FR2997760A1 - Dispositif de pixels-image et reseau forme de tels dispositifs ainsi que procede de saisie de rayonnement electromagnetique par un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
Dispositif de pixels-image (100) pour saisir un rayonnement électromagnétique (1) comprenant : - une installation de structure absorbante (110) pour absorber le rayonnement électromagnétique (1) sous forme de chaleur et comportant une installation résonnante plasmonique (115), et une installation de détection (120) comportant un élément de détection (125) pour saisir les variations générées par la chaleur reçue par l'installation de structure absorbante (110) d'une caractéristique électrique de l'élément de détection (125).
Description
Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de pixels-image pour saisir un rayonnement électromagnétique ainsi qu'un réseau de capteurs pour saisir un rayonnement électromagnétique et un procédé de saisie du rayonnement électromagnétique à l'aide d'un tel dispositif de pixels-image. Etat de la technique Le document US 6 552 344 B1 décrit un détecteur infrarouge et son procédé de fabrication.
Le document DE 692 16 862 T2 décrit un capteur micro- bolométrique à intégration monolithique pour le rayonnement infrarouges avec un corps semi-conducteur monolithique à plusieurs cavités et plusieurs éléments en couches minces diélectriques. Les éléments en couches minces diélectriques ont une cavité avec de l'oxyde de vana- dium. Le document DE 10 2006 028 435 Ai décrit un capteur pour une détection à résolution locale du rayonnement infrarouge. Le capteur comporte un substrat ayant au moins un élément de capteur micro-structuré dont la propriété électrique varie en fonction de la tem- pérature et une membrane au-dessus de la caverne, l'élément de cap- teur étant installé sur le côté inférieur de la membrane. En outre, dans le capteur décrit dans ce document, l'élément de capteur est branché par des lignes d'alimentation qui passent sur la membrane. La membrane comporte des ressorts de suspen- sion qui reçoivent élastiquement et de manière isolée les différents éléments de capteur. Le document US 2005 017 896 7 Al décrit un capteur à infrarouges comportant un substrat avec un segment concave, un segment de saisie de température relié au substrat par une branche d'appui dans la partie supérieure d'une chambre à section concave. Le capteur infrarouge décrit dans ce document comprend un film réfléchissant le rayonnement infrarouge ainsi qu'un segment de capot absorbant le rayonnement infrarouge par rapport au film réfléchissant le rayonnement infrarouge.
Le document US 2002 003 487 8 Al décrit un procédé de réalisation d'un capteur d'images infrarouges. Par gravure, on réalise un ensemble de trous dans un substrat semi-conducteur pour développer au moins un segment creux dans le substrat semi-conducteur.
Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif de pixels-image pour saisir un rayonnement électromagnétique comprenant : - une installation de structure absorbante pour absorber le rayonnement électromagnétique sous forme de quantité de chaleur et com- portant au moins une installation de structure résonnante plasmonique pour transmettre le rayonnement électromagnétique à l'installation de structure absorbante, et - une installation de détection comportant au moins un élément de détection pour saisir les variations générées par la quantité de cha- leur reçue par l'installation de structure absorbante d'une caracté- ristique électrique de l'élément de détection et saisir ainsi le rayonnement électromagnétique. L'invention a également pour objet un réseau de capteur pour saisir un rayonnement électromagnétique avec au moins un dis- positif de pixels-image tel que décrit ci-dessus, couplé à un substrat. Enfin, l'invention a pour objet un procédé de saisie du rayonnement électromagnétique à l'aide d'un dispositif de pixels-image comprenant les étapes suivantes consistant à: - transmettre le rayonnement électromagnétique à une installation de structure absorbante par une installation de structure résonnante plasmonique et absorber le rayonnement électromagnétique et recevoir le rayonnement électromagnétique absorbé comme quantité