Brevet FR2920872A1 — publié le 20090313

L'invention concerne un bolomètre pour la mesure de l'intensité ou de la présence d'un rayonnement incident. Un domaine d'application de l'invention est les capteurs de rayonnements, utilisés par exemple en imagerie infrarouge ou en 5 thermographie infrarouge à température ambiante. Un bolomètre comprend conventionnellement une résistance variable en fonction de la température et un corps absorbant le rayonnement incident ou un autre signal externe. La mesure de la variation de cette résistance permet une mesure de cette température, qui permet 10 elle-même de remonter à la variation du signal externe incident. Ce type de capteur peut être appliqué à la radiométrie, les rayonnements alors absorbés à la surface du bolomètre échauffent le bolomètre et, dans ce cas, la mesure de la température du bolomètre donne une mesure indirecte de la puissance reçue. 15 Le principe de fonctionnement des bolomètres repose sur des phénomènes thermiques par essence relativement lents, même si l'on envisage la miniaturisation qui permet de diminuer les constantes de temps. Les propriétés thermiques du système sont liées à la conductance thermique entre l'élément de mesure et un thermostat, ainsi qu'à la capacité 20 thermique de l'élément soumis au rayonnement. Ces paramètres définissent le temps de réponse du système. L'amélioration des performances des bolomètres est un point-clef pour accroître la sensibilité et les temps de réponse des applications visées. Ces améliorations de performances peuvent être obtenues par 25 bouclage du système grâce à l'asservissement de la chaleur. Le document � A room temperature Si3N4/SiO2 membrane-type electrical substitution radiometer using thin film paltinum thermometers �, G Allègre, B Guillet, D Robbes, L Méchin, S Lebargy, S Nicoletti, Institute of Physics Publishing, Measurement Science and Technology, 17(2006) 1-7, décrit le principe d'asservissement par substitution électrique de chaleur. En l'absence de lumière incidente, la température de la membrane constituant le récepteur absorbant est maintenue constante à une valeur Tfef en utilisant un dispositif de chauffage résistif et un dispositif de contrôle de température. En présence de lumière, la puissance nécessaire pour maintenir la membrane à la température Tfef est fournie par le dispositif de chauffage résistif et la lumière incidente découpée. La puissance incidente sur le récepteur absorbant peut être estimée en mesurant la puissance électrique équivalente nécessaire pour obtenir la même montée en température en utilisant l'un ou l'autre des deux procédés de chauffage. Ce dispositif connu à contre-réaction de chaleur présente l'inconvénient d'un volume occupé important, ce qui joue au détriment de l'intégration et de la miniaturisation du système. Cet inconvénient est critique dans le cas d'applications à forte intégration comme par exemple les matrices de pixels pouvant servir à la constitution de caméras à vision nocturne. Un autre inconvénient est le retard entre le dépôt de chaleur et la mesure de température, ce qui limite les performances du système en boucle fermée (marge de gain et marge de phase). L'invention vise à obtenir un bolomètre palliant les inconvénients de l'état de la technique, et améliorant les performances de l'asservissement. A cet effet, un premier objet de l'invention est un bolomètre, comportant une surface extérieure d'absorption thermique d'un rayonnement incident, la surface d'absorption étant en contact thermique avec au moins un élément de mesure du rayonnement incident, ayant une résistance électrique de mesure, variable en fonction d'e la température, l'élément de mesure se trouvant dans une boucle d'asservissement de chaleur comportant un correcteur d'application d'une puissance de chauffage à un moyen résistif de chauffage pour maintenir la température de la résistance électrique de mesure égale à une température de consigne, caractérisé en ce que le moyen résistif de chauffage comprend l'élément de mesure, le correcteur est prévu pour générer une composante fréquentielle de la puissance de chauffage, qui est appliquée à un premier moyen de couplage prévu entre l'élément de mesure et le correcteur pour appliquer à l'élément de mesure un signal sans composante continue, un deuxième moyen de couplage, distinct du premier moyen de couplage, est prévu entre l'élément de mesure et un moyen de polarisation continue pour maintenir la résistance électrique de mesure à un point de fonctionnement continu prescrit. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, - Le moyen résistif de chauffage est formé par l'élément de mesure. - Le premier moyen de couplage est capacitif. - La boucle d'asservissement de chaleur et le moyen de polarisation continue sont prévus pour modifier la puissance dissipée dans la résistance de mesure sans changer son point de fonctionnement. - Le premier moyen de couplage applique à l'élément de mesure un signal dans une bande de fréquence supérieure à 20 kHz. - La boucle d'asservissement de chaleur comporte un moyen pour former un signal d'erreur entre le signal présent dans l'élément de mesure et un signal correspondant de consigne constante prescrite, le correcteur étant prévu pour appliquer à l'élément de mesure par l'intermédiaire du premier moyen de couplage un signal alternatif fonction du signal d'erreur. - Le correcteur est prévu pour appliquer à l'élément de mesure par l'intermédiaire du premier moyen de couplage un signal alternatif modulé en amplitude par le signal d'erreur. - Le correcteur est prévu pour appliquer à l'élément de mesure par l'intermédiaire du premier moyen de couplage un signal sinusoïdal modulé 25 en amplitude par le signal d'erreur. - La résistance de mesure est par exemple constituée en manganite. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 30 - la figure 1 est un schéma du principe thermique du bolomètre suivant l'invention, - la figure 2 est un schéma électrique de principe du bolomètre suivant l'invention, - la figure 3 représente des chronogrammes de signaux mesurés sur un bolomètre suivant l'invention. Aux figures, le bolomètre 1 comporte une surface 2 en un matériau d'absorption d'un rayonnement incident de puissance P,NC à mesurer, pouvant être par exemple infrarouge. La surface 2 se trouve sur au moins un élément 3 de mesure, ayant une résistance R variable suivant la température selon une fonction connue, dépendant notamment du matériau constitutif de l'élément 3, ainsi que cela est connu par l'homme du métier. La résistance R peut être par exemple en manganite ou oxydes de manganèse, qui présentent de fortes variations de résistance, en or ou en aluminium. L'élément 3 de mesure est prévu sur un substrat 100 et possède une conductance thermique Gth déterminée avec un thermostat 101 maintenu à une température déterminée T0. Le rayonnement incident PINC est envoyé à la surface 2 vers l'élément 3 par exemple par l'intermédiaire d'un dispositif 200 de hachage (en anglais : chopper), ainsi que cela est connu. Le signal rayonné incident possède une pulsation C) dont la valeur a été déterminée à l'avance. Bien entendu, le rayonnement incident peut ne pas être découpé. La pulsation Q est liée au dispositif 200 de hachage s'il est utilisé et/ou aux variations dans le temps du signal incident. Dans le mode de réalisation représenté aux figures, l'élément 3 de mesure est par exemple purement résistif. En outre, un seul élément 3 de mesure est par exemple prévu. Bien entendu, une pluralité d'éléments 3 de mesure pourrait être prévue, comme par exemple dans le cas de matrices d'éléments de mesure. Suivant l'invention, la résistance R de mesure sert à la fois à la mesure de la grandeur température et à l'asservissement de la grandeur 30 chaleur. L'élément 3 de mesure est relié par ses deux première et deuxièmes bornes 4, 5 à une boucle 6 d'asservissement de chaleur pour maintenir la température de l'élément 3 de mesure égale à une température Tref de consigne. La boucle 6 comporte : un dispositif 7 d'amplification de la tension aux bornes de l'élément 3, un élément soustracteur 8 comportant une première entrée 9 reliée à la sortie 10 de tension du dispositif 7 d'amplification et une deuxième entrée 11 reliée à un module 12 imposant une tension V1 de consigne constante prescrite, pour former sur une sortie 13 du soustracteur 8 la différence entre les deux entrées 9, 11. La sortie 13 du soustracteur 8 est reliée à l'entrée 15 d'un module correcteur 14 appliquant par sa sortie 16 un signal alternatif S1 fonction du signal présent sur son entrée 15. La sortie 16 est reliée par un premier moyen 17 de couplage à l'élément 3 de