FR2944870A1 - Capteur a bolometre dote de moyens de regulation electrique des effets de la temperature - Google Patents

Abstract

Dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : - un ou plusieurs détecteurs de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, - des moyens de régulation (110, 120, 130, 140, 210) prévus pour délivrer, à au moins un des dits détecteurs, un potentiel de polarisation régulé (Vpol reg) en fonction des variations de température ambiante.

Description

CAPTEUR A BOLOMETRE DOTE DE MOYENS DE REGULATION ELECTRIQUE DES EFFETS DE LA TEMPERATURE

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des dispositifs de détection de rayonnements électromagnétiques, en particulier ceux basés sur le principe de la détection thermique tels que les 10 bolomètres. Elle prévoit un imageur thermique amélioré, utilisé par exemple dans le domaine de l'imagerie infrarouge, et du type de ceux formés d'une matrice de cellules ou de pixels comportant une matrice de 15 capteurs à bolomètre associés à des bolomètres de référence prévus pour supprimer une partie prédéterminée du signal fourni par les détecteurs. L'invention améliore notamment la précision des mesures effectuées par de tels imageurs en limitant 20 les dérives liées à des variations de température ambiante. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un exemple d'agencement de capteur à bolomètre est donné sur la figure 1. 25 Ce dispositif comprend tout d'abord une membrane 1 absorbante vis-à-vis de rayonnements électromagnétiques incidents. Cette membrane 1 est suspendue au-dessus d'un support 2 par l'intermédiaire de plots conducteurs 3 de l'électricité.

Sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique, la membrane 1 est susceptible de s'échauffer et de transmettre sa température à une couche 4, qui peut être semi-conductrice et comprendre par exemple un ou plusieurs thermistors permettant de transformer une énergie rayonnante en un signal électrique de mesure. Le support 2 peut être une couche supérieure d'un dispositif microélectronique comprenant un ou plusieurs circuits intégrés, et en particulier au moins un circuit de lecture des mesures effectuées. Le détecteur peut comprendre en outre des bras 5a, 5b dotés chacun d'une extrémité rattachée à la membrane 1 et d'une autre extrémité rattachée aux plots d'ancrage 3 et par laquelle la membrane 1 est maintenue en suspension au dessus du support 2. Sur une majeure partie de leur longueur, les bras 5a, 5b sont, espacés de la membrane 1, de manière à limiter les pertes thermiques de la membrane et d'améliorer ainsi la sensibilité du détecteur. Une couche 6 réfléchissant les rayonnements électromagnétiques peut être placée sur le support 2, en regard de la membrane 1. Un capteur d'image thermique est généralement formé d'une matrice de m x n pixels ou cellules élémentaires dotées chacune d'un détecteur tel que décrit en liaison avec la figure 1. Ainsi, en imagerie infrarouge, on utilise un imageur comprenant une matrice de pixels pour capter le flux infrarouge, avec un bolomètre par pixel afin de réaliser une image infrarouge d'une scène, c'est-à-dire d'une surface couverte lors de l'enregistrement d'une image et dont le gabarit résulte des conditions d'observation et des propriétés du capteur utilisé. Un bolomètre fonctionne comme un capteur résistif dont la résistance varie avec la température et donc avec le flux de rayonnement provenant de la scène. Pour lire la valeur de la résistance du bolomètre qui correspond à un flux infrarouge, on peut par exemple imposer une tension et mesurer un courant. Un schéma électrique d'une cellule de capteur à bolomètre et de son circuit de lecture associé, est donné sur la figure 2. Dans ce dispositif, on soustrait au courant issu d'un détecteur 10, un courant de valeur fixe prédéterminée, par exemple de valeur proche de la valeur moyenne du courant du capteur. Ce courant de valeur fixe est issu d'une source de courant fixe, qui peut être formée par exemple à l'aide d'un bolomètre insensible 20 au rayonnement qu'il reçoit et qui est observé par le capteur. Les bolomètres insensibles 20 peuvent être prévus par exemple en pied de colonne ou en tête de ligne d'une matrice de pixels. On cherche ainsi à obtenir un courant à intégrer aussi petit que possible et qui correspond aux variations de la résistance du bolomètre sensible sous l'effet du flux de rayonnement électromagnétique de la scène. Le courant issu de la différence entre le 30 courant provenant du bolomètre sensible et du courant provenant du bolomètre insensible est converti en tension grâce à un intégrateur 30, qui peut être formé d'un amplificateur 40 et d'un condensateur d'intégration 50 de capacité Cint situé entre une entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 40.

