les rayons lumineux extraits 1 1 présentent ensemble une extension spatiale sensiblement égale à D et de préférence sensiblement égale au diamètre du canal 50. Cette configuration augmente ainsi la compacité de la présente invention. L'Homme de l'art, avec les outils électromagnétiques connus, saura dimensionner L, w et le réseau d'extraction 10a, en fonction de D, afin d'obtenir cet effet de compacité.
Selon un mode de réalisation, afin de pouvoir contrôler la direction principale d'extraction des rayons lumineux extraits 1 1 par le réseau d'extraction 10a, le guide d'ondes est conçu préférentiellement de manière à ce qu'il soit monomode relativement au rayonnement lumineux. L'épaisseur h du guide d'ondes, prise selon la direction z, est de ce fait relativement faible en comparaison de la longueur d'onde λ du rayonnement lumineux.
Dans le cas où la section du guide d'ondes est sensiblement carrée, alors l'épaisseur h du guide d'ondes est telle que :
Figure imgf000024_0001
avec :
- nc : indice de réfraction du cœur
- ng : indice de réfraction de la gaine.
Dans le cas d'un cœur en nitrure et d'une gaine en silice, les indices de réfraction respectifs sont nc = 2 et ng = 1 .5 pour un rayonnement lumineux se trouvant dans le domaine des longueurs d'ondes visibles, ce qui donne pour l'épaisseur h, l'expression suivante : Il peut être noté que l'indice de réfraction effectif neff du mode fondamental du rayonnement lumineux peut être calculé sur la base de calculs d'électromagnétisme et se trouve compris entre l'indice de réfraction du cœur nc et celui de la gaine ng. La figure 3b est une vue du détail B de la figure 1 b. Le réseau d'extraction 10a comprend une série de creux et de crêtes dont la périodicité est notée P.
Ce réseau d'extraction 10a est réalisé par gravure, partielle ou totale, de la portion distale 10 du guide d'ondes.
Lors du développement de la présente invention il a été observé que le type de gravure utilisée influence directement la longueur d'extraction et donc influe sur la taille du faisceau portant les rayons lumineux extraits 1 1 et la divergence des rayons lumineux extraits 1 1.
Il convient par exemple d'utiliser une gravure partielle si l'on souhaite réduire la divergence des rayons lumineux extraits 1 1 .
Le choix de la périodicité P impacte directement la direction principale d'extraction des rayons lumineux extraits 1 1 , c'est-à-dire l'angle a défini précédemment. Comme indiqué précédemment, cette direction principale d'extraction peut être comprise entre une direction normale (a = 90°) et une direction dite rasante (a = 0°) et peut être exprimée comme suit
Figure imgf000025_0001
Le choix de P détermine directement l'angle d'extraction des rayons lumineux extraits 1 1 .
P = λ
neff - n cos Comme illustré dans la figure 3b, une couche réfléchissante inférieure 31 peut être disposée en dessous au moins de la portion distale 10 du guide d'ondes. Cette couche réfléchissante inférieure 31 , de préférence en métal, par exemple en aluminium ou en cuivre, est disposée à une distance optique du guide d'ondes étant avantageusement égale à au moins un quart de la longueur d'onde du rayonnement lumineux. Cette distance optique correspond avantageusement à une distance, dite « physique », supérieure à λ/(4η), où n est l'indice de réfraction du matériau situé entre le guide d'onde et la couche réfléchissante inférieure 31. Cette distance minimale assure que la couche réfléchissante ne perturbe pas trop le rayon dans le guide et qu'elle serve à renvoyer la lumière extraite vers le haut. Cette condition sur cette épaisseur permet d'accroître le flux de rayonnement en direction du canal 50.
De manière remarquable, la présente invention a mis en évidence que lorsque la longueur d'onde du rayonnement lumineux utilisé est en inférieure à 600nm, l'aluminium présente une meilleure réflectivité que le cuivre par exemple.
Lorsque la longueur d'onde du rayonnement lumineux utilisé est en supérieure à 600nm, le cuivre présente une meilleure réflectivité que l'aluminium.
Nous allons maintenant décrire, au travers des figures 4 à 6, un exemple de procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules selon le premier mode de réalisation présenté ci-dessus.
Ce procédé comprend de manière simplifiée les étapes suivantes :
- la réalisation du guide d'ondes sur le premier substrat 30 comprenant au préalable la matrice 20 de photodétecteurs 21 ;
- le dépôt d'une couche réfléchissante 41 sur le deuxième substrat 40 de préférence en verre ;
- le deuxième substrat 40 est ensuite collé sur le premier substrat 30 de sorte que la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la surface réfléchissante 41 soient disposées à distance l'une de l'autre et de part et d'autre d'une portion du substrat 40 ;
- puis, le canal 50 de circulation des particules 60 est formé au travers des premier et deuxième substrats 30 et 40. Cette formation du canal 50 peut par exemple être réalisée par gravure, sèche ou humide.
Ces étapes sont détaillées ci-dessous.
Les figures 4a à 4h présentent un mode de réalisation du premier substrat 30 selon la présente invention.
Sur la figure 4a, le premier substrat 30 comprend une matrice 20 de photodétecteurs 21 . De préférence le premier substrat 30 est en silicium.
Selon un mode de réalisation préféré, la matrice 20 de photodétecteurs 21 comprend une couche antireflet, non représentée, disposée au niveau de la surface des photodétecteurs 21 configurée limiter la réflexion des rayons parvenant sur la matrice de photodétecteurs 21 .
