Brevet FR2501901A1 — publié le 19820917

L'invention concerne un détecteur pyro- électrique à facteur de mérite optimisé. Elle s'ap- plique dans le domaine de la détection pyroélectri- que et, plus particulièrement, dans celui de la dé- tection et de l'imagerie infrarouge. Ces techniques mettent en oeuvre des matériaux diélectriques, gé- néralement monocristallins, possédant une polari- sation spontanée fortement dépendante de la tempé- rature. On ren contre essentiellement cette pro- lo priété dans les matériaux diélectriques dits fer- roélectriques. En général, les détecteurs pyroélectri- ques de rayonnement sont constitués d'un condensa- teur plan, comme schématisé sur la figure 1, dont le matériau diélectrique 2 est, en général, un mo- nocristal ferroélectrique monodomaine, donc pyro- électrique. Les faces du monocristal encontact avec les électrodes 4 du condensateur sont perpendicu- laires à l'axe polaire référencé N du monocristal. L'absorption du rayonnement incident, notamment du rayonnement infrarouge, à la surface ou au sein même du matériau diélectrique, provoque une élévation de température dT du détecteur qui se traduit par une variation dPs de la polarisation spontanée Ps dudit matériau. Il en résulte une ten- sion dv qui est appliquée à l'entrée d'un amplifi- cateur à haute impédance 6 par exemple constitué d'un transistor à effet de champ (FET). On montre que dans ces conditions d'em- ploi le produit sensibilisé par bande passante est d'autant plus grand que le rapport M = P est cc plus grand. Dans ce rapport, qui apparait comme un facteur de mérite, p est le coefficient pyroélec- trique du matériau diélectrique, correspondant à la 2 5 0 1 9 01 variation de la polarisation spontanée Ps en fonc- tion de la température T, c'est-à-dire que: 8Ps est la permittivité diélectrique principale sui- vant l'axe polaire et C est la capacité calorifique dudit matériau. Jusqu'à présent, on a toujours cherché à rendre maximal le facteur de mérite M de deux ma- nières: soit en jouant sur la nature chimique du matériau, ce qui conduit à l'utilisation exclusive de matériaux ferroélectriques, soit de façon plus artificielle, en utilisant des structures composi- tes. De telles structures sont décrites dans un ar- ticle le la revue Ferroelectrics n 27 (1980), pa- ges 49, par R.E. NEWNHAM, D.P. SKINNER, K.A. KLICKER, A.S. BHALiA, B. HARDIMAN et T.R. GURURAJA. Ainsi, si l'on a recours à la première manière, pour obtenir un facteur de mérite maximal pour telle ou telle utilisation du dtecteur pyro- électrique, il est nécessaire d'efectuer des re- cherches poussées afin de déterminer le matériau approprié. Si l'on a recours à la deuxieme manière, l'emploi de structures composites présente l'in- convénient majeur de rendre difficile l'obtention de détecteurs homogènes. Ce problème est particu- lièrement important dans les dispositifs d'image- rie notamment d'imagerie infrarouge. Par ailleurs, le facteur de mérite du ma- tériau constitutif des détecteurs connus étant dé- pendant de la température, les perfomances de ces détecteurs ne sont pas stables vis-à-vis des varia- tions de la température de fonctionnement. L'invention a justement pour objet un dé- tecteur pyroélectrique permettant d'obtenir des facteurs de mérite maximaux et/ou les plus cons- tants possible en température pour un matériau fer- roélectrique donné. De façon plus précise, l'invention con- cerne un détecteur pyroélectrique comprenant un ma- tériau diélectrique intercalé entre deux électro- des parallèles, le matériau étant un monocristal ferroélectrique monodomaine, caractérisé en ce que les faces du monocristal en contact avec les élec- trodes sont inclinées sur l'axe polaire du mono- cristal. Ainsi, contrairement à ce qui était admis jusqu'à ce jour, on peut utiliser un monocristal ferroélectrique présentant un axe polaire incliné par rapport à la normale aux électrodes du détec- teur, ce qui permet, pour un matériau diélectrique donné, d'obtenir un facteur de mérite plus grand que celui que l'on obtenait avec une coupe dans ledit monocristal perpendiculaire à l'axe polaire. Le fait d'incliner l'axe polaire par rap- port à la normale aux électrodes permet d'obtenir par rapport aux détecteurs connus un autre avanta- ge. En effet, la variation du facteur de mérite peut être rendue très faible dans une large gamme de température. La description qui va suivre se rapporte aux figures annexées, dans lesquelles - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un détecteur pyroélectrique; - la figure 2 représente