Brevet FR2716001A1 — publié le 19950811

La présente invention concerne des détecteurs pyroélectriques, et elle concerne en particulier des perfectionnements relatifs aux structures de support de tels détecteurs. On utilise des détecteurs pyroélectriques dans des applications très diverses et à des fréquences de travail allant de quelques hertz jusqu'à quelques centaines de hertz. Aux fréquences de fonctionnement de la partie inférieure de cette gamme de fréquences de travail, les performances des détecteurs dépendent beaucoup des caractéristiques thermiques de l'élément ou des éléments pyroélectriques et des conditions qui règnent juste autour d'eux. Dans la plupart des réalisations pratiques de détecteurs pyroélectriques, il faut utiliser un support mécanique de l'élément ou des éléments détecteurs, afin que l'élément ou les éléments détecteurs soient maintenus positivement dans un boîtier ou un enrobage, et un dispositif destiné à faciliter la connexion électrique avec les électrodes formées sur une ou plusieurs faces de chaque élément est nécessaire. L'effet de ce support mécanique est la plupart du temps une dégradation de la réponse à basse fréquence du détecteur étant donné l'absorption indésirable de chaleur par chaque élément qui réduit la variation de température de la matière pyroélectrique pour un changement donné du rayonnement incident, si bien que la sensibilité du détecteur est réduite. Dans de nombreux détecteurs à un seul élément ou à deux éléments, on utilise des espaces ne contenant que de l'air, placés sous les éléments actifs et qui donnent un certain degré d'isolation thermique dans ces zones de la matière pyroélectrique. Les contacts électriques et les zones de support mécanique sont placés suffisamment loin des zones actives, d'une manière commode. D'autres structures convenant mieux à des éléments plus grands (par exemple sous forme de carrés de 2 mm) comportent un ou plusieurs petits supports mécaniques placés au-dessous de l'ensemble de l'élément afin qu'une proportion importante de la surface active se trouve au-dessus d'un espace ne contenant que de l'air. Le support mécanique et la connexion électrique peuvent être réalisés tous deux par une même structure. Les matrices linéaires de détecteurs peuvent nécessiter une centaine d'éléments identiques ou plus, les éléments ayant une dimension supérieure ou égale à quelques dizaines de microns. La fabrication de ces détecteurs nécessite souvent plusieurs étapes de traitement et un traitement photolithographique dans différentes étapes pour la délimitation des zones formant les électrodes. Les conditions de fonctionnement de ces détecteurs sont souvent des conditions très difficiles et une construction robuste est essentielle pour que leur montage soit facilité et pour qu'ils résistent aux conditions appliquées. La possibilité de supporter l'accélération et les chocs peut interdire l'utilisation de la technique de formation d'espaces contenant de l'air étant donné que le support mécanique du substrat du détecteur est alors insuffisant. Pendant une accélération, un ou plusieurs éléments peuvent être fracturés. Dans un exemple de réalisation d'une matrice linéaire, des connexions électriques sont formées avec les éléments individuels par des fils de liaison directement connectés aux électrodes. Pour que les liaisons réalisées puissent être fiables, un support mécanique rigide, audessous du substrat du détecteur, est primordial dans chaque zone de liaison. Dans une construction de détecteur utilisable en pratique, il existe habituellement une couche d'une matière adhésive entre la structure mécanique de support et l'élément pyroélectrique, cette matière adhésive étant par exemple une résine époxyde. Cette couche doit aussi remplir les conditions de support mécanique. L'invention concerne une solution au problème précité posé par les critères antagonistes de bon support mécanique et de faible conductibilité thermique. La solution décrite dans le présent mémoire est la réalisation d'un support composite dans lequel deux matières sont combinées dans une seule structure, chacune des matières ayant des caractéristiques individuellement optimisées. La partie de support qui est juste au-dessous d'un ou plusieurs éléments pyroélectriques actifs est composée d'une matière à faible conductibilité thermique, et la partie du support qui est juste au-dessous d'une ou plusieurs zones de liaison est composée d'un matériau rigide et mécaniquement dur. L'invention concerne donc un détecteur pyroélectrique qui comporte un substrat d'une matière pyroélectrique et dans lequel un élément détecteur au moins est délimité par deux électrodes, à raison d'une électrode par face du substrat, et un support à la partie supérieure duquel est monté le substrat, le détecteur étant caractérisé en ce que le support est une partie formée d'une matière dure et rigide mécaniquement, en une seule pièce, cette partie en une seule pièce ayant une cavité contenant une matière solide de faible conductibilité thermique, et le substrat est placé au-dessus de la cavité et dépasse latéralement au-delà de celle-ci, un fil de contact étant fixé à l'une des paires d'électrodes, sur le substrat, à un emplacement qui se trouve au-dessus de la matière dure et rigide mécaniquement qui est adjacente latéralement à la cavité. De préférence, le dessin des électrodes est disposé de