FR3087006A1 - Dispositif de detection pyroelectrique a membrane suspendue - Google Patents
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Abstract
Dispositif (100) de détection pyroélectrique, comprenant un empilement comportant au moins : - une membrane (104) suspendue ; - un élément (112) de détection pyroélectrique disposé sur la membrane (104) suspendue ou formant au moins une partie de la membrane (104) suspendue, et comprenant au moins une portion (116) de matériau pyroélectrique disposée entre des première et deuxième électrodes (114, 118) ; et dans lequel l'empilement est configuré tel que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans la portion (116) de matériau pyroélectrique.
Description
DISPOSITIF DE DETECTION PYROELECTRIQUE A MEMBRANE SUSPENDUE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L'invention porte sur un dispositif de détection pyroélectrique à membrane suspendue, ainsi qu'un procédé de réalisation d'un tel dispositif. L'invention s'applique avantageusement au domaine de la détection infrarouge (IR), pour réaliser par exemple une détection de gaz ou pour former un imageur infrarouge servant par exemple à réaliser une détection de mouvement ou une détection de présence.
Dans un dispositif de détection pyroélectrique tel qu'un dispositif de détection infrarouge, un rayonnement infrarouge reçu par un matériau pyroélectrique du dispositif induit un changement de température de ce matériau. Ce changement de température entraîne une variation de polarisation du matériau pyroélectrique, créant la circulation d'un courant électrique à travers ce matériau et permettant d'obtenir, à la sortie du dispositif, une tension.
Le matériau pyroélectrique présente une polarisation spontanée dont l'amplitude varie en fonction de la température. Une variation de charges électriques peut donc être mesurée lorsque l'intensité du flux infrarouge reçu varie.
La réalisation d'un tel dispositif de détection pyroélectrique repose sur des procédés technologiques classiquement utilisés pour fabriquer des dispositifs MEMS (microsystème électromécanique). Le substrat utilisé comporte généralement du silicium mais d'autres matériaux peuvent être utilisés (verre, saphir, substrat souple en polymère, etc.).
Afin d'avoir une bonne isolation thermique entre le matériau pyroélectrique et le substrat, et limiter ainsi les pertes par conduction thermique à travers le substrat, il est possible de graver le substrat pour former une membrane suspendue sur laquelle repose le matériau pyroélectrique. Le document « Pyroelectric thin film sensor array » de M. Kohli, Sensors and Actuators A : Physical, vol. 60, Issues 1-3, pages 147-153, Mai 1997, décrit un dispositif de détection infrarouge ainsi réalisé.
Dans le document « Design, fabrication and characterization of pyroelectric thin film and its application for infrared gas sensors » de T. Qiu-Lin et al, Microelectronics Journal, vol. 40, Issue 1, pages 58-62, Janvier 2009, il est décrit qu'un problème lié à ce type de dispositif comprenant un matériau pyroélectrique disposé sur une membrane suspendue réside dans sa sensibilité aux contraintes et aux vibrations mécaniques car tous les matériaux pyroélectriques sont également piézoélectriques. Un courant parasite est donc généré dans le matériau pyroélectrique à cause des contraintes et des vibrations mécaniques subies par le dispositif en raison des propriétés piézoélectriques du matériau pyroélectrique. La génération d'un tel courant parasite est appelée effet microphonique ou microphonie. Les variations de la température ambiante et de la luminosité auxquelles le détecteur est exposé peuvent générer également un signal parasite qui se superpose au signal de tension de sortie du détecteur correspondant à la mesure réalisée.
Une réponse possible à ces problèmes qui est proposée dans ce document est de réaliser, sur la membrane suspendue, deux éléments de détection pyroélectrique disposés côte à côte sur la membrane suspendue, formant deux empilements comprenant chacun une portion de matériau pyroélectrique disposée entre une électrode avant et une électrode arrière, de dimensions identiques et reliés électriquement en série l'un à l'autre par leurs électrodