Brevet FR2293064A1 — publié le 19760625

La présente invention concerne un instrument destiné à fabriquer les détecteurs à jonction thermo-électrique basée sur effet Seebeck permettant de capter les rayonnements infra-rouges et de les convertir en courant électrique. Cet instrument réunit sur un seul plan de travail un nombre de dispositifs et outils appropriés qui sont destinés à souder et fixer les jonctions de deux métaux à un coefficient thermoélectrique élevé avec une fine plaquette absorbante. Le détecteur ainsi confectionné peut etre fabriqué en très faible dimension. Cet instrument permet, en effet, de maintenir les caractéristiques du détecteur optimisé et contrôlable ayant la tolérance mécanique et électrique bien serrée. C'est depuis près d'un siècle qu'on utilise les thermocouples en tant que détecteurs de rayonnements dtinfra-rouges. De tels détecteurs ont de nombreux avantages comparés, par exemple, aux détecteurs bolométriques à couches métalliques à thermistances ou les détecteurs pyruélectriques ou photoconducteurs. Tous ces détecteurs pré-cités nécessitent, pour leur emploi, une source de tension stable, en tant que source de polarisation, à très faible bruit intense, le découpage mécanique de rayonnement et souvent une stabilisation thermique. Le thermocouple conçu de manière optimum cppte les radiations avec un coefficient de rendement convenable et convertit l'énergie de radiation directement à l'énergie électrique pouvant etre prelevée aux bornes du détecteur. Cela simplifie énormèment la technique de leur emploi. Les détecteurs à thermocouples, contrairement aux autres types de détecteurs infra-rouges, ont cependant une particularité, le processus de détection se passe à l'endroit meme de la soudure, entre la jonction qu'on appelle "la soudure chaude" et non dans la profondeur de la structure cristalline ou semi-conductrice, comme cela se passe dans d'autres types de détecteurs. Ainsi, la sensibilité du détecteur, les temps de réponses et sa solidité mécanique dépendent étroitement de la qualité de cette soudure et déterminent les paramètres électriques dudéfecteur. Lorsqu'on considère un détecteur composé de métaux ou alliages massifs, en tant qu'élenents de la jonction, +eus, par exemple, les détecteurs du type Schwartz, on s'aperçoit qu'on peut faire un détecteur très sensible au point de vue réponses ou bien un détecteur plus ou moins rapide, mais peu sensible et lorsqu'on veut réunir ces deux facteurs au niveau optimum, on obtient généralement des détecteurs sensibles, rapides mais extrèmement fragiles sur le plan mécanique. Ainsi, on doit se limiter à une option définie au préalable ; selon I'emploi proposé, les degrés d'optimisation de ces trois facteurs ne peuvent être obtenus que par un compromis raisonnable, cela en fonction des conditions de son emploi. L'instrument, objet de cette invention, permet précisèment de rapprocher ces trois qualités du détecteur contradictoires, c'est-à-dire la sensibilité, la réponse rapide associée à une résistante mécanique suffisante. Selon l'usage proposé du détecteur, cet instrument permet très facilement de contrôler et de "doser" la prédominance de l'un ou de l'autre de ces facteurs. L'instrument, selon la présente invention, s'applique plus particulièrement aux détecteurs à thermocouples constitués par les métaux ou alliages métalliques ou semiconducteurs massifs et non aux jonctions obtenues par le dépôt des couches minces. Ainsi, cet instrument permet de fabriquer les éléments sensibles à thermocouple du type Swartz. Un tel détecteur peut être constitué par deux aiguilles cristallines du type "p" et "n", c'est-à-dire à coefficient thermoélectrique positif ou négatif élevé (v. Fig.5, 41 et 42). L'extrémité large de ces cristaux est réunie par soudure aux deux fils conducteurs (44 et 45), les deux extrémités pointues doivent être soudées électriquement à une très fine plaquette en or noircie, faisant office à la fois du corps noir absorbant à très faible inertie thermique