Resistance R= 26kΩ
T CR T CR= 2 %K−1
Bruit 1/f Kf = 10−12
Tension V = 2 V
Courant I=V /R
Fréquence haute fh= 30 Hz Fréquence basse fb = 10 mHz - Paramètre Thermique
Résistance thermique Rth= 12×106 K/W Capacité thermique Cth= 5×10−10 J/K
On trouve un temps de réponseτ= 4.Rth.Cth= 24ms. Remarquons qu’il est compatible avec une fréquence de lecture TV de fh = 50Hz . Les NETD obtenus sont les suivants : N ET DJ = 0.7 mK, N ET DBF = 2.3mK, N ET DT F = 11mK, N ET D1/f = 36mK, etN ET Dtot= 38mK
Il apparaît donc dans cet exemple que les bruits dus aux fluctuations des échanges ther-miques et radiatifs sont négligeables, bien que ceux ci constituent la limite ultime de la détection non refroidi. Cela est toujours le cas dans les bolomètres commerciaux, qui n’at-teignent jamais ces limites fondamentales. Ensuite dans l’exemple choisi la résistance du bolomètre étant très élevée, le bruit de Johnson est très faible. Cette valeur dépendra beau-coup de la résistivité du matériau et du design utilisé. Enfin on voit que c’est le bruit 1/f qui limite la sensibilité, ce qui est généralement le cas. Remarquons que notre détecteur est sensible à un changement ou des écarts de température sur une scène de 38mK (à tempéra-ture ambiante, f/1 , et 30 Hz). Les détecteurs quantiques permettent d’obtenir desN EDT plus faible, de l’ordre de 20mK, et surtout des fréquences beaucoup plus rapide :>200Hz.
2.5 Etat de l’art
Grâce à leur bonne sensibilité (NETD de 50mK), à leur temps de réponse compatible avec les fréquences TV, à leur circuit de lecture intégré en Silicium, au grand format des matrices réalisées (1024×768), à leur faible coût, et à leur fonctionnement à température ambiante, il est possible d’intégrer facilement ces détecteurs dans des caméras. Nous allons à présent décrire brièvement depuis leur apparition dans les années 80, les différentes technologies mises en œuvre ainsi que les perspectives actuelles en terme de R&D.
2.5.1 Premiers développements aux USA
Si la réalisation de bolomètres mono-pixel est relativement ancienne, les recherches sur des imageurs non refroidis ont commencé dans les années 70-80 aux États-Unis chez Honeywell et Texas Instrument (aujourd’hui commercialisé par Raytheon) sous l’impulsion et le
finan-32 Les Bolomètres
Figure 2.5 – De droite à gauche : Principe de la détection, Schéma d’un pixel, Photo du composant intégrant le hublot garantissant le vide en face avant et le circuit de lecture en face arrière, Composant intégré avec son électronique de commande, Caméra
cement de la DARPA. Ces travaux n’ont été déclassifiés qu’au début des années 1990 avec l’apparition de ces systèmes dans les forces armées américaines. Ainsi la première publication reportant la réalisation d’une caméra non-refroidie à base de micro-bolomètres (Wood et al.
Honeywell5) date de 1992. Dès 1993 Honeywell6 présente une caméra 340×240 au pas de 50µm et une sensibilité de 50 mK à 30 Hz. Le matériau utilisé pour former la membrane est le nitrure de silicium choisi pour sa faible conductivité thermique et sa solidité, et le matériau utilisé pour le thermistor est l’oxyde de vanadium (V Ox) (sous forme d’une couche mince encapsulée dans le SiN) qui possède une forte TCR (typiquement 2%/K). Plusieurs autres laboratoires ont alors suivi dans le monde sur la base des brevets américains exploitant le V Ox. Certains pays ont choisi d’exploiter les propriétés d’autres matériaux aussi bien pour des raisons de performances que d’indépendance vis à vis des États-Unis.
