EP2340422A1 - Bolometric detector for detecting electromagnetic waves - Google Patents

Bolometric detector for detecting electromagnetic waves

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Publication number
EP2340422A1
EP2340422A1 EP09797567A EP09797567A EP2340422A1 EP 2340422 A1 EP2340422 A1 EP 2340422A1 EP 09797567 A EP09797567 A EP 09797567A EP 09797567 A EP09797567 A EP 09797567A EP 2340422 A1 EP2340422 A1 EP 2340422A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
electromagnetic radiation
resistive load
detector
bolometric detector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09797567A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Patrick Agnese
Agnès ARNAUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2340422A1 publication Critical patent/EP2340422A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/08Optical arrangements
    • G01J5/0837Microantennas, e.g. bow-tie

Definitions

  • the invention relates to a bolometric detector, more particularly intended to perform the detection of electromagnetic waves from the infrared range to the visible range or beyond, that is to say to detect electromagnetic waves of lengths. wave of a few micrometers to the submillimeter range (a few hundred micrometers), or even millimeter.
  • millimeter waves and more particularly submillimetric waves presents a certain number of interests in particular on the scientific and technical level.
  • known application areas are space sensing, astrophysics in particular, but also imagers, radio astronomy from ground telescopes, biomedical imaging, etc.
  • the first of these consists in detecting the electromagnetic waves by means of an antenna so as to create an electrical signal, the processing of which is carried out by an electronic circuit operating at the frequency of the wave.
  • the disadvantage of detectors operating according to this first principle is to be strongly limited in frequencies.
  • the second known technical principle is to implement an electromagnetic wave detection antenna, capable of creating a heat flow, the measurement of which corresponds to the desired signal.
  • the detectors used in the context of this principle are traditionally constituted by the family of bolometric detectors.
  • the thermal detectors to which family the bolometric detectors belong, absorb the power of an incident electromagnetic radiation, convert it into heat, which is then transformed into a signal resulting from the correlative temperature rise with respect to a reference temperature, in a given range, for associating with these temperature variations electrical signals corresponding to the actual measurement of the incident electromagnetic flux.
  • the detector must be as thermally isolated as possible.
  • thermoelectric for thermocouples Under the effect of the incident radiation, the detector heats up and transmits the correlative temperature rise to the sensitive thermometric material.
  • This increase in temperature causes a variation of a property of said sensitive material, such as an appearance of electric charges by pyroelectric effect, the variation of the capacitance by changing the dielectric constant for the capacitive detectors, the variation of the effect voltage.
  • thermoelectric for thermocouples and the variation of resistance for bolometric detectors.
  • bolometric detectors In the field of infrared detection, the use of bolometric detectors is widespread. These detectors are conventionally constituted by a suspended membrane, which comprises a thin layer (typically between 0.1 and 1 micrometer) made of a temperature-sensitive bolometric material, two electrodes and an absorber, the function of which is to pick up the electromagnetic radiation for the convert into heat within the structure thus defined.
  • the membrane is suspended by means of beams above the support substrate via anchor points or fixing pins, suitable for isolating said membrane from the substrate.
  • anchor points or fixing pins also called pillars, can bring the excitation potentials or stimuli to the conductive parts or electrodes of the bolometric detector via flat and elongated structures, also called arms or isolation beams. These arms are electrically conductive but on the other hand must have the highest possible thermal resistance.
  • the bolometric material that is to say the sensitive material, must have a low heat content, must be well thermally insulated from the support, and finally must have a high sensitivity to warming conversion effect to electrical signal.
  • the support substrate generally made of silicon, receives a read circuit consisting of an electronic circuit integrating means for sequentially addressing or multiplexing the elementary detectors and electrical excitation means, for example stimuli. , and pre-processing the electrical signals generated by said elementary detectors. In doing so, such a read circuit makes it possible to serialize the signals coming from the different elementary detectors and to transmit them to a small number of outputs, in order to be exploited by a usual imaging system, such as for example an infrared camera.
  • these detectors are encapsulated under vacuum or under very low gas pressure within a housing, then provided with a transparent window in the wavelength band concerned.
  • the bolometric material used consists of polycrystalline or amorphous silicon of the p or n type, which is weakly or strongly resistive, but can also be made of vanadium oxide (V 2 O 5, VO 2 ) or of a cuprate (YBaCuO) produced in a semiconductor phase.
  • V 2 O 5, VO 2 vanadium oxide
  • YBaCuO cuprate
  • thermometric detectors have been widely described in relation to the detection in the infrared domain. For this wavelength range, it is possible to simultaneously combine the thermometric and absorption functions of the incident infrared radiation on the bolometric plate.
  • an electromagnetic detection system must have dimensions close to the order of magnitude of the wavelength considered in order to be effective.
  • the collected power proportional to the surface of the detector
  • the spatial resolution limits the spatial resolution to a value of the order of the wavelength in the dimensions of the plane.
  • the optimal dimensions for a detector are therefore of this order of magnitude.
  • a board or array of infrared detectors of dimensions 25 x 25 microns 2 is likely to integrate these two functions.
  • the absorber that is to say the membrane supporting the bolometric sensitive element provides both the electromagnetic coupling function with the incident radiation, and therefore the absorption of said radiation, and the conversion function of this radiation. heat flux radiation by Joule effect.
  • the previous reasoning would lead to membranes of the same order of magnitude.
  • both the heat mass, the mechanical strength and the radiation losses of a membrane of such dimensions are unthinkable for the durability of the detectors implemented in addition to the quality of the measurements to be made.
  • the first of these two functions is performed by means of a receiving antenna, and the second function is provided by a resistive load associated with the antenna.
  • Such bolometric detection devices known as “antenna” are known, capable of operating at temperatures around 300 K, therefore at ambient temperature, but also capable of operating at cryogenic temperatures (up to T ⁇ 1 Kelvin). These devices implement arrays or matrices of such detectors.
  • FIG. 1 shows a diagram illustrating the operating principle of such an antenna bolometer of the prior art.
  • thermometer (4) It basically consists of an antenna (1) consisting of a conductive layer deposited on a non-conductive substrate (2). It comprises a resistive metal (3) constituting both the resistive load of the antenna, suitable for generating the heating power, and the insulating arms of a thermometer or bolometer (4), composed of a thermo-thermal material. resistive, such as for example amorphous silicon or vanadium oxide. As can be seen, it is defined under the thermometer (4) a cavity (5) for thermal insulation thereof.
  • the electric currents generated in the antenna (1) by the incident radiation are dissipated in the insulation arms (3) by joule effect.
  • a reflective metal plane optimizes the absorption for a given range of wavelengths.
  • This reflector is generally positioned at a distance equal to ⁇ / 4n of the antenna, ⁇ being the average wavelength to be detected and n being the refractive index of the medium separating the reflector from the antenna, and this in order to optimize the coupling in the antenna.
  • being the average wavelength to be detected
  • n being the refractive index of the medium separating the reflector from the antenna
  • the electrical connection between the antenna and the thermometer is necessarily accompanied by a thermal link, which significantly impairs the performance of the bolometers, since they also measure a variation in temperature with respect to a value. reference.
  • thermometer a detection device has been described, implementing such antenna bolometers.
  • the described "Bow-Tie" type antenna (bow tie) is placed above a metal plane at a distance equal to one quarter of the detector's operating wavelength, thereby defining a so-called cavity. quarter wave ", well known in itself.
  • the suspension of the thermometer is constituted by the load resistance of the antenna.
  • the thermometer consists of a monocrystalline silicon junction diode whose thermal insulation results from the etching of the silicon substrate on the rear face.
  • the antenna of particular shape is deposited on a layer of silicon oxide SiO, which because of the technology used (thin film type) has a thickness e of the order of a micrometer.
  • a "Bow-Tie” type antenna, optimized to detect around a frequency of 1 THz has a size of about half of the operating wavelength, ie 150xl50 ⁇ m 2 .
  • the antenna is, in this case, almost to the thermal mass; in other words, it is not thermally insulated, and because of its mechanical and electrical connection with the thermometer, it is not thermally insulated satisfactorily.
  • the antenna is not thermally insulated, only the constituent thermo-resistive material of the thermometer is effectively thermally insulated from the substrate, and decoupled from the antenna for capacitive optical coupling.
  • the invention relates to a bolometric detector for electromagnetic radiation comprising: - a receiving antenna for collecting electromagnetic radiation and thus ensuring electromagnetic coupling; a resistive load capacitively coupled to the antenna and adapted to convert the collected electromagnetic power into heating power; a thermometric element connected to the resistive load and thermally isolated from a support substrate, the latter being capable of receiving an electronic circuit integrating electrical excitation means (stimuli) and pretreatment of the electrical signals generated by said detector.
  • the resistive load is suspended above the receiving antenna by means of the single thermometric element, itself electrically and mechanically connected to the support substrate.
  • the invention consists in using as a thermometer the mechanical suspension element of the structure that is traditionally composed of the resistive load and the thermometer, thus making it possible to reduce the size of the bolometer (resistive load + thermometer), and of this is its heat capacity, and therefore improve its temporal response.
  • the resistive load is central with respect to the thermometric element.
  • the heating power arising from the capacitive coupling of the receiving antenna with said load and transmitted to the thermometric element is also centered, the heat diffusing along said element on either side of the load.
  • a temperature gradient is created between this centralized position and the ends of the thermometric element, which is inherent to the very nature of the material which constitutes it.
  • the resistive load is of square or rectangular shape.
  • the largest dimension of the rectangle is oriented along the main direction of extension of the antenna. It has a surface close to a few square microns, and preferably less than 10 microns 2 . More generally, the surface of the resistive load is advantageously less than 1% of the surface of the receiving antennas.
  • the support substrate receives a layer of a reflective material separated from the antenna by a dielectric material, an insulating semiconductor, an organic material, or by vacuum.
  • the antenna is maintained by support means relative to the substrate, and for example by dielectric pillars.
  • an optical cavity is created whose thickness is of the order of ⁇ / 4n, where n is the retraction index of the medium constituting the cavity, and ⁇ is the average wavelength of the detection domain considered. .
