Bolomètres IR sans refroidissement

Les capteurs à infrarouge permettent l'identification et la représentation d'objets selon leur température d'émission. La possibilité de réaliser de l'imagerie thermique permet la mesure de température à distance et donne la possiblité de vision dans le noir, la fumée et par temps très couvert. Jusque récemment des caméras IR hautes performances nécessitaient de coûteux systèmes de refroidissement aux températures cryogéniques pour détecter les photons et éliminer le bruit thermique. Plus récemment, des capteurs fonctionnant à température ambiante ont été développés en utilisant des bolomètres micro-usinés et des détecteurs pyroélectriques. Des structures infrarouge FPA (focal plane array) peuvent réaliser des images infrarouges de scenes produites par des êtres humains ou des objets en transformant les changements de température induits sur les détecteurs en signaux électriques. Les bolomètres non refroidis utilisent les changements induits par la température dans la résistance électrique, la polarisation et les propriétés diélectriques des matériaux constituant les detecteurs.

Ces détecteurs nécessitent une grande isolation thermique avec le substrat pour obtenir une grande sensibilité. Les microtechnologies jouent un rôle essentiel pour permettre la fabrication de tels detecteurs de chaleur massique très faible avec une isolation thermique exceptionnellement élevée. Une matrice 2D de bolomètres résistifs avec structure isolante décrite sur l'image ci-dessous est commercialisée par Honeywell.

La membrane en nitrure de silicium est suspendue par deux bras au-dessus du substrat de silicium. La taille des bras de suspension est ajustée pour avoir une conductance thermique de 8x10-8 W/°K. La chaleur massique de la plaquette est de 8x10-10 J/°K et le temps de réponse en température est de 10 ms. En travaillant à 30 images par seconde avec une optique f/1, le NETD (noise equivalent temperature difference) a été mesuré à 0,04°C avec une resistance en oxyde de vanadium. Une autre alternative a consisté à développer une matrice monolithique 2D utilisant les propriétés pyroélectriques du titanate de plomb avec un système d'isolation thermique identique à celui développé chez Honeywell. Le NETD annoncé pour ce dispositif était de 0,01°C et il a été adopté pour plusieurs applications militaires.

Un dispositif à trois niveaux décrit sur l'image ci-dessous a été fabriqué par Kim et ses collègues.

Les objectifs principaux de ce dispositif étaient d'accroitre le facteur de remplissage (92% contre 62% pour le dispositif Honeywell) et de minimiser la conductance thermique, finalement analogue à celle du dispositif planaire d'Honeywell.