Brevet FR2262425A1 — publié le 19750919

La présente invention concerne un détecteur de radiations consistant en une thermopile formée essentiellement d'au moins deux éléments adjacents en des matériaux thermoélectriques distincts, déposés sous la forme de couches minces sur un substrat diélectrique reposant lui-même partiellement sur un support thermoconducteur, une couche en une substance capable d'absorber l'énergie thermique desdites radiations et de transmettre cette énergie vers lesdits éléments étant prévue dans la structure. On sait que pour améliorer la sensibilité d'une thermopile aux radiations thermiques on recouvre les "soudures chaudesn de cette thermopile (c'est-à-dire les liaisons entre les éléments thermoélectriques qui sont partiellement isolés thermiquement du substrat, par opposition aux "soudures froides1, qui, elles sont en contact thermique étroit avec le substrat) d'une couche absorbante convenable. Un bon nombre de substances différentes ont été essayées pour former la couche absorbante ; il s'est avéré que l'efficacité maximum d'absorption était obtenue avec des substances désignées sous l'appellation de noirs métalliques, par exemple le noir de platine et surtout le noir d'or. Les noirs métalliques ont cependant l'inconvénient (dans l'usage particulier qui en est fait dans les thermopiles, d'être électriquement conducteurs. Etant donné que, dans la pratique, la couche de noir métallique est déposée sur l'ensemble de la face activedela thermopile, et non pas seulement de façon sélective en regard des seules soudures chaudes, il faut interposer, entre les éléments de cette thermopile et la couche de noir métallique, une pellicule diélectrique (le plus souvent en silice ou en une résine polymérisée) ; sinon, bien sur, la couche de noir métallique provoquerait un court-circuit électrique entre les soudures chaudes et les soudures froides, qui rendrait la thermopile inutilisable. La présence d'une pellicule diélectrique entre les éléments de la thermopile et la couche absorbante de noir métallique entraîne nécessairement une baisse non négligeable de la sensibilité de la thermopile ainsi qu'un accroissement de sa constante de temps. On pourrait parer à l'inconvénient d'avoir à déposer une pellicule diélectrique en choisissant, à la place d'un noir métallique, une substance ayant à la fois un coefficient d'absorption convenable pour les radiations thermiques et une bonne résistivité. Par exemple, dans le brevet français-n 1 522 658 il est proposé de réaliser la couche absorbante en un revêtement de fines particules de bismuth oxydées sup?rficiellement. Un telle substance est de nature diélectrique, ce qui évite la présence d'une pellicule ou sous-couche d'isolement. Par contre, les qualités absorbantes d'un tel revêtement sont inférieures à celles des noirs métalliques, en particulier du noir d'or. Par ailleurs, l'oxyde de bismuth présente une chaleur massique relativement forte par rapport à celles des noirs métalliques. Au total, les gains en sensibilité et sur la constante de temps réalisés avec la suppression de la pellicule d'isolement, sont au moins contrebalancés par les pertes correspondantes liées à la moins bonne qualité de la couche absorbante. La présente invention propose une structure de thermopile à couches minces permettant de bénéficier des avantages de l'utile sation d'une couche absorbante en un noir métallique sans subir les inconvénients liés à la faible résistivité de ces substances. Selon l'invention, un détecteur de radiations consistant en une jhermopile formée essentiellement d'au moins deux éléments adjacents en des matériaux thermoélectriques distincts, déposés sous la forme de couches minces sur un substrat diélectrique reposant lui-même partiellement sur un support thermoconducteur, une couche en une substance capable d'absorber énergie thermique desdites radiations et de transmettre cette énergie vers lesdits éléments étant prévue dans la structure, est remarquable en ce que ladite couche absorbante est disposée, au moins partiellement, sur la face dudit substrat opposée à celle supportant lesdits éléments. Une thermopile dont la structure correspond à l'invention est avantageuse, essentiellement, en ce qu'elle permet l'utilisation de couches absorbantes de quelque nature que ce soit, conductrices, semiconductrices ou diélectriques. En effet, le substrat étant diélectrique, isole totalement du point de vue électrique la couche absorbante des éléments de la thermopile. I1 y a lieu de bien remarquer que la couche absorbante reste cependant très liée thermiquement auxdits éléments sensibles. Dans la plupart des thermopiles à éléments en couches minces de construction moderne, le substrat est, en effet, en alumine. L'alumine possede une remarquable résistance mécanique sous une faible épaisseur, ce qui rend ce matériau particulièrement approprié pour la réalisation dudit substrat. L'épaisseur d'un substrat en alumine est de l'ordre de 0,2 à 0,5 ym. Sous une épaisseur aussi réduite, le substrat ne constitue donc pas un obstacle important à la transmission des calories de la couche absorbante vers les éléments sensibles. Les thermopiles selon l'invention présentent également l'avan tage d'avoir une plus faible constante de temps, à sensibilité égale, que celle d'autres thermopiles réalisées avec les~mêmes matériaux, mais