Des moyens d'échantillonnage 80 peuvent être prévus en sortie de l'intégrateur 30. Des dérives peuvent apparaitre du fait des variations de température. Pour compenser les variations de résistance des bolomètres, il est connu par exemple d'utiliser un module Peltier afin de maintenir la membrane 4 à une température constante. Un tel élément pose des problèmes notamment en termes de consommation, et de coût du capteur.

Il se pose le problème de trouver un dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique, permettant de mettre en oeuvre des mesures d'une précision améliorée, tenant compte des variations de rayonnement tout en limitant les effets des dérives en température. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : - un ou plusieurs éléments détecteurs de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, - des moyens de régulation prévus pour délivrer, à au moins un des dits éléments détecteurs, un potentiel de polarisation régulé en fonction des variations de température, en particulier de température ambiante, auxquelles le dispositif est soumis.

Dans le cas d'une mesure thermique, les éléments détecteurs peuvent comprendre des bolomètres. Les moyens de régulation peuvent comprendre : - au moins une source de courant formée d'au moins un détecteur de référence ou de plusieurs détecteurs de référence en parallèle, - des moyens comparateurs, pour comparer une grandeur électrique dépendant du courant issu de la source de courant, avec une grandeur électrique de référence fixe et produire en sortie un signal résultant de cette comparaison. Les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique.

Les détecteurs de référence peuvent être des détecteurs dotés d'une zone sensible du type de celle des éléments détecteurs. Selon une possibilité de mise en oeuvre, les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique, mais rendus insensibles à l'aide d'un écran audit rayonnement électromagnétique placé sur ou au-dessus de la zone sensible. Les éléments détecteurs de la matrice peuvent être connectés à un circuit de lecture. Les détecteurs de référence ne sont quant à eux pas connectés audit circuit de lecture. La grandeur électrique de référence peut être une tension de référence délivrée par des moyens générateurs de tension prévus de manière à délivrer une tension de référence de valeur prédéterminée invariante dans une gamme de température donnée, en particulier à température ambiante. La grandeur électrique peut être un potentiel pris à une borne de moyens formant une résistance de référence de valeur Rtref prédéterminée et invariante dans une gamme de température donnée, en particulier à température ambiante. Les moyens régulateurs peuvent comprendre des moyens formant au moins un miroir de courant. Le miroir de courant peut comprendre au moins un premier transistor ayant une grille connectée à celle d'un deuxième transistor, le deuxième transistor étant doté d'une grille connectée à son électrode de source et à ladite source de courant. Les éléments détecteurs peuvent comprendre un transistor d'injection associé à un détecteur de rayonnement électromagnétique, le potentiel de polarisation régulé étant appliqué à la grille d'au moins un transistor d'injection. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un exemple d'un détecteur thermique à bolomètre suivant l'art antérieur, - la figure 2, illustre un exemple d'agencement, suivant l'art antérieur, d'un capteur à bolomètre et de son circuit de lecture associé, - la figure 3, illustre un exemple de dispositif microélectronique matriciel comprenant une pluralité de détecteurs à bolomètres associés à des bolomètres de référence, - la figure 4, illustre un exemple de dispositif microélectronique suivant l'invention de régulation électrique tenant compte de la variation de l'état de polarisation des bolomètres de référence en température, - les figures 5A-5B, illustrent des exemples d'agencements de bolomètres de références placés en périphérie d'une matrice de bolomètres dans un dispositif microélectronique suivant l'invention. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. 8 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Une portion d'un exemple de dispositif microélectronique imageur doté d'une matrice de détecteurs de rayonnement électromagnétiques, en particulier des bolomètres, est représentée sur la figure 3 (seule une partie de colonne de l'imageur, étant représentée sur cette figure). Ce dispositif microélectronique comprend une matrice M, de n rangées horizontales et de m rangées verticales de cellules élémentaires également appelées pixels . Les cellules élémentaires sont dotées chacune d'au moins un capteur comportant un élément détecteur, qui peut comprendre un détecteur de rayonnement électromagnétique du type bolomètre. Le détecteur à bolomètre est alors sous forme d'une thermistance c'est-à-dire une résistance variant avec la température. Sur la figure 3, des détecteurs 1701r..., 170m,... 20 170n à bolomètre de n colonnes de la matrice comportant chacune m bolomètres sont représentés. Chaque détecteur 1701r...170m peut être associé à un transistor 1801r...180m dont la grille est polarisée à un potentiel Vpolreg, qui est un potentiel 25 de polarisation régulé, afin de délivrer un courant de détection. Des moyens interrupteurs 1851r...185m, commandés par un signal d'adressage des lignes, c'est-à-dire des rangées horizontales de la matrice, sont 30 dans cet exemple de réalisation, prévus en sortie du détecteur afin que celui-ci délivre le courant détecté à une colonne de la matrice, lorsque la rangée horizontale de la matrice à laquelle ce détecteur appartient est sélectionnée. Les moyens interrupteurs 1851r...185m, peuvent être par exemple sous forme chacun d'un transistor, et permettent de connecter le bolomètre à un circuit de lecture 190 ou à des moyens de lecture 190 pendant une durée de capture. Une tension de polarisation Vdd appliquée aux bornes d'un bolomètre 1701x..., 170m est constante pendant cette capture. Ainsi, lorsque la température ambiante varie et que la scène change, c'est-à-dire que le rayonnement perçu par le capteur change, la résistance du bolomètre 1701r..., 170m est susceptible de varier.

La variation de température ambiante, est compensée par une régulation du potentiel de polarisation Vpol reg appliqué aux bolomètres 1701r..., 170m. On cherche à rendre chacun des bolomètres le plus indépendant possible des variations de température ambiante, de sorte que chaque bolomètre délivre un courant variable uniquement en fonction des variations de flux infrarouge qu'il est destiné à mesurer.

Pour cela, un dispositif de régulation permettant de compenser les effets de la température ambiante sur la polarisation des bolomètres est mis en œuvre. Un exemple de dispositif de régulation est donné sur la figure 4. 10 Dans cet exemple, le dispositif de régulation est pourvu d'un ou plusieurs détecteurs 210 supplémentaires dits détecteurs de référence. Ces détecteurs de référence peuvent être des bolomètres de référence dont la résistance varie en fonction des variations de température ambiante. Pour que cette variation de résistance corresponde à celle que peuvent subir les détecteurs 1701r...170n de la matrice M, les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible semblable à celle des détecteurs de la matrice. Selon une première possibilité de mise en oeuvre, le bolomètre de référence 210 peuvent avoir une structure identique à celle des bolomètres 1701r...,170m de la matrice. Dans ce cas les bolomètres de référence 210 diffèrent des autres bolomètres 1701r..., 170m, par le fait qu'ils ne sont pas connectés au circuit de lecture 190. La variation de résistance de ces bolomètres de référence n'est alors exploitée qu'en vue de mettre en oeuvre la régulation du potentiel Vpol reg appliqué aux détecteurs 1701r..., 170m. Selon une deuxième possibilité de mise en oeuvre, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent avoir une structure différente de celle des bolomètres 1701,..., 170m de la matrice. Dans ce cas, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent être sous forme chacun d'un détecteur insensible au rayonnement électromagnétique environnant. Un détecteur insensible au rayonnement peut être mis en oeuvre, par exemple à l'aide d'une couche formant écran au-dessus de, ou sur, la zone sensible de ce détecteur. Dans ce cas, les variations de scène n'ont pas d'influence sur ce détecteur, qui est en revanche avantageusement sensible aux variations de température ambiante. Selon une autre possibilité de mise en oeuvre, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent être dits thermalisés et avoir une zone sensible, qui contrairement à un détecteur tel que par exemple donné sur la figure 1, comporte une zone sensible qui n'est pas maintenue à distance de son support et qui est jointe ou collée à ce dernier. Une grandeur électrique, dans cet exemple, un courant Io issu de plusieurs bolomètres de référence mis en parallèles, de préférence n bolomètres de référence 2101, ..., 210n de la matrice, est prélevée en un point 141 d'un circuit 140, afin d'obtenir une grandeur électrique représentative des dérives en température des n bolomètres de référence 2101r..., 210,. Le circuit 140 forme au moins un miroir de courant, dont le courant d'entrée est le courant Io représentatif de fluctuations de polarisation des bolomètres de référence dues à des variations de température ambiante. Les moyens formant un miroir de courant 140 peuvent être sous forme, par exemple, de deux transistors 142, 143, par exemple des transistors PMOS, dont le drain est relié à un potentiel d'alimentation Vdd, et dont les grilles sont reliées entre elles ainsi qu'à la source du transistor 142 du miroir de courant ainsi qu'au point 141 de prélèvement de la tension moyenne des bolomètres de référence 2101,..., 210,.