de chaleur, et - saisir les variations générées par la quantité de chaleur reçu par l'installation de structure absorbante qui sont les variations d'une propriété électrique d'au moins un élément de détection par une installation de détection comportant au moins un élément de détection pour détecter ainsi le rayonnement électromagnétique. L'idée de base de l'invention consiste à développer un ré- seau de capteurs pour saisir le rayonnement électromagnétique avec au moins un dispositif de pixels-image qui a une faible capacité thermique et un faible couplage thermique avec le substrat permettant ainsi une fréquence élevée de répétition d'images. Cela permet de diminuer le pixel pour un même rapport signal! bruit et de le réaliser de manière plus économique. Le coeur de l'invention consiste à améliorer les propriétés d'absorption de la couche absorbante en utilisant au moins une structure résonnante plasmonique. Cela permet avantageusement d'augmenter le coefficient de remplissage du pixel par l'écran absorbant. La lumière d'une région plus grande peut être utilisée pour générer le signal du dispositif de pixels-image. Cela permet avantageusement d'augmenter le rapport signal/bruit. Selon un développement de l'invention, l'installation de structure absorbante est écartée de l'installation de détection et/ou de l'installation de structure absorbante est couplée à l'installation de détection par l'intermédiaire d'au moins un pont thermique, ce qui permet une saisie garantie du rayonnement électromagnétique par le dispositif de pixels-image.
Selon un développent de l'invention, l'installation de structure absorbante est réalisée à une distance qui correspond à un multiple du quart de la longueur d'onde intéressante du rayonnement électromagnétique. Selon un développement de l'invention, à la place de l'installation de détection, l'élément de détection est couplé par au moins un pont thermique à l'installation de structure absorbante. Selon un développement de l'invention, l'installation de structure absorbante est réalisée sous la forme d'une couche absorbant le rayonnement électromagnétique.
Selon un développement de l'invention, l'épaisseur op- tique de la couche absorbante est un multiple du quart de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique. Selon un développement de l'invention, l'installation de structure résonnante plasmonique est réalisée au moins à la surface de l'installation de structure absorbante, ce qui permet une fabrication simple du dispositif de pixels-image. Selon une autre caractéristique, l'installation de struc- ture résonnante plasmonique est une installation métallique ce qui améliore l'absorption dans cette installation de structure absorbante. Selon un développement, le dispositif de pixels-image comporte en outre une installation de réflecteur avec au moins une surface de l'installation de structure absorbante, ce qui permet une construction simple et compacte du dispositif de pixels-image.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispo- sitif de pixels-image comporte une installation une installation de couplage pour coupler l'installation de détection et/ou l'installation de structure absorbante à un substrat. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un dispositif de pixels-image pour la saisie d'un rayonnement électromagnétique, d'un réseau formé d'un tel dispositif et d'un procédé de saisie de rayonnement électromagnétique représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique à échelle très agrandie d'un mode de réalisation d'un dispositif de pixels-image pour la saisie du rayonnement électromagnétique selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe schématique à échelle agrandie d'un dispositif de pixels-image pour la saisie du rayon- nement électromagnétique selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de pixels-image pour la saisie du rayonnement électromagné- tique correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un réseau de capteurs pour saisir un rayonnement électromagnétique selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est vue très schématique d'un ordino- gramme du procédé de saisie du rayonnement électromagnétique par un, dispositif