et d'un conducteur, réunissant sur le plan électrique les deux micro-jonctions (v.43). La sensibilité du détecteur dépend, évidemment, de la finesse de cette jonction entre le point de l'aiguille cristalline et la plaquette, la constante de temps est déterminée essentiellement par l'inertie de la pla quetbe, c'est-à-dire de son épaisseur et on stapercoit ainsi que, plus la soudure de la jonction est ponctuelle et plus la plaquette absorbante est fine, au plus faible est la résistance mécanique, plus particulièrement aux chocs et vibrations, et aussi aux contraintes thermiques d'un tel ensemble. Ainsi, un détecteur très sensible et rapide doit avoir les pointes des cristaux bien aiguisés et l'épaisseur de la plaquette doit être bien inférieure d'un micron. L'instrument selon la présente invention permet d'obtenir les soudures des jonctions avec la feuille d'or d'une épaisseur allant jusqu'à 0,14 microns. Au niveau de ces gabarits, une bonne soudure de jonction reliant la pointe des cristaux "p" et "n", par la plaquette en or, est extrèmement difficile à faire. Elle n'est réalisable que sous une pression du point de cristal contre la plaquette en or bien déterminé et une intensité de la décharge électrique, judicieusement adaptée à cette pression. Si, par exemple, la pression de contact entre le cristal 41 et la plaquette en or est trop faible, comme le dessin, selon Fig. 4 A le démontre, la décharge électrique va provoquer un arc, le bout du cristal va s'effriter et la décharge va brûler sur la plaquette un trou (B). Au cas, par contre, où la pression de la pointe d'aiguille (Fig. 4 C) est trop forte, la décharge liquéfiant par le dégagement de la chaleur le bout du cristal, provoquera l'affaissement de ce dernier, la partie fondue s'entassera autour, constituant une masse supplémentaire et par là, l'augmenta tion de l'inertie thermique d'une telle jonction (Fig. 4 D). La soudure parfaite, déterminée (Fig. 4 E) par la pression de la pointe du cristal adéquate, fera rentrer légèrement la pointe d'aiguille dans l'or, la thermoosmose reliera cette zone de manière fort solide par un alliage, où le métal du cristal et l'or formeront une microscopique, mais compacte zone intermédiaire (Fig. 4 F). Cet exemple sommaire démontre que, si à l'échelle des croquis, selon Fig. 4., une telle opération serait facile - la constante de temps en souffrirait, tout comme la solidité mécanique diminuée par les gabarits et les poids excessifs de la plaquette. C'est lorsque la hauteur des cristaux est de l'ordre d'un millimètre et 2 la plaquette aux dimensions bien au-dessous d'un mm , qu'un tel ensemble démontre une bonne sensibilité et, en dépit des soudures microscopiques, une bonne résistance mécanique associée à une très faible constante de temps, due aux masses et inerties extrèmement faibles. La présente invention est en fait l'outil répondant à ces critères qui, par une configuration appropriée d'éléments et le mode de leur positionnement et de réglage, permet' d1effectuer des soudures aptimisés, même aux gabarits les plus petits des jonctions, tout en assurant le contrôle simultané des paramètres électriques, thermoélectriques et mécaniques. L'opération préalable à l'utilisation de cet instrument de fabrication consiste à sélectionner, aiguiser et souder les cristaux "p" et "n", avec les fils conducteurs qui serviront par après comme bras porteurs, par lesquels les cristaux seront positionnés, allignés et appuyés sur les plaquettes en or. Ainsi, la Fig. 3. démontre l'ensemble de configuration de ces éléments d'une thermocouple, insérés dans cet instrument. Le bout du fil 45, portant à une extrémité le cristal par exemple "p" - 41 est inséré dans la mâchoire dlunXpetit étau 2 qui peut être serré moyennant la vis de serrage 6, identiquement l'autre cristal 42, tenu par le fil 44, se trouve fixe dans l'étau 1 serré par la vis 6. Les deux cristaux "p" et "n" étant convenablement ajustés (pointes étant à peu près à la même hauteur) et placés face à face (s'il s'agit de la plaquette longiligne) ou cote à côte (pour des plaquettes carrées) à l'écart, permettant d'enduire le vernis ou le ciment approprié. Baissant légèrement la tablette 15., par rotation de la vis 17., il convient de placer au-dessous de deux pointes de cristaux, la plaquette en or 43., face noircie au-dessous (côté tablette), face brillante vers les pointes. Ensuite, remontant la tablette 15., par la rotation de la vis 17., dans le sens opposé, la plaquette en or tounchera les deux pointes, la remontée des fils 44. et 45., donnera l'indication du degré de pression exercée par les pointes sur la plaquette. Ces opérations préliminaires de positionnement, d'allignement et de contact avec la plaquette en or, nécessitent un certain degré de mobilité de chacune des mâchoires (1. et 2.) par rppport à la tablette 15. Dans ce but, la mâchoire 2. se trouve fixée sur un bras 4. ayant point de rotation autour de la vis 11. Le levier de l'écrou 9, permet d'immobiliser ce bras, une fois que le cristal 41. est positionné au centre de la tablette 15. Ce cristal étant fixé, le bras opposé 3. également mobile, à déplacement latéral par vis micrométrique 8., permet de positionner le second cristal de manière très prècise. Le ressort 22. sert à assurer l'aller et retour de ce bras 3. lorsqu'on règle la vis 8. La vis micrométrique verticale 13. permet d'alligner la pointe du cristal 42. à même hauteur que 41. Au-dessous de la tablette mobile se trouve une table plus grande 14., dont les encoches latérales servent de guidage en ligne de deux bras. Cette table sert à cueillir les éléments 41., 42. et 43., en cas de chute de la tablette mobile (v. Fig. 2 a.) Sur la tablette 15., se trouve fixé un miroir plat 16., placé à 450, ce qui permet, pour un opérateur, de voir les cristaux sur les deux plans, vertical et horizontal, facilitant l'ajustage prècis. La Fig. 1. démontre ce dispositif mécanique en perspective, le bras droit 4., pour plus de clarté, se trouve démonté et visualise à l'écart surle prolongement axial de la vis 11. La représentation selon Fig. 1. et Fig. 3. est fortement agrandie. La Fig. 2 a et 2 b démontre ce dispositif mécanique en grandeur proche du naturel. Outre le dispositif mécanique décrit, l'instrument de fabrication, selon la présente invention, comprend un dispositif électrique et électronique approprié, susceptible d'assurer le contrôle électrique préliminaire, la soudure de la plaquette par décharge électrique et le contrôle final de la qualité de jonction ainsi obtenue, tant en cequi concerne la valeur ohmique que du potentiel thermoélectrique relatif de la jonction. Le schéma simplifié de ce dispositif électrique est présenté selon Fig. 3. Par souci de clarté, les sources d'alimentation, circuits de stabilisation et de régulation ne figurent pas sur le dessin et le circuit proprement dit est symbolique. La présente invnention ne se limite pas à ce seul circuit, elle revendique tous les circuits pouvant assurer les mêmes fonctions. Le contrôle électrique préliminaire consiste à mesurer, lorsque la plaquette en or noircie (43) touche les deux pointes des cristaux 41 et 42, si le contact électrique entre chaque pointe, à travers la plaquette 43 et la tablette 15, est franc ou non. La tension continue stabilisée, alimentant les bornes 26 et 27, alimente également un amplificateur linéaire, à faible dérive, (30), dont la sortie actionne un microampermètre 28, dont le bottier 18 et le cadran 21 (v.Fig. 1) peut être placé sur le même plan visuel que la table d'opération 14. L'ins trument de fabrication comporte sur sa base un levier à trois positions qui n'est pas représenté sur le dessin et qui actionne deux commutateurs 34 et 35. De préférence, du côte droit se trouve un double inverseur pour le courant fort 32 - 33, qui peut d'ailleurs être actionné par le pied et dont la position "repos" est rappelé par un ressort.Ainsi, à cette position, l'inverseur 33 relie le commutateur 34 avec l'entrée de l'amplificateur opérationnel, et