mesure. Un module 18, distinct de la boucle 6 d'asservissement de chaleur, est prévu pour imposer une polarisation prescrite Ipo, du point de fonctionnement de l'élément 3 de mesure en courant continu par l'intermédiaire d'un deuxième moyen 19 de couplage, tandis que le premier moyen 17 de couplage applique à l'élément 3 de mesure une composante fréquentielle S1 à moyenne nulle. Par exemple, à la figure 2, les moyens 17, 19 de couplage sont reliés à un même noeud formé par la première borne 4 de l'élément 3, dont la deuxième borne 5 est reliée à la masse. Le signal S1 fréquentiel sert au chauffage de la résistance R de l'élément 3 de mesure. Ainsi, le ou les éléments résistifs de chauffage de la boucle 6 comprennent l'élément 3 de mesure. La contre-réaction de chaleur par le signal S1 de chauffage asservit la température de la résistance R de mesure à la température Tref, sans en modifier le point de fonctionnement lié au courant Ipoi de polarisation la traversant. Dans un mode de réalisation, le ou les éléments résistifs de chauffage de la boucle 6 ne comprennent que l'élément 3 de mesure. Dans le mode de réalisation représenté aux figures, le premier moyen 17 de couplage est capacitif et comprend un ou plusieurs condensateurs formant une capacité C de valeur déterminée. Le deuxième moyen 19 de couplage est formé par de simples conducteurs électriques. Le signal S1 de chauffage est par exemple un signal haute fréquence, dans une bande de fréquence supérieure à 20 kHz. Dans un mode de réalisation, le correcteur 14 forme un signal S1 de chauffage, qui est sinusoïdal et par exemple proportionnel au signal sur l'entrée 15. Le signal Si de chauffage est par exemple formé par modulation d'amplitude du signal de différence Vchauff par un signal sinusoïdal ayant ladite fréquence. Le correcteur 14 comprend par exemple à cet effet un multiplicateur 141 comportant une première entrée 142 reliée à un module 143 de fourniture d'un signal sinusoïdal sin(w.t), une deuxième entrée 144 reliée à l'entrée 15, par exemple par l'intermédiaire d'un module 145 apportant un facteur multiplicatif K constant prescrit, et une sortie 146 reliée à la sortie 16. On a par exemple : S1 = Vchauff. sin(w.t) 15 avec Vchauff le signal présent sur l'entrée 144, t le temps, w une pulsation prescrite. Le courant traversant la résistance R de mesure est alors 20 i(t) = Ipoi + (Vchauff / R).sin(w.t) La valeur moyenne de i(t) est égale à Ipol. La puissance p(t) dans la résistance R de mesure est alors : p(t) = R.{Ipol2 + 2.Ipol.(Vchauff / R).sin(w.t) + ((Vchauff / R).sin(w.t))2} et a une valeur moyenne 2 t R.I 2 + 1 Vd 'II P()_ '~l 2 R La résistance de mesure R est égale à R = Rmeso[1 + y(T ùTo)] avec a et a 1 dR Y 1ùa(TùTo) R dT 25 S = Vs = aiIp01R PINC (Ga,2 + ~ZCth2 S : sensibilité, VS : tension de sortie du bolomètre entre les bornes 4, 5 de la résistance R de mesure, PINC : puissance rayonnée à mesurer, a : TCR coefficient de résistance en température, q : facteur d'absorption de la couche absorbante 2, Ipol : courant de polarisation, R : résistance de mesure du bolomètre, Gth : conductivité thermique entre la résistance de mesure du bolomètre et son environnement vers le thermostat 101 à T0, : pulsation du signal rayonné incident, Cth : capacité thermique. On peut donc faire évoluer la puissance dissipée dans la résistance R de mesure, et par conséquent sa température, sans changer son point de fonctionnement, étant donné que le courant moyen traversant la résistance de mesure reste constant à Ipol. La figure 3 montre, en fonction du temps t en seconde en abscisse, différentes mesures de tension en Volt, réalisées sur un bolomètre sur membrane de verre et résistance R métallique. Le signal PINC en créneau, correspondant à l'application d'une puissance incidente. A cette stimulation thermique, le système bouclé répond par un signal de retour Vchauff, qui est appliqué à la résistance de mesure par couplage capacitif par l'intermédiaire du signal V1 correspondant à une porteuse haute fréquence modulée en amplitude par le signal d'enveloppe Vchauff. L'invention permet ainsi l'asservissement en chaleur tout en présentant une simplification du procédé de fabrication, une possibilité d'intégration plus élevée et une amélioration des performances de l'asservissement, dont notamment une réduction de la constante