  • the antenna is in the form of a "bow-tie” (bow tie), or double bow-tie (to take into account the two directions of polarization at 90 ° of the incident wave ) and its capacitive connection with the resistive load is made in the vicinity of its center, that is to say the convergence zone of the elements that constitute it, substantially located in the center of the pixel in question.
  • the antenna is advantageously made of metal layer of low square resistance, and for example selected from a material consisting of Al, AlCu, AlSi, Ti.
  • the resistive load and the thermometric element which suspends it are separated from the antenna by an air gap or an insulation vacuum, or even an inert gas, in order to constitute the capacitive coupling. between resistive load and antenna. In this way, the thermal insulation of the thermometer is favored.
  • the resistive load is advantageously made of titanium nitride and has a thickness of a few nanometers and a size much smaller than that of the antenna, so a very low heat capacity.
  • thermometric element is advantageously made of bolometric material, in particular made from amorphous silicon or from vanadium or iron oxide. It is held at its ends on pillars able to serve as electrical contacts with the support substrate integrating the read circuit and as already said means of electrical excitation and pretreatment of electrical signals generated by the detection of an electromagnetic wave .
  • the thermometric element is however thermally isolated from said support by vacuum and the fact that the thermometer, constituting the suspension, can be very electrically resistive, so thermally, and of very small section to reduce the thermal conduction by phonons.
  • a bolometer sensitive to the electromagnetic radiation to be detected is associated with a compensation bolometer that is insensitive to said radiation, also referred to as "blind".
  • the implementation of such a compensation bolometer is in itself known and makes it possible to overcome the common mode current.
  • Such compensating bolometers which are insensitive to incident optical fluxes, are however sensitive to the temperature of the substrate. It generates in a known manner a so-called compensation current that is subtracted from the current from the imaging bolometer, that is to say the detection bolometer through the configuration of the electronic circuit.
  • most of the so-called “common mode" current that is to say not representative of the information coming from the scene to be detected, resulting from the support substrate of electrical or thermal origin is eliminated.
  • Figure 1 is as already said a schematic representation of an antenna bolometric detector according to the prior art.
  • Figure 2 is a schematic representation in section of a detector according to the invention
  • Figure 3 is a view from above.
  • FIG. 4 is a view from above of an advantageous version of a detector according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of an electromagnetic radiation detector in accordance with the invention. A pixel constituting such a detector has more particularly been represented.
  • a support substrate (20) typically composed for example of a silicon oxide SiO layer and a solid silicon Si substrate.
  • This substrate is also capable of being etched with a read circuit according to a CMOS technology well known to those skilled in the art.
  • a layer (50) for constituting a reflector Is deposited on this substrate (20) a layer (50) for constituting a reflector.
  • This consists of metal layers of low square strength, for example made of materials selected from the group consisting of Al, AlCu, AlSi, Ti.
  • a such reflector is intended to reflect the wavelengths to be detected.
  • This reflector is deposited on the substrate (20) by sputtering, evaporation, CVD ("Chemical Vapor Deposition") or other technique for depositing thin-layer metal layers.
  • it fills the surface of the pixel as much as possible.
  • it can be structured, in particular when the device is made on the reading circuit or when it also plays the role of electrical contact and more particularly interconnection of the thermometer to the outside of the chip or the underlying reading circuit.
  • An optical cavity (70) with a thickness ⁇ / 4n is then defined, in which n is the refractive index of the medium constituting said cavity. This creates between the antenna (10) deposited on said cavity and the reflector (50), a "quarter wave” blade well known to those skilled in the art to optimize the absorption in the range of lengths d wave considered.
  • This cavity has a minimum absorption in the considered wavelength spectrum that is sought to be detected by the antenna (10) itself. It should be noted that any loss in the cavity occurs at the expense of maximum absorption in the antenna load. It is typically constituted by a dielectric (SiO, SiN, etc.) but may also consist of silicon, organic material (polyimide, benzocyclobutene-based polymer), or even vacuum.
  • the thickness of this optical cavity is determined by the specifications of the detector in particular in terms of band width, absorption wavelengths and the material that constitutes it. This thickness can typically vary from one micrometer to several tens of microns.
  • this cavity must also allow the realization of a first portion of the pillars and more specifically a first portion of the electrical contacts (60) adapted to ensure the reading of the resistance bolometric in the pixel by said read circuit.
  • the electrical contacts (60) consist of an electrically conductive material such as titanium nitride or tungsten silicide. This material is deposited by CVD ("Chemical Vapor Deposition"), for example.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the purpose of these pillars is twofold: they are intended to provide a support function of the bolometer from a mechanical point of view on the one hand, and secondly, they are intended to serve as electrical contacts with the support substrate integrating the reading circuit. In the latter case, they make it possible to electrically connect the bolometer and the support substrate, and in particular the bolometer and the reading circuit.
  • an antenna (10) is deposited on this cavity, for example by PVD ("Physical Vapor Deposition” ie by spraying) opposite the reflector (50).
  • This antenna is also made of metal layers of low square resistance, for example of the same nature as the reflector. It is further structured to allow detection of the electromagnetic wave (Bow-Tie, spiral ).
  • a resistive load (30) intended to ensure the capacitive coupling of the current of the antenna generated by the electromagnetic wave, is suspended above the antenna (10) by means of a thermometric element, constituted in this case by a bolo metric material (40), thus acting as beam or suspension bar.
  • a thermometric element constituted in this case by a bolo metric material (40)
  • the resistive load (30) is centered with respect to the thermometric element (40).
  • the establishment of the resistive load (30), the bolometric layer (40) and a second portion of the electrical contacts (90) is performed subsequent to the deposition of a sacrificial layer (not shown) intended to be removed after completion of the detector.
  • This sacrificial layer is preferably organic (polymer), so as to allow its removal under oxygen or ozone (plasma or not) without damaging the other materials present (it goes without saying that the materials can be passive for avoid their oxidation).
  • this sacrificial layer may also be made of amorphous carbon whose oxygen etching is also compatible. It may optionally be made of porous oxide which can then be removed by hydrofluoric acid in the vapor phase. It should be noted that for the realization of an empty cavity under antenna maintained by pillars, one can use this same sacrificial layer method
  • the thickness of the air or vacuum plate (80) thus generated is typically between 0.1 and a few micrometers. And for the case of the empty cavity, the thickness will obviously be the distance between antenna and reflector.
  • the aforementioned resistive load (30) consists of a material of a few hundred ⁇ / square, typically 200-400 ⁇ / square and of very small thickness, so as to minimize the heat content of the detector according to the invention. .
  • This resistive load can be made of titanium nitride a few nanometers thick, deposited by spraying on the sacrificial layer mentioned above. It is located opposite the antenna (10) and more precisely in view of the convergence zones of said antenna when it is of "Bow-Tie" shape. It should be noted that in this embodiment, the second portion of the electrical contacts (90) is made of the same material as the resistive load.
  • This load can be square or rectangular. As can be seen in FIG. 4, in the case of a rectangular configuration, the large dimension of the rectangle extends in the direction of the antenna, and more particularly in the direction of deployment of the antenna. when it is bow tie shaped.
  • the bolometric material (40) intended to act as a thermometer is therefore, as shown in FIG. 2, in contact with the resistive load (30).
  • this bolometric material (40) is intended to heat up depending on the electromagnetic flux absorbed by the load coupled to the antenna / cavity / refiector assembly. It is typically made of amorphous silicon or oxide, especially vanadium or iron, so as to have a T cr coefficient of a few% per degree, representing in a known manner the variation of the resistance as a function of temperature. Typically, it has a coefficient T cr close to 2% / ° celcius.
  • the bolometric material (40) is in the form of a beam or a bar, as can best be seen in Figure 3, further ensuring the suspension function the resistive load (30) above the antenna (10) and the optical cavity (70).
  • the beams or bars (40) constituting the bolometric material ensure not only the mechanical suspension of the resistive load (30), but also the thermal insulation and the thermometric electrical resistance. Insofar as the heat capacity of said resistive load (30) is reduced, said beams (40) can be of higher thermal resistance while maintaining a high thermal bandwidth.
  • said antennas may be of a different nature, so as to allow polarized detection in TE (transverse electric) mode and TM (transverse magnetic) mode, and / or a detection in two or three spectral bands (even if they overlap) by the play of the thickness of the optical cavity, and / or by interrelation of the measurements, furthermore making it possible to reject the original common mode noise electric or thermal.
  • a point of the observed scene can be detected by the optics of the instrument on a so-called optical pixel (image point), comprising for example 3x3 antennas at a pitch of 10 ⁇ m (depending on the range of wavelengths considered) .
  • image point comprising for example 3x3 antennas at a pitch of 10 ⁇ m (depending on the range of wavelengths considered) .
  • these antennas can be different, for example of the "Bow-Tie" type in one direction.
  • the polarization of the flux emitted by the scene is then measured in the perpendicular direction.
  • the antennas of the optical pixel may further be of different size.
  • each of the antennas can detect in different wavelength bands: multispectral principle of visible color detector (RGB, red green blue).
  • One of the antennas may be blind, that is to say that the corresponding bolometer does not heat up by the stream received, it is then a so-called compensation bolometer (see below).
  • the differential measurement is made between this bolometer and the other bolometers of the optical pixel, thus making it possible to reject common mode noise or noise.
  • the antenna pitch is less than the wavelength, for widely open optics (focal length F close to 1) and limited by diffraction, the spatial sampling of the image is correct or even super-resolved. In addition, large die sizes can be achieved by minimizing the cost (especially by reducing the silicon area).
  • the diffraction is 1.22 ⁇ .F / D, and the sampling is correct according to the Shannon criterion if the pixel pitch optical is half of the diffraction spot.
  • the antenna and the reflector are not sensitive to such particles, and the sensitive area (resistive load and beams) is made of particularly reduced surface.
  • the gain is 8/9 compared to zero for a sensor filling the optical pitch.
  • a sacrificial layer for example polyimide, the antenna (SiN), the thermometer, and also the resistive load (TiN) in the center of the beam.
  • This set of layers is constrained (in compression or extension) on the polyimide layer, on the one hand, because of the temperature variations during the implementation of the deposition process (heating, then return to ambient temperature) and, on the other hand, because of the removal of said polyimide sacrificial layer.
