DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne le domaine des détecteurs infrarouge de type thermomécanique, dans lesquels un élément d'absorption se déplace plus ou moins en fonction d'une quantité de rayonnement électromagnétique infrarouge absorbée.

L'invention se rapporte plus particulièrement au domaine des détecteurs infrarouge thermomécaniques à lecture optique, dans lesquels le déplacement de l'élément d'absorption est mesuré par des moyens optiques.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

On connaît dans l'art antérieur l'article « Microthermomechanical infrared sensors », par M. Steffanson & al., Opto-electronics Review, vol. 22, no. 1, pp. 1-15, 2014. Cet article décrit différentes solutions pour réaliser une détection infrarouge de type thermomécanique. Il enseigne en particulier l'utilisation d'une plaque d'absorption montée suspendue par l'intermédiaire d'éléments de soutien, lesquels présentent chacun une région de déflexion au niveau d'un rattachement avec la plaque. Chaque région de déflexion est constituée de deux lames superposées qui présentent des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts. Lorsque la plaque d'absorption absorbe un rayonnement infrarouge, elle s'échauffe et transmet de la chaleur aux régions de déflexion. Chaque région de déflexion ainsi chauffée se fléchit, en raison d'une différence de déformation mécanique entre les deux lames superposées. En se fléchissant, les régions de déflexion entraînent avec elles la plaque d'absorption en l'inclinant. L'inclinaison est une fonction d'une quantité de rayonnement infrarouge absorbée par la plaque d'absorption. Cette inclinaison peut être lue par des moyens optiques, capacitifs, ou piézo-résistifs. Dans le cas d'une lecture optique, un faisceau collimaté de lumière visible est envoyé sur la plaque d'absorption, sur laquelle il est réfléchi en direction d'un montage dit « 4f ». Le montage 4f comprend deux lentilles de même focale, avec le point focal image de la première lentille coïncidant avec le point focal objet de la seconde lentille. La plaque d'absorption s'étend dans le plan focal objet de la première lentille. Un capteur CCD est disposé dans le plan focal image de la seconde lentille, et reçoit un faisceau lumineux collimaté. Un trou de filtrage est disposé entre les deux lentilles, centré sur le point focal image de la première lentille coïncidant avec le point focal objet de la seconde lentille. Ce trou de filtrage permet de convertir une inclinaison de la plaque d'absorption en une diminution de l'intensité lumineuse sur le capteur CCD.

Un inconvénient de cette solution est qu'elle présente un encombrement important, et requiert une grande précision d'alignement des éléments du système de lecture optique.

Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de type thermomécanique pour détecter un rayonnement électromagnétique, basé sur une lecture optique et offrant un encombrement et une complexité moindres en comparaison avec l'art antérieur.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Cet objectif est atteint avec un dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique comprenant un ou plusieurs pixels dits sensibles formés sur un même substrat, et dans lequel chaque pixel sensible comprend :

un élément d'absorption, monté suspendu au-dessus du substrat, et apte à absorber un rayonnement électromagnétique incident et à s'échauffer en réaction à cette absorption ;

au moins un élément de soutien, agencé pour maintenir l'élément d'absorption suspendu au-dessus du substrat, l'élément de soutien comprenant au moins un élément de déformation mécanique qui est en contact thermique avec l'élément d'absorption et apte à se fléchir en réaction à un échauffement ; une source lumineuse ;

un photo-détecteur, sensible à au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse ; et

une première surface réfléchissante, optiquement réfléchissante à l'au moins une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse ; la source lumineuse et le photo-détecteur étant agencés chacun sous l'élément d'absorption, dans ou sur le substrat ; et

la première surface réfléchissante étant solidaire de l'élément de déformation mécanique, et agencée pour réfléchir vers le photo-détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse.

L'élément d'absorption peut prendre la forme d'une plaque, de préférence une plaque pleine. Selon d'autres variantes, il peut prendre une forme de peigne, avec une série de dents agencées parallèles entre elles et reliées entre elles par une barre de liaison agencée de préférence orthogonale aux dents.

L'élément d'absorption est monté suspendu au-dessus du substrat par l'intermédiaire de l'au moins un élément de soutien.

L'au moins un élément de soutien comprend lui-même au moins un élément de déformation mécanique, en contact thermique avec l'élément d'absorption.

Lorsque l'élément d'absorption absorbe un rayonnement électromagnétique incident, elle s'échauffe et transmet de la chaleur à l'au moins un élément de déformation mécanique. L'élément de déformation mécanique s'échauffe, et se fléchit en réaction à cet échauffement.

En pratique, l'élément de déformation mécanique est avantageusement constitué de deux zones présentant des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts l'un de l'autre. Lorsque l'élément de déformation mécanique s'échauffe, ces deux zones se dilatent sous l'effet de la chaleur, chacune selon son coefficient d'expansion thermique propre. La différence de coefficient d'expansion thermique entre les deux zones génère un mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique.

L'élément de déformation mécanique est agencé solidaire de la première surface réfléchissante. Par conséquent, le mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique se traduit par un déplacement de ladite première surface réfléchissante. Le déplacement peut comprendre une rotation, inclinant l'élément d'absorption relativement au plan du substrat, et/ou une translation selon un axe orthogonal au plan du substrat.

La source lumineuse et le photo-détecteur s'étendent chacun entre le substrat et l'élément d'absorption, de sorte qu'ils participent très peu à l'encombrement total du dispositif selon l'invention.

En fonctionnement, la source lumineuse émet un rayonnement lumineux en direction de la première surface réfléchissante, lequel est réfléchi sur la première surface réfléchissante, puis revient vers le substrat. Une partie de ce rayonnement lumineux se propage en particulier depuis la source lumineuse jusqu'au photo-détecteur, en passant par la première surface réfléchissante. Cette partie du rayonnement lumineux émis par la source lumineuse forme un signal de mesure. L'orientation du signal de mesure en sortie de la source lumineuse dépend de la position de la première surface réfléchissante relativement au plan du substrat.

Selon un mode de réalisation, la source lumineuse émet avec une intensité lumineuse qui n'est pas la même dans toutes les directions de l'espace (source lumineuse non isotrope, en intensité lumineuse). L'orientation du signal de mesure est fonction de la position de la première surface réfléchissante, et cette orientation détermine l'intensité lumineuse du signal de mesure au niveau de la source lumineuse.

On notera que l'anisotropie de la source n'est pas essentielle. En effet, même si la source est isotope, l'angle solide sous lequel le détecteur voit la source change en fonction de l'angle de la planche et par conséquent il y a bien une variation de signal dès que la planche bouge.

Selon un mode de réalisation, la source peut-être une LED planaire, avec un comportement émissif globalement Lambertien.

L'intensité du signal de mesure au niveau du photo-détecteur correspond simplement à l'intensité du signal de mesure au niveau de la source lumineuse, diminuée des pertes optiques liées à la propagation des rayons depuis la source lumineuse jusqu'au photo-détecteurs en passant par la première surface réfléchissante. Une mesure d'intensité lumineuse par le photo-détecteur donne donc une information sur la première surface réfléchissante. Cette information renseigne sur un rayonnement électromagnétique ayant provoqué un déplacement de la première surface réfléchissante. On peut ainsi détecter un rayonnement électromagnétique incident sur l'élément d'absorption, lequel est en contact thermique avec l'élément de déformation mécanique agencé solidaire de la première surface réfléchissante. On peut également quantifier ce rayonnement électromagnétique, par exemple à partir d'un diagramme de rayonnement de la source lumineuse et de l'intensité lumineuse mesurée par le photo détecteur.

