Brevet FR2512586A1 — publié le 19830311

L'invention concerne un détecteur et un vi- dicon pyroélectrique à phosphotellurate d'ammonium. Elle s'applique, plus particulièrement dans le domai- ne de la détection de rayonnements thermiques tels que les infrarouges et dans le domaine de l'imagerie infrarouge et ultrasonore Ces techniques mettent en oeuvre des matériaux diélectriques, généralement mo- nocristallins possédant une polarisation spontanée fortement dépendante de la températureo On rencontre essentiellement cette propriété dans les matériaux diélectriques dits ferroélectriques. En général, les détecteurs pyroélectriques de rayonnement sont constitués d'un condensateur plan, comme schématisé sur la figure 1, dont le maté- riau diélectrique 2 est, en général, un monocristal ferroélectrique monodomaine, donc pyroélectrique. Les faces du monocristal en contact avec les électro- des 4 et 6 du condensateur sont perpendiculaires à l'axe polaire P du rmonocristal, c'est-à-dire que l'axe polaire P est dirigé suivant la normale N aux électrodes. L'absorption du rayonnement incident, no- tamment du rayonnement infrarouge, à la surface ou au sein même du matériau diélectrique, provoque une élévation de température d T du matériau qui se tra- duit par une variation d Ps de la polarisation sponta- née Ps dudit matériau Il en résulte une tension d V qui est appliquée à l'entrée d'un amplificateur à haute impédance 8 par exemple constitué d'un transis- tor à effet de champ (FET). Dans le cas de l'imagerie notamment infra- rouge, l'électrode supérieure 4 du condensateur est remplacée comme schématisé sur la figure 2, par une grille 10 La lecture du signal émis par le matériau diélectrique 2, soumis au rayonnement, est faite en balayant point par point, à l'aide d'un faisceau d'électrons 12, la face du dispositif opposée à celle exposée au rayonnement Ce dispositif appelé vidicon pyroélectrique permet la restitution sur le disposi- tif même d'une image vidéo de l'éclairement du rayon- nement comme par exemple l'image d'un-objet d'ou pro- vient ce rayonnement Comme précédemment, la tension d V qui peut être différente en chaque point du maté- riau, résultant de l'élévation de température du ma- tériau, qui peut être différente en chaque point de- celui-ci, est appliquée à l'entrée d'un amplificateur 14 du type amplificateur vidéo. Dans ces deux applications, la comparaison et le choix entre les différents matériaux pyroélec- triques se font sur la base de données quantitatives et qualitatives. Sur le plan quantitatif, les paramètres im- portants sont les suivants: le coefficient pyroélectrique p correspondant à la variation de la polarisation spontanée Ps en fonc- tion de la température T, c'est-à-dire que r P TT; la permittivité diélectrique principale ú suivant l'axe polaire; l'angle de pertes et sa variation en fonction de la fréquence dans le domaine compris entre 1 et Hz, mesuré suivant l'axe polaire; la capacité calorifique C; et la conductivité thermique latérale K, c'est-à-dire déterminée dans le plan perpendiculaire à l'axe po- laire. Tous ces paramètres ne sont pas nécessaire- ment à considérer isolément lorsque l'on compare en- tre eux les différents matériaux On utilise le plus i souvent un facteur de mérite global M défini par le rapport M = p/EC. Sur le plan qualitatif les propriétés les plus significatives sont: l'homogénéité des paramètres précédemment cités et notamment l'homogénéité de la réponse pyroélectri- que, la réponse pyroélectrique étant définie par le rapport p/E (particulièrement important dans le cas du vidicon pyroélectrique); la facilité de manipulation et de conditionnement plus spécialement la commodité de coupe et de po- lissage des plaques très minces de grande surfa- ce, et la facilité d'obtention de gros échantillons sans défaut en ce qui concerne l'élaboration du maté- riau. Parmi les matériaux ferroélectriques usuels utilisés en détection pyroélectrique, on peut distinguer en gros deux catégories D'une part, les cristaux non solubles dans l'eau tels que les cris- taux de Li Ta O 3, Pbx Zrî_x Ti O 3, etc, ces matériaux présentant aussi des températures de Curie élevées. D'autre part, les cristaux à température de Curie voisine de l'ambiante qui se trouvent pour la plupart être par ailleurs solubles dans l'eau tels que le sulfate de triglycine (TGS), le séléniate de trigly- cine (TG Se), le fluoroborate de triglycine (TGFB), etc Les premiers matériaux ont l'avantage d'être insensibles à l'humidité, mais ont générale- ment une réponse pyroélectrique faible (p/6 faible). Les seconds matériaux sont sensibles à l'humidité, donc plus difficiles à mettre en oeuvre En effet, une encapsulation en atmosphère sèche ou dans le vide est nécessaire. Dans l'application de l'imagerie, la sen- sibilité à l'humidité