de temps, un accroissement de la sensibilité, du fait de la proximité ultime entre les résistances de mesure et de chauffage, qui sont confondues, et finalement une meilleure immunité aux variations du TCR (coefficient de variation de la résistance en fonction de la température) lié au vieillissement. L'invention peut être mise en oeuvre dans toutes les applications de technique de substitution de chaleur. Le domaine d'application principal envisagé est celui de la bolométrie à température ambiante. L'invention peut être appliquée aux caméras infrarouges, aux matrices de pixels et à tous dispositifs de visualisation d'imagerie infrarouge, notamment dans l'infrarouge lointain (fréquence de l'ordre du Térahertz). Une application typique de ce domaine est la thermographie infrarouge pour les dispositifs de vision nocturne ou de vision augmentée. L'invention trouve des applications dans le domaine militaire et le domaine civil. Une application civile est, dans le cadre des réglementations sur la sécurité routière, les assistants à la conduite, où la thermographie infrarouge est un des concepts en développement pour l'amélioration de la sécurité, pour l'aide à la vision nocturne et le repérage de corps chauds vivants pour la prévention d'impacts. REVENDICATIONS 1. Bolomètre, comportant une surface extérieure (2) d'absorption thermique d'un rayonnement incident, la surface d'absorption étant en contact thermique avec au moins un élément (3) de mesure du rayonnement incident, ayant une résistance électrique (R) de mesure, variable en fonction de la température, l'élément (3) de mesure se trouvant dans une boucle (6) d'asservissement de chaleur comportant un correcteur (14) d'application d'une puissance de chauffage à un moyen résistif de chauffage pour maintenir la température de la résistance électrique de mesure égale à une température (Tfef) de consigne, caractérisé en ce que le moyen résistif de chauffage comprend l'élément (3) de mesure, le correcteur (14) est prévu pour générer une composante fréquentielle (Si) de la puissance de chauffage, qui est appliquée à un premier moyen (17) de couplage prévu entre l'élément (3) de mesure et le correcteur (14) pour appliquer à l'élément (3) de mesure un signal sans composante continue, un deuxième moyen (19) de couplage, distinct du premier moyen (19) de couplage, est prévu entre l'élément (3) de mesure et un moyen (18) de polarisation continue pour maintenir la résistance électrique de mesure à un point de fonctionnement continu prescrit. 2. Bolomètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen résistif de chauffage est formé par l'élément (3) de mesure. 3. Bolomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier moyen (17) de couplage est capacitif. 4. Bolomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle (6) d'asservissement de chaleur et le moyen (18) de polarisation continue sont prévus pour modifier la puissance dissipée dans la résistance (R) de mesure sans changer son point de fonctionnement. 5. Bolomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier moyen (17) de couplageapplique à l'élément (3) de mesure un signal dans une bande de fréquence supérieure à 20 kHz. 6. Bolomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle (6) d'asservissement de chaleur comporte un moyen (7, 8, 12) pour former un signal (Vchauff) d'erreur entre le signal présent dans l'élément (3) de mesure et un signal correspondant (V1) de consigne constante prescrite, le correcteur (14) étant prévu pour appliquer à l'élément (3) de mesure par l'intermédiaire du premier moyen (17) de couplage un signal alternatif (Si) fonction du signal (Vchauff) d'erreur. 7. Bolomètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le correcteur (14) est prévu pour appliquer à l'élément (3) de mesure par l'intermédiaire du premier moyen (17) de couplage un signal alternatif (Si) modulé en amplitude par le signal (Vchauff) d'erreur. 8. Bolomètre suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le correcteur (14) est prévu pour appliquer à l'élément (3) de mesure par l'intermédiaire du premier moyen (17) de couplage un signal sinusoïdal (Si) modulé en amplitude par le signal (Vchauff) d'erreur. 9. Bolomètre suivant l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que la résistance (R) de mesure est constituée en manganite. 25