Brevet FR2333230A1 — publié le 19770624

L'invention concerne les détecteurs infrarouge du type bolomètres refroidis à très basse température (inférieure à 5GK) et de type composite, c'est-à-dire comportant un substrat thermique de grande surface recouvert d'un absorbant et lié thermiquement au cristal semiconducteur détecteur de température. Ce type de bolomètre fait l'objet du brevet français No. 69.42019 déposé le 4 décembre 1969 au nom de Noël CORON pour "Détecteur de rayonnement infrarouge au germanium dopé" et de sa première addition No 71.31423 déposee le 30 août 1971. Ces bolomètres sont ultra-sensibles et destinés, en particulier, à être utilisés en astrophysique. Ils sont en général utilisés à une frequence de modulation fo. La limite de détection d'un bolomètre à une fréquence fo, est d'autant meilleure que sa capacite calorifique Co est faible et on peut montrer qu'elle varie comme IrCo, Le but de l'invention est de minimiser la capacité calorifique Co de l'élément en diminuant celle du substrat thermique qui est souvent prépondérante. Les substrats thermiques utilisés jusqu'ici étaient, soit des feuilles métalliques très fines, soit des disques minces de forme plane en silicium ou en quartz. Les progrès réalisés par ailleurs dans la diminution en capacité calorifique des autres parties de l'élément sensible renforcent la nécessité de diminuer celle du substrat thermique, ce que permet l'invention. En outre, l'invention permet de réaliser des substrats ayant une tres grande surface totale par rapport à la surface d'entree utilisée réellement (10 fois par exemple) sans que les performances soient trop dégradées, ce qui permet de réaliser des détecteurs "absolus" de très bonnes performances, utilisés pour les calibrages. L'invention a pour objet un bolometre du type susvisé, dans lequel la capacité calorifique du substrat thermique est tonsidérablement réduite. Elle a encore pour objet un bolomètre dans lequel la capacité calorifique de l'ensemble de l'élément sensible est con sidérablement réduite. Elle a enfin pour objet un bolomètre apte à constituer un récepteur thermique absolu tout en ayant de très bonnes performances. Suivant l'invention, le substrat thermique est un mor ceau de diamant monocristallin. Dans le mode d'exécution préferé d'un radiomètre relatif, ledit substrat thermique est une pastille fine de diamant couplée à la partie centrale d'un cristal sensible du type décrit dans la demande de brevet français déposée le même jour par Jacques LEBLANC, pour "Bolomètre refroidi à l'hélium liquide dont l'élément sensible ne comporte aucune soudure métallique avec apport de métal". L'absence de soudure metallique et la réduction de volume des parties inactives du cristal sensible permettant d'atteindre une capacité calorifique très faible, il devenait tre mportant pour les Demandeurs de se poser le problème de la réduction de la capacité calorifique du substrat thermique. Ils ont découvert que le diamant pouvait être taillé en pastilles de diamètres suffisamment grands (1 à 8 mm) ayant les très faibles épaisseurs nécessaires (quelques dizaines de microns) et qu'outre sa tres faible capacité calorifique il possédait une grande diffusivité thermique, ce qui évite les gradients de température aux fréquences de modulation elevées. I1 en résulte, dans l'application envisagée, que des fréquences levées de modulation du rayonnement incident pourront être utilisées, allant par exemple jus qu'à plusieurs dizaines de KHz pour un diamètre de plusieurs millimètres pour le substrat, sans perte de sensibilité. Dans son application à la radiomètrie absolue, le bol on mètre suivant l'invention se caractérise par un substrat non plan, de volume relativament important, ayant de préférence une forme tronconique, cylindrique ou conique, telle que celle qui est obtenue par decoupe de l'extrémité d'un diamant naturel. Suivant un mode dexecution préféré, le cristal détecteur est couplé audit substrat suivant une des faces planes du diamant et l'élément sensible ainsi constitue est suspendu à l'intérieur d'une cavité réfléchissante spherique, munie d'un orifice diaphragmé de réception du flux à mesurer. D'autres particularites ainsi que les avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lumière de la description ciapres. Au dessin annexé La figure 1 est le schéma d'un mode d'exécution préferé d'un bolomètre à substra.t plan, conforme à l'invention ; et, la figure 2 est le schéma d'un bolomètre absolu, à substrat de forme conique et tronconique. A la figure 1, on a représenté ltélément sensible d'un bolomètre, placé dans une cavité sphérique réfléchissante 1 et composé d'un substrat thermique 2 et d'un cristal détecteur 3. Ce dernier est du type décrit dans la demande de brevet susvisée déposée le meme jour, et comporte donc une partie centrale couplée au substrat 2, et deux poutres conductrices terminées par des parties