Brevet FR2625398A1 — publié le 19890630

i Dispositif d'imagerie thermique _à plusieurs détecteurs. La présente invention concerne les dispositifs d'imace- rie thermique et notamment, bien que non exclusivement, les dispositifs d'imagerie ayant plusieurs détecteurs de rayonne- ment infra-rouge placés de façon à faciliter l'examen d'une scène thermique par balayage en série et en parallèle. Un dispositif d'imagerie connu à balayage série co-por- te une barrette d'éléments de détection discrets montés sur un substrat isolant. Chaque élément de détection est relié à un circuit extérieur de traitement de signal qui assure l'am- plification du signal et l'intégration à retard des signaux de réponse fournis par les éléments de détection individuels. Ce type de dispositif a l'inconvénient d'exiger un grand nom- bre de composants de circuits, car un jeu de composants est associé à chaque élément. De plus, lorsqu'on fait fonctionner le dispositif à basse température pour améliorer les perfor- mances, le nombre relativement élevé de conducteurs de liai- son nécessaires augmente les transferts thermiques et se tra- duit par des exigences notables sur la dimension et le poids des accessoires de refroidissement. Le brevet GB 1 488 258 décrit un autre type de disposi- tif d'imagerie à balayage série, qui nécessite moins de cor- posants de traitement et moins de connexions pour des perfor- mances comparables. Cet autre dispositif comporte un détec- teur ayant une bande de matériau photoconducteur montée sur un substrat isolant. La bande a des contacts de polarisation à chaque extrémité et une région de lecture unique adjacente à chaque contact. Lorsqu'on incorpore ce dispositif dans un système d'imagerie qui contient, en plus du dispositif; une alimentation d'entraînement et une optique de focalisation et de balayage, on fait fonctionner le dispositif de façon que des porteurs photoélectriques soiort créés par exposition du dispositif à une image de rayonnement infra-rouge balayée. On fait dériver les porteurs le long de la bande vers la région de lecture à une vitesse qui correspond à la vitesse de ba- layage de l'image. Ainsi il est possible d'assurer une inté- gration du signal dans le détecteur lui-même. Mais la durée de vie limitée des porteurs photoélectriques limite pratique- ment la taille du détecteur. On a également décrit. des dispo- sitifs d'imagerie à balayage série qui incorporent un circuit de traitement de signal. On peut se reporter par ekemple à "PROCEEDINGS SAN-DIEGO CONFERENCE ON CHARGE COUPLED DEVICES, 1975, pages 52 à 58". Ce document décrit un dispositif ayant une structure hybride, constitué par une barrette d'éléme.ts de détection en tellurure de cadmium et de mercure. Chaque détecteur alimente une entrée d'un registre constitué par un dispositif à couplage de charge, par l'intermédiaire de com- posants semi-conducteurs du type transistor à effet de champ d'adaptation, incorporés dans un substrat support en semi- conducteur. L'obtention de performances satisfaisantes se heurte toutefois à des problèmes de connexion et d'adaptation des nombreux éléments au registre. Lorsque l'on exige que les signaux détectés se prêtent à un affichage vidéo, il faut généralement balayer les dispo- sitifs d'imagerie série à cadence élevée. En conséquence, le système qui incorpore ces dispositifs exige une puissance no- table d'entraînement du mécanisme de balayage. On connait également des dispositifs d'imagerie à bala- yage parallèle, comportant une colonne d'éléments de détection discrets. Dans ces dispositifs, l'image thermique est balayée bande à bande, c'est-à-dire plusieurs lignes à chaque balaya- ge, plutot que ligne par ligne. On peut donc diminuer la fré- quence de balayage et la puissance requise. Mais les disposi- tifs de détection en parallèle sont toutefois inférieurs aux autres en ce qui concerne le rapport signal/bruit. Les avan- tages de l'imagerie par un dispositif série ou parallèle existent dans le cas du dispositif comportant une matrice à deux dimensions. Un tel dispositif à matrice comprend de fa- çon représentative un grand nombre d'éléments détecteurs dis- crets disposés en lignes et colonnes. Mais, lorsque le signal est traité à l'extérieur du dispositif, la nécessité d'un grand nombre de connexions soulève encore des problèmes de refroidissement. Si, en variante, on relie ces éléments à des composants de substrat, le nombre relativement élevé de liai- sons individuelles peut se traduire par des problèmes d'adap- tation, de fiabilité du dispositif et de rendement de fabrica- tion. L'invention vise à fournir un dispositif répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique. Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'imagerie thermique comprenant plusieurs bandes de détecteurs de ravDn- nement infra-rouge, poseer côte à côte et à proximité imé- diate par un substrat isolant, chaque bande de détecteurs comportant une bande de matériau photocon-ucteur ayant des contacts de polarisation d'entrée et de sortie, et plusieurs régions de lecture réparties le long de la bande et placées entre les contacts, la liaison à l'une au moins des régions de lecture étant assurée par au moins un conducteur qui s'é- tend en travers de chaque bande et qui est adjacent à un côté de la bande. Dans ce dispositif, chaque tronçon de bande entre des régions de lecture voisines peut effectuer une intégration interne du signal lorsqu'on balaye une image infra-rouge en synchronisme avec la dérive des porteurs photoélectriques, comme indiqué plus haut. Cette intégration est comparable à une sommation sur plusieurs éléments de détection discrets. Grâce à la présence de plusieurs régions de lecture, on auc- mente le contenu en série. On augmente le contenu en parallè- le proportionnellement au nombre des bandes de détecteurs. Lorsqu'on utilise le dispositif dans un système à balayage, le faible écartement des bandes permet de faire un usage op- timal de la surface dans le plan focal. Chaque région de lecture peut être définie par une dio- de et elle n'exige qu'une seule connexion de sortie pour fa- ciliterla détection de la densité de porteurs dans une région du lieu de la diode. On peut également définir chaque région de lecture par une paire de contacts séparés, à distance l'un de l'autre dans la direction de la longueur de la bande. On peut réaliser la connexion aux régions de lecture des bandes de détecteurs à l'aide de recouvrements d'élec- trodes adjacentes, les bandes de détecteurs étant placées de façon que les régions de lecture soient décaléesl'unepar rap- port à l'autre, de façon que les recouvrements d'électrodes soient côte à côte. Mais il y a un inconvénient à faire dé- border les recouvrements d'électrodes qui assurent le contact avec les détecteurs de la bande interne, sur les détecteurs externes, car on occulte l'image du rayonnement lors du fonc- tionnement et on réduit donc la surface de détection efficace disponible. Une telle réduction peut être tolérable dans les dispositifs qui ne comportent qu'un nombre faible de bandes de détecteurs en parallèle, quatre par exemple, mais elle de- vient moins acceptable lorsqu'on doit avoir un contenu en pa- rallèle plus important. Dans un autre dispositif, le substrat isolant est com- posite. Il comporte une couche de base de matériau semi-con- ducteur qui porte, sur sa surface supérieure, une couche de matériau isolant, les régions de lecture étant reliées à l'ai- de de plusieurs tracés conducteurs dopés incorporés dans la couche de base. Ces tracés conducteurs et les régions de sortie de détection sont reliés par des ponts de métal cons- tituant entre eux une liaison ohmique. Les ponts passent par des fenêtres pratiquées dans le matériau isolant. Les bandes de détecteurs sont avantageusement indentées dans les régions de lecture pour fournir de la place pour les liaisons en pont, avec des bandes parallèles adjacentes serrées. L'ac- croissement qui en résulte du champ électrique de polarisa- tion de fonctionnement à proximité des régions de lecture s'est également montré avantageux, car il auqmente la tension de signal. Le matériau semi-conducteur est avantageusement de type 2, les tracés conducteurs incoporés dans ce matériau étant + alors à dopage élevé, par exemple de type n. Ce choix favo- rise généralement une résistivité de conducteur plus faible que des combinaisons de polaritésde type opposé. Etant donné que la résistance des tracés conducteurs ou pistes intro- duit inévitablement du bruit JOHNSON, il vaut mieux dimension- ner les tracés conducteurs de façon à réaliser une résistance commune pour chaque connexion. Ainsi, les composants de bruit peuvent être intégrés sans devoir affecter des poids. Lorsqu'on monte les détecteurs sur un tel substrat iso- lant composite, on peut intégrer les circuits de traitement dans la couche de base en semi-conducteur, autour des détec- teurs montés. Dans une variante avantageuse, on peut incor- porer les circuits de traitement dans la couche de base en semi-conducteur, sous les détecteurs montés en recouvrement. Pour chaque bande, on peut interconnecter les régions de lec- ture par des circuits d'intégration à retard incorporés dans le substrat. Chaque bande n'exige alors qu'une seule connexiorn des régions de lecture à l'extérieur-du dispositif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cirption qui suit de modes particuliers d'exécution de l'in- vention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La descrip- tion se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en plan d'un dispositif d'lma- gerie thermique incorporant des caractéristiques de l'inver.- tion, - la figure 2 est une vue en coupe suivant une fraction du dispositif d'imagerie, suivant la ligne xx de la figure 1, - la figure 3 est une vue en plan d'une variante de J15 dispositif d'imagerie thermique incorporant des caractéris- tiques de l'invention, certains détails de la configuration de connexion étant omis pour plus de clarté, - la figure 4 est une vue en plan à grande échelle d'une fraction du dispositif de la figure 3, montrant des détails de la configuration de connexion, - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe de frac- tions du dispositif des figures 3 et 4, respectivement sui' vant les lignes yy et zz de la figure 4, et - la figure 7 montre un système d'imagerie incorporant un dispositif d'imagerie dans le plan focal. Le dispositif d'imagerie thermique 1 montré en figures 1 et 2 comporte un substrat 3 en oxyde d'aluminium (saphir) portant quatre détecteurs en bande A, B, C et D. Chacun com- porte une bande 5 de matériau photoconducteur en tellurure de cadmium et de mercure ou CMT, par exemple Cdo,2 Hgo,8 Te. On fabrique cette structure en fixant une tranche sur- dimensionnée de CMT sur le substrat isolant, à l'aide d'un adhésif7 constitué par une résine époxy, en définissant les motifs de bandes par photo-lithogravure à l'aide d'une résine photosensible, et en découpant la tranche suivant le motif, par exemple par découpe au faisceau d'électron. A ce sujet, on peut se reporter aux demandes de brevet GB 31 749/78, 31 750/78 et 31 751/78. Une fois la structure ainsi produite, on peut réaliser les bandes avec un parallélisme Douss- et avec un espacement minimal entre les bandes. Le rapprochement des bandes A à D (dont la distance est environ de. 12) rend optimale la fraction de la surface du dispositif dispor.nble pour la détection de rayonnements. On réalise des contacts de polarisation d'entrée et de sortie 11 et 13 en pulvéri- sant du nickel-chrome et de l'or. Ces contacts sont réalisés à l'extrémité des bandes 5 de CMT. On dépose un revêtement anti- réfléchissant 9 sur les faces supérieures exposées du dispositif. On pulvérise par exemple une couche mince de sul- fure de zinc sur ces surfaces, suivant un motif classique de façon à laisser des fenêtres 10 des bandes de CMT exposées, ce qui facilite la fabrication de contacts par métallisation. Des régions de lecture A1, A2..., D4 sont définies par des contacts électriques disposés par paires A'], A'2... D'4, également en matériau constitué de nichrome et d'or. Les ré- gions de lecture sont placées entre les contacts de polari- sation 11, 13 de chaque bande et uniformément réparties. Les contacts électriques A'1, A'2... D' ont chacun une sépa- 2' 4 ration entre élZmPnts d'une paire de 50 ou CGÄm environ et cha- que paire est séparée de la voisine par une distance cons- tante, d'environ 400jm. Le pas du dispositif est d'environ kmet chaque bande a environ 631m de large. Les régions de lecture des détecteurs en bandes B et C ont des connexions conductrices recouvrantes qui sont respec- tivement superposées aux détecteurs en bande A et D. Les ré- gions de lecture B1 à B4 et C1 à C4 sont respectivement dans une position décalée par rapport aux régions A1 à A4 et D à D4, ce qui permet de placer les connexions conductrices A' et B', A' et B'2,. C'4 et D'4 côte à côte, à des empla- 1' 2 B'2,,' 4 4 cements décalés. Les contacts de polarisation 11 sont égale- ment décalés et maintiennent un intervalle commun entre les contacts 11 et la première paire de contacts A'1 B'1 C'1et D' de chaque détecteur. Le second élément de chacune des h paires de contacts terminaux A' à D'4 est constitué par un des contacts de polarisation 13. Les contacts de polarisation 13 sont en conséquence également disposés avec un décalage similaire, de façon à maintenir l'uniformité des espacements. En d'autres termes, les espacements A' 1-A'2..., A'3-A'4 B'1-2. BI, B3BI4 sont tous identiques.2,' B' -B' 2B'3-B' sont tous identiques., 1 3... Lors du fonctionnement du dispositlf 1, ce dernier er-t placé dans le plan focal d'un système optique de formationr d'images, montré en figure 7. Ce système 31 comporte une len- tille 33, un miroir de balayage de ligne 35 et un miroir ce sélection de bande 37. On fait tourner le miroir de balayage de ligne et on balaye une image de rayonnement infra-rouge I d'une scène thermique S le long du dispositif 1, dans une direction parallèle à chacun des détecteurs en bande A à D, c'est-à-dire dans la direction indiquée par la flèche sur les figures 1 et 7. Le rayonnement focalisé provoque l'apparition de porteurs photoélectriques danr chaque détecteur en bande La densité locale de porteurs dépend de l'intensité locale dc l'image et de la durée d'exposition. Le dispositif est com=an- dé à partir d'une alimentation externe (non représentée) et il est refroidi à la température de l'azote liquide. Lorsque les conditions de polarisation sont celles du fonctionnement, le champ électrique qui apparait le long de chaque détecteur en bande fait circuler les porteurs dans la direction allant du contact 11 au contact 13, à une vitesse choisie pour cor- respondre à 1-a vitesse Vi de balayage de l'image I. Pendant que l'image est balayée le long de chaque bande, les porteurs se déplacent en synchronisme et la densité de porteurs aug- mente au fur et à mesure de l'intégration temporelle interne., au cours du transit des porteurs d'une région de lecture à la suivante. Pour réduire la corrélation de bruit, on donne avan- tageusement à l'intervalle entre des régions de lecture adja- centes une valeur qui n'est pas inférieure à la longueur moyenne de trajet des porteurs dans les conditions de fonc- tionnement, c'est-à-dire au produit de la durée de vie- moyenne des porteurs minoritaires par la vitesse de déplacement bipo- laire. Une proportion appréciable des porteurs photoélectri- ques créés dans le premier tronçon, allant de Il à 1, du dé- tecteur A se recombine avant d'atteindre la seconde région de détection A2. De même, des porteurs créés dans le tronçon al- lant de A1 à A2 se recombinent avant d'atteindre la région de détection A3 et ainsi de suite. Donc le détecteur en bande A, qui comporte plusieurs tronçons d'intégration cumulatifs 11 à A1, A1 à A2. A à A4, se conduit de façon similaire a quatre détecteurs en bande discrets (région de détectior. unique)du typedécrit dans le brevet GB] 488 25E, mais avec deux contacts de polarisation seulement. Chacune des paires de contacts A'1 à A' 4..., D'] D'4 est suivie d'amplificateurs externes. Les signaux corres- pondant à chaque détecteur en bande sont additionnés avec un retard temporel approprié pour compenser la durée de balayage finie des points images d'une région de détection è la sui- vante. Lorsque le balayage d'image a été effectué tout le long du dispositif, le miroir de sélection de bande 37 avan- ce d'un pas et le miroir de balayage de ligne 35 est remis à zéro, ce qui provoque un retour de l'image I. La bande ad- jacente suivante de la scène S de rayonnement infra-rouge est alors balayée. On répète le processus