Les détecteurs thermiques

Les détecteurs de rayonnement IR

Les détecteurs thermiques

Joseph CANIOU

Centre d'électronique de l'armement (CELAR) Bruz 35170

Tél. 02 99 42 91 64 Fx. 02 99 42 90 92

e.mail joseph.caniou@dga.defense.gouv.fr

Les détecteurs de rayonnement IR

Détecteurs thermiques

Thermocouples

Bolomètres (résistifs)

Détecteurs diélectriques

Détecteurs pyroélectriques

Bolomètres diélectriques

Monocristal Photoconducteurs (PC)

Détecteurs photoniques Photodiodes

Non polarisé

Photopiles

Polarisation inverse

Cellules photovoltaïques

Détecteurs photovoltaïques (PV) Semiconducteurs

Multi-puits quantiques Hétérostructure

Les détecteurs de rayonnement IR

Les détecteurs thermiques

Principe

Principe de la détection thermique

Sensibilité Bruit

Temps de réponse Absorption

Variation du flux incident

Variation de la température de la sonde

Variation d’une grandeur physique

Variation

de tension (ou courant) électrique

• Dilatation : thermomètres, cellule de Golay

• Résistance électrique : bolomètres

• ddp : thermocouples, thermopiles

• Charge électrique : dét. pyroélectriques

• Permittivité électrique : dét. diélectriques

La sensibilité d'un détecteur thermique

La sensibilité est le rapport de la variation du signal de sortie (tension) sur la variation du flux incident.

= Φ

= Φ

d dT T

d V d d

V

S d

^d

d

Φ V

T

_dét

S Z

S : sensibilité thermique [V/K]

Z : impédance thermique [K/W] T

_env

La sensibilité est indépendante du domaine spectral.

Bilan thermique (1)

Φ

C : capacité thermique [J.K^-1]

G : conductance thermique [W.K^-1] R : résistance thermique [W^-1.K]

∆T = T_dét – T_env [K]

T

_dét

T

_env

Sonde

Liaison

C

G R1

=

Φ α

=

∆

∆ + t T d

T) (

d G

C

Bilan thermique (2)

c c

c c

R C

v t G

d v C d i

R v t

d v C d i

i i

i

+

=

+

=

+

=

t d

v C d t

d q i d

R i v

C c R c

=

=

= R

i

_C

C i

_R

i

Analogie entre les grandeurs thermiques électriques

Φ I

∆T V

C C

G = 1/R G = 1/R t T

d T) (

d ∆ + ∆

= Φ

α C G

Bilan thermique (3)

Réponse à un échelon :

Réponse harmonique :

G

C G

= τ

⎥Φ

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−τ α −

=

∆

th

th

t (t) exp

T(t) 1

Φ(t) α

G ∆T(t)

• Constante de temps thermique : retard, déphasage.

• Gain thermique.

th th

j 1

1 T(t)

t) j (

1 t) 1

T(

τ ω +

= α Φ

= ∆

ω τ Φ

ω +

= α ω

∆ Z G

G

t

T(ωt)

∆

t

Les compromis technologiques

S Z

= Φ

= Φ

d dT T

d V d d

V

S d ^d

d

Améliorer la qualité du matériau

Augmenter l'absorption du matériau (épaisseur) et/ou traitement de surface adapté

Améliorer le vide du boîtier

Diminuer la conductance thermique de la liaison Bonne conductance électrique

Réduire la taille du détecteur Réduire l'épaisseur du détecteur

Bruit en 1/f Absorption du matériau

α

G

C

P S B

S Gα

= S

Réduit le bruit thermique Diminuer C

G

= C τ_th

Les types de détecteurs thermiques

Les détecteurs résistifs

● Les Bolomètres

Les bolomètres : principe de fonctionnement

Variation de la résistance avec la température (thermistance)

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

= ⎛ α

− α +

=

exp T K

R

: conducteur semi

matériau

•

) T 1

( R R

: conducteur matériau

•

0 dT

) T 1

( R

R d

α +

= α

T2

T d R

R

d = − α

R T

R = ∆

∆ B avec B : coefficient de température (%.K

^-1

)

2 d SC

d

C (1 T ) T

− α α =

+

= α

B

B

Remarques : B est défini autour d’une température moyenne de fonctionnement.