à la position, selon le dessin "z", c'est la tablette 15 qui se trouve tranché à l'entrée de l'amplificateur d'une part, et le cristal 42 relié par la mâ- choire 1, qui est reliée à la masse (27) de l'amplificateur. Ainsi, à l'entrée de l'ampli, équilibré par le réglage "offset" et la résistance adéquate sur "l'entrée inversé" stopère une simple comparaison ,de deux résistances, celle entre le cristal 42 et la tablette 15 à travers la feuille en or 43 et la résistance 39. C'est à partir d'une valeur, de résis tance 42 - 43 - 15 suffisamment basse, pour pouvoir opérer la soudure par décharge, sans danger d'effluvation ni d'étincelle,cette résistance, en divisant la tension (26) va actionner l'indicateur 28 sur la position "opté rable" indiquée par chiffrés ou couleurs sur le cadran 21, qu'on peut proche der à la soudure électrique de la jonction 42 - 43. Ensuite, en plaçant le levier du commutateur sur la position "x" qu'on procède de même pour le ciistal 41.Lorsque deux soudures, c'est-à-dire entre 42 - 43 et 41 - 43 sont faibles, il convient de placer le commutateur sur position "y" : sur cette position la mesure de résistance se fait, entre le cristal 41 et 42, à travers la feuille en or, pour exclure la conductivité supplémentaire de la tablette 15, il suffit de la baisser, ainsi l'indicateur 28 va donner la résistance totale de la jonction ainsi obtenue. L'ampli opérationnel assure cette mesure à très faible courant, n'affectant point les Jonctions. L'opération de soudure électrique des bouts pointus des cristaux 41 et 42 avec la feuille en or 43 se fait soit par décharge capacitive d'une valeur judicieusement établie d'énergie électrique accumulée auparavant soit par toute autre méthode qui convient pour opérer la micro-soudure. Selon la présente invention, la résistance qui s'établit lors de contact entre la pointe du cristal et la tablette, par une régulation automatique peut commander la puissance spécifique de la décharge qui, en fonction de l'impédance, va dégager la même énergie de la décharge, juste suffisante pour opérer une bonne soudure. Le dispositif le plus simplifié consiste en un diviseur potentiométrique de la tension entre les bornes d'alimentation 26 et 27, ou le curseur 42 d'un potentionètre et relié à un voltmètre 29. Dans la position "repos" de l'inverseur 32, la tension ainsi établie et qui est de l'ordre de 7,5 à 8 volts charge un des condensateurs 31 à une capacité appropriée, de l'ordre de 50 à 100 uF. Lors de l'action de l'inverseur (32 - 33), ce condensateur chargé se trouvera déconnecté de la source de tension et paseera sa charge à travers 33 et le contact soit "x" soit "y" et la tablette 15 qui se trouvera reliée par commutateur 35 à la masse.Bien entendu, pour que toute l'énergie cueillie ainsi de bornes du condensateur 31 chargé, se décharge sur la pointe du cristal et la plaquette en or, il faut que les liaisons et les contacts de l'inverseur et du commutateur soient de très bonne qualité et présentent la résistance propre négligeable. L'opération de soudure achevée, outre la mesure de résistance ohmique de la jonction, qui pour les détecteurs constitués par la jonction "p" et "n" en Bi2Te3 appropriée doit se situer entre 3,5 ohm et 150 ohm, il convient de mesurer également le potentiel thermoélectrique de la jonction. Dans ce but, la tablette 15 est munie, sur son côté inférieur, d'une résistance chauffante 23 qui, par la fermeture d'un contact 46, se trouvera reliée à une source d'alimentation par les connections 24 et 25. Cette source peut être de préférence réglée automatiquement, cela en fonction de la température ambiante, d'une telle manière que la tablette 15 chauffée par la résistance 23 aura l'élévation de temperature o TO constante par rapport à la température ambiante à laquelle se trouvent les cristaux 41 et 42. Les commutateurs, mis sur position Z conduiront le potentiel thermoélec trique cueilli sur les électrodes 44 - 45 des cristaux 42 - 41, et dû à l'élévation de la température