On remarque que l'élément de déformation mécanique appartient à l'élément de soutien de l'élément d'absorption. Par conséquent, selon un mode de réalisation avantageux :

le mouvement de flexion de l'élément de déformation mécanique se traduit par un déplacement de l'élément d'absorption, et

la première surface réfléchissante est formée solidaire de l'élément d'absorption, de préférence parallèle à cette dernière.

La première surface réfléchissante appartient de préférence à un premier réflecteur recouvrant l'élément d'absorption, du côté du substrat.

En variante, la première surface réfléchissante peut être formée simplement par l'interface entre deux milieux d'indices optiques différents, les indices optiques étant tels que le faisceau lumineux émis par la source lumineuse est réfléchi à cette interface (réflexion au moins partielle). L'un des milieux est un milieu gazeux ou un vide environnant.

De préférence, l'élément d'absorption est apte à absorber un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde supérieures à 800 nm, et la source lumineuse est apte à émettre un rayonnement dans le visible, à des longueurs d'onde comprises entre 380 nm et 780 nm.

La source lumineuse est avantageusement une diode électroluminescente. Selon un mode de réalisation avantageux, l'un au moins pixel sensible comporte en outre un masque optique s'étendant à distance de l'élément d'absorption, entre la source lumineuse et le photo-détecteur d'une part, et l'élément d'absorption d'autre part, apte à bloquer un rayonnement émis par la source lumineuse et comportant des ouvertures traversantes respectivement en vis-à-vis de la source lumineuse et en vis-à-vis du photo détecteur.

Le masque optique peut comporter au moins une ouverture traversante située en vis-à-vis de la source lumineuse, l'au moins une ouverture traversante formant des motifs de dimension inférieure à une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse, aptes à réduire un angle de divergence des rayons émis par la source lumineuse après qu'ils aient traversé l'au moins une ouverture traversante.

Le masque optique peut être optiquement réfléchissant du côté de l'élément d'absorption, à des longueurs d'onde d'absorption de l'élément d'absorption, et former ainsi un second réflecteur.

Une distance entre l'élément d'absorption et le second réflecteur est avantageusement égale à lo/4 plus ou moins 20%, avec lo la longueur d'onde centrale d'une bande spectrale de détection du dispositif.

Dans l'un au moins pixel sensible, le ou les élément(s) de soutien peut être isolé électriquement du substrat, par au moins une couche d'isolant électrique.

De manière avantageuse, l'un au moins pixel sensible comporte en outre un élément d'amplification, agencé en contact thermique avec l'élément d'absorption, et électriquement connecté à au moins deux pistes électriques dans le substrat aptes à faire circuler un courant électrique dans l'élément d'amplification.

L'élément d'amplification peut être constitué d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance négatif.

En variante, l'élément d'amplification peut être constitué d'un matériau à transition de phase qui présente un très fort coefficient de température de résistance autour de la transition de phase, et situé en contact thermique avec un élément de régulation thermique à la température de transition de phase. Avantageusement, l'un au moins pixel sensible comporte au moins une paroi qui s'étend au moins entre la source lumineuse et le photo-détecteur, pour arrêter un rayonnement lumineux à une longueur d'onde d'émission de ladite source lumineuse.

L'élément de soutien peut comporter au moins un bras comprenant du silicium amorphe ou du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, situé entre le substrat et l'élément de déformation mécanique.

La première surface réfléchissante est avantageusement formée par un premier réflecteur, lequel est texturé de manière à former une optique de focalisation apte à concentrer, sur le photo-détecteur, des rayons lumineux émis par la source lumineuse et réfléchis sur le premier réflecteur.

L'invention se rapporte également à un système de mesure d'un rayonnement électromagnétique comprenant un dispositif selon l'invention, et un processeur recevant en entrée une intensité lumineuse respective mesurée par chaque photo-détecteur dudit dispositif, le processeur étant configuré pour convertir chaque valeur d'intensité lumineuse reçue en une valeur de flux photonique incident sur l'un élément d'absorption du dispositif.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

- les figures IA et IB illustrent de manière schématique le principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ;

- la figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;

- les figures 3A à 3D illustrent de manière schématique un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;

- les figures 4A à 4D illustrent de manière schématique un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 5A à 5H illustrent un procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention ;

- les figures 6A à 6D illustrent de manière schématique un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; et

- les figures 7A à 7D, et 8, illustrent de manière schématique un cinquième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Les figures IA et IB illustrent de manière schématique un pixel sensible 10 d'un dispositif selon l'invention pour détecter un rayonnement électromagnétique, plus particulièrement un rayonnement infrarouge.

Le pixel sensible 10 comprend une plaque d'absorption 110, agencée suspendue au- dessus d'un substrat 120. La plaque d'absorption 110 forme un absorbeur infrarouge, apte à absorber un rayonnement infrarouge incident et à s'échauffer en réaction à cette absorption. Les longueurs d'ondes absorbées vont de 1 pm à 20 pm, c'est-à-dire du proche infrarouge à l'infrarouge. La plaque d'absorption 110 est par exemple constituée d'un métal à base de titane ou de tantale (Ti, TiN, Ta, TaN, etc.). Elle présente avantageusement une résistivité électrique proche de l'impédance du vide (qui est de 377 W par carré).

La plaque d'absorption 110 est maintenue suspendue au-dessus du substrat 120 grâce à au moins un élément de soutien 130. L'au moins un élément de soutien 130 comporte ici :

- un ou plusieurs pieds 131, s'étendant chacun selon un axe orthogonal au plan du substrat ;

- un ou plusieurs bras 132, s'étendant chacun dans un plan parallèle au plan du substrat, en l'absence de rayonnement infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110 ; et

- un ou plusieurs éléments de déformation mécanique 133, situés ici chacun directement sur un bras 132, du côté opposé au substrat 120. Chaque élément de déformation mécanique 133, ou bilame, ou région bi- matériaux, est formé d'un empilement de deux lames constituées respectivement d'un premier matériau et d'un second matériau avec des coefficients d'expansion thermique respectifs distincts et éloignés l'un de l'autre. Par exemple, un rapport entre les deux coefficients d'expansion thermique est supérieur à 1,2 voire même supérieur à 1,5 et même supérieur à 2. Les deux lames sont superposées selon un axe orthogonal à une plus grande face de l'élément de déformation mécanique, ici un axe orthogonal au plan du substrat 120. Le premier matériau est par exemple un diélectrique, notamment un diélectrique à base de silicium (SiN, SiON, SiC, Si0 ₂ ) ou un polymère (une résine SU8, par exemple). Le second matériau est par exemple un métal ou un semiconducteur (Al, Si, W, Cu, Au, Ag, Ti, etc.). Un rapport entre les coefficients d'expansion thermique des deux matériaux est de préférence supérieur à 10. On utilise par exemple du Silicium et du SU8, offrant un rapport des coefficients d'expansion thermique supérieur à 20. En variante, on peut choisir le couple SiN et Al pour les premier et second matériaux. Du fait de la différence des coefficients d'expansion thermique, lorsque l'élément de déformation mécanique s'échauffe, il se déforme en se fléchissant, ou pliant.

Selon une variante avantageuse, l'une des lames définissant l'élément de déformation mécanique 133 est formée par une partie au moins du bras 132. Un procédé de fabrication de l'élément de déformation mécanique 133 est ainsi simplifié, impliquant le dépôt d'une seule couche supplémentaire de matériau.

