Brevet FR2130414A1 — publié le 19721103

La présente invention se rapporte généralement à des dispositifs formant détecteurs d'intensité de radiations infra-rouges; plus particulièrement, elle concerne et a essentiellement pour objet un appareil formant détecteur 5 d'intensité de radiations infra-rouges ou analogue utilisant la pyro-électricité ou analogue ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de sa mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, équipements et installations pourvus de tels dispositifs. 10 Un détecteur d'intensité de radiations infra-rouges, sensible à des rayons infra-rouges,est utilisable pour déceler ou captez* une température relativement basse eu une distribution de température d'une surface d'une matière à partir d'une position d'emplacement éloignée de la surface de la matière puisque la 15 surface de la matière à température relativement basse rayonne des radiations infra-rouges contenues dans un spectre où une valeur maximale, de crête ou de pointe se situe à une longueur d'onde d'environ 10 microns. Divers-détecteurs ou capteurs de radiations infra-rouges, 20 sensibles à des rayons infra-rouges, ont été développés, dont l'un est du type photoconducteur tel qu'un détecteur de radiations infra-rouges au germanium. Ce type de détecteur possède une sensibilité excellente et une vitesse ou qualité de réponse élevée, bien que ce type de détecteur soit désavantageux en ce 25 que le détecteur est utilisable seulement dans un domaine limité de longueurs d'onde et susceptible de fonctionner activement à une basse température ambiante seulement. Un autre détecteur de radiations infra-rouges est un bolomètre à thermistor ou à thermistance. Bien que le bolomètre à thermistor ou à thermis-30 tance soit utilisable dans un large domaine de longueurs d'onde et susceptible de fonctionner activement à une haute température ambiante, le bolomètre à thermistor doit, en cours de fonctionnement, être excité par une tension électrique de polarisation de + 100 à 300 V„ Encore un autre détecteur de radiations infra-35 rouges est du type pyro-électrique utilisant un cristal pyroélectrique qui est spontanément polarisé on fonction de la variation de température du cristal causée par des rayons 72 09482 2 2130414 infra-rouges rayonnes vers celui-ci ou irradiant celui-ci. Le détecteur pyro-électrique d'intensité de radiations infrarouges est utilisable dans un large domaine de longueurs d'onde et est actif à une température soit basse ou élevée sans aucune 5 tension électrique de polarisation. Il est connu dans la technique que l'effet pyro-électrique a lieu dans les cristaux suivants : le titanate de baryum, le sulfate de lithium, le sel de Rochelle (KNaC^H^Og), le titano-zirconate de plomb, le sulfate de triglycine, le niobate de lithium (LiETbO^), le composé Sr^KLiNb^O^ 10 et le composé Sr^Ba^ _xNb2^6* Auparavant, sulfate de triglycine, le niobate de lithium et le corps composé SrxBa^ x^)2^6 0ïr': souvent été utilisés pour les détecteurs de radiations infrarouges. Dans le présent cas, il est à noter qu'un cristal pyro-15 électrique, à utiliser pour un détecteur d'intensité de rayonnements infra-rouges, doit être discuté des points de vue suivants : 1) Pouvoir détecteur ou capacité de détection (D*). Le pouvoir détecteur ou la capacité de détection D*, dit encore facteur ou coefficient de détectivité, d'un cristal pyro-20 électrique est représenté par la valeur inverse d'une intensité telle de rayons infra-rouges incidents arrivant sur le cristal qu'elle provoque l'apparition, dans le cristal, d'un signal pyro-électrique ayant une intensité égale à celle de bruits produits dans le cristal. La dimœ. sion du pouvoir détecteur ou 25 facteur de détectivité est exprimé par cm \J Hz/W. 2) Aptitude au façonnage . L'aptitude au façonnage eu au formage, c'est-à-dire l'ouvrabilité ou l'aptitude à la mise en oeuvre, d'un cristal pyro-électrique régit généralement la productivité en masse ou fabrication en 30 série et le coût de production de celui-ci„ Il est désirable que le cristal à utiliser pour le détecteur de radiations infrarouges soit facilement conformé en une petite pastille, plaquette ■5 ou tablette d'environ 1 x 1 x 0,02 mm = 0,02 mm en volume par traitement de coupe ou de polissage. On désire en outre que des 35 électrodes, pour capter l'effet pyro-électrique, puissent être facilement collées ou liées de façon adhérente à la surface du cristal. 72 09482 3 2ï 3U4 i 4 3) Température ou point de Curie (Te). Comme la polarisation spontanée dans le cristal pyroélectrique peut être possible seulement en dessous de la température de Curie, le détecteur pyro-électrique doit être 5 utilisé en dessous de la température de Curie. Par conséquent, il est désirable qu'un cristal pyro-électrique, à utiliser pour un détecteur d'intensité de rayons infra-rouges, ait une température de Curie élevée. 