La figure 4b illustre le dépôt optionnel d'une couche réfléchissante inférieure 31 , apte à réfléchir le rayonnement lumineux émis par le dispositif optique. De préférence cette couche réfléchissante inférieure 31 comprend au moins un métal comme par exemple de l'aluminium ou du cuivre. La figure 4c représente la gravure d'une portion de la couche réfléchissante inférieure 31 de manière à découvrir une partie au moins de la matrice 20 de photodétecteurs 21 . Cette gravure peut être humide ou bien sèche. Elle peut être précédée d'étapes conventionnelles de lithographie pour sélectionner la zone à graver.
Une fois la couche réfléchissante inférieure 31 structurée, une première couche d'oxyde 32, de silicium par exemple, est déposée sur la surface du premier substrat 30 de sorte à ne recouvrir, après planarisation par CMP (Chemical-Mechanical Planarization) par exemple, que la partie de la surface du premier substrat 30 n'étant pas recouverte par la couche réfléchissante inférieure 31 , comme l'illustre la figure 4d.
Selon un mode de réalisation, ces précédentes étapes peuvent être remplacées par un damascène à base de cuivre et de silice par exemple.
La figure 4e présente le dépôt d'une couche tampon 33, de silice par exemple, sur l'ensemble de la surface du premier substrat 30 de sorte à former une couche tampon 33 dont l'épaisseur optique est d'au moins un quart de la longueur d'onde du rayonnement lumineux. Cette épaisseur optique correspond avantageusement à une épaisseur, dite « physique », au moins égale à λ/(4η), où n est l'indice de réfraction de la couche tampon 33.
Cette couche tampon 33 assure la fonction précédemment décrite de contraindre les rayons lumineux extraits 1 1 à se propager selon une direction s'éloignant de la surface du premier substrat 30.
Ensuite, une couche de guidage 34 est déposée sur l'ensemble de la couche tampon 33 de sorte à former, après gravure, le guide d'ondes comprenant la portion distale 10.
Avantageusement, cette couche de guidage 34 comprend un matériau à base de nitrure.
Les figures 4f et 4e représentent les étapes de structuration de la couche de guidage 34 par gravure partielle, ou totale, de sorte à former le réseau d'extraction 10a au niveau de la portion distale 10 du guide d'ondes.
La figure 4h illustre ensuite le dépôt d'une deuxième couche d'oxyde 35, par exemple de la silice, recouvrant l'ensemble de la surface du premier substrat 30.
Une étape de planarisation par polissage mecanico-chimique peut par exemple être réalisée afin de lisser la surface du premier substrat 30 ainsi formé par les précédentes étapes. Avant ou après, ou encore simultanément à la préparation du premier substrat 30, le deuxième substrat 40 est préparé.
Pour cela et comme illustré en figures 5a à 5d, le deuxième substrat 40, de préférence transparent au rayonnement lumineux considéré, est recouvert sur une de ces surfaces principales, dite surface supérieure, par une couche réfléchissante 41 , de préférence à base de métal, comme de l'aluminium ou du cuivre par exemple.
De manière optionnelle, une fois ce dépôt réalisé, une portion de la couche réfléchissante 41 est retirée par lithographie et gravure de sorte à mettre à nue une partie de la surface supérieure du deuxième substrat 40. Cette gravure est configurée pour former une ouverture 42 pour la réalisation future du canal 50 de circulation des particules 60.
Ensuite, comme illustré en figures 6a à 6d, le substrat 100 est formé par l'assemblage des premier 30 et deuxième 40 substrats. Cet assemblage peut comprendre le collage des premier 30 et deuxième 40 substrats de sorte à ce que la surface comprenant la matrice 20 de photodétecteurs 21 et le guide d'ondes du premier substrat 30 soit mise en contact avec la surface inférieure du deuxième substrat 40 opposée à la surface supérieure comprenant la couche réfléchissante 41. Dans cette configuration la couche réfléchissante supérieure 41 est, selon la direction z, en regard de la matrice 20 de photodétecteurs 21 et du guide d'ondes au travers du deuxième substrat 40.
Une fois cet assemblage réalisé, une étape de formation du canal 50 de circulation des particules 60 est réalisée au travers du substrat 100, c'est-à-dire au travers des premier 30 et deuxième substrats 40 et en passant sensiblement entre la matrice 20 de photodétecteurs 21 et le réseau d'extraction.
Cette formation du canal 50 peut être réalisée par quelques étapes conventionnelles de lithographie, et une ou plusieurs gravures.
Selon un mode de réalisation, cette gravure peut être une gravure à base d'une chimie comprenant de l'hydroxyde de potassium (KOH) ou de l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) et à base d'une chimie comprenant de l'acide fluorhydrique (HF) pour graver le deuxième substrat 40 si celui-ci est en verre par exemple.
Par exemple, le premier substrat 30 peut être gravé en utilisant une chimie à base de KOH ou TMAH si celui-ci est en silicium par exemple et en ayant au préalable déposé une résine 36 dans laquelle une ouverture 37 est pratiquée, l'ouverture 37 se trouvant alors à l'emplacement du futur orifice d'entrée 51 du canal 50. Cette gravure du premier substrat 30 permet ainsi la formation d'une première portion 50a du canal 50.
Le deuxième substrat 40 peut lui être gravé en utilisant une chimie à base de HF au travers par exemple de l'ouverture 42 pratiquée précédemment. Cette gravure du deuxième substrat 40 permet ainsi la formation d'une deuxième portion 50b du canal 50.
De manière avantageuse, la gravure à base de KOH ou TMAH n'entraîne qu'une très faible rugosité résiduelle puisqu'elle se réalise selon les plans cristallins du silicium.