En sortie du miroir de courant, un courant I1 image du courant Io, sensiblement égal à ce dernier, est représentatif des variations du potentiel Vo. La sortie du miroir de courant 140 est connectée à des moyens comparateurs 110, par exemple à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel agencé en comparateur. L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel est quant à elle mise à une tension de référence Vref. La tension de référence Vref est prévue de manière à être invariante dans une gamme de température donnée, en particulier à température ambiante. Par invariante, on entend qui ne varie pas ou peu dans ladite gamme de températures donnée, par exemple qui varie de moins de 10 mV. La gamme de température donnée peut être comprise par exemple entre T1= - 40°C et T2= 85°C. La tension de référence Vref peut être délivrée par des moyens 120, tels que par exemple une architecture de type communément appelée bandgap qui peut être formée par exemple de transistors bipolaires, par exemple d'une manière telle que décrite dans le document : Bandgap Reference Simulation Principles and Problems , Joerg Berkner, Oct. 2007.

Des moyens 130 formant une résistance de référence Rtref sont reliés à l'entrée inverseuse de l'amplificateur 100 et à la sortie du miroir 140. La résistance de référence Rtref est elle aussi prévue de manière à être invariante à température dans une gamme de température donné, en particulier à température ambiante. Par invariante, on entend qui ne varie pas ou peu dans la gamme de températures, par exemple qui varie de moins de 1 %. La gamme de température donnée peut être comprise par exemple entre T entre T1= - 40°C et T2= 85°C.

Les moyens 130 formant une résistance de référence Rtref peuvent être réalisés par exemple à l'aide d'un réseau de résistances en série, comprenant une ou plusieurs résistances à coefficient de température positif et une ou plusieurs résistances à coefficient de température négatif. Un courant I2 résultant de la différence entre le courant I1 issu du miroir et du courant qui part dans la résistance Rtref, est appliqué sur l'entrée inverseuse du comparateur. Ce courant peut être ainsi injecté vers la grille d'un transistor MOS de la paire différentielle du comparateur (ledit transistor MOS et la paire différentielle n'étant pas représentés sur la figure 4), ce qui en fait fluctuer la tension de l'entrée inverseuse, cette tension étant comparée avec la tension de référence Vref appliquée sur l'entrée non-inverseuse. Le résultat de cette comparaison est délivré en sortie du comparateur 110. La sortie du comparateur délivre ainsi un 25 potentiel Vpol reg régulé. Ce potentiel Vpol reg régulé peut être appliqué à la grille de transistors 221 dit d'injection , associés à chacun des bolomètres 1701x..., 170n et situés en amont de ces derniers. Le 30 potentiel Vpol reg sert ainsi de potentiel de polarisation des bolomètres 1701x..., 170n.

14 Un système bouclé du premier ordre peut être ainsi mis en oeuvre. En imposant une tension régulée Vpol reg de grille sur les transistors MOS d'injection 221, le courant moyen traversant les n bolomètres de référence 2101r ..., 210n est égal à un courant de référence Iref prédéterminé, et qui dépend des valeurs de la résistance Rtref et du potentiel Vref. Les valeurs de la résistance Rtref et du potentiel Vref dépendent de l'application et du courant que l'on souhaite soustraire au courant de détection. Par exemple pour un courant de l'ordre de 5 pA, Vref peut être par exemple de l'ordre de 1 .

