Brevet FR2833409A1 — publié le 20030613

Cette invention concerne un détecteur infrarouge pour fonctionnement aux températures cryogéniques. Ces détecteurs infrarouges sont bien connus pour Leur utilisation dans des têtes d'autodirecteurs de missile et des systèmes de guidage de missile du type généralement connu sous l'appellation de "missiles guidés par alignement optique" et pour des buts fonctionnels demandant qu'ils soient refroidis de la température fonctionnelle ambiante à une température cryogénique de 77 K à 100 K en moins d'une seconde. Pour obtenir ce refroidissement très rapide, le détecteur et sa structure de support sont con- çus de façon à posséder une faible capacité thermique et sont refroidis très rapidement à l'aide d'un mini-refroidisseur de Joule-Thompson en cycle ouvert. La demanderesse a découvert que les performances de ce détecteur sont altérées par le bruit électrique, que le spectre électrique de ce bruit induit est spécialement riche dans les basses fréquences (c'est-à-dire les fréquences inférieures à quelques kilohertz), et que la source principale de ce bruit de basse fréquence est produite par le mini-refroidisseur de Joule-Thompson. La demanderesse a également établi que la sévérité du bruit électrique augmentait systématiquement dans le cas où l'on réduisait systématiquement l'épaisseur de la structure de support pour obtenir La capacité thermique faible et des temps de refroidissement plus courts. Un but de l'invention est de produire un détecteur infrarouge destiné à fonctionner aux températures cryogéniques, dans lequel l'effet du bruit électrique est réduit. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 081 819 enseigne qu'on peut utiliser un adhésif de caoutchouc de silicone entre des premier et deuxième substrats épais afin d'empêcher le craquement lorsque le dispositif à semiconducteur se refroidit à des basses températures. Cette publication établit donc qu'il est connu qu'un dispositif à semiconducteur soit porté par un substrat de montage comprenant une première couche de substrat épaisse Liée par un adhésif de caoutchouc de silicone à un deuxième substrat épais de façon que le dispositif à semiconducteur puisse se refroidir aux basses températures sans craquement du substrat de montage. Toute- fois, cette publication ne reconnaît pas le problème selon lequel les performances du dispositif à semiconducteur sont altérées par le bruit électrique et enseigne l'emploi de substrats épais qui augmentent ce problème. Selon l'invention, un détecteur infrarouge est caractérisé en ce qu'on forme les premier et deuxième substrats sous la forme de couches de substrat minces respectifs d'un matériau à haute diffusivité thermique, et en ce que ces couches de substrat minces sont séparées par une couche de ciment de liaison qui est suffisamment mince pour que les propriétés thermiques du substrat de montage global restent sensiblement non altérées, si bien que l'incidence du bruit thermique est diminuée. Une couche du substrat peut être formée à partir de saphir, de silicium, ou de tout autre matériau ayant les propriétés appropriées, et des couches différentes peuvent être formées à partir de matériaux différents. La couche de ciment de liaison est de préférence maintenue aussi mince que cela est possible en pratique et, typiquement, elle doit avoir une épaisseur de quelques microns seulement. L'élément photoconducteur peut être formé par épitaxie sur la couche de substrat qui est la plus éloignée du moyen de refroidissement. Dans ce cas, la couche de substrat peut être formée à partir d'arséniure de gallium. Selon une autre possibilité, l'élément photoconducteur peut être fixé par une couche mince de ciment de liaison à la couche de substrat qui est la plus éloignée du moyen de refroidissement. Le moyen de refroidissement est de préférence le refroidisseur de Joule-Thompson en cycle ouvert bien connu, qui est conçu pour décharger le réfrigérant directement sur la face de la couche de substrat la plus rapprochée. On va maintenant décrire l'invention à titre d'exemple en se reportant aux dessins annexés, où : la figure 1 est une coupe axiale faite dans une première forme de détecteur infrarouge encapsulé connu incorporant un minirefroidisseur