La gravure HF génère généralement une très faible rugosité, de l'ordre de la dizaine de nanomètres uniquement.
Toutefois, une étape postérieure de dépôt d'une couche de silice sur la surface gravée du deuxième substrat 40 est possible afin de lisser la surface du canal 50 de circulation des particules 60.
Une très faible rugosité au niveau de la surface du canal 50 permet de minimiser, voire d'éviter, la présence de rayons lumineux diffractés par les parois du canal 50, lors du passage des rayons lumineux depuis ou vers le canal 50.
En effet, afin de satisfaire aux conditions rigoureuses de la détection de particules 60 par la mesure d'un diagramme de diffraction 70, il convient de limiter au maximum la rugosité des parois à l'intérieur du canal 50 de circulation des particules 60.
Cette rugosité, si elle est trop importante, peut induire une diffraction parasite, dite diffraction de fond, mesurée par les photodétecteurs 21 même en l'absence de particules 60 dans le canal 50. Un traitement des signaux mesurés peut permettre de réduire cette nuisance, néanmoins le choix précis des gravures décrites ici assure une rugosité très faible réduisant les problèmes de diffraction parasite par le canal 50 lui- même. La précision de la détection est ainsi améliorée.
Une fois la ou les gravures achevées, le canal 50 de circulation des particules 60 traverse alors le substrat 100 de part en part, permettant à un flux de particules 60 véhiculées par un fluide de circuler au travers.
Selon un mode de réalisation alternatif, les première et deuxième portions 50a et 50b servant à former le canal 50 peuvent être formées avant l'étape d'assemblage du substrat 100. Selon un autre mode de réalisation, une gravure sèche peut être utilisée, par exemple à base d'ions, pour la formation partielle ou totale du canal 50. Un des nombreux avantages de ce premier mode de réalisation utilisant un deuxième substrat 40 transparent est une protection des photodétecteurs 21.
En effet, si les photodétecteurs sont généralement en contact direct avec les particules, cela peut entraîner la formation d'un dépôt à leur surface ce qui réduit leur sensibilité voire les aveugle.
Selon ce mode de réalisation de la présente invention, les photodétecteurs 21 sont protégés par la présence du deuxième substrat 40 transparent directement situé à leur contact.
Ainsi, les photodétecteurs 21 sont protégés tout en recevant une plus grande quantité d'informations lumineuse via le phénomène de réflexion permettant une meilleure mesure du diagramme de diffraction 70 des particules 60 et donc de leur taille et de leur nature par exemple.
En effet, sur la base des documents "The Mie Theory: Basics and Applications"; Wolfram Hergert, Thomas Wriedt; Springer, 30 juin 2012 - 259 pages, et "Light scattering and surface plasmons on small spherical particles", Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh, Light: Science & Applications (2014) 3 ou encore J. R. Hodkinson and I. Greenleaves, "Computations of Light-Scattering and Extinction by Sphères According to Diffraction and Geometrical Optics, and Some Comparisons with the Mie Theory", Journal of the Optical Society of America 53, 577 (1963), il est connu de l'Homme du métier la détermination de la taille d'une particule sur la base de son diagramme de diffraction, diagramme que la présente invention permet de mesurer avec une très grande précision.
Comme précisé en début de description, la présente invention comprend un deuxième mode de réalisation, entièrement compatible avec le premier décrit précédemment.
Les avantages du premier mode de réalisation sont donc applicables au mode de réalisation ci-dessous.
Ce deuxième mode de réalisation, illustré par les figures 7a et 7b, se base sur l'utilisation d'un premier substrat 30 identique à celui du premier mode de réalisation précédent et d'un deuxième substrat 40 pouvant être sensiblement opaque au rayonnement lumineux. Selon le présent mode de réalisation, le caractère transparent du deuxième substrat 40 relativement au rayonnement lumineux n'est pas nécessaire.
Les figures 7a et 7b illustrent le substrat 100 résultant de l'assemblage du premier substrat 30 avec le deuxième substrat 40.
Selon ce deuxième mode de réalisation, le canal 50 traverse les premier et deuxième substrats 30 et 40. De manière préférentielle, le deuxième substrat 40 est configuré de sorte que la deuxième portion 50b du canal 50, celle traversant le deuxième substrat 40, présente un diamètre supérieur au diamètre de la première portion 50a du canal 50, celle traversant le premier substrat 30.
De plus, la deuxième portion 50b du canal 50 comprend un diamètre se réduisant à mesure que le canal 50 se dirige, selon l'axe z, vers l'orifice de sortie 52. Ce rétrécissement de diamètre permet de former des parois 41 a inclinées relativement au plan principal (x, y).
Ces parois 41 a sont avantageusement recouvertes d'une couche réfléchissante
41 , de préférence similaire à celle du premier mode de réalisation.
De par cette inclinaison particulière de ces surfaces réfléchissantes, un rayon lumineux diffracté 12 rencontrant lesdites parois 41 a est directement réfléchi en direction de la matrice 20 de photodétecteurs 21 se trouvant en regard desdites parois 41 a. L'angle β d'inclinaison des parois 41 a est représenté en figures 8b et 8c.
Les figures 7a et 7b illustrent ainsi le chemin optique de rayons lumineux extraits 1 1 et diffractés 12 depuis le réseau d'extraction 10a vers la matrice 20 de photodétecteurs 21 . Les rayons lumineux extraits 1 1 issus du réseau d'extraction 10a et les rayons lumineux diffractés 12, se réfléchissent sur les parois 41 a de la deuxième portion 50b du canal 50, permettant leur mesure par les photodétecteurs 21 .
