FR2776422A1 - Detecteur de rayonnement electromagnetique, notamment thermique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un détecteur de rayonnement.Elle se rapporte à un détecteur de rayonnement, comprenant un substrat, un micropont (10) supporté au-dessus du substrat par des électrodes afin qu'une cavité (26) soit présente entre le micropont (10) et le substrat, le micropont (10) ayant une zone collectrice dont une région est occupée par une zone active qui transforme un rayonnement reçu en une réponse électrique. Le rayonnement absorbé par au moins une région de la zone collectrice qui n'est pas occupée par la zone active est transformé en énergie thermique et transmis à la zone active par conduction. Le substrat est un substrat semi-conducteur formant une pastille de lecture (12).Application aux appareils de formation d'images thermiques.
Description
L'invention concerne un détecteur de rayonnement. Elle concerne plus
précisément, mais non exclusivement, un
micropont destiné à un détecteur de rayonnement thermique.
Les détecteurs de rayonnement thermique sont utilisés couramment pour la détection du rayonnement infrarouge. Bien qu'on puisse définir ce rayonnement comme étant compris dans la plage de longueurs d'onde allant de 0,7 pim à 1 mm, la
plage comprise entre 8 et 14 mp présente un intérêt parti-
culier. Elle correspond a un maximum du rayonnement du corps noir émis par un corps à 300 K. Elle correspond aussi à une fenêtre de possibilité de transmission par l'atmosphère, c'est-à-dire qu'elle constitue une plage de longueurs d'onde relativement bien transmise entre des régions du spectre électromagnétique dans lesquelles il existe une atténuation
notable du rayonnement par l'atmosphère.
Un détecteur thermique connu comprend une matrice de microponts montés sur un substrat. Chaque micropont possède un élément actif sous forme planaire, disposé entre des électrodes supérieure et inférieure qui sont toutes deux sous forme planaire. Une cavité est délimitée entre le substrat et l'électrode inférieure pour la création d'une
isolation thermique entre l'élément actif et le substrat.
Les éléments actifs comportent un matériau ferroélectrique, tel que le tantalate de plomb et de zirconium. L'utilisation de l'effet pyroélectrique dans les détecteurs thermiques est
bien établi. Dans un mode de réalisation, un détecteur ther-
mique connu possède une matrice bidimensionnelle de micro-
ponts couplée à un circuit de lecture pour donner un dispositif de formation d'images fixes. Un tel détecteur
thermique est décrit dans le document GB 9625722.5.
Il est nécessaire qu'un micropont possède une isolation thermique élevée par rapport au substrat. Ce résultat peut être obtenu lorsque le micropont est connecté au substrat uniquement par de très minces liaisons. La séparation de la
masse du micropont et du substrat est obtenue par fabrica-
tion du micropont sur une couche consommable qui peut être attaquée, et par attaque de cette couche après la formation
du micropont.
Le substrat comprend de façon générale un circuit de lecture de silicium. Les électrodes de chaque micropont sont connectées à des points séparés de contact avec le circuit
de lecture.
Un rayonnement thermique, par exemple infrarouge, tom- bant sur chaque micropont et absorbé par celui-ci, produit une réponse électrique dans chaque élément actif dans lequel la quantité de charge induite dans l'élément actif dépend des variations de température. La capacité aux bornes de l'élément actif reste pratiquement constante, si bien que la tension aux bornes de l'élément actif dépend aussi de sa température. En conséquence, la mesure de la tension aux bornes d'un micropont est une indication des variations de température qui donne une indication sur les variations
d'intensité du rayonnement thermique tombant sur lui.
Pour que les performances soient optimales, les pro-
priétés thermiques du micropont sont déterminées afin qu'elles correspondent à la fréquence de fonctionnement, ou au centre de la plage des fréquences de fonctionnement. Ce résultat est obtenu par adaptation de la constante de temps
thermique du micropont, c'est-à-dire du rapport de la capa-
cité calorifique à la conductance thermique, afin qu'elle
soit analogue à la période à la fréquence de fonctionnement.