sur la plaquette en or (élevé à la température de la tablette 15) à l'entrée de même amplificateur opérationnel 30. Ce dernier par actionnement de commutateur 40 sera débranché de sa fonction de mesureur de résistance (position R) et mis sur position S, fonctionnera comme un amplificateur de faible tension. L'indicateur 28 fonctionnera alors comme un multivoltniètre et indiquera à partir d'une tension thermoélectrique qui à gradient de la température DITO donné, doit pour une soudure correcte des jonctions, avoir une valeur déterminée, la position chiffrée ou colorée sur le cadran. L'instrument de fabrication des jonctions thermoélectriques selon la présente invention est destiné à être placé sous une loupe binoculaire dont l'objectif 20 (v. Fig. 1) doit embrasser le champ visuel de la tablette a l'agrandissement allant de 30x à 50x. Le cadran indicateur 21 de mesureur à cadre mobile (28) sera placé de préférence au-dessus de ce champ, de manière qu'en levant les yeux de l'oculaire, la visibilité du cadran soit assurée. Par commodité, d'opération, la main gauche del'opérateur actionnera la manette des commutateurs 34 - 35, la main droite la vis micromètrique 17 de la tablette, la course du bras 3 par vis micromètrique 8 et son élévation par vis micromètrique 13. L'inverseur 32 - 33 s'opérera de préférence à pied. La soudure des jonctions terminée et les valeurs ohmiques etthermoélectriques s'étant révélées correctes, il convient d'induire très prudemment, par attraction capilaire entre les cristaux 41 - 42, une gouttelette d'une résine polymérisant ou d'un ciment approprié à durcissement rapide, voir 46, Fig. 5 qui va immobiliser les cristaux 41 - 42, sans contraintes mécaniques par rapport à la plaquette en or 43. Après le durcissement complet du ciment, on procède, par relâchement des vis 5 et 6 à l'enlèvement du thermocouple ainsi achevé, en le prenant par un des fils 44 ou 45 à l'aide d'une pincette horlogère. Le thermocouple ainsi terminé peut être inséré dans un support approprié et enfermé dans un bottier du détecteur d'infrarouge. Le dispositif ainsi décrit peut être utilisé dans tous les cas où on veut produire des détecteurs de rayonnement infrarouge de très faible taille, à la fois sensible, robuste, à temps de réponse assez court et assez homogène au point de vue caractèrtstîquesélectriques. REVENDICATIONS 1. Instrument permettant de fabriquer les détecteurs d'infrarouge tion thernodlectrique basés sur L'effet Seebeck, caractëris pal Le fait que les deux metaux ou alliages appropriés devant constituer la jonction thermoé- lectrique sont tenues par deux manches mobiles et réglables dans la position verticale, par rapport a une tablette métallique nobile,sur cette dernicre on plaçant une feuille extrètiement mince du métal noirci, constituant la plaquet- te absorbante, l'instrument permet de l'appliquer avec une pression réglable et contrôlee centre les bouts pointus de ces deux métaux ou alliages, cela de manière qu'il y ait un contact électrique franc entre les métaux constituant lesdites jonctions et a travers la plaquette, la tablette, ce qui permet d'effectuer les microsoudures bien précises entre ces métaux ou alliages et la plaquette absorbante, le tout constituant ainsi un couple thermoélectrique uni par la plaquette absorbante, et tenu mécaniquement par les soudures ainsi effectuées. 2. Instrument permettant de fabriquer les détecteurs d'infrarouge selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux manches sont articulés, permettant a volonté leur rapprochement ou écartement et que au moins une d'elle a un dispositif micromètrique permettant de varier la position en hauteur par rapport b l'autre et par rapport à la tablette, les bouts de ces manches situés face face étant munis de pincettes permettant de tenir les minuscules lamelles ou cristaux des métaux ou alliages appropriées pour former une thermocouple et aiguisés de forme triangulaire pointue ou pyramidale, de préférence les bouts opposés de ces lamelles ou cristaux comportant les électrodes soudés dessus au préalable, les pincettes ne tenant pas les matériaux thermoé- lectriques mêmes, mais le prolongement de leurs électrodes. 