Les parois 41 a étant inclinées, il est possible de faire en sorte que les rayons lumineux extraits réfléchis 13 et les rayons lumineux diffractés réfléchis 14 se présentent avec un angle d'incidence quasi-normal à la surface de la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
Cette géométrie présente l'avantage de ne pas déformer le front de lumière diffractée par projection sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 , c'est-à-dire le diagramme de diffraction 70 des particules 60. Dans cette situation, le traitement numérique du diagramme de diffraction 70 mesuré est simplifié, car les corrections géométriques à apporter sont faibles, voire inexistantes. Il est à noter que compte tenu du procédé de formation de la deuxième portion 50b du canal 50, la paroi 41 a de cette deuxième portion 50b du canal 50, traversant le deuxième substrat 40, présente une forme cylindrique ou parallélépipédique.
Dans le cas d'une gravure sèche, la paroi 41 a peut présenter une forme extrudée verticalement.
Dans le cas d'une gravure humide, la paroi 41 a peut présenter une forme de pyramide.
De manière préférée, la paroi 41 a présentera une forme de pyramide permettant de présenter des inclinaisons autour de l'axe z afin de permettre la réflexion des rayons lumineux incidents tout en conservant une surface plane au niveau de la paroi 41 a de sorte à ne pas déformer le front de la lumière. Ainsi, la gravure humide est un mode de réalisation avantageux.
De manière avantageuse, une partie seulement ou la totalité de la surface de cette paroi 41 a peut être utilisée pour la réflexion des rayons lumineux extraits 1 1 et diffractés 12.
Selon un mode de réalisation, la matrice 20 de photodétecteurs 21 peut être positionnée tout autour du canal 50 de circulation des particules 60 comme illustré au travers des figures 8a et 8b et cela de sorte à étendre la zone de détection aux rayons lumineux diffractés 12 et 14 et aux rayons rétrodiffusés. De manière identique au mode de réalisation illustré au travers des figures 2a et 2b, cela permet de disposer d'une plus grande surface de détection et de mesurer le diagramme de diffraction 70 dans son ensemble. La figure 8b illustre selon la coupe B-B de la figure 8a, les rayons lumineux diffractés 12 se propageant dans de multiples directions tout autour de la direction principale (z) d'extension du canal 50.
De manière particulièrement avantageuse, l'angle que les parois 41 a du canal 50 forment avec la surface du deuxième substrat 40 parallèle au plan principal (x, y) peut être parfaitement maîtrisé lors de la fabrication. En effet, dans le cas de la gravure humide d'un matériau cristallin par exemple, les plans de gravure sont prévisibles et donc cet angle peut être aisément connu et maîtrisé.
Ainsi par exemple dans le cas d'un deuxième substrat 40 en silicium, une gravure humide à base de KOH entraîne la formation de parois 41 a dont l'angle β par rapport au plan principal (x, y) est sensiblement égal à 54.7°. β est illustré en figures 8b et 8c. De plus, l'angle d'incidence des rayons lumineux extraits 1 1 sur la couche réfléchissante 41 déposée sur les parois 41 a est également parfaitement connu et maîtrisé puisque celui-ci dépend de la configuration du réseau d'extraction 10a.
De ce fait, l'angle d'incidence sur la matrice 20 de photodétecteurs 21 est parfaitement connu également par simple construction géométrique. Ainsi, de par l'inclinaison des parois 41 a de la deuxième portion 50b du canal 50, l'angle d'incidence des rayons extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés réfléchis 14 peut être proche de la normale (z) relativement au plan principal (x, y), c'est-à-dire relativement au plan de la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
En référence aux figures 4e à 4h et 9a à 9f, nous allons à présent décrire le procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules 60 selon ce deuxième mode de réalisation illustré en figures 7a à 8c. Les étapes décrites aux figures 4a à 4h précédentes sont identiques pour ce deuxième mode de réalisation et permettent la formation et la structuration du premier substrat 30.
Comme illustré par les figures 9a et 9b, une fois le premier substrat 30 formé et structuré convenablement, un orifice est pratiqué de sorte à former la première portion 50a du canal 50, c'est à dire celle traversant le premier substrat 30.
Cette formation peut comprendre une gravure du premier substrat 30. Cette gravure est effectuée de préférence entre la portion distale 10 du guide d'ondes et la matrice 20 de photodétecteurs 21.
Les figures 9c à 9e représentent la formation et la structuration du deuxième substrat 40 au travers de la formation d'une deuxième portion 50b du canal 50 de circulation des particules 60 au travers du deuxième substrat 40. Cette deuxième portion 50b est avantageusement réalisée par gravure, et préférentiellement par gravure humide. En effet la gravure humide permet d'avoir des surfaces inclinées dont les avantages sont indiqués ci-dessus.
Une fois cette deuxième portion 50b formée, une couche réfléchissante 41 , de type métallique, à base d'aluminium ou cuivre par exemple, est déposée principalement sur les parois 41 a de la deuxième portion 50b du canal 50. Comme illustré par la figure 9f, une fois cette deuxième portion 50b du canal 50 réalisée et ses parois 41 a recouvertes d'une couche réfléchissante 41 , le substrat 100 est formé par assemblage du deuxième substrat 40 avec le premier substrat 30 de sorte à former un canal 50 de circulation des particules 60 défini par la réunion des première et deuxième portions 50a et 50b du canal 50. Comme précédemment cet assemblage peut être réalisé par un collage moléculaire.
Ce deuxième mode de réalisation, en plus de présenter de nombreux avantages en commun avec le premier mode de réalisation, permet de réduire à son minimum la rugosité du canal 50 par l'utilisation astucieuse d'une gravure humide opérée sur un matériau cristallin.
