Brevet FR3040486A1 — publié le 20170303

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un capteur ther- mique pour saisir un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement thermique comportant une matrice de pixels composée d'un grand nombre de pixels, les pixels ayant un matériau de substrat et un matériau absorbant sur le matériau de substrat. Etat de la technique Le document DE 697 36 225 T2 présente à titre d'exemple un capteur thermique pour saisir un rayonnement électro- magnétique, notamment un rayonnement thermique. Ce capteur com- porte une matrice de pixels formée d'un grand nombre de pixels. Chaque pixel se compose d'un matériau de substrat et d'un matériau absorbant sur le matériau de substrat. Plusieurs exemples de réalisation montrent comment sont réalisés les pixels. Le document EP 0 716 293 A 1 décrit un détecteur de rayonnement comportant un bras de débattement, en bimétal, dont une extrémité est reliée à la membrane absorbant le rayonnement. Il est également prévu un bras de débattement de référence qui peut également être en bimétal. Sous l'influence du rayonnement incident de la membrane, l'extrémité libre du bras sensible se rapproche de l'extrémité libre du bras de référence du fait de l'élévation de température, ce qui modifie la capacité électrique entre les deux extrémités. Un principe de base et d'autres exemples de détecteurs de rayonnement utilisant un élément formé de deux métaux sont dé- crits dans le document US 3 415 712 A. Les réalisations connues des pixels ont en commun de ne pas convenir ou seulement de façon très limitée pour une matrice de pixels très petite, pour la construction de microbolomètres et du fait de la suspension du matériau absorbant au-dessus du matériau de support, on peut avoir un basculement modi- fiant la mesure du rayonnement thermique et détériorant ainsi la quali- té de génération d'image du capteur thermique. De façon alternative, des microbolomètres utilisent des diodes et sont également connus dans l'état de la technique, par exemple selon le document DE 697 16 546 T2. 3040486 2 Le principe d'un microbolomètre fondé sur des diodes consiste à brancher en série des composants thermosensibles, par exemple quatre diodes. La grandeur de mesure est alors la différence de tension entre deux pixels alimentés de façon identique. Le premier pixel 5 est un pixel actif qui a une très grande isolation thermique et ainsi se caractérise par une excursion de température élevée sous le rayonnement incident. Le second pixel est beaucoup mieux fixé thermiquement au substrat et permet de compenser l'échauffement propre généré par l'alimentation électrique et le décalage élevé du fait de la température de 10 la puce. Cette compensation est nécessaire car le signal de mesure pro- prement dit a un niveau compris entre le microvolt et le millivolt pour un décalage de tension d'environ 2,5 Volts. Les bolomètres utilisant l'effet du bimétal avec exploita- tion optique et des petits bras de bimétal situés latéralement à côté du 15 pixel et des structures de compensation liées aux contraintes des couches sont des solutions également connues. Leur inconvénient est le faible coefficient de remplissage, la complexité de l'exploitation optique et l'utilisation de matériaux qui souvent ne sont pas compatibles avec la technique CMOS. 20 La présente invention est fondée sur le principe d'exploitation connu utilisant des composants en bimétal sensibles à la température en formant une capacité dont une plaque est le fond de la cavité et l'autre plaque est directement le pixel suspendu. On organise un grand nombre de pixels suspendus dans une matrice de pixels de 25 façon à ce que le capteur thermique convienne pour fournir des don- nées générant une image. Les bras de bimétal qui se déforment peuvent eux-mêmes constituer des plaques de condensateur. On mesure la variation de capacité en ce que l'élévation de température du pixel le déforme et modifie sa suspension en modi- 30 fiant ainsi la distance entre le pixel et le fond de la cavité. L'avantage est une distance de repos particulièrement