Brevet FR2027100A1 — publié le 19700925

La présente invention concerne un détecteur de radiations infrarouges amélioré, utilisant un semi-conducteur qui présente une variation brusque de résistivité par suite d'un changement de température, au voisinage d'une température caractéristique, cette 5 variation de résistivité étant due à ■ une modification de la structure cristalline et elle concerne plus particulièrement un instrument détecteur de radiations infrarouges muni d'une source de référence de la température caractéristique constituée par un corps noir à température stable. 10 Les instruments détecteursclassiques utilisent deux éléments détecteur ayant sensiblement la même caractéristique température-résistivité sur une gamme relativement large de températures.Les deux éléments sont placés au voisinage l'un de l'autre, avec un espacement substantiel entre eux, de telle sorte qu'ils se trouvent 15 dans les mêmes conditions d'environnement. Avec ces dispositifs l'un de ces éléments est exposé aux radiations infrarouges incidentes tandis que l'autre est protégé de ces radiations par une plaque d'interception ou analogue convenable. L'élément protégé est par conséquent maintenu à la température ambiante et sert de 20 source de référence de température. Si on utilise des résistances thermosensibles usuelles, connues dans le commerce sous le nom de thermistors, pour la réalisation de ces éléments, l'élément irradié est chauffé par les rayons infrarouges et il en résulte une augmentation de sa température. L'augmentation de la température 25 entraîne une certaine diminution de la résistivité de l'élément. On mesure la différence des valeurs desrésistance des deux éléments au moyen d'un circuit en pont convenable et cette différence est utilisée pour détecter l'intensité de l'émission des rayons infrarouges. En dépit de l'emploi d'un élément de référence, les ins-30 truments détecteurs de ce type ne sont pas satisfaisants du point de vue de la sensibilité de la détection. Bien que les thermistors aient une résistivité qui dépend de la température, ceci sur une large gamme de température s,le taux de variation de la résistivité provoqué par le changement de température n'est pas suffisamment 35 élevé pour l'obtention d'une sensibilité suffisante. Il en résulte que même si l'élément détecteur est soumis à des radiations 69 45003 2 2027100 infrarouges d'intensité considérable, le changement de r.ésistivité de l'élément est insuffisant pour certaines applications. Pour cette raison les instruments clas s ique s ne sa te font pas pleinement aux exigences de précision et de sensibilité requises, ce qui limite les 5 applications dont ils sont susceptibles. les instruments détecteurs selon la présente invention utilisent des semi-conducteurs qui présentent un changement de résistivité, aux environs d'une température caractéristique, beaucoup plus abrupte que les thermistors usuels, ceci dans une gamme limi-10 tée. On utilise une paire de tels semi-conducteurs comme élémente détecteurs, l'un pour détecter les radiations infrarouges incidentes et l'autre pour maintenir la température ambiante à la valeur caractéristique . Le premier élément est exposé aux radiations infrarouges incidentes, comme dans le cas des thermistors. L'intensité -] 5 des radiations est cependant détectée par la mesure de son changement de résistivité sans utilisation d'un circuit en pont. Le se-cond élément est protégé des rayons infrarouges de façon à. mesurer la température qui prévaut au voisinage des deux éléments, ceci avec une sensibilité élevée. Par conséquent si l'élément protégé 20 détecte la différence entre la température mesurée et la température caractéristique, cette différence, après amplification, peut être appliquée à un générateur de chaleur convenable pour maintenir la température ambiante au point désiré. Les détecteurs selon l'invention peuvent être munis également, selon un mode de réalisation 25 préférentiel , d'un four ou analogue électrique présentant, sur sa surface interne, un film résistant noir. Les deux éléments détecteur sont montés au voisinage du film , sensiblement dans les même conditions d'environnement, excepté que l'un des éléments est protégé. Grâce à ce montage une quantité de chaleur contrôlée 30 adéquate est engendrée dans le film résistantpour maintenir l'élément protégé à sa température caractéristique. De cette façon l'autre élément, prévu pour détecter les rayons infrarouges,est également maintenu, de façon précise, à la température caractéristique. D'autre part les deux éléments sont maintenus à proximité 35 immédiate du film résistant de telle' sorte que l'on peut faire diminuer la résistance thermique entre les éléments et le film pour 69 45003 3 