Les détecteurs thermiques - Accueilsfp.in2p3.fr/expo/Conf2007/CND/CANIOU.pdf · Principe de la...

Mesurexpo 27 septembre 2007 Diapositive N°1MINISTÈRE DE LA DÉFENSE

DGA / DET / CELAR

Les détecteurs de rayonnement IR

Les détecteurs thermiques

Joseph CANIOUCentre d'électronique de l'armement (CELAR)Bruz 35170Tél. 02 99 42 91 64Fx. 02 99 42 90 92e.mail [email protected]


DGA / DET / CELAR


Détecteurs thermiques

Thermocouples

Bolomètres (résistifs)

Détecteurs diélectriques

Détecteurs pyroélectriques

Bolomètres diélectriques

Monocristal Photoconducteurs (PC)

Détecteurs photoniques PhotodiodesNon polarisé

Photopiles

Polarisation inverse

Cellules photovoltaïques

Photocapacités

Détecteurs photovoltaïques (PV)

Semiconducteurs

Multi-puits quantiquesHétérostructure


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Principe


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Principe de la détection thermique

SensibilitéBruit

Temps de réponse

Absorption

Variation duflux incident

Variation dela températurede la sonde

Variation d’unegrandeur physique

Variationde tension (ou courant) électrique

• Dilatation : thermomètres, cellule de Golay

• Résistance électrique : bolomètres

• ddp : thermocouples, thermopiles

• Charge électrique : dét. pyroélectriques

• Permittivité électrique : dét. diélectriques


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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=

ddT

TdVd

dVdS d

dVΦ

TdétS Z

S : sensibilité thermique [V/K]Z : impédance thermique [K/W]

Tenv

La sensibilité est indépendante du domaine spectral.


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Bilan thermique (1)

Φ

C : capacité thermique [J.K-1]

G : conductance thermique [W.K-1]

R : résistance thermique [W-1.K]

∆T = Tdét – Tenv [K]Tdét

Tenv

Sonde

Liaison

C

RG 1

=

Φα=∆+∆ TtdT)(d GC


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Bilan thermique (2)

cc

cc

RC

vGtd

vdCi

Rv

tdvd

Ci

iii

+=

+=

+=

tdvd

Ctdqdi

Rv

i

cC

cR

==

=

RCiC iRi

Analogie entre les grandeursthermiques électriques

Φ I

∆T V

C C

G = 1/R G = 1/RT

tdT)(d

∆+∆

=Φα GC


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Bilan thermique (3)

Réponse à un échelon :

Réponse harmonique :

GC

G

=τ

Φ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛τ

−−α

=∆

th

th(t)texpT(t) 1

(t)ΦαG

T(t)∆

• Constante de temps thermique : retard, déphasage.• Gain thermique.

th

th

j11T(t)

t)(j11t)T(

τω+α

=Φ

∆=

ωΦτω+

α=ω∆

GZ

G

t

t)T(ω∆

t


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Les compromis technologiques

S Z

Φ=

Φ=

ddT

TdVd

dVdS d

d

Améliorer la qualité du matériau

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

Améliorer le vide du boîtierDiminuer la conductance thermique de la liaison

Bonne conductance électrique

Réduire la taille du détecteurRéduire l'épaisseur du détecteur

Bruit en 1/f Absorption du matériau

α

G

C

P

BS

GS α

=S

Réduit le bruit thermique

Diminuer C

GC

=τ th


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Les types de détecteurs thermiques

Les détecteurs résistifs

Les Bolomètres


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Les bolomètres : principe de fonctionnement

Variation de la résistance avec la température (thermistance)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ α=

−

α+=

TexpKR

:conducteursemimatériau •

)T1(RR:conducteurmatériau •

0Td

)T1(RRd

α+α

=

2TTd

RRd

α−=

TRR

∆=∆ B avec B : coefficient de température (%.K-1)

2d

SCd

CT)T1(α

−=α+α

= BB

Remarques : B est défini autour d’une température moyenne de fonctionnement.L’effet Joule peut se superposer à l’échauffement radiatif.


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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

ccref

s

ref

ccref

s

VRR

TdVd

:RRpour

VRR

RV

BS ≈=

>>

+=

Rref

ΦVcc R Vs

Amplificateur de tension

ccref

ccref

s

VR

R

VR

RV

BS −=

−=Φ

-+

Rref R

Vcc Vs NB : La résistance Rref qui varie avec la température ambiante sert de référence.


