Nouvelles approches d’intégration pour les microsystèmes optiques

Nouvelles approches d’intégration pour les
microsystèmes optiques

Approches d’intégration dans un capteur de déplacement

Présentation du capteur 

Nous étudions un principe de capteur de déplacement basé sur la mise en interférence de faisceaux diffractés. Ce principe, appelé « diffractif interférométrique », est utilisé dans de nombreux capteurs disponibles commercialement (GmbH, MicroE Systems, Canon, Renishaw, …). Un exemple de ce type de capteur est illustré en figure I.1. Le dispositif se compose: – d’une source laser, – d’un réseau de diffraction en silice appelé « réseau de mesure », – de deux autres réseaux appelés « réseaux de lecture » et dont la période est deux fois plus petite que celle du réseau de mesure, – de quatre photodiodes, Figure I.1: schéma de principe du capteur de déplacement et fonctions mises en oeuvre Photodétecteurs Faisceau laser incident Réseau de mesure (mobile) Réseaux de lecture (fixes) d’un circuit de traitement du signal. Les plans et les lignes des réseaux de mesure et de lecture sont parallèles entre eux. Une onde plane éclaire le réseau de mesure sous incidence normale. Trois faisceaux correspondant aux ordres -1, 0 et +1 sont transmis par ce premier réseau. Les ordres -1 et +1 sont à la base du fonctionnement du capteur. La présence ou l’absence de l’ordre 0 n’en modifie pas le principe dans cette configuration. Nous ne nous intéresserons donc ici qu’aux ordres -1 et +1 (l’ordre 0 n’est pas représenté sur le schéma). Par ailleurs, plusieurs configurations du capteur permettent de séparer spatialement l’ordre 0: photodiodes séparées ou incidence oblique (voir par la suite). Les faisceaux diffractés par le réseau de mesure atteignent ensuite les réseaux de lecture. Chacun des deux ordres +1 et -1 est alors à nouveau séparé en 2 ordres (0 et -1) par ces réseaux. Les faisceaux diffractés qui en résultent interfèrent deux à deux dans des directions de propagation communes. Le réseau de mesure se déplace dans son plan, perpendiculairement à ses lignes. Un déplacement du réseau de mesure provoque un déphasage entre les faisceaux d’ordres +1 et -1 qui atteignent ensuite les réseaux de lecture. Ce déphasage est proportionnel au déplacement ∆x. Il se répercute entre les faisceaux qui composent chacune des directions de diffraction transmises par les réseaux de lecture. La distance qui sépare les réseaux de lecture des photodiodes permet de séparer, au moins partiellement, les directions de diffraction. Chaque photodiode détecte ainsi l’intensité transmise dans une direction de diffraction par un réseau de lecture. Lorsque le réseau de mesure se déplace, la variation du déphasage entraîne donc une modulation de l’intensité optique transmise à chaque photodétecteur. En présence d’un déplacement continu, chaque photodétecteur produit un signal périodique qui permet de déduire le déplacement ∆x grâce au circuit de traitement du signal. 

Approches d’intégration

 La technologie la plus classique et la moins coûteuse pour la réalisation de circuits de traitement du signal est la technologie CMOS. Il a été démontré, dans le cadre de la thèse de Sabine Fourment, que cette technologie autorise également la réalisation de photodiodes dont les performances sont compatibles avec celles requises pour remplir la fonction de détection du capteur de déplacement. Les fonctions de détection et de traitement du signal du capteur sont donc toutes deux accessibles par la technologie CMOS. Les travaux de Sabine Fourment ont permis de montrer qu’une intégration monolithique des deux fonctions est possible par cette technologie. Le composant qui en résulte présente un faible coût grâce à sa compatibilité avec les procédés standards de la microélectronique sur silicium. Dans le cadre de cette approche, un prototype en boîtier du capteur a été conçu et réalisé. Une configuration en réflexion du capteur a été utilisée afin que la source laser soit placée du même côté du réseau de mesure que les réseaux de lecture et la photodétection. Le schéma du montage employé est présenté en figure I.2. Le faisceau issu de la source laser frappe le réseau de mesure en incidence oblique. Les faisceaux diffractés en réflexion atteignent ensuite les réseaux de lecture qui les font interférer. Une étude complète de cette configuration est présentée dans la thèse de Yves Jourlin [16]. Un prototype de capteur en boîtier a été réalisé (figure I.3). Celui-ci regroupe: – la source laser consituée d’une diode laser à semiconducteur émettant à λ=670nm, – les réseaux de lecture de 500nm de période, – les photodiodes intégrées avec le traitement du signal.