Brevet FR2530017A1 — publié le 19840113

La présente invention concerne une thermistance- bolomètre et plus particulièrement une nouvelle structure physique de thermistance-bolomètre. La présente invention concerne également un procédé pour réaliser une thermistance-bolomètre. Comme on le sait, des dispositifs de ce type sont ou bien destinés à mesurer l'intensité de l'énergie des rayon- nements électromagnétiques et selon ce mode de fonctionne- ment, ils se comportent en bolomètres classiques, ou bien destinés à mesurer la température d'un corps à partir de la chaleur transmise depuis ce corps par contact ou par contact- convection, plutôt qu'à partir de la chaleur rayonnée et, selon ce mode de fonctionnement ils se comportent en ther- mistances classiques Ces deux modes de fonctionnement ou d'utilisation n'impliquent cependant pas des différences considérables, au contraire ils ne nécessitent que de légères adaptations de la structure, concernant uniquement les dif- férentes façons dont l'énergie thermique est appliquée au corps du dispositif concerné. L'art antérieur comprend certaines thermistances- bolomètres faites avec des corps en matériaux semi- conducteurs ou en pâte amorphe ou même en métal (par exemple du platine avec un coefficient de température de 0 31). Cependant tous les dispositifs de l'art antérieur présentent certains inconvénients de fonctionnement ou de coût et la présente invention a pour but d'éliminer ces déficiences. L'invention a donc principalement pour but de proposer une thermistancebolomètre ayant une grande rapidité, une grande capacité de réponse (sensibilité) et un fort coeffi- dient thermique de résistivité afin de fonctionner avec beaucoup de sensibilité. La thermistance-bolomètre selon l'invention comprend un corps détecteur constitué d'une couche à faible résisti- vité en grenat magnétique dopé, deux éléments de contact en matériau conducteur adaptés à former des contacts ohmiques et deux fils conducteurs reliés auxdits éléments de contact de façon à relier le corps détecteur au circuit de polari- sation et au circuit de lecture. Dans une première réalisation de l'invention, la cou- che en grenat magnétique dopé est constituée d'un film appliqué sur un substrat, par exemple en Gd 3 Ga 5012 - Dans une autre réalisation, la couche en grenat magné- tique dopé est constituée d'un bloc parallélépipédique (réalisation massive) sur lequel les éléments de contacts et les fils conducteurs précités sont appliqués. Les avantages essentiels d'une structure constituée comme ci-dessus, en plus de la capacité de réponse élevée déjà signalée sont les suivants: la structure est peu coûteuse à fabriquer, en parti- culier dans la réalisation à film mince; le corps détecteur est intrinsèquement noir de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le revêtir d'une quel- conque couche absorbant les rayonnements; __ le matériau employé est lavable et mécaniquement robuste, de sorte qu'il est utilisable sans difficulté dans une gamme de température allant de -180 à + 900 'C. D'autres-particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure la représente le corps détecteur d'une thermistance-bolomètre selon l'invention dans sa réalisation comprenant un film mince déposé sur un substrat; la figure lb représente le corps détecteur dans sa réa- lisation sous forme d'un bloc (réalisation massive); la figure 2 a représente le corps détecteur de la figu- re la, avec les éléments de contact en place, la figure 2 b représente le bloc de la figure lb sur lequel soni appliqués les éléments de contact; la figure 3 représente le corps détecteur des figures la et 2 a avec les éléments de contact et les fils conduc- teurs en place pour assurer la connexion avec un circuit de polarisation et un circuit de lecture; et la figure 4 représente le corps détecteur en forme de bloc (réalisation massive) avec deux -éléments de contact en place sur les faces opposées du bloc. Dans une réalisation préférée, la thermistance-bolcmètre comprend un corps détecteur 10 constitué d'une plaque mince ou film 11 en grenat magnétique dopé YIG (Grenat Yttrium Fer) obtenu par croissance épitaxique sur un substrat 12 en Gd 3 Ga 5012 Cette structure est représentée sur la figure la. Le corps détecteur peut également être constitué, comme le montre la figure lb, d'un petit bloc (réalisation massive) 13 en grenat magnétique dopé YIG formé dans un creuset. En tous cas, 'le matériau constituant le corps détecteur de la thermistance-bolometre selon l'invention est caracté- i d R risé par un coefficient de température nhégatif (a = R d R et il peut avoir une conductivité de type N ou de type p selon l'agent dopant employé avec le matériau concerné. Deux éléments de contact en matériau conducteur 14, 15 formant des contacts ohmiques, sont installés sur la surface du film mince 11 ou sur l'une des faces du bloc 13 en grenat magnétique dopé On emploie-habituellemient un alliage chrome- or ou de l'or pur Le procédé pour déposer ces éléments de contact est de préférence choisi parmi les procédés connus de pulvérisation haute fréquence (radio-fréquence) ou de métallisation ou parmi d'autres méthodes au choix comme la vaporisation L'application de ces éléments de