2027100 10 réduire la valeur de la constante de temps. Ainsi la température des éléments est maintenue à la valeur caractéristique désirée, ceci avec une réponse rapide, par la chaleur dégagée dans le film résistant. le film résistant peut être fait par exemple de carbone ou d' oxydes métalliques connus sous le nom commercial de "G-laze résis-tors" de manière à constituer un corps noir formant source de radiation de la température caractéristique. Par conséquent un corps noir formant source de référence supplémentaire est indispensable. La présente invention a pour objet de prévoir un détecteur de radiations infrarouges amélioré utilisant deux éléments d'un semi-conducteur à haute sensibilité comme éléments détecteurs,ce détecteur présentant une sensibilité de mesure accrue et ayant de grandes applications pratiques. 15 L'invention a également pour objet de prévoir un détecteur de radiations infrarouges amélioré comprenant, en combinaison, un corps noir formant source de radiation, de référence de la température caractéristique de telle sorte que ledit détecteur peut fonctionner avec une précision accrue/ 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple : - La figure 1 représente une courbe classique représentant la résistivité en fonction de la température pour des semi-conduc- 25 teurs utilisés pour l'élément détecteur selon l'invention ; - La figure 2 est raie coupe du détecteur de radiations infrarouges selon la présente invention ; - La figure 5a est une vue en plan de Ja plaque de substrat servant à fabriquer les éléments détecteurs utilisés dans le détec- 30 teur de la figure 2 ; - La figure 3b est une coupe selon la ligne I-I de la figure 3a ; - La figure 4 est une coupe montrant un exemple préférentiel d'application du détecteur représenté à la figure 2. 35 A la figure 1, la température caractéristique d'un semi conducteur déterminé est représenté par T , température pour laquelle la structure cristalline du semi-conducteur est modifiée et 69 45003 4 2027100 pour laquelle la résistivité des semi-conducteurs augmente de façon brusque. La résistivité du s emi-conducteur correspondant à la température Tq est représentée par Rq. Les semi-conducteurs destinés à être utilisés dans le détecteur de radiations infra-5 rouges selon la présente invention peut être constitués, par exemple, par du dioxyde de vanadium YO^ ,dusex-quioxyde de vanadium V20^, de 1*oxyde de titane TiO et du sulfure d'argent Ag^S. Ces semi-conducteurs sont connus comme présentant une résistivité qui diminue rapidement en fonction d'une augmentation de température, 10 ceci dans une gamme de température limitée au voisinage de T . Le dioxyde de vanadium en particulier est connu pour le changement de sa résistivité de trois&dffres environ au voisinage de la température caractéristique de 67°C. Il est nécessaire cependant de maintenir de façon précise la température des éléments détec-15 teurs à la valeur caractéristique de façon à utiliser leur brusque changement de résistivité en fonction de la température. Le détecteur, de radiation infrarouges représenté à la figure 2, qui est désigné d'une, façon générale par 10, comporte une paire d'éléments détecteurs 11 et 12 fait des semi-conducteurs susmen-20 tionnés. Les éléments détecteurs 11 et 12 sont placés au voisinage immédiat l'un del'autre avec un espacement substantiel entre eux, sur une plaque de substrat 13» faite en un matériau isolant, tel que de l'alumine ou du quartz. L'élément détecteur 12 est protégé par un élément d'interception convenable 14 fait en un matériau 25 tel qu'un métal qui est opaque aux radiations infrarouges. Les éléments détecteurs 11 et 12 sont munis d'une paire d'électrodes 15 et 16 respectivement qui sont reliées à une source de tension (non représentée) par l'intermédiaire de fils conducteurs 17 et 18 respectivement. 30 Les deux éléments détecteurs 11 et 12 sont maintenus à la température ÎQ, la résistivité ayant la valeur Eq. On réalise le contrôle de température en utilisant l'élément protégé 12 qui sert de détecteur de température.Lorsque la valeur de la résistivité de l'élément protégé, ou détecteur de température 12, diffère de 35 la valeur de référence Rq, cette différence est amplifiée et utilisée pour contrôler la résisitivité de l'élément 12 de façon à ramener cette résistivité à la valeur E-oet à rétablir la température BAD ORIGINAL 69 45003 5 2027100 ■T . De cette façon l'élément détecteur 11 est également maintenu à la température T . ' En fonctionnement, lorsque les rayons infrarouges irradient l'élément 11 dans la direction indiquée parla flèche I.R. de la 5 figure, l'élément 11 est chauffé par l'irradiation des rayons infrarouges et sa température augmente avec le taux d'émission des