de sorte que la scène de rayonnement est balayée bande par bande jusqu'à ce que toute la scène S ait été traitée. Les figures 3 à 6 montrent un dispositif d'imagerie 1' constituant une variante du précédent. Cette variantecomporte huit détecteurs en bandes A à H. montés sur un substrat iso- lant composite 3. Chaque détecteur en bande est muni d'un contact de polarisation d'entrée 11 et d'un contact de pola- risation de sortie 13 de nichrome-or à ses extrémités. Entre les contacts sont prévues quatre régions de lecture A1-A4.... Hl-H4 réparties à intervalles réguliers le long de chaque bande de CMT 5. Les détecteurs sont rapprochés et les bande: 5 présentent une indentation à chaque région de lecture A1, A4 de façon à fournir la place nécessaire à la connexion de contacts sur le substrat isolant 3. Le substrat composite comporte une couche de base 3B de matériau semi-conducteur dont la face supérieure porte une couche mince de matériau isolant 3A. Le matériau semi-conducteur peut être du silicone de type p intrinsèque. De façon représentative, la densité de porteurs majoritaires peut être d'environ 5 x 10 14/cm3 et la couche de matériau isolant 3A peut être de l'oxyde de si- licium, qu'on fait croître par le procédé classique d'oxy- dation contrôlée sur la couche de base en silicium 3B. On forme ensuite les motifs de tracés conducteurs 21 dans la couche de base semi-conductrice 3B. Chaque tracé est réalisé par diffusion ou implantation ionique d'un dopant dc type n, tel que le phosphore. Le processus de dopage est com- mandé de façon à avoir une concentration de porteurs de tV n en excès d'environ 1 x 10 /cm3. Chaque tracé conducteur 21 est isolé des tracés adjacents par un réseau d'arrêt 23. Co réseau peut être constitué par un processus similaire à celu des tracés, mais en utilisant un dopant de type L, par exemple le bore. Le réseau 23 d'arrêt a une concentration de porteurs de type p d'environ 1 x 1019/cm3. On forme la coucbe d'oxyde isolant 3A sur la totalité de cette surface. On enlève le matériau isolant 3A à proximité des régions de détection indentées 1,... H4 de façon à ex- poser des zones de fenêtres 24 d s tracés conducteurs 21 ré- alisés dans la couche de base 3B. Des ponts de matériau me- tallique 25, par exemple de nichrome et d'or, sont constitués pour définir les régions de lecture et les relier aux trace_ 21. Chaque pont est relié à un tracé conducteur particulier 21. Les ponts 25 sont disposés par paires et constituent ainsi des contacts de détection de tension. On élimine également du matériau isolant pour exposer des zones de fenêtres 27 des tracés enterrés 21 et permettre de relier également ces tracés à des plages de liaison de sortie 29 (figure 4). Pour diminuer le bruit, on donne à chaque tracé conducteur des dimensions telles que la résistance entre les fenêtres 24 et 27 soit sern- siblement constante. Les tracés 21 les plus longs, qui vont jusqu'aux détecteurs internes D et E, sont en conséquence les plus larges. Il faut noter que les composants assurant l'amplifica- tion ainsi que l'intégration avec retard temporel peuvent être incorporés dans la couche de base semi-conductrice 3B, autour de la périphérie des bandes 5, ces composants étant directement reliés aux tracés 21. Dans une variante, les connexions s'effectuent directe- ment des régions de lecture A1-H4 à des composants semi-con- ducteurs incorporés dans la couche 3B, ces composants étant disposés dans la zone enterrée sous les bandes 5, au lieu que soient prévus des tracés 21. Pour améliorer le rendement de production, on peut fa- briquer les connexions de contact entre les détecteurs des bandes 5 et les tracés conducteurs 21 de la façon suivante. A partir du substrat au silicium 3B comportant une couche de surface oxydée 3A et des tracés conducteurs pré-formés 21 on projette une couche de résine photosensible négative su la surface et les zones de fenêtres qu'on définit par expo- sition et élimination d'une fraction de la résine. On dépose de l'aluminium par évaporation sur les surfaces exposées. On projette une couche de résine photosensible négative sur la, surface de l'aluminium et on forme une configuration de