FR2624603A1 - Detecteur thermique - Google Patents
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Abstract
L'invention a trait au domaine des détecteurs thermiques. Un détecteur thermique selon l'invention, du type comprenant un groupe d'éléments détecteurs discrets 1 dont chacun est supporté par une couche support 7 commune et monté en contact thermique avec un collecteur 3 correspondant en un matériau absorbant du rayonnement, la surface de chaque collecteur 3 étant plus grande que la surface de l'élément détecteur correspondant, est essentiellement caractérisé en ce que le contact entre chaque collecteur 3 et la couche support 7 est réduite à une zone disposée à l'intérieur de la périphérie de l'arête dudit détecteur et à l'écart de ladite arête. Application notamment à la réalisation de détecteurs pyro-électriques.
Description
La présente invention concerne des perfectionnements aux détecteurs
thermiques et, plus particulièrement, aux
détecteurs thermiques à infrarouge.
Dans les détecteurs thermiques, l'énergie du rayon-
nement absorbé augmente la température des éléments détec-
teurs. Cette augmentation de température amène des change-
ments dans les propriétés qui dépendent de la température du détecteur, ces propriétés pouvant être maintenues afin de détecter le rayonnement incident. L'augmentation de température peut être renforcée au moyen d'une structure
appelée collecteur à grande surface (XAC].
Les détecteurs thermiques considérés dans le présent contexte comprennent les détecteurs à résistance, les détecteurs diélectriques de bolomètre et les détecteurs
pyroélectriques.
La structure d'un collecteur à grande surface selon l'art antérieur (voir par exemple le brevet britannique
A 2 100 058, est illustré sur la figure 1 annexée.
La structure, telle que représentée, comprend un groupe d'éléments détecteurs pyroélectriques 1, dont chacun
est monté en contact thermique avec un collecteur corres-
pondant:3, formé d'un matériau absorbant thermiquement.
Le contact thermique est assisté par une couche intermé-
diaire 5 d'un matériau hautement conducteur. Comme repré-
senté,' ces constituants 1, 3 et 5 sont retenus entre'des
couches support 7, 9 en une fine pellicule de polymère.
Le collecteur 3 recueille et absorbe le rayonnement sur une surface plus grande que celle de l'élément détecteur
1 et transfère l'énergie absorbée sur le détecteur ther-
mique 1 par conduction thermique. L'augmentation de tempé-
rature de l'élément détecteur 1 est renforcée en comparai-
son soit avec un élément détecteur de format identique
sans XAC, soit un composite hybride ayant un élément détec-
teur de surface égale a celle du XAC, à condition que la capacitance thermique du XAC plus la structure du détecteur soit inférieure à celle de l'élément détecteur ci-dessus
(dans les deux casâ, en supposant que le processus de con-
duction thermique n'apporte pas une limitation en lui-
même. Dans la structure antérieure (figure 1), le trajet de conduction thermique a lieu par l'intermédiaire d'une couche métallique mince (non représentée) de haute conduc- tivité thermique (par exemple une couche métallique de AI, Cu, Ag ou Au) qui est déposée sur l'une des pellicules
polymères flexibles 7 et 9 qui supporte l'élément détec-
teur 1. La structure de l'art antérieur convient pour des détecteurs thermiques ayant un pas relativement grand et
des possibilités intermédiaires, bien qu'elle ait des possi-
bilités considérablement améliorées par rapport aux.
détecteurs équivalents sans XAC. Cependant, la structure de l'art antérieur entraîne des problèmes aux pas les plus fins de détecteurs thermiques ainsi que lorsque le plus
haut degré d'isolation thermique entre des éléments adja-
cents ou entre le détecteur et l'environnement (par exemple
le dessin du circuit sur pastille de silicium d'un disposi-
tif hybride détecteur thermique-silicium), est nécessaire, du fait qu'un conflit d'impératifs intervient alors entre
la réception du rayonnement thermique et l'isolation ther-
mique. Ces problèmes interviennent du fait que, dans la structure de l'art antérieur, l'absorbeur XAC 3 et la couche de transfert thermique 5 sont tous deux disposés sur la pellicule support polymère 7 et en contact avec elle, tout en fournissant une intégrité mécanique à la structure, forme également un trajet thermique dominant entre les éléments 1 et toute structure chaude adjacente. Le degré d'isolation thermique de la structure de l'art antérieur et le degré d'intermodulation thermique sont contrôlés par la distance séparant les arêtes de la structure de collecteur 3 plutôt que par la séparation des arêtes des
détecteurs adjacents 1.