Chaque élément de déformation mécanique 133 s'étend à proximité de la plaque d'absorption 110, de préférence en contact physique direct avec cette dernière, et en tout état de cause en contact thermique avec cette dernière. Ainsi, lorsque la plaque d'absorption 110 s'échauffe, elle transmet de la chaleur à l'élément de déformation mécanique, lequel se déforme.

De préférence, l'élément de déformation mécanique 133 n'est pas recouvert par la plaque d'absorption 110, mais s'étend plutôt à côté de cette dernière, du côté du bras 132 opposé au substrat. Chaque élément de soutien 130 comporte au moins une région d'isolation thermique, chacune entre le substrat 120 et un élément de déformation mécanique 133. L'isolation thermique est apportée ici par le ou les bras 132, offrant une meilleure isolation thermique que le métal. Le ou les bras 132 sont par exemple en silicium amorphe ou en nitrure de silicium. De préférence, l'élément de déformation mécanique 133 s'étend sur un bras 132, sans dépasser jusqu'au-dessus d'un pied 131. On améliore ainsi une isolation thermique entre le substrat 120 et l'élément de déformation mécanique 133.

Le ou les pieds 131 peuvent être constitués d'un même matériau que le ou les bras 132. En variante, ils peuvent être constitués d'un métal.

La plaque d'absorption 110 est agencée en appui sur le ou les pieds 131 par l'intermédiaire du ou des bras 132.

La figure IA illustre le pixel sensible 10, avec la plaque d'absorption 110 qui s'étend parallèle au plan du substrat 120. Le pixel sensible fait face à une scène à la température Tscl. La plaque d'absorption 110 est à une température Tpll (la température de la planche dépend du flux infrarouge incident et de l'isolation thermique avec le substrat). De préférence, le dispositif est dimensionné pour que la température Tscl, pour laquelle la plaque d'absorption s'étend parallèle au substrat, corresponde à la température moyenne d'une dynamique de températures de scène attendue. Par exemple, on souhaite imager des scènes à des températures entre -20°C et +80°C, et la planche est horizontale lorsque le pixel fait face à une scène à +30°C.

La figure IB illustre le pixel sensible 10 faisant face à une scène à la température Tsc2 supérieure à Tscl. La plaque d'absorption 110 absorbe le rayonnement infrarouge, et sa température Tpl2 est alors supérieure à Tpll. La plaque d'absorption 110 transmet une partie de sa chaleur à l'élément de déformation mécanique 133, lequel se déforme en entraînant avec lui le bras 132. En particulier, l'élément de déformation mécanique 133 se fléchit (ici, mais de manière non limitative, en direction du substrat 120), ce qui déplace la plaque d'absorption 140 en l'inclinant relativement au plan du substrat 120. Un positionnement de la plaque d'absorption 110 relativement au substrat 120 est ainsi fonction d'un fléchissement de l'élément de déformation mécanique 133. L'élément de déformation mécanique 133 forme une région de transduction, traduisant un échauffement de la plaque d'absorption 110 en un déplacement mécanique, réchauffement étant lui-même fonction d'un flux infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110.

Le pixel sensible 110 comporte en outre :

- une source lumineuse 140, en particulier une diode électroluminescente (LED) agencée dans ou sur le substrat 120 ; et

- un photo-détecteur 150, en particulier une photodiode, agencé dans ou sur le substrat 120, à côté de la source lumineuse 140.

Un premier réflecteur 190 recouvre la plaque d'absorption 110, du côté du substrat 120. Il peut s'étendre accolé directement contre la plaque d'absorption 110, ou séparé de celle-ci par une couche intermédiaire. En tout état de cause, il est agencé solidaire de la plaque d'absorption 110, suspendu avec elle au-dessus du substrat. Il s'étend parallèle à la plaque d'absorption, selon une même orientation dans l'espace. Le premier réflecteur 190 est constitué de préférence d'une fine couche de métal (titane, ou aluminium, ou platine, ou un alliage entre au moins deux de ces matériaux, etc.) accolée à la plaque d'absorption 110 du côté du substrat 120. Le premier réflecteur recouvre au moins 90% de la surface de la plaque d'absorption 110, côté substrat 120, et peut dépasser au-delà de la plaque d'absorption 110. Il est optiquement réfléchissant à une longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 140. Il présente par exemple un coefficient de réflexion supérieur ou égal à 80% à la longueur d'onde d'un maximum d'émission de la source lumineuse 140.

La source lumineuse 140 émet un rayonnement à des longueurs d'onde peu ou pas absorbées par la plaque d'absorption 110, de préférence un rayonnement centré sur une longueur d'onde appartenant au spectre visible (entre 380 nm et 780 nm). On évite ainsi que le rayonnement émis par la source lumineuse participe à réchauffement de la plaque d'absorption et fausse la mesure d'un rayonnement infrarouge provenant d'une scène extérieure.

Le premier réflecteur 190 présente avantageusement une épaisseur de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de peau dans le visible, et très inférieure à l'épaisseur de peau dans l'infrarouge. On peut ainsi combiner une forte réflectivité à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 140, et une grande transparence dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde absorbées par la plaque d'absorption 110. Pour rappel, l'épaisseur de peau d définit la profondeur jusqu'à laquelle une onde électromagnétique peut se propager dans un métal. Elle est définie par :

avec m ₀ la perméabilité magnétique du vide, s la conductivité électrique du métal et w la pulsation de l'onde électromagnétique. Par exemple, pour une onde en incidence normale sur du platine, l'épaisseur de peau est de 5 nm à une longueur d'onde de 300 nm, et 87 nm à une longueur d'onde de 10 pm. Ainsi, une épaisseur de platine comprise entre 5 et 10 nm agira comme un très bon réflecteur à 300 nm (longueur d'onde d'émission de la source lumineuse) tout en n'atténuant que très peu le passage de l'onde infrarouge.

La source lumineuse 140 émet avec une intensité lumineuse qui est fonction d'une direction d'observation de ladite source 140. En d'autres termes, elle émet avec une intensité lumineuse qui est fonction de la direction d'émission. Elle présente un diagramme de rayonnement connu, le diagramme de rayonnement donnant l'intensité lumineuse émise en fonction d'un angle d'émission Q. La source lumineuse 140 peut former en particulier un émetteur planaire lambertien, émettant un rayonnement dont l'intensité lumineuse est fonction de cos(0), avec Q l'angle d'émission (Q est mesuré relativement à la normale au plan de l'émetteur, correspondant ici à la normale au plan du substrat 120). Sur les figures IA et IB, on a représenté en pointillés le diagramme d'émission 40 de la source lumineuse 140. La source lumineuse 140 émet un rayonnement en direction de la plaque d'absorption 110 et du premier réflecteur 190. Une partie de ce rayonnement est réfléchie sur le premier réflecteur 190, et renvoyée sur le photo-détecteur 150. Le photo détecteur 150 est apte à convertir en un signal électrique au moins une partie du rayonnement lumineux émis par la source lumineuse 140 et réfléchi sur le premier réflecteur.

Pour la température de scène Tscl, et comme illustré en figure IA, la plaque d'absorption 110 s'étend parallèle au plan du substrat 120. La portion du rayonnement émis par la source lumineuse 140 qui se propage jusqu'au photo-détecteur 150 en passant par le premier réflecteur 190 est un faisceau de faible ouverture angulaire, centré sur un rayon présentant un angle d'émission q ₁ . L'angle Q ₁ est associé à une intensité lumineuse 4 émise par la source lumineuse 140.