de pixels-image selon un autre développement de l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Par convention dans les différentes figures on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. La figure 1 est une vue en coupe schématique à échelle très agrandie d'un dispositif de pixels-image pour la saisie d'un rayonnement électromagnétique selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le rayonnement électromagnétique est un rayonnement infrarouge (appelé en abrégé « rayonnement IR ») ou des ondes électromagnétiques dans le domaine spectral entre la lumière visible et le rayonnement à grandes ondes du domaine du Terahertz. Le rayonnement infrarouge correspond à la plage spectrale comprise entre environ 1 mm et 780 nm ce qui correspond à une plage de fréquences comprise entre 300 GHz et 400 THz. Le dispositif de pixels-image 100 pour la saisie de rayon- nement électromagnétique 1 comprend par exemple une installation de structure absorbante 110 ayant une installation de structure résonante plasmonique 115 pour transmettre le rayonnement électromagnétique 1 vers l'installation de structure absorbante 110. Le dispositif de pixels-image 100 comporte une installa- tion de détection 120 ayant un élément de détection 125 pour saisir la quantité de chaleur reçue et ainsi le rayonnement électromagnétique 1. L'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image 100 transforme le rayonnement incident par absorption de la chaleur et transmet cette chaleur à l'installation de détection 120. La chaleur reçue par l'installation de détection 120 et la variation de température ainsi occasionnée de l'élément de détection 125 de l'installation 120 modifie les propriétés électriques de l'élément de détection 125. Les propriétés électriques de l'élément de détection 125 sont par exemple des variations de sa résistance électrique produites par la variation de température ; ces variations sont saisies par l'installation de détection 120. L'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image 100 est en outre couplée par une installation de cou- plage 135 à un substrat 20. L'installation de couplage 135 assure l'accrochage mécanique au substrat 20 et/ou le branchement électrique au substrat 20 et/ou l'isolation thermique par rapport au substrat 20. L'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image 100 peut être une matière absorbant le rayonnement infrarouge tel que de l'oxyde de silicium dopé ou de l'arséniure de ga- lium dopé ou tout autre semi-conducteur absorbant le rayonnement infrarouge tel que par exemple du germanium. L'installation de structure absorbante 110 est en outre réalisée comme système à plusieurs couches absorbantes 114, 114a ayant chacune une métallisation de ligne ou de colonne 114a, 116a. L'installation de structure absorbante 110 installée sous forme d'écran au-dessus du dispositif de pixels-image 100 peut ainsi saisir sur une région étendue latéralement et plus grande que l'installation de détection 120, le rayonnement électromagnétique 1 du dispositif de pixels-image 100. L'installation de structure résonante plasmonique 115 du dispositif de pixels-image 100 est réalisée comme méta-matière ou comme structure de synthèse dont la transparence aux champs électriques et magnétiques, la permittivité et la perméabilité diffèrent des valeurs usuelles. Ces propriétés de l'installation de structure résonnante plasmonique 115 peuvent être obtenues par des structures fines, microscopiques, généralement périodiques, fabriquées spécialement telles que des cellules ou des éléments séparés, en des matières à effet élec- trique ou magnétique, à l'intérieur ou sur l'une des surfaces de l'installation de structure absorbante 110. En outre, la distance a2 choisie de l'installation de struc- ture absorbante 110 de l'installation de détection 120 et/ou une épaisseur optique al sélectionnée de manière appropriée pour l'installation de structure absorbante 110 telle que la probabilité d'absorption dé- pendant de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique incident est ainsi augmentée. L'épaisseur optique al correspond à un multiple impair du quart de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique 1.