selon les structures de l'art antérieur. Ceci est lié à la suppression de la pellicule diélectrique de silice ou de résine placée entre la couche absorbante et les éléments sensibles dans lesdites structures. Un autre avantage des thermopiles selon l'invention est que la structure préconisée écarte tout risque de courts-circuits électriques entre les soudures chaudes et les soudures froides des éléments thermoélectriques, comme il peut s'en produire dans les thermopiles où la couche absorbante est séparée desdits éléments par une pellicule d'isolement en silice ou en une résine susceptible de se rompre ou de se désagréger dans le temps. I1 y a lieu de considérer également l'avantage de simplification, sur le plan de la fabrication, qui résulte de la suppression de ladite pellicule diélectrique. Selon une forme préférentielle, mais non limitative, de Tea- lisation d'une thermopile selon l'invention, le support est une plaquette métallique -par exemple, d'aluminiumF, d'une épaisseur d'environ 100 ym percée de fenêtres, sur laquelle est rapporté ou formé un substrat en une feuille d'alumine. Sur la face du substrat opposée au support sont disposés les couples d'éléments en des matériaux thermoélectriques, disposés par exemple en rangées parallèles et connectés soit en série, soit en parallèle, soit encore en série-parallèle selon le type de thermopile à réaliser. Les soudures chaudes des couples d'éléments sont placés en regard des fenêtres du support, tandis que les soudures froides reposent sur les parties pleines dudit support. Le noir métallique en l'occurrence le noir d'or, est déposé au dos de la structure par rapport audits éléments, soit sur le seul substrat à leinté- rieur des fenttres du support, soit sur le substrat et aussi sur le support (la résistance thermique deXla couche absorbante de noir d'or étant beaucoup plus faible selon son épaisseur -de l'ordre de 20 pm- que selon des dimensions parallèles à son plan, la solution consistant à mettre du noir d'or à la fois sur le substrat et sur le support ne peut conduire à une perte de transmission importante en direction des éléments sensibles). Un avantage de cette forme de réalisation d'une thermopile selon l'invention -avantage qui n'est d'ailleurs pas spécifique de cette seule forme de réalisation- est que la partie utile de la couche absorbante de noir d'or (celle qui est déposée au fond des fenêtres, en regard des soudures chaudes des éléments sensibles) se trouve protégée de frottements mécaniques éventuels par les bords des fenêtres du support qui sont en surplomb -d'environ 80 pm- par rapport au plan des lits superficiels de ladite partie utile de la couche absorbante. Ceci est appréciable quand on sait la fragilité, toujours très grande quelle que soit la substance utilisée, de la couche absorbante d'une thermopile. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d r exemple non limitatif, permettra de bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 et 2 représentent un exemple de thermopile réalisée selon la structure prévue par l'invention. Sur la figure 1, la thermopile est vue en plan, suivant la face du substrat sur laquelle reposent les éléments sensibles. Sur la figure 2, la même thermopile est vue en coupe transversale, suivant la ligne II de la figure 1. I1 est d noter que, sur les deux figures, les rapports dimensionnels, d'une part dans chacune des parties de la thermopile, d'autre part entre les différentes parties de cette thermopile, n'ont pas été respectés, ceci afin que lesdites figures soient parfaitement claires. La thermopile représentée est réalisée à partir d'un mince substrat 10 en une matière diélectrique, avantageusement de l'a lutine Le substrat 10 est lui-mebme fixé sur un support 11 de bonne conductibilité thermique, par exemple en aluminium. Le support 11 est percé de deux fenêtres 12 et 13 qui sont figurées en trait pointillé sur la figure ; La liaison entre le substrat 10 et le support 11 peut être obtenue, par exemples par collage. Sur la face 10A du substrat 10 opposée au support 11 reposent les différents éléments en des matériaux thermoélectriques qui forment, deux à deux, les couples de la thermopile. Par exemple, les éléments 14 d'un premier type de matériau sont associés en série aux éléments 15 d'un deuxième type de matériau, chaque paire 14-15 formant ainsi un couple thermoélectrique élémentaire. Les soudures chaudes 16 des couples sont celles situées en regard des fenêtres 12 et 13 du support 11, tandis que les soudures froides 17 sont celles placées à proximité immédiate de la masse dudit support. Les différents couples peuvent, suivant le type de thermopile, soit être associés en série, soit être associés en parallèles, soit être associés en série-parallèle, soit encore, comme dans les thermopiles dites "digitales", former des branches ayant une extrémité commune et des sorties indépendantes. Dans l'exemple de représentation de la figure 1, il a été choisi une association en série. Suivant l'invention, la couche 18, en une substance thermoconductrice destinée à absorber l'énergie thermique des radiations auxquelles la thermopile doit être exposée, est déposée sur la face 10B du substrat 10 opposée à la face 10A sur laquelle reposent les éléments 14-15. Dans le cas prévu sur la figure 2, la couche 18 ne recouvre que le seul support 10 à