petite qui, de façon caractéristique, est de l'ordre de quelques nanomètres. Le bimétal peut constituer en même temps la structure pour le découplage thermique du pixel. Du fait des fortes contraintes de couches, générées par la fabrication de plaquettes en bimétal, on ne peut régler librement une quelconque dis- 3040486 3 tance de repos entre le pixel et le fond selon la combinaison choisie des matériaux. Il est souhaitable de compenser l'effet, à savoir l'échauffement propre ou l'échauffement différentiel de plusieurs petits bras pour ne pas fausser le résultat. Cela est lié au fait que pour des 5 actionneurs en bimétal, le matériau tourné vers le substrat et le maté- riau tourné vers l'absorbeur, ont des coefficients de dilation de température, différents. Ne serait-ce que la découpe pour fabriquer de tels pixels fait que ceux-ci fléchissent par exemple vers le haut. Une augmentation de température assure la poursuite de la flexion du fait de la différence 10 de dilatation des deux matériaux. Si entre les deux petits bras, on ins- tallait une plaque comme contre électrode d'un condensateur, cette plaque serait suspendue en position inclinée. Une telle position inclinée produit des défauts de linéarité de sorte que le signal de conversion thermique-électrique est faussé, ce qu'il faut éviter. 15 Un autre approfondissement de ce thème est donné dans la publication « Polymer-Ceramic MEMS Bimorphs as Thermal Infrared Sensors » Clinton Gregory Warren, University of California, Berkeley, 2010. But de l'invention 20 La présente invention a pour but de perfectionner un capteur thermique de saisie capacitive d'un rayonnement électromagnétique en générant une structure de pixel simple ayant une linéarité poussée électrique/thermique. Exposé et avantages de l'invention 25 A cet effet, la présente invention a pour objet un capteur thermique du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte deux bras de bimétal, un premier bras de bimétal fixé par un premier point de fixation à la surface du matériau de substrat et un second bras de bimétal fixé en un second point de fixation à la surface du matériau 30 absorbant, les points de fixation se trouvant dans la région du centre de gravité surfacique du pixel. La seconde structure de bimétal selon l'invention permet d'avoir un effet de compensation et le coeur de l'invention consiste à installer les deux petits bras de bimétal ainsi que la structure supplémen- 35 taire des petits bras pour le découplage thermique du pixel dans un 3040486 4 plan au-dessus de la surface du pixel et de relier ainsi au pixel de façon proche de son centre de gravité, c'est-à-dire pour l'essentiel en le suspendant seulement en un point et en effectuant le mouvement vertical à l'échauffement par le rayonnement infrarouge absorbé. 5 Les faibles dimensions des structures des petits bras qui ont par exemple une largeur de seulement 0,5 gm, n'ont pas d'influence sur le rayonnement infrarouge incident dont la longueur d'onde est par exemple environ 7 gm-15 gm. Les avantages sont ceux d'un grand signal par rapport au capteur thermique fondé sur des diodes car on peut 10 régler une distance aussi petite que souhaitée, ce qui augmente forte- ment la sensibilité. La caractéristique d'un couplage capacitif est liée à la relation 1/d (d est l'intervalle entre les deux plaques ou structures à couplage capacitif) de sorte que pour une très petite distance, on aura une forte sensibilité. 15 La structure de décalage permet l'application du principe de la force de réaction, ce qui signifie que l'on commande électronique-ment le pixel pour que la distance du bras en bimétal au-dessus du substrat reste pratiquement constante pour des actions thermiques variables et que la tension appliquée, nécessaire pour maintenir cette dis- 20 tance, sera détectée comme signal de mesure. Plus l'action thermique est grande et plus grande sera la variation de la distance et d'autant plus forte sera la tension nécessaire de sorte qu'avec une linéarité élevée, la capacité est pour l'essentiel maintenue à un même niveau et la tension nécessaire est mesurable. 