Brevet FR2026266A1 — publié le 19700918

Conformément au mode de réalisation de la présente invention représenté sur le dessin, l'invention concerne un détecteur d'énergie comprenant disposée selon un plan une série d'éléments de thermocouples de référence et de mesure placés sur une meme embase-support. Les surfaces des éléments de référence sont en bon contact thermique avec un refroidisseur tandis que les éléments de mesure sont en mauvais contact thermique avec le refroidisseur. Le signal de sortie délivré par ce montage de thermopile, pour un flux de chaleur donné à l'entrée, indique ainsi la différence entre les températures d'équilibre thermique des éléments de référence et de mesure qui est due à la différence entre les vitesses de perte thermique de ces éléments.Cette différence de température apparat quand l'énergie à mesurer a un niveau fixe ou varie périodiquement à une vitesse plus faible que la vitesse d'évacuation thermique des éléments. Dans la présente invention, l'énergie électromagnétique est détectée par absorption de l'énergie et de la quantité de mouvement dans un milieu détecteur dans lequel il y a excitation d'autres quantas (comme la chaleur dans un détecteur thermique) vers des états excités. La sensibilité résultante d'un tel détecteur dépend donc du nombre relatif d'états excités que l'on peut maintenir par rapport au nombre d'états existant à 1 'équi- libre en l'absence de différence de température dans le détecteur thermique. Ces populations supplémentaires dépendent de leur taux de génération, c'est-à-dire de la différence entre leur taux de création à partir du signal énergétique et le taux naturel de relaxation vers l'état d'équilibre des populations supplémentaires. D'après la théorie du transfert des porteurs excités, on peut montrer que la détectivité d'un signal large bande du détecteur peut rentre augmentée en donnant sa valeur maximum'à la différence entre ces deux taux. Dans le cas du détecteur thermique de la présente invention, ceci est obtenu en réduisant au minimum la capacité calorifique associée aux populations des états excités à la jonction chaude du thermocouple et en donnant une valeur maximum à la capacité calorifique associée à la jonction froide du thermocouple. De plus, il est important dans un détecteur, d'obtenir une dérive minimum, à la sortie, pour un signal d'entrée constant. La dérive résulte des variations du nombre d'états excités maintenus pour un niveau de signal fixe et des variations du nombre d'états excités dans les conditions d'équilibre.Le détecteur thermique selon l'invention présente une configuration physique et électrique améliorée qui aide à maintenir la stabilité desdits taux au cours du temps et à accroître la différence entre ces deux taux. La figure 1 est une vue en plan du détecteur thermique selon l'invention; et la figure 2 est une vue en perspective agrandie des jonctions formant les thermocouples du détecteur de la figure 1. D'après les figures 1 et 2, la thermopile détectrice Il comprend une feuille d'aluminium ou un autre substrat thermiquement conducteur 53 d'environ 25 microns d'épaisseur, muni sur sa surface supérieure d1une couche d'oxyde 55, telle que de l'alumine ou de la silice ou analogue, dont l'épaisseur est voisine de 1.000 Angströms. Les régions longitudinales 57 sont formées en attaquant chimiquement la feuille d'aluminium par dessous de façon à former une rangée de fenêtres parallèles 57 recouvertes seulement par la couche d'oxyde 55. Le trajet conducteur 59 qui a une forme de zig-zag, est formé d'une pluralité de thermocouples montés en série, constitués par des matériaux tels que le bismuth-antimoine ou le silicium-germanium ou le fer-constantan ou analogue.Chaque thermocouple comprend une couche de bismuth 56 déposée par vaporisation sur la surface de la couche d'oxyde d'aluminium de telle sorte qu'elle s'étend à partir du bord d'une fenêtre 57 dans la direction du trajet conducteur, au-dessus d'une partie de la largeur de la bande d'aluminium adjacente 53 et au-dessus d'une partie d'une entre adjacente 47.Une couche d'antimoine 58 est alors déposée par vaporisation sur le bismuth 56 ainsi quetsur la partie restante de la fenêtre 57 de façon à former une paire de jonctions bismuth-antimoine, l'une