zor- de masque par photolithographie à l'aide d'une résine sur la surface. Les zones de masque correspondent aux zones d, fenêtre primitives maJs ont une taille inférieure. On dé- cape alors l'aluminium, ce qui laisse subsister des plages de contact en aluminium 25' sous la résine qui subsiste et aux endroits o la résine a été éliminée. Les zones de mas- que étant plus petites que les fenêtres primitives, on peut aisément éliminer par attaque toute portion d'aluminium en saillie autour des bords de fenêtres. Les plages de contact en aluminium sont alors légèrement attaquées jusqu'à ce que leur surface libre soit à peu près dans le même plan que la surface plane de la couche d'oxyde 3A ou au- dessous de cette surface. On cuit alors le substrat à une température de 450-C' à 500 C pour réaliser un bon contact électrique entre chaque plage de contact en aluminium et la piste conductrice placée au-dessous. On fixe alors une couche de CMT sur la face du substrat et la géométrie du détecteur est définie comme on l'a indiqué plus haut. On complète enfin les ponts de liai- son 25 en pulvérisant du nichrome-or pour réaliser un con- tact électrique entre les régions des bandes de détecteurs et les plages de contact en aluminium pré-formées 25', ces plages étant exposées lorsqu'on définit la géométrie. On peut également utiliser la technique qui vient d'être décrite pour relier les régions de lecture et tout circuit incorporé dans le substrat sous-jacent. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie thermique comprenant plusieurs bandes de détecteurs de rayonnement infra-rouge, portées côte à côte par un substrat isolant, chaque bande étant en maté- riau photoconducteur et ayant des contacts de polarisation d'entrée et de sortie, caractérisé en ce que chaque bande (A à D ou A à H) comporte plusieurs régions de lecture répar- ties le long de la bande et placées entre les contacts de polarisation (11, 13), en ce que les bandes sont faiblement écartées et en ce que la liaison aux régions de lecture (B1- C4 ou B - G4) d'au moins une bande (BC ou B-G) est 1 4 1 4 assurée par au moins un conducteur (B' - C' ou 21) aui s'étend transversalement à chaque bande (A,D ou G,F,...)vers un des côtés de cette bande. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat isolant est composite et comporte une couche de base (3B) de matériau semi-conducteur qui porte, sur sa face supérieure, une couche de matériau isolant, la jonction des régions de lecture étant effectuée par plusieurs tracés conducteurs dopés (21) incorporés dans la couche de base (3B). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le semiconducteur est de type p et en ce que les ? + tracés conducteurs (21) sont de type n. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que les conducteurs (A'1 - D' ou 21) de différentes longueurs ont une même résistance. 5. Dispositif suivant la revendication 2, 3 ou 4, ca- ractérisé en ce que chaque région de lecture (A1 - H4) est reliée à une piste conductrice (21) par un circuit de trai- tement incorporé dans le substrat (3A et 3B). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce que les régions de lecture (A - H4) de chaque bande (A - H) sont interconnectées par un circuit d'intégration à retard temporel incorporé dans le substrat (3A et 3B), les régions de lecture (A1 - A4) de chaque bande (A - H) étant reliées à l'extérieur du dispo- sitif par un tracé conducteur unique (21). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica- 1,2 tions précédentes, caractérisé en ce que les bandes de dé- tecteurs sont indentées dans les régions de lecture (A1 -D4 ou A1 - H4). 8. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison entre les régions de lecture (A1 - H4) et les tracés conducteurs (21) est assurée par des plages de contact métalliques pré-formées (25') placées au-dessous des régions de lecture (A1 -H4) et adjacentes à celles- ci, la face supérieure de chaque plage (25') étant située dans le même plan que la face supérieure de la couche de maté- riau isolant (3A) ou au-dessous de ce plan. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les plages de contact métalliques (25') sont en aluminium.