Brevet FR2629912A1 — publié le 19891013

DISPOSITIF DE DETECTION INFRA-ROUGE FONCTIONNANT A BASSE TEMPE RATURE La présente invention se rapporte aux dispositifs de détection infra-rouge fonctionnant à basse tempéra ture,.c'est-à-dire dans une zone de températures comprises entre 50 K et 130 K. On connait déjà de tels dispositifs comprenant de manière principale - un cryostat pour la génération et le maintien de basses températures, un détecteur infra-rouge disposé à l'intérieur du cryostat par l'intermédiaire d'une table froide - et des moyens de connexion électrique entre le détecteur précité et l'extérieur dù cryostat. Le cryostat comporte - une enceinte extérieure, ayant généralement la forme d'un cylindre, pourvue à une extrémité d'une fenêtre optique et ouverte à l'autre extrémité - un manchon de refroidissement, disposé coaxialement dans l'enveloppe extérieure, en étant emboîté dans l'ouverture de cette dernière ; une partie du manchon est contenue par l'enveloppe précitée, et consiste en un doigt froid, ayant la forme d'un tube, par exemple destiné à contenir un dispositif cryogénérateur, et une autre partie émerge du vase Dewar, constitué par l'en- veloppe extérieure sous vide entourant à distance le doigt froid - une table froide sous la forme d'un support plan, disposée transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement par rapport au doigt froid précité ; cette table ferme le doigt froid, et est en relation d'échange thermique avec ce dernier ; cette table froide a des dimensions transversales supérieures à celles du doigt froid, c'est-à-dire au. diamètre de la section de ce dernier - une bride d'interface mécanique, solidaire de la partie extérieure du manchon de refroidissement, permettant de fixer l'ensemble du dispositif de détection sur tout appareil ou dispositif approprié - des broches électriques traversant la plaque annulaire fermant l'enceinte extérieure, disposée entre cette dernière et le manchon de refroidissement ; ces broches passent de l'intérieur à l'extérieur du cryostat, sont réparties sur le pourtour de cette plaque annulaire, et mettent donc en relation électrique l'intérieur et l'extérieur du vase Dewar. Le détecteur infra-rouge est substantiellement plat, et a la forme d'une plaquette pourvue sur son pourtour d'une pluralité de contacts électriques pour les entrées et sorties du détecteur. Ce dernier est monté à plat sur la table froide précitée, à l'extérieur du doigt froid. La liaison électrique entre les contacts du détecteur et les différentes broches associées à la plaque de fermeture du vase Dewar sont réalisées sous la forme d'une ou plusieurs nappes de conducteurs souples, disposées à l'intérieur du vase Dewar, en appui d'un côté sur le rebord de la table froide, et liées de l'autre côté aux broches précitées. Cette liaison électrique par nappe présente divers inconvénients - ces nappes de conducteurs souples sont en général réalisées avec un matériau plastique ou des produits organiques, lesquels se dégazent au cours du temps et rendent difficile le maintien du vide dans le vase Dewar - les connexions entre, d'un côté les contacts électriques du détecteur, et de l'autre côté les broches, sont assez difficiles à mettre en oeuvre dans la pratique, en particulier au niveau de la périphérie du détecteur ; - en définitive, si le dispositif décrit précédemment dispose de bonnes performances, sa connectique apparait difficile à mettre en oeuvre, et peut être une source de panne ou défaillance du système de détection. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités. Plus précisément, l'invention a pour objet un mode de connexion électrique entre le détecteur et les broches du dispositif, facile à mettre en oeuvre et à réaliser, et présentant de ce fait une bonne fiabilité. Selon la présente invention, la table- froide comprend, disposés parallèlement les uns aux autres, une plaque inférieure et une plaque supérieure, par rapport au doigt froid, en matériau rigide, isolant électrique, mais relativement conducteur de la chaleur à basse température, et au moins un réseau plan intercalaire de conducteurs électriques disposé entre deux plaques telles que définies précédemment. Chaque conducteur appartenant au réseau plan intercalaire s'étend transversalement entre, d'une part un plot métallique extérieur traversant au moins la plaque supérieure, située à la périphérie du détecteur, et en liaison électrique avec un dit