Brevet FR2223840A1 — 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 mesura de température ou la formation d'images en infrarouge, au moyen du tube vidicon connu. L'invention porte sur les détecteurs fonctionnant avec un cristal pyro-électrique, L'influence de la température sur la polarisation spontanée est mise à profit. La sensibilité d'un cristal ou du détec teur est caractérisée par le coefficient pyro-électrique # = dP . La dT constante diélectrique doit par ailleurs être aussi faible que possible, la sensibilité d'un détecteur infrarouge étant déterminée par le quotient k/e. Les détecteurs connus comportent des cristaux, tels que le titanate de plomb ou le trisulfa t e diglycocolle, utilisés au-dessous du point de Curie TC (figure 1). Dans ce domaine, la variation différentielle de polarisation spontanée est certes élevée, mais on observe un fort accrois sement de la constante diélectrique, de sorte que la sensibilité résultante est relativement faible. L'invention vise à accroître la sensibilité dtun détecteur infrarouge. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le cristal présente, en fonction de la température, une transition de phase entre deux domaines ferro-électriques à structure cristalline différente et le détecteur est utilisé dans le domaine de cette- transition de phase. Une forme de réalisation préférentielle de l'invention utilise un cristal-polydomaine de titanate de baryum et d'un second constituant titanate de strontium, zirconate de baryum, stannate de baryum ou antimoniate de baryum. Un cristal polydomaine de niobiate et de tan tala te de potassium est avantageusement utilisable aussi. Une transition entre deux phases ferro-électriques entratne une variation discontinue de la direction ou de l'intensité de la polarisation spontanée. Dans le cas du titanate de baryum, qui présente deux transitions de phase, la direction de polarisation passe successivement d'une orientation (structure tétragonale) parallèle à une orientation (001) de lapasse cubique à haute température, à une direction parallèle à unedia- gonale, puis parallele à un plan diagonal. L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation du détecteur selon l'invention, dans lequel le cristal est polarisé à température élevée par un champ électrique, 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 passagè du premier au second point de fonctionnement, puis le point de fonctionnement est ramené dans sa position de départ sous irradiation et en présence d'un champ électrique. Selon une autre caractéristique 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.Le domaine de translation du point de fonctionnement en service est ajusté le cas échéant par un apport de chaleur supplémentaire. D'autres avantagesset 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 tempErature; la figure 2 représente les courbes de polarisation spontanée et de coastante diélectrique d'un cristal de titanate de baryum selon l'invention et le domaine de fonctionnement d 'un ditactewr selecr l'invention, ea fonction de la température; et la figure 3 reprsente un détecteur simple, permettant l'exTlication dq principe de l'inventioa. Les détecteurs connus font appel à la variation de la polarisation spontanée au-dessous du point de Curie, comme précéde-ent indiqué et comme l'indique la figure 1. La valeur fortemeet augmentée de la constante diélectrique au voisinage du point de Curie prodtdt la faible seasibilité connue des détecteurs infrarouges, L'invention repose sur l'observation suinte : la sensibilité globale est particulièrement élevée pour une transition de la phare ferro- électrique à la 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 po1 risation spontanee vers des températures plus basses comme précisé ci-deseaus. Une variation des proportions de 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 pratiquement le détecteur selon l'invention à toute application particuliere, comme précisé cidessous. Certains cristaux présentent au voisinage de la transition de phase une hystérésis thermique, qui impose des dispositions supplémentaires pour l'utilisation du détecteur selon l'invention. Un procédé approprié est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 2. Un 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 entratnerait un déplacement 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 apres. L'irradiation est de nouveau interrompuequand 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 même triangle. Le fonctionnement d'un détecteur simple est décrit à l'aide de la figure 3. Un cristal pyro-électrlque 1 est taillé perpendiculairement à l'axe polaire, préparé sous forme d'un disque d'une épaisseur d'environ 10 à 100 m, puis muni d'électrodes 2, 3 sur les deux faces. La face en regard du rayonnement comporte une électrode 2 transparente à l'infrarouge. te 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 entraine 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. I1 est possible de connecter plusieurs détecteurs dans une matrice pour la formation d'images en infrarouge. La formation limages peut toutefois aussi 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 pyro-électrique et utilisé dans un domaine où la polarisation spontanée du cristal est fonction de la température, ledit détecteur étant caractérisé en ce que le cristal présente une transition de phase entre deux domaines ferroélectriques 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 titanate de baryum. 3. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est du titanate de sSbntium. 4. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine- est du zirconate de baryum. 5. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est du stannatt d baryum. 6. Détecteur pyro-électrique selon revendication 2, caractérisE en ce que le second constituant du cristal polydcmatea est de 1 'antimoniata de baryum. 7. Détecteur pyro-électrique selon revendication 1, caractérisé par l'emploi d'un cristal polydovaine, dont un con > tittnnt est du niobate de potassium. 8. Détecteur pyro-électrique selon revendication 7, caractérisé en ce que le second constituant du cristal polydomaine est.du tantalate de potassium. 9. Détecteur pyro-électrique selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en Xe que le détecteur est un vidicon produisant une image visible. 10. Procédé pour l'utilisation d'un détecteur selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le cristal est polarisé à température élevée par un champ électrique, un premier point de fonctionnement est ajusté sous irradiation et un second point sans irradiation mais avec refroidissement du cristaux, 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. 11. Procédé selon revendication 10, caractérisé en ce. que l'irradiation est périodique et l'orientation et l'intensité du champ dlectri- que sont calculées de façon que le point de fonctionnement revienne. dans sa position initiale pendaat les intervalles entre irradiations. 12. Procédé selon une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la plage utile de translation du point de fonctionsement est ajustée le cas échéant par un rapport de chaleur supplémewuKire. 13. Procédé selon revendication 12, caractérisé par l'emploi d'un cirstal dont le domaine de changement de phase se situe à des te-raturas telles que la plage utile de translation du point de fonctionnement doit etre ajustée par un apport de chaleur suppléentaire.