radiations infrarouges. Cette augmentation dé température provoque une brusque diminution de la résistivité de l'élément 11. Cette diminution de résistivité est détectée par des circuits électriques 10 convenables (non représentés) et elle est ensuite transformée en intensité de radiations. Les figures 3a et 3b montrent un procédé pour fabriquer les' éléments 11 et 12 de façon qu'ils fassent corps avec la plaque de substrat 13. Selon le procédé classique les éléments 11 et 12 tels 15 qu'ils sont utilisés dans l'invention,sont fabriqués par évapora-tion sous-vide, pulvérisation ou impression sur une plaque de substrat plane, en utilisant un masque de forme désirée. XJn tel procédé implique cependant l'emploi d'un appareil complexe telle qu'une pompe.à vide et il requiert des techniques hautement spé-20 cialisées. Selon le procédé proposé par l'invention, on forme, dans la plaque de substrat 13, un certain nombre,désiré, de cavités de forme appropriée en des endroits appropriés de ladite plaque. Ces cavités sont remplies d'un matériau de remplissage convenable 25 pour de tels semi-conducteurs. Le matériau ainsi introduit dans des cavités est ensuite séché ou aggloméré avec la plaque de substrat 13 de façon à constituer les éléments détecteurs 11 et 12. Ce procédé a des avantages suivants. 1. Le matériau est fixé dans les cavités pendant le procédé 30 35 2. Etant donné qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des mas ques de carbone ou analogue, il n'y a pas danger que le matériau soit mélangé avec des impuretés, de telle sorte qu'il n'y a pas 69 45003 6 2027100 dégradation de la pureté reguise des éléments. Ceci est considéré comme étant important pour maintenir la stabilité de performance des semi-conducteurs. Par conséquent le procédé proposé par la présente invention 5 est avantageux pour la fabrication d'éléments 11 et 12 fins et de petites dimensions, ayant des caractéristiques stables et présentant la précision et la reproductibilité requises.De plus, par ce procédé, les électrodes 15 et 16 peuvent être constituées, si on le préfère, par évaporation sur les extrémités opposées des sur-10 faces des deux éléments 11 et 12. . La figure 4 montre un exemple préférentiel d'un instrument détecteur de radiations infrarouges utilisant les éléments susmentionnés. L'élément détecteur est désigné d'une façon générale par 20 et il comporte, comme d'habitude, le détecteur 10 représenté 15 à la figure 2 et un four ou analogue creux 21 muni d'une enveloppe faiteen un matériau isolant tel.que l'alumine ou le quartz. Le four ou analogue 21 est ouvert à une extrémité et fermé à l'autre extrémité, comme représenté. La surface interne de l'enveloppe du four ou analogue 21 est revêtue d'un film résistant noir 22, de 20 faible épaisseur , fait de carbone ou d'oxydes métalliques connus sous le nom commercial de "Glaze résistors". Deux électrodes annulaires 23 et 24 sont montées aux extrémités supérieure et inférieure respectivement de l'enveloppe. Un amplificateur de contrôle de température 25, de type convenable, est connecté entre 25 le film résistant 22 et l'élément 12, grâce à un fil conducteur 18, pour régler la tension appliquée au film 22, afin de maintenir la résistivité de l'élément 12 à la valeur Rq. Un amplificateur de signal convenable 26 est relié électriquement à l'élément 11 par l'intermédiaire d'un fil conducteur 17 et est prévu pour dé-tecter les rayons infrarouges irradiés sur l'élément 11. L'élément détecteur 10 est représenté comme étant construit de façon identique à celui représenté à la figure 2, ceci dans un but illus-tratif, mais les éléments détecteurs 11 et 12 peuvent être remplacés par les éléments fabriqués selon le procédé représenté aux 25 figures 3a et 3b si on le désire. L'ensemble du four ou. analogue 20 est chauffé préliminai-• rement par le film résistant 22 et il est maintenu à la température 69 45003 7 2027100 caractéristique T , comme il a été expliqué précédemment.. En fonctionnement les rayons infrarouges I.R. émis par un objet en cours dtinspection traversent une ouverture 27 prévue à l'extrémité ouverte du four 20 et ils irradient l'élément détecteur 11. la 5 résistivité de l'élément 11 diminue alors brusquement en raison de son augmentation de température jusqu'à un point permettant la détection de l'intensité desradiations grâce à l'amplificateur de signal 26. Ce mode de construction des instruments détecteurs selon l'in-■j q ■ vention présente de nombreux avantages. En raison du fait que la surface interne de l'enveloppe du four est revêtue du film résistant 22 et en raison du fait que les éléments détecteurs 11 et 12 sont en contact thermique intime avec le film 22, la plaque de substrat 13, interposée entre eux, présentant