Brevet FR2223868A1 — publié le 19741025

La présente invention concerne un détecteur pyro-électrique, muni d'un cristal pyro-électrique et utilisé dans un domaine où la polarisation spontanée du cristal est fonction de la température. Des détecteurs pyro-électriques sont utilisés pour la mesure de température ou la formation d'images en infrarouge, au moyen du tube vidicon connu. L'influence de la température sur la polarisation spontanée est mise à profit. La sensibilité d'un cristal ou du détecteur est carac dP térisée par le coefficient pyro-électrique > = dT . La constante diélec- trique doit par ailleurs être aussi faible que possible, la sensibilité d'un détecteur infrarouge étant déterminée par le quotient h/e. Les détecteurs connus comportent des cristaux, tels que le titanate de plomb ou le trisulfate de glycocolle, utilisés au-dessous du point de Curie TC (figute 1). Dans ce domaine, la variation différentielle de polarisation spontanée est certes élevée, mais on observe un fort accroissement de la constante diélectrique, de sorte que la sensibilité résultante est relativement faible. L'invention vise à accroître la sensibilité d'un détecteur infrarouge. Selon une caractéristique essentielle de I'invention, le cristal pré sente une transition de phase ferro-électrique-antiferro-él ectrique entre deux domaines à structure cristalline différente et le détecteur est avantageusement utilisé au voisinage de cette transition de phase. Le passage d'une phase ferro-électrique à une phase antiferroélectrique entrain une variation discontinue de la polarisation spontanée. Cette dernière est nulle dans l'état antiferro-électrique. Il en résulte aussi des translations des ions et des doublets électriques microscopiques. La disposition dans la maille élémentaire du réseau est toutefois telle qu'elles se compensent mutuellement. Aucune polarisation ne peut donc etre décelée à l'échelle macroscopique. L'application d'un champ électrique extérieur permet de faire passer de nombreux corps antiferro-électriques à l'état ferro-électrique, notamment au voisinage de la transition de phase. Une réalisation préférentielle de l'invention utilise un cristal polydomaine de titanate de baryum et de zirconate de plomb ou de niobiate de sodium et de zirconate de plomb. L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation du détecteur selon l'invention, dans lequel le cristal est polarisé à tempé rature élevée par un champ électrique, un premier point de fonctionnement est ajusté sous irradiation et un second point sans irradiation, irais avec refroidissement du cristal3 la variation de polarisation étant mesurée pendant le passage du premier au second point de fonctionnement, puis le point de fonctionnement est ramené dans sa positi J n initiale sous irradiation et en présence d'un champ électrique. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'irradiation est périodique et la direction et l'intensité du champ électrique sont calculées de façon que le second point de fonctionnement revienne dans sa position initiale pendant l'intervalle entre irradiations.La plage de translation du point de fonctionnement en service est ajustée le cas échéant par un apport de chaleur supplémentaire. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente les courbes de polarisation spontanée et de constante diélectrique d'un détecteur connu, en fonction de la température; la figure 2 représente les courbes de polarisation spontanée et de constante diélectrique d'un cristal polydomaine en zirconate de plomb et en zirconate de baryum selon l'invention, en fonction de la température, et le domaine de fonctionnement d'un détecteur selon 1 invention; et la figure 3 représente un détecteur simple, permettant l'explication du principe de l'invention. Les détecteurs connus font appel à la variation de la polarisation spontanée au-dessous du point de Curie, comme précédemment indiqué et comme l'indique la figure 1. La valeur fortement augmentée de la constante diélectrique au voisinage du point de Curie produit la faible sensibilité connue des détecteurs infrarouges. L'invention repose sur l'observation suivante : la sensibilité globale est particulièrement élevée pour une transition entre une phase ferro-électrique et une phase antiferro-électrique (figure 1). La sensibilité élevée résulte du fait que l'accroissement de la constante diélectrique au voisinage de ces transitions de phase est beaucoup plus faible (figure 2) que dans le cas connu (figure 1). L'application d'un champ électrique d'orientation appropriée décale la courbe de polarisation spontanée vers des températures plus basses, comme précisé cidessous.Une variation des proportions du mélange des constituants d'un cristal polydomaine permet de déplacer la température