n'est pas un gros inconvénient puisque le matériau doit être de toute manière placé dans un vide compatible avec la lecture par faisceau d'électrons Dans ce type d'application le matériau universellement utilisé est le TGS Son facteur de mérite M, au voisinage de la température ambiante est l'un des plus élevés connus Malheureusement, ce com- posé présente de sérieux inconvénients. En effet, la croissance de gros monocris- taux homogènes et sans défaut est délicate Ce n'est que grâce à un effort très important dans la cristal- logénèse du matériau que l'on est parvenu à élaborer des échantillons utilisables en imagerie infrarouge. De plus, la découpe et le polissage de plaquettes très minces (d'environ 30 um) sont difficiles à ef- fectuer à cause des propriétés mécaniques médiocres de ce matériau. En ce qui concerne les matériaux isomorphes du TGS tels que le TG Se et le TGFB, ces matériaux ont des températures de Curie plus élevées que celle du TGS, et leurs facteurs de mérite sont également plus grands, que ceux du TGS Malheureusement, ces maté- riaux sont encore plus difficiles à fabriquer que le TGS et leurs propriétés mécaniques ne sont pas supé- rieures à celles de ce dernier. L'invention a Justement pour objet un dé- tecteur et un vidicon pyroëLectique constitués d'un matériau diélectrique permettant de remédier aux in- convénients précédemment cités. De façon plus précise,-l'invention a pour objet un détecteur pyroélectrique de rayonnement com- prenant un matériau diélectrique intercalé entre deux électrodes parallèles, ce matériau étant un monocris- tal ferroélectrique monodomaine présentant un axe polaire P, et se caractérisant en ce que ledit maté- riau est du phosphotellurate d'ammonium de formule chimique: Te(OH) 6, 2 NH 4 H 2 PO 4, L(NH 4)2 HP 04 Dans la suite de la description le phospho- tellurate d'ammonium de formule: Te(OH)6, 2 f NH 4 H 2 PO 4,(N Hi 4)2 HPO 4 l sera désigné par l'abréviation PTA. Ce matériau peut être facilement obtenu sous la forme de gros monocristaux (plusieurs cm 3) homogènes et sans défaut La cristallogénèse de ce matériau se révèle donc plus facile que celle du TGS. De plus, des essais de découpe et de polis- sage de plaquettes ont montré que ce matériau présen- te un comportement beaucoup plus sain que celui du TGS En particulier, les plaquettes de PTA sont net- tement moins fragiles que les plaquettes de TGS. En conséquence, les détecteurs réalisés avec le nouveau composé PTA, objet de l'invention, correspondent à un progrès important sur le plan des coûts d'élaboration puisque les meilleures qualités mécaniques de ce nouveau matériau se traduisent par un rendement de fabrication accru. L'invention a aussi pour objet un vidicon pyroélectrique comprenant un matériau diélectrique intercalé entre une grille et une électrode parallè- les, ce matériau, susceptible d'émettre, après ab- sorption d'un rayonnement, un signal détecté point par point au moyen d'un faisceau d'électrons, étant un monocristal ferroélectrique monodomaine présen- tant un axe polaire P, et se caractérisant en ce que ledit matériau est du phosphotellurate d'ammonium de formule chimique: Te(OH)6, 2 lNH 4 H 2 PO 4 l lNH 4)2 HP 04}- Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'axe polaire P du monocristal est per- pendiculaire aux faces du monocristal placées soit au contact des électrodes, dans le cas du détecteur, soit au contact de la grille et de l'électrode, dans le cas du vidicon. Selon un autre mode préféré de réalisation de l'invention, l'axe polaire P du monocristal est incliné d'un angle a par rapport à la normale aux faces du monocristal placées soit au contact des électrodes dans le cas du détecteur, soit au contact de la grille et de l'électrode, dans le cas du vidi- con De préférence, cet angle a est compris entre et 80 - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit faite en regard des figures annexées, sur les- quelles: la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un détecteur pyroélectrique, la figure 2, déjà décrite, représente schématiquement un vidicon pyroélectrique, la figure 3 représente la trajectoire dans le plan ô, de l'extrémité du vecteur de pola- risation spontanée du PTA, dans un intervalle de tem- pérature compris entre 20 et 49 C, et la figure 4 représente les variations du rapport p/F du PTA (courbe a) et du TGS (courbe b), exprimé en k V cm -l'c -1, en fonction de la températu- re t exprimée en C. Selon l'invention, le matériau diélectri- que constituant le détecteur pyroélectrique de rayon- nement (figure 1) et le vidicon pyroélectrique (figu- re 2) est du phosphotellurate d'ammonium (PTA) de formule: Te(OH)6, 2 lNH 4 H 2 PO 4 l (NH 4)2 HP 04 Ce matériau cristallise dans le système mo- noclinique et sa classe de symétrie est m Ce maté- riau, présentant