Brevet FR2123113A1 — publié le 19720908

- 1 - La présente invention concerne des perfectionnements aux mosaïques opto-électriques Tridimensionnelles en circuits solides, ainsi qu'aux dispositifs utilisant de telles mosaïques, l'invention se rapporte, plus particulièrement, à des mosaïques groupant les 5 éléments transducteurs opto-électriques ainsi que des circuits d'exploitation associés. Ces derniers peuvent notamment comporter des circuits d1exploratiôn de la matrice en X, Y des transducteurs selon, par exemple, un balayage du type ligne par ligne utilisé en télévision. Dans ce concept, l'invention s'applique avantageusement 10 à la réalisation de dispositifs de prise de vues ou de visualisation en circuits solides. Des techniques récentes de réalisation de dispositifs de télévision en circuits solides, font apparaître des difficultés diverses entraînant d'une part, une commercialisation limitée en 15 considération du prix de revient, d'autre part, des performances limitées du point de Vie définition, c'est-à-dire du nombre de points déterminé par la grille de transducteurs. En conséquence, le champ d'application de telles mosaïques reste réduit. Dans le cas d'un tube de prise de vues, une mosaïque bidimen-20 sionnelle régulière ds photorécepteurs doit se trouver associée à des circuits d'exploitation comprenant des circuits d'intégration et des circuits de balayage. Une technologie récente utilisée, dite "d'intégration à grande échelle'1, consiste à produire sur une face d'un substrat semi-conducteur de grandes dimensions, par 25 diffusions et masquages successifs, les différentes fonctions requises, l'interconnexion de ces fonctions étant obtenue par dépôts de métallisations. le prix de revient atteint rapidement une valeur élevée en fonction du nombre d'éléments photosensibles envisagés et la commercialisation reste limitée à un nombre réduit 30 d'éléments, tels que 10 x 10 photodiodes. Les inconvénients résultent de la complexité de la structure à réaliser sur un plan. Un défaut su un point quelconque de la mosaïque entraîne son rejet j le rendement de fabrication est par suite faible. Le rapport entre la surface active des photorécepteurs et la surface totale de la 35 mosaïque est également faible. Les phénomènes de commutation de circuits sont perturbés par des interactions entre circuits et par la présence de capacités parasites. La maîtrise et le contrôle des caractéristiques des différentes fonctions intégrées sont difficiles à obtenir. BA0 obiginm^ 71 00519 - 2 - 2123113 En vue de remédier à ces défauts, une technique différente utilise une seule mosaïque linéaire dont la rangée de photodiodes est associée à des circuits de décodage intégrés sur la même plaquette. L'analyse de l'image optique est produite en associant à la 5 mosaïque un système déflecteur optique à balayage mécanique. La réalisation de la mosaïque est considérablement simplifiée mais les performances sont limitées du fait que la sensibilité et la fréquence image sont liées. En effet, une commutation très rapide entraîne • une durée d'intégration et par suite une sensibilité, réduite. 10 La réalisation d'un dispositif de visualisation utilisant une mosaïque bidimensionnelle de photo-émetteurs permet, comparativement, une définition plus importante étant donné que l'aire de l'écran de visualisation est, en général, beaucoup plus grande que celle de photoréception d'une caméra. Les circuits d'exploitation 15 sont disposés hors de l'écran qui est constitué de photo-émetteurs juxtaposés. La structure résultante est complexe et de coût élevé. Un objet de la présente invention est la réalisation d'une mosaïque bidimensionnelle de forte compacité remédiant aux inconvénients cités. En particulier, l'application à une caméra de télé-20 vision permet d'obtenir une définition relativement importante dans des conditions de prix de revient modéré. Suivant l'invention, une mosaïque bidimensionnelle comporte plusieurs mosaïques linéaires placées côte à côte dans un même plan, les transducteurs de chacune des lignes étant connectés par 25 des liaisons du type micro-poutres à leurs circuits d'exploitation associées, lesdits circuits étant réalisés sous forme de circuits intégrés et localisés à l'arrière du plan de répartition en X, Y des transducteurs. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 30 dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent : - la figure 1, un schéma simplifié relatif au principe de montage utilisé selon l'invention. - la figure 2, un schéma d'un exemple de réalisation d'une 35 mosaïque élémentaire utilisée pour le montage. - les figures 3-A à 3-D» des schémas en coupe transversale relatifs à l'élaboration d'une mosaïque élémentaire selon la figure 2. - la figure 4, un schéma en coupe transversale d'une mosaïque élémentaire à substrats différents. bad original 71 00519 - 3 - 2123113 - la figure 5, une vue de dessus partielle d'une mosaïque bi--dimensionnelle réalisée conformément à l'invention. - la figure 6, une vue en coupe transversale de la mosaïque représentée sur la figure 5. 