de la transition de phase sur une large plage. I1 est ainsi possible d'adapter le détecteur selon l'invention à toute application particulière, comme précisé ci-dessous. Certains cristaux présentent au voisinage de la transition de phase une hystérésis thermique, qui impose des dispositions supplémen taires pour l'utilisation du détecteur selon l'invention. Un procédé approprié est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 2. Le cristal est d'abord polarisé au point 1, au-dessus de la température de fonctionnement, par application d'un champ électrique. On admet que le cristal sous irradiation se trouve au point de fonctionnement 2. Après suppression de l'irradiation, le cristal se refroidit et le point de fonctionnement se déplace dans le sens de la flèche sur la courbe de polarisation, vers le bas, jusqu'au point 3. Une nouvelle irradiation entraSnerait un dépla- cement du point de fonctionnement de 3 vers 4.Pour ramener le point de fonctionnement dans sa position initiale 2, un champ électrique de direction et intensité appropriées est par suite appliqué, soit en même temps que l'irradiation, soit après. L'irradiation est de nouveau interrompue quand le point de fonctionnement est revenu dans sa position initiale 2, puis le cycle recommence. Dans la réalisation pratique, l'irradiation est périodique, de sorte que le point de fonctionnement parcourt toujours le m & e triangle. Le fonctionnement d'un détecteur simple est décrit à l'aide de la figure 3. Un cristal pyro-électrique 1 est taillé perpendiculairement l'axe polaire, préparé sous forme d'un disque d'une épaisseur d'environ 10 à 100 um, puis muni d'électrodes 2, 3 sur les deux faces. La face en regard du rayonnement comporte une électrode 2 transparente à l'infrarouge. Le cristal 1 est maintenu par une collure 4 sur un cadre 5 et relié aux connexions électriques 6. L'échauffement du cristal produit par le rayonnement entrain une variation de la polarisation spontanée et par suite une charge ou une tension sur les électrodes. Un diaphragme rotatif module le rayonnement incident et le'détecteur est généralement utilisé à des fréquences supérieures aux constantes de temps thermique et électrique Il est possible de connecter plusieurs détecteurs dans une matrice pour la formation d'images en infrarouge. La formation d'images peut toutefois se faire selon le principe vidicon. L'électrode opposée au rayonnement est alors supprimée, la répartition de charge étant lue par le faisceau électronique. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Détecteur pyro-électrique muni d'un cristal pyroélectrique et utilisé dans un domaine où la polarisation spontanée du cristal est fonction de la température, ledit détecteur étant caractérisé en ce que ie cristal présente une transition ferro-électrique-antiferro-électrique entre deux domaines à structure cristalline différente, en fonction de la température, et le détecteur est utilisé au voisinage de cette transition de phase. 2, Détecteur pyro-électrique selon revendication 1, caractérisé par l'emploi d'un cristal polydomaine dont un constituant est du zirconate de plomb. 3. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est du zirconate de baryum. 4. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est du niobiate de sodium. 5. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est du titanate de plomb. 6. Détecteur pyro-électrique selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le détecteur est un vidicon produisant une image visible. 7. Procédé pour l'utilisation d'un détecteur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cristal est polarisé à température élevée par un champ é-ectrique, un premier point de fonctionnement est ajusté sous irradiation et un second point sans irradiation mais avec refroidissement du cristal, la variation de polarisation étant mesurée pendant le passage du premier au second point de fonctionnement, puis le point de fonctionnement est ramené dans sa position initiale sous irradiation et en présence d'un champ électrique. 8. Procédé selon revendication 7, caractérisé en ce que l'irradiation est périodique et l'orientation et l'intensité du champ électrique sont calculées de façon que le point de fonctionnement revienne dans sa position initiale pendant les intervalles entre irradiations. 9. Procédé selon une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la plage utile de translation du point de fonctionnement est ajustée le cas échéant par un apport de chaleur supplémentaire 10. Procédé selon revendication 9, caractérisé par l'empli d'un cristal dont le domaine de changement de phase se situe à des températures telles que la plage utile de translation du point de forctionnement doit être ajustée par un apport de chaleur suppléventaire.