Par exemple, l'absence quasi-totale de rugosité du canal 50 est en effet possible par la gravure humide du silicium par une chimie à base de KOH, cette gravure étant sans rugosité puisque effectuée suivant les plans cristallins du silicium.
De plus, ce deuxième mode de réalisation permet d'obtenir une direction de propagation des rayons extraits réfléchis 13 et des rayons lumineux diffractés 14 quasi- normale, c'est-à-dire sensiblement selon l'axe (z), à la surface des photodétecteurs 21 , c'est-à-dire le plan principal (x, y).
Cette situation présente l'avantage de donner une image directe du diagramme de diffraction 70 des particules 60, sans déformation due à des projections qui doivent autrement être corrigées informatiquement et/ou électroniquement par traitements des signaux mesurés par la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
De plus, dans le cas de rayons rétrodiffusés, c'est-à-dire dans le cas où les particules 60 ont une taille grande par rapport à la longueur d'onde du rayonnement lumineux utilisé, des rayons lumineux extraits 1 1 peuvent être rétrodiffusés. Dans ce cas également, il est possible d'adapter la présente invention pour que l'angle d'extraction a soit tel que les rayons lumineux extraits 1 1 présentent une direction principale d'extraction sensiblement parallèle à la direction z et se dirigent vers l'orifice de sortie 52 du canal 50, c'est-à-dire avec un angle a sensiblement égal à 90°. Dans ce cas, la matrice 20 de photodétecteurs 21 ne détecte que les rayons lumineux diffractés 12 et 14 et rétrodiffusés par les particules 60.
Nous allons à présent décrire au travers des figures 10 et 1 1 deux modes de réalisation présentant, en plus des avantages précédemment cités, l'avantage de permettre à la présente invention de fonctionner quand bien même le canal 50 de circulation des particules 60 serait entièrement ou partiellement bouché.
En effet, il est envisageable que le canal 50 puisse être bouché dans le temps par des très grosses particules, de poussière par exemple, ou des insectes. Il est également possible que le procédé de réalisation génère des défauts dans le canal, conduisant à son obstruction totale ou partielle.
Les deux modes de réalisation non limitatifs que nous allons présenter maintenant permettent de répondre à cette problématique.
De plus, les deux modes de réalisation illustrés par les figures 10 et 1 1 se combinent avantageusement avec les modes de réalisations précédents.
Les figures 10 et 1 1 illustrent un substrat 100 comprenant un premier 50c et un deuxième 50d canal de circulation des particules 60.
Selon ces deux modes de réalisation, dans le cas où un canal parmi le premier 50c et le deuxième 50d se retrouve bouché, le canal non bouché permet à la présente invention de continuer à fonctionner.
Sur les figures 10 et 1 1 , une unique source lumineuse 1 sous la forme d'une diode électroluminescente par exemple a été représentée. Cette source lumineuse 1 est configurée pour émettre un rayonnement lumineux. Le dispositif optique 15 est avantageusement configuré pour comprendre cette source lumineuse 1 ou pour être apte à s'y connecter. Le dispositif optique 15 et la source lumineuse 1 coopèrent de sorte à ce que ce rayonnement lumineux soit guidé dans le guide d'ondes 2.
De manière préférentielle, le guide d'ondes 2 peut présenter une ou plusieurs jonctions 3 de sorte à former une pluralité de bras 4b et 4c.
Les figures 10 et 1 1 illustrent le cas d'une seule jonction 3 permettant la formation d'un premier bras 4b du guide d'ondes 2 et d'un deuxième bras 4c du guide d'ondes 2.
Dans le cas des figures 10 et 1 1 , une portion distale 10b du premier bras 4b et une portion distale 10c du deuxième bras 4c du guide d'ondes 2 sont représentées. De préférence, chacune de ces portions distales 10b, 10c forme ou porte un réseau d'extraction comme pour les modes de réalisation décrits précédemment.
De manière identique aux modes de réalisation précédents, le premier canal 50c, la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la portion distale 10b du premier bras 4b de guide d'ondes 2 sont disposés de sorte à ce qu'une partie au moins du rayonnement lumineux émis au niveau de la portion distale 10b du premier bras 4b de guide d'ondes 2 traverse le premier canal 50c en étant diffracté par au moins une particule 60, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante 41 , puis parvient ensuite à la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
De même, le deuxième canal 50d, la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la portion distale 10c du deuxième bras 4c de guide d'ondes 2 sont disposés de sorte à ce qu'une partie au moins du rayonnement lumineux émis au niveau de la portion distale 10c du deuxième bras 4c de guide d'ondes 2 traverse le deuxième canal 50d en étant diffracté par au moins une particule 60, puis se réfléchit sur la surface réfléchissante 41 , puis parvient ensuite à la matrice 20 de photodétecteurs 21 .
De manière avantageuse, une unique matrice 20 de photodétecteurs 21 reçoit les rayonnements lumineux ayant traversés l'ensemble des canaux 50c, 50d. De préférence cette matrice 20 est continue. En figure 1 1 , la matrice 20 s'étend tout autour des canaux 50c, 50d.
L'ensemble des caractéristiques décrites pour les précédents modes de réalisation illustrés par les figures 1 à 9 sont applicables aux modes de réalisation des figures 10 et 1 1 et à leurs variantes.
Les figures 12 et 13 décrivent deux modes de réalisation du guide d'ondes 2 du dispositif optique 15 et particulièrement deux modes de réalisation de la jonction 3 de sorte à former le premier bras 4b et le deuxième bras 4c.