5 Une mosaïque bidimensionnelle conforme à la présente invention comprend un assemblage de mosaïques linéaires associées à des circuits d'exploitation respectifs; ces circuits sont réalisés sous forme intégrée et sont placés extérieurement au plan de répartition en X, Y des éléments transducteurs opto-électriques. 10 La figure 1 représente sous forme d'un schéma simplifié le principe d'assemblage mis en oeuvre. La mosaïque bidimensionnelle comporte n x p éléments transducteurs répartis régulièrement dans un plan P n lignes et p colonnes. 0^ considère dans l'exemple figuré que chaque ligne de direction Y est supportée par une plaquette 15 P.J et forme avec celle-ci une mosaïque linéaire. Les plaquettes sont de forme -oarallélipipédique c-t de faible épaisseur; cette dernière dimension a été négligée sur le schéma et elles sont assimilées chacune à un rectangle localisé dans le plan de répartition P. Les plaquettes sont placées côte à côte dans ce plan. Lorsque 20 les éléments transducteurs sont du type photorécepteur, tel des photodiodes, la plaquette P^ peut être un substrat semiconducteur, tel du silicium, sur lequel les photodiodes sont obtenueeen utilisant des techniques de circuits intégrés. L'obtention de transducteurs du type photo-émetteur, tel des diodes électroluminescentes, peut 25 similairement être envisagée sur un substrat semiconducteur différent, tel de 1'arfoeniure de gallium. Les éléments transducteurs opto-électriques d'une ligne, .. .$ , sont connectés par des liaisons respectives, L^ ... L.....L , à des circuits d'exploitation CE associés à ladite mosaïque linéaire considérée. Les circuits 30 d'exploitation CE sont localisés sur une seconde plaquette paralléli-pipédique où. ils ont été produits sous forme de circuits intégrés. La plaquette P2 est, de préférence, en substrat semiconducteur de silicium. Conformément à l'invention, les connexions L, à I de chacune P 35 des mosaïques linéaires sont du type micro-poutre et, en sus du rôle de conducteur électrique attribué généralement s ce type de connexion, elles assurent complémentairement un rôle de liaison mécanique entre les plaquettes P^ et P2 respectivement associées. Les liaisons L^ à L^ forment des charnières après leur avoir imprimé 71 00519 - 4 - 2123113 une forme courbée et la plaquette P2 se trouve localisée à l'arrière du plan P de répartition des transducteurs. Sur la figure, sont représentées à titre d'exemples deux orientations possibles des plaquettes P2 par rapport au plan P, l'une à 90° et l'autre à 180°. 5 D'autres valeurs angulaires peuvent être choisies. Une forme préférentielle d'assemblage est celle correspondant à une rotation de 180° suivant laquelle les plaquettes P^ et P2 respectives sont placées dos à dos ce qui confère à la mosaïque bidimensionnelle une forte compacité et facilite la réalisation d'un circuit d'inter-10 connexion des plaquette Pg. A fin d'interconnexion, chaque circuit- d'exploitation associé CE comporte des bornes de raccordement extérieur qui peuvent être localisées, comme figuré,sur les parties terminales de la plaquette P2 considérée dans le sens de la longueur et qui peuvent consister également en micro-poutres. Chaque ensemble 15 groupant, selon l'invention, au moins une ligne de transducteurs sur une première plaquette P^, leurs circuits d'exploitation associés sur une seconde plaquette P2 extérieure au plan de répartition et des liaisons micro-poutres, est dénommé dans ce qui suit mosaïque élémentaire. La mosaïque bidimensionnelle résulte de l'assemblage 20 àe telles mosaïques élémentaires telles, *'*}£• •• ^ sur la figure 1 . Le schéma de la figure 2, représente de manière plus détaillée une réalisation d'une matrice élémentaire comportant une ligne de transducteurs opto-électriques. Ce type de réalisation peut être 25 obtenu pour des transducteurs du type photodiode et les phases principales d'élaboration sont décrites à titre d'exemple à l'aide des figures 3 A à 3 C. Une première phase correspond à la réalisation sous forme de circuits intégrés, sur une face d'un substrat 1 en silicium, des lignes de transducteurs et des circuits d'exploitation 30 respectivement associés. La figure 3 A est relative à une coupe transversale partielle de direction X où apparait en 2 une photodiode d'une ligne et en 3 un circuit d'exploitation associé. Les micro-poutres 4 sont ensuites déposées par procédé électrolytique (fig. 3, B)et l'épaisseur du substrat réduite