contact électrique du détecteur, et d'autre part un plot métallique intérieur traversant au moins la plaque inférieure, situé dans le périmètre défini par le détecteur.Et des moyens de connexion électrique, par exemple traditionnels, sont prévus entre les plots intérieurs et les différentes broches respectivement. Les termes "intérieur" et "extérieur" visent à différencier la position relative des plots correspondants, par rapport au doigt froid, le plot extérieur étant radialement plus éloigné dudit doigt que le plot intérieur. Par "relativement conducteur de la chaleur à basse température", on entend un matériau ayant une conductibilité thermique supérieure à 1 W.cm l .X 1, dans la zone de température précitée, c'est-à-dire entre 50 et 130 K. Préférentiellement, les plaques sont en matériau céramique, par exemple en alumine, et les conducteurs en métal frittable, par exemple tungstène, de telle sorte que . nsemble de la table froide peut être obtenu par co-frittage des matériaux précités ; ce qui simplifie considérablement le mode de réalisation de la table froide. La dénomination "plaque" désigne ou un composant, ou une couche du matériau tridimensionnel,dela table. Dans le premier cas, la plaque est physiquement identifiable et séparable dans le produit final, à savoir la table. Dans le second cas, la plaque n'est pas séparable, ou identifiable en tant que telle dans la table, et alors l'expression "plaque" désigne la ou les couches du matériau final, séparées par les réseaux plans intercalaires de connexion électrique ; le second cas peut être illustré par la technique de co-frittage, pour laquelle le matériau final a une structure tridimensionnelle, et peut être intrinsèquement indifférencié selon la hauteur. L'invention permet essentiellement de répartir et distribuer les conducteurs électriques assurant la liaison nécessaire de part et d'autre de la table froide, au sein et dans le volume de cette dernière, en particulier en répartissant ces conducteurs selon différents plans entre la face supérieure et la face inférieure de la table froide. De cette manière, quels que soient le nombre et.la complexité des contacts électriques associés au détecteur, il est possible de disposer de plots intérieurs correspondants régulièrement répartis à la périphérie du doigt froid. I1 est alors beaucoup plus facile de relier ces plots intérieurs aux broches électriques définies précédemment. L'invention apporte en outre les avantages déterminants suivants. Les plots intérieurs étant ramenés et répartis autour du doigt froid, les moyens de connexion électriques avec les différentes broches peuvent consister en une pluralité de conducteurs électriques, par exemple métallisés, disposés au contact de et répartis à l'ex- térieur du doigt froid, chaque conducteur s'étendant selon la direction axiale de ce dernier, et étant relié électriquement à une extrémité à un plot intérieur, et à l'autre extrémité à une broche correspondante. Ceci permet de refroidir au surplus les connexions électriques avec les broches et par- conséquent d'augmenter l'intensité des signaux d'entrée ou sortie vers le détecteur. Par ailleurs, selon l'invention, la périphérie de la table froide devient complétement dégagée, et peut être utilisée à d'autres fins. Par exemple, on peut disposer un écran froid, sous la forme d'un cadre métallique continu avec fenêtre, en contact thermique avec la totalité du pourtour de la table froide, les dimensions transversales de la fenêtre étant en relation avec celles du détecteur infra-rouge. Cette solution complémentaire permet de disposer d'un écran pouvant être facilement monté sur la table, d'améliorer le contact thermique entre table et écran, et de supprimer tous rayons parasites, ayant une incidence latérale par rapport au détecteur infra-rouge. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente en perspective et en vue éclatée, un dispositif de détection infra-rouge conforme à l'invention - la figure 2 représente, de manière schématique, une vue en coupe axiale selon le plan de coupe II-II représenté à la figure 1, de la table froide, du détecteur et du doigt froid, présents dans le dispositif de détection de la figure 1 - les figures 3a, 3b, 3c, représentent respectivement en vue de dessous, en coupe selon la ligne B-B de la figure 3b, et de dessus, une table froide conforme à la présente invention, mais différente de celle représentée à la figure 2 - selon le même mode de représentation que celui adopté à la figure 2, les figures 4 à 7 représentent d'autres modes d'exécution d'un dispositif de détection infra-rouge conforme à la présente invention. Conformément à la figure 1, et en se référant en particulier à la définition générale déjà donnée dans le préambule de la présente description, un dispositif selon l'invention se présente essentiellement sous la forme d'un cryostat comprenant - une enveloppe extérieure (1) métallique, pourvue d'un côté d'une fenêtre optique (2) fermant ladite enceinte, et ouverte de l'autre côté - un manchon de refroidissement (3) disposé coaxialement et en partie à l'intérieur de l'enceinte, par l'intermédiaire d'une plaque annulaire non représentée, mais dont le prolongement est constitué par la bride extérieure de support mécanique (4) ; ce manchon comporte essentiellement deux parties, à savoir une partie extérieure (5), formant dans cet exemple particulier orifice pour le plongeur d'un cryogénérateur, et une partie intérieure (6) formant doigt froid, et se présentant sous la forme d'un tube destiné à contenir le plongeur du cryogénérateur mis en oeuvre ; l'enceinte extérieure (1), fermée par la plaque annulaire précitée et le doigt froid constituent un vase Dewar placé sous vide - une table froide (7), disposée transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement par rapport au doigt froid (6) ; cette table froide a des dimensions transversales supérieures à celles du doigt froid, c'est-à- dire au diamètre de la section de ce dernier ; et cette table froide est substantiellement plate comme décrit ci-après - différentes broches électriques (8), traversant la plaque annulaire précitée, et établissant une liaison électrique entre l'intérieur du vase Dewar et l'exté- rieur de ce dernier ; ces broches (8) sont réparties autour du manchon de refroidissement (3), entre ce dernier et la bride (4) de support mécanique. Comme représenté à la figure 2, le détecteur infrarouge (9) se présente sous la forme d'une plaquette généralement rectangulaire, disposée à plat et montée sur la face extérieure de la table froide (7). Cette plaquette consiste de manière générale en un circuit de détection fonctionnant à basse température. Sur la face extérieure de cette plaquette (9), et à sa périphérie, différents contacts électriques (10) d'entrée et sortie avec le circuit de détection sont répartis et distribués selon un périmètre généralement rectangulaire (conférer figure 3c). C'est la face extérieure du détecteur (9) qui reçoit le signal optique en provenance de la fenêtre (2). Conformément à la figure 2, la table froide (7) comprend, disposés parallèlement les uns aux autres - une plaque inférieure (12) et une plaque supérieure (11), par rapport au doigt froid (6), en matériau rigide, isolant électrique, mais relativement conducteur de la chaleur à basse température, par exemple une céramique à base d'alumine - un réseau plan (13) intercalaire de conducteurs électriques (14), disposé entre les deux plaques (11) et (12) ; ce réseau est obtenu par exemple à partir d'un métal frittable, par exemple du tungstène. Comme représenté aux figures 3a à 3c, chaque conducteur (14) s'étend transversalement, par exemple radialement, entre d'une part, un plot métallique (15) extérieur, traversant la plaque supérieure (11), et situé à la périphérie du détecteur (9), et d'autre part, un plot métallique intérieur (16), traversant la plaque inférieure (12), situé dans le périmètre défini par le détecteur (9). Tous les plots métalliques extérieurs (15) sont en liaison par des fils de soudure (17) avec respectivement les différents contacts électriques (10) du détecteur (9). Quant aux plots intérieurs (16), ils sont connectés électriquement avec les différentes broches (8), comme décrit ci-après. Le doigt froid (6) étant réalisé en matériau céramique ou vitreux, par exemple du verre, une pluralité de conducteurs électriques (18), sous la forme d'un dépôt métallisé, sont disposés au contact du doigt (6), et répartis à l'extérieur de ce dernier. Chaque conducteur est allongé selon la direction du doigt froid (6), et est relié électriquement, à une extrémité à un plot intérieur (16), par un fil (19) micro-soudé, et à l'autre extrémité, de manière non représentée, à une broche (8). Un écran froid (20) se présente sous la forme d'un cadre métallique continu ayant le même contour que celui de la table froide (7), rectangulaire, et