La présente invention vise donc à fournir une effica-
cité renforcée d'isolation et la réception, en parti-
culier pour des dispositifs ayant un faible pas, c'est-
à-dire de l'ordre de 50 pum ou moins.
Conformément à la présente invention, un détecteur thermique est du type comprenant un groupe d'éléments détecteurs discrets dont chacun est supporté par une couche support commune, et maintenu en contact thermique avec un collecteur correspondant réalisé en un matériau absor- bant du rayonnement, la surface de chaque collecteur étant
plus grande que la surface de l'élément détecteur corres-
pondant, et le contact entre chacun des collecteurs et
la couche support est limité à une zone disposée pratique-
ment à l'intérieur de la périphérie de l'arête du'collec-
teur et à l'écart de cette dernière.
Pour une efficacité de réception optimale, il est préférable que la séparation arête/arête des collecteurs adjacents soit d'une dimension inférieure à la longueur
d'onde du rayonnement.
Le collecteur peut être réalisé en un noir de métal, c'est-à-dire un matériau absorbant de l'infrarouge, par
exemple du noir de platine.
La zone de contact de chaque collecteur peut corres-
pondre à la surface de chaque élément correspondant ou bien, selon une variante, elle peut être de surface plus importante.' D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention ressortiront mieux de la description qui va suivre,
donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 représente une vue en coupe d'un détec-
teur thermique comprenant une structure de collecteur à grande surface selon une disposition connue;
la figure 2 représente une vue en coupe d'un détec-
teur thermique comprenant une structure de collecteur à large surface modifiée selon la présente invention; les figures 3(a) et 3(bt) représentent respectivement une vue en coupe et en plan de stades intermédiaires dans la réalisation d'un détecteur tel que représenté sur les figures 4(ae et 4(b ci-après; les figures 4(al et 4(bQ représentent respectivement f
en coupe et en plan, un détecteur selon la présente inven-
tion; et la figure 5 représente une vue en coupe d'un détecteur
selon une variante conforme également à la présente inven-
tion.
Il est toujours intéressant d'obtenir des possibi-
lités pour le détecteur thermique à un pas fin (pas de >ml) qui s'approche de la limite fondamentale pour les détecteurs thermiques. Cette limite est déterminée par le bruit de fluctuation thermique dans le détecteur, qui est à son tour déterminé par la conductance thermique totale provenant d'un élément, GH, et le rendement, n,
de recueil et d'absorption du rayonnement, selon l'équa-
tion: Equivalent bruit de fluctuation thermique = (4KT GH,) o K est la constante de Boltzmann et T est la température absolue. En pratique, les valeurs de GH et de n sont liées et il existe une surface de détecteur optimale pour la
meilleure combinaison de l'isolation thermique et du ren-
dement de recueil pour une structure de détecteur usuelle, dans laquelle la surface de l'élément est égale à celle de l!absorbeur. On eonsidèrera un détecteur thermique d'un pas de 50 jim, tel que la structure du groupe monté sur pellicule illustrée en traits discontinus.sur la figure 4a. Il est possible de montrer que le diamètre optimal d'élément est d'environ 30 pm, pour un élément détecteur 1 de 5 à 8 "m d'épaisseur séparé de son voisin par un film support 7 en polymère d'une largeur de 20 pm et d'une épaisseur inférieure au micron. Une telle structure, qui
a été calculée pour fournir un G de 1,w.K 1 ne présente-
H i)wK n rsne rait qu'un rendementn de recueil et d'absorption d'environ 0,35. Du fait que la limite de puissance d'équivalent bruit
est plus sensible à n qu'à GH, une augmentation de.