de Joule-Thompson en cycle ouvert ; La figure 2 est une coupe axiale faite dans une autre forme de détecteur infrarouge encapsulé connu, où le mini- refroidisseur a été omis ; et la figure 3 est une vue de détail agrandie en coupe d'une partie centrale de la figure 1 illustrant l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, un élément photoconducteur 10 servant à détecter le rayonnement infrarouge est supporté par un substrat de saphir monolithique 11 qui est fixé dans un évidement 12 ménagé dans un corps 13 qui définit une interface de refroidisseur tronconique 14. L'élément photoconducteur 10 est encapsulé dans un boîtier sensiblement cylindrique 15 qui positionne et porte une fenêtre 16 permettant la réception du rayonnement infrarouge par l'élément photoconducteur 10. Un mini-refroidisseur de Joule-Thompson en cycle ouvert est indiqué dans son ensemble par la flèche 17 et est logé à l'intérieur de l'interface de refroidisseur tronconique 14. Le mini-refroidisseur 17 comprend de façon générale un serpentin conique de tube 18 dont la surface externe est étroitement ajustée contre l'interface de refroidisseur 14 et dont la surface interne est étroitement ajustée sur une partie centrale tronconique 19 comme représenté. Lorsque le détecteur infrarouge doit être utilisé, du gaz sous pression élevée est libéré dans le tube 18 et s'échappe par un orifice ménagé dans l'extrémité ouverte 20 afin de venir frapper contre la surface adjacente du substrat 11. La libération du gaz par l'orifice amène un refroidissement extrêmement rapide du gaz, qui absorbe par conduction la chaleur du substrat 11 et du corps 13, et s'échappe par le passage en hélice 21 défini entre le tube 18, l'interface de refroidisseur 14 et la surface externe de la partie centrale 19, pour s'échapper finalement comme indiqué par les flèches 22. Ce système fonctionne comme un échangeur de chaleur à contre-courant où le gaz refroidi qui s'échappe a pour effet de refroidir le gaz sous pression entrant dans le serpentin 18. Pour augmenter l'échange de chaleur entre le gaz qui s'échappe et le gaz qui entre, le tube 18 est ordinairement doté d'ailettes afin d'augmenter la surface de transfert de chaleur. En fonctionnement, l'échangeur de chaleur à contre-courant a pour effet d'amener Le gaz contenu dans Le serpentin 18 à se refroidir très rapidement, de sorte que Le substrat 11 est refroidi par Le choc direct d'un jet de gaz liquéfié,,ce qui augmente La vitesse de refroidissement potentieLLe du fait de La chaLeur Latente de vaporisation du gaz Liquéfié. Dans Le cas où on utiLise de L'argon, La température du gaz Liquide est d'environ 90 KeLvin, tandis que, dans Le cas où on utiLise de L'azote, La température est aux environs de 77 KeLvin. Dans L'un et L'autre cas, L'action du minirefroidisseur 17 réduit très rapidement La température du substrat monoLithique 11 et de son éLément photoconducteur associé 10 jusqu'à une température cryogénique, typiquement comprise entre 90 et 100 avec L'argon. On aura égaLement compris que Les parties du corps 13 qui entourent immédiatement Le substrat 11 offrent un degré éLevé d'isoLation thermique du substrat du fait de La très faibLe conductivité thermique du corps 13. La demanderesse a découvert que Les performances des détecteurs infrarouges du type iLLustré sur La figure 1 sont aLtérées par Le bruit électrique et que Le spectre de fréquence du bruit induit est spécialement riche dans Les basses fréquences. En l'utilisation, ces détecteurs infrarouges sont couramment employés pour détecter des faisceaux Lasers qui sont projetés suivant une configuration qui traverse typiquement La fenêtre 16 en environ 20 s. L'impuLsion infrarouge détectée contient des fréquences appartenant à La gamme de 0 à 20 kHz. On notera donc que La création de tout bruit électrique dans L'éLément photoconducteur se trouvant entre ces fréquences n'est pas souhaitabLe. Le substrat 11 possède typiquement un diamètre qui est de 4 mm seulement et Le mécanisme exact par LequeL Le bruit électrique est produit et propagé n'est pas complètement compris. Toutefois, La demanderesse a découvert que Le bruit de basse fréquence dominant est associé au fonctionnement du mini-refroidisseur 17, et iL apparaît que