Brevet FR2735572A1 — publié le 19961220

DisDositif de détection électro-oDtiaue de conceDtion compacte. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux dispositifs de détection électrooptique du genre de ceux utilisables dans des installations de visée stellaire, telles notamment celles associées à des plates-formes inertielles embarquées sur un véhicule aérien tel qu'un missile circulant a très haute altitude ou un véhicule spatiale comme un satellite ou une station orbitale ou analogue. Les détecteurs classiques à tube image sont beaucoup trop lourds et beaucoup trop volumineux pour pouvoir donner satisfaction dans le cadre des applications plus spécialement envisagées indiquées plus haut. Les detecteurs à transfert de charges dans un substrat semi-conducteur permettent certes de résoudre le problème de poids et d'encombrement, étant donné leurs dimensions trés réduites. Toutefois, les conditions de fonctionnement, notamment du point de vue thermique, requises pour ces détecteurs à semi-conducteurs (température de fonctionnement inférieure à environ 20 C? ne correspondent pas aux conditions de températures requises par ailleurs pour le fonctionnement des centrales inertielles (température supérieure â environ 60'). En outre, il est nécessaire de prévoir une très grande stabilité transversale du dispositif de détection (déplacement transversal inférieur à 1 )u) quels que soient les efforts subis (notamment dus aux accélérations et/ou aux vibrations) et 1 environnement thermique afin d assurer une précision satisfaisante des mesures effectuées à laide de l'installation optique (notamment l'installation de visée stellaire). L'invention a donc essentiellement pour but de proposer un dispositif de détection électro-optique qui satisfasse aux diverses exigences de la pratique dans le cadre des applications précitées. A ces fins, le dispositif conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il comprend - un boitier étanche aux gaz, notamment à l'air et apte à supporter mécaniquement la mise en dépression du volume intérieur du boitier ledit boitier étant constitué en un matériau thermiquement bon conducteur et possédant une fenêtre transparente, un vide étant établi dans le boitier. - un détecteur photosensible matriciel à 1 état solide constitué par une puce à circuits intégrés et disposé en regard de la susdite fenêtre. et - un module de refroidissement â fonctionnement autonome solidarisé de façon thermiquement conductrice à une face intérieure du boitier par son côté chaud et supportant de façon thermiquement conductrice le détecteur photosensible sur son côté froid. De préférence. afin de limiter au minimum la conduction thermique par les fils métalliques du câblage de la puce, le détecteur photosensible est muni d'un cablage externe réalisé avec des fils d or ou d'aluminium de petit diamètre. Avantageusement, pour effectuer le refroidissement nécessaire avec un maximum d'efficacité et un minimum d encombrement et de poids. le module de refroidissement est un module thermoélectrique à effet Peltier. Préférentiellement. la solidarisation thermoconductrice du détecteur photosensible sur la face froide du module de refroidissement et/ou la solidarisation thermo-conductrice de la face chaude du module de refroidissement au boitier est effectuée par collage ou par brasage. On obtient ainsi une structure parfaitement rigide qui peut supporter des efforts importants (notamment dus à des accélérations élevées et/ou aux vibrations) sans déformations sensibles, et donc sans déplacement notable de la puce. ce qui assure dune très bonne fiabilité en fonctionnement quelles que soient les conditions d environnements mécaniques. Simultanément. on assure une excellente conduction thermique entre tous les éléments constitutifs, y compris éventuellement le boitier qui sert donc de radiateur de dissipation thermique contribuant au refroidissement efficace de la puce. Dans ce contexte. on peut encore accroitre cette capacité de dissipation thermique par le fait qu'exté- rieurement le boitier soit agencé pour pouvoir etre solidarisé de façon thermoconductrice à un support thermiquement bon conducteur formant radiateur de dissipation additionnel. Ainsi, c est 1 ensemble du dispositif de détection électro-optique et de son support qui sert de radiateur de dissipation, lequel support peut être, dans le cadre de 1 application préférée mentionnée plus haut, la structure de coeur, constituée en un matériau thermiquement bon conducteur (en particulier métallique), d un dispositif de visée stellaire embarqué à bord d un véhicule aérien, tel qu'un missile ou un véhicule spatial. Dans un mode de réalisation préféré, le boitier comporte une cavité ouverte qui renferme notamment le détecteur photosensible et son module de refroidissement et est obturé de façon étanche par un couvercle, et la susdite fenêtre transparente est prévue sur ce couvercle. Avantageusement, le boitier est muni de traversées électriques étanches permettant une liaison étanche entre le câblage externe du détecteur photosensible et l'extérieur du boitier. De façon intéressante. le vide établi à l'inté- rieur du boitier est d au moins 1 Pa (10 5 atm). Grâce aux dispositions mises en oeuvre dans le cadre de 1 invention, le dispositif de détection électro-optique qui vient d'etre mentionné peut etre réalisé sous forme très compacte avec un diamètre qui, par exemple. n excède pas environ 50 mm, peut assurer un refroidissement important avec une consommation énergétique très faible . et enfin possède une structure extremement rigide. toutes qualités qui font qu'il donne satisfaction pour les applications précitées malgré des conditions de fonctionnement extrêmement sévères. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de realisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non li mitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins sur lesquels - la fig. 1 est une vue en coupe diamétrale d'un dispositif de détection électro-optique agencé conformément à l'invention, - la fig. 2 est une vue de dessus du dispositif de la fig. 1, et - la fig. 3 est une vue schématique, en coupe. illustrant un exemple de montage du dispositif des fig. 1 et 2. Le dispositif de détection électro-optique. désigné dans son ensemble par la référence numérique 1. comprend un boitier métallique 2. en forme de coupelle circulaire avec une cavité centrale 3. La partie active ou capteur du dispositif de détection est constituée par un dispositif photosensible matriciel à 1 état solide (pastille de silicium) 5 utilisé sous forme de "puce" seule (c'est-i-dire non enrobée dans son habituel boitier servant de protection mécanique et de radiateur de dissipation thermique). La puce est fixée rigidement. par exemple par collage, sur un substrat mince 5 afin de constituer une structure micro-électronique hybride elle-même fixée par collage sur la "face froide" 6 d'un module de refroidissement 7. On obtient ainsi une résistance thermique minimum entre le module de refroidissement 7 et la puce 4. Bien entendu, la puce 4 peut éventuellement etre fixée directement sur la face froide 6 si nécessaire. Le module de refroidissement est constitué par un dispositif thermo-électrique à effet Peltier à un ou plusieurs étages selon la puissance de refroidissement nécessaire. Le module de refroidissement 7 est à son tour fixé rigidement, par sa "face chaude" 8, par collage ou brasage sur le fond 9 de la cavité 3 du boitier 2 : on obtient ainsi un trajet de résistance thermique minimum entre le module de refroidissement et le boitier métallique, lequel joue alors le rôle de radiateur de dissipation thermique pour le refroidissement de la puce s Afin de minimiser l'apport de chaleur sur la face froide 6, le cablage de la puce 4 est réalisé avec des fils d or ou d aluminium de petit diamètre 10.Ces fils sont connectés, par soudure, à des traversées électriques constituées par des pattes métalliques 11 fixées, dans leurs zones centrales de façon isolante et étanche. dans des passages ménagés dans une ceinture métallique de support 12 (cette ceinture métallique 12 pouvant être une pièce rapportée de façon thermiquement conductrice et étanche sur le boitier métallique 2 ou une forme particulière aménagée sur ledit boitier 2). A leurs extrémités externes, les pattes 11 sont fixées, par soudure, sur des plaques de connexion 13 (elles-memes fixées au boitier 2) qui reçoivent par ailleurs les extrémités correspondantes de conducteurs électriques 14. Ceux-ci sont réunis en un toron 15 qui est logé dans une gouttière 16 creusée dans le boitier 2 et qui est bloqué dans celle-ci à l'aide d'un écrou de blocage 17.Le toron 15 sort du boitier 2 par une ouverture 18 et se termine par un connecteur électrique 19 permettant d'assurer les liaisons électriques appropriées du dispositif avec des circuits extérieurs. Enfin, la cavité 3 est fermée par un couvercle 20 qui comprend une paroi principale 21, située en regard du fond 9. percée dune ouverture 22 obturée de façon étanche par une lame 23 en un matériau transparent afin de constituer un hublot situé en regard de la puce 4 et à travers lequel passent les rayonnements devant être détectés par le dispositif photosensible 4. La paroi principale 21 du couvercle 20 est assujettie de façon étanche à la ceinture métallique de support 12 précité. A l'intérieur de la cavité 3 ainsi fermée est établi un vide d au moins 1 Pa (10-5 atm) de manière à réduire à un minimum les apports thermiques par convexion. En effectuant un montage soigné du dispositif et en disposant éventuellement dans la cavité 3 un dispositif passif de maintien du vide 34. par exemple un dégazeur ou getter, dont le raccordement électrique avec l'extérieur du boitier 2 est effectué de façon analogue à celui du dispositif photosensible X, un tel vide peut être maintenu pendant une durée de stockage de l'ordre de 10 ans. A titre d exemple, un dispositif de détection électro-optique tel que celui qui vient d'etre décrit peut être incorporé dans une installation de visée stellaire intégrée à une plate-forme inertielle embarquée dans un missile appelé à circuler à très haute altitude ou dans un véhicule spatial, afin d'assurer le guidage de celui-ci en l'absence de repérage terrestre. La température de fonctionnement de la plateforme inertielle étant en pratique à environ 60C. l'agencement retenu pour le dispositif de détection électro-optique conforme à l'invention permet une élimination thermique pouvant aller jusqu'a 5 W et le maintien de la température de fonctionnement requise pour les puces en silicium qui est inférieure à environ 20-C, soit un abaissement de température qui peut être d'au moins 50'C par rapport à l ambiance de la plate-forme inertielle. Du reste, si cela s'avère nécessaire. le pouvoir de dissipation calorifique du boitier 2 peut etre accru en solidarisant mécaniquement et thermiquement celui-ci avec son support (thermiquement bon conducteur -par exemple métallique- lui aussi), constitué par exemple par la structure de l installation de visée stellaire dans l'application précitée. Dans ce cas, on peut avantageusement avoir recours au montage représenté à la fig. 