schématiquement les variations de l'angle optimal (en degrés) et le gain sur le facteur de mérite, en fonction du rap- port d'anisotropie A pour une température de tra- vail fixe, et - la figure 3 représente schématiquement les variations de l'angle (en degrés) minimisant les dérives thermiques du facteur de mérite, et les variations thermiques de celui-ci, en fonction du rapport d'anisotropie Ao à la température minimale de travail. On va maintenant déterminer la valeur du cosinus y de l'angle X que doit faire l'axe polai- re, référencé I sur la figure 1, du monocristal 2 avec la normale aux faces de celui-ci en contact avec les électrodes 4 du détecteur pyroélectrique de façon à rendre maximal le facteur de mérite M = P dudit détecteur et ce à une température de cc travail donnée. Si c, y, y sont les cosinus directeurs de l'orientation considérée par rapport aux axes rec- tangulaires 1, 2 et 3 du matériau diélectrique, les paramètres p et c s'expriment sous la forme: P = cPl + P2 + YP3 o Pi' P2 et p3 sont les coefficients pyroélectri- ques suivant les axes 1, 2 et 3, et 2 + 2 2 C1 Eú2 2+ y e3 + 2cie6 + 2acs5 + 2c= e4 o l,.. e6 sont les composantes du tenseur de per- mittivités diélectriques dans le système d'axe 1, 2 et 3. La capacité calorifique C du matériau py- roélectrique est indépendante de l'orientation considérée. Si l'axe polaire est confondu avec l'un des axes par exemple l'axe 3, supposé invariant avec la température, et que 1, 2 et 3 sont les axes principaux du tenseur de permittivités, on a: Pl = P2 = O et, E4 = 5 = 6 = 0 De plus, si l'on range par ordre crois- sant les permittivités diélectriques selon les axes principaux 1, 2 et 3, le classement fait nécessai- rement apparaître c1 et E3 comme étant respective- ment les permittivités diélectriques principales, minimale et maximale. Cette condition est en géné- ral réalisée dans les ferroélectriques usuels. On peut alors définir le rapport d'anisotropie: c10 A = -- ú3 Des différentes expressions et condi- tions données précédemment, on en déduit que le facteur de mérite M est régi par l'équation (1), M P- (i) M C ú3C y2 (1 - A) + A En conséquence, si M3 représente le fac- teur de mérite pour une coupe du monocristal effec- tuée perpendiculairement à l'axe polaire, on ob- tient: M 2 M3 2 (1 - A) + A A température fixe le paramètre A est M donné, de même que M3; le rapport - présente donc 3 M3 un maximum pour: = ( 1 - A) 1/2 à condition que A Ce maximum (M/M3)max est égal à: 2 [Aî1- A)J 1/2 La figure 2 donne simultanément l'angle optimal, c'est-à-dire Arc cos y (courbe a) et la valeur correspondante du rapport M/M3 (courbe b) en fonction du rapport d'anisotropie A. A titre d'exemple considérons le cas de la triglycine sulfate connue sous l'abrévia- tion TGS. Pour une température de travail de 20aC, le rapport d'anisotropie A vaut 0,06. D'après la figure 2, l'angle correspondant est de 75 (cour- be a) et le rapport M/M3 est égal a 2,1 (courbe b). Avec une coupe très inclinée sur l'axe polaire, on gagne donc plus d'un facteur 2 sur le facteur de mérite. Une faible variation du facteur de mérite dans une large gamme de températures permet la réalisation de détecteurs ou de systèmes d'imagerie dont la réponse dépend peu de la température am- biante. Une coupe inclinée sur l'axe polaire selon l'invention, peut conduire à un tel résultat. On va maintenant déterminer la valeur de l'angle que doit faire l'axe polaire du monocristal avec les faces de celui-ci en contact avec les électrodes, de façon à rendre le facteur de mérite du détecteur indépendant de la température et ce dans une gamme de températures de travail donnée. Pour déterminer cet angle, on suppose, comme précédemment, que l'axe polaire est confondu avec l'axe principal 3, et que les axes principaux 3. 0 sont invariants dans la gamme de températures de travail donnée. De plus, la permittivité diélectri- que principale s1 et la capacité calorifique C du matériau diélectrique sont indépendantes de la tem- pérature. D'après la théorie thermodynamique de Devonshire (E. FATUZZO, W.J. MERZ, Ferroelectri- city, North Holland Publishing Corp, Amster- dam (1967)), les variations de la polarisation spontanée de Ps et de la permittivité diélectrique c3 en fonction de la température, pour une transi- tion ferroélectrique-paraélectrique du deuxième ordre, sont de la forme: 1/2 Ps rj(T - Tc),et ú3 PV/ T- T o T représente la température de Curie ou de c transition. Comme le coefficient pyroélectrique 8Ps P3 = on a p3 rv(T - Tc) -1/2. Si on introduit la variable réduite: P (T) s p(Q) 1 C= Ps(O) 1, o l'indice O désigne la température minimale de travail et l'indice T la température considérée, on obtient: -1 1 P3re Ps '1% 1, et e eps 2 i1_ s 2' On en déduit donc l'expression (2): P3 -t% (2) E3 De plus, comme la permittivité diélec- trique principale ú1 est indépendante de la tempé- rature, le paramètre d'anisotropie A = 1/ ú3 1 t.2 varie comme A I 3 (3). En portant les expressions (2) et (3) dans l'équation (1), on obtient après simplifica- tion l'équation (4): l0 - - =: 1 l/y 1 (4) 30 Ao ( - 1) + + 4 y2 Dans l'équation (4) seul le terme de la polarisation spontanée réduite 3 dépend de la tem- pérature. Le rapport MT/M30 est minimal dans une T3 gamme étendue de T pour Ao(l/y2 - 1) peu différent de 1,5. Le tableau ci-après montre que pour Ao(l/y2 - 1) = 1,5, le terme B = Ao(l/y2-1)_ + ne varie pas plus de 2%, dans l'intervalle 0,6 ( W l'ordre de 2,5. I. 1 1 0,8 0,6 B 2,5 2,45 2,56 Donc pour un matériau donné, on peut dé- finir la gamme de températures dans laquelle on aura une faible variation du facteur de mérite, cette gamme étant définie à partir des températures minimale et maximale de travail, la température maximale pouvant être définie à partir de la rela- tion Ps(T) = 0,6 Ps(O). L'équation Ao(l/y 2-1) = 1,5 définit donc une coupe du monocristal à dérive thermique minima- le du facteur de mérite M. De cette équation on en déduit l'équation (5): Ao 1/2 Ao + 1,5) (5) L'angle minimisant les variations ther- miques du facteur de mérite P/ EC, selon l'expres- sion (4) est représenté sur la figure 3 (courbe c) en fonction du rapport d'anisotropie à la tempéra- ture minimale de travail Ao. On a porté également sur cette figure le rapport MT/M30 correspondant (courbe d). Il est à noter que pour les faibles valeurs de Ao la.oupe du monocristal minimisant les dérives thermiques du facteur de mérite donne également un gain sensible sur la valeur dudit fac- teur à la température minimale de travail. A titre d'exemple, si Ao vaut 0,05, on en déduit d'après la courbe d que le rapport MT/ M30 est égal à 2,24; l'angle correspondant donné par la courbe c vaut 79,50. Les hypothèses précédentes, permettant lde déterminer l'angle optimal d'inclinaison, ne sont pas toujours rigoureusement vérifiées. On pourra éventuellement affiner la valeur optimale de y en mesurant directement la variation thermique du facteur de mérite pour des inclinaisons voisines de celles déterminées par l'équation (5). L'invention présente l'avantage de per- mettre d'optimiser le facteur de mérite du détec- teur pyroélectrique en fonction de son utilisation, cette invention étant applicable à tout détecteur à matériau ferroélectrique usuel (essentiellement le TGS). REVENDICATIONS 1. Détecteur pyroélectrique comprenant un matériau diélectrique (2) intercalé entre deux électrodes parallèles (4), le matériau étant un mo- nocristal ferroélectrique monodomaine, caractérisé en ce que les faces du monocristal en contact avec les électrodes (4) sont inclinées sur l'axe polaire du monocristal (I). 2. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la normale aux faces du monocristal en contact avec les électrodes (4) est sensiblement contenue dans le plan des axes pricipaux 1 et 3 et en ce que l'angle X entre cette normale et l'axe polaire du monocristal est déter- miné en fonction d'un paramètre A qui est égal à i/s3,' el et 3 représentant respectivement les permittivités diélectriques principales minimale et maximale du matériau diélectrigue et correspon- dant respectivement aux axes principaux 1 et 3. 3. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que cet angle X est tel que le facteur de mérite du détecteur est sensiblement maximal pour une température de tra- vail donnée. 4. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que A est infé- rieur à 0,5 et en ce que le cosinus y de cet angle X est voisin de (A/I-A)1/2. 5. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que cet angle X est tel que le facteur de mérite du-détecteur est sensiblement indépendant de la température dans une gamme de températures de travail donnée. 6. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 5, caractérisé en ce que le cosinus Y Ao i/ de cet angle X est voisin de ( Ao + 1,5) /, Ao représente la valeur du paramètre A à la températu- re minimale de travail. 7. Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau est de la triglycine sulfate et l'angle X voisin de 750. 8. Détecteur pyroélectrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit paramètre A est inférieur à 0,1.