  • the beam When removing the latter, the beam is released into the air, and may bend towards the antenna, or otherwise away from it. In doing so, the air gap is modified, that is to say the distance between the beam or the load and the antenna, and corollary, the capacitive coupling between the load and the antenna. This air gap is filled by an electrostatic force between the reflector and the load.
  • a sensitive bolometer (100), also called a compensation bolometer, is associated with the sensitive bolometer.
  • such a compensating bolometer makes it possible to reject the common-mode current resulting from the signal emanating from the substrate (20) and consequently to retain as the processed signal only that coming from the detected scene.
  • the compensation bolometer (100) is not associated with a resistive load. In addition, it is not associated with an antenna.

Abstract

This bolometric detector for detecting electromagnetic radiation comprises: a receive antenna (10) designed to collect the electromagnetic radiation, and thus ensure electromagnetic coupling; a resistive load (30) capacitively coupled to the antenna (10) and capable of converting the collected electromagnetic power into calorific power; and a thermometric element (40) connected to the resistive load (30) and thermally isolated from a support substrate capable of receiving an electronic circuit integrating electrical excitation (stimulus) means and means for preprocessing the electrical signals generated by said detector. The resistive load (30) is suspended above the receive antenna (10) by means of just the thermometric element (40), which is itself electrically and mechanically connected to the support substrate.

Description

DETECTEUR BOLOMETRIQUE D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES BOLOMETRIC DETECTOR OF ELECTROMAGNETIC WAVES
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
L'invention concerne un détecteur bolométrique, plus particulièrement destiné à réaliser la détection d'ondes électromagnétiques du domaine de l'infrarouge au domaine du visible voire au-delà, c'est-à-dire permettant la détection d'ondes électromagnétiques de longueurs d'onde de quelques micromètres jusqu'au domaine submillimétrique (quelques centaines de micromètres), voire millimétrique.The invention relates to a bolometric detector, more particularly intended to perform the detection of electromagnetic waves from the infrared range to the visible range or beyond, that is to say to detect electromagnetic waves of lengths. wave of a few micrometers to the submillimeter range (a few hundred micrometers), or even millimeter.
La détection des ondes millimétriques et plus particulièrement submillimétriques présente un certain nombre d'intérêts notamment sur le plan scientifique et technique. Parmi les domaines d'application connus figurent la détection spatiale, astrophysique en particulier, mais également les imageurs, la radioastronomie depuis les télescopes au sol, l'imagerie biomédicale, etc....The detection of millimeter waves and more particularly submillimetric waves presents a certain number of interests in particular on the scientific and technical level. Among the known application areas are space sensing, astrophysics in particular, but also imagers, radio astronomy from ground telescopes, biomedical imaging, etc.
On connaît essentiellement deux principes physiques différents pour réaliser la détection des ondes millimétriques et submillimétriques.Two different physical principles are essentially known for the detection of millimeter and submillimeter waves.
Le premier d'entre eux consiste à détecter les ondes électromagnétiques au moyen d'une antenne de telle sorte à créer un signal électrique, dont le traitement est effectué par un circuit électronique fonctionnant à la fréquence de l'onde. L'inconvénient des détecteurs fonctionnant selon ce premier principe est d'être fortement limité en fréquences.The first of these consists in detecting the electromagnetic waves by means of an antenna so as to create an electrical signal, the processing of which is carried out by an electronic circuit operating at the frequency of the wave. The disadvantage of detectors operating according to this first principle is to be strongly limited in frequencies.
Au surplus, attendu que de tels détecteurs sont généralement agencés selon une structure matricielle, les circuits correspondants génèrent une dissipation de chaleur relativement élevée, de l'ordre de 1 Watt pour une matrice 32x32, constituant un autre inconvénient.In addition, since such detectors are generally arranged in a matrix structure, the corresponding circuits generate a relatively high heat dissipation, of the order of 1 Watt for a 32x32 matrix, constituting another disadvantage.
Le second principe technique connu consiste à mettre en œuvre une antenne de détection des ondes électromagnétiques, propre à créer un flux calorifique, dont la mesure correspond au signal recherché. Les détecteurs utilisés dans le cadre de ce principe sont traditionnellement constitués par la famille des détecteurs bolométriques. De manière connue, les détecteurs thermiques, famille à laquelle appartiennent les détecteurs bolométriques, absorbent la puissance d'un rayonnement électromagnétique incident, la convertissent en chaleur, qui se transforme ensuite en un signal résultant de l'élévation de température corrélative par rapport à une température de référence, dans une plage déterminée, permettant d'associer à ces variations de températures des signaux électriques correspondant à la mesure effective du flux électromagnétique incident. On conçoit cependant, que dès lors que l'on mesure une variation faible de température, ledit détecteur doit être le plus isolé possible sur le plan thermique.The second known technical principle is to implement an electromagnetic wave detection antenna, capable of creating a heat flow, the measurement of which corresponds to the desired signal. The detectors used in the context of this principle are traditionally constituted by the family of bolometric detectors. In known manner, the thermal detectors, to which family the bolometric detectors belong, absorb the power of an incident electromagnetic radiation, convert it into heat, which is then transformed into a signal resulting from the correlative temperature rise with respect to a reference temperature, in a given range, for associating with these temperature variations electrical signals corresponding to the actual measurement of the incident electromagnetic flux. However, it is conceivable that as soon as a low temperature variation is measured, the detector must be as thermally isolated as possible.
Sous l'effet du rayonnement incident, le détecteur s'échauffe et transmet l'élévation de température corrélative au matériau thermométrique sensible. Cette augmentation de température engendre une variation d'une propriété dudit matériau sensible, telle qu'une apparition de charges électriques par effet pyroélectrique, la variation de la capacité par changement de la constante diélectrique pour les détecteurs capacitifs, la variation de la tension par effet thermoélectrique pour les thermocouples, et la variation de la résistance pour les détecteurs bolométriques.Under the effect of the incident radiation, the detector heats up and transmits the correlative temperature rise to the sensitive thermometric material. This increase in temperature causes a variation of a property of said sensitive material, such as an appearance of electric charges by pyroelectric effect, the variation of the capacitance by changing the dielectric constant for the capacitive detectors, the variation of the effect voltage. thermoelectric for thermocouples, and the variation of resistance for bolometric detectors.
Dans le domaine de la détection infrarouge, l'usage de détecteurs bolométriques est largement répandu. Ces détecteurs sont classiquement constitués d'une membrane suspendue, qui comporte une couche mince (typiquement entre 0.1 et 1 micromètre) réalisée en matériau bolométrique sensible à la température, deux électrodes et un absorbeur, dont la fonction est de capter le rayonnement électromagnétique pour le convertir en chaleur au sein de la structure ainsi définie. La membrane est suspendue au moyen de poutres au-dessus du substrat - support par l'intermédiaire de points d'ancrage ou pions de fixation, propres à isoler ladite membrane du substrat. Ces points d'ancrage ou pions de fixation également dénommées piliers, permettent d'amener les potentiels d'excitation ou stimuli vers les parties conductrices ou électrodes du détecteur bolométrique via des structures planes et allongées, également appelées bras ou poutres d'isolement. Ces bras sont donc conducteurs électriquement mais en revanche doivent présenter une résistance thermique la plus élevée possible.In the field of infrared detection, the use of bolometric detectors is widespread. These detectors are conventionally constituted by a suspended membrane, which comprises a thin layer (typically between 0.1 and 1 micrometer) made of a temperature-sensitive bolometric material, two electrodes and an absorber, the function of which is to pick up the electromagnetic radiation for the convert into heat within the structure thus defined. The membrane is suspended by means of beams above the support substrate via anchor points or fixing pins, suitable for isolating said membrane from the substrate. These anchor points or fixing pins also called pillars, can bring the excitation potentials or stimuli to the conductive parts or electrodes of the bolometric detector via flat and elongated structures, also called arms or isolation beams. These arms are electrically conductive but on the other hand must have the highest possible thermal resistance.
Afin d'aboutir à des performances satisfaisantes, le matériau bolométrique, c'est-à-dire le matériau sensible, doit présenter une faible masse calorifique, doit être bien isolé thermiquement par rapport au support, et enfin doit présenter une forte sensibilité à l'effet de conversion de réchauffement en signal électrique. De manière connue, le substrat - support, généralement réalisé en silicium, reçoit un circuit de lecture constitué d'un circuit électronique intégrant des moyens d'adressage séquentiel ou de multiplexage des détecteurs élémentaires et des moyens d'excitation électrique, par exemple des stimuli, et de pré -traitement des signaux électriques générés par lesdits détecteurs élémentaires. Ce faisant, un tel circuit de lecture permet de sérialiser les signaux issus des différents détecteurs élémentaires et de les transmettre vers un nombre réduit de sorties, afin d'être exploités par un système d'imagerie usuel, tel que par exemple une caméra infrarouge.In order to achieve satisfactory performance, the bolometric material, that is to say the sensitive material, must have a low heat content, must be well thermally insulated from the support, and finally must have a high sensitivity to warming conversion effect to electrical signal. In known manner, the support substrate, generally made of silicon, receives a read circuit consisting of an electronic circuit integrating means for sequentially addressing or multiplexing the elementary detectors and electrical excitation means, for example stimuli. , and pre-processing the electrical signals generated by said elementary detectors. In doing so, such a read circuit makes it possible to serialize the signals coming from the different elementary detectors and to transmit them to a small number of outputs, in order to be exploited by a usual imaging system, such as for example an infrared camera.
Avantageusement, afin d'optimiser les performances de ces détecteurs, ceux-ci sont encapsulés sous vide ou sous très faible pression de gaz au sein d'un boîtier, muni alors d'une fenêtre transparente dans la bande de longueurs d'onde concernée.Advantageously, in order to optimize the performance of these detectors, they are encapsulated under vacuum or under very low gas pressure within a housing, then provided with a transparent window in the wavelength band concerned.
Traditionnellement, le matériau bolométrique mis en œuvre est constitué de silicium polycristallin ou amorphe de type p ou n faiblement ou fortement résistif, mais peut également être réalisé en oxyde de vanadium (V2O5, VO2) ou d'un cuprate (YBaCuO) élaboré en une phase semi-conductrice.Traditionally, the bolometric material used consists of polycrystalline or amorphous silicon of the p or n type, which is weakly or strongly resistive, but can also be made of vanadium oxide (V 2 O 5, VO 2 ) or of a cuprate (YBaCuO) produced in a semiconductor phase.