par attaque chimique 35 de la face inférieure. A titre indicatif, les micro-poutres peuvent être réalisées en or ou en aluminium avec une épaisseur de 20 à 25 microns, l'épaisseur du substrat peut être ramenée à 40 microns environ . Une attaque chimique complémentaire localisée (fig.3 C) permet de dissocier les plaquettes P1 et P2 comportant respectivement 40 les transducteurs 2 et leurs circuits associés 3. Cette dernière r COPV Bad ORiginai 71 00519 - 5 - 2123113 opération est de préférence produite de manière à ménager des évide-ments latéraux aux endroits de pliage et de passage transversaux des micro-;outres. Il est ainsi possible de réduire la longueur des liaisons micro-poutres tout en facilitant l^ur cambrage. De plus, 5 le positionnement des mosaïques élémentaires pour former une matrice régulière peut être obtenu avec une meilleure précision si, par exemple, ce positionnement correspond à une mise en contact par les zones non évidées des bords latéraux. Une réalisation de mosaïque comportant des évidements est décrite ultérieurement à l'aide des 10 figures 5 et 6. La figure 3~D représente une mosaïque élémentaire résultant du positionnement dos à dos des plaquettes et ?£. Il est entendu qu'une mosaïque élémentaire peut compcrtar plusieurs lignes de transducteurs. A titre d'exemple, il est possible de réaliser aisément des configurations à deux ou trois lignes incluant 15 chacuna au moins une trentaine de transducteurs, avec des circuits d'exploitation associés. Une mosaïque bidimensionnelle d'environ 1000 points peut ainsi être obtenue en plaçant côte à côte une quinzaine de mosaïques élémentaires à deux lignes ou une dizaine de mosaïques élémentaires à trois lignes. Les dimensions hor3 tout d'une 20 telle mosaïque avec son circuit d'interconnexion peuvent être inférieures à 10 x 10 x 2 mm. La constitution de l'assemblage par des mosaïques élémentaires identiques est préférable, en considération notamment d'une diminution de coût résultant d'une fabrication en série. 25 - Le substrat des plaquettes P^ et Pg peut être de nature différente. Il peut être envisagé notamment de réaliser sur un substrat d'arseniure de gallium une matrice d'éléments photo-émetteurs tandis que les circuits d'exploitation sont produits sur un substrat de silicium. La technique d'assemblage consiste à solidariser des micro-30 poutres produites préalablement sur chacune des plaquettes devant être respectiveiiient associées. Un exemple est représenté sur la figure 4, les micro-poutres 4 A et 4 C ainsi que 4 3 et 4 D, sont après pliage soudées pour former les liaisons entre les diodes électroluminescentes 2 A et 2 B réparties sur deux lignes et le 35 circuit associé30. D'autres procédés d'assemblage peuvent être utilisés; la réalisation de micro-poutres de forme particulière peut permettre un assemblage par pression mécanique du type "fermeture éclair". Les figures 5 et 6 se rapportent à un exemple de réalisation 40 d'une mosaïque bidimensionnelle régulière de photodiodes. La vue uad original 71 00519 2123113 — 6 - de dessus partielle figuré 5 représente des mosaïques élémentaires ^j-1 ' Mj +i juxtaposées. Chacune d'elle comporte deux lignes de photodiodes. Chaque couple de photodiodes selon une colonne, tel 2E et 2F, est reproduit avec les liaisons micro-poutres 5 4E et 4F de manière similaire le long de la mosaïque élémentaire. Des évidemments latéraux ont été ménagés dans le substrat des plaquettes aux endroits de courbure et de passage transversal des micro-poutres. La figure 6 représente en coupe transversale l'assemblage dos à dos des plaquettes. Une plaquette en céramique 10 de grandes tO dimensions sert de support mécanique pour les mosaïques élémentaires et comporte réalisé en "couches épaisses" le circuit d'interconnexion. Les micro-poutres de raccordement extérieur des circuits intégrés 31 sont soudées par thermocompression ou tout autre procédé, ultra-sons par exemple, sur des métallisations correspondantes du circuit d'in-15 terconnexion, tel entre une micro-poutre 11 et une métallisation 12 représentée. D'autres liaisons par soudure peuvent être envisagées à titre simplement de tenue mécanique, tel entre la micro-poutre 4E et une métallisation 13- Les circuits intégrés associés sont élaborés en fonction de 20 l'exploitation envisagée et du nombre de lignes de transducteurs portées par la mosaïque élémentaire correspondante. Un cas d'application plus particulièrement prévu est la réalisation d'un dispositif de prise de vues ou de visualisation dans lequel la mosaïque bidimensionnelle est explorée selon un balayage ligne par ligne. Une caméra de télé-25 vision, par exemple, comporte une mosaïque de photodiodes conforme à l'in vention localisées dans un plan focal d'un objectif