Les pertes thermiques sont alors faibles. Les performances peuvent ainsi être améliorées par réduction à la fois de la capacité calorifique et de la conductance, car on obtient alors un plus grand changement de température pour un changement déterminé de niveau du rayonnement absorbé. Un procédé de réduction de la capacité calorifique comprend la
réduction du volume de l'élément actif. Une capacité calori-
fique réduite n'est avantageuse que lorsque la quantité du rayonnement absorbé n'est pas notablement réduite; la conductance thermique est réduite afin que la constante de temps thermique reste approximativement constante, et la capacité calorifique de l'élément actif est analogue ou
supérieure à la capacité calorifique du reste de la struc-
ture du micropont. I1 est aussi souhaitable que les dimen-
sions de l'élément actif soient sélectionnées afin que son impédance électrique soit adaptée à l'impédance d'entrée du
circuit de lecture de silicium.
Si l'élément actif est plus mince, l'absorption du rayonnement par cet élément devient inefficace lorsque son épaisseur, divisée par son indice de réfraction, est nette-
ment inférieure au quart de la longueur d'onde du rayonne-
ment incident. Une épaisseur en-deçà de laquelle il n'est
pas avantageux d'amincir l'élément actif est ainsi déter-
minée. En outre, la probabilité de claquage électrique de l'élément actif est plus grande lorsqu'un champ électrique élevé est appliqué soit pour la polarisation soit pour un
fonctionnement sous forme polarisee.
L'invention concerne un détecteur de rayonnement qui comporte un substrat, un micropont supporté sur le substrat par des électrodes afin qu'une cavité soit présente entre le micropont et le substrat, le micropont ayant une zone collectrice dont une région est occupée par une zone active
qui transforme le rayonnement reçu en une réponse élec-
trique, et caractérisé en ce que le rayonnement absorbé par une région au moins de la zone collectrice qui n'est pas occupée par la zone active est transforme en énergie
thermique qui est transmise à la zone active par conduction.
De préférence, le détecteur comprend plusieurs micro-
ponts. Ils sont avantageusement disposés suivant une matrice
sur le substrat.
De préférence, le substrat est un substrat à semi-
conducteur. De manière très avantageuse, il s'agit d'une pastille de lecture de silicium. La pastille peut comprendre
un dispositif de traitement ou être connectée à un tel dis-
positif qui traite la réponse électrique du micropont pour
déterminer l'intensité du rayonnement tombant sur le micro-
pont. La réponse électrique est avantageusement une charge, une tension ou les deux. La réponse électrique peut varier
avec l'intensité du rayonnement tombant sur le micropont.
Le dispositif de traitement utilise avantageusement l'information dérivée du rayonnement tombant sur la matrice
de microponts pour produire une image.
La zone active a avantageusement une épaisseur égale
au quart de la longueur d'onde du rayonnement à détecter.
Le substrat est de préférence muni d'une surface réfle-
chissante qui réfléchit le rayonnement incident qui traverse le micropont. La surface réfléchissante est très avanta- geusement plane. Il existe de préférence une séparation constante entre la zone collectrice et le substrat. La séparation est avantageuse constante sur toute la zone collectrice. Le détecteur détecte de préférence le rayonnement thermique. Il peut constituer un dispositif de formation
d'une image thermique. De préférence, il détecte le rayonne-
ment de la partie infrarouge du spectre électromagnétique.
Il détecte très avantageusement le rayonnement entre 3 et 5 pumn et entre 8 et 14 pmn. Dans une variante, le micropont
est un élément détecteur qui détecte un rayonnement électro-
magnétique dans des parties du spectre autres que le spectre
infrarouge, par exemple le rayonnement visible et ultra-
violet. Le détecteur de rayonnement détecte de préférence le
rayonnement par mise en oeuvre d'un effet pyroélectrique.
La zone active comprend de préférence un matériau ferroélectrique. Ce matériau ferroélectrique peut comprendre du tantalate de plomb et de zirconium (PZT), du titanate de plomb et de lanthane (PLT) ou du tantalate de plomb et de
scandium (PST). La couche du matériau actif peut être avan-
tageusement formée par dépôt à partir d'une solution et/ou
par une technique sol-gel.
De préférence, la majorité pratiquement de l'énergie
thermique reçue par la zone active est transmise par conduc-
tion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront mieux de la description qui va suivre
d'exemples de réalisation, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe d'un micropont; et
la figure 2 est une vue en plan d'un micropont.