2.5.2 France et reste du Monde
La France a, dès le dévoilement de leurs travaux par les Américains en 1992, choisi de développer sa propre filière. Le CEA/LETI sous l’égide de la DGA a choisi de développer une technologie basée sur le silicium amorphe (a-Si) formant aussi bien la membrane que le thermistor, ce qui est plus simple à mettre en œuvre du point de vue de la fabrication. En 2000, la société ULIS a été créée pour fabriquer et commercialiser ces plans focaux IR.
Aujourd’hui de nombreuses sociétés réparties7dans le monde entier commercialisent des matrices de micro-bolomètres, mais principalement avec les mêmes matériaux que dans les années 90 (SiN/VOx et a-Si), comme on peut le voir sur la figure 2.6, et avec des designs relativement proches.
5Woodet al., « Integrated uncooled infrared detector imaging arrays ».
6Wood, « Uncooled thermal imaging with monolithic silicon focal planes ».
7Etude de Yole 2011 (http ://www.yole.fr)
2.5 Etat de l’art 33
Figure 2.6– Emplacement des sociétés productrices de micro-bolomètre dans le monde avec leur choix de filière VOx/a-Si.
2.5.3 Prévision du marché
La réalisation de matrices grand format de micro-bolomètres à faible coût a donc permis d’ouvrir de nouveaux marchés. Si pendant longtemps la détection infrarouge et la vision nocturne ont été l’apanage des militaires, les marchés industriels (sécurité, contrôle non destructif, thermographie etc ...) et grand public (aide à la conduite de nuit dans l’auto-mobile, et domotique dans l’avenir) font de l’infrarouge non refroidi un secteur en pleine expansion. Le graphique suivant présente les prévisions de croissance du marché mondial établies par Yole8. Il apparaît que si les besoins militaires semblent constants, la demande civile augmente de manière exponentielle.
2.5.4 Évolutions technologiques
Depuis les années 90, les efforts en R&D se sont essentiellement focalisés sur la réduction des coûts, une augmentation des formats et une réduction des pas pixels. La complexité des circuits de lecture et leurs fonctionnalités ont également été grandement augmentées.
Le tableau suivant représente l’évolution depuis 1998 des performances de différentes matrices présentées par le CEA/LETI ou par ULIS (elles ne sont donc pas exactement au
8Etude de Yole 2011 (http ://www.yole.fr)
34 Les Bolomètres
Figure 2.7 – Prévision de Yole (2011) sur le volume du marché mondial de caméras micro-bolométriques
même niveau de maturité9,10,11,12,13,14,15).
Année NEDT (mK) Freq (Hz) Pas (µm) Rth(106K/W)
1998 90 25 50 12
1999 50 100 42.5 15
2000 50 30 45 n.a
2001 180 50 55 14
2001 36 50 35 42
2005 26 50 30 42
2008 45 50 25 55
2009 40 50 17 n.a.
2011 40 50 17 n.a.
Tendance ≈ ≈ & %
Il apparaît clairement que les efforts se sont concentrés du point de vue du dispositif sur une réduction du pas pixel. En effet, celle-ci permet d’augmenter la résolution de l’image (à dimension de matrice constante), et de diminuer les coûts (pour des matrices de même nombre de pixels, on fabrique plus de matrices sur le même wafer).
9Tissotet al., « LETI/LIR’s amorphous silicon uncooled microbolometer development ».
10Vedelet al., « Amorphous silicon based uncooled microbolometer IRFPA ».
11Tissotet al., « 320 x 240 microbolometer uncooled IRFPA development ».
12Mottin et al., « Enhanced amorphous silicon technology for 320 x 240 microbolometer arrays with a pitch of 35µm ».
13Legraset al., « Low cost uncooled IRFPA and molded IR lenses for enhanced driver vision ».
14Trouilleauet al., « High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17um pixel-pitch ».
15Tissotet al., « High-performance uncooled amorphous silicon video graphics array and extended gra-phics array infrared focal plane arrays with 17-µm pixel pitch ».