Brevet FR2701316A1 — publié le 19940812

i RESEAU BOLOMETRE La présente invention concerne les réseaux bolomètres, en particulier ceux qui sont utilisés en imagerie infrarouge L'invention est particulièrement utile lorsqu'elle est réalisée dans des réseaux bolomètres en étoile mis en oeuvre dans un plan focal d'imagerie dans lesquels les éléments bolomètres thermosensibles sont des films supraconducteurs, et l'invention est donc décrite ci- dessous en regard de cette application. Les réseaux bolomètres sont largement utilisés en imagerie infrarouge, dans laquelle sont mesurées les variations, induites par la radiation, de la résistance électrique des éléments bolomètres thermosensibles afin de permettre une mesure de la quantité de radiation absorbée par chaque élément Un type de réseau bolomètre comprend un réseau en étoile à deux dimensions constitué de tels éléments thermosensibles. La température de chaque élément est mesurée en connectant l'élément à une source de courant et en lisant la tension à ses bornes au moyen d'un amplificateur de tension Un réseau constitué de N x N éléments nécessiterait N 2 amplificateurs et 4 N 2 contacts Typiquement, N vaut 256 Ceci rend un tel système très coûteux à la production, et la réalisation d'un nombre si élevé de contacts difficile à réaliser. Selon la présente invention, on propose un réseau bolomètre pour imagerie infrarouge comprenant: une pluralité d'éléments thermosensibles disposée en au moins un réseau linéaire, les éléments thermosensibles présentant une caractéristique Résistance-Température essentiellement linéaire sur une plage de travail prédéterminée définie par les points WRL et WRH, qui sont respectivement les points bas et haut de la plage de travail, les éléments thermosensibles présentant en outre une variation de résistance relativement faible pour une variation de température relativement élevée au-dessus de la plage de travail; des moyens de polarisation pour tous les éléments thermosensibles en un point commun WR 1, de telle sorte qu'ils présentent tous la résistance R 1 après avoir été ainsi polarisés, et la résistance R 2 après avoir été exposés à la chaleur rayonnée à mesurer; un film résistif pour chaque élément sensible à la température pouvant être excité par une source de courant pour chauffer séparément les éléments thermosensibles en un troisième point WR 3; et un circuit de mesure permettant de mesurer les chutes de tension à travers les éléments thermosensibles. Comme indiqué ci-dessous, une telle chute de tension à travers un élément thermosensible varie essentiellement linéairement avec sa résistance R 2, et donc avec sa température. Comme cela sera décrit également plus particulièrement ci- dessous, l'appareil de la présente invention ne nécessite qu'une seule source de courant, et un nombre d'amplificateurs et de contacts essentiellement inférieur à celui d'un système conventionnel Par exemple, dans un dispositif comprenant un réseau à deux dimensions d'éléments thermosensibles, un film résistif peut être disposé pour chaque rangée de tels éléments, un amplificateur pour chaque colonne de tels éléments, et un seul contact (à part le point commun à la terre) pour chaque couple rangée et colonne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à partir la description ci- dessous. L'invention est décrite ici, sur la base d'exemple seulement, en se référant aux dessins ci- joints dans lesquels: La Fig 1 représente un type de dispositif bolomètre comprenant un ensemble d'éléments thermosensibles pour imagerie infrarouge (IR) permettant de mesurer la radiation IR selon la présente invention; La Fig 2 représente le diagramme en coupe du dispositif de la Fig 1; La Fig 3 représente le diagramme de la caractéristique Résistance Température de chaque élément thermosensible du dispositif des Figs 1 et 2; La Fig 4 représente un diagramme de la tension de sortie de l'amplificateur dans le dispositif de la Fig 1 comme fonction de l'intensité de la chaleur rayonnée qui est mesurée; La Fig 5 représente un diagramme des éléments principaux d'un