Brevet FR2001080A1 — publié le 19690926

i 2CO1O0* La présente invention concerne les détecteurs pyroélectriques et plus particulièrement la formation de détecteurs pyroélectriques polycristallins. Jusqu'au point de Curie, le changement de la polari-5 sation spontanée avec la température et la constante diélectrique d'une matière pyroélectrique augmente. Cet effet est suffisamment important dans certaines matières pyroélectriques, telles que le sulfate de tryglycine (désigné par abréviation STG) pour être utilisé comme mécanisme de lecture, et il est particuliè-10 rement intéressant parce qu'il ne nécessite pas de courant ou de tension de polarisation après une application d'une tension en courant continu de 10 kV par centimètre d'épaisseur du cristal. Le sulfate de tryglycine STG a déjà été formé en monocristaux d'une croissance difficile et dont les dimensions pratiques 15 sont très limitées. Des détecteurs pyroélectriques de dimensions relativement importantes, par exemple ayant des côtés d'un centimètre ou plus sont particulièrement désirables, mais il n'a pas été possible de les produite sous la forme de cristaux homogènes. De même, des détecteurs en monocristaux de dimensions inférieures 20 à 0,5 x 0,5 nim sont difficiles à produire parce qu'il est nécessaire de réduire l'épaisseur pour maintenir une capacité minimale de 10 picofarads nécessaire pour la capacité d'entrée d'un préamplificateur. Les détecteurs pyroélectriques en monocristaux ne comportent que des électrodes métalliques non trans-.25 parentes dont l'une est noircie pour augmenter l'absorption d'énergie incidente. Un autre problème posé par la fabrication est qu'un monocristal doit être coupé avec précision de façon que des faces des électrodes soient perpendiculaires à l'axe ferroé-3$ lectrique du cristal. La présente invention est basée sur l'utilisation de sulfate de tryglycine (STG) microcristallin pour constituer des détecteurs pyroélectriques. Des détecteurs de différentes dimensions peuvent être facilement formés et des éléments 35 microcristallins de dimensions comprises entre 3 et 100 microns en diamètre forment des détecteurs pyroé-lectriques hautement sensibles. L'aptitude à la réponse est fonction de la possibilité d'alignement des axes ferroélectriques perpendiculaires au 69 02561 2 nrn1opo plan du détecteur par une simple application d'une tension de polarisation en courant continu. Un détecteur pyroélectrique est habituellement limité par le bruit de l'amplificateur et par la tangente des pertes du cristal. 5 Bien entendu, des microcristaux ne peuvent pas être uti lisés comme éléments de puissance pour des raisons mécaniques ou matérielles et une couche mince de sulfate de tryglycine STG d'un détecteur selon la présente invention, Comporte des microcristaux uniformément distribués^ dans un liant très mince. La 10 nature du liant n'est pas une caractéristique déterminante, ce qui est un avantage pratique évident. Différents liants, tels que des films en ester de cellulose, des films de différents types de résines alkydes, de résines thermoplastlques ou thermodurcis-sables, et de résines analogues peuvent convenir. Par suite, la 15 présente invention n'est pas limitée à Un type particulier de liant pour les microcristaux. Il sera noté que la couche de microcristaux STG dans un film convenable peut être très mince, par exemple de 10 à 250 microns et souvent elle n'est pas très résistante. Il est par 20 suite préférable de former un film dans lequel les microcristaux de STG sont noyés ou enrobés en matière plus résistante par exemple un film mince de téréphtalate d'un polyglycol tel que celui disponible commercialement sous la marque '"Mylar". Il est préférable aussi d'appliquer ou de former le film de STG sur un 25 film mince résistant en matière plastique, par exemple d'une épaisseur de 4 microns qui doit être revêtu d'une matière très mince formant l'électrode, par exemple d'or déposé par évaporation La présente invention n'est pas limitée strictement à l'utilisation d'un film auxiliaire en matière plastique, car pour des épais 30 seurs plus importantes et pour certaines applications, un liant dans lequel des microcristaux de STG sont noyés peut être suffisamment résistant pour les applications pratiques.. Cependant, dans la plupart des cas, et en particulier pour un film très mince en matière plastique