La figure 12 représente la formation du premier bras 4b et du deuxième bras 4c par une simple jonction 3 séparatrice au niveau du guide d'ondes 2.
La figure 13 présente un mode de réalisation avantageux dans lequel la jonction
3 est réalisée par un interféromètre 4a, de préférence multimode, permettant ainsi d'apporter à ce dispositif optique 15 une meilleure robustesse aux imprécisions technologiques.
A titre d'exemple non limitatif, les valeurs numériques et dimensions suivantes pourront être adaptées aux différents éléments de la présente invention :
La distance, suivant la direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y) dans lequel le substrat 100 s'étend, entre la matrice 20 de photodétecteurs 21 et la surface réfléchissante 41 est comprise entre 10μηι et 10mm, de préférence entre Ι ΟΟμηΊβί 1 mm et avantageusement entre 500μηι et 1 mm.
Cela permet de maximiser le flux de rayons lumineux diffractés en direction de la surface réfléchissante ainsi qu'en direction de la matrice de photodétecteurs. La longueur du canal 50 de circulation des particules 60 est comprise entre Ι ΟΟμηη et 10mm, de préférence entre 100μηι et 5mm et avantageusement entre 500μηι et 2mm.
Le diamètre de la première portion 50a du canal 50 de circulation des particules 60 selon la direction y est compris entre 10μηι et 10mm, de préférence entre Ι ΟΟμηη et 5mm et avantageusement entre 500μηι et 2mm.
Le canal 50 s'étend selon une direction principale (z) de circulation desdites particules 60 et le rayonnement lumineux, en sortie du dispositif optique 15, présente une direction principale de propagation formant avec la direction principale de circulation des particules 60 un angle a compris entre 0 et 90°, de préférence entre 10° et 75° et avantageusement entre 10° et 45°.
Cela permet d'optimiser le volume d'interaction entre les particules et le rayonnement lumineux de sorte à optimiser le nombre de rayons lumineux diffractés, améliorant ainsi la détection de particules.
De plus, le guide d'ondes peut se trouver ou non au même niveau vertical que la matrice de photodétecteurs.
Dans le but de simplifier le procédé de fabrication de la présente invention, le guide d'ondes est situé à un niveau surélevé relativement à la matrice de photodétecteurs.
De manière préférentielle, le rayonnement lumineux comprend une longueur d'onde comprise entre 400nm et 2μη"ΐ, de préférence entre 500nm et 1 .6μηι et avantageusement entre 600nm et 1 μηη.
Cela permet de disposer d'un rayonnement lumineux dans le domaine du visible, simplifiant entre autre sa mise en œuvre et sa maintenance.
De plus, la diffraction des rayons lumineux extraits est d'autant plus importante que la longueur d'onde du rayonnement lumineux est faible à taille de particules donnée.
Le diamètre w du guide d'ondes est compris entre 100nm et Ι μηη, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm. L'épaisseur h du guide d'ondes est comprise entre 100nm et Ι μηη, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm. La longueur d'extension L de la portion distale 10 du guide d'ondes est comprise entre 10μηι et 10mm, de préférence entre 100μηι et 5mm et avantageusement entre 1 mm et 3mm. La dimension D de la portion distale 10 du guide d'ondes est comprise entre 10μηι et 10mm de préférence entre 100μηι et 5mm et avantageusement entre 1 mm et 3mm.
La couche réfléchissante inférieure 31 présente une épaisseur comprise entre 10nm et Ι Ομηη, de préférence entre 50nm et 1 μηι et avantageusement entre 100nm et 300nm.
La première couche d'oxyde 32 présente une épaisseur comprise entre 10nm et Ι Ομηη, de préférence entre 50nm et 1 μηι et avantageusement entre 100nm et 300nm.
La couche tampon 33 présente une l'épaisseur peut être comprise entre 10nm et Ι Ομηη, de préférence entre 50nm et 5μηι et avantageusement entre 100nm et 1 μηι.
La couche de guidage 34 présente une épaisseur comprise entre 100nm et Ι μηη, de préférence entre 200nm et 800nm et avantageusement entre 300nm et 600nm.
La deuxième couche d'oxyde 35 présente une épaisseur comprise entre 0.1 nm et Ι Ομηη, de préférence entre 1 nm et 1 μηι et avantageusement entre 10nm et 500nm.
La couche réfléchissante 41 présente une épaisseur comprise entre 10nm et Ι Ομηη, de préférence entre 50nm et 1 μηι et avantageusement entre 100nm et 300nm.
Les parois 41 a de la deuxième portion 50b du canal 50 présentent un angle avec la direction perpendiculaire (z) compris entre 5° et 75°, de préférence entre 10° et 65° et avantageusement entre 15° et 55°.
Le premier substrat comprend au moins un matériau pris parmi : silicium, matériaux lll-V, par exemple GaN, InP permettant d'intégrer la source de lumière au substrat lui-même.
Le deuxième substrat comprend au moins un matériau pris parmi : verre, silicium.
Le dispositif optique 15 comprend un cœur et une gaine, le cœur comprenant au moins un matériau pris parmi : nitrure de silicium (SiN), dioxyde de titane (ΤΊ02) et la gaine comprenant au moins un matériau pris parmi : silice, MgF2, AI203.
La surface réfléchissante 41 comprend au moins un matériau pris parmi : aluminium, Cuivre, Argent, Or.
La mise en œuvre de la présente invention peut comprendre l'utilisation de divers outils mathématiques et informatiques afin d'extraire depuis les mesures des photodétecteurs, des paramètres intrinsèques des particules comme leur taille par exemple.