optique. Chaque photodiode est connectée dans l'ensemble CE intégré à un circuit d'intégration tel un élément capacitif, en série avec un circuit interrupteur analogique, tel un transistor à effet de champ. Les circuits associés CE peuvent 30 comporter en outre, pour chaque ligne de p photodiodes, un registre à p étages déclenchant successivement les circuits interrupteurs correspondants, au rythme d'un signal horloge de synchronisation reçu de l'extérieur. Les raccordements extérieurs du circuit d'interconnexion peuvent couporter, à l'arrivée, une alimentation basse 35 tension des circuits d'exploitation, un signal de démarrage du balayage et un signal d'horloge, et au départ, un signal video et un signal de synchronisation image. Une mosaïque bidimensionnelle conforme à l'invention, constitue aussi bien, équipée de photo-émetteurs un dispositif de visua-40 lisation, l'écran étant formé par la matrice des transducteurs. A bad original 1 00519 2123113 - 7 - définition égale, son association avec un dispositif de prise de vues conforme à l'invention, constitue un ensemble de télévision en circuit fermé. ïïn tel ensemble peut ôtre appliqué à la transmission d'images par voies téléphoniques ou encore, à tout problème de sur-5 veillance exigeant des impératifs de forte compacité. Les avantages présentés par le poids, le volume, la robustesse la sensibilité, la fiabilité, l'alimentation à basse tension et à basse puissance, et le prix de revient permettent d'utiliser un dispositif de prise de vues selon l'invention comme-caméra de" 0 télévision chaque fois que de tels impératifs techniques sont exigés. C'est le cas, en particulier, pour des caméras embarquéae à bord de satellites d'observation ou d'engins guidés. Comparativement à l'art connu, d'autres avantages résultent -de l'amélioration du rendement de fabrication, l'élimination par suite 5 d'un défaut est ramené au niveau d'une mosaïque élémentaire,-de la fabrication en série des mosaïques élémentaire,-d'une simplification de la procédure de contrôle, - de la réalisation en circuits solides d'un dispositif entièrement statique, etc.... copv bad original 1 00519 2123113 _ 8 - &¥iral';DICAT IOKB 1 . Mosaïque opto-électrique bidimensionnelle en circuits solides, comportant une répartition plane régulière en lignes (Y) et colonnes (X) d'éléments transducteurs et des circuits intégrés d'exploitation qui leur sont associés, caractérisée en ce qu'elle 5 comporte une pluralité de mosaïques élémentaires ... M ) disposées parallèlement, chaque mosaïque élémentaire (M^) comprenant, au moins une ligne de transducteurs opto-électriques (T^... T ) localisés' dans le plan (P) de répartition et, des circuits intégrés d'exploitation (CE) localisés extérieurement audit plan et à l'arrière 10 desdits transducteurs au moyen de liaisons du type micro-poutre (1/^... L^) reliant électriquement et mécaniquement lesdits transducteurs auxdits circuits, lesdites micro-poutres formant au moins une charnière de direction parallèle à celle (Y) des lignes. 2. Mosaïque bidimensionnelle selon la revendication 1, carac-15 térisée en ce que chaque mosaïque élémentaire (M^.) comporte deux plaquettes (P^ , P2) parallélépipédiques^ une première plaquette (P^ ) supportant sur une face large lesdits transducteurs de la mosaïque élémentaire considérée et une seconde plaquette (P2)supportant, également sur une face large, lesdits circuits intégrés d'exploi-20 tation (CE) associés auxdits transducteurs. 3. Mosaïque bidimensionnelle selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites premières plaquettes (P^) sont juxtaposées parallèlement au plan de répartition (P) et comportent des évide-ments transversaux localisés notament aux endroits de courbure et 25 de passage transversal desdites micro-poutres. 4. Mosaïque' bidimensionnelle selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les plaquettes (P^ et ?2) respectives de chaque mosaïque élémentaire (K^.) sont de même dimension et placées dos à dos. 30 5* Mosaïque bidimensionnelle selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que des évidements correspondants sont également ménagés dans lesdites secondes plaquettes (P2). 6. Mosaïque bidimensionnelle selon la revendication 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites plaquettes sont en matériau 35 semiconducteur. 7. Mosaïque bidimensionnelle selon la revendication 6, caractérisée en ce que les transducteurs sont du type photorécepteur et les plaquettes en silicium. ' bad original 00519 2123113 - 9- 8. no sa", a u.e bidimanoionnolle selon la revendication 6, caractérisée en ce que les transducteurs sont du type photo-éir.etteur, les premières plaquettes en matériau Arseniure de gallium et les secondes plaquettes en silicium» * bad ORIGINAL