Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
L'imagerie infrarouge a connu une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies, jusque-là réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. Le développement des technologies de la microélectronique sur silicium a permis la réalisation de matrices de détection non refroidies de plus en plus performantes, à des prix de revient bien inférieurs à ceux accessibles aux détecteurs refroidis. Ces progrès ont ouvert la voie à l'imagerie infrarouge pour le civil et à l'accroissement des quantités pour le militaire. Les principes de base de la détection infrarouge en non refroidi, ainsi que la fabrication de ces détecteurs sont décrits, et leur utilisation dans une caméra est abordée.
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Jean-Luc TISSOT : Directeur technique et directeur de la division marketing, ULIS
INTRODUCTION
L'imagerie infrarouge a connu depuis le début des années 1990 une véritable révolution avec le développement et la mise à disposition du marché civil de matrices de détection infrarouge non refroidies. Jusque là, l'utilisation de l'imagerie infrarouge était réservée aux domaines militaire, spatial et civil de haut de gamme. En effet, les seuls détecteurs disponibles étaient basés sur une détection de type quantique qui nécessite un matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est adaptée à la longueur d'onde à détecter comme l'est le silicium pour la détection dans le domaine du visible. Dans le cas de l'infrarouge, les énergies à détecter sont plus faibles (environ 0,1 eV pour la bande spectrale centrée à une longueur d'onde de 10 µm) et donc la bande interdite du matériau semi-conducteur doit être de 0,1 eV ou 100 meV. Cette faible énergie fait qu'à la température ambiante le courant photonique généré dans la structure de détection (photodiode) est complètement masqué par le courant thermique. La seule solution est alors de recourir au refroidissement du photodétecteur pour diminuer le courant d'origine thermique jusqu'à une valeur qui permet la lecture du courant photonique. Ces contraintes (matériau semi-conducteur de faible largeur de bande interdite et machine de refroidissement) font que les détecteurs infrarouges de type quantique sont chers à développer et à produire et chers à utiliser.
En revanche, la détection thermique, basée sur la mesure de l'élévation de température d'un matériau absorbant le flux infrarouge incident, ne nécessite plus de refroidissement pour fonctionner. La difficulté est alors d'intégrer les fonctions nécessaires à ce type de détection dans des pixels suffisamment petits pour réaliser des rétines à deux dimensions de taille raisonnable, adaptées aux applications d'imagerie. Ce sont les développements des technologies de la microélectronique sur silicium qui ont permis, en levant ces difficultés, cette révolution de l'imagerie infrarouge.
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Intégration en caméra des détecteurs IR non refroidis
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6. Principes de fabrication
6.1 Structure des détecteurs non refroidis
La construction d'un détecteur thermique de type matriciel dédié à l'imagerie thermique doit prendre en compte les paramètres déterminants définis précédemment et les organiser au mieux pour en tirer le maximum de performances électro-optiques. On peut distinguer deux types de réalisation technologique qui sont :
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la structure hybride, pour laquelle la fonction « détection » est réalisée indépendamment du circuit de lecture sur lequel elle est rapportée, par exemple par hybridation, en fin de processus technologique, ou associée dans le cas de lecture optique (11) ;
-
la structure monolithique pour laquelle la fonction « détection » est construite directement sur le circuit de lecture (13).
Si la structure hybride (11) permet plus de liberté pour le choix du thermomètre, elle est souvent très limitée en performance car il est difficile de réaliser des résistances thermiques élevées avec cette architecture. En revanche, elle permet de s'affranchir de la limitation du budget thermique autorisé par le circuit silicium comme dans le cas d'une structure monolithique. La température maximale supportée par une filière silicium de type CMOS est en effet de l'ordre de 350 à 400 °C ce qui interdit ou complique notablement l'intégration de certains matériaux thermomètre comme les céramiques ferroélectriques qui nécessitent des températures de recuit élevées voisines de 800 °C.
Malgré tout, il existe encore des développements de détecteurs infrarouge non refroidis en structure hybride pour échapper aux nombreux brevets qui décrivent les structures monolithiques. Les structures reposent souvent sur une lecture optique d'un signal lumineux (polarisation, réflexion). À titre d'exemple, on a représenté sur la 12, un principe de détection reposant sur la mesure de la variation de réflectivité d'un matériau en fonction des variations de sa température ...
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Principes de fabrication
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PUTLEY (E.H.) - History of infrared detection – Part I, The first detector of thermal radiation, - Infrared Phys. Vol. 22, pp. 125-131 (1982).
-
(2) - DAVIES (T.) - The history of near infrared spectroscopic analysis…, - Analysis magazine 26, no 4, M17-M19 (1998).
-
(3) - HERSCHEL (W.) - Phil. Trans. Roy. Soc.London, - Part II, pp. 284-292 (1800).
-
(4) - * - [http://coolcosmos.ipac.caltech.edu]
-
(5) - BERTRAND (F.), TISSOT (J.L.), DESTEFANIS (G.) - Second generation cooled infrared detectors state of the art and prospects, - 4th International workshop on advanced infrared technology and applications, Florence – Italie, 15-16 septembre 1997.
-
(6) - HOOGE (F. N.) - 1/f noise sources, - IEE Transaction on electron devices, Vol. 41, no 11 (Nov....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
SPIE Defense, Security & Sensing. Conférence, cours et salon.
A lieu tous les ans aux États-Unis en avril). [ http://www.spie.org]
SPIE Security + Defence Europe, Conférences, cours et salon.
A lieu tous les ans en Europe. [ http://www.spie.org]
Journées d'Études THERMOGRAM [ http://www.institut-thermographie.com]
QIRT (Quantitative infrared thermography)
HAUT DE PAGE
Il faut distinguer, d'une part, le nombre réduit des développeurs de technologies de détection infrarouge en non refroidi et, d'autre part, le nombre important de fabricants de systèmes ou caméras basés sur ces détecteurs. Cet encadré donne un aperçu des acteurs impliqués dans le développement des technologies de détection en non refroidi. Le marché s'approvisionne auprès de ces acteurs, en détecteurs ou en modules (détecteur + électronique de mise en œuvre) pour réaliser des systèmes infrarouges.
Les développements en détection infrarouge « non refroidi » ont été initiés principalement aux États-Unis et en Grande-Bretagne.
Des travaux ont en effet été menés aux États Unis depuis le début des années 1980 chez Honeywell qui a développé une filière...
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