4) Coefficient de température de la polarisation spontanée 10 (dPs/dT). Le coefficient de température de polarisation spontanée d'un cristal pyro-électrique régit la sensibilité du dispositif comportant le cristal. Des cristaux de sulfate de triglycine, de niobate de lithium LiUbO^ et de Sr Ba. ÏIbo0£ seront discutés 3 x 1-x 2 d 15 selon les points de vue mentionnés ci-dessus dans la description suivante. 1) Sulfate de triglycine. Comme le cristal de sulfate de triglycine est très fragile, il peut être difficile de façonner le cristal suivant une forme 20 désirée. En outre, comme le cristal de sulfate de triglycine est soluble dans l'eau, le cristal est sensible à l'humidité présente dans l'atmosphère. Par conséquent, les cristaux doivent être protégés en cours de fabrication contre l'influence de l'humidité dans l'air ambiant et le dispositif doit être pourvu d'un 25 boîtier formant enveloppe ou enceinte de protection pour y contenir le cristal. En outre, comme le cristal de sulfate de triglycine présente une température de Curie aussi basse que 50°C, le détecteur, utilisant le cristal, est actif seulement dans un domaine 30 s'étendant de 30 à 40°C. 2) Niobate de lithium (LiîTbO^). Bien que le cristal de niobate de lithium ait une aptitude au façonnage préférée et une température de Curie élevée, le cristal possède un facteur de détectivité D* médiocre même si 35 le cristal est un monocristal ou analogue. 3) Composé SrxBa^_xITb20g. Il est difficile d'obtenir un monocristal de Sr^Ba^^Ub^Og 72 09482 4 2130414 de haute qualité. Bien que le cristal de Sr Ba, Nbo0, ait un x 1-x 2 6 pouvoir de détection ou facteur de détectivité préféré D*, le cristal possède une basse température de Curie. Il est en outre difficile de polariser le cristal de Sr Ba. Nbo0^ dans une xi-x 2 6 5 direction. Il est évident d'après la description précitée que les détecteurs pyro-électriques classiques de radiations infrarouges, utilisant les cristaux précités, ne sont pas entièrement acceptables. 10 C'est donc un but de la présente invention de créer un détecteur pyro-électrique perfectionné d'intensité de radiations infra-rouge s. Un autre but est de créer un détecteur d'intensité de rayons infra-rouges ayant un pouvoir détecteur ou facteur de 15 détectivité D* suffisamment grand. Encore un autre but est de créer un détecteur d'intensité de radiations infra-rouges ayant line aptitude préférée au façonnage. Un autre but est de créer un détecteur d'intensité de 20 radiations infra-rouges ayant une haute température de Curie. Encore un autre but est de créer un détecteur d'intensité de radiations infra-rouges qui puisse être facilement fabriqué par un procédé de production en masse ou en grande série. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, 25 caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : 30 - les figures 1 et 2 représentent respectivement des vues en coupe de formes d'exécution préférées de la présente invention. Des chiffres de référence correspondants désignent des éléments identiques dans ces vues. Un détecteur d'intensité de radiations infra-rouges conforme 35 à la présente invention utilise un substrat polarisé en céramique composé de titanate de plomb PbTiO^, de bioxyde de manganèse MnOg à raison de 0,2 mole du titanate de plomb et d'oxyde de 72 09482 5 2130414 lanthane La^O^ a raison de 1,0 à 2,0 .-20.les du titanate de plomb PbliO^„ Il est manifeste d'après le tableau suivant que la matière pyro-électrique conforme à l'invention possède une caractéristique supérieure à celles de la matière pyro-électrique 5 classique. TABLEAU t Matière Température de Curie f°C) D* (cm.^Hz/W) dPs (c.m) dT Cal Aptitude au façonnage Sulfate de triglycine 52 6 x 108 3,5 10~8 médiocre, soluble dans l'eau LiîTbO^ 1190 2 x 108 0,6 x 10~8 ErxBa1-x m2°6 130 2,5 x 108 6 x 10~8 PbTiO^ + ^°2& La£0j céramique 470 . , , ... , . . 9,5 x 10b -8 6 x 10 Excellente En se référant maintenant à la figure 1, il y est représenté un mode de réalisation d'un détecteur d'intensité de radiations infra-rouges conforme à l'invention, qui comprend un élément sensible aux rayons infra-rouges 10 comportant un substrat pyroélectrique polarisé en céramique 12 composé de titanate de plomb PbTiO^, de bioxyde de manganèse MnO^ à raison de 0,8 à 1,2 mole $ du titanate de plomb PbTiO^ et d'oxyde de lanthane LagO^ à raison de 1 ,0 à 2,0 moles fo du titanate de plomb PbTi0„. Le 30 substrat 12 est polarisé dans une direction indiquée par le sens des flèches A. Deux électrodes 14 et 14', réalisées par exemple en or, en nickel-chrome ou en aluminium, sont réalisées respectivement sur les deux grandes surfaces du substrat 12 par un procédé approprié tel que 1'évaporation sous vide. Dans le cas présent, il est nécessaire