extremes qui servent, par l'intermédiaire de pastilles de quartz, à la liaison électrique et thermique avec le circuit de mesure et le cryostat. L'on ne décrira pas ces derniers organes, pas plus que le mode de suspension du substrat, qui est avantageusement conforme à la description donnée dans la première addition susvisée. On indiquera simplement que les fils de suspension contribuent avec les poutres à l'obtention de la condition thermique voulue entre ltélément sensible et le cryostat. Le substrat 2 est une pastille taillée le plus fin possible (épaisseur inférieure à 100 microns) dans un diamant naturel choisi de sorte que le cercle de diamètre final voulu soit inscrit dans la section brute de de coupe. Autrement dit, le contour de la pastille ne sera pas circulaire, ni meme régulier, car il est préférable d'obtenir une pastille très fine et exempte dlamorces de rupture, qu'une pastille de contour régulier plus épaisse ou présentant de telles amorces. A titre exemple, l1on a pu obtenir des pastilles de 80 microns d'épaisseur avec un diamètre de 5 mm. La face arrière (à laquelle le cristal sera couplé) est recouverte, par déport sous vide, d'une couche d'alliage nickelchrome d'épaisseur telle que la résistance au carré soit denvi- ron 110 ohms étant ainsi adaptée à l'indice du diamant (2,38) et à l'impédance du vide, de façon à obtenir l'absorption maximale. La face avant peut etre recouverte d'une couche de matériau absorbant classique pour améliorer I'efficacité du détecteur. Le couplage thermique de la pastille 2 au cristal 3 s'obtient soit par collage, soit par soudure sur un point de la face arrière renforcée par dorure électrolytique. La capacité calorifique du diamant étant, aux très basses températures d'utilisation, environ le dixième de celle du silicium pur, les performances pourront etre multipliées par trois. A la figure 2, on a représ-enté, place dans une cavité sphérique réfléchissante 4, un élément sensible composé dtun morceau de diamant 5 de volume relativement grand et d'un cristal détecteur 6. La suspension du substrat thermique de diamant 5 et la liaison électrique et thermique du cristal 6 n'ont pas été figurées elles sont avantageusement conformes à la description donnée dans la première addition susvisée. Le substrat 5 est obtenu par découpe de l'extrémité d'un diamant naturel et a donc une forme générale grossièrement conique ou tronconique ou cylindrique. Le cristal détecteur 6 est avantageusement de type décrit dans la demande de brevet susvisée déposée le même jour, et collé par sa partie centrale le long d'une des faces de -la pierre. Toutes les faces du diamant, sauf la face d'entrée 5a, sont recouvertes d'un matériau noir, du type résistif ou diffusant, adapté à la longueur d'onde d'utilisation du bolomètre. La cavité 4 comporte une ouverture diaphragmée par un diaphragme 7 de diametreie. . On peut, par exemple, obtenir entre la surface latérale totale du diamant naturel et la surface d'en trée de diamètre ie = 2 mm, un rapport de 10, ce qui conduit à une efficacité théorique du bolomètre pouvant dépasser 98 %, après avoir tenu compte des pertes par réflexion sur la face d'entrée. Avantageusement le diamant sera creusé à partir de sa -fac? Sa aussi profondement que la technologie le permet. I1 en résulte une réduction considerable du volume, donc de Ta capaeité calorifique, et une augmentation notable de la surface latérale. Enfin, les pertes par réflexion sur la face d'entrée sont sensiblement réduites. Les parois intérieures seront alors elles aussi noircies. Les performances et l'efficacité se trouvent ainsi lar gement améliorées. Un tel bolomètre de calibration sera très intéressant pour la detection et la mesure absolue du flux infra-rouge. REVENDICATIONS. 1. Bolomètre refroidi à tres basse température comportant un sub strat thermique recouvert d'un absorbant et lie thermiquement à un cristal semi-conducteur détecteur de température, caracte risé en ce que ledit substrat thermique est un morceau très mince de diamant monocristallin. 2. Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal détecteur est couplé audit substrat suivant une des faces planes du diamant etji'eiément sensible constitué parle substrat thermique et le cristal suspendu à l'intérieur d'une cavité réfléchissante sphérique, munie d'un orifice diaphragmé de réception du flux à mesurer. 3. Bolomètre suivant la recendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat thermique est une pastille fine de diamant de quelques millimètres de diamètre et d'épaisseur inférieure à 100 microns 4. Bolomètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat thermique est obtenu par découpe de l'extrémité d'un diamant naturel et a une forme sensiblement tronconique, cylin drique ou conique. 5. Bolomètre suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit diamant est creusé à partir de sa surface d'entrée du flux.