L’effet Joule peut se superposer à l’échauffement radiatif.

Les bolomètres : schémas d'utilisation

• Métaux purs (Pt, Ni, Bi... ) : B de 10^-1 à 1 %.K^-1

• Polycristaux, céramiques (Oxydes de Ni, Mn, Va...),

Semi-conducteurs (silicium amorphe, Si/Ge...) |B| de 1 à 10 %.K^-1

● Pont diviseur

cc ref s

ref

cc ref s

R V R T

d V d

: R R

pour

R V R V R

B

S = ≈

>>

= + R_ref

V_cc

Φ

R V_s

● Amplificateur de tension

cc ref cc ref s

R V R R V

V R

B S = −

−

Φ

=

-

+

R_ref R

V_cc V_s

NB : La résistance R_ref qui varie avec la température ambiante sert de référence.

Les bolomètres : matériaux

Oxydes de vanadium

Famille polycristalline présentant une transition isolant-métal : VO(V₂O₂) : T_t = -147 °C ; VO₂(V₂O₄) : T_t = 68 °C ; V₂O₃ : T_t = -125 °C ; V₃O₅ : T_t = 147 °C ; V₄O₇ : T_t = -25 °C ; V₅O₉ (T_t = -145 °C) ; V₈O₁₅ (T_t = -203 °C).

La variation de résistance est très forte autour de la température de transition.

On évite de placer le point de fonctionnement trop près de cette température car : - le coefficient de température étant très important, il serait nécessaire de stabiliser la température de repos avec une très grande précision ;

- il apparaît un bruit de grenaille.

On contrôle la température de transition, le coefficient de température et la résistivité : - en mélangeant plusieurs variétés : mais le mélange homogène est difficile à obtenir ; - à partir d'une variété unique avec un dopant : Nb, Ta, Mo, W.

Valeurs typiques pour une mosaïque au pas de 50 µm : - coefficient de température : -5x10^-2 K^-1 ;

- résistivité : quelques 100 Ω.cm ; - faible bruit en 1/F.

Les bolomètres : matériaux

Silicium amorphe

(a-Si:H)

Matériau semiconducteur obtenu par déposition à basse température (150 à 300°C) à partir d'un plasma de Silane (SiH4). Possibilité d'utiliser un substrat bon marché et de grande dimension (typiquement du verre) ou des supports déformables.

Structure amorphe : pas d’ordre à grande distance, mais peut exister à l’intérieur de domaines de faibles dimensions.

Présence de nombreux défauts : certains atomes ne sont reliés qu’à 3 voisins (liaisons pendantes). Ces défauts constituent des pièges pour les porteurs libres (centres de recombinaison) :

- électron périphérique vacant : site neutre,

- arrachage de l’électron périphérique : site positif, - fixation d’un électron externe : site négatif.

On rétablit la neutralité de la structure en saturant les défauts par des atomes d’hydrogène (passivation des liaisons pendantes par hydrogénation).

- Forte absorption → possibilité de réduire l'épaisseur ;

- BI plus large que le cristal (1,7 au lieu de 1,12 eV) → faibles courants inverses.

- Coefficient de température : -2,4x10^-2 K^-1 ; - Résistivité : 500 Ω.cm.

Les types de détecteurs thermiques

Les détecteurs diélectriques

● Les détecteurs pyroélectriques

● Les bolomètres diélectriques

Les détecteurs diélectriques

Les ferroélectriques sont des diélectriques qui, dans certaines conditions, présentent une polarisation spontanée. Lorsqu’elle existe, cette polarisation varie avec la température.