Pour la température de scène Tsc2 > Tscl, et comme illustré en figure IB, la plaque d'absorption 110 s'étend inclinée relativement au plan du substrat 120. La portion du rayonnement émis par la source lumineuse 140 qui se propage jusqu'au photo-détecteur 150 en passant par le premier réflecteur 190 est un faisceau de faible ouverture angulaire, centré sur un rayon présentant un angle d'émission q ₂ , avec q ₂ > q ₁ . L'angle q ₂ correspond à une intensité lumineuse / ₂ émise par la source lumineuse 140. Dans le cas d'une source lumineuse 140 formant un émetteur planaire lambertien, q ₂ > Q ₁ se traduit par cos(0 ₂ ) < cos (é4) d'où / ₂ < .

L'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150 correspond à l'intensité lumineuse émise par la source lumineuse 140 dans la direction considérée, diminuée des pertes optiques liées notamment à la réflexion sur le premier réflecteur 190.

On peut ainsi relier une information relative à une intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150, et une information relative à un flux infrarouge incident sur la plaque d'absorption 110, depuis le côté opposé au substrat 120. On peut mesurer une variation de flux infrarouge, à partir d'une variation d'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150. En variante, on peut mesurer une valeur de flux infrarouge, à partir d'une valeur d'intensité lumineuse mesurée par le photo-détecteur 150. L'information relative à un flux infrarouge peut être obtenue à partir d'un diagramme de rayonnement de la source lumineuse 140 et/ou en utilisant des données de calibration déterminées expérimentalement ou par calculs (notamment pour s'affranchir de l'influence des pertes optiques liées à la réflexion sur le premier réflecteur 190).

Le dispositif selon l'invention forme ainsi un détecteur infrarouge de type thermomécanique à lecture optique, offrant une grande compacité et de faibles contraintes d'alignement. En particulier, aucun alignement optique précis n'est requis, tant que la source lumineuse 140 et le photo-détecteur 150 sont agencés sous la plaque d'absorption 110, dans ou sur le substrat 120.

Pour des raisons de lisibilité des figures, on a illustré un unique pixel sensible du dispositif selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comporte de préférence une pluralité de pixels sensibles 10 partageant le même substrat 120. Les pixels sensibles sont répartis de préférence selon une matrice en deux dimensions, par exemple en lignes et en colonnes.

Pour des raisons de clarté, on a illustré le fonctionnement du dispositif à l'aide de vues en coupe. Formellement, un diagramme de rayonnement s'étend selon les trois dimensions de l'espace, et une orientation de la plaque d'absorption est définie par deux angles d'un système de coordonnées polaires. De manière avantageuse, le diagramme de rayonnement présente une symétrie centrale autour d'un axe orthogonal au plan du substrat, et le déplacement de la plaque d'absorption est constitué d'une rotation autour d'un axe parallèle au plan du substrat. On peut ainsi définir à l'aide d'un seul angle, l'orientation d'un rayon lumineux se propageant de la source lumineuse au photo détecteur en passant par le premier réflecteur.

La figure 2 illustre de manière schématique, selon une vue en coupe, un pixel 20 d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Le substrat 220 est ici un substrat semiconducteur recevant des circuits de connexion réalisés en technologie CMOS, nommé dans la suite « substrat CMOS ». Le substrat 222 comporte des pistes conductrices en métal 221, affleurant à sa surface supérieure.

La source lumineuse 240 et le photo-détecteur 250 s'étendent sur le substrat 220. La source lumineuse 240 est une LED à base de nitrure de gallium, comportant une base métallique 241, une électrode supérieure 242, et un empilement actif de LED 243. La base métallique 241 n'est pas nécessaire au fonctionnement de la LED, et provient ici d'un procédé avantageux de réalisation de LEDs à base de nitrure de gallium (décrit en référence aux figures 5A et 5B). L'empilement actif de LED 243 comporte une couche à multi-puits quantiques encadrée entre des couches de GaN et AIGaN dopées N ou P. La couche à multi-puits quantiques comporte par exemple des puits quantiques en InGaN. La longueur d'onde d'émission peut être ajustée en faisant varier un rapport In/Ga. La source lumineuse 240 émet dans le visible, en particulier dans le bleu. La base métallique 241 s'étend accolée contre une première piste conductrice 221 du substrat 220.

Le photo-détecteur 250 est une diode PiN (pour l'anglais « Positive Intrinsic Négative diode ») comportant une électrode supérieure 251, et accolée contre une deuxième piste conductrice 221 du substrat 220.

Une première couche d'isolant électrique 261 s'étend sur le substrat, en entourant la source lumineuse 240 et le photo-détecteur 250, et jusqu'à hauteur d'une face supérieure de l'empilement actif de LED 243. La première couche d'isolant électrique 261 s'étend en contact physique direct avec le substrat 220, avec l'empilement actif de LED 243, et avec la base métallique 241 de la source lumineuse 240.

Une deuxième couche d'isolant électrique 262 s'étend sur la première couche d'isolant électrique 261, du côté opposé au substrat 220, en recouvrant l'électrode supérieure 242 de la source lumineuse. La deuxième couche d'isolant électrique 262 s'étend en contact physique direct avec la première couche d'isolant électrique 261 et avec l'électrode supérieure 242 de la source lumineuse.

Le photo-détecteur 250 est séparé des première et deuxième couches d'isolant électrique 261, 262 par une tranchée périphérique. Cette tranchée est remplie par le matériau d'une troisième couche d'isolant électrique 263, laquelle recouvre également la deuxième couche d'isolant électrique 262. La troisième couche d'isolant électrique 263 est par exemple en Si0 ₂ . Les première, deuxième et troisième couches d'isolant électrique peuvent être constituées chacune d'un matériau diélectrique. La troisième couche d'isolant électrique 263 est recouverte ici d'une couche d'arrêt 264, optionnelle, pour protéger des couches inférieures lors de la réalisation de la plaque d'absorption 210 et l'élément de soutien 230. Il s'agit en particulier d'une couche d'arrêt à la gravure à l'acide fluorhydrique, par exemple une couche en AIN ou AI ₂ O ₃ .

La plaque d'absorption 210 est montée suspendue au-dessus de la source lumineuse 240 et du photo-détecteur 250, par l'intermédiaire d'un élément de soutien 230 tel que décrit en référence aux figures IA et IB.

L'élément de soutien 230 comporte en particulier un pied 231. Ce pied 231 assume uniquement une fonction mécanique. Il peut être constitué d'un métal, notamment du tungstène ou du cuivre, par exemple avec croissance par ECD (pour « Electro-Chemical Déposition») En variante, il peut être constitué d'un matériau offrant une faible conductivité thermique (silicium amorphe ou dioxyde de silicium par exemple), afin d'améliorer une isolation thermique entre la plaque d'absorption et le substrat. Un tel matériau est généralement mauvais conducteur électrique, ce qui ne pose pas de difficulté puisqu'ici le pied n'assume pas de fonction électrique. Le pied 231 peut présenter un diamètre inférieur à 500 nm, et même inférieur à 300 nm. Il n'est pas connecté électriquement à des circuits intégrés dans le substrat, et ne traverse donc pas les couches d'isolant électrique 261, 262, 263 pour venir en contact physique direct avec des pistes conductrices du substrat 220.

Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre des parois 270, optionnelles, formant barrière optique entre la source lumineuse 240 et le photo détecteur 250 pour empêcher qu'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse 240 se propage directement jusqu'au photo-détecteur 250 sans réflexion sur le premier réflecteur 290. On évite ainsi d'aveugler le photo-détecteur 250. Ici, la source lumineuse 240 est entièrement entourée par des parois 270, pour éviter en outre une émission directe sur les photo-détecteurs de pixels voisins. En complément ou en variante, le photo-détecteur 250 peut être entièrement entouré par des parois 270, pour éviter la réception de rayonnements provenant directement des sources lumineuses 240 de pixels voisins. Les parois 270 sont constituées d'un matériau opaque à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240, par exemple un métal tel que le cuivre ou le tungstène, ou un semi-conducteur tel que le silicium, ou même du silicium amorphe. Les parois 270 s'étendent au moins jusqu'à hauteur d'une face supérieure de l'empilement actif de la LED 243, et de préférence jusqu'à hauteur d'une face supérieure de la troisième couche d'isolant électrique 263, du côté opposé au substrat. En variante, c'est une séquence d'allumage des sources lumineuses 240 et d'intégration des photo détecteurs 250 qui permet de limiter l'aveuglement des photo-détecteurs.

Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre un masque 280, optionnel. Le masque 280 est constitué d'une couche pleine, déposée au-dessus du substrat 220 et munie d'ouvertures traversantes 281 respectivement au-dessus de la source lumineuse 240 et au-dessus du photo-détecteur 250. Le masque 280 est constitué d'un matériau opaque à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240. Il permet de limiter des phénomènes de crosstalk entre des pixels voisins, et ainsi d'améliorer un rapport signal sur bruit du dispositif selon l'invention.

De préférence, le masque 280 est constitué d'un matériau optiquement réfléchissant dans l'infrarouge, aux longueurs d'onde absorbées par la plaque d'absorption 210. Il peut alors être constitué d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre, le titane, le nitrure de titane, etc. Il forme ainsi un second réflecteur, pour renvoyer vers la plaque d'absorption 210 un rayonnement infrarouge ayant traversé la plaque d'absorption 210 sans être absorbé. Le second réflecteur 280 permet d'optimiser l'absorption d'un rayonnement infrarouge par la plaque d'absorption 210.

Avantageusement, une distance D entre le second réflecteur 280 et la plaque

À

d'absorption 210 est sensiblement égale à—, avec l ₀ la longueur d'onde centrale d'une

4

bande spectrale de détection du dispositif selon l'invention (bande spectrale absorbée par la plaque d'absorption 210). Par sensiblement égal, on entend égal à plus ou moins 20% près, et même à plus ou moins 10% près. La distance D est mesurée en l'absence d'un rayonnement incident sur la plaque d'absorption 210, et selon un axe orthogonal au plan du substrat 210, depuis une face supérieure du second réflecteur 280 jusqu'à une face inférieure de la plaque d'absorption 210. Le second réflecteur 280 et la plaque d'absorption 210 forment ainsi une cavité quart-d'onde, ce qui permet d'optimiser encore l'absorption d'un rayonnement infrarouge par la plaque d'absorption 210. Dans l'exemple illustré en figure 2, le masque et second réflecteur 280 s'étend directement sur la couche d'arrêt 264, entre la couche d'arrêt 264 et la plaque d'absorption 210. En variante, le masque et second réflecteur 280 s'étend sous la couche d'arrêt 264, entre la couche d'arrêt 264 et la troisième couche d'isolant électrique 263.

Selon d'autres variantes non représentées, le second réflecteur peut être formé d'une couche pleine transparente à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse. Un masque peut être formé distinct du second réflecteur.

Selon une autre variante avantageuse, non représentée, le masque 280 peut comporter des motifs sub-longueur d'onde en vis-à-vis de la source lumineuse 240. Les motifs sub-longueur d'onde modifient localement l'indice effectif vu par les rayons lumineux provenant de la source lumineuse 240, pour réduire un angle de divergence de ces rayons après traversée du masque. En d'autres termes, ils génèrent une répartition d'indice optique moyen permettant de réduire cet angle de divergence, de manière à ce que le faisceau émis par source lumineuse 240 se rapproche le plus proche possible d'un faisceau collimaté, après traversée du masque 280. On peut ainsi améliorer la collection des photons émis par la source lumineuse 240. Les motifs sub-longueur d'onde présentent des dimensions inférieures à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240. Ils sont gravés dans le masque 280, en le traversant sur toute son épaisseur, et remplacent une unique ouverture en vis-à-vis de la source lumineuse 240.

Dans l'exemple illustré en figure 2, le pixel 20 comporte en outre une structure sub longueur d'onde 291, formant une optique de focalisation pour concentrer sur le photo détecteur 250 des rayons lumineux provenant de la source lumineuse 240, et augmenter ainsi l'intensité lumineuse du signal reçu par le photo-détecteur 250 pour toute position de la plaque d'absorption 210. La structure sub-longueur d'onde 291, ou texturation sub longueur d'onde, est constituée de motifs de dimension inférieure à la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 240, qui modifient localement l'indice effectif vu par les rayons lumineux provenant de ladite source 240. En d'autres termes, ils génèrent une répartition d'indice optique moyen permettant de reproduire l'effet produit par une lentille de focalisation. La structure sub-longueur d'onde 291 peut être formée par gravures locales dans l'épaisseur du premier réflecteur 290. De nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention, avec par exemple :

- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat CMOS ;

- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat TFT en verre (les LED sont réalisées sur un substrat annexe puis reportées sur le substrat TFT en verre) ;

- des sources lumineuses de type LED, sur un substrat TFT en saphir ;

- des photo-détecteurs formés chacun d'une diode PiN reportée sur le substrat, ou d'une diode formée directement dans le matériau du substrat.

De préférence, les pixels sensibles d'un même dispositif selon l'invention présentent des sources lumineuses identiques, avec le même spectre d'émission.

Les pixels sensibles du dispositif selon l'invention peuvent être protégés par une encapsulation. Les pixels peuvent être encapsulés chacun dans une capsule individuelle. En variante, les pixels peuvent être encapsulés de manière collective, tous disposés dans une même cavité.

L'invention couvre également un système de mesure, non représenté, comprenant un dispositif selon l'invention et un processeur. Le processeur est configuré pour recevoir en entrée des intensités lumineuses mesurées par les photo-détecteurs des pixels sensibles du dispositif selon l'invention, et pour convertir chaque valeur d'intensité lumineuse ainsi reçue en une valeur de flux photonique. Le système selon l'invention comporte de préférence une mémoire, stockant des données de calibration utilisées par le processeur pour ladite conversion. Les données de calibration peuvent comprendre un diagramme de rayonnement des sources lumineuses du dispositif selon l'invention. Le processeur est relié à ladite mémoire. Le processeur fournit en sortie une image en niveaux de gris, représentant une répartition d'un rayonnement infrarouge sur une surface selon laquelle s'étendent les pixels sensibles du dispositif selon l'invention.

Les figures 3A à 3D illustrent de manière schématique un pixel 30 d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation de la figure 2. La plaque d'absorption 310 est montée suspendue au-dessus du substrat 320, par l'intermédiaire de pieds 331 et de bras. Les pieds 331 sont agencés aux quatre coins de la plaque d'absorption 310, orthogonaux au substrat 320.