La mise en œuvre de tels détecteurs bolométriques a été largement décrite en relation avec la détection dans le domaine de l'infrarouge. Pour cette plage de longueur d'ondes, il est possible de réunir simultanément sur la planche bolométrique les fonctions de thermométrie et d'absorption du rayonnement infrarouge incident.The implementation of such bolometric detectors has been widely described in relation to the detection in the infrared domain. For this wavelength range, it is possible to simultaneously combine the thermometric and absorption functions of the incident infrared radiation on the bolometric plate.
En effet, un système de détection électromagnétique doit présenter des dimensions voisines de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde considérée afin d'être efficace. Il existe un compromis entre la puissance collectée (proportionnelle à la surface du détecteur) et la résolution spatiale. Les phénomènes de diffraction inhérents à tout système optique limitent la résolution spatiale à une valeur de l'ordre de la longueur d'onde dans les dimensions du plan. Les dimensions optimales pour un détecteur sont donc de cet ordre de grandeur.Indeed, an electromagnetic detection system must have dimensions close to the order of magnitude of the wavelength considered in order to be effective. There is a tradeoff between the collected power (proportional to the surface of the detector) and the spatial resolution. The diffraction phenomena inherent in any optical system limit the spatial resolution to a value of the order of the wavelength in the dimensions of the plane. The optimal dimensions for a detector are therefore of this order of magnitude.
Ainsi, une planche ou matrice de détecteurs infrarouges de dimensions de 25 x 25 μm2 est susceptible d'intégrer ces deux fonctions. Ce faisant, l'absorbeur c'est-à-dire la membrane supportant l'élément sensible bolométrique assure à la fois la fonction de couplage électromagnétique avec le rayonnement incident, et donc d'absorption dudit rayonnement, et la fonction de conversion de ce rayonnement en flux calorifique par effet joule. Or, dans le domaine des longueurs d'onde submillimétriques voire millimétriques, le raisonnement précédent conduirait à aboutir à des membranes de même ordre de grandeur. Or, tant la masse calorifique, la tenue mécanique que les pertes par rayonnement d'une membrane de telles dimensions sont inenvisageables pour la pérennité des détecteurs mis en œuvre outre pour la qualité des mesures à réaliser.Thus, a board or array of infrared detectors of dimensions 25 x 25 microns 2 is likely to integrate these two functions. In doing so, the absorber, that is to say the membrane supporting the bolometric sensitive element provides both the electromagnetic coupling function with the incident radiation, and therefore the absorption of said radiation, and the conversion function of this radiation. heat flux radiation by Joule effect. However, in the submillimeter wavelength or millimetric wavelength range, the previous reasoning would lead to membranes of the same order of magnitude. However, both the heat mass, the mechanical strength and the radiation losses of a membrane of such dimensions are unthinkable for the durability of the detectors implemented in addition to the quality of the measurements to be made.
Ce faisant, il devient nécessaire de séparer la fonction de couplage électromagnétique de la fonction de conversion de la puissance électromagnétique en puissance calorifique. La première de ces deux fonctions est réalisée au moyen d'une antenne réceptrice, et la seconde fonction est assurée par une charge résistive associée à l'antenne.In doing so, it becomes necessary to separate the electromagnetic coupling function from the conversion function of the electromagnetic power into heating power. The first of these two functions is performed by means of a receiving antenna, and the second function is provided by a resistive load associated with the antenna.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUEPRIOR STATE OF THE TECHNIQUE
On connaît de tels dispositifs de détection bolométrique dits « à antenne », susceptibles de fonctionner à des températures autour de 300 K, donc à température ambiante, mais également susceptibles de fonctionner aux températures cryogéniques (jusqu'à T<1 kelvin). Ces dispositifs mettent en œuvre des barrettes ou des matrices de tels détecteurs.Such bolometric detection devices known as "antenna" are known, capable of operating at temperatures around 300 K, therefore at ambient temperature, but also capable of operating at cryogenic temperatures (up to T <1 Kelvin). These devices implement arrays or matrices of such detectors.
On a représenté en relation avec la figure 1, un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un tel bolomètre à antenne de l'art antérieur.FIG. 1 shows a diagram illustrating the operating principle of such an antenna bolometer of the prior art.
Celui-ci est fondamentalement constitué d'une antenne (1) constituée d'une couche conductrice, déposée sur un substrat (2) non conducteur. Elle comprend un métal résistif (3) constituant à la fois la charge résistive de l'antenne, propre à générer la puissance calorifique, et des bras d'isolation d'un thermomètre ou bolomètre (4), composé d'un matériau thermo -résistif, tel que par exemple du silicium amorphe ou de l'oxyde de Vanadium. Comme on peut l'observer, il est défini sous le thermomètre (4) une cavité (5) permettant l'isolation thermique de celui-ci.It basically consists of an antenna (1) consisting of a conductive layer deposited on a non-conductive substrate (2). It comprises a resistive metal (3) constituting both the resistive load of the antenna, suitable for generating the heating power, and the insulating arms of a thermometer or bolometer (4), composed of a thermo-thermal material. resistive, such as for example amorphous silicon or vanadium oxide. As can be seen, it is defined under the thermometer (4) a cavity (5) for thermal insulation thereof.
Les courants électriques générés dans l'antenne (1) par le rayonnement incident sont dissipés dans les bras d'isolation (3) par effet joule.The electric currents generated in the antenna (1) by the incident radiation are dissipated in the insulation arms (3) by joule effect.
Avantageusement, un plan métallique réflecteur permet d'optimiser l'absorption pour une gamme de longueurs d'onde donnée. Ce réflecteur est en général positionné à une distance égale à λ/4n de l'antenne, λ étant la longueur d'onde moyenne à détecter et n étant l'indice de réfraction du milieu séparant le réflecteur de l'antenne, et ce, dans un souci d'optimiser le couplage dans l'antenne. On conçoit bien la nécessité d'isoler thermiquement le détecteur proprement dit, en l'espèce réalisé en matériau bolométrique, afin de permettre l'optimisation de la détection. Or, l'une des difficultés à vaincre avec de tels dispositifs de détection réside dans la limitation imposée par construction, liée à la proportionnalité entre la conductance thermique et la conductance électrique dans tout matériau conducteur, et qui prend une forme simple pour les métaux : la loi de Wiedmann Franz.Advantageously, a reflective metal plane optimizes the absorption for a given range of wavelengths. This reflector is generally positioned at a distance equal to λ / 4n of the antenna, λ being the average wavelength to be detected and n being the refractive index of the medium separating the reflector from the antenna, and this in order to optimize the coupling in the antenna. It is well understood the need to thermally isolate the actual detector, in this case made of bolometric material, to allow optimization of the detection. One of the difficulties to overcome with such detection devices lies in the limitation imposed by construction, related to the proportionality between the thermal conductance and the electrical conductance in any conductive material, and which takes a simple form for the metals: the law of Wiedmann Franz.
Ainsi, le lien électrique entre l'antenne et le thermomètre s'accompagne nécessairement d'un lien thermique, ce qui nuit de manière importante aux performances des bolomètres, puisque aussi bien, ceux-ci mesurent une variation de température par rapport à une valeur de référence.Thus, the electrical connection between the antenna and the thermometer is necessarily accompanied by a thermal link, which significantly impairs the performance of the bolometers, since they also measure a variation in temperature with respect to a value. reference.
On a par exemple décrit dans le document WO 00/40937 un dispositif de détection, mettant en œuvre de tels bolomètres à antenne. L'antenne décrite de type « Bow-Tie » (nœud papillon), est placée au-dessus d'un plan métallique à une distance égale au quart de la longueur d'onde d'utilisation du détecteur, définissant ainsi une cavité dite « quart d'onde », bien connue en soi. En outre, la suspension du thermomètre est constituée par la résistance de charge de l'antenne. Le thermomètre est constitué d'une diode à jonction en silicium monocristallin, dont l'isolation thermique résulte de la gravure en face arrière du substrat réalisé en silicium.In WO 00/40937, for example, a detection device has been described, implementing such antenna bolometers. The described "Bow-Tie" type antenna (bow tie) is placed above a metal plane at a distance equal to one quarter of the detector's operating wavelength, thereby defining a so-called cavity. quarter wave ", well known in itself. In addition, the suspension of the thermometer is constituted by the load resistance of the antenna. The thermometer consists of a monocrystalline silicon junction diode whose thermal insulation results from the etching of the silicon substrate on the rear face.
L'antenne de forme particulière est déposée sur une couche d'oxyde de silicium SiO, qui du fait de la technologie employée (de type couche mince) présente une épaisseur e de l'ordre du micromètre. Une antenne de type « Bow-Tie », optimisée pour détecter autour d'une fréquence de 1 THz présente une taille d'environ la moitié de la longueur d'onde d'utilisation, soit 150xl50μm2.The antenna of particular shape is deposited on a layer of silicon oxide SiO, which because of the technology used (thin film type) has a thickness e of the order of a micrometer. A "Bow-Tie" type antenna, optimized to detect around a frequency of 1 THz has a size of about half of the operating wavelength, ie 150xl50μm 2 .
L'antenne est, dans cette hypothèse, quasiment à la masse thermique ; en d'autres termes, elle n'est pas isolée thermiquement, et en raison de sa connexion mécanique et électrique avec le thermomètre, ce dernier n'est pas isolé thermiquement de façon satisfaisante.The antenna is, in this case, almost to the thermal mass; in other words, it is not thermally insulated, and because of its mechanical and electrical connection with the thermometer, it is not thermally insulated satisfactorily.
Afin de surmonter cet inconvénient, on a proposé dans le document US 6,329,655, un dispositif de détection mettant également en œuvre un détecteur bolométrique. L'antenne est du même type que celle du document précédent (bow tie), mais on introduit en outre un couplage capacitif ou inductif entre l'antenne et la résistance de charge. Le couplage s'effectue au centre de l'antenne. Le thermomètre ou bolomètre utilisé est de type thermistor avec préférentiellement de l'oxyde de Vanadium V2O5. Ce couplage nécessite cependant un espace sub-micronique entre l'antenne et le thermomètre, ce qui complique notablement la technologie de réalisation d'un tel détecteur.In order to overcome this drawback, it has been proposed in document US Pat. No. 6,329,655, a detection device also implementing a bolometric detector. The antenna is of the same type as that of the previous document (bow tie), but a capacitive or inductive coupling is also introduced between the antenna and the load resistor. The coupling is done in the center of the antenna. The thermometer or bolometer used is of the type thermistor with preferentially Vanadium oxide V2O5. This coupling, however, requires a sub-micron space between the antenna and the thermometer, which significantly complicates the technology for producing such a detector.