sans réduire GH est nécessaire afin d'obtenir la puissance d'équivalent bruit (NEP) particulière convenant pour les optiques prévues. Le fait d'augmenter la dimension de l'élément ou d'ajouter un XAC dans la structure de l'art antérieur, en diminuant ainsi la séparation réelle ou
effective entre éléments, augmente rapidement la conduc-
tance thermique totale et nuit au NEP. On peut obtenir un certain gain dans le terme n effectif en utilisant une structure XAC de l'art antérieur dans laquelle la dimension de l'élément détecteur est réduite (par exemple à un diamètre de 20 um) tout en maintenant une structure XAC d'un diamètre de 30 am. Cependant, il est souhaitable
de réaliser une structure XAC pouvant permettre de recueil-
lir un rayonnement sur une surface plus importante que celle de l'élément détecteur original devant être mis en oeuvre seul ou en combinaison avec un XAC de l'art antérieur. La disposition nouvelle d'un XAC 3 en noir de platine à grande surface illustré sur la figure 2 fournit
une telle structure.
Le XAC à noir de platine (PB-XAC) est une structure absorbante 3 autoportante de capacitance thermique faible qui s'étend au-delà du périmètre de l'élément détecteur 1 lui-même et agit de ce fait en structure XAC. Il y a lieu de noter que la structure 3 est auto-portante et que, à sa périphérie, elle est séparée de la pellicule support 7 polymère qui relie mécaniquement et thermiquement les
détecteurs 1. Par conséquent, elle ne dégrade pas l'isola-
tion thermique entre les éléments 1.
Les organes absorbants 3 au noir de platine peuvent être préparés par dépôt électrolytique sur une surface métallisée à l'or ou au platine (figure 3), à partir d'un électrolyte aqueux renfermant de l'acide chloroplatinique et un sel de plomb, qui agit de manière à former une couche
de dépôt à développement hautement duveteux et dendritique.
On peut contrôler la composition de l'électrolyte, la tem-
pérature, la densité de courant et la durée de dépôt afin de produire une structure noire 3 dendritique à faible densité, d'une hauteur verticale de 5 à 7 "m, avec une masse par unité de surface d'environ 0,6 mg/cm2 (densité peu différente de 5 % de la densité théorique). Une telle structure représente une très faible masse thermique et elle constitue un absorbant à large bande 13 efficace, avec un rendement approchant 100 % dans la bande des 8 à 14pm (pour un corps noir 300 k à 1 km de distance, avec
une fenêtre de germanium à affleurement unique).
Etant forméepar un processus de nucléation et de
croissance, chaque dendrite de platine est connectée élec-
triquement et thermiquement à la couche électrode revêtue 7. Le noir de platine déposé dans des ouvertures définies sur une pellicule continue d'or (définie par exemple en
utilisant des éléments photorésistants) ou sur une pelli-
cule d'or portant un schéma, présente une croissance impor-
tante sur l'arête. Dans les conditions correctes de dépôt du noir, la hauteur sur une arête est proche de 1,5 fois celle réalisée sur une surface plane, et le noir s'étend
également au-delà de l'arête des ouvertures d'un prolon-
gement sensiblement égal à son épaisseur (le processus
de revêtement étant largement isotropique par naturel).
Ce phénomène peut être contrôlé et exploité afin de former un noir à surface augmentée qui est convenablement relié thermiquement à la zone à partir de laquelle il a formé
le revêtement, comme représenté sur les figures 4a et 4b.
Pour la fabrication de cette structure, les surfaces d'or sont tout d'abord dessinées selon la figure 3b pour
former une série d'électrodes d'or 11 reliées par des lan-
guettes étroites 13 d'or. Une couche d'un matériau photo-
résistant convenable est appliquée par revêtement et elle
est dessinée de manière à recouvrir les languettes de con-
nexion 13 tout en laissant libres les électrodes d'or 11.