Pour une température de scène Tscl, les bras s'étendent dans un plan parallèle au plan du substrat 320. Ils comprennent deux premiers bras 3321 parallèles entre eux, s'étendant chacun entre deux pieds 331, et deux second bras 3322, reliant chacun l'un premier bras 3321 et la plaque d'absorption 310. Les second bras 3322 s'étendent selon un axe passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 310. On peut considérer qu'ils forment ensemble un même et unique bras s'étendant d'un côté à l'autre du pixel.

L'un au moins des second bras 3322 (ici, les deux) est au moins partiellement recouvert d'un élément de déformation mécanique respectif 333. De préférence, chaque élément de déformation mécanique 333 est en contact physique direct avec la plaque d'absorption 310.

L'agencement des pieds 331, des bras 3321, 3322, et des éléments de déformation mécanique 333 présente une symétrie planaire relativement à un plan orthogonal au plan du substrat et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 310.

Ici, le premier réflecteur 390 est constitué d'une planche suspendue au-dessus du substrat 320 par l'intermédiaire des bras et des pieds 331, sur laquelle s'étend la plaque d'absorption 310. Dans l'exemple illustré ici, mais de manière non limitative, la plaque d'absorption 310 présente une surface légèrement inférieure à celle du premier réflecteur 390. Dans des variantes préférées, la plaque d'absorption 310 s'étend sur la plus grande surface possible, au moins égale à la surface selon laquelle s'étend le premier réflecteur 390.

Les éléments entre le substrat 320 et les pieds 331 sont ceux décrits en référence à la figure 2.

La figure 3A est une vue de dessus du pixel 30.

La figure 3B est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 320 et aligné avec l'un premier bras 3321. La figure 3C est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 320 et passant par deux pieds 331 qui ne sont pas reliés par un bras.

La figure 3D est une vue en coupe du pixel 30, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par les deux second bras 3322.

Du fait leur agencement, un fléchissement des régions de réflexion 333 se traduit ici par une translation de la plaque d'absorption 310 et du premier réflecteur selon un axe orthogonal au plan du substrat. Le principe de fonctionnement reste le même que celui détaillé en référence aux figures IA et IB.

Dans l'exemple représenté sur les figures 3A à 3D, chaque pixel comporte quatre pieds dédiés. De nombreuses variantes d'agencement des pieds et des bras peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l'invention, par exemple avec seulement deux voire un seul pied dédié par pixel, ou avec des pixels voisins partageant un ou plusieurs pieds, etc. Les bras peuvent rejoindre la plaque d'absorption au niveau du milieu de deux bords opposés de la plaque, ou au niveau de régions d'extrémité de deux bords opposés de la plaque, avec lesdites régions d'extrémité situées en vis-à-vis, ou au niveau de deux coins de la plaque définissant une diagonale, etc.

Les figures 4A à 4D illustrent de manière schématique un pixel 40 d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation des figures 3A à 3D.

La plaque d'absorption 410 est montée suspendue au-dessus du substrat 420 par l'intermédiaire de deux pieds 431 et de deux bras 432.

Les pieds 431 sont inclinés relativement au plan du substrat 420, d'un angle a compris par exemple entre 30° et 60°.

Les bras 432 s'étendent selon un axe parallèle au plan du substrat 420et passant par un bord de la plaque d'absorption 410.

Deux régions de réflexion 433 recouvrent chacune un bras 432 et une zone supérieure d'un pied 431. L'agencement des pieds 431, des bras 432, et des éléments de déformation mécanique 433 présente une symétrie planaire relativement à un plan orthogonal au plan du substrat et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 410.

La figure 4A est une vue de dessus du pixel 40.

La figure 4B est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 420 et aligné avec un pied 431.

La figure 4C est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 320 et passant par les deux bras 432.

La figure 4D est une vue en coupe du pixel 40, dans un plan CC' parallèle au plan AA' et passant par le centre géométrique de la plaque d'absorption 410.

Ici, un fléchissement des éléments de déformation mécanique 433 se traduit par une rotation de la plaque d'absorption 410 et du premier réflecteur 490 autour d'un axe parallèle au plan du substrat 420. Ce mode de réalisation offre un grand rapport de remplissage de la surface du substrat par les plaques d'absorption. Dans des variantes avantageuses, les pieds s'étendent sous la plaque d'absorption qu'ils soutiennent, ou sous la plaque d'absorption d'un pixel voisin. Cette variante permet d'augmenter encore un rapport de remplissage par les plaques d'absorption.

On décrit ensuite, en référence aux figures 5A à 5H, un exemple de procédé de réalisation d'un dispositif de détection selon l'invention.

On part d'un substrat CMOS 520 recevant une pluralité de pistes conductrices 521 affleurant à sa surface supérieure. Dans une première étape illustrée en figure 5A, on réalise une structure constituée d'une couche active de LED 5430 à base de nitrure de gallium, disposée entre un substrat de report 5440 et une couche de métal 5410. Le substrat de report est par exemple en silicium ou en saphir. La couche active de LED 5430 est réalisée par épitaxie. La structure est collée sur le substrat CMOS 520, avec la couche de métal 5410 du côté des pistes conductrices 521.

Dans une deuxième étape illustrée en figure 5B, on retire le substrat de report 5440. On peut retirer également une région supérieure de la couche 5430 (couche de buffer). On réalise ensuite des gravures locales de la couche active de LED 5430 et la couche de métal 5410, jusqu'au substrat CMOS 520, pour former une série d'empilements actifs de LED 543 à base de nitrure de gallium avec leurs bases métalliques respectives 541. Les empilements actifs de LED 543 et leurs bases métalliques respectives 541 sont alignés chacun sur une piste conductrices 521 respective du substrat CMOS 520.

Dans une troisième étape illustrée en figure 5C, on finalise la réalisation des LED 540 en formant une électrode supérieure 542 respective, en métal, sur chaque empilement actif de LED 543. Les différentes LED 540 présentent un même spectre d'émission, de préférence monochromatique. On dépose ensuite une première couche d'isolant électrique 561 qui recouvre le substrat CMOS 520 et encapsule latéralement les LED 540.

Dans une quatrième étape illustrée en figure 5D, on recouvre les LED 540 et la première couche d'isolant électrique 561 par une deuxième couche d'isolant électrique 562. Chaque électrode supérieure 542 est reliée à une piste conductrice respective du substrat CMOS 520 par des vias métallisés, non représentés, traversant les couches d'isolant électrique (avec des marches).

Dans une cinquième étape illustrée en figure 5E, on grave localement les couches d'isolant électrique 561, 562, jusqu'au substrat CMOS 520, au niveau de pistes conductrices respectives 521 substrat.

Dans une sixième étape illustrée en figure 5F, on dépose, dans chaque ouverture gravée à la cinquième étape, une diode PiN 550 respective, par exemple en silicium amorphe.

Dans une septième étape illustrée en figure 5G, on réalise une électrode supérieure respective 551 sur chaque diode PiN 550 (par dépôt de couche métallique et gravure), puis on dépose une troisième couche d'isolant électrique 563. La troisième couche d'isolant électrique 563 recouvre la deuxième couche d'isolant électrique 562, et encapsule les diodes PiN 550 et leurs électrodes supérieures respectives dans les ouvertures gravées à la cinquième étape. Les électrodes supérieures 551 sont reliées chacune à une piste conductrice du substrat CMOS 520 par des vias métallisés traversant les couches d'isolant électrique. On réalise ensuite les plaques d'absorption, les premiers réflecteurs et les éléments de soutien, en utilisant une couche sacrificielle, notamment une couche sacrificielle minérale. On peut notamment utiliser une couche sacrificielle en dioxyde de silicium ou en polyimide. La couche sacrificielle est gravée en fin de procédé, par exemple par gravure à l'acide fluorhydrique en phase vapeur. Afin de protéger des couches inférieures lors de la gravure de la couche sacrificielle, on peut recouvrir ces couches inférieures d'une couche d'arrêt 564 (voir figure 5H). La couche d'arrêt 564 est par exemple en AI N, SiC, AI2O3, etc. Elle présente de préférence une épaisseur supérieure à 50 nm, voire moins au-dessus des sources lumineuses et des photo-détecteurs (pour limiter des pertes optiques par absorption).