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Les bolomètres : matériaux

Oxydes de vanadium

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


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Les bolomètres : matériaux

Silicium amorphe (a-Si:H)

Matériau semiconducteur obtenu par déposition à basse température (150 à 300°C) àpartir 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.


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Les types de détecteurs thermiques

Les détecteurs diélectriques

Les détecteurs pyroélectriques Les bolomètres diélectriques


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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.

Poi

nt d

e C

urie

Pola

risat

ion

spon

tané

e

Tc Température

ε

1/ε

Pha

se fe

rroél

ectri

que

Pha

se fe

rroél

ectri

que

Pha

se p

araé

lect

rique

TcTempérature


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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

Zω∆Tv

ωCRj1RZavece∆TjωZiZv

e∆TTavecdtdT

dtdqi

dTdq

tωj

tωj

PS

P

PP

==

+===

===

= 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.


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Les bolomètres diélectriques : principe

Utilisation en phase paraélectrique : variation de la permittivitéAu-dessus du point de Curie, la variation de la permittivité relativeest représentée par la loi de Curie-Weiss :

crr T-T

C=ε≈−ε 1 avec C : constante de Curie (K)

S : surface de la couchee : épaisseur de la coucheV0 : tension de polarisation externe

000 VeSQ ε=

20

200

r0

)cT(TQavecdTdq

dT)cT(T

QdCVdq

eSC

−==

−==

εε=

CPP

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.


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Les détecteurs diélectriques : schéma d'utilisationVccVcc (bolomètre capacitif)

Φ

VsDétecteurModulateurmécanique

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.


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Les détecteurs diélectriques : matériaux

Utilisation en phase ferroélectrique (détecteurs pyroélectriques)

Famille des triglycines (NH2CH2COOH)–

• TGS (Sulfate de triglycine) : P = 6x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 49 °C• DTGS (Sulfate de triglycine deutéré) : P = 5,4x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 61 °C• TGFB (Fluorobéryllate de triglycine) : P = 7x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 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 Tc = 1210 °C• LiTaO3 (Tantalate de lithium) : P = 2,3x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 618 °C• Pb5Ge3O11 (Germanate de plomb) : P = 1,1x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 178 °C• (Ba, Sr)Ni2O5 (Niobate de baryum-strontium) : P = 6,5x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 121 °C

Monocristaux ou polycristaux difficiles à obtenir en couche mince pour être utilisés avec les technologies actuelles.


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Utilisation en phase ferroélectrique (détecteurs pyroélectriques)

Famille des titanates-zirconates de plomb Pb(TiO3, ZrO3)

• PZT (Titanate zirconate de plomb) : P = 1,1x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 230 à 480 °C• PBZT (PZT dopé bismuth) : P = 3,1x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 250 °C• PLZT (PZT dopé lanthane) : P = 17x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 120 °C• Mod-PZ (PZT et Niobate de Fe et Pb) : P = 4,1x10-8 C.cm-2.K-1 Tc = 220 °C

Ces polycristaux sont obtenus à partir d’un mélange de PbTi1O3 (Tc = 480 °C) et PbZrO3 (Tc = 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 Tc = 70 °C

Peut être déposé en couche mince (10 à 100 nm).


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Les détecteurs diélectriques : matériauxUtilisation 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) : Tc = 5 à 120 °C C = 150x103 K ε = 4800PbTiO3 : Tc = -100 à 490 °C C = 110x103 K ε = 50SrTiO3 : Tc = -200 °C ε = 21 000

La température du point de Curie est fonction de la proportion du mélange. Ainsi, Tc

est ramené autour de l'ambiante :avec BaxSr1-xTiO3 pour x = 0,3,avec PbxSr1-xTiO3 pour x = 0,35.

Phosphates dihydrogénés• KDP (Potassium) : Tc = -150 °C C = 3,3x103 K ε = 2000• ADP (Aluminium) : Tc = -125°C C = 2,67x103 K ε = 15

Difficiles à obtenir en couches minces.