L'installation de structure résonante plasmonique 115 est écartée de la surface de l'une des couches absorbantes 114 de la distance a2. L'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image 100 est par exemple couplée en au moins un point avec l'installation de détection 120. Le couplage sert à la fixation mécanique de l'installation de structure absorbante 110 sur le dispositif de pixels-image 100. En outre, le couplage permet de développer avantageu- sement un pont thermique entre l'installation de structure absorbante 110 et l'installation de détection 120 pour transférer la chaleur de l'installation de structure absorbante 110 résultant de l'absorption vers l'installation de détection 120. Dans le cas de plusieurs éléments de détection 125 par installation de détection 120, il est avantageux d'avoir un pont vers chacun des éléments de détection 125. L'absorption sera augmentée par une installation de structure résonnante plasmonique 115 intégrée dans la surface de l'installation de structure absorbante 110. En outre, la surface de l'installation de structure absor- bante 110 en regard de l'installation de structure résonante plasmo- nique 115 et/ou de la structure de couche de pixels a une installation réfléchissante 113 en forme de couche réfléchissante. La charge métallique de la couche réfléchissante, c'est-à- dire l'épaisseur de la couche multipliée par la surface métallique permet pour la métallisation sur les surfaces en regard de l'installation de structure absorbante 110 d'avoir les mêmes dimensions. Cela permet une réalisation symétrique du point de vue des contraintes de la construction de l'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image 100. L'installation de structure absorbante 110 reste très largement stable même vis-à-vis de variations de température agissant sur le dispositif de pixels-image 100. Si l'on utilise des métallisations différentes sur les deux faces de l'installation de structure absorbante 110 on adapte l'épaisseur de la couche métallique réfléchissante. Pour réaliser le dispositif de pixels-image 100 on peut uti- liser l'une des perforations prévue dans l'installation de structure absorbante 110. Comme métal de l'installation de structure résonante plasmonique 115 métallique on peut utiliser de l'or, de l'indium ou de l'aluminium. La réalisation des cavernes se fait par exemple par la gra- vure d'une couche sacrificielle le cas échéant soutenue par une limitation ciblée des différentes cavernes par des points d'appui 135. Les points d'appui 135 sont par exemple des cloisons ou des colonnes. De même, on peut également effectuer une gravure anodique du substrat et réaliser par exemple un silicium poreux dans le substrat que l'on élimine ensuite par un procédé de gravure ou par anodisation ou par polissage électrolytique. On peut également appli- quer un procédé de gravure profonde de silicium avec un effet analogue. La figure 2 est une vue en coupe schématique à échelle agrandie d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de pixels-image pour la saisie de rayonnement électromagnétique selon l'invention. En variante du mode de réalisation présenté à la figure 1, dans le cas du mode de réalisation présenté à la figure 2, le dispositif de pixels-image 100 comporte l'installation de réflecteur 113 en forme de couche réfléchissante également comme structure résonante plasmonique. Les références présentées à la figure 2 et qui correspon- dent à celles de la figure 1 ne seront pas décrites à nouveau. La figure 3 est une représentation schématique en coupe à échelle très agrandie d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de pixels-image pour la saisie de rayonnement électromagnétique. En variante du mode de réalisation de la figure 1, le mode de réalisation de la figure 3 comporte un dispositif de pixels-image 100 avec une seconde installation de structure résonnante plasmonique 115. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le rayonnement électromagnétique 100 arrive par les deux installations de structure résonante 115 sur l'installation de structure absorbante 110 du dispositif de pixels-image. Dans le cas du dispositif de pixels-image 100 de la fi- gure 3 il n'y a pas d'installation de réflecteur 113. En outre, on a utilisé à la figure 3 des références pour désigner les mêmes éléments que ceux de la figure 1 et leur description ne sera pas reprise.
La figure 4 est une vue en perspective très schématique d'un réseau de capteurs pour saisir le rayonnement électromagnétique selon un autre mode de réalisation de l'invention. Un réseau de capteurs 100 pour la saisie du rayonne- ment électromagnétique 100 se compose d'un ensemble de dispositifs de pixels-image 100. Des dispositifs de pixels-image 100 sont par exemple couplés à un substrat 20 et sont disposés sous la forme d'un réseau. Les différents dispositifs de pixels-image 100 peuvent avoir une forme rectangulaire carré ou polygonale. Comme substrat 20 on utilise un substrat circulaire ou carré d'une épaisseur de l'ordre d'un millimètre sous forme de plaque ou de puce. La puce peut comporter une ou plusieurs matières semiconductrices mono ou poly-cristalline servant en général de substrats aux systèmes électroniques. Les matières semi-conductrices sont en silicium, germanium, arséniure de galium, carbure de silicium ou phosphure d'indium. La figure 5 montre une représentation très schématique d'un ordinogramme très simplifié d'un procédé de saisie du rayonnement électromagnétique par un dispositif de pixels-image selon un autre développement de l'invention.