En fonction des variantes souhaitées pour le dispositif selon l'invention, l'homme du métier saura adapter le procédé selon l'invention.

Si les sources lumineuses sont des LED, en particulier des LED à base de GaN, celles- ci sont avantageusement formées sur le substrat, avant la réalisation des photodiodes lorsque les photodiodes sont des diodes PiN, après si les photodiodes sont formées directement dans le substrat (de préférence un substrat CMOS).

Si le substrat est un substrat CMOS, les LED (de préférence des LED à base de GaN) peuvent être formées d'abord sur un substrat d'origine, puis hybridées sur le substrat CMOS. En variante, on met en œuvre le procédé décrit en référence aux figures 5A et 5B.

Si le substrat est en verre, on peut réaliser les diodes PiN sur le substrat verre (après réalisation de transistors de pilotage TFT), puis reporter des LED (de préférence des LED à base de GaN) sur le substrat.

Si le substrat est en saphir, on peut réaliser des LED (de préférence des LED à base de GaN) directement sur ce substrat. Par exemple, on réalise des LED (de préférence des LED à base de GaN) sur un substrat en saphir, puis on réalise des diodes PiN au-dessus d'un isolant électrique recouvrant les LED, et enfin on dépose une couche d'arrêt de la gravure et on forme les éléments de soutien avec leurs éléments de déformation mécanique et les plaques d'absorption avec leurs premiers réflecteurs. Ce mode de réalisation implique la réalisation de transistors de pilotage de type TFT. Les figures 6A à 6D illustrent de manière schématique un pixel 60 d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, dans lequel chaque pixel est muni en outre d'un système d'amplification du signal thermique.

Ce mode de réalisation n'est décrit que pour ses différences relativement au mode de réalisation des figures 3A à 3D. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'amplification du signal thermique comprend une couche 601 d'un matériau présentant un coefficient de température de résistance (TCR) strictement négatif. Dans la suite, la couche 601 est nommée simplement « couche à TCR négatif », et forme un élément d'amplification selon l'invention.

La couche à TCR négatif 601 forme avec l'élément d'absorption 610 une planche 61 suspendue au-dessus du substrat 620 (ici par l'intermédiaire de seulement deux pieds 631 et deux bras 632).

La figure 6A est une vue de dessus du pixel 60, sur laquelle l'élément d'absorption 610 est caché par la couche à TCR négatif 601.

La figure 6B est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan AA' orthogonal au plan du substrat 620 et passant par un pied 631 et un bras 632. La figure 6B montre comment la couche à TCR négatif 601 est reliée électriquement à des pistes électriques 625 du substrat 620, par l'intermédiaire des bras 632 et des pieds 631.

Chaque bras 632 comporte un filament 602 en matériau électriquement conducteur (par exemple du TiN ou du TaN), noyé dans une gaine 603 en matériau thermiquement isolant (par exemple du silicium amorphe). Chaque pied 631 est en matériau électriquement conducteur et s'étend jusqu'à la piste électrique 625 du substrat 620 en traversant les couches d'isolant électrique. Chaque pied 631 est constitué ici en deux parties, l'une pour maintenir suspendue la planche 61, l'autre qui traverse les couches déposées au-dessus du substrat 620. Le pied 631 peut être constitué d'un métal tel que du cuivre, du tungstène ou du tungstène-silicium.

La figure 6C est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 620 et passant par les bras 632, au niveau de leurs prises de contact respectives avec la planche suspendue 61. La figure 6D est une vue en coupe du pixel 60, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par le centre de la planche suspendue 61.

Comme illustré notamment sur les figures 6C et 6D, l'élément d'absorption 610 se présente ici sous la forme d'un peigne en matériau absorbeur infrarouge. Les figures 6C et 6D montrent les dents du peigne, dans une vue en coupe. La couche à TCR négatif 601 englobe le peigne, en passant notamment entre les dents du peigne. Les dents du peigne s'étendent sur environ la moitié de la surface de la couche à TCR négatif 601.

La couche à TCR négatif 601 est par exemple en silicium amorphe, en VO _x , en c-V0 ₂ , etc. Elle présente une épaisseur comprise entre 20 nm et 200 nm.

L'élément d'absorption 610 est par exemple en TiN.

Sur les figures 6C et 6D, on voit que la couche à TCR négatif 601 englobe en outre des contacts électriques 604, situés chacun dans le prolongement du filament 602 de l'un des bras 632, et destinés à amener le courant jusqu'à la couche à TCR négatif 601.

En fonctionnement, on applique un potentiel électrique (constant ou pulsé) à la couche à TCR négatif, par l'intermédiaire des pieds 631 et des filaments 602 dans les bras 632. La couche à TCR négatif 601 est alors traversée par un courant électrique non nul, circulant d'une piste électrique à l'autre du substrat, en passant par un premier pied 631, un premier filament 602 dans un bras 632, la couche à TCR négatif 601, un second filament 602 dans un bras 632, et un second pied 631.

La couche à TCR négatif 601 présente une résistance électrique, qui est fonction de sa température. Lorsque l'élément d'absorption 610 absorbe un rayonnement infrarouge, la température de l'élément d'absorption 610 augmente, ainsi que la température de la couche à TCR négatif 601 en contact thermique avec l'élément d'absorption 610.

Lorsque la température de la couche à TCR négatif 601 augmente, la résistance électrique de cette dernière diminue, ce qui augmente l'intensité du courant électrique qui circule dans la couche à TCR négatif 601, et donc la puissance dissipée par effet Joule dans la couche à TCR négatif 601.

La puissance dissipée par effet Joule dans la couche à TCR négatif 601 augmente la température de cette dernière, ce qui diminue encore sa résistance électrique, et donc augmente encore l'intensité du courant électrique qui circule dans la couche à TCR négatif 601 et la puissance dissipée par effet Joule dans cette dernière.

On voit donc que par un effet en boucle, l'augmentation en température de la couche à TCR négatif 601 est fortement amplifiée. L'augmentation en température de l'élément d'absorption 610 se trouve ainsi fortement amplifiée également, puisque ce dernier est en contact thermique avec la couche à TCR négatif 601.

On réalise ainsi une amplification d'une élévation en température de l'élément d'absorption 610, qui se traduit par une amplification de l'amplitude de fléchissement de l'élément de déformation mécanique, et donc une amplification d'une variation de signal mesurée au niveau du photo-détecteur.

On remarque que, dans ce mode de réalisation, on peut s'affranchir d'un premier réflecteur dédié pour réfléchir le signal émis par la source lumineuse sous l'élément d'absorption 610. En effet, l'indice optique de la couche à TCR négatif 601 permet d'obtenir une réflexion basée simplement sur une différence d'indice avec un vide ou un milieu gazeux environnant (réflexion de Fresnel, avec un coefficient de réflexion par exemple supérieur ou égal à 30%). Le signal émis par la source lumineuse est donc réfléchi sur une première surface réfléchissante correspondant à une face inférieure de la couche à TCR négatif 601, côté substrat.