étant disposée au-dessus de la fenêtre 57 et l'autre au-dessus de la bande d'aluminium 53, ce qui complète la connexion en série des jonctions dans le trajet conducteur en zig-zag. On dépose une couche d'isolant électrique 61 constituée par un matériau tel que l'oxyde de silicium (SiO) au moins sur la jonction 60 (ou sur toute la surface) et on peut alors placer sur les jonctions chaudes 60 des résistances chauffantes 64, constituées chacune par une couche de matériau résistif tel que l'alliage Nickel-Chrome (NiCr) disposé selon des bandes parallèles 64 entre les contacts 66 et 68 Dans une autre disposition, les éléments chauffants 64 placés en bon contact thermique avec les jonctions chaudes 60 peuvent être remplacés par une couche absorbant les radiations, de noir d'or, de noir de carbone, de matériau au spectre d'absorption sélectif, de colorant ou analogue, déposée seulement sur les jonctions 60 disposées sur les fenêtres 57 tandis que les jonctions restantes 62 disposées sur les bandes d'aluminium 53 peuvent être laissées telles quelles ou recouvertes d'un matériau réfléchissant ou à réflexion sélective.L'aluminium ou un autre matériau constituant le substrat peut Btre enlevé autour du bord périphérique en laissant seulement le bord périphérique du film dioxyde 52 là où on désire isoler thermiquement le substrat d'un support périphérique (par exemple là où on veut commander ou contrôler la température du substrat). Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le substrat d'aluminium comprend des ouvertures espacées à travers lesqwiles la couche d'oxyde qui recouvre la surface s'étend selon un cône de sommet disposé en-dessous de la surface active de la thermopile. Les jonctions correspondant aux jonctions "chaudes" 60 des figures 1 et 2 sont alors formées au-dessus du sommet intérieur et la totalité de la surface intérieure du cône peut être revêtue d'un matériau absorbant les radiations. La surface plane restant autour des ouvertures du cône porte les jonctions "froides" 62 selon un arrangement semblable à celui qui est représenté sur les fIgures 1 et 2, de telle sorte qu'elles sont en excellent contact thermique avec la masse thermique du substrat. Ainsi, dans chaque mode de réalisation, les forces électromotrices d'origine thermoélectrique se combinent en slop- posant à chacune des jonctions de telle sorte que le courant résultant qui s'écoule dans les fils 63 et 65 indique la différence moyenne entre les températures des jonctions chaudes et froides 60, 62 le long du trajet conducteur 59. Le courant résultant dans les fils 63, 65 indique la différence entre les températures d'équilibre des jonctions chaudes et froides 60, 62 qui est fonction du signal énergétique appliqué.C'est parce que les jonctions chaudes 60 disposées sur la fenêtre 57 ne sont couplées thermique ment aux bandes d'évacuation 53 en aluminium que latéralement le long de fines couches faiblement conductrices de la chaleur d'oxyde d'aluminium 55, de bismuth 56 et d'antimoine 58, qu'elles atteignent une température plus élevée pour un flux de chaleur d'entrée donné, tandis que les jonctions froides ou de référence 62 qui sont très fortement couplées thermiquement à ces mêmes refroidisseurs 53 directement à travers la fine couche d'oxyde d'aluminium 55 n'atteignent pas une température élevée. En raison des faibles masses thermiques, des faibles capacités thermiques et des flux de chaleur mis en jeu dans le présent détecteur, les thermopiles selon l'invention peuvent présenter des temps de réponse complets aussi faibles que dix-sept microsecondes et, typiquement, leurs temps de réponse sont de l'ordre de quelques millisecondes. Ainsi, quand le signal énergétique à mesurer est appliqué au détecteur 11 par des moyens convenables, les jonctions chaudes et froides atteignent l'état d'équilibre en un temps de l'ordre de quatre millisecondes, à différentes températures. Le signal de sortie 54 du détecteur 11 indique donc les différences de température entre les jonctions chaudes et froides quand un signal énergétique de niveau donné est appliqué au présent détecteur. - REVENDICÂTIONS - 1 - Détecteur d'énergie qui comprend une embase et une pluralité de jonctions entre des matériaux différents du point de vue thermoélectrique, disposées sur l'embase selon un trajet conducteur, un premier nombre donné de jonctions opérant comme j onctions relativement chaudes et un deuxième nombre donné de jonctions opérant comme des jonctions relativement froides, ces dernières jonctions étant en meilleur contact thermique avec l'embase que les premières, caractérisé en ce que les vitesses de transfert de la chaleur-entre l'embase et le premier nombre donné de jonctions d'une part et entre l'embase et le deuxième nombre donné de jonctions d'autre part, sont différentes. 