contact sur la structure à film mince ou sur la structure massive est respectivement présentée sur les figures 2 a et 2 b. Deux fils conducteurs 16 et 17 sont ensuite fixés aux éléments de contact 14 et 15 au moyen de deux blocs, de con- tact 18 formés par thermocompression ou par des procédés ultrasoniques ou au moyen de résines conductrices Les fils conducteurs 16, 17 sont destinés à relier le corps du con- ducteur au circuit de polarisation 19 et au circuit de lecture 20 qui est construit sous forme d'un circuit de mesure de tension à haute impédence L'ensemble est présen- té sur la figure 3. Lorsque le dispositif est employé comme bolomètre, la structure présente un espace libre de forme quelconque entre les deux éléments de contact 14 et 15 afin de permettre au rayonnement incident d'être facilement absorbé Lorsque le dispositif est employé comme thermistance, la structure concernée est normalement en contact thermique avec la source dont la température doit être mesurée; par consé- quent dans un dispositif destiné à être utilisé comme ther- mistance, l'espace libre entre les deux éléments de contact peut aussi être limité. En particulier, dans un dispositif destiné à fonction- ner comme thermistance et ayant une structure en forme de bloc, les deux éléments de contact peuvent également être placés sur les faces opposées du bloc comme l'indique la figure 4. Les matériaux utilisables pour la construction de la thermistancebolomètre sont d'une façon générale tous les grenats magnétiques pouvant être dopés A titre d'exemples certains types sont indiqués ici à titre d'illustration mais n'introduisent aucune limitation: YIG dopé avec du silicium " dopé avec du germanium dopé-avec du titane dopé avec du niobium dopé avec de l'étain dopé avec du calcium (a = 4,8 % /0 C) Les caractéristiques les plus importantes présentées par une thermistancebolomètre selon l'invention-sont une importante énergie d'activation, une faible capacité ther- mique et une faible résistivité. On notera encore que le coefficient de température ainsi obtenu possède une très faible valeur comprise entre -2 et -8 et que les éléments de contact et les fils conduc- teurs sont reliés au corps détecteur de façon à formeer des contacts ohmiques à faible bruit En particulier, pour réa- liser de tels contacts ohmiques à faible bruit, il faut un traitement de recuit thermique comprenant une étape de chauffage depuis la température ambiante jusqu'à environ 380 'C suivie d'une étape de refroidissement jusqu'à la température ambiante avec un abaissement de la température (vitesse de refroidissement) d'environ -50 C/min. Des réalisations préférées de l'invention ont été pré- sentées ici; cependant il est bien entendu que des varian- tes et des modifications peuvent leur être apportées par les spécialistes sans pour cela s'écarter de l'objet de l'invention. REVENDICATIONS 1 Thermistance-bolomètre caractérisée en ce qu'elle comprend comme corps détecteur ( 10) une structure constituée d'une couche à faible résistivité ( 11,13) en grenat magnéti- que dope, deux éléments de contact ( 14,15) en matériau con- ducteur adaptés à former des contacts ohmiques et deux fils conducteurs ( 16,17) fixés auxdits éléments de contact ( 14, ) au moyen de blocs de contact ( 18) afin de relier ledit corps détecteur au circuit de polarisation et au circuit de lecture. 2 Thermistance-bolomètre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche ( 11) en grenat magnétique dopé est constituée d'un film mince déposé par croissance épitaxique sur un substrat. 3 Thermistance-bolomètre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche ( 13) de grenat magnétique dopé est-formée d'un bloc (réalisation massive) préparé dans un creuset. 4 T Hermistance-bolomètre selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments de contact( 14, 15)sont pla- cés sur une surface de ladite couche en grenat magnétique dopé ( 11, 13) Thermistance-bolomètre selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments de contact sont placés sur les faces opposées dudit bloc de grenat magnétique dopé ( 13) 6 Procédé pour fabriquer une thermistancebolomètre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on procure une couche à faible résistivité en grenat magnétique dopé ( 11,13) ; on fixe deux éléments de contact ( 14,15) en un maté- riau capable de constituer des contacts ohmiques sur ladite couche en grenat magnétique dopé; on applique deux fils conducteurs ( 16,17) auxdits éléments de contact ( 14,15) au moyen de blocs de contact ( 18). 7 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la couche de grenat magnétique dopé est constituée d'un film mince ( 11) déposé par croissance épitaxique sur un substrat ( 12). 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de grenat magnétique dopé est constituée d'un petit bloc (réalisation massive) ( 13) préparé dans un creuset. 9 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de contact-( 14, 15) sontobtenus par pulvérisa- tion à haute fréquence (radio-fréquence) ou par vaporisa- tion. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les blocsde contact( 18) sont préparés par thermo- compression ou par ultrasons ou constitués de résines conductrices.