dans lequel les microcristaux de STG 55 sont noyés, il est préférable d'utiliser un film auxiliaire supplémentaire, mince et résistant. Cette dernière forme est un mode de mise en oeuvre préféré de la présente invention. Le procédé pour la préparation des microcristaux n'a pas une importance déterminante et la qualité des détecteurs pyroé- 69 02561 lectriques résultant n'est apparemment pas sensiblement affectée par le procédé utilisé pour préparer les microcristaux de sulfate de triglycine. Il est possible d'utiliser des monocristaux, par exemple 5 des petits monocristaux ou des débris de monocristaux plus grands et de les broyer % l'état humide, par exemple dans de l'acétone avec une petite quantité d'une solution ou d'une substance telle qu'un alkanoate de cellulose. Il est possible aussi de produire directement les microcristaux par refroidissement rapide d'une 10 solution aqueuse saturé» de sulfate de triglycine pour obtenir initialement des cristaux de dimensions très petites. Bien entendu, les microcristaux peuvent être dans ce cas broyés et dispersés dans un film en matière plastique, si désiré avec broyage à l'état humide dans un solvant de la matière formant le film. 15 L'application unique d'une force électromotrice de po larisation au détecteur polycristallin sert seulement à améliorer l'alignement des dipôles électriques parallèlement aux axes ferroélectriques des cristaux du détecteur. Il a été constaté que la tension de polarisation doit être supérieure, par exemple 20 cinq fois supérieure, à celle nécessaire pour le monocristal. Par exemple, une tension de 60 kV/cm pendant 2 à 5 minutes à la température ambiante convient pour des couches de sulfate de triglycine en polycristaux. Si la température de Curie (de b7°C à 49°C) est dépassée à un moment' donné, la polarisation 25 doit être répétée en dessous du point de Curie pour réaligner 3es dipôles. Un détecteur à sulfate de triglycine microcristallin typique nécessite après polarisation une capacité de 10 à 500 picofarads. La sensibilité est de l'ordre de trois fois celle 30 d'un détecteur «a monocristal d'une surface et d'une capacité équivalentes Comme finalement, il est possible de former des couches plus minces avec des microcristaux qu'avec un monocristal, la sensibilité de la couche en microcristaux peut être égale ou même supérieure à celle d'un détecteur en monocristal. 35 La résistance de fuite de la couche en microcristaux après la polarisation est typiquement de 10"*"^ ohms, valeur qui peut être comparée favorablement à celle du monocristal. rvo r\ /_ ' J ! O .eour l'infrarouge à des longueurs d'ondes de 2 microns jusqu'à au moins 35 microns, l'absorption par des cristaux de sulfate de triglycine est assez élevée, de sorte qu'il est possible d'utiliser une électrode métallique transparente sans qu'il 5 soit nécessaire d'améliorer l'absorption par un noircissement supplémentaire. Des électrodes métalliques transparentes convenables, par exemp] 69 02561 5 2C01080 Si le détecteur doit être sélectif spectralement, un absorbeur sélectif, par exemple en tétrafluoréthylène tel que le Téflon, peut être appliqué par pulvérisation sur une électrode en or hautement réfléchissante. 5 La dispersion uniforme des microcristaux de sulfate de triglycine dans une solution d'une substance formant film peut être préparée avec une viscosité convenable pour la pulvérisation. Cela permet la pulvérisation à travers un cache très fin pour former une mosaïque de zones minuscules afin d'obtenir une 10 surface importante de détecteur convenable pour un tube vidicon à infrarouge. La décharge par le faisceau d'électrons de balayage peut produire un signal vidéo de la façon habituelle. Comme le détecteui pyroélectrique est sensible jusqu'à l'infrarouge lointain, cela permet pour la première fois de réaliser un tube vi-15 dicon à infrarouge satisfaisant, et c'est un domaine supplémentaire important pour l'utilisation de la présente invention. D'autres détecteurs thermiques d'infrarouge ne conviennent pas dans ce domaine. Les avantages considérables apportés par la présente 20 invention qui permet de former des détecteurs pyroélectriques ayant n'imperte quelles dimensions désirées, et aussi des détecteurs en mosaïque sont obtenus avec une perte très faible seulement de la sensibilité par comparaison au cas des monocristaux de sulfate de triglycine qui pratiquement ne conviennent pas pour 25 des détecteurs de superficies importantes ni pour des mosaïques. Le sulfate de triglycine est la matière préférée pour l'utilisation à des températures ambiantes comprises entre 10°C et 45°C. D'autres matières pyroélectriques peuvent être utilisées, et dans certains cas elles sont nécessaires, par exemple parce 30 que le point de Curie du sulfate de triglycine est compris entre 47°C et 49°C et un sel différent, par exemple de fluobéryllate. Un séléniate peut être utilisé pour les températures plus basses. La sensibilité est en général la plus élevée au point de Curie ou légèrement en dessous de ce point. 35 A titre d'exemple, une suspension de microcristaux de sulfate de triglycine polycristallin d'une dimension moyenne de 3 microns à 100 microns peut être obtenue par broyage de monocristaux plus gros dans de l'acétone et une petite quantité d'alkanoate de cellulose, Le broyage peut être effectué en plusieurs étages avec récupération chaque fois de la matière la plus 69 02561 6 2001080 fine. La suspension peut ensuite être pulvérisée sur un film en 'Mylar'' d'une épaisseur de 6,35 microns ou même moins portant une couche d'or formant une électrode très mince formée par dépôt sous vide. La suspension uniforme est ensuite laissée pour qu'elle 5 durcisse afin de former une matrice contenant les microcristaux de sulfate de triglycine, après quoi une seconde électrode est déposée sous Vide sur la matrice. Deux détecteurs de dimensions différentes ont été préparés suivant cet exemple, l'un d'environ 4 x 10 cm et d'une épaisseur d'environ 80 microns, et l'autre p 10 d'environ 1,25 cm et d'une épaisseur d'environ 160 microns. La seconde électrode est formée par pulvérisation d'une couche mince d'une suspension de particules de carbure de silicium de diamètres compris entre 5 et 25 microns dans une solution de résine d'alkyde thermoplastique. Le détecteur le plus grand polarisé 15 avec une tension de 600 V a une résistance de fuite en courant continu de 6,5 x 1011 ohms et d'une sensibilité en courant continu de 113 "V/W. La résistance de fuite du détecteur le plus petit polarisé avec une tension de 300 V en courant continu est de 4 10 ohms, 20 Le tableau ci-après donne les résultats de mesures effec tuées pour la sensibilité à deux fréquences différentes ainsi que le pouvoir détecteur spécifique ou détectivité et la valeur du bruit en utilisant le rayonnement d'un corps noir à 1000°K ayant une pointe juste en dessous de 3 microns. 25 Sensibilité Détectivité Bruit/largeur de bande 1 cycle 15 Hz 113 V/W 1,5xl07 cmHz^vT1 1,26 microvolt 90 Hz 16 V/W 1,5x10^ cmHz^^W ^ 0,20 microvolt Il apparaît que bien que- la sensibilité ait varié, la détectivité n'a pas varié et le bruit a changé dans tune propor-30 tion substantielle. La capacité mesurée du détecteur pyroélectrique est de 11 picofarads. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 02561 7 2001080 REVENDICATIONS 1° - Détecteur- pyroélectrique, caractérisé par des électrodes minces et une matrice en matière plastique contenant 5 une dispersion uniforme de microcristaux d'un sel de triglycine en particules ayant des dimensions comprises environ entre microns et 100 microns. 2° - Détecteur pyroélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes sont des couches minces d'or 10 formées par dépôt sous vide. 3° - Détecteur pyroélectrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une des électrodes porte un revêtement mince de matière plastique contenant des» particules de pigments en carbure de silicium uniformément dispersées et ayant des dimensions 15 comprises entre 5 microns et 25 microns. 4° - Détecteur pyroélectrique suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à caractérisé en ce que le sel de triglycine est du sulfate de triglycine. 5° - Détecteur pyroélectrique selon l'une ou l'autre t 20 des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la matrice contenant les microcristaux de sel de triglycine est formée sur un film de téréphtalate de polyglycol portant les électrodes.. 6° - Détecteur pyroélectrique suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'une des électro-25 des est noircie par un film mince de matière plastique contenant une dispersion uniforme de particules de carbure de silicium ayant des diamètres compris entre 5 microns et 25 microns.