La figure 1 est une coupe d'un micropont 10 monté sur un circuit de lecture de silicium. Un détecteur comporte une matrice de microponts. Le détecteur est destiné à détecter un rayonnement ayant une longueur d'onde comprise entre 8 et 14 pm. Dans la matrice, les microponts ont un pas compris entre 40 et 70 pun. Bien qu'un pas de 50 uin soit préférable, on peut aussi utiliser un pas aussi faible que 30 pm. La matrice est hermétiquement scellée sous un certain vide, à une pression suffisamment basse pour que la conduction par
le gaz ou la convexion du gaz n'affecte pas le fonction-
nement du détecteur. Le dispositif comporte une fréquence de trame d'image comprise entre 25 et 180 Hz. Une fréquence de Hz est préférable, car elle correspond à une fréquence
courante de balayage des moniteurs à tube à rayons catho-
diques. Chaque micropont est appelé "élément détecteur" ou
"élément d'image".
Le micropont 10 comporte deux électrodes 14 et 16 connectées chacune à une plage 18 de contact d'aluminium placée sur le circuit 12 de lecture. Les électrodes sont des films minces de titane déposés par dépôt physique en phase vapeur, par exemple par pulvérisation cathodique. Le titane est choisi car il peut être mis sous forme d'un absorbeur
efficace d'énergie en film mince de faible capacité calori-
fique. L'épaisseur du titane donne une résistivité laminaire comprise entre 250 et 400 Q/Q et dans un cas idéal de 377 Q/C. Une épaisseur qui convient pour l'obtention de cette résistivité laminaire est d'environ 10 nm. En d'autres termes, les électrodes présentent des pertes. Le titane est aussi choisi parce qu'il résiste à l'attaque chimique, et il constitue donc un matériau relativement stable lors de la
fabrication et du traitement du micropont.
Un élément actif 20 d'un matériau ferroélectrique de PZT est placé entre une région 22 d'électrode 14 (appelée électrode supérieure 22) et une région 24 d'électrode 16
(appelée électrode inférieure 24). Dans ce mode de réali-
sation de l'invention représenté, la réponse électrique n'est créée que par l'élément actif 20. Les électrodes ne
contribuent pas à la réponse électrique.
Une cavité 26 est formée entre le micropont 10 et le
circuit 12 de lecture. La cavité 26 a une hauteur qui cor-
respond au quart de la longueur d'onde environ du rayon- nement que doit détecter le détecteur. Comme le circuit 12 de lecture comporte un revêtement réfléchissant 28, tout rayonnement qui traverse le micropont 10 se propage dans la cavité 26 et est réfléchi vers le micropont 10, puis interfère de manière destructive avec le rayonnement tombant
sur le micropont 10. Le micropont 10 a alors des carac-
téristiques d'absorption élevée et de faible pouvoir réflecteur sur une large plage de longueurs d'onde. Le micropont 10 est suffisamment mince pour qu'il ne contribue pas à donner un pouvoir réflecteur important du rayonnement incident. L'élément actif 20 a aussi une épaisseur approximativement égale au quart de la longueur d'onde du rayonnement à détecter. L'électrode inférieure 24 comprend une électrode réfléchissante 32 (contenant TiPt) qui est connectée à l'électrode 16. Cette électrode réfléchissante 32 joue le rôle d'un réflecteur du rayonnement qui passe à travers l'élément actif 20, si bien que des interférences destructives sont aussi créées dans l'élément actif. En conséquence, l'absorption du rayonnement par le micropont 10 est encore accentuée. Dans ce mode de réalisation, cette accentuation peut n'être que modeste. En conséquence, il peut être préférable d'utiliser un élément actif plus mince ayant une plus faible absorption infrarouge et donc une plus
faible capacité calorifique.
Il faut noter que, dans la description, les dimensions
indiquées comme étant liées à la longueur d'onde se rap-
portent à la longueur d'onde nominale du centre de la plage de longueurs d'onde à détecter. Les dimensions du matériau, telles que les épaisseurs, sont exprimées sous forme d'expressions optiques. Par exemple, l'épaisseur est une épaisseur optique qui constitue l'épaisseur physique multipliée par l'indice de réfraction à une longueur d'onde particulière. Dans le mode de réalisation représenté, une couche
transparente 30 d'oxyde est disposée dans la cavité 26.