l'intérieur des fenêtres 12 et 13. L'expérience montre que la couche 18 peut être également déposée sur l'ensemble des surfaces du support 11, vues du côté de la face 10B du substrat 10, sans que les performances de la thermopile en soient défavorablement affectées. La thermopile ainsi réalisée est exposée aux radiations suivant la face 103 du substrat 10 que recouvre la couche 18. Une partie de l'énergie calorifique captée par la couche 18 stécoule par conduction en épaisseur à travers ledit substrat 10, vers les soudures 16 qui, éloignées de la masse du support 11, peuvent s 'échauffer. Par contre, les soudures 17 restent froides, meAme si le support 11 est recouvert par la couche 18, ce support ayant, de par son volume, une grande inertie thermique. Selon des caractéristiques structurales avantageuses d'une thermopile selon l'invention, le substrat 10 est une feuille d'alumine dont l'épaisseur est comprise entre 0,2 et 0,5 PHI. Le support 10 est en aluminium et a une épaisseur de 80 à 250 pm. Les fenêtres 12 et 13 (et éventuellement d'autres fenêtres dans le cas d'un support plus complexe que celui représenté sur la figure 2), ont une largeur de 1 'ordre de 500 à 600 pm dans une direction parallèle à celle des éléments 14-15. La couche 18 est en noir d'or ; elle a une épaisseur de 15 à 30 tun. Pour renforcer la tenue mécanique de la thermopile, un cadre métallique 19, avantageusement en aluminium, est collé sur le pourtour du support 11, du côté des éléments 14-15. Sur ce cadre 11 pourraient être fixées éventuellement des cosses relais isolées sur lesquelles seraient soudés des fils de connexion aboutissant par ailleurs à des plages de contact telles que les plages 20 et 21 établies sur des éléments de la thermopile. Ces cosses relais et les fils de connexion correspondants n'ont pas été représentés sur les figures. Les éléments 14 sont, par exemple, de tellurure de bismuth de type de conductivité N, et les éléments 15 de tellurure de bismuth de type de conductivité P. L'épaisseur des couches minces de ces éléments est de 0,45 à-0,55 pm. Il y a lieu de remarquer que le support 11 ayant une faible épaisseur ne fait pas écran à l'arrivée des radiations au Zond des fenêtres 12 et 13. Les soudures chaudes 16 sont donc tout aussi bien alimentées en énergie calorifique que si ces radiations arrivaient sur une couche absorbante disposée du côté des éléments 14-15 ; par ailleurs, la transmission thermique à travers la feuille 10 d'alumine se fait rapidement et sans pertes notables, l'épais- seur de cette feuille étant faible. Il y a lieu de remarquer également que le support, malgré sa faible hauteur, exerce tout de même un effet de protection mécanique vis-à-vis de la couche 18 déposée au fond des fenêtres 12 et 13. La couche 18 est notamment protégée contre des frottements éventuels s'exerçant sur le support 11. I1 va de soi, d'autre part, que la couche 18 peut être constituée en tout autre matériau que le noir d'or, soit en un matériau électroconducteur, semiconducteur ou diélectrique0 - REVENDICATIONS 1.- Détecteur de radiations consistant en une thermopile for mée essentiellement d'au moins deux éléments adjacents en des matériaux thermoélectriques distincts, déposés sous la forme de couches minces sur un substrat diélectrique reposant lui-m8me partiellement sur un support thermoconducteur, une couche en une substance capable d'absorber l'énergie thermique desdites radiations et de transmettre cette énergie vers lesdits éléments étant prévue dans la structure, caractérisé en ce que ladite couche absorbante est disposée, au moins partiellement, sur la face dudit substrat opposée à celle supportant lesdits éléments. 2.- Détecteur à thermopile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche absorbante s'étend sur ltensemble des surfaces du substrat diélectrique et du support thermocondueteur situées au dos de la face du substrat supportant lesdits éléments. 3.- Détecteur à thermopile selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche absorbante est électroconductrice. 4.- Détecteur à thermopile selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche absorbante est en un noir métallique. 5.- Détecteur à thermopile selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche absorbante est en noir d'or. 6.- Détecteur à thermopile selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche absorbante est semiconductrice. 7.- Détecteur à thermopile selon ltune des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche absorbante est diélectrique. 8.- Détecteur à thermopile selon la revendication 1, caractérisé en ce que support thermoconducteur est une feuille d'aluminium d'une épaisseur comprise entre 80 et 250 pm percée de fenêtres sur laquelle est rapporté un substrat en une feuille d'alumine d'une épaisseur comprise entre 0,2-et 0,5 pm qui supporte les éléments en des matériaux thermoélectriques, les soudures chaudes desdits éléments étant placées en regard desdites fenetres, et en ce que la couche absorbante, disposée au moins dans lesdites feneutres sur ledit substrat, est une couche de noir d'or d'une épaisseur comprise entre 15 et 30 pin. 9.- Détecteur à thermopile selon la revendication-8, caractérisé en ce qu'un cadre métallique, avantageusement en aluminium, est rapporté sur le pourtour dudit support du côté où se trouvent lesdits éléments.