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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS et DETECTEURS OPTIQUES
deuxième partie (2/4): les capteurs thermiques

le bolomètre
les IR à basse température
capteur pyroélectrique
l'emploi des ferroélectriques
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On distingue deux types principaux de détecteurs utilisant l'effet thermique pour caractériser la quantité de radiation reçue : ceux à effet bolométrique et ceux à effet pyroélectrique.

bolomètre

Le bolomètre utilise la variation de résistivité du matériau, induite par la variation de sa température, résultant d' absorption de rayonnement. On utilise principalement des thermistances ou des semi conducteurs dans des conditions cryogéniques.

L'emploi de la thermistance est semblable à son emploi en tant que capteur de température à la différence près qu'ici ce n'est pas la température de l'environnement du capteur que l'on veut identifier mais la variation de sa température due à l'absorption d'énergie rayonnante. Les ordres de grandeur ne sont pas les mêmes et les problèmes de constantes de temps et d'échange par conduction à travers le substrat deviennent prépondérants. On doit donc réaliser des dispositifs de compensation et le plus souvent on comparera dans un pont deux éléments identiques:
En outre on procédera de manière pulsée, c'est à dire que le détecteur de rayonnement ne sera soumis à ce dernier que périodiquement. Typiquement on choisira un temps d'exposition équivalent au temps mis pour l'énergie lumineuse à atteindre le substrat support de la couche sensible du détecteur.
Dans ces conditions le signal fourni est
Vs = E V[1-exp(- t /)] / 2C
  • où E est l'impulsion d'énergie irradiante,
  • est le coefficient de température de la thermistance
  • t le temps,
  • la constante de temps de la réponse thermique supposée identique à la durée de l'exposition.
  • C étant le taux de transfert par conduction de la couche sensible vers son substrat (en W/s).
    •
Pour la détection des IR (applications essentiellement militaires et astronomiques pour les IR lointains) on utilise des bolomètres cryogéniques, c'est à dire typiquement des détecteurs en Ge dopé au Ga et maintenus à 4K. Leur intérêt est une très grande sensibilité et une très bonne reproductibilité.

effet pyroélectrique

Certains cristaux possèdent la propriété intéressante de se polariser spontanément, ce qui peut aisément être mesuré en tant que ddp via deux électrodes qui leur sont liées. C'est le cas, par exemple, du LiNbO3, du PLZT et de nombre de cristaux ferroélectriques. Cependant, à température constante, la distribution de charge interne est neutralisée par les électrons libres et les potentiels de surface de telle sorte qu'aucune ddp n'est mesurée. Par contre, si la température est rapidement modifiée, les moments des dipôles internes changent ce qui se traduit par l'apparition d'une ddp transitoire. Cet effet pyroélectrique peut être exploité pour détecter des radiations modulées en travaillant à la température ambiante.

Les détecteurs pyroélectriques sont en fait de type capacitif. Une radiation incidente modulée va donc se traduire par une variation de température T elle même alternative s'accompagnant d'une variation de charge Q telle que Q = p A T où p est le coefficient pyroélectrique du matériau et A la surface irradiée. Le photocourant est évidemment i = dQ/dt
En utilisant des matériaux à coefficient p élevé et un processus d'intégration, tel celui du montage ci-dessus, on obtient une très grande sensibilité (ordre de grandeur 10-8 W/cm2 détectable à une fréquence de 1000 Hz)