une capacité calo-15 rifique négligeable, la constante de temps thermique régissant -l'échange de chaleur entre le film résistant 22 et les éléments détecteurs 11 et 12 peut être réduite jusqu'à une valeur négligeable. Le four ou analogue peut ainsi être maintenu, dans sa totalité, à une température constante Tq, avec la précision élevée 20 requise._D'autre part le film résistant 22 peut être fait, par exemple,de carbone muni d'un revêtement de telle sorte qu'il sert de corps noir formant source de radiations de référence, ce qui entraîne l'inutilité d'un four de référence supplémentaire formant corps noir, les éléments détecteurs 11 et 12 présentant une grande 25 variation de résistivité avec la température, les instruments détecteurs utilisant de tels éléments présentent une sensibilité élevée aux radiations infrarouges, ce qui est encore plus important . les instruments détecteurs selon la présente invention peuvent 30 être utilisés pour un grand nombre d'applications pratiques. Ces instruments peuvent être utilisés de façon avantageuse pour mesurer un objet à haute température tel qu'un four électrique usuel. Dans ce cas l'objet émet une quantité importante de radiations infrarouges de telle sorte que la mesure de sa température peut 35 être effectuée avec une extrême facilité. On peut, si on le désire, prévoir un corps tronconique à l'extrémité ouverte de l'enveloppe du four de façon à diminuer les radiations infrarouges incidentes 69 45003 8 2027100 à une valeur raisonnable. Les instruments selon la présente invention se prêtent également à la détection d'un objet ayant une température relativement basse, car les éléments détecteurs ont une sensibilité satisfaisante aux rayons infrarouges. Cette appli-5 cation est considérée comme étant très importante du point devie pratique, lorsque l'on désire détecter et inspecter un défaut ou un mauvais fonctionnement dans lë corps humain ou localiser un défaut dans un circuit intégré. La partie ou portion présentant un tel défaut ou un tel mauvais fonctionnement est généralement 10 chaufféelocalement à une température plus élevée que les parties ou portions environnantes de telle sorte qu'elle émet des rayons infrarouges avec une intensité sensiblement plus élevée. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisations décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à 15 titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 69 45003 9 2027100 REVENDICATIONS 1. Détecteur de radiations infrarouges caractérisé en ce qu'il comporte une paire d'éléments détecteurs montés au voisinage l'un de l'autre et placés à une certaine distance l'un de l'autre sur une plaque de substrat faite en un matériau isolant, lesdits 5 détecteurs étant constitués par des semi-condùcteuis présentant une variation brusque de résistivité en fonction de la température dans une gamme limitée au voisinage d'une température caractéristique, l.'un desdits éléments détecteurs pétant protégé contre les radiations infrarouges par une plaque ^'interception en métal et ■jO maintenant la température ambiante descT-TtS éléments à la température caractéristique précitée, l'autre élément détecteur étant exposé aux radiations infrarouges et détectant leur intensité . 2. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur précité est fait en un matériau choisi jcj dans le groupe formé par le dioxyde de vanadium, lese-xquioxyde de vanadium , le monoxyde de titane et le sulfure d'argent. 3. Détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément semi-conducteur est réalisé en remplissant une pluralité de cavités ménagées de ladite plaque de substrat, avec 20 "tua matériau de remplissage et en agglomérant ultérieurement ledit matériau de façon à constituer lesdits éléments détecteurs. 4. Instrument détecteur de radiations infrarouges comportant un détecteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un four muni d'une enveloppe en matériau isolant et dont la 25 surface interne est revêtue d'un film résistant noir, une paire d'électrodes annulaires montées aux extrémités supérieure et inférieure de ladite enveloppe, un amplificateur de contrôle de température connecté électriquement entre ledit film résistant et l'élément protégé et commandant la tension appliquée audit film et un amplificateur de signal relié électriquement à l'élément exposé aux radiations et détectant l'intensité desdites radiations. 5. Instrument selon la revendication 4 caractérisé en ce que le film résistant noir précité est constitué par ài carbone . 69 45003 10 2027100 6. Instrument, selon la revendication 4 caractérisé en ce que le film résistant noir précité est constitué par un oxyde métallique connu sous le nom commercial de "G-laze résistors".