dispositif bolomètre comprenant un réseau à deux dimensions d'éléments thermosensibles réalisé selon la présente invention; et la Fig 6 représente un diagramme des contacts du dispositif bolomètre de la Fig 5. En se reportant d'abord à la Fig 1, on représente un dispositif bolomètre comprenant un réseau linéaire d'éléments thermosensibles connectés en série 51 Sn disposés en colonne verticale (ou en rangée horizontale) La colonne d'éléments est polarisée en courant par une source de courant continu commune DCS, et est connectée à l'amplificateur A du circuit de mesure MS via un réseau R-C. Le dispositif bolomètre représenté à la Fig 1 comprend en outre un ensemble de lignes de commande CL 1C Ln, avec une ligne pour chaque élément thermosensible Sl Sn Ces lignes de commande sont des films résistifs qui peuvent être excités séparément pour lire la température de leurs éléments respectifs 51 Sn. La Fig 2 représente le diagramme en coupe du dispositif bolomètre de la Fig l Les éléments thermosensibles Sl Sn sont donc des films supraconducteurs déposés sur un substrat SBT (par ex. Si ou Mg O) transparent à la radiation IR mesurée Une mince couche isolante INS (par ex Si O) est déposée sur les films supraconducteurs Sl Sn Les films résistifs (par ex du polysilicone) constituant les lignes de commande CL 1 C Ln sont déposés par dessus le film isolant INS pour être en relation d'échange thermique avec les films supraconducteurs Sî Sn. La Fig 3 représente la caractéristique Résistance Température des films supraconducteurs utilisés comme éléments thermosensibles 51 Sn Particulièrement utiles pour de tels éléments, on trouve les bolomètres à film mince à couche épitaxiée YBCO (Y Ba 2 Cu 3 07) sur plaques Si qui ont été récemment développés De tels films supraconducteurs offrent une caractéristique Résistance Température essentiellement linéaire sur une plage de travail prédéterminée, définie par les points WRL et WRH sur la Fig 3, qui sont les points bas et haut de la plage de travail linéaire Au dessus de cette plage de travail, les films supraconducteurs présentent une variation de résistance relativement faible pour une variation de température relativement élevée, typiquement cinquante fois inférieure à celle rencontrée dans la plage de travail. Le dispositif représenté à la Fig 1 fonctionne de la manière suivante: La source de courant direct DCS de la Fig 1 polarise tous les films supraconducteurs 51 Sn de la colonne verticale au point WR 1 de la plage de travail, de telle sorte que tous les films supraconducteurs présentent la même résistance R 1 Lorsque les éléments supraconducteurs 51 Sn sont exposés à la radiation IR à mesurer, la température de chaque élément s'élève au point WR 2 de la plage de travail, correspondant à la quantité de radiation absorbée par l'élément considéré. Chaque film supraconducteur 51 Sn présente donc une résistance (R 2) correspondant à sa température, soit à la quantité de radiation IR qu'il a absorbée. Cet état persiste pendant une période de temps relativement longue puisque la radiation varie très lentement (plusieurs millisecondes) La capacité C de la Fig l est choisie de telle sorte que le réseau de filtres R-C élimine les composantes basse fréquence de la tension à travers les éléments 51 Sn correspondants aux variations lentes de l'intensité de radiation externe, et ne transfert pas ces variations à l'amplificateur A. Lorsque l'on souhaite lire la température des éléments supraconducteurs Sl Sn respectifs, on applique une impulsion de courant rapide (d'environ une microseconde) sur la ligne de commande CL de l'élément dont on veut lire la température L'impulsion de commande chauffe rapidement (dans le délai rapide indiqué précédemment) l'élément supraconducteur S au point WR 3 du diagramme de la Fig 3, c'est-à-dire à un niveau égal ou supérieur à celui du point WRH (qui est le point le plus haut de la plage de travail linéaire). Comme la variation de résistance est relativement faible au dessus de la plage de travail linéaire, la résistance de l'élément actif au point 3 est