On distingue deux domaines, séparés par la température de transition, encore appelée Température critique ou Point de Curie :

- la phase ferroélectrique : aux basses températures, la polarisation diminue lorsque la température augmente ; elle disparaît au point de Curie ;

- la phase paraélectrique : au delà du point de Curie, la permittivité décroît fortement lorsque la température augmente.

Point de Curie

Polarisation spontanée

T_c Température

ε

1/

ε

Phase ferroélectrique Phase ferroélectrique Phase paraélectrique

T_c Température

Les dét. pyroélectriques : principe de fonctionnement

Utilisation en phase ferroélectrique : variation de la polarisation

Dilatation de la maille cristalline ;

Variation des moments dipolaires du cristal ; Apparition d’une charge de surface.

Courant lors du retour à l’équilibre.

+ ++ ++

- -- --

i

Z

∆T ω v

ω C R j 1 Z R avec e

∆T jω Z i

Z v

e

∆T T

dt avec dT dt

i dq

dT dq

t ω j

t ω j

P S

P P P

=

=

= +

=

=

=

=

=

= avec P : coefficient pyroélectrique (C.K^-1)

Schéma équivalent du détecteur

Remarques : La température du point de Curie doit être supérieure à l’ambiante.

Le détecteur n'a pas besoin d'une source de tension externe.

Les bolomètres diélectriques : principe

Utilisation en phase paraélectrique : variation de la permittivité

Au-dessus du point de Curie, la variation de la permittivité relative est représentée par la loi de Curie-Weiss :

r c

r T-T

=

C

ε

≈

−

ε 1 avec C : constante de Curie (K)

S : surface de la couche e : épaisseur de la couche

V₀ : tension de polarisation externe

0 0

0 V

e Q = ε S

0 2 0 2

0 r 0

c) T Q (T

avec dT

dq

) dT Tc Q (T

dC V dq

e C S

= −

=

= −

= ε ε

=

P C P

C

Remarques : La température du point de Curie doit être inférieure à l’ambiante.

Le détecteur nécessite une polarisation externe (typiquement 5 à 10 V/µm).

P est défini autour d'une température moyenne de fonctionnement.

P dépend de la tension de polarisation externe.

Les détecteurs diélectriques : schéma d'utilisation

V_cc V_cc(bolomètre capacitif)

Φ

V_s

Détecteur Modulateur

mécanique

Il est nécessaire de moduler le flux incident pour faire apparaître un courant électrique

•

La modulation est obtenue par un système mécanique.

• La sensibilité est une fonction de la fréquence de modulation (Porteuse).

• Le modulateur peut être utilisé pour étalonner le détecteur (correction de non-uniformité).

• Risque de microphonie par effet piézoélectrique.

Le domaine de température de fonctionnement du cristal est limité par le point de Curie.

Les détecteurs diélectriques : matériaux

Utilisation en phase ferroélectrique (détecteurs pyroélectriques)

Famille des triglycines (NH

₂

CH

₂

COOH)–

• TGS (Sulfate de triglycine) : P = 6x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 49 °C

• DTGS (Sulfate de triglycine deutéré) : P = 5,4x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 61 °C

• TGFB (Fluorobéryllate de triglycine) : P = 7x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 73 °C Le TGS est utilisé en couche de faible épaisseur (30 µm) dans les tubes Pyricon.

Même après amincissement mécanique, le matériau reste difficile à associer aux circuits de lecture.

Oxydes mono ou polycristallins (céramiques)

• LiNbO₃ (Niobate de lithium) : P = 0,4x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 1210 °C

• LiTaO₃ (Tantalate de lithium) : P = 2,3x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 618 °C

• Pb₅Ge₃O₁₁ (Germanate de plomb) : P = 1,1x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 178 °C

• (Ba, Sr)Ni₂O₅ (Niobate de baryum-strontium) : P = 6,5x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 121 °C Monocristaux ou polycristaux difficiles à obtenir en couche mince pour être utilisés avec les technologies actuelles.