Le débit éLevé du gaz Liquéfié venant frapper Le substrat monoLithique 11 produit des vibrations de fréquences acoustiques qui se propagent dans Le substrat monoLithique 11 et apparaissent sous La forme d'un bruit électrique qui est reçu par L'éLément photoconducteur 10. Dans L'utiLisation fonctionneLLe, iL est essentieL que ce détecteur infrarouge entre en action avec Le retard Le pLus faible possibLe, et c'est pour cette raison que L'on fabrique Le substrat 11 sous une faibLe épaisseur et en un matériau à diffusivité thermique éLevée, comme Le saphir. Pour minimiser Le temps de refroidissement, on peut choisir entre augmenter Le débit du jet venant frapper Le substrat monoLithique 11 avec un accroissement associé de création de bruit électrique et une réduction correspondante de L'efficacité fonctionneLLe du détecteur, ou bien minimiser La masse thermique. Dans ce dernier cas, on peut réduire L'épaisseur du substrat monoLithique 11 pour obtenir des temps de refroidissement pLus courts, mais La demanderesse a découvert que La sévérité du bruit électrique appliqué à L'éLément photoconducteur augmentait systématiquement avec La réduction d'épaisseur du substrat 11 du détecteur. L'autre structure connue possibLe, qui est iLLustrée sur La figure 2, possède de nombreuses particularités en commun avec La figure 1, et on a utilisé des numéros de référence identiques pour identifier des composants équivaLents. En réaLité, La différence entre Les deux figures réside seulement dans Le rempLacement du corps 13 de La figure 1 par un corps 23 à paroi mince possédant un rebord annuLaire 24 fixé de manière étanche au bord inférieur du boîtier cylindrique 15. Le corps 23 à paroi mince peut être fabriqué par un travaiL de pressage ou par électroformage, et iL délimite L'interface de refroidisseur tronconique 14 externe du minirefroidisseur de JouLe-Thompson en cycLe ouvert, LequeL n'a pas été représenté sur cette figure. On notera que Le substrat de saphir monoLithique 11 est fixé à une partie de paroi 25 du corps 23. ALors que cette structure minimise La masse du corps 23 LocaLisant Le substrat 11 par rapport à La fenêtre 16, Le jet de réfrigérant vient d'abord frapper La partie de paroi 25, ce qui augmente donc La masse thermique à refroidir se trouvant immédiatement au-dessous de L'éLément photoconducteur 10. La production de bruit électrique dans L'éLément photoconducteur 10 est sensibLement La même que pour La structure de La figure 1. En dehors des particularités propres à L'invention, La figure 3 correspond de façon généraLe à La disposition connue déjà décrite en relation avec La figure 1, de sorte que Les mêmes numéros de référence ont été utilisés pour indiquer des composants équivalents. Le point de différence principal est que le substrat monolithique 11 de la figure 1 a été remplacé par un substrat 26 formé par une structure en sandwich comprenant deux couches minces superposées 27,28 d'un matériau à diffusivité thermique élevée, comme le saphir ou le silicium. Les couches 27 et 28 sont séparées par une couche 29 de ciment de liaison, qui est suffisamment mince pour que les propriétés thermiques du substrat 26 restent sensiblement les mêmes que celles du substrat 11 de la figure 1. Puisque la figure 3 a été tracée à une plus grande échelle, on a présenté le serpentin de tube 18 en coupe afin de montrer comment un ajutage 30 est formé. Celui-ci peut être formé par perçage du tube, mais ceci peut être réalisé de toute manière appropriée. Par exemple, on peut, d'un point de vue pratique, placer le serpentin 18 sur un poste d'essai d'écoulement de gaz et progressivement resserrer l'extrémité ouverte 20 de manière à régler l'ajutage 30 pour qu'il délivre un débit prédéterminé sous une pression donnée. En observant la figure 3, on notera également que l'élément photoconducteur 10 est collé à la couche supérieure 27 par une mince couche de ciment de liaison 31. On réalise de préférence cette liaison à l'aide de résine époxy sous forme pure et d'un durcisseur sous forme pure en combinaison avec des solvants, si nécessaire, pour obtenir un ciment de liaison d'une épaisseur de l'ordre de 1 m. La couche 29 se trouvant entre les substrats 27 et 28 peut être plus épaisse et a typiquement une