L'Homme du métier peut trouver de tels outils dans les références suivantes :
"The Mie Theory: Basics and Applications"; Wolfram Hergert, Thomas Wriedt; Springer, 30 juin 2012 - 259 pages, et "Light scattering and surface plasmons on small spherical particles", Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh, Light: Science & Applications (2014) 3.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais s'étend à tout mode de réalisation conforme à son esprit.
En particulier, il est à noter que la présente invention peut également être appliquée à des fluides liquides véhiculant des particules. Ainsi, dans la présente description, un « Fluide » se comprend comme un corps dont les constituants, les particules par exemples, ont peu d'adhésion et peuvent glisser librement les unes sur les autres, dans le cas des liquides, ou se déplacer indépendamment les unes des autres, dans le cas d'un gaz. Selon cette définition, l'air est un fluide, ainsi que l'eau. Un fluide peut transporter des particules, comme des particules micrométriques et nanométriques transportées par l'air par exemple.
La matrice de photodétecteurs peut avantageusement être périodique ou apériodique et présenter une forme polygonale ou circulaire. La présente invention peut également être appliquée au cas d'un ou de plusieurs canaux de circulation des particules possiblement ouverts selon une direction longitudinale. Ainsi, le contour du ou des canaux n'est pas fermé.
Par ailleurs, la section du canal dans le plan (x, y) n'est pas nécessairement circulaire. Avantageusement, elle peut être polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée. 
REFERENCES
1 . Source de lumière
2. Guide d'onde
3. Jonction
4a. Interféromètre
4b. Premier bras du guide d'onde
4c. Deuxième bras du guide d'onde
10. Portion distale du guide d'onde
10a. Réseau d'extraction
10b. Portion distale du premier bras du guide d'onde 10c. Portion distale du deuxième bras du guide d'onde
1 1 . Rayons lumineux extraits
12. Rayons lumineux diffractés
13. Rayons lumineux extraits réfléchis
14. Rayons lumineux diffractés réfléchis
15. Dispositif optique
20. Matrice de photodétecteurs
21 . Photodétecteur(s)
30. Premier substrat
31 . Couche réfléchissante inférieure
32. Première couche d'oxyde de silicium
33. Couche tampon
34. Couche de guidage
35. Deuxième couche d'oxyde de silicium
36. Couche de résine
37. Ouverture de formation de la première portion du canal
40. Deuxième substrat
41 . Couche réfléchissante
41 a. Paroi recouverte d'une couche réfléchissante
42. Ouverture de formation de la deuxième portion
50. Canal de circulation des particules
50a. Première portion du canal
50b. Deuxième portion du canal
50c. Premier canal de circulation
50d. Deuxième canal de circulation
51 . Orifice d'entrée du canal 52. Orifice de sortie du canal
60. Particule(s)
70. Diagramme de diffraction
70a. Premier diagramme de diffraction 70b. Deuxième diagramme de diffraction 100. Substrat

Claims

REVENDICATIONS
1 . Détecteur de particules (60) comprenant au moins :
o Un dispositif optique (15) apte à être connecté à au moins une source lumineuse (1 ) et configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux généré par ladite source lumineuse (1 ) ;
o Un substrat (100) s'étendant dans selon un plan principal (x, y) et définissant une partie au moins d'au moins un canal (50, 50c, 50d) destiné à recevoir un fluide comprenant des particules (60), ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) au plan principal (x, y), une portion au moins du substrat (100) étant configurée pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) ; caractérisé en ce que le détecteur comprend en outre une matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et au moins une surface réfléchissante (41 ) ;
la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) s'étendant selon un premier plan et la surface réfléchissante (41 ) s'étendant selon un deuxième plan, lesdits premier et deuxième plans étant parallèles au plan principal (x, y) et situés de part et d'autre de ladite portion du substrat (100), de sorte qu'une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) traverse ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41 ), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21 ).
2. Détecteur selon la revendication précédente dans lequel le dispositif optique (15) est situé au moins en partie entre lesdits premier et deuxième plans.
3. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) présente une première face tournée en regard de ou disposée au contact de la surface réfléchissante (41 ) et dans lequel le substrat (100) présente une deuxième face, opposée à la première face et tournée en regard de ou disposée au contact de la matrice (20) de photodétecteurs (21 ).
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et la surface réfléchissante (41 ) sont situées en partie au moins et au droit l'une de l'autre selon ladite direction perpendiculaire (z).
5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes configuré de sorte qu'une partie au moins du rayonnement lumineux soit réfléchie par une partie au moins de la surface réfléchissante (41 ) avant de traverser ledit au moins un canal (50, 50c, 50d) pour être diffractée par au moins une particule (60).
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) est formé d'au moins un matériau laissant passer au moins 50%, de préférence au moins 75% et de préférence au moins 90% dudit rayonnement lumineux, de préférence le substrat comprend un matériau transparent relativement au rayonnement lumineux.
Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) présente une portion distale (10, 10b, 10c) par laquelle le rayonnement lumineux est émis et dans lequel la portion distale (10, 10b, 10c) et la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) sont situées de part et d'autre dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) par rapport à ladite direction perpendiculaire (z).
Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) et la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) sont disposés dans le substrat (100).
9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) et la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) sont disposés en dehors de l'au moins un canal (50, 50c) de sorte à être protégés d'un contact direct avec le fluide comprenant des particules (60).
10. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) s'étend autour dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) en couvrant un arc de cercle d'au moins 180° et de préférence d'au moins 250°.
1 1 . Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) comprend au moins un premier substrat (30) et un deuxième substrat (40), le premier substrat (30) portant la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et de préférence une partie au moins du dispositif optique (15) et le deuxième substrat (40) portant au moins la surface réfléchissante (41 ).
12. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le substrat (100) comprend au moins un premier substrat (30) et un deuxième substrat (40), le premier substrat (30) portant au moins une première portion (50a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) et le deuxième substrat (40) portant au moins une deuxième portion (50b) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d), chaque portion (50a et 50b) s'étendant selon ladite direction perpendiculaire (z) et dans lequel la surface moyenne de la section de la première portion (50a) est sensiblement égale ou inférieure à la surface moyenne de la section de la deuxième portion (50b), la surface moyenne de la section d'une portion correspondant à la moyenne des surfaces d'une portion prise sur l'ensemble de la hauteur selon l'axe z.
13. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins une portion distale (10, 10b, 10c) conformée pour former, en sortie du dispositif optique (15), un réseau d'extraction (10a) configuré pour générer un ensemble de rayons lumineux extraits (1 1 ) et dans lequel le réseau d'extraction (10a) présente une forme qui s'évase dans le plan principal (x, y) en direction dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).
14. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d'ondes (2) comprenant un cœur présentant une portion distale (10, 10b, 10c) et une gaine enrobant le cœur, le cœur présentant, au niveau de la portion distale (10, 10b, 10c), une pluralité de rainures disposées de manière périodique selon un pas P tel que P satisfasse l'expression suivante :
Figure imgf000045_0001
avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ; rieff l'indice de réfraction effectif du mode fondamental du rayonnement lumineux ;
nc l'indice de réfraction du cœur du guide d'ondes (2) ;
ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d'ondes (2) ;
neff étant compris entre nc et ng.
15. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d'ondes (2) comprenant un cœur et une gaine et dans lequel l'épaisseur h du guide d'ondes mesurée selon ladite direction perpendiculaire (z) est telle que :
Figure imgf000046_0001
avec : λ la longueur d'onde du rayonnement lumineux ;
nc l'indice de réfraction du cœur du guide d'ondes (2) ;
ng l'indice de réfraction de la gaine du guide d'ondes (2).
16. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un premier canal (50c) et un deuxième canal (50d) de circulation des particules (60), chaque canal (50c, 50d) étant destiné à recevoir le fluide comprenant des particules (60) et étant configuré pour recevoir une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15).
17. Détecteur selon la revendication précédente, configuré de sorte que le rayonnement lumineux reçu par chaque canal (50c, 50d) provient d'une unique source lumineuse (1 ).
18. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un premier et au moins un deuxième canal (50c, 50d) de circulation des particules (60) et dans lequel le dispositif optique (15) comprend au moins un guide d'ondes (2) comprenant au moins une jonction (3, 4a) configurée pour former au moins un premier bras (4b) du guide d'ondes (2) et au moins un deuxième bras (4c) du guide d'ondes, le détecteur étant configuré pour que : o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) au travers du premier bras (4b) du guide d'ondes (2) traverse le premier canal (50c) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41 ), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) ;
o une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) au travers du deuxième bras (4b) du guide d'ondes (2) traverse le deuxième canal (50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchit sur la surface réfléchissante (41 ), puis parvient ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21 ).
19. Procédé de réalisation d'au moins un détecteur de particules (60) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins les étapes suivantes :
o Fournir au moins un premier substrat (30) comprenant au moins une matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et une partie d'au moins un dispositif optique (15) configuré pour émettre au moins un rayonnement lumineux, le premier substrat (30) s'étendant selon un plan principal (x, y) et la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) s'étendant selon un premier plan parallèle audit plan principal (x, y) ;
o Fournir au moins un deuxième substrat (40) comprenant au moins une couche réfléchissante (41 ), le deuxième substrat (40) s'étendant en partie au moins selon le plan principal (x, y) et la couche réfléchissante (41 ) s'étendant selon un deuxième plan parallèle audit plan principal (x, y) ;
o Former un troisième substrat (100) en assemblant le premier substrat (30) et le deuxième substrat (40) de sorte que la matrice (20) de photodétecteurs (21 ) et la surface réfléchissante (41 ) soient disposées de part et d'autre d'une portion au moins du substrat (100) ; o Avant et/ou après l'étape de formation du troisième substrat (100), former au moins un canal (50, 50c, 50d) de circulation des particules (60) s'étendant principalement selon une direction perpendiculaire (z) audit plan principal (x, y) et traversant de part en part le troisième substrat (100) de sorte qu'une partie au moins du rayonnement lumineux émis par le dispositif optique (15) traverse le canal (50, 50c, 50d) en étant diffracté par au moins une particule (60), puis se réfléchisse sur la surface réfléchissante (41 ), puis parvienne ensuite à la matrice (20) de photodétecteurs (21 ).
20. Procédé selon la revendication précédente dans lequel, dans le cas où l'étape de formation dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) est réalisée avant l'étape de formation du troisième substrat (100), le procédé comprend les étapes suivantes :
o Formation d'au moins une première portion (50a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) au travers du premier substrat (30) selon la direction perpendiculaire (z) et située à proximité de la portion distale (10, 10b, 10c) ;
o Formation d'au moins une deuxième portion (50b) du canal (50, 50c, 50d) au travers du deuxième substrat (40) selon ladite direction perpendiculaire (z) ;
o Dépôt d'au moins une couche réfléchissante additionnelle (42) sur au moins une partie de la deuxième portion (50b) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d) et de préférence sur au moins une paroi (41 a) dudit au moins un canal (50, 50c, 50d).
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