Les détecteurs diélectriques : matériaux

Utilisation en phase ferroélectrique (détecteurs pyroélectriques)

Famille des titanates-zirconates de plomb Pb(TiO

₃

, ZrO

₃

)

• PZT (Titanate zirconate de plomb) : P = 1,1x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 230 à 480 °C

• PBZT (PZT dopé bismuth) : P = 3,1x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 250 °C

• PLZT (PZT dopé lanthane) : P = 17x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 120 °C

• Mod-PZ (PZT et Niobate de Fe et Pb) : P = 4,1x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 220 °C Ces polycristaux sont obtenus à partir d’un mélange de PbTi₁O₃ (T_c = 480 °C) et

PbZrO₃ (T_c = 230 °C). La température du point de Curie est fonction de la proportion du mélange.

Le matériau aminci peur être utilisé en technologie hybride (couplage au circuit de lecture silicium par billes de soudure).

Polymères ferroélectriques Chaînes (CH2–CF2)x–(CHF–CF2)1-x

• PVDF–TRFE [Poly(difluorure de vinylidène-trifluorure d'éthylène)]

P = 0,4x10^-8 C.cm^-2.K^-1 T_c = 70 °C Peut être déposé en couche mince (10 à 100 nm).

Les détecteurs diélectriques : matériaux

Utilisation en phase paraélectrique (bolomètres diélectriques) Famille des titanates de strontium

•

BST (Titanate de Baryum-Strontium)

•

PST (Titanate de Plomb-Strontium)

Céramiques en couches minces obtenues à partir d'une solution solide de : BaTiO₃ (Tétragonal) : T_c = 5 à 120 °C C = 150x10³ K ε = 4800 PbTiO₃ : T_c = -100 à 490 °C C = 110x10³ K ε = 50

SrTiO₃ : T_c = -200 °C ε = 21 000

La température du point de Curie est fonction de la proportion du mélange. Ainsi, T_c est ramené autour de l'ambiante :

avec Ba_xSr_1-xTiO₃ pour x = 0,3, avec Pb_xSr_1-xTiO₃ pour x = 0,35.

Phosphates dihydrogénés

•

KDP (Potassium) : T_c = -150 °C C = 3,3x10³ K ε = 2000

•

ADP (Aluminium) : T_c = -125°C C = 2,67x10³ K ε = 15 Difficiles à obtenir en couches minces.

Les détecteurs diélectriques : matériaux

Figure de mérite

Les propriétés électriques des matériaux ferroélectriques sont résumées par la figure de mérite :

] 1 [ perte de

t coefficien :

] 1 [ relative électrique

té permittivi :

] F.m vide

du électrique té

permittivi :

8,854x10

] .K J.m [ volumique spécifique

chaleur :

c

] .K C.m [ ique pyroélectr t

coefficien :

r

1 - 12

0 -

1 - 3 v -

-1 -2

δ ε

=

ε [

P ]

Pa tan [

F c ₁₂ ¹²

0 r v

d −

δ) ε

= ε (

P

Exemple pour une céramique de PZT modifié (Mod-PZ) :

2 1 - 5 d :2,85x10- Pa

⇒ F

δ ε

;

= ε

=

° ⁻

0,0094 :

Hz) (80

; 350 : Hz) (80 F.m

8,854x10

.K J.m 2,67x10

c

; .K C.m 4,1x10

: C) (20

1 r - 12

0 -

-1 -3 v 6

-1 -2

P 4

Poling

La "polarisation spontanée" s'obtient, en fait, par un processus de formation appelé poling.

Le matériau est chauffé au-dessus du point de Curie et soumis à une champ électrique intense (typiquement (1000 V/cm) ; puis, le champ étant maintenu, il est refroidi lentement jusqu'à une température inférieure au point de Curie.

Les détecteurs de rayonnement IR

Les détecteurs thermiques

Réalisations

La structure en micro-pont

C’est la structure typique utilisée pour les détecteurs thermiques : - elle assure l’isolation thermique de la sonde par rapport au substrat ; - c’est une technologie monolithique ;

- compatibilité avec la lecture CMOS ;

- elle permet de réaliser une cavité résonante optique à λ/4 entre la sonde et le substrat.