2 - Détecteur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite embase comprend des régions de masses thermiques différentes, en ce que le premier nombre donné de jonctions est couplé aux régions de masse thermique relativement basse et le deuxième nombre donné de jonctions est couplé aux régions de masse thermique relativement élevée et en ce que des moyens, couplés thermiquement au-premier nombre donné de jonc- tions, élèvent la température de celles-ci en réponse au signal appliqué. 3 - Détecteur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens couplés au premier nombre donné de jonctions comprennent des résistances chauffantes disposées de telle sorte qu'elles conduisent le courant et qu'elles sont électriquement isolées du premier nombre donné de jonctions. 4 - Détecteur d'énergie selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'embase comprend des bandes de matériau de substrat formant une surface et des parties allégées, évidées endessous de ladite surface, ainsi qu'une couche électriquement isolante disposée au-dessus des parties en forme de bandes et des parties allégées de façon à former une surface d'embase continue, les régions de masse thermique faible étant placées sur les parties évidées dans le matériau du substrat et les régions de masse thermique élevée sont placées sur les bandes de matériau du substrat. 5 - Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les matériaux de pouvoirs thermoélectriques différents sont le bismuth et l'antimoine. 6 - Méthode de fabrication d'un détecteur comprenant plusieurs étapes, à savoir la fabrication d'une embase comprenant une première et une deuxième région espacées présentant des vitesses d'évacuation de la chaleur différentes, le dépôt d'un premier matériau conducteur de l'électricité selon une pluralité de bandes s'étendant dans une direction sur des parties des premières régions et sur des parties des deuxièmes régions adjacentes, et le dépôt d'un deuxième matériau conducteur de l'électricité, de pouvoir thermoélectrique différent de celui du premier matériau, selon une pluralité de bandes qui chevauchent et relient les bandes adjacentes du premier matériau selon la direction mentionnée, de façon à constituer un trajet conducteur continu de jonctions thermoélectriques formées aux chevauchements du premier et du deuxième matériau, caractérisé en ce que la vitesse d'évacuation de la chaleur à partir des jonctions adjacentes aux premières régions est différente de la vitesse d'évacuation à partir des jonctions adjacentes aux deuxièmes régions. 7 - Méthode de fabrication d'un détecteur d'énergie selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'étape correspondant à la fabrication de l'embase comprend, dans l'ordre, une étape de formation d'une couche électriquement isolante sur une surface d'un substrat métallique et un enlèvement de substrat métallique selon des régions espacées pour donner aux deuxièmes régions une vitesse d'évacuation thermique plus faible que celle des premières régions placées à proximité immédiate des deuxièmes régions. 8 - Méthode de fabrication d'un détecteur d'énergie selon la revendication 6, comprenant une étape supplémentaire, à savoir le dépôt d'une couche de matériau en relation thermique avec les jonctions adjacentes aux deuxièmes régions, qui élève la température des jonctions adjacentes aux secondes régions en réponse au signal énergétique appliqué. 9 - Méthode de fabrication d'un détecteur d'énergie selon la revendication 6, caractérisée en ce que, dans les étapes correspondant au dépôt de matériaux conducteurs de l'électricité, le premier matériau conducteur de l'électricité est le bismuth et le deuxième matériau conducteur de l'électricité est l'antimoine.