3. Le dispositif de détection 1 est maintenu dans une bague de centrage 24 au moyen d un écrou de blocage 25, laquelle bague de centrage 24 est fixée (par exemple par des vis 26) sur un carter 27 d un appareil auquel est associé le dispositif de détection 1. Eventuellement la bague de centrage 24 sert également à bloquer en position une paroi 28 munie d un passage central 29 situé en regard de la lame 23 pour laisser passer les rayonnements destinés au dispositif photosensible & ; cette paroi 28 peut éventuellement être en un matériau transparent et être alors dépourvue de passage central.Enfin, un capot 30, fixé par exemple à la bague de centrage 24 au moyen de vis 31, clot l espace dans lequel est logé le dispositif de détection 1. Le capot 30, réalisé en un matériau thermiquement conducteur. est agencé pour présenter un plateau intérieur 32. formant surface d'appui, qui s'applique, éventuellement avec interposition d un joint thermique 33, contre la face externe de la paroi de fond 9 du boitier 2 du disposifif 1. Le capot 30 joue ainsi le rôle de radiateur auxiliaire de dissipation thermique accroissant le refroidissement du dispositif photo-sensible 4. En outre, la structure conforme à l'invention confère une très grande stabilité transversale du détecteur photosensible 4 (qui peut etre supérieur à 1 -en ayant recours à une fixation appropriée du dispositif de détection électro-optique 1 sur son support-, même dans le cas où il subit des accélérations transversales très importantes comme c'est en particulier le cas à bord des missiles. Pour assurer un fonctionnement correct du dispositif de détection électro-optique. tout ou partie de l'équipement électronique de mise en oeuvre du détecteur photosensible 5 et de traitement des signaux de sortie peut etre incorporé à l intérieur du boitier 2 sous forme de sous-ensembles réalisés notamment en technologie micro-électronique hybride. Il est ainsi possible de minimiser le nombre des liaisons avec l'extérieur et de diminuer la sensibilité des liaisons aux perturbations externes. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède. l invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS. -1. Dispositif de détection électro-optique destiné à transformer un signal lumineux incident d'intensité variable en un signal électrique de sortie dont une caracteristique varie de façon correspondante. caractérisé en ce qu il comprend - un boitier (2) étanche aux gaz. notamment à l'air, et apte à supporter mécaniquement la mise en dépression du volume intérieur (3) du boitier ledit boitier étant constitué en un matériau thermiquement bon conducteur et possédant une fenêtre transparente (22,23), un vide étant établi dans le boitier. - un détecteur photosensible matriciel à l'état solide (4) constitué par une puce à circuits intégrés et disposé en regard de la susdite fenêtre. et - un module de refroidissement (7) à fonctionnement autonome solidarisé de façon thermiquement conductrice à une face intérieure (9? du boitier par son coté chaud (8) et supportant de façon thermiquement conductrice le détecteur photosensible sur son côté froid (6). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le détecteur photosensible (4) est muni d'un câblage externe (10) réalisé avec des fils d'or ou d'aluminium de petit diamètre. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le module de refroidissement (7) est un module thermoélectrique à effet Peltier. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la solidarisation thermoconductrice du détecteur photosensible sur la face froide (61 du module de refroidissement (7) et/ou la solidarisation thermo-conductrice de la face chaude (8) du module de refroidissement (7) au boitier (2) est effectuée par collage. 5. Dispositif selon 1 une quelconque des revendications 1 à 3. caractérisé en ce que la solidarisation thermo-conductrice du détecteur photosensible sur la face froide (6) du module de refroidissement (7) etlou la solidarisation thermo-conductrice de la face chaude (8) du module de refroidissement (7) au boitier (2) est effectuée par brasage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le boitier comporte une cavité ouverte (3? qui renferme notamment le détecteur photosensible (4) et son module de refroidissement (7? et qui est obturée de façon étanche par un couvercle (20) et en ce que la susdite fenêtre transparente (22, 23) est prévue sur ce couvercle (20?. 7. Dispositif selon 1 une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le boitier est muni de traversées électriques étanches (11, 12) permettant une liaison étanche entre le câblage externe (10) du détecteur photosensible (4) et l'extérieur du boitier. 8. Dispositif selon 1 une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'exterieurement le boitier (2) est agencé pour pouvoir être solidarisé de façon thermoconductrice à un support thermiquement bon conducteur formant radiateur de dissipation additionnel. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que son boitier (2) est solidarisé de façon thermiquement conductrice à la structure de coeur. constituée en un matériau thermiquement bon conducteur. d'un dispositif de visée stellaire. 10. Dispositif selon 1 une quelconque des revendications 1 à 9. caractérisé en ce que le vide établi à I'intérieur du boitier (2) est d au moins 1 Pa (10 5 atm). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'à l intérieur du boitier (2) est disposé un dispositif dégazeur passif (34) relié, par des liaisons électriques traversant le boitier de façon étanche.à un circuit d excitation externe.