Là encore, l'antenne n'est pas isolée thermiquement, seul le matériau thermo-résistif constitutif du thermomètre, est effectivement isolé thermiquement du substrat, et découplé de l'antenne pour un couplage optique capacitif.Again, the antenna is not thermally insulated, only the constituent thermo-resistive material of the thermometer is effectively thermally insulated from the substrate, and decoupled from the antenna for capacitive optical coupling.
On a également suggéré dans le document FR 2 855 609, de positionner un plan réflecteur placé sous le bolomètre, à une distance strictement inférieure au quart de la longueur d'onde d'utilisation. La résistance de charge de l'antenne est alors de l'ordre du kΩ, ce qui correspond à une résistance thermique encore insuffisante, limitant de fait les performances du détecteur. Au surplus, une valeur de résistance de charge aussi élevée s'accompagne nécessairement d'une diminution de la largeur de la bande d'absorption, ce qui s'avère pénalisant pour un détecteur passif, la puissance absorbée étant proportionnelle à la largeur de bande.It has also been suggested in document FR 2 855 609 to position a reflector plane placed under the bolometer at a distance strictly less than one quarter of the wavelength of use. The load resistance of the antenna is then of the order of kΩ, which corresponds to a still insufficient thermal resistance, limiting the performance of the detector. In addition, such a high load resistance value is necessarily accompanied by a decrease in the width of the absorption band, which is disadvantageous for a passive detector, the power absorbed being proportional to the bandwidth .
Pour optimiser l'isolation thermique recherchée, on a proposé dans le document FR 2 884 608, un détecteur bolométrique du type en question dans lequel l'antenne réceptrice est elle-même isolée du substrat support. On solutionne ainsi les problèmes de l'isolation thermique du thermomètre. Se pose cependant toujours le problème d'une part, de la réduction du temps de réponse de tels détecteurs, et d'autre part, de la miniaturisation des détecteurs, constituant un souci permanent de l'homme de métier, sans affecter les propriétés de détection.To optimize the thermal insulation sought, it has been proposed in document FR 2 884 608, a bolometric detector of the type in question in which the receiving antenna is itself isolated from the support substrate. This solves the problems of thermal insulation of the thermometer. However, the problem remains, on the one hand, the reduction of the response time of such detectors, and on the other hand, the miniaturization of the detectors, constituting a permanent concern of the person skilled in the art, without affecting the properties of detection.
EXPOSE DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
L'invention concerne un détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique comprenant : - une antenne réceptrice destinée à collecter le rayonnement électromagnétique et à ainsi assurer le couplage électromagnétique ; une charge résistive couplée de manière capacitive à l'antenne et apte à convertir la puissance électromagnétique collectée en puissance calorifique ; un élément thermométrique relié à la charge résistive et isolé thermiquement d'un substrat support, ce dernier étant susceptible de recevoir un circuit électronique intégrant des moyens d'excitation électrique (stimuli) et de prétraitement des signaux électriques générés par ledit détecteur.The invention relates to a bolometric detector for electromagnetic radiation comprising: - a receiving antenna for collecting electromagnetic radiation and thus ensuring electromagnetic coupling; a resistive load capacitively coupled to the antenna and adapted to convert the collected electromagnetic power into heating power; a thermometric element connected to the resistive load and thermally isolated from a support substrate, the latter being capable of receiving an electronic circuit integrating electrical excitation means (stimuli) and pretreatment of the electrical signals generated by said detector.
Selon l'invention, la charge résistive est suspendue au-dessus de l'antenne réceptrice au moyen du seul élément thermométrique, lui-même relié électriquement et mécaniquement au substrat support.According to the invention, the resistive load is suspended above the receiving antenna by means of the single thermometric element, itself electrically and mechanically connected to the support substrate.
En d'autres termes, l'invention consiste à utiliser comme thermomètre l'élément mécanique de suspension de la structure constituée traditionnellement de la charge résistive et du thermomètre, permettant ainsi de diminuer la taille du bolomètre (charge résistive + thermomètre), et de ce fait sa capacité calorifique, et donc d'améliorer sa réponse temporelle.In other words, the invention consists in using as a thermometer the mechanical suspension element of the structure that is traditionally composed of the resistive load and the thermometer, thus making it possible to reduce the size of the bolometer (resistive load + thermometer), and of this is its heat capacity, and therefore improve its temporal response.
Avantageusement, la charge résistive est centrale par rapport à l'élément thermo métrique. Ce faisant, la puissance calorifique née du couplage capacitif de l'antenne réceptrice avec ladite charge et transmise à l'élément thermométrique est également centrée, la chaleur diffusant le long dudit élément de part et d'autre de la charge. Il se crée ainsi au niveau dudit élément thermométrique un gradient de température entre cette position centralisée et les extrémités de l'élément thermométrique, inhérent à la nature même du matériau qui le constitue.Advantageously, the resistive load is central with respect to the thermometric element. In doing so, the heating power arising from the capacitive coupling of the receiving antenna with said load and transmitted to the thermometric element is also centered, the heat diffusing along said element on either side of the load. At the level of said thermometric element, a temperature gradient is created between this centralized position and the ends of the thermometric element, which is inherent to the very nature of the material which constitutes it.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la charge résistive est de forme carrée ou rectangulaire. Dans cette dernière hypothèse, la plus grande dimension du rectangle est orientée selon la direction principale d'extension de l'antenne. Elle présente une surface voisine de quelques micromètres carré, et avantageusement inférieure à 10 μm2. Plus généralement, la surface de la charge résistive est avantageusement inférieure à 1 % de la surface des antennes réceptrices.According to another advantageous characteristic of the invention, the resistive load is of square or rectangular shape. In the latter case, the largest dimension of the rectangle is oriented along the main direction of extension of the antenna. It has a surface close to a few square microns, and preferably less than 10 microns 2 . More generally, the surface of the resistive load is advantageously less than 1% of the surface of the receiving antennas.
Selon l'invention, le substrat support reçoit une couche d'un matériau réflecteur séparé de l'antenne par un matériau diélectrique, semi-conducteur isolant, un matériau organique, ou par le vide. Dans ce dernier cas, l'antenne est maintenue par des moyens de support par rapport au substrat, et par exemple par des piliers diélectriques. Ce faisant, on créé une cavité optique, dont l'épaisseur est de l'ordre de λ/4n, n étant l'indice de rétraction du milieu constituant la cavité, et λ, la longueur d'onde moyenne du domaine de détection considéré.According to the invention, the support substrate receives a layer of a reflective material separated from the antenna by a dielectric material, an insulating semiconductor, an organic material, or by vacuum. In the latter case, the antenna is maintained by support means relative to the substrate, and for example by dielectric pillars. In doing so, an optical cavity is created whose thickness is of the order of λ / 4n, where n is the retraction index of the medium constituting the cavity, and λ is the average wavelength of the detection domain considered. .
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'antenne est en forme de « bow-tie » (noeud papillon), ou de double bow-tie (pour prendre en compte les deux directions de polarisation à 90 ° de l'onde incidente) et sa liaison capacitive avec la charge résistive s'effectue au voisinage de son centre, c'est à dire de la zone de convergence des éléments qui la constituent, sensiblement située au centre du pixel considéré.According to an advantageous characteristic of the invention, the antenna is in the form of a "bow-tie" (bow tie), or double bow-tie (to take into account the two directions of polarization at 90 ° of the incident wave ) and its capacitive connection with the resistive load is made in the vicinity of its center, that is to say the convergence zone of the elements that constitute it, substantially located in the center of the pixel in question.
L'antenne est avantageusement constituée de couche métallique de faible résistance carré, et par exemple choisie dans un matériau constitué par Al, AlCu, AlSi, Ti.The antenna is advantageously made of metal layer of low square resistance, and for example selected from a material consisting of Al, AlCu, AlSi, Ti.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la charge résistive et l'élément thermométrique qui la suspend sont séparés de l'antenne par une lame d'air ou un vide d'isolation, voire un gaz inerte, afin de constituer le couplage capacitif entre charge résistive et antenne. On favorise de la sorte l'isolation thermique du thermomètre.According to another characteristic of the invention, the resistive load and the thermometric element which suspends it are separated from the antenna by an air gap or an insulation vacuum, or even an inert gas, in order to constitute the capacitive coupling. between resistive load and antenna. In this way, the thermal insulation of the thermometer is favored.
La charge résistive est avantageusement réalisée en nitrure de titane et présente une épaisseur de quelques nanomètres et une taille bien inférieure à celle de l'antenne, donc de capacité calorifique très réduite.The resistive load is advantageously made of titanium nitride and has a thickness of a few nanometers and a size much smaller than that of the antenna, so a very low heat capacity.
Enfin, l'élément thermo métrique est avantageusement constitué de matériau bolométrique notamment réalisé à base de silicium amorphe ou d'oxyde de vanadium ou de fer. Il est maintenu à ses extrémités sur des piliers aptes à servir de contacts électriques avec le substrat support intégrant le circuit de lecture ainsi que comme déjà dit les moyens d'excitation électrique et de prétraitement de signaux électriques générés par la détection d'une onde électromagnétique. L'élément thermométrique est en revanche thermiquement isolé dudit support par le vide et par le fait que le thermomètre, constituant la suspension, peut être très résistif électriquement, donc thermiquement, et de section très faible pour réduire la conduction thermique par phonons.Finally, the thermometric element is advantageously made of bolometric material, in particular made from amorphous silicon or from vanadium or iron oxide. It is held at its ends on pillars able to serve as electrical contacts with the support substrate integrating the read circuit and as already said means of electrical excitation and pretreatment of electrical signals generated by the detection of an electromagnetic wave . The thermometric element is however thermally isolated from said support by vacuum and the fact that the thermometer, constituting the suspension, can be very electrically resistive, so thermally, and of very small section to reduce the thermal conduction by phonons.
Avantageusement, on associe au sein d'un même pixel un bolomètre sensible au rayonnement électromagnétique à détecter, du type précédemment décrit, à un bolomètre de compensation insensible auxdits rayonnements également dénommé « aveugle ». La mise en œuvre d'un tel bolomètre de compensation est en soi connu et permet de s'affranchir du courant de mode commun. De tels bolomètres de compensation, insensibles aux flux optiques incidents sont en revanche sensibles à la température du substrat. Il génère de manière connue un courant dit de compensation qui est soustrait du courant issu du bolomètre d'imagerie, c'est-à-dire du bolomètre de détection grâce à la configuration du circuit électronique. De ce fait, l'essentiel du courant dit « de mode commun », c'est à dire non représentatif des informations provenant de la scène à détecter , résultant du substrat- support d'origine électrique ou thermique est éliminé.Advantageously, within the same pixel, a bolometer sensitive to the electromagnetic radiation to be detected, of the type previously described, is associated with a compensation bolometer that is insensitive to said radiation, also referred to as "blind". The implementation of such a compensation bolometer is in itself known and makes it possible to overcome the common mode current. Such compensating bolometers, which are insensitive to incident optical fluxes, are however sensitive to the temperature of the substrate. It generates in a known manner a so-called compensation current that is subtracted from the current from the imaging bolometer, that is to say the detection bolometer through the configuration of the electronic circuit. As a result, most of the so-called "common mode" current, that is to say not representative of the information coming from the scene to be detected, resulting from the support substrate of electrical or thermal origin is eliminated.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.The manner in which the invention can be realized and the advantages which result therefrom will emerge more clearly from the exemplary embodiment which follows, given by way of indication and not limitation, in support of the appended figures.
La figure 1 est comme déjà dit une représentation schématique d'un détecteur bolométrique à antenne conforme à l'état antérieur de la technique.Figure 1 is as already said a schematic representation of an antenna bolometric detector according to the prior art.
La figure 2 est une représentation schématique en section d'un détecteur conforme à l'invention dont la figure 3 est une vue du dessus.Figure 2 is a schematic representation in section of a detector according to the invention, Figure 3 is a view from above.
La figure 4 est une vue du dessus d'une version avantageuse d'un détecteur conforme à l'invention.FIG. 4 is a view from above of an advantageous version of a detector according to the invention.
MODE DE REALISATION DE L'INVENTIONEMBODIMENT OF THE INVENTION
On a donc représenté en relation avec la figure 2 une vue schématique en section d'un détecteur de rayonnement électromagnétique conforme à l'invention. On a plus particulièrement représenté un pixel constitutif d'un tel détecteur.FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of an electromagnetic radiation detector in accordance with the invention. A pixel constituting such a detector has more particularly been represented.
Celui-ci est rapporté sur un substrat support (20), typiquement composé par exemple, d'une couche d'oxyde de silicium SiO et d'un substrat massif de silicium Si.This is reported on a support substrate (20), typically composed for example of a silicon oxide SiO layer and a solid silicon Si substrate.
Ce substrat est en outre susceptible d'être gravé d'un circuit de lecture selon une technologie CMOS bien connue de l'homme de métier.This substrate is also capable of being etched with a read circuit according to a CMOS technology well known to those skilled in the art.
Est déposée sur ce substrat (20) une couche (50) destinée à constituer un réflecteur. Celui- ci est constitué de couches métalliques de faible résistance carré, par exemple réalisées en matériaux choisis dans le groupe comprenant Al, AlCu, AlSi, Ti. De manière connue, un tel réflecteur est destiné à réfléchir les longueurs d'onde à détecter. Ce réflecteur est déposé sur le substrat (20) par pulvérisation, évaporation, CVD (« Chemical Vapor Déposition ») ou autre technique de dépôt de couches métalliques en couches minces.Is deposited on this substrate (20) a layer (50) for constituting a reflector. This consists of metal layers of low square strength, for example made of materials selected from the group consisting of Al, AlCu, AlSi, Ti. In known manner, a such reflector is intended to reflect the wavelengths to be detected. This reflector is deposited on the substrate (20) by sputtering, evaporation, CVD ("Chemical Vapor Deposition") or other technique for depositing thin-layer metal layers.
Avantageusement, il remplit au maximum la surface du pixel. Dans certains cas particuliers, il peut être structuré, notamment lorsque le dispositif est réalisé sur le circuit de lecture ou alors lorsqu'il joue également le rôle de contact électrique et plus particulièrement d'interconnexion du thermomètre vers l'extérieur de la puce ou du circuit de lecture sous-jacent.Advantageously, it fills the surface of the pixel as much as possible. In some particular cases, it can be structured, in particular when the device is made on the reading circuit or when it also plays the role of electrical contact and more particularly interconnection of the thermometer to the outside of the chip or the underlying reading circuit.
On définit ensuite une cavité optique (70) d'épaisseur λ/4n, expression dans laquelle n est l'indice de réfraction du milieu constituant ladite cavité. On créé de la sorte entre l'antenne (10) déposée sur ladite cavité et le réflecteur (50), une lame « quart d'ondes » bien connue de l'homme du métier pour optimiser l'absorption dans la gamme de longueurs d'ondes considérée.An optical cavity (70) with a thickness λ / 4n is then defined, in which n is the refractive index of the medium constituting said cavity. This creates between the antenna (10) deposited on said cavity and the reflector (50), a "quarter wave" blade well known to those skilled in the art to optimize the absorption in the range of lengths d wave considered.
Cette cavité présente une absorption minimum dans le spectre de longueurs d'onde considéré que l'on cherche à détecter par l'antenne (10) elle-même. Il est à noter que toute perte dans la cavité s'effectue au détriment d'une absorption maximale dans la charge d'antenne. Elle est typiquement constituée d'un diélectrique (SiO, SiN...) mais peut également être constituée de silicium, de matériau organique (polyimide, benzocyclobutene- based polymer), voire même de vide. L'épaisseur de cette cavité optique est déterminée par les spécifications du détecteur notamment en termes de largeur de bandes, longueurs d'onde d'absorption ainsi que le matériau qui la constitue. Cette épaisseur peut typiquement varier d'un micromètre à plusieurs dizaines de micromètres.This cavity has a minimum absorption in the considered wavelength spectrum that is sought to be detected by the antenna (10) itself. It should be noted that any loss in the cavity occurs at the expense of maximum absorption in the antenna load. It is typically constituted by a dielectric (SiO, SiN, etc.) but may also consist of silicon, organic material (polyimide, benzocyclobutene-based polymer), or even vacuum. The thickness of this optical cavity is determined by the specifications of the detector in particular in terms of band width, absorption wavelengths and the material that constitutes it. This thickness can typically vary from one micrometer to several tens of microns.
En outre, dans le cas particulier de détecteurs réalisés sur le circuit de lecture, cette cavité doit également permettre la réalisation d'une première portion des piliers et plus précisément une première portion des contacts électriques (60) propres à assurer la lecture de la résistance bolométrique dans le pixel par ledit circuit de lecture. De façon connue, les contacts électriques (60) sont constitués d'un matériau électriquement conducteur tel que le nitrure de titane ou encore le siliciure de tungstène. Ce matériau est déposé par CVD (« Chemical Vapor Déposition »), par exemple. L'objectif de ces piliers est double : ils sont destinés à assurer une fonction de support du bolomètre d'un point de vue mécanique d'une part, et d'autre part, ils sont destinés à servir de contacts électriques avec le substrat support intégrant le circuit de lecture. Dans ce dernier cas, ils permettent de relier électriquement le bolomètre et le substrat support, et en particulier le bolomètre et le circuit de lecture.In addition, in the particular case of detectors made on the reading circuit, this cavity must also allow the realization of a first portion of the pillars and more specifically a first portion of the electrical contacts (60) adapted to ensure the reading of the resistance bolometric in the pixel by said read circuit. In known manner, the electrical contacts (60) consist of an electrically conductive material such as titanium nitride or tungsten silicide. This material is deposited by CVD ("Chemical Vapor Deposition"), for example. The purpose of these pillars is twofold: they are intended to provide a support function of the bolometer from a mechanical point of view on the one hand, and secondly, they are intended to serve as electrical contacts with the support substrate integrating the reading circuit. In the latter case, they make it possible to electrically connect the bolometer and the support substrate, and in particular the bolometer and the reading circuit.
Comme indiqué précédemment, une antenne (10) est déposée sur cette cavité, par exemple par PVD (« Physical Vapor Déposition » c'est à dire par pulvérisation) en regard du réflecteur (50). Cette antenne est également constituée de couches métalliques de faible résistance carré, et par exemple de même nature que le réflecteur. Elle est en outre structurée afin de permettre la détection de l'onde électromagnétique (Bow-Tie, spirale...).As indicated above, an antenna (10) is deposited on this cavity, for example by PVD ("Physical Vapor Deposition" ie by spraying) opposite the reflector (50). This antenna is also made of metal layers of low square resistance, for example of the same nature as the reflector. It is further structured to allow detection of the electromagnetic wave (Bow-Tie, spiral ...).
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une charge résistive (30), destinée à assurer le couplage capacitif du courant de l'antenne généré par l'onde électromagnétique, est suspendue au-dessus de l'antenne (10) au moyen d'un élément thermométrique, constitué en l'espèce par un matériau bolo métrique (40), faisant donc fonction de poutre ou barreau de suspension. De fait, en raison de cette suspension, il est créé entre l'antenne (10) et l'ensemble constitué par le bolomètre (40) et la charge résistive (30) une lame d'air, de gaz inerte ou de vide.According to an essential characteristic of the invention, a resistive load (30), intended to ensure the capacitive coupling of the current of the antenna generated by the electromagnetic wave, is suspended above the antenna (10) by means of a thermometric element, constituted in this case by a bolo metric material (40), thus acting as beam or suspension bar. In fact, because of this suspension, it is created between the antenna (10) and the assembly consisting of the bolometer (40) and the resistive load (30) a blade of air, inert gas or vacuum.