Cette couche 15 de polymère dessiné est réticulée au fur et à mesure afin de former un profil de crête arrondi pour
contrôler la structure en relief du PB-XAC (figure 3a).
Une seconde barrière de polymère 17 facultative est appli-
quée et définie au centre de chaque crête de polymère afin d'empêcher un rapprochement entre les zones adjacentes noires 3. La couche PB-XAC est alors appliquée de manière à donner la structure selon la figure 4a. Les couches de polymère sont éliminées et les languettes de connexion 13 minces en or sont attaquées chimiquement pour former
des languettes métalliques 13' à résistivité plus élevée.
Les prolongements des arêtes dans de telles struc-
*tures noires allant jusqu'à 10 pm par arête peuvent être obtenus par de tels procédés pour des épaisseurs accep- tables de noir. La structure PBXAC est alors applicable
à des structures de détecteurs thermiques o le pas élé-
mentaire est seulement un multiple faible de 10,um et/ou lorsque l'intervalle entre éléments est compris entre 10 et 30 nom. Ainsi par exemple, les structures PB-XAC peuvent être définies sur des groupes d'électrodes d'or carrées de 30 xm avec un pas de 50 jim (espace d'électrode 20 "ml), avec un développement aux arêtes de 6 à 8 um par arête, c'est-à-dire un intervalle entre les éléments absorbants PB-XAC adjacents compris entre 8 et 4 ym. Un prolongement d'arête de 7 um pourrait être obtenu, sur la-base d'un simple calcul de surface géométrique, pour absorber près de 80 % du rayonnement de cellules élémentaires (cf. 0,35 mentionné plus haute). Des mesures sur des structures d'essai ont montré une réflectance totale de il à 12 % dans la bande de 8 à 14 "m, ce qui indique une absorption proche de 90 %, ce qui est le résultat de la définition de l'intervalle entre éléments adjacents à une valeur égale ou inférieure à la longueur d'onde du rayonnement incident. Ainsi, la structure PB-XAC peut présenter une absorption de rayonnement de cellules élémentaires proche de 90 % à un pas de 50 um sans que l'isolation thermique
soit dégradée.
La structure PB-XAC peut également être combinée avec une structure XAC 3" de l'art antérieur pour former une structure XAC composite qui renforce encore la réponse du détecteur thermique jusqu'à une limite définie par l'effet.de charge thermique du collecteur et de la couche de transfert thermique ajoutées. Une telle structure est illustrée sur la figure 5, o l'on peut voir qu'une partie seulement de la surface augmentée du collecteur 3 est
détachée de la couche support 7.
8.
Claims (6)
1. Détecteur thermique, du type comprenant un groupe d'éléments détecteurs discrets (1 dont chacun est supporté par une couche support (71 commune et en contact thermique avec un collecteur correspondant (31) en matériau absorbant de rayonnement, la surface de chaque collecteur (3) étant
plus grande que la surface de l'élément détecteur corres-
pondant, caractérisé par le fait que le contact entre chaque collecteur (3,) et la couche support (71 est limité à une zone disposée à l'intérieur de la périphérie de
l'arête dudit collecteur et à l'écart de ladite arête.
2. Détecteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la séparation arête/arête des collecteurs (3) adjacents est d'une dimension inférieure
& la longueur d'onde du rayonnement.
3. Détecteur thermique selon l'une des revendica-
tions 1 ou 2, caractérisé par le fait que le détecteur (3.1 est formé par un noir de métal qui est un matériau
d'absorption de l'infrarouge, tel que le noir de platine.
4. Détecteur thermique selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la zone
de contact de chacun desdits collecteurs (31) est égale ou supérieure à celle de la surface de chaque élément
(1) correspondant.
5. Procédé de fabrication d'un détecteur thermique
selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracté-
risé par le fait qu'on met en oeuvre un procédé de dépôt électrolytique pour le stade de formation du détecteur (3').
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on contrôle le processus de dépôt afin de produire un dépôt ayant une structure dendritique à
faible densité.
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