un axe polaire P dans le plan miroir m (plan ô, e') est par conséquent pyroélectrique Sa polarisation spontanée PS varie à la fois en module et en direction; il est à noter que la variation en direction, en fonction de la température, de la pola- risation spontanée du PTA est une caractéristique que ne présentent pas le TGS et les composés isomorphes du TGS qui cristallisent dans le système monoclinique et présentent la classe de symétrie 2. De plus, le PTA, comme le TGS est un maté- riau ferroélectrique à température ambiante Sa tem- pérature de Curie est tout à fait comparable à celle du TGCS qui est de 490 C. Sur la figure 3, on a représenté la trajec- toire dans le plan 9, c, c'est-à-dire dans le plan miroir m, de l'extrémité du vecteur de polarisation spontanée du PTA, dans un intervalle de températures compris entre 20 et 490 C On constate que la trajec- toire portant la référence t est assez voisine d'une droite d passant par l'origine définie par l'inter- section des vecteurs a et c Ceci montre, en fait, que la direction de l'axe polaire P varie peu avec la température En conséquence, on peut définir une cou- pe dirigée suivant la normale à l'axe polaire moyen de ce matériau, cette direction normale correspondant aussi aux faces naturelles 101 du cristal de PTA; ceci revient à dire que l'axe polaire moyen P est dirigé suivant la normale N aux électrodes 4 et 6 (figure 1), ou à la normale N à la grille 10 età l'électrode 6 (figure 2). Sur la figure 4, on a représenté les varia- tions du rapport p/E du PTA (courbe a) et du TGS (courbe b) exprimées en k V cm l OC-1, en fonction de la température t, exprimée en C On constate que ce rapport est légèrement plus petit dans le cas du PTA. Cependant, comme on l'a dit précédemment, l'obtention de gros échantillons de PTA est beaucoup plus aisée que celle du TGS. Il est à noter que l'obtention de monocris- taux de PTA est obtenue comme ceux du TGS à partir d'une solution aqueuse. Afin d'augmenter le rapport P/E et par con- séquent le facteur de mérite M du PTA, des études ont montré que l'augmentation de ce rapport peut être ob- tenue en effectuant une coupe du monocristal de PTA suivant une direction telle que l'axe polaire P dudit monocristal soit incliné suivant un angle a par rap- port à la normale N aux électrodes 4 et 6 (figure 1) ou à la normale N à la grille 10 età l'électrode 6 (figure 2) La direction de l'axe polaire P est re- présentée par la droite portant la référence I sur les figures 1 et 2. Selon l'invention, l'angle d'inclinaison a dans le cas du PTA peut être compris entre 10 et 80 . La valeur de cet angle dépend principalement de la valeur du facteur de mérite que l'on désire obtenir et donc de l'utilisation particulière envisagée du détecteur et du vidicon pyroélectrique, selon l'in- vention. REVENDICATIONS 1 Détecteur pyroélectrique de rayonnement comprenant un matériau diélectrique ( 2) intercalé en- tre deux électrodes parallèles ( 4, 6), ce matériau étant un monocristal ferroélectrique monodomaine présentant un axe polaire P, caractérisé en ce que ledit matériau est du phosphotellurate d'ammonium de formule chimique: Te(OH)6, 2 INH 4 H 2 PO 04(NH 4)2 HP 4 l 1 2 Détecteur pyroêlectrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'axe polaire P du monocristal est perpendiculaire aux faces du mono- cristal placées au contact des électrodes ( 4, 6). 3 Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que l'axe polaire P du monocristal est incliné d'un angle î par rapport à la normale aux faces du monocristal placées au con- tact des électrodes ( 4, 6). 4 Détecteur pyroélectrique selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que l'angle a est compris entre 10 et 80 . Vidicon pyroélectrique comprenant un matériau diélectrique ( 2) intercalé entre une grille ( 10) et une électrode ( 6) parallèles, ce matériau, susceptible d'émettre, après absorption d'un rayon- nement, un signal détecté point par point au moyen d'un faisceau d'électrons ( 12), étant un monocristal ferroélectrique monodomaine présentant un axe polai- re P, caractérisé en ce que ledit matériau est du phosphotellurate d'ammonium de formule chimique: Te(OH)6, 2 INH 4 H 2 PO 4 l, l(NH 4)2 HP 04 l 6 Vidicon pyroélectrique selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que l'axe polaire P du monocristal est perpendiculaire aux faces du mono- cristal placées au contact de la grille ( 10) et de l'électrode ( 6). 7 Vidicon pyroélectrique selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que l'axe polaire P du monocristal est incliné d'un angle a par rapport à la normale aux faces du monocristal placées au contact de la grille ( 10) et de l'électrode ( 6). 8 Vidicon pyroélectrique selon la reven- dication 7, caractérisé en ce que l'angle a est com- pris entre 10 et 80 .