Ainsi qu'on peut bien l'observer sur les figures, la charge résistive (30) est centrée par rapport à l'élément thermométrique (40).As can be seen from the figures, the resistive load (30) is centered with respect to the thermometric element (40).
Techniquement, la mise en place de la charge résistive (30), de la couche bolométrique (40) et d'une seconde portion des contacts électriques (90) est réalisée subséquemment au dépôt d'une couche sacrificielle (non représentée) destinée à être ôtée après réalisation du détecteur. Cette couche sacrificielle est de préférence organique (polymère), de telle sorte à permettre son retrait sous atmosphère d'oxygène ou d'ozone (plasma ou non) sans détérioration des autres matériaux présents (il va de soi que les matériaux peuvent être passives pour éviter leur oxydation).Technically, the establishment of the resistive load (30), the bolometric layer (40) and a second portion of the electrical contacts (90) is performed subsequent to the deposition of a sacrificial layer (not shown) intended to be removed after completion of the detector. This sacrificial layer is preferably organic (polymer), so as to allow its removal under oxygen or ozone (plasma or not) without damaging the other materials present (it goes without saying that the materials can be passive for avoid their oxidation).
Cependant, cette couche sacrificielle peut également être réalisée en carbone amorphe dont la gravure par oxygène est également compatible. Elle peut éventuellement être réalisée en oxyde poreux susceptible alors d'être retirée par acide fluorhydrique en phase vapeur. II est à noter, que pour la réalisation d'une cavité vide sous antenne maintenue par piliers, on peut utiliser ce même procédé de couche sacrificielle L'épaisseur de la lame d'air ou de vide (80) ainsi générée est typiquement comprise entre 0,1 et quelques micromètres. Et pour le cas de la cavité vide, l'épaisseur sera évidemment la distance entre antenne et réflecteur.However, this sacrificial layer may also be made of amorphous carbon whose oxygen etching is also compatible. It may optionally be made of porous oxide which can then be removed by hydrofluoric acid in the vapor phase. It should be noted that for the realization of an empty cavity under antenna maintained by pillars, one can use this same sacrificial layer method The thickness of the air or vacuum plate (80) thus generated is typically between 0.1 and a few micrometers. And for the case of the empty cavity, the thickness will obviously be the distance between antenna and reflector.
La charge résistive (30) précitée est constituée d'un matériau de quelques centaines d' Ω /carré, typiquement 200-400 Ω /carré et de très faible épaisseur, de telle sorte à minimiser la masse calorifique du détecteur conforme à l'invention. Cette charge résistive peut être réalisée en nitrure de titane de quelques nano mètres d'épaisseur, déposé par pulvérisation sur la couche sacrificielle précédemment mentionnée. Elle est située en regard de l'antenne (10) et plus précisément au regard des zones de convergence de ladite antenne lorsque celle-ci est de forme « Bow-Tie ». Il est à noter que dans ce mode de réalisation, la seconde portion des contacts électriques (90) est réalisée dans le même matériau que la charge résistive.The aforementioned resistive load (30) consists of a material of a few hundred Ω / square, typically 200-400 Ω / square and of very small thickness, so as to minimize the heat content of the detector according to the invention. . This resistive load can be made of titanium nitride a few nanometers thick, deposited by spraying on the sacrificial layer mentioned above. It is located opposite the antenna (10) and more precisely in view of the convergence zones of said antenna when it is of "Bow-Tie" shape. It should be noted that in this embodiment, the second portion of the electrical contacts (90) is made of the same material as the resistive load.
Cette charge peut être de forme carrée ou rectangulaire. Ainsi qu'on peut l'observer sur la figure 4, dans le cas d'une configuration rectangulaire, la grande dimension du rectangle s'étend selon la direction de l'antenne, et plus particulièrement selon la direction de déploiement de l'antenne lorsqu'elle est de forme « bow tie ».This load can be square or rectangular. As can be seen in FIG. 4, in the case of a rectangular configuration, the large dimension of the rectangle extends in the direction of the antenna, and more particularly in the direction of deployment of the antenna. when it is bow tie shaped.
Le matériau bolométrique (40) destiné à faire fonction de thermomètre est donc, ainsi que représenté sur la figure 2, en contact avec la charge résistive (30). Comme déjà dit, ce matériau bolométrique (40) est destiné à s'échauffer en fonction du flux électromagnétique absorbé par la charge couplée à l'ensemble antenne/cavité/réfiecteur. Il est typiquement réalisé en silicium amorphe ou en oxyde notamment de vanadium ou de fer, de telle sorte à présenter un coefficient Tcr de quelques % par degré, représentant de manière connue la variation de la résistance en fonction de la température. Typiquement, il présente un coefficient Tcr voisin de 2%/°celcius.The bolometric material (40) intended to act as a thermometer is therefore, as shown in FIG. 2, in contact with the resistive load (30). As already said, this bolometric material (40) is intended to heat up depending on the electromagnetic flux absorbed by the load coupled to the antenna / cavity / refiector assembly. It is typically made of amorphous silicon or oxide, especially vanadium or iron, so as to have a T cr coefficient of a few% per degree, representing in a known manner the variation of the resistance as a function of temperature. Typically, it has a coefficient T cr close to 2% / ° celcius.
Selon une caractéristique de l'invention, le matériau bolométrique (40) se présente sous la forme d'une poutre ou d'un barreau, tel qu'on peut mieux l'observer sur la figure 3, assurant en outre la fonction de suspension de la charge résistive (30) au-dessus de l'antenne (10) et de la cavité optique (70).According to one characteristic of the invention, the bolometric material (40) is in the form of a beam or a bar, as can best be seen in Figure 3, further ensuring the suspension function the resistive load (30) above the antenna (10) and the optical cavity (70).
Ainsi qu'on l'aura compris, les poutres ou barreaux (40), constitutifs du matériau bolométrique assurent non seulement la suspension mécanique de la charge résistive (30), mais également l'isolement thermique et la résistance électrique thermométrique. Dans la mesure où la capacité calorifique de ladite charge résistive (30) est réduite, lesdites poutres (40) peuvent être de résistance thermique plus élevée tout en conservant une bande passante thermique élevée.As will have been understood, the beams or bars (40) constituting the bolometric material ensure not only the mechanical suspension of the resistive load (30), but also the thermal insulation and the thermometric electrical resistance. Insofar as the heat capacity of said resistive load (30) is reduced, said beams (40) can be of higher thermal resistance while maintaining a high thermal bandwidth.
Dans la surface d'un pixel optique au pas de 30 μm, comprenant neuf antennes, lesdites antennes peuvent être de nature différente, de telle sorte à autoriser une détection polarisée en mode TE (transverse electric) et mode TM (transverse magnetic), et/ou une détection dans deux ou trois bandes spectrales (même si elles se recouvrent) par le jeu de l'épaisseur de la cavité optique, et/ou par Tinter corrélation des mesures, permettant en outre rejeter les bruits de mode commun d'origine électrique ou thermique.In the surface of an optical pixel with a pitch of 30 μm, comprising nine antennas, said antennas may be of a different nature, so as to allow polarized detection in TE (transverse electric) mode and TM (transverse magnetic) mode, and / or a detection in two or three spectral bands (even if they overlap) by the play of the thickness of the optical cavity, and / or by interrelation of the measurements, furthermore making it possible to reject the original common mode noise electric or thermal.
En imagerie, un point de la scène observée peut être détecté par l'optique de l'instrument sur un pixel dit optique (point image), comprenant par exemple 3x3 antennes au pas de lOμm (suivant la gamme de longueurs d'onde considérée). Par construction, ces antennes peuvent être différentes, par exemple de type « Bow-Tie » dans une direction. On mesure alors dans la direction perpendiculaire, la polarisation du flux émis par la scène. Les antennes du pixel optique peuvent en outre être de taille différente. Ainsi chacune des antennes peut détecter dans différentes bandes de longueurs d'onde : principe multispectral de détecteur visible couleur (RVB, rouge vert bleu).In imaging, a point of the observed scene can be detected by the optics of the instrument on a so-called optical pixel (image point), comprising for example 3x3 antennas at a pitch of 10 μm (depending on the range of wavelengths considered) . By construction, these antennas can be different, for example of the "Bow-Tie" type in one direction. The polarization of the flux emitted by the scene is then measured in the perpendicular direction. The antennas of the optical pixel may further be of different size. Thus each of the antennas can detect in different wavelength bands: multispectral principle of visible color detector (RGB, red green blue).
L'une des antennes peut être aveugle, c'est à dire que le bolomètre correspondant ne s'échauffe pas par le flux reçu, il s'agit alors d'un bolomètre dit de compensation (Cf ci- dessous). On effectue la mesure différentielle entre ce bolomètre et les autres bolomètres du pixel optique, permettant ainsi de rejeter les bruits ou parasites de mode commun.One of the antennas may be blind, that is to say that the corresponding bolometer does not heat up by the stream received, it is then a so-called compensation bolometer (see below). The differential measurement is made between this bolometer and the other bolometers of the optical pixel, thus making it possible to reject common mode noise or noise.
Le pas d'antenne étant inférieur à la longueur d'onde, pour une optique largement ouverte (focale F voisine de 1) et limitée par la diffraction, l'échantillonnage spatial de l'image est correct voir super-résolu. Par ailleurs, de grands formats de matrices peuvent être réalisés en minimisant le coût (notamment par la réduction de la surface de silicium).Since the antenna pitch is less than the wavelength, for widely open optics (focal length F close to 1) and limited by diffraction, the spatial sampling of the image is correct or even super-resolved. In addition, large die sizes can be achieved by minimizing the cost (especially by reducing the silicon area).