d'aligner les électrodes 14 et 14' dans la direction de polarisation du substrat 1 2. Deux fils métalliques conducteurs 16 et 16' sont respectivement connectés 72 09482 6 2130414 aux électrodes 14 et 14' dans le but de capter ou de recueillir la variation de la polarisation sous forme d'un signal électrique, l'élément sensible aux rayons infra-rouges 10 est monté, par exemple par l'intermédiaire de l'électrode 14', sur un élément 5 formant support 18 qui est à son tour fixé à une paroi intérieure d'un boîtier (non représenté) du détecteur, de façon à empêcher ou bloquer la transmission de chaleur de l'élément sensible aux radiations infra-rouges 10 vers le boîtier. Quand, en cours de fonctionnement, des rayons infra-rouges 1O irradient la surface du substrat 12 comme cela est indiqué par une flèche B, cela fait varier la polarisation du substrat 12 en fonction de l'intensité des rayons infra-rouges d'irradiation, la variation de la polarisation est recueillie, décelée ou captée par l1intermédiaire des électrodes 14 et 14' et des fils 15 métalliques conducteurs 16 et 16* sous forme d'un signal électrique qui est détecté par exemple par un voltmètre ou instrument analogue de mesure de tension électrique. Quand l'électrode 14 est réalisée de façon à être si mince qu'elle permet aux rayons infra-rouges de passer à travers celle-ci, 20 l'élément sensible aux rayons infra-rouges 10 peut détecter des rayons infra-rouges incidents arrivant sur l'électrode H comme cela est indiqué par une flèche C. Sur la figure 2 est représenté un autre mode d'exécution du détecteur d'intensité de radiations infra-rouges selon 25 l'invention, qui est construit de façon identique à celui de la figure 1, excepté que le substrat 12 est monté sur l'élément formant support 18. Ce détecteur est sensible à des rayons infrarouges incidents arrivant sur le substrat comme cela est indiqué par une flèche D. 30 Un procédé préféré de fabrication du substrat 12 sera expliqué ci-après. Un mélange équimoléculaire d'oxyde de plomb PbO et d'oxyde de titane TiO^ est d'abord préparé, le mélange est ensuite mélangé par un procéd é de mélangeage humide avec du bioxyde de manganèse 35 MnÛ2 représentant 0,8 à 1,2 mole % du titanate de plomb PbTiO^ et avec de l'oxyde de lanthane La20^ représentant 1,0 à 2,0 moles % du titanate de plomb PbTiO^. Ensuite, le mélange résultant est 72 09482 7 2130414 calciné à environ 850°C. Le mélange ainsi calciné est ensuite pulvérisé pour être réduit en une poudre fine. La poudre fine est façonnée en une configuration de boulette, pastille ou disque et frittée à une température de 1240 à 1280°C dans l'air 5 pendant environ une heure. Les matières céramiques résultantes sont plongées dans un bain d'huile de silicone à 200°C où un champ électrique d'environ 60 kV/cm est établi, le sorte que les matières céramiques sont polarisées. Les matières céramiques polarisées sont conformées en une forme désirée» 10 II est évident d'après la description précédente que le détecteur de radiations infra-rouges conforme à cette invention est avantageux par son haut pouvoir de détection ou facteur de détectivité D* et par sa haute température de Curie. En outre, le détecteur de radiations infra-rouges présente une excellente 15 aptitude au façonnage. Il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée à la structure exacte représentée et décrite et que divers changements et modifications peuvent être effectués sans s'écarter de l'esprit et du cadre de l'invention telle que définie dans les 20 revendications annexées. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée auxmodes de réalisation décrits et représentésquirbnt été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi 25 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. 72 09482 8 2130414 -REVENDICATIONS- 1.- Dispositif formant détecteur d'intensité de radiations infra-rouges, caractérisé en ce qu'il comprend : un substrat en céramique polarisée comportant du titanate de plomb PbTiO^, du bioxyde de manganèse Mn02 à raison de 0,8 à 1,2 mole io dudit 5 titanate de plomb PbïiO^ et de l'oxyde de lanthane La^O^ à raison de 1 ,0 à 2,0 moles i° dudit titanate de plomb PbTiO^; et au moins une paire d'électrodes connectées audit substrat en céramique et alignées dans la direction de la polarisation dudit substrat en céramique. 10 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des électrodes précitées est susceptible de se laisser traverser par un rayon infra-rouge ou est transparente à celui-ci. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 15 en ce que les électrodes précitées sont réalisées en or 4.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes précitées sont réalisées en nickel-chrome, 5.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes précitées sont réalisées en aluminium.,