Taille typique du plateau :

- côté : 50 µm → 20 µm;

- épaisseur : 0,1 à 0,2 µm.

Écart avec le substrat : λ/4 (2 µm pour la bande 8 à 14 µm).

La structure en micro-pont

5 µm

50 µm

Les trous dans la membrane servent à faciliter le retrait de la couche sacrificielle (Polyimide).

Les bolomètres : technologie silicium amorphe (Ulis)

Thermomètre : Résistance en silicium amorphe (a-Si:H)

Dépôt en couche mince sur couche de Polyimide - Épaisseur 200 nm.

Électrodes en nitrure de titane, épaisseur 30 nm, largeur 1 µm.

Coefficient d'absorption 0,75 à 0,85 dans la bande 8 à 14 µm.

Haute résistivité électrique pour assurer l’adaptation d’impédance avec l’air (377 Ω).

Faible capacité thermique pour une constante de temps faible.

Sensibilité thermique élevée représentée par le coefficient de température : TCR = 1/R dR/dT ~ 2,2 %.K^-1 pour r = 500 W.cm

Supports

Titane et tungstène.

Faible résistance électrique.

Résistance thermique maximale.

Faible capacité thermique.

Grande rigidité pour maintenir l'écartement entre le thermomètre et le substrat (cavité optique).

Circuit de lecture

Dépôt métallique en surface pour la cavité optique.

Circuit CMOS (0,5 µm).

Les bolomètres : valeurs typiques (Ulis)

3

^ère

génération (2006) – démonstrateur

Matrice 320 x 240 au pas de 25 µm (détecteur 23,5 µm) Bande 8 à 14 µm

Constante de temps thermique : 7 ms Temps d'intégration : 60 µs

Fréquence de lecture 5 MHz pour une image à 50 ou 60 Hz Sensibilité : 8,1 mV/K (σ = 1,8 %)

NETD à F/1 (σ = 8,5 %) : 78 mK (dynamique 200 K) 63 mK (dynamique 10 K)

63 mK (dynamique 120 K) avec correction d'offset Bruit résiduel spatial fixe :< 80 mK (dynamique 55 K)

< 60 mK (dynamique 35 K) Opérabilité > 99,4 %

Pas de stabilisation thermique. Mesure de la température sur des bolomètres aveugles ROIC : Dynamique : 3,2 V – Bruit : 188 µV

Les bolomètres : valeurs typiques (Ulis)

Génération 1^ère (2000) 2^ème (2003) 3^ème (2006)

Dimension 320x240 384x288 384x288

Pas (µm) 45 35 25

T_th (ms) 4 7 7

Sensibilité (mV/K) 4,5 6 8,1

NETD (mK) 50 ou 60 Hz 85 56 63

Axes d’amélioration (2007 ...) :

- augmenter le nombre de pixels → 640x480 ; - réduire le pas

→

20 µm ;

- réduire la NETD

→

40 à 35 mK.

Au-delà :

- format TV 640x480 ; - taille du pixel < 20 µm ; - NETD < 30 mK ;

en silicium amorphe ou matériau alternatif

CCIR (Eu) : 768x576 RS-170 (US) : 640x480 HDTV : 1600x1200

Les bolomètres : encapsulation (Ulis)

(doc. ULIS)

Détecteur microbolométrique non-refroidi (320x240) Boîtier sous vide < 10^-2 tor

Les bolomètres : technologie VO

_x

(Raytheon Vision Systems)

Structure

Substrat Silicium Pont Si₃N₄ : 500 nm

Cavité optique : espacement 2 µm Supports Si₃N₄

Thermomètre

Dépôt en couche mince de VO_x polycristallin sur le pont : 50 nm Améliorations

- augmenter le taux de remplissage - meilleure isolation thermique

- meilleur sensibilité thermique

Structure à 2 niveaux

Les bolomètres : technologie VO

_x

(Raytheon Vision Systems)

doc. RVS 5 µm doc. RVS

Structure à 2 niveaux

Les bolomètres : valeurs typiques (Raytheon Vision Systems)

25 µm (Production) 20 µm (Laboratoire)

Matrice Bande

Constante de temps thermique Sensibilité (F/1)

NETD (F/1, 30 Hz) Non uniformité d'offset Dynamique

Bruit de sortie Opérabilité.