effectivement la même qu'au point WRH, désigné comme point 4 sur la Fig 3 Comme la résistance (R 4) est essentiellement la même pour tous les éléments supraconducteurs 51 Sn au point 4 de la Fig 3, on voit que les chutes de tension à travers les éléments supraconducteurs varient directement avec leur résistance (R 2) au point WR 2 dans la plage de travail représentée à la Fig 3. Le signal à variation rapide émis par les éléments bolomètres est transféré par le réseau RC à l'amplificateur A La sortie de l'amplificateur A est donc une fonction essentiellement linéaire de l'intensité de la radiation IR externe, comme indiqué à la Fig 4. Le dispositif bolomètre représenté sur les figures 1 et 2 utilise donc les éléments suivants: ( 1) la constante de temps des éléments supraconducteurs 51 Sn pour atteindre l'équilibre thermique avec le substrat SBT est relativement longue (de l'ordre de la milliseconde); ( 2) la constante de temps pour que l'élément supraconducteur atteigne son propre équilibre thermique est beaucoup plus faible, de l'ordre de la microseconde; et ( 3) les variations de la radiation IR externe sont relativement lentes (de l'ordre de plusieurs millisecondes) En conséquence, on utilise la faible constante de temps nécessaire pour que le film supraconducteur atteigne son propre équilibre thermique pour lire la température de l'élément supraconducteur Sî Sn en émettant des impulsions sur ses lignes de commande CL 1 C Ln; en revanche, la constante de temps relativement élevée nécessaire aux éléments supraconducteurs pour atteindre l'équilibre thermique avec leur substrat pendant les variations de la radiation IR externe est utilisée pour permettre à un seul amplificateur A de lire la température de tous les éléments supraconducteurs 51 Sn. La Fig 5 représente un dispositif bolomètre comprenant un réseau à deux dimensions d'éléments thermosensibles produit par un film prédéfini de matériau supraconducteur qui définit un ensemble de rangées horizontales et de colonnes verticales d'éléments supraconducteurs thermosensibles Tous ces éléments sont polarisés par une source 4 de courant commune DC connectée en parallèle sur toutes les colonnes à travers des résistances élevées de façon à polariser en continu les éléments supraconducteurs au point WR 1 de la Fig 3. Le dispositif représenté sur la Fig 5 comprend en outre un ensemble de lignes de commandes, désignées en général par 6, réalisées sous forme de films résistifs (correspondants aux CL 1 C Ln des Figs 1 et 2) en relation d'échange thermique avec les éléments supraconducteurs Il y a une ligne de commande pour chaque rangée horizontale d'éléments supraconducteurs. Les lignes de commande 6 sont commandées par un multiplexeur 8 permettant d'appliquer des impulsions de courant séquentiellement aux lignes de commande, comme indiqué précédemment On dispose d'un ensemble d'amplificateurs 10, un par colonne verticale d'éléments supraconducteurs 2 Chaque amplificateur 10 représenté sur la Fig 5 comprend l'amplificateur A et également la capacité C représentée sur la Fig l. Le multiplexeur de commande 8 applique séquentiellement des impulsions de courant aux lignes de commandes 6 pour lire la température des éléments supraconducteurs à raison d'une rangée à la fois Le déclenchement séquentiel des lignes de commande permet l'acquisition des données de température de tout le réseau Un multiplexeur de signal 12 reçoit les données de température de tous les amplificateurs 10 en parallèle. On voit donc que dans le dispositif représenté sur la Fig 5, un amplificateur séparé (et une capacité) n'est nécessaire que pour chaque colonne verticale d'éléments supraconducteurs de la matrice à deux dimensions plutôt que pour chacun des éléments supraconducteurs Une telle réalisation permet aussi d'effectuer les connections sur les rangées et colonnes au bord de la matrice Ceci est montré sur la Fig 6 dans laquelle on fournit un seul contact ou pastille de contact Pl pour chaque colonne d'éléments supraconducteurs 51 Sn et un seul contact ou pastille de contact P 2 pour chaque