Ce mode de réalisation présente l'avantage de réunir la couche à TCR négatif 601 et l'élément d'absorption 610 dans une seule et même planche suspendue.

En fonctionnement, l'élément d'amplification à TCR négatif est traversé par un courant électrique, via l'application d'un potentiel électrique, par exemple statique, entre lesdites au moins deux pistes électriques.

On peut montrer qu'il existe une valeur limite du potentiel appliqué à l'élément d'amplification, au-delà de laquelle le phénomène d'amplification de la variation de température peut s'emballer. En particulier, le potentiel doit rester inférieur à :

avec a le TCR,

G _th la conductivité thermique des bras, et R _boi la résistance électrique de l'élément d'amplification (à une température d'équilibre, avant échauffement).

Dans une alternative illustrée aux figures 7A à 7B, l'élément d'absorption 710 prend la forme d'une plaque, déposée au-dessus de la couche à TRC négatif 701 et séparée de cette dernière par une couche d'isolation électrique 705.

Les figures 7A à 7D ne seront décrites que pour leurs différences relativement aux figures 6A à 6D.

La figure 7A est une vue de dessus du pixel 70, montrant la plaque d'absorption 710, ici de surface légèrement inférieure à celle de la couche d'isolation électrique 705 recouvrant la couche à TRC négatif 701.

La figure 7B est une vue en coupe du pixel 70, identique à la figure 6B.

La figure 7C est une vue en coupe du pixel 70, dans un plan BB' orthogonal au plan du substrat 720 et passant par les bras 732, au niveau de leurs prises de contact respectives avec la couche à TRC négatif 701.

La figure 7D est une vue en coupe du pixel 70, dans un plan CC' parallèle au plan BB' et passant par le centre de la couche à TRC négatif 701.

Selon une autre variante illustrée en figure 8, les éléments sensibles peuvent être entourés par une couche d'encapsulation 808, pour les protéger lors de l'évacuation d'une couche sacrificielle pour former l'élément d'absorption suspendu au-dessus du substrat. Les éléments de déformation mécanique et l'élément d'absorption sont plus particulièrement protégés par l'encapsulation.

Selon une autre variante, non représentée, l'élément d'amplification est formé plutôt d'une couche d'un matériau à transition de phase, qui présente un très fort coefficient de température de résistance autour de la transition de phase (par exemple du V0 ₂ cristallisé). Un matériau à transition de phase forme par exemple un métal ou un semiconducteur, selon sa température, avec un passage brutal de l'un à l'autre.

Le matériau à transition de phase est en contact thermique avec l'élément d'absorption, ainsi qu'avec un élément de régulation thermique (Peltier par exemple) pour maintenir sa température proche de sa température de sa transition de phase. Autour de sa température de transition de phase, le matériau à transition de phase présente une très forte variation de résistivité. Ainsi, une faible de variation de température, induite par l'absorption infrarouge par l'élément d'absorption, se traduit par une très forte variation de résistivité du matériau à transition de phase. En faisant circuler un courant dans le matériau à transition de phase, et de la même façon que décrit ci-dessus, la forte variation de résistivité se traduit par une amplification de la différence de température de l'élément d'absorption, et donc une amplification de la flexion de l'élément de déformation mécanique, et donc une amplification d'une variation de signal détecté par la photodiode.

De nombreuses autres variantes peuvent être mises en œuvre, ayant comme point commun que l'élément d'amplification est en contact thermique avec l'élément d'absorption, de préférence en contact physique direct, et que l'élément d'amplification est relié électriquement à au moins deux pistes électriques du substrat, de préférence via des bras et pieds de soutien de l'élément d'absorption.

Dans tous les exemples ci-avant, l'élément de déformation mécanique déplace conjointement la plaque d'absorption et le premier réflecteur, ce dernier étant accolé à la plaque d'absorption côté substrat.

On comprend cependant qu'il n'est pas nécessaire que l'élément de déformation mécanique soit apte à déplacer la plaque d'absorption. Il suffit qu'il puisse déplacer le premier réflecteur, en réponse à un changement de température. L'invention couvre donc des variantes, non représentées, dans lesquelles le premier réflecteur n'est pas accolé à la plaque d'absorption. L'élément de déformation mécanique reste en contact thermique avec la plaque d'absorption, mais il n'est pas forcément fixé de façon rigide à cette dernière. En revanche, il est toujours fixé de façon rigide au premier réflecteur, d'une part, et au substrat, d'autre part. Par « de façon rigide », on entend sans degré de liberté au niveau de la fixation. Il peut être fixé au substrat ou au premier réflecteur indirectement, par l'intermédiaire par exemple des bras et pieds qui portent la plaque d'absorption en suspension. De la même façon, dans la plupart des exemples développés ci-avant, on a mentionné un premier réflecteur, qui dévie vers le photo-détecteur au moins une partie d'un rayonnement lumineux émis par la source lumineuse. De façon plus générale, on peut parler plutôt d'une première surface réfléchissante, incluant non seulement une couche métallique mais également une interface entre deux milieux d'indices différents permettant d'obtenir une réflexion de Fresnel.

Dans tous les exemples mentionnés ci-avant, on a prévu un unique photo-détecteur et une unique source lumineuse par pixel du dispositif selon l'invention, tous deux de forme carrée. De nombreuses variantes peuvent être mises en œuvre, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, un pixel peut comporter une source lumineuse en forme de bande et des photo-détecteurs ponctuels répartis de part et d'autre de la source lumineuse (de préférence symétriquement de part et d'autre de la bande). En variante, un pixel peut comporter une source lumineuse en forme de bande, et un ou plusieurs photo-détecteurs également en forme de bande. On peut ainsi mesurer une quantité totale de signal plus importante. Selon d'autres variantes, des pixels d'une même ligne de pixels du dispositif selon l'invention peuvent partager une même source lumineuse en forme de bande, qui s'étend selon ladite ligne de pixels. On simplifie ainsi un adressage des pixels du dispositif selon l'invention.

Selon l'invention, c'est la quantité de lumière réfléchie sur un élément suspendu qui donne une information sur le contraste thermique de la scène. Cette solution offre de nombreux avantages au regard de l'art antérieur, notamment en termes de compacité et de simplicité de l'agencement (pas de système optique complexe déporté). Si l'on compare au domaine des bolomètres, l'invention offre également de nombreux avantages, en particulier:

- une immunité vis-à-vis de l'éblouissement solaire, au contraire d'une détection utilisant une thermistance qui peut garder une empreinte après un chauffage à haute température ;

- un processus de fabrication simplifié, en l'absence de connexion électrique entre le substrat et la plaque d'absorption suspendue ; - l'absence d'un matériau thermomètre accolé contre la plaque d'absorption, ce dernier pouvant être un contaminant micro-électrique.

Selon l'invention, on mesure un rayonnement. Il n'y a pas de contact physique direct entre une surface de contact et un objet à imager, ni de système de chauffage. Le premier réflecteur ne comporte pas d'ouverture en vis-à-vis de la source lumineuse.

L'invention trouve à s'appliquer dans de nombreux domaines : imagerie infrarouge, thermographie, capteurs infrarouges, détection de gaz par mesure de l'absorption optique dans le spectre infrarouge, détection ou reconnaissance d'éléments (personnes ou objets), détection ou reconnaissance de mouvements dans le spectre infrarouge (par exemple pour réaliser une détection de l'activité de personnes), etc.