Taux de remplissage Absorption

TCR

Technologie

640 x 480

5 à 25 ms 30 mK

640 x 480

< 10 ms

45 mK → 20 mK

72 %

> 80 % 2,4 % 320 x 240

8 à 14 µm 3 à 15 ms 20 mV/K 22 mK

< 150 mV

> 100 K 1 mV rms

> 99 %.

70 %

> 80 %

> 2,2 %

Les bolomètres : technologie VO

_x

(Raytheon Vision Systems)

1 cm

doc. RVS

Module de détection 320x240 25 µm 2"x2"

Consommation < 2 W

Sortie vidéo parallèle 14 bits & RS170 Stabilisation thermique Pelletier

Les détecteurs pyroélectriques (GEC) Technologie hybride : couplage par billes de soudure

Le meilleur coefficient de température du matériau massif compense la moins bonne isolation thermique du circuit.

Les détecteurs pyroélectriques : valeurs typiques (GEC) Technologie hybride

Element pitch : 100 x 100 µm² Active area : 10 x 10 mm²

NETD (50Hz, F/1) : 200 - 250 mK Defective elements : < 1 %

Response : 700 µV/K

Response uniformity : < 8 % Frame rate : 10 to 75 Hz

Power consumption : < 150 mW Output impedance < 200 Ω

CMOS ROIC

Window : Ge, 8-12 µm

Utilisation sur les casques de pompiers Matrice 256x128 dans le jumelles LION Mod-PZ (Titanate Zirconate de Plomb modifié) en phase ferroélectrique

F_d= 2,85x10^-5 Pa^-1/2

Matrice 100x100 (doc. GMIRL)

1 cm

doc. GMIRL

Les bolomètres diélectriques (BAE-QuinetiQ)

Technologie intégrée : structure en micro-pont

Les bolomètres diélectriques (BAE-QuinetiQ) Technologie intégrée

La formation de la couche diélectrique se fait à haute température (850 à 1000 °C).

Le circuit de détection est déposé sur un substrat de silicium qui assure l'isolation thermique entre la couche de détection et le circuit de lecture. Les contacts

électriques traversent le substrat.

Connexion au circuit de lecture par billes de soudure.

Les bolomètre diélectriques : valeurs typiques (Bae-QinetiQ)

Technologie intégrée

Circuit de détection

PST (Tantalate de Scandium et Plomb) en phase paraélectrique.

Fd = 5x10^-5 à 10x10^-5 Pa^-1/2.

Température du point de Curie ~ 20 °C.

Matrice 384x288.

Taille du pixel : 40 µm.

Réalisation de la sonde à 850 °C et polarisation sous 10V/µm.

NETD 100 mK à F/2 ou 25 mK à F/1 Circuit de lecture

Dépôt métallique en surface pour la cavité optique.

Couplage au circuit de lecture par bille de soudure.

Lecture CMOS.

Performances du matériau massif difficiles à conserver en couche mince (65 % du matériau massif).

Taille des pixels difficile à réduire.

Les détecteurs de rayonnement IR

Bolomètre (monolithique)

VOx a-Si Autres

Ferroélectrique Hybride Monolithique

US (début des années 80) :

●Honeywell → Raytheon Vision Systems DRS

BAE Systems FLIR System

●Texas Instrument → Raytheon Commercial IR

●Texas Instrument → Raytheon Commercial IR UK (milieu des années 80) :

●GMIRL

●BAE-QinetiQ

France(1993) : ULIS Japon:

●Mitsubishi

●NEC

Belgique : IMEC Canada: INO Corée : Daewoo

BST

PZT

PST

Si p/n Si-Ge Titane

Filières : Technologies :