En effet, pour une ouverture optique de 1 (rapport de la focale F au diamètre de la lentille D) la diffraction est 1.22 λ .F/D, et l'échantillonnage est correct d'après le critère de Shannon si le pas de pixel optique est la moitié de la tache de diffraction. Pour les applications dans lesquelles le détecteur est exposé à des particules ionisantes (dans le domaine spatial, en particulier), l'antenne et le réflecteur ne sont pas sensibles à de telles particules, et la zone sensible (charge résistive et poutres) est de fait de surface tout particulièrement réduite. Pour un pixel optique de 3x3 antennes, on peut identifier l'un des calorimètres touché par une particule ou un photon de haute énergie, et donc réaliser la moyenne des mesures sur les autres, le gain est de 8/9 par rapport à zéro pour un capteur remplissant le pas optique.Indeed, for an optical aperture of 1 (ratio of the focal length F to the diameter of the lens D) the diffraction is 1.22 λ .F / D, and the sampling is correct according to the Shannon criterion if the pixel pitch optical is half of the diffraction spot. For applications in which the detector is exposed to ionizing particles (in the space domain, in particular), the antenna and the reflector are not sensitive to such particles, and the sensitive area (resistive load and beams) is made of particularly reduced surface. For an optical pixel of 3x3 antennas, we can identify one of the calorimeters touched by a particle or a high energy photon, and thus realize the average of the measurements on the others, the gain is 8/9 compared to zero for a sensor filling the optical pitch.
Par contrainte relâchée des poutres ou polarisation du réflecteur, on peut induire une force électrostatique contrôlée sur la charge, et ainsi ajuster ou moduler le couplage capacitif, c'est-à-dire la distance de l'air-gap, et donc le couplage optique de la structure.By relaxed stress of the beams or polarization of the reflector, it is possible to induce a controlled electrostatic force on the load, and thus to adjust or modulate the capacitive coupling, that is to say the distance of the air-gap, and thus the coupling optical structure.
On modifie ainsi la réponse spectrale du bolomètre.This changes the spectral response of the bolometer.
En effet, lors de la réalisation du détecteur conforme à l'invention, on dépose successivement sur une couche sacrificielle, par exemple en polyimide, l'antenne (SiN), le thermomètre, et également la charge résistive (TiN) au centre de la poutre. Cet ensemble de couches est contraint (en compression ou en extension) sur la couche en polyimide, d'une part, en raison des variations de température lors de la mise en œuvre du procédé de dépôt (chauffage, puis retour à la température ambiante), et d'autre part, en raison du retrait de ladite couche sacrificielle en polyimide.Indeed, during the realization of the detector according to the invention, is deposited successively on a sacrificial layer, for example polyimide, the antenna (SiN), the thermometer, and also the resistive load (TiN) in the center of the beam. This set of layers is constrained (in compression or extension) on the polyimide layer, on the one hand, because of the temperature variations during the implementation of the deposition process (heating, then return to ambient temperature) and, on the other hand, because of the removal of said polyimide sacrificial layer.
Lors du retrait de cette dernière, la poutre est libérée dans l'air, et peut fléchir en direction de l'antenne, ou au contraire s'en éloigner. Ce faisant, on modifie l'air gap, c'est-à-dire la distance entre la poutre ou la charge et l'antenne, et corollairement, le couplage capacitif entre la charge et l'antenne. Cet air gap est comblé par une force électrostatique entre le réflecteur et la charge.When removing the latter, the beam is released into the air, and may bend towards the antenna, or otherwise away from it. In doing so, the air gap is modified, that is to say the distance between the beam or the load and the antenna, and corollary, the capacitive coupling between the load and the antenna. This air gap is filled by an electrostatic force between the reflector and the load.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention et tel qu'illustré à la figure 4, on associe au bolomètre sensible un bolomètre aveugle (100), également dénommé bolomètre de compensation.According to an advantageous characteristic of the invention and as illustrated in FIG. 4, a sensitive bolometer (100), also called a compensation bolometer, is associated with the sensitive bolometer.
Ainsi que précisé en préambule, un tel bolomètre de compensation permet de rejeter le courant de mode commun résultant du signal émanant du substrat (20) et partant, de ne conserver comme signal traité que celui provenant de la scène détectée. Dans cette configuration, le bolomètre de compensation (100), n'est pas associé à une charge résistive. En outre, il n'est pas davantage associé à une antenne. As stated in the preamble, such a compensating bolometer makes it possible to reject the common-mode current resulting from the signal emanating from the substrate (20) and consequently to retain as the processed signal only that coming from the detected scene. In this configuration, the compensation bolometer (100) is not associated with a resistive load. In addition, it is not associated with an antenna.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique comprenant : une antenne réceptrice (10) destinée à collecter le rayonnement électromagnétique et à ainsi assurer le couplage électromagnétique ; une charge résistive (30) couplée de manière capacitive à l'antenne (10) et apte à convertir la puissance électromagnétique collectée en puissance calorifique ; un élément thermométrique (40) relié à la charge résistive (30) et isolé thermiquement d'un substrat support (20) susceptible de recevoir un circuit électronique intégrant des moyens d'excitation électrique (stimuli) et de prétraitement des signaux électriques générés par ledit détecteur ; caractérisé en ce que la charge résistive (30) est suspendue au-dessus de l'antenne réceptrice (10) au moyen du seul élément thermométrique (40), lui-même relié électriquement et mécaniquement au substrat support (20).A bolometric detector of electromagnetic radiation comprising: a receiving antenna (10) for collecting electromagnetic radiation and thereby providing electromagnetic coupling; a resistive load (30) capacitively coupled to the antenna (10) and adapted to convert the collected electromagnetic power into heating power; a thermometric element (40) connected to the resistive load (30) and thermally insulated from a support substrate (20) capable of receiving an electronic circuit integrating electrical excitation means (stimuli) and pre-processing the electrical signals generated by said detector; characterized in that the resistive load (30) is suspended above the receiving antenna (10) by means of the single thermometric element (40), itself electrically and mechanically connected to the support substrate (20).
2. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge résistive (30) est centrée par rapport à l'élément thermométrique (40).Bolometric detector of electromagnetic radiation according to claim 1, characterized in that the resistive load (30) is centered with respect to the thermometric element (40).
3. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la charge résistive (30) est de forme carrée ou rectangulaire, la plus grande dimension du rectangle s 'étendant selon la direction principale d'extension de l'antenne (10)3. bolometric detector of electromagnetic radiation according to one of claims 1 and 2, characterized in that the resistive load (30) is square or rectangular, the largest dimension of the rectangle extending in the main direction of extension of the antenna (10)
4. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la charge résistive (30) présente une surface inférieure à 1% de la surface de l'antenne réceptrice (10)Bolometric detector for electromagnetic radiation according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the resistive load (30) has an area less than 1% of the area of the receiving antenna (10).
5. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat support (20) reçoit une couche d'un matériau réflecteur (50), séparé de l'antenne réceptrice (10) par une cavité optique (70), réalisée en un matériau diélectrique, semi-conducteur, organique, ou constituée par le vide. Electromagnetic radiation bolometric detector according to one of claims 1 to 4, characterized in that the support substrate (20) receives a layer of a reflective material (50) separated from the receiving antenna (10). by an optical cavity (70), made of a dielectric material, semiconductor, organic, or constituted by vacuum.
6. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la cavité optique (70) est de l'ordre de λ/4n, n étant l'indice de réfraction du milieu constituant la cavité, et λ, la longueur d'onde moyenne du domaine de détection considéré.6. bolometric detector of electromagnetic radiation according to claim 5, characterized in that the thickness of the optical cavity (70) is of the order of λ / 4n, n being the refractive index of the medium constituting the cavity. , and λ, the average wavelength of the detection domain considered.
7. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'antenne réceptrice (10) est en forme de « bow-tie » (noeud papillon), ou de double bow-tie, ou en spirale, et en ce que la liaison capacitive entre ladite antenne et la charge résistive (30) s'effectue au voisinage du centre de l'antenne, c'est à dire de la zone de convergence des éléments qui la constituent.7. bolometric detector of electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 6, characterized in that the receiving antenna (10) is in the form of "bow-tie" (bow tie), or double bow-tie , or in spiral, and in that the capacitive connection between said antenna and the resistive load (30) takes place in the vicinity of the center of the antenna, that is to say of the convergence zone of the elements that constitute it.
8. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'antenne réceptrice (10) est constituée de couche métallique de faible résistance carré, avantageusement réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant Al, AlCu, AlSi, Ti,.8. Bolometric detector of an electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 7, characterized in that the receiving antenna (10) consists of metal layer of low square resistance, preferably made of a material selected from the group comprising Al, AlCu, AlSi, Ti ,.
9. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la charge résistive (30) et l'élément thermométrique (40) qui la suspend au dessus de l'antenne réceptrice (10) sont séparés de ladite antenne par une lame d'air ou un vide d'isolation, voire un gaz inerte.9. bolometric detector of electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 8, characterized in that the resistive load (30) and the thermometric element (40) which suspends it above the receiving antenna (10) are separated from said antenna by an air gap or an insulation vacuum, or even an inert gas.
10. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la charge résistive (30) est réalisée en nitrure de titane et présente une épaisseur de quelques nanomètres.10. bolometric detector of electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 9, characterized in that the resistive load (30) is made of titanium nitride and has a thickness of a few nanometers.
11. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'élément thermométrique (40) est constitué de matériau bolométrique, avantageusement choisi dans le groupe comprenant le silicium amorphe et les oxydes de vanadium et de fer. 11. bolometric detector of an electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 10, characterized in that the thermometric element (40) is made of bolometric material, preferably selected from the group comprising amorphous silicon and vanadium oxides and iron.
12. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément thermo métrique (40) se présente sous la forme d'une poutre ou barreau, maintenu à ses extrémités sur des piliers (60, 90) en contact électrique avec le substrat support (20) mais thermiquement isolé de ce dernier.12. bolometric detector of electromagnetic radiation according to one of claims 1 to 9, characterized in that the thermo metric element (40) is in the form of a beam or bar, held at its ends on pillars (60, 90) in electrical contact with the support substrate (20) but thermally isolated therefrom.
13. Détecteur bolométrique d'un rayonnement électromagnétique caractérisé en ce qu'il associe au sein d'un même pixel un bolomètre sensible au rayonnement électromagnétique à détecter selon l'une des revendications 1 à 10 à un bolomètre de compensation (100), insensible auxdits rayonnements, et destiné à rejeter le courant de mode commun résultant du substrat-support (20) d'origine électrique ou thermique. 13. Bolometric detector of an electromagnetic radiation characterized in that it associates within the same pixel a bolometer sensitive to the electromagnetic radiation to be detected according to one of claims 1 to 10 to a compensation bolometer (100), insensitive said radiation, and intended to reject the common mode current resulting from the support substrate (20) of electrical or thermal origin.
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