2 V et Rtref par exemple de l'ordre de 240 kS2. Par la régulation effectuée, le courant des bolomètres 1701,..., 170n peut être dé-corrélé de variations de température ambiante. Ainsi on compense les effets de la variation de la température ambiante, qui entrainent une variation de la résistance des bolomètres par une variation de la tension de grille des transistors d'injection 1801...180m. La tension Vpol reg régulée peut servir de polarisation globale de l'imageur complet x m pixels, chacun des pixels étant alors à l'aide de cette tension régulée en tension de doté de n polarisé température. appliquée aux La tension Vpol reg peut être ainsi transistors 1801,..., 180m ou servir à former la tension appliquée aux transistors 1801r..., 180m A l'aide de ce dispositif, on évite effets de dérive en température dus par exemple à effets d'échauffement d'un boitier dans lequel la matrice de détecteurs peut être contenue. les des Sur la figure 5A, un agencement dans lequel au pied de la matrice M de détecteurs 1701x..., 170n les détecteurs 210 de référence sont disposés, est donné. Sur la figure 5B, un agencement particulier dans lequel la matrice M de détecteurs 1701x..., 170n est entourée de détecteurs 210 de référence, est illustré. Cet agencement permet de faire une régulation selon un meilleur moyennage, tenant compte de variations de températures tout autour de la matrice.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : - un ou plusieurs éléments détecteurs (1701r..., 170m,..., 170n _ 1801,..., 180m,..., 180n) de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, - des moyens de régulation (110, 120, 130, 140, 210) prévus pour délivrer, à au moins un des dits détecteurs (1701r..., 170m,..., 170n) , un potentiel de polarisation regulé (Vpol reg) en fonction des variations de température auquel le dispositif est 15 soumis.
2. 2. Dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, les moyens de régulation comprenant : 20 - au moins une source de courant formée d'au moins un détecteur (210) de référence ou de plusieurs détecteurs de référence en parallèle, - des moyens comparateurs (110), pour comparer une grandeur électrique (V1) dépendant du 25 courant issu de la source de courant, avec une grandeur électrique de référence (Vref) fixe et produire en sortie un signal résultant de cette comparaison.
3. 3. Dispositif microélectronique selon la 30 revendication 2, dans lequel la grandeur électrique de référence est une tension de référence (Vref) délivrée 10par des moyens générateurs de tension (120) prévus de manière à délivrer une tension de référence de valeur (Vref) prédéterminée invariante à température ambiante.
4. 4. Dispositif microélectronique selon la revendication 3, dans lequel la grandeur électrique (V1) est un potentiel pris à une borne de moyens (130) formant une résistance de référence de valeur (Rtref) prédéterminée et invariante à température ambiante.
5. 5. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 4, les moyens de régulation comprenant des moyens (142, 143) formant au moins un miroir de courant (140).
6. 6. Dispositif microélectronique selon la revendication 5, dans lequel le miroir de courant (140) comprend au moins un premier transistor ayant une grille connectée à celle d'un deuxième transistor, le deuxième transistor étant doté d'une grille connectée à son électrode de source et à ladite source de courant.
7. 7. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les éléments détecteurs (1701,..,170m_ 170n) comprennent un transistor d'injection (1801r..., 180m,..., 180n) , le potentiel de polarisation régulé (Vpol reg) étant appliqué à la grille d'au moins un transistor d'injection.30
8. 8. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 2 à 7, les détecteurs de référence étant dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique masquée par un écran.
9. 9. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 2 à 8, les détecteurs de référence étant dotés d'une zone sensible semblable à celle des dits éléments détecteurs.
10. 10. Dispositif microélectronique selon la revendication 2 à 9, dans lequel les éléments détecteurs sont connectés à un circuit de lecture (190), les détecteurs de référence n'étant pas 15 connectés audit circuit de lecture.
11. 11. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 10, les éléments détecteurs (1701,...,170m_, 170n) comprenant des 20 détecteurs de type bolomètre. 10