25 En outre, il n'est pas nécessaire d'avoir une électrode de dessus, distincte, car on peut utiliser une seule électrode pour tous les pixels de la matrice de pixels. Cela réduit de manière significative la consommation en place pour réaliser la matrice de pixels. De plus, les capteurs thermiques à effet capacitif n'ont pas de bruit propre contrai- 30 rement aux capteurs à diodes. De même, la fabrication des pixels n'a pas à tenir compte des étapes du procédé nécessaires à une diode de sorte que la liberté de conception sera élevée. En outre, il ne faut pas de liaison faiblement ohmique de l'électrode de dessus, ce qui évite toute déperdition calorique par la suspension. 3040486 5 En application du principe force-réaction, une boucle de régulation électronique permet de maintenir constante la capacité de chaque pixel et le signal de régulation constitue alors la grandeur de mesure qui est encore plus linéaire et plus simple. 5 De façon avantageuse, on effectue une intégration tech- nique CMOS et on exploite le signal de sortie en mode différentiel ou en mode absolu. Pour avoir le premier point de fixation entre le premier bras de bimétal et la surface du matériau de substrat, la région du 10 centre de gravité surfacique du pixel est réalisée par une ouverture dans le matériau absorbant de sorte que le premier point de fixation du premier bras de bimétal se fait à travers le matériau absorbant sur le matériau de substrat. La région du centre de gravité surfacique décrit ainsi au 15 moins l'environnement proche du centre de gravité surfacique géomé- trique du pixel et de façon avantageuse, le centre de gravité surfacique se trouve sur la ligne de jonction entre le premier point de fixation et le second point de fixation, en particulier le centre de gravité surfacique se situe à la moitié du chemin reliant le premier et le second point de liai- 20 son pour le premier et le second bras de bimétal. Selon un autre avantage, les deux bras de bimétal installés parallèlement l'un à l'autre sont symétriques-plans par rapport à un plan situé entre les deux bras de bimétal. Dans le cas le plus simple, les deux bras de bimétal sont parallèles sans être nécessairement droits et 25 les bras de bimétal peuvent également avoir des courbures ou des flexions communes de sorte qu'ils sont réalisés par exemple comme une forme d'antenne ou de fourche. On peut également envisager de laisser les bras de bimétal se rejoindre de façon symétrique, le plan de symétrie, imaginaire pour les deux bras de bimétal, étant disposé pour que le 30 centre de gravité de la surface se situe dans le plan lui-même. Il est tou- tefois important pour la réalisation des bras de bimétal que ceux-ci soient géométriquement égaux. La variation géométrique thermosymétrique permet une linéarité thermique très poussée et s'applique toujours au fait que le 35 matériau absorbant est plus chaud que le matériau de substrat de sorte 3040486 6 que le second bras de bimétal fixé au matériau absorbant se chauffe plus fortement que le premier bras de bimétal. Plus la structure des petits bras de bimétal est longue et mince et meilleure sera la transformation de signal thermique-électrique du capteur thermique. Un autre 5 avantage réside dans la structure de découplage thermique, les extrémi- tés libres des bras de bimétal opposées au point de fixation étant reliées de manière découplée thermiquement à la structure. La structure de découplage thermique relie les extrémités libres des deux bras. Cette structure de découplage thermique est par exemple droite entre les 10 deux extrémités libres ou encore la structure de découplage thermique a une forme d'arceau ou de fourche, en particulier pour augmenter la longueur de liaison entre les deux extrémités libres des bras de bimétal. Les bras de bimétal sont aussi longs et minces que possible ; ils peuvent transporter au moins un ou deux pixels. Les bras de 15 bimétal vont par exemple au-dessus d'au moins un pixel voisin dans la matrice de pixels. Entre les bras de bimétal et le matériau de substrat et/ou le matériau absorbant, on a ainsi un condensateur de sorte que le principe du capteur thermique repose sur une détection capacitive de 20 rayonnement infrarouge. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de capteur thermique, représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 25 la figure 1 montre une première conception d'une matrice de pixels avec des pixels selon l'invention, la figure 2 montre une variante d'exemple de réalisation d'une matrice de pixels avec des formes modifiées des bras de bimétal, la figure 3 montre un autre exemple de réalisation d'une matrice de 30 pixels avec des bras de bimétal, allongés, la figure 4 montre un autre exemple de réalisation d'une matrice de pixels avec des bras de bimétal d'une structure imbriquée, et la figure 5 montre un dernier exemple de réalisation d'une matrice de pixels avec des bras de bimétal très allongés. 35 3040486 7 Description de modes de réalisation Les figures 1 à 5 montrent chacune plusieurs pixels 10 qui font partie d'une matrice de pixels 1 installée sur un matériau de support 11, continu et qui est ainsi commun aux pixels. Les différents 5 pixels 10 se reconnaissent par une réalisation sensiblement carrée des matériaux absorbants 12 appliqués sur le matériau de substrat 11. Cette mise en place peut se faire par exemple par un procédé de stratification. Les différents pixels ont chacun des bras de bimétal 13, 10 14 et ces bras de bimétal 13, 14 sont symétriques-plans par rapport à un centre de gravité surfacique S au milieu du matériau absorbant 12. Il est important que les bras de bimétal 13, 14 soient sensiblement parallèles et ils peuvent comporter des structures en extrémité qui font que les bras de bimétal 13, 14 sont orientés l'un vers l'autre ou vont en 15 s'écartant. Les bras de bimétal 14 forment une structure de compensa- tion, ce qui évite que le pixel 10 ne se positionne en biais au-dessus du matériau de substrat 11. Les pixels 10 ont chacun par exemple un centre de gravi- té surfacique S indiqué sur un pixel 10. Dans la région immédiate du 20 centre de gravité surfacique S, on a les points de fixation 15, 16 pour fixer les bras de bimétal 13, 14 comme cela est représenté à titre d'exemple sur un autre pixel. Le premier bras de bimétal 13 de ce premier point de liaison 15 est fixé à la surface du matériau de substrat 11 ; le second bras de bimétal 14 est fixé en un second point de fixation 25 16 à la surface du matériau absorbant 12. Pour fixer le premier bras de bimétal 13 à la surface du matériau de substrat 11, le matériau absorbeur 12 a une ouverture 17, ce qui permet de disposer directement le bras de bimétal 13 sur le matériau de substrat 11. La figure 1 montre un exemple simple de bras de bimétal 30 13 et 14 qui sont droits et parallèles. Les extrémités libres des bras de bimétal 13, 14 sont reliées par des structures en forme d'arceaux 18 pour assurer le découplage thermique. Partant du centre de gravité surfacique d'un premier pixel 10, les bras de bimétal 13, 14 sont suffisamment longs pour pas- 35 ser au-dessus d'un second pixel 11 voisin de sorte que la structure 18 3040486 8 de découplage thermique occupe pratiquement complètement le second pixel 10, voisin. La figure 2 montre une variante d'exemple de réalisation avec des bras de bimétal 13, 14 allongés qui arrivent jusqu'à l'extrémité 5 du pixel voisin 10 et la structure 18 de découplage thermique passe entre les deux bras de bimétal 13, 14. La figure 3 montre une variante de réalisation des bras de bimétal 13, 14 ayant une structure droite ; en fonction des pixels 10, la structure 18 de découplage thermique est différente. Les bras de bi- 10 métal 13, 14 respectifs dépassent du pixel voisin et les structures 18 de découplage thermique entourent les bras de bimétal voisins 13, 14. La figure 4 montre une autre variante de pixel 10 pour former une matrice de pixels 1 ; le pixel a des bras de bimétal 13, 14 ; la structure 18 pour le découplage thermique se trouve suivant une dispo- 15 sition asymétrique entre les deux bras de bimétal 13, 14. Les lignes des pixels 10 ont entre elles les mêmes dispositions que les bras de bimétal 