Comme le micropont est sous vide, la partie inoccupée de la cavité 26 a un indice de réfraction égal à 1. L'indice de réfraction de la couche d'oxyde 30 est supérieur à 1 si bien que la séparation physique du micropont 10 et du circuit de lecture 12 peut être réduite par incorporation de la couche d'oxyde 30, avec cependant obtention d'un trajet optique aller et retour égal à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement incident sur le micropont et qui est réfléchi
par le revêtement réfléchissant 28. Dans ce mode de réali-
sation, la couche d'oxyde 30 est un matériau ayant un indice
de réfraction relativement faible et une absorption infra-
rouge réduite, telle que le bioxyde de silicium. Il est
avantageusement déposé par dépôt chimique en phase vapeur.
La figure 2 représente une vue en plan du micropont 10 représentant les électrodes 14 et 16, l'élément actif 20 et l'électrode réfléchissante 32. Bien que ces éléments soient représentés sous forme d'un ensemble à recouvrement, la
disposition véritable apparaît clairement sur la figure 1.
Il faut noter que les électrodes 14 et 16 ne se recouvrent pas mais sont séparées par un espace 34. L'électrode réfléchissante 32 recouvre cet espace et elle est disposée sous l'élément actif 20. Les électrodes 14 et 16 sont connectées au circuit de lecture 12 par des parties 36 et 38 de branche au niveau des plages 18 de contact. Le support du micropont 10 sur les parties de branche 36 et 38 augmente l'isolation thermique de l'élément actif 20 par rapport au circuit de lecture 12. Les marges 40 et 42 des bords sont incorporées afin qu'elles empêchent un court- circuit entre
les électrodes 14 et 16.
On se réfère maintenant aux figures 1 et 2 qui indiquent que l'ensemble du micropont 10 est revêtu d'une
couche transparente de support 44. Elle couvre les élec-
trodes 14 et 16, une région exposée de l'élément actif 20, la marge 42 et les parties de branche 36 et 38. La couche est formée d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium. Dans une variante, elle peut être
formée d'un empilement de telles couches ou d'autres maté-
riaux diélectriques tels que des polymères. Elle est optiquement mince, son épaisseur étant d'environ 0,1 pm. Les
électrodes 14 et 16 et la couche transparente 44 sont suffi-
samment minces pour qu'elles puissent être négligées pour l'évaluation du trajet optique formé par la cavité 26. La couche transparente 44 est présente comme support mécanique et elle a une capacité calorifique indésirable. Une partie de cette capacité calorifique peut être supprimée par amincissement de la couche 44 ou par formation d'un motif d'épaisseur variable sur sa surface afin que sa masse
globale soit réduite, avec conservation cependant des pro-
priétés de support mécanique.
Le micropont 10 a une zone collectrice délimitée comme étant la zone du micropont qui reçoit le rayonnement et qui le transforme en une réponse électrique, ou qui le conduit à l'élément actif 20 afin qu'il puisse être transformé en
une réponse électrique. Comme décrit précédemment, le micro-
pont a deux modes d'absorption d'énergie, le rayonnement
étant absorbé par la cavité quart d'onde 26 et par l'épais-
seur quart d'onde de l'élément actif 20. Le circuit 12 de lecture de silicium détecte la tension créée entre les plages 18 de contact par effet pyroélectrique. Le micropont absorbe 50 % environ du rayonnement à une longueur d'onde
inférieure à la plage infrarouge et vers la plage ultra-
violette. Au-delà de 14 pm, le micropont absorbe directement
une petite quantité du rayonnement.