manière qu'il existe une distance latérale suffisante entre chaque élément actif et chaque zone de liaison, si bien que les effets dus à la transition entre les deux matières de la structure composite sont réduits au minimum. Une disposition à électrodes de compensation est de préférence utilisée. Il n'est pas nécessaire qu'un contact électrique réel soit formé avec la face arrière de l'élément ou des éléments pyroélectriques. Dans un autre aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication du détecteur pyroélectrique précité, ce procédé comprenant les étapes suivantes la délimitation d'une cavité dans une partie en une seule pièce d'une matière dure et rigide mécaniquement, le remplissage de la cavité d'une matière solide de faible conductibilité thermique, le traitement de la partie en une seule pièce ainsi remplie afin qu'elle ait une surface plane, le montage d'un détecteur pyroélectrique sur cette partie en une seule pièce une fois remplie, et la liaison d'un fil de contact à une électrode du détecteur pyroélectrique à un emplacement qui se trouve audessus de la matière dure et rigide mécaniquement qui est adjacente latéralement à la cavité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe d'un détecteur pyroélectrique comprenant un support de structure composite selon l'invention ; la figure 2 est une vue en plan du détecteur de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue en plan d'une matrice linéaire de détecteurs pyroélectriques, la matrice étant montée sur un support de structure composite réalisé selon l'invention. Dans la structure représentée sur les figures 1 et 2, un support 1 est formé d'une bande 3 de verre ayant une cavité, sa longueur dépassant marginalement celle d'un substrat pyroélectrique 5 qui est monté sur ce support 1. La bande 3 qui a la cavité est remplie d'une matière 7 de faible conductibilité thermique, par exemple une composition à base de résine époxyde polymérisée. La face supérieure de la structure composite 1 est polie à plat afin qu'elle forme une surface plane 9 et le substrat pyroélectrique 5 est directement monté sur elle à l'aide d'un adhésif époxyde 11. Le substrat pyroélectrique 5 tel que représenté a une structure d'électrodes comprenant une paire d'électrodes supérieures 13 et 15, disposées sur sa surface supérieure exposée, et une électrode commune 17 placée audessous à la face arrière du substrat 5. Ainsi, des éléments pyroélectriques, comprenant un élément actif 19 et un élément de compensation 21, sont délimités par le recouvrement des électrodes supérieures 13 et 15 et de l'électrode commune 17. Par exemple, les zones de recouvrement correspondent au rapport 1/5, c'est-à-dire que l'élément de compensation est plus grand d'un facteur 5, afin que les performances signal-sur-bruit soient optimales. Il faut noter que l'électrode commune 17 est placée au-dessus de la cavité 6 qui est remplie et dans le périmètre de cette cavité. Les deux éléments pyroélectriques 19 et 21 sont donc placés au-dessus de la cavité remplie 7, c'est-à-dire au-dessus d'une matière de conductibilité thermique relativement faible. L'électrode supérieure 15 de l'élément 21 de compensation dépasse latéralement vers la périphérie du substrat pyroélectrique 5. Une partie importante de cette électrode 15 est donc placée au-dessus de la bande 3 de verre, c'est-à-dire au-dessus d'une matière mécaniquement dure. La petite électrode supérieure 13 de l'élément actif 19 est connectée à une plage 23 de liaison par une piste étroite 25 formée d'un métal. Cette plage de liaison 23 est aussi placée au-dessus de la matière mécaniquement dure 3. Les fils de contact 27 et 29 sont fixés sous pression à l'électrode supérieure plus grande 15 et à la plage de liaison 23. Comme les liaisons formées sous pression (indiquées par les flèches) sont réalisées au-dessus de la matière 3 de support qui est mécaniquement dure, la détérioration du substrat pyroélectrique 5 est peu probable. En pratique, les distances comprises entre le bord de chaque élément 19, 21 et le périmètre de la cavité remplie 7 sont de l'ordre de la profondeur de la cavité 7 au minimum, mais elles peuvent être bien supérieures afin qu'un défaut possible d'alignement des éléments 19, 21 par rapport au support 3 soit possible. La distance de chaque liaison formée par un fil au périmètre de la cavité 3 doit être aussi suffisante pour que l'exécution d'une liaison sous pression soit réalisée sur la partie mécaniquement dure du support 3 (et non au-dessus de la cavité 7 qui est remplie) meme dans le pire des cas de défaut d'alignement. Cette distance dépend donc des dimensions de l'élément et des tolérances prévues au cours du montage. Dans de nombreux cas, surtout avec des matrices de petits éléments, il est utile d'offrir une surface aussi grande que possible pour la fixation du fil de liaison par prolongement de chaque plage 23 en direction latérale. L'invention peut s'appliquer à la construction de matrices de détecteurs. Une matrice linéaire de détecteurs est représentée sur la figure 3. Comme indiqué, un certain nombre de substrats pyroélectriques 5 ayant des électrodes sont montés sur un support commun 3. Celui-ci comprend une cavité allongée 7 qui est remplie et qui est placée au-dessous des éléments actif et de compensation 19, 21. En coupe, la matrice est essentiellement analogue à celle qui est représentée pour le détecteur unique de la figure 1. L'invention présente de nombreux avantages par rapport aux autres techniques d'isolation thermique d'un ou plusieurs éléments pyroélectriques. Comme le support composite 1 est une partie en une seule pièce, il peut être facilement fabriqué et manipulé à l'aide des appareillages classiques. La matière 7 de remplissage de faible conductibilité thermique qui est utilisée peut être choisie en fonction des critères particuliers relatifs aux détecteurs. Des exemples de matières convenables de remplissage de faible conductibilité thermique figurent dans le tableau suivant. TABLEAU 1 Conductibilité Matière thermique Dureté -1 -1 (W.m K Polyamide 0,24 - 0,28 119 (Rockwell) Polyimide 0,1 - 0,3 52-99 (Rockwell) Polystyrène réticulé 0,16 110-120 (Rockwell) Résine époxyde 0,28 75 (Shore D) AV/HV100 ("Ciba Geigy") H54/H55 ("EPO-TEK") 0,2 - 0,4 342-3 ("ABLE-BOND") 0,28 85 (Shore D) La cavité 7 remplie de matière solide elle-même assure un degré modéré de support mécanique. Un matériau à base de verre, par exemple du verre "Pyrex", constitue le meilleur choix pour la matière de support. Ces verres ainsi que d'autres verres analogues sont mécaniquement durs et peuvent cependant être coupés et usinés facilement aux dimensions nécessaires à l'aide d'outils abrasifs diamantés. La transparence optique de ces matériaux facilite aussi l'inspection des sous-ensembles. Des exemples de verres et d'autres matières mécaniquement dures qui conviennent figurent dans le tableau qui suit. TABLEAU 2 Matière Conductibilité Dureté thermique (W.m 1K 1 Alumine 24 1500-1600 (Vickers) Verre "Pyrex" 1,1 Lame de verre (ex) 1,0 Quartz fondu 1,5 1000 (Vickers) Silicium 149 Verre Corning"Foto-Form" 0,75 450-50 (Knoop) Une considération importante pour la réalisation d'un support d'un détecteur pyroélectrique est la sensibilité du détecteur terminé aux signaux induits par les vibrations du fait des caractéristiques propres de réponse piézoélectrique de la matière pyroélectrique utilisée dans sa construction. Lorsqu'un montage à compensation électrique tel que décrit précédemment est utilisé afin que l'obtention d'une faible réponse microphonique du détecteur soit facilitée, par annulation des signaux en mode commun, il est important que la phase et l'amplitude des signaux induits soient aussi identiques que possible dans les éléments actif et de compensation 19 et 21. Dans ces modes de réalisation décrits précédemment, les éléments actif et de compensation 19 et 21 sont supportés mécaniquement de la même manière, si bien que les performances sont optimales. REVENDICATIONS 1. Détecteur pyroélectrique, comprenant un substrat (5) d'une matière pyroélectrique dans lequel au moins un élément détecteur (19, 21) est délimité par deux électrodes (13, 15, 17) placées chacune sur une face du substrat, et un support (3) sur lequel est monté le substrat, le détecteur étant caractérisé en ce que le support (3) est une partie en une seule pièce d'une matière dure et rigide mécaniquement, cette partie en une seule pièce ayant une cavité (7) remplie d'une matière solide de faible conductibilité thermique, et le substrat (5) est placé au-dessus de la cavité (7) et dépasse latéralement de cette cavité, et un fil de contact (27, 29) est lié à l'une des électrodes, sur le substrat, à une emplacement qui se trouve au-dessus de la matière dure et rigide mécaniquement qui est latéralement adjacente à la cavité. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (3) est une partie en une seule pièce de verre. 3. Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie en une seule pièce (3) a une cavité (7) qui contient une matière solide de résine époxyde polymérisée. 4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (5) de matière pyroélectrique est d'un type dans lequel un élément détecteur actif (19) et un élément de compensation (21) sont délimités par deux électrodes (13, 15) formées à une face supérieure du substrat et une électrode commune (17) formée à une face inférieure du substrat, et un fil de contact (27, 29) est lié à chaque électrode de la paire, chaque fil de liaison étant lié à un emplacement qui se trouve au-dessus de la matière dure et mécaniquement rigide. 5. Matrice de détecteurs pyroélectriques selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes la délimitation d'une cavité (7) dans une partie en une seule pièce (3) d'une matière dure et rigide mécaniquement, le remplissage de la cavité (7) par une matière solide de faible conductibilité thermique, le traitement de la partie en une seule pièce ainsi remplie afin qu'elle possède une surface plane, le montage d'un détecteur pyroélectrique sur cette partie en une seule pièce lorsqu'elle a été remplie, et la fixation d'un fil de contact (27, 29) à une électrode (13, 15) du détecteur pyroélectrique à un emplacement qui se trouve au-dessus de la matière dure et rigide mécaniquement, adjacent latéralement à la cavité. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité (7) est délimitée dans une partie en une seule piece de verre à l'aide d'un outil abrasif diamanté. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la cavité (7) est remplie d'une matière à base d'une résine époxyde, cette matière est polymérisée et la partie en une seule pièce et la matière polymérisée de résine époxyde sont polies afin qu'elles forment une surface plane.