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

]1[pertedetcoefficien:]1[relativeélectriquetépermittivi:

]F.mvideduélectriquetépermittivi:8,854x10].KJ.m[volumiquespécifiquechaleur:c

].KC.m[iquepyroélectrtcoefficien:

r

1-12-0

1-3-v

-1-2

δε

=ε [

P

]Pa[tanc

F 2121

0rvd

−

δ)εε=

(P

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

21-5-d Pa2,85x10:F⇒

δε;=ε

=° −

0,0094:Hz)(80;350:Hz)(80F.m8,854x10.KJ.m2,67x10c;.KC.m4,1x10:C)(20

r1-12-

0

-1-36v

-1-24P

PolingLa "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.


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Réalisations


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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).


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La structure en micro-pont

5 µm

50 µm

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


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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

SupportsTitane 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 lectureDépôt métallique en surface pour la cavité optique.Circuit CMOS (0,5 µm).


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Les bolomètres : valeurs typiques (Ulis)

3ère génération (2006) – démonstrateur

Matrice 320 x 240 au pas de 25 µm (détecteur 23,5 µm)Bande 8 à 14 µmConstante de temps thermique : 7 msTemps d'intégration : 60 µsFréquence de lecture 5 MHz pour une image à 50 ou 60 HzSensibilité : 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


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Les bolomètres : valeurs typiques (Ulis)

Génération 1ère (2000) 2ème (2003) 3ème (2006)Dimension 320x240 384x288 384x288Pas (µm) 45 35 25Tth (ms) 4 7 7Sensibilité (mV/K) 4,5 6 8,1NETD (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) : 768x576RS-170 (US) : 640x480HDTV : 1600x1200


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Les bolomètres : encapsulation (Ulis)

(doc. ULIS)

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


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Les bolomètres : technologie VOx (Raytheon Vision Systems)

StructureSubstrat SiliciumPont Si3N4 : 500 nmCavité optique : espacement 2 µmSupports Si3N4

ThermomètreDépôt en couche mince de VOx polycristallin sur le pont : 50 nm

Améliorations- augmenter le taux de remplissage- meilleure isolation thermique- meilleur sensibilité thermique

Structure à 2 niveaux


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5 µmdoc. RVS doc. RVS

Structure à 2 niveaux


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Les bolomètres : valeurs typiques (Raytheon Vision Systems)

25 µm (Production) 20 µm (Laboratoire)

Matrice

BandeConstante de temps thermiqueSensibilité (F/1)NETD (F/1, 30 Hz)Non uniformité d'offsetDynamiqueBruit de sortieOpérabilité.Taux de remplissageAbsorptionTCR

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 µm3 à 15 ms20 mV/K22 mK< 150 mV> 100 K1 mV rms> 99 %.70 %> 80 %> 2,2 %


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1 cm

doc. RVS

Module de détection320x240 25 µm2"x2"Consommation < 2 WSortie vidéo parallèle 14 bits & RS170 Stabilisation thermique Pelletier


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Les détecteurs pyroélectriques (GEC)

Technologie hybride : couplage par billes de soudure

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


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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 mKDefective elements : < 1 %Response : 700 µV/KResponse uniformity : < 8 %Frame rate : 10 to 75 HzPower consumption : < 150 mWOutput impedance < 200 ΩCMOS ROICWindow : Ge, 8-12 µm

Utilisation sur les casques de pompiersMatrice 256x128 dans le jumelles LION

Mod-PZ (Titanate Zirconate de Plomb modifié) en phase ferroélectriqueFd = 2,85x10-5 Pa-1/2

Matrice 100x100 (doc. GMIRL)

1 cm

doc. GMIRL


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Les bolomètres diélectriques (BAE-QuinetiQ)

Technologie intégrée : structure en micro-pont


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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.


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Les bolomètre diélectriques : valeurs typiques (Bae-QinetiQ)

Technologie intégrée

Circuit de détectionPST (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 lectureDépôt 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.


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Les détecteurs de rayonnement IRBolomètre (monolithique)

VOx a-Si Autres

Ferroélectrique

Hybride MonolithiqueUS (début des années 80) : Honeywell → Raytheon Vision Systems

DRSBAE SystemsFLIR System

Texas Instrument → Raytheon Commercial IR Texas Instrument → Raytheon Commercial IR

UK (milieu des années 80) : GMIRL BAE-QinetiQ

France (1993) : ULISJapon : Mitsubishi NECBelgique : IMECCanada : INOCorée : Daewoo

BST

PZTPST

Si p/n

Si-Ge

Titane

Filières :Technologies :

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