rangée des éléments résistif S CL 1 C Ln, le second contact de chaque rangée et colonne étant réalisé par le point commun à la terre (non représenté) Une telle réalisation simplifie beaucoup l'intégration du système puisque les techniques standard d'interconnexion filaire peuvent être utilisées au lieu d'avoir à disposer un circuit séparé à l'arrière du réseau L'ensemble du circuit intégré comprenant les N- amplificateurs, les multiplexeurs, etc peut être contenu tout entier dans le plan focal comme indiqué sur la Fig 5. Comme on a décrit l'invention en se référant à plusieurs réalisations préférées telles que représentées sur les dessins ci- joints, on peut comprendre que celles-ci sont fournies simplement à titre d'exemple et que de nombreuses variations peuvent être effectuées Par exemple, on peut utiliser l'invention avec un réseau linéaire d'éléments thermosensibles De même, de tels éléments peuvent être disposés en rangées horizontales et les films résistifs des lignes de commande disposés en colonnes verticales. En outre, l'invention peut être utilisée en mettant en5 oeuvre d'autres éléments thermosensibles offrant les caractéristiques Résistance Température décrites précédemment De nombreuses autres variations, modifications et applications de cette invention deviendront apparentes. REVENDICATIONS: 1 Bolomètre pour imagerie infrarouge comprenant: un ensemble d'éléments thermosensibles disposé en un réseau linéaire au moins, lesdits éléments thermosensibles offrant une caractéristique Résistance Température essentiellement linéaire sur une plage de travail prédéterminée définie par les points WRL et WRH, qui sont respectivement les points bas et haut de ladite plage de travail, lesdits éléments thermosensibles présentant en outre une variation de résistance relativement faible pour une variation de température relativement élevée au-delà de ladite plage de travail; des moyens de polarisation pour tous lesdits éléments thermosensibles en un point commun WR 1, de telle sorte qu'ils présentent tous la résistance Rl après avoir été ainsi polarisés, et la résistance R 2 après avoir été exposés à la chaleur rayonnée à mesurer; un film résistif pour chacun desdits éléments sensibles à la température pouvant être excités par une source de courant pour chauffer séparément les éléments thermosensibles à un troisième point WR 3 situé dans la plage de travail à un niveau égal ou supérieur à celui du point WRH; et un circuit de mesure permettant de mesurer les chutes de tension à travers lesdits éléments thermosensibles. 2 Réseau bolomètre selon la Revendication 1, comprenant en outre les moyens pour exciter séquentiellement lesdits films résistifs par de courtes impulsions de courant, et une capacité couplant il lesdits éléments thermosensibles audit circuit de mesure de telle sorte que le circuit de mesure ne reçoive que les sorties des éléments thermosensibles lors de l'impulsion sur leurs films résistifs respectifs. 3 Réseau bolomètre selon la Revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits éléments thermosensibles sont disposés en un réseau à deux dimensions de rangées et de colonnes, et comprenant un film résistif pour chacune desdites rangées et un amplificateur pour chacune desdites colonnes 4 Réseau bolomètre selon la Revendication 3, dans lequel lesdits moyens de polarisation comprennent une source de courant continu commune connectée en parallèle à toutes les colonnes. Réseau bolomètre selon la Revendication 3 ou 4, dans lequel un seul contact est disposé pour chaque colonne d'éléments thermosensibles et un seul contact est disposé pour chaque rangée de films résistifs. 6 Réseau bolomètre selon l'une quelconque des Revendications 1-4, dans lequel lesdits éléments thermosensibles sont des films supraconducteurs sur un substrat commun. 7 Réseau bolomètre selon la Revendication 5, dans lequel ledit substrat est transparent à -la radiation infrarouge, lesdits films supraconducteurs sont appliqués sur le substrat mentionné et lesdits films résistifs sont appliqués sur lesdits films supraconducteurs.