.w
l
V
S = ∆
[V.W-1]ε étant l’émissivité de la face exposée, φ l’irradiance en W.m-2 , l et w la longueur et largeur de la thermopile.
La puissance à niveau de bruit équivalent : NEP
NEP pour "noise equivalent power" définit la plus petite différence de puissance détectable par rapport au niveau de bruit du détecteur :
(eq.46)
S
V
NEP=
noise [W] La détectivité : D
La détectivité est définie par :
(eq.47)
NEP
B
w
l
D= . .
− −1 2 1.W
m.Hz
avec B la bande passante exprimée en Hz.6.6.2 Détecteur Infra rouge à thermopiles avec fonction d'auto-test
6.6.2.1 Technologies des détecteurs infrarouges
Les détecteurs infrarouges sont des systèmes permettant la mesure des rayonnements infrarouge émis soit directement par des corps chauds suivant la loi d’émission du corps noir de Planck soit par réflexion d’une source infrarouge. Les bandes de longueur d’onde généralement utilisées correspondent aux fenêtres de transmission de l’atmosphère. La première bande, de 3 à 5µm est appelé bande médium tandis que la bande de 8 à 12µm est appelé bande des infrarouges longs.
La mesure des radiations infrarouges est habituellement faite par des détecteurs à semi-conducteurs à très faible gap qui utilisent la photo-génération de porteurs de charge. Cette génération est faite par l’absorption de l’énergie des photons pour créer une transition électronique qui peut être du niveau du gap du matériaux (transition intrinsèque) ou bien entre des niveaux d’énergies dans le gap dûs à des impuretés (transition extrinsèque). Ces porteurs vont ensuite soit augmenter la conductivité du matériaux (photo-conductivité), c’est le cas des détecteurs à l’InSb, HgCdTe, PbS, PbSe, et des détecteurs à puits quantiques, soit créer un courant par effet photovoltaïque dans une jonction pn, c’est le cas pour les photodiodes au HgCdTe, InSb et les diodes Schottky au PtSi. Ces capteurs qui convertissent directement les photons de faible énergie en un signal électrique ont atteint de grandes performances en termes de sensibilité, de détéctivité, d’intégration et de temps de réponse. Ils ont trouvés de nombreuses applications dans le spatial, le militaire et dans la lutte contre les incendies.
Les développements récents des techniques de micro-usinage ont permis l’émergence de détecteurs infrarouges non refroidis fonctionnant sur la transduction de photons en phonons qui induisent une augmentation de température sur une microstructure isolée thermiquement. Le signal électrique est ensuite généré par des effets thermoélectriques comme l’effet Seebeck, la variation de résistivité électrique, l’effet pyroélectrique. Les détecteurs infrarouges contiennent tous trois éléments :
• Une couche absorbant la radiation infrarouge
• Une microstructure suspendue de type membrane pour l’isolation thermique
• Un capteur de température
La dénomination utilisée pour ces dispositifs est IRFPA pour Infra Red Focal Plane Array définissant des détecteurs infrarouges arrangés en matrice plane, ceci par opposition aux systèmes effectuant un balayage mécanique et renvoyant la radiation sur un seul détecteur.
6.6.2.2 Détecteurs infrarouges à bolomètres
Une grande partie des IRFPA sont des matrices de bolomètres [27][28][29] qui sont typiquement constituées d’une membrane suspendue, comme le montre la Figure 122, contenant une résistance dont le matériau a une fort coefficient de résistivité thermique (l’oxyde de vanadium par exemple). La membrane obtenue par micro usinage en surface est suspendue au dessus du substrat qui joue le rôle de miroir pour réfléchir les ondes non absorbées. Les avantages des bolomètres sont une grande détectivité et une grande intégration, cependant la variation de résistance du bolomètre est souvent non linéaire et ils dépendent de la température absolue.
Substrat Ancrages
Résistance
Figure 122 : Schéma d’un détecteur infrarouge à bolomètre.
6.6.2.3 Détecteurs infrarouges à thermopile
L'autre solution couramment utilisée est bien sûr l'emploi de thermopiles [31][32][33]. Les matériaux les plus souvent utilisés sont les couples aluminium/silicium et aluminium/polysilicium. L’avantage des thermopiles sur les bolomètres vient du fait que la mesure est différentielle, c’est a dire que la thermopile mesure l’élévation de température par rapport au substrat à la température ambiante ce qui évite les problèmes de température absolue. Un autre avantage est la sortie en tension des thermopiles qui permet de manipuler facilement ce signal. Par contre les inconvénients viennent de la nature des matériaux des thermocouples qui n’ont pas forcément les bonnes caractéristiques en termes de conduction de la chaleur et de l’électricité, ce qui fait que les thermopiles n’atteignent pas les performances des bolomètres en termes de détectivité.
Il existe également d'autres détecteurs infrarouges qui utilisent notamment l’effet pyroélectrique qui est un phénomène apparaissant dans les cristaux polarisés (comme l'oxyde de Zinc). Cet effet entraîne la variation des propriétés diélectriques de ces matériaux qui est exploitées dans une capacité soumise
de capacité induite par la déformation mécanique d’une structure bimétallique chauffée par le rayonnement infrarouge [30].
6.6.3 Le capteur infrarouge à thermopiles : thermatrix
Le capteur infrarouge que nous allons présenter est un prototype servant ici à valider les stratégies de conception en vue du test des microsystèmes et notamment l'auto test. Ce détecteur est fabriqué en technologie CMOS (AMS 0.6µm) micro-usinage face avant obtenue via le service de prototypage de microsystèmes du CMP et occupe une surface de 4mm². La Figure 123 représente le layout du capteur, il se compose d’une matrice de 8x8 pixels, d’une électronique d’adressage qui active les pixels un par un et ligne par ligne et d’un module analogique d’amplification. Le capteur est destiné à fonctionner dans le vide.
Figure 123 : Layout du capteur infrarouge à thermopile
6.6.3.1 Description du pixel
La Figure 124 représente un pixel du capteur infrarouge. Il se compose d’une plaque (ou membrane) suspendue au-dessus d’une cavité micro-usinée par gravure anisotropique face avant et qui est accrochée au substrat par quatre bras de support. La forme et la position des bras est optimisée pour
simulation montre que le temps minimum pour libérer la structure est de 24,5 minutes dans le TMAH. Enfin les bras ont étés arrondis pour éviter les propagations de cracks et de fissures dans les coins.
Lorsque le pixel est irradié par le rayonnement infrarouge, la couche de passivation absorbe une majeure partie des photons qui sont transformés en chaleur. Une étude [36] de l'absorption des rayonnements infrarouges par les couches minces des technologies CMOS a montré que le coefficient d'absorption d'un sandwich de couches diélectriques était de l'ordre de 50% dans la bande des longueurs d'ondes comprise entre 7 et 14µm. Cette même étude a également démontré que la présence de couches métalliques sous les couches de passivation pouvait faire augmenter le coefficient à environ 80%. Ceci est du au fort coefficient de réflexion du métal qui fait office de miroir et renvoit le rayonnement non absorbé.
La chaleur générée par le rayonnement infrarouge est alors écoulée par conduction par les bras. La résistance thermique des bras génère une augmentation de température sur la membrane lorsque l’équilibre thermique est atteint. Chaque bras de support contient un ensemble de 3 thermocouples aluminium/polysilicium qui sont reliés en série pour former la thermopile. Les thermocouples relient alors les bords de la membrane au substrat qui a le rôle de masse thermique. La différence de potentiel généré par la thermopile est alors directement proportionnelle à la différence de température entre la membrane et le substrat et donc à l’énergie reçue par le pixel.