La zone collectrice de chaque micropont, c'est-à-dire chaque élément d'image du détecteur, est utilisée comme absorbeur de rayonnement pour chaque élément actif 20. La zone collectrice recouvre la plus grande partie de la
surface du micropont. Elle est réalisée afin que son impé-
dance électrique soit adaptée au vide (c'est-à-dire que sa résistance laminaire est de 377 Q/0) de manière que
l'absorption soit maximale et que la réflexion du rayon-
nement infrarouge soit minimale, avec une capacité calorifique possible minimale. Sa conductance thermique est telle que, pendant la période d'une trame (environ 10 ms habituellement), l'énergie du rayonnement absorbé soit diffusée dans la structure. La variation de température dans l'élément actif est alors maximale pour un rayonnement
tombant n'importe o dans la zone collectrice, et la sensi-
bilité pyroélectrique est donc la plus grande possible.
La constante de temps thermique du micropont est adaptée à la durée de la trame utilisée par le détecteur pour que la réponse soit maximale. Cette constante de temps est le produit de la capacité calorifique du micropont et de la résistance thermique existant entre le micropont et le milieu environnant. L'adaptation de la constante de temps est obtenue par ajustement de la masse du micropont (qui détermine la capacité calorifique) et de la configuration
géométrique des parties de branche du micropont (qui déter-
mine la résistance thermique). Plus la masse du micropont est faible, et plus les branches doivent être longues et/ou minces pour qu'une constante de temps thermique déterminée soit conservée. La constante de temps est proche de la durée
de trame de 10 ms (pour une fréquence de trame de 100 Hz).
Il est possible de déposer le matériau PZT de l'élément actif 20 avant la formation du micropont 10 et des éléments de contact par traversée. En conséquence, le matériau PZT peut être déposé sur une surface très plane si bien que l'élément actif 20 est très plan. Chaque électrode 14 et 16 est déposée à son tour sur le micropont 10 et les plages 18
de contact simultanément. Comme l'opération peut être réali-
see après le dépôt de la couche ferroélectrique (dans un processus à température élevée), les électrodes 14 et 16 ne sont pas soumises à des températures élevées de traitement après qu'elles ont été déposée et leurs connexions aux
plages 18 de contact sont donc très fiables.
Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses
éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.
Claims (15)
1. Détecteur de rayonnement, comprenant un substrat, un micropont (10) supporté au-dessus du substrat par des électrodes afin qu'une cavité (26) soit présente entre le micropont (10) et le substrat, le micropont (10) ayant une zone collectrice dont une région est occupée par une zone active qui transforme un rayonnement reçu en une réponse électrique, caractérisé en ce que le rayonnement absorbé par au moins une région de la zone collectrice qui n'est pas occupée par la zone active est transformé en énergie
thermique et transmis à la zone active par conduction.
2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en
ce que le substrat est un substrat semi-conducteur.
3. Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que le substrat est une pastille de
lecture (12).
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs
microponts (10).
5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les microponts (10) sont disposés suivant une matrice
formée sur le substrat.
6. Détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matrice de microponts (10) est connectée à un dispositif de traitement qui utilise l'information dérivée du rayonnement tombant sur la matrice pour produire une image.
7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la zone active a une
épaisseur égale au quart de la longueur d'onde du rayon-
nement à détecter.
8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le substrat a une surface réfléchissante qui réfléchit le rayonnement incident qui
traverse le micropont (10).
9. Détecteur selon la revendication 8, caractérisé en
ce que la surface réfléchissante est plane.
Il
10. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
precédentes, caractérisé en ce qu'il existe une séparation
constante entre la zone collectrice et le substrat.
11. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il détecte un rayonnement thermique.
12. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il détecte le rayonnement
de la partie infrarouge du spectre électromagnétique.
13. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il détecte le rayonnement
par utilisation d'un effet pyroélectrique.
14. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la zone active est formée
d'un matériau ferroelectrique.
15. Détecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la majorité pratiquement
de l'énergie thermique reçue par la zone active est trans-
mise par conduction.
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|---|---|---|---|
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- 1999-03-03 FR FR9902633A patent/FR2776422A1/fr not_active Withdrawn
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|---|
| WOOD R A: "LOW-COST INFRARED IMAGERS", SCIENTIFIC HONEYWELLER, HONEYWELL'S CORPORATE. MINNEAPOLIS, US, 1996, pages 109 - 116, XP000678076, ISSN: 0196-8440 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| GB9804589D0 (en) | 1998-04-29 |
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| GB2335077A (en) | 1999-09-08 |
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