La première étape du procédé, Si consiste à transmettre le rayonnement électromagnétique 1. L'installation de structure absorbante 110 par une instal- lation de structure résonante plasmonique 115 et absorber le rayonnement électromagnétique 1 en le recevant comme quantité de chaleur.
La seconde étape du procédé S2 consiste à saisir les va- riations d'une propriété électrique d'un élément de détection 125 occasionnées par la quantité de chaleur reçue de l'installation de structure absorbante 110 pour détecter ainsi le rayonnement électromagnétique 1.10 10 11 20 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX Réseau de capteurs Substrat 100 Dispositif de pixels-image 110 Installation de structure absorbante 113 Installation de réflecteur! Couche réfléchissante 114, 114a Couches absorbantes 115 Installation de structure résonante plasmonique 120 Installation de détection 125 Elément de détection 135 Installations de couplage15
Claims (4)
- REVENDICATIONS1°) Dispositif de pixels-image (100) pour saisir un rayonnement électromagnétique (1) comprenant : - une installation de structure absorbante (110) pour absorber le rayonnement électromagnétique (1) sous forme de quantité de cha- leur et comportant au moins une installation de structure résonnante plasmonique (115) pour transmettre le rayonnement électromagnétique (1) à l'installation de structure absorbante (110), et - une installation de détection (120) comportant au moins un élément de détection (125) pour saisir les variations générées par la quantité de chaleur reçue par l'installation de structure absorbante (110) d'une caractéristique électrique de l'élément de détection (125) et saisir ainsi le rayonnement électromagnétique (1).
- 2°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de structure absorbante (110) est écartée de l'installation de détection (120) et/ou l'installation de structure absorbante (110) est couplée à l'installation de détection (120) par au moins un pont ther- mique.
- 3°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de structure absorbante (110) est réalisée par l'installation de détection (120) à une distance égale à un multiple d'un quart de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique (1).
- 4°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de détection (125) de l'installation de détection (120) est couplé à l'installation de structure absorbante (110) par au moins un pont thermique.355°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de structure absorbante (110) est sous la forme d'une couche absorbant le rayonnement électromagnétique (1). 6°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur optique de la couche absorbante est un multiple d'un quart de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique (1). 7°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de structure résonnante plasmonique (115) est réalisée au moins à la surface de l'installation de structure absorbante (110). 15 8°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de structure résonnante plasmonique (115) est réalisée sous la forme d'un installation de structure résonnante plasmonique 20 métallique (115). 9°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte en outre une installation de réflexion (113) développée sur 25 au moins la surface de l'installation de structure absorbante (110). 10°) Dispositif de pixels-image (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' elle comporte en outre une installation de couplage qui couple 30 l'installation de détection (120) et/ou l'installation de structure absor- bante (110) avec un substrat (20). 11°) Réseau de capteurs (10) pour saisir le rayonnement électromagnétique (1) avec au moins un dispositif de pixels-image (100) selon l'une 35 des revendications 1 à 10, couplé à un substrat (20). 1012°) Procédé de saisie du rayonnement électromagnétique (1) à l'aide d'un dispositif de pixels-image (100) comprenant les étapes suivantes consistant à: - transmettre (Si) le rayonnement électromagnétique (1) à une instal- lation de structure absorbante (110) par une installation de struc- ture résonnante plasmonique (115) et absorber le rayonnement électromagnétique (1) et recevoir le rayonnement électromagnétique absorbé (1) comme quantité de chaleur, et - saisir (S2) les variations générées par la quantité de chaleur reçu par l'installation de structure absorbante (110) qui sont les variations d'une propriété électrique d'au moins un élément de détection (125) par une installation de détection (120) comportant au moins un élément de détection (125) pour détecter ainsi le rayonnement électromagnétique (1).15
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