définissant une fenêtre (20a). Ce cadre métallique (20) est disposé en contact thermique avec le pourtour de la table froide (7). Les dimensions transversales de la fenêtre (20a) sont en relation avec celles du détecteur infra-rouge (9), et plus précisément légèrement inférieures à celles dudit détecteur. La technique du co-frittage d'une céramique du type alumine avec un métal pouvant être fritté a été décrite et utilisée pour obtenir des supports et/ou empaquetages multi-couches de micro-circuits électroniques, lesdits supports incorporant dans leur volume les différents conducteurs électriques de liaison avec le micro-circuit, et/ou d'autres composants électriques tels que résistances, capacités, etc...A cet égard, on se référera utilement aux publications suivantes - Cox, J.J. "Multilayer Ceramic Wiring for Hybrid LSI", Microelectronics, v2, p34-8, Feb. 1969 - Otsuka, Kanji, Usami, Tamotsu & Sekihata, Masao, "Interfacial Bond Strength in Alumina Ceramics Metal- lized and Cofired with Tungsten", Ceramic Bulletin p540-5, 1980 - Rogers ,T., "Cofired Technology Incorporating Refractory Metals and Alumina of Beryllia Ceramic Materials", Nepcon West 1983. La technique de. co-frittage mise en oeuvre selon l'invention pour obtenir la table froide d'un cryostat ne diffère pas de celle identifiée précédemment. En particulier, les plots métalliques selon l'invention, dits intérieurs et extérieurs, peuvent être obtenus à la manière des "vias" décrits dans les publications précédentes, ctest-à-dire des connexions électriques verticales établies entre les différentes couches selon cette technique antérieure. Le mode d'exécution conforme aux figures 3a et 3b diffère de celui décrit pr8cédemmet par les points suivants - outre la plaque supérieure (11), la plaque n- férieure (12), il existe une plaque médiane (21), répondant à la même définition que précédemment, c'est-à-dire constituée à partir d'alumine frittée - un premier réseau intercalaire (13) est disposé entre les plaques ou couches (11) et (21), tandis qu'un deuxième réseau de conducteurs métalliques est disposé entre les plaques (21) et (12). De cette manière, en fonction de l'encombrement ou du nombre des différentes connexions électriques à éta- blir avec le détecteur (9), et à amener au voisinage du doigt froid, il est possible de répartir tous les conducteurs (14) nécessaires, en hauteur, dans le volume de la table froide (7). Conformément aux figures 2 et 5, le doigt froid (6) étant établi en matériau vitreux ou céramique, le moyen de liaison entre la table froide (7) et le doigt froid (6), comprend, d'une part un raccord métallique tubulaire (23), soudé sur l'extrémité du doigt froid, et comportant une bride (23a) extérieure de fixation, et d'autre part un joint de brasure (24) entre la bride (23a) et la plaque inférieure -(12) de la table froide (7). Conformément à la figure 5, le raccord (23) est constitué par deux parties (23b, 23c), pouvant être soudées lune sur l'autre, par exemple par laser. Ceci permet de tester complétement la partie détection infrarouge, avant montage définitif de cette dernière dans le cryostat. Conformément aux figures 4 et 7, le tube du doigt froid (6) étant toujours établi en matériau vitreux ou céramique, ce dernier est fermé par un fond (6a) droit et transversal. La plaque inférieure (12) de la table froide est liée au fond droit (6a) par un joint (25 > .de brasure, ou un scellement. Conformément à la figure 4, un lamage dégageant une encoche de centrage a été effectué sur -la plaque (12), pour rigidifier l'assemblage de la table (7) et du doigt (6). Conformément à la figure 6, les plots intérieurs se présentent sous la forme de têtons métalliques saillants. Le mode d'assemblage de la table (7) et du tube (6) selon la figure 7 est identique à celui précédemment décrit par référence aux figures 4 et 6. Toujours selon cette figure, les moyens de connexion électrique avec les différents plots intérieurs (16) comprennent un anneau plat (26) en matériau rigide, isolant électrique mais relativement conducteur de la chaleur à basse température, par exemple en alumine frittée. Cet anneau (26) a des dimensions extérieures inférieures aux dimensions transversales de la plaque inférieure (12), et est solidarisé sur la face extérieure de cette dernière, par tous moyens appropriés. Cet anneau plat (26) incorpore une pluralité de connexions (27) électriques, reliant chaque plot inférieur de la table froide (7) et' un plot (28) métallisé sur la tranche de l'anneau. La liaison électrique vers les broches est établie comme précédemment par un fil (19) micro-soudé entre un conducteur (18) et un plot (28) sur tranche. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de détection infra-rouge fonctionnant à basse température, comprenant un cryostat pourvu d'un doigt froid (6) sous la forme d'un tube destiné à un échange thermique avec une source froide, et d'une table froide (7) sous la forme d'un support plan disposé transversalement par rapport au doigt froid, et en relation d'échange thermique avec ce dernier, la table froide ayant des dimensions transversales supérieures à celles du doigt froid, un détecteur (9) infra-rouge substantiellement plat, monté sur la table froide à l'extérieur du doigt froid, comprenant une pluralité de contacts électriques (10) répartis sur le pourtour du détecteur, des moyens de connexion électrique entre les contacts électriques du détecteur et différentes broches (8) associées respectivement auxdits contacts, lesdites broches passant de l'intérieur à l'extérieur, caractérisé en ce que la table froide (7) comprend disposes parallèlement les uns aux autres, une plaque in férieure (12) et une plaque supérieure (11) par rapport au doigt froid, en matériau rigide, isolant électrique, mais relativement conducteur de la chaleur à basse température, et au moins un réseau plan (13) intercalaire de conducteurs électriques (14) disposé entre deux plaques telles que définies précédemment, chaque conducteur (14) s'étendant transversalement entre, d'une part un plot métallique extérieur (15) traversant au moins la plaque supérieure (11), situé à la périphérie du détecteur, et en liaison électrique avec un dit contact électrique (10) du détecteur (9), et d'autre part un plot métallique intérieur (16) traversant au moins la plaque inférieure (12), situé dans le périmètre défini par le détecteur, des moyens de connexion électrique étant prévus entre les plots intérieurs (16) et les diffé rentes broches (8) respectivement. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique comportent une pluralité de conducteurs électriques disposés au contact et répartis.à l'extérieur du doigt froid, selon la direction du doigt froid, chaque conducteur étant relié électriquement à une extrémité à un plot intérieur et à l'autre extrémité à une broche. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (11, 12) sont en matériau céramique, notamment alumine. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs sont en métal frittable, notamment tungstène. 5/ Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la table froide (7) est obtenue par co-frittage du matériau céramique et du métal frittable. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un écran froid (20), sous la forme d'un cadre métallique continu avec fenêtre (20a), est disposé et en contact thermique avec la totalité du pourtour de la table froide (7), les dimensions transversales de la fenêtre étant en relation avec celles du détecteur infra-rouge. 7/ Dispositif selon la revendication 1, selon lequel le tube (6) du doigt froid est établi en matériau vitreux ou céramique, caractérisé en ce que un moyen de liaison entre la table froide (7) et le doigt froid (6) comprend, d'une part un raccord (23) métallique tubulaire avec bride extérieure (23a) de fixation, soudé sur l'extrémité du doigt froid, et d'autre part un joint (24) de brasure ou scellement entre la bride et la plaque inférieure de la table froide. 8/ Dispositif selon la revendication 1, selon lequel le tube (6) du doigt froid est établi en matériau vitreux ou céramique, caractérisé en ce que le doigt froid est fermé par un fond (6a) droit et transversal, et la plaque inférieure (12) de la table froide est liée au fond- droit du doigt froid par un joint de brasure (25) ou scellement. 9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de connexion électrique avec les différents plots intérieurs (16) comprennent un anneau plat (26) en matériau rigide isolant électrique, mais relativement conducteur de la chaleur à basse température, de dimensions extérieures inférieures aux dimensions transversales de la plaque inférieure (12), solidarisé sur cette dernière, incorporant une pluralité de connexions (27) électriques reliant chacune un plot intérieur (16) de la table froide et un plot (28) métallisé sur la tranche de l'anneau.