13, 14 de sorte que dans une première ligne, l'ouverture 17 du matériau absorbant 12 se trouve sur le côté droit du centre de gravité surfacique S et dans l'autre ligne de pixel 10 qui se trouve en dessous ; l'ouverture 20 17 est sur le côté gauche par rapport au centre de gravité de surface S. On a ainsi une structure emboîtée de bras de bimétal 13, 14 qui ont respectivement et de manière symétrique plane, un premier et un second bras de bimétal 13, 14 qui se font face. La figure 5 montre un exemple de réalisation d'une ma- 25 trice de pixels 1 avec des bras de bimétal 13, 14 une nouvelle fois allon- gés et qui passent sur trois pixels 10 voisins. La structure 18 de découplage thermique est en forme de boucle à l'extrémité des bras en bimétal 13 et 14 et vers l'arrière, elle refait les points de fixation 15, 16 des bras de bimétal 13, 14 ; entre la structure 18 de découplage ther- 30 mique et les points de fixation 15, 16, on a au moins un pixel voisin 10. Ainsi, les bras de bimétal 13, 14 sont fortement rallongés ; la sensibilité du capteur thermique augmente d'autant. Les dispositifs des bras de bimétal 13, 14 au-dessus du matériau de substrat 11 ou au-dessus du matériau absorbant 12 for- 35 ment un dispositif de condensateur de sorte que le principe de mesure 3040486 9 du capteur thermique repose sur une détection capacitive du rayonnement infrarouge avec des structures de compensation des contraintes de couche. Les bras de bimétal 13, 14 sont dans des matériaux différents ; ils peuvent par exemple être également en un métal tel que de 5 l'or ou du titane ou encore en une céramique, par exemple en oxyde de silicium. 10 3040486 10 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Matrice de pixels 10 Pixel 5 11 Matériau de substrat 12 Matériau absorbant 13, 14 Bras de bimétal 15 Point de fixation du premier bras de bimétal 16 Second point de fixation du matériau absorbant 10 17 Ouverture 18 Structure en forme d'arceau 15 REVENDICATIONS1°) Capteur thermique pour saisir un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement thermique comportant une matrice de pixels (1) composée d'un grand nombre de pixels (10), les pixels (10) ayant un matériau de substrat (11) et un matériau absorbant (12) sur le matériau de substrat (11), capteur thermique caractérisé en ce qu'il comporte deux bras de bimétal (13, 14), un premier bras de bimétal (13) fixé par un premier point de fixation (15) à la surface du matériau de substrat (11) et un second bras de bimétal (14) fixé en un second point de fixation (16) à la surface du matériau absorbant (12), les points de fixation (15, 16) se trouvant dans la région du centre de gravité surfacique (S) du pixel (10). 2°) Capteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau absorbant (12) comporte une ouverture (17) dans la région du centre de gravité surfacique (S) du pixel (10), * le premier point de fixation (15) pour fixer le premier bras de bimétal (13) étant réalisé sur le matériau de substrat (11) dans l'ouverture (17). 3°) Capteur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux bras de bimétal (13, 14) sont parallèles et symétriques par rapport à un plan passant entre les deux bras de bimétal (13, 14). 4°) Capteur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux bras de bimétal (13, 14) sont de même géométrie. 5°) Capteur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par une structure de liaison (18), à laquelle sont reliées les extrémités libres des bras de bimétal (13, 14) à l'opposé des points de liaison (15, 16). 3040486 12 6°) Capteur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure (18) réalise le découplage thermique des deux bras de bimétal (13, 14). 5 7°) Capteur thermique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les deux bras de bimétal (13, 14) arrivent sur la matrice de pixels (1) au moins au-dessus d'un pixel voisin (10). 10 8°) Capteur thermique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux bras de bimétal (13, 14) forment un dispositif de condensateur par rapport au matériau de substrat (11) et/ou au matériau absorbant 15 (12).