3. Instrument permettant de fabriquer les détecteurs d'infrarouge selon la revendication I ou 2 caractérisé par le fait que la tablette métallique devont supporter le petit feuillet métallique noirci, constituant la plaquette absorbante active du détecteur, cette tablette comportant un petit miroir incliné la proximité de 450 pour permettre la vision latérale de l'opération est mobile dans le sens vertical actionné par une vis mécromêtique d'une part et un ressort de rappel d'autre part, permettant cette tablette de monter vers deux bouts pointus des alliages devant former un thermocouple de manière à ce que la plaquette ahscrbamte, positionnée correctement au préalable, s'appuie simultanément avec une pression adéquate et contrôlable contre les bouts des pointes, fermant ainsi a travers la tablette et la plaquette le circuit élec trique permettant d'effectuer les contrôles préalables et la soudure électrique à effectuer. 4. L'instrument, selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait qu'il permet, avant d'opérer la nicrosoudure entre la pointe du matériel formant une des jonctions et la plaquette absorbante, d'effectuer la mesure de résistance électrique de ce point de contact, cette mesure s effectue en connectant entre la tablette supportant la plaquette absorbante et une des deux pincettes un mesureur électro;;1que de résistance à faible courant de me sure, la valeur de la résistance indiquant lors de pression exercée par la plaquette absorbante sur les pointes des matériaux thermoélectriques, non seu lement le bon contact permettant d'effectuer la soudure électrique, dans des conditions optima, mais permet de servir par régulation manuelle ou automati que au dosage d'intensité de la décharge électrique opérant la soudure, de manière que la soudure, en fonction de la résistance du contact n'est ni trop forte (ce qui brûle les trous sur la plaquette, par l'effet de l'arc) ni trop faible (ce qui n'assure pas la soudure durable). 5. L'instrument, selon l'une revendications I à 4, caractérisé par le fait que la tablette, supportant la plaquette absorbante métallique devant être soudée à deux bouts des matériaux formant un thermocouple, cettectablette est munie d'une résistance chauffante, permettant, après l'opération de soudu re des deux jonctions et la dite plaquette, d'effectuer le contrôle du poten tiel thermoélectrique, les deux cristaux ou matériaux thermoélectriques étant connectés à un amplificateur électronique du courant continu ou à un galvanometre, lorsque la résistance chauffante se trouve portée à une température donnée, il apparaît sur le thermocouple un gradient thermique constant qui deterrine le potentiel aux bornes du thermocouple qui sert d'indication de la qualité de la soudure effectuée. 6. L'instrument, selon la revendication 3, caractérisé par le fait, que ce même circuit, mesurant le potentiel tlerrioelectrique, peut être commu té en comparaison de résistance et mesurer ainsi à très faible courant de mesurer, la résistance totale des jonctions, la valeur de cette résistance ainsi établie pouvant servir également de critère de bonne qualité de la sou dure effectuée, ces deux tests, thermoélectrique et de la résistance; étant complémentaires entre eux. 7. L'instrument, selon l'une des revendications I 6, caractérisé par le fait cue tous ces systemes de micromanipulation et de contrôle forment un seul appareil compact réuni au-dessus d'une loupe binoculaire, le champ opé ratoire de la tablette se trouvant au centre visuel, et tous les organes tels les vis micromotriques, les manettes de commutation, se trouvant placés à la portée de la main de l'opétateur. tout comme les cadrans indiquant les valeurs de résistance et du potentiel thermoélectrique se trouvent placés à vue de la proximité immédiate du champ visuel de la dite loupe.