épaisseur de quelques microns, à savoir entre 1 et 10 m. Alors que le substrat 26 est représenté sur la figure 3 comme étant fixé dans un alésage lisse 32, on peut naturellement le placer dans un évidement, comme indiqué en 12 sur la figure 1. Le substrat 26 possède typiquement 4 mm de diamètre et une épaisseur d'environ 500 m, se partagant également entre Les deux couches 27 et 28. Toutefois, il est possible de modifier selon les besoins l'architecture du substrat 26 en utilisant des couches 27 et 28 d'épaisseurs différentes et, ou bien, de matériaux différents, comme le saphir, Le silicium et l'arséniure de gallium ; on peut aussi utiliser, si nécessaire, trois couches ou plus. En particulier, on peut former en arséniure de gaLLium La couche supérieure 27, qui est La couche qui est La plus éloignée de L'ajutage de refroidissement 30, L'éLément photoconducteur 10 étant formé par épitaxie sur L'arséniure de gaLLium. Avec La distribution iLLustrée sur La figure 3, La demanderesse a découvert qu'un mini-refroidisseur de JouLe-Thompson en cycle ouvert produisait sensiblement moins de bruit électrique dans L'éLément photoconducteur 10. En plus d'augmenter Les performances de L'éLément photoconducteur 10 par réduction du bruit électrique, L'invention permet aussi de réduire Le temps de refroidissement pour un niveau donné de production de bruit électrique, soit en augmentant Le débit du réfrigérant, soit en réduisant L'épaisseur du substrat 26, soit encore par une combinaison de ces deux moyens. Bien entendu, L'homme de L'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont La description vient d'être donnée à titre simplement iLLustratif et nuLLement Limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de L'invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur infrarouge, destiné à fonctionner à une température cryogénique, comportant un élément photoconducteur porté par un substrat de montage qui comprend un premier substrat Lié à un deuxième substrat, et un moyen permettant de refroidir rapidement l'élément photoconducteur par conduction au travers du substrat de montage, caractérisé en ce que Les premier et deuxième substrats comprennent des couches de substrat minces respectives (27,28) d'un matériau à diffusivité thermique élevée, et les couches de substrat minces (27,28) sont superposées et séparées par une couche (29) de ciment de liaison qui est suffisamment mince pour que les propriétés thermiques du substrat de montage (26) restent sensiblement non altérées, si bien que l'incidence du bruit électrique est réduite. 2. Détecteur infrarouge selon La revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des couches de substrat minces (27, 28) est formée de saphir. 3. Détecteur infrarouge selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une des couches de substrat minces (27,28) est formée de silicium. 4. Détecteur infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que La couche (29) de ciment de liaison possède une épaisseur inférieure à 10 m. 5. Détecteur infrarouge selon la revendication 4, caracrétisé en ce que La couche (29) de ciment de liaison a une épaisseur inférieure à 5 m 6. Détecteur infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément photoconducteur (10) est formé par épitaxie sur La couche de substrat mince (27) qui est la plus éloignée du moyen de refroidissement (17). 7. Détecteur infrarouge selon La revendication 6, caractérisé en ce que La couche de substrat mince (27) qui est la plus éloignée du moyen de refroidissement (17) est formée d'arséniure de gallium. 8. Détecteur infrarouge selon L'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément photoconducteur (10) est fixé par une mince couche (31) de ciment de liaison à la couche de substrat mince (27) qui est la plus éloignée du moyen de ref roi di ssement (17). 9. Détecteur infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement (17) est un refroidisseur de Joule-Thompson en cycle ouvert conçu pour faire décharger (30) un réfrigérant directement sur la face de la couche de substrat mince (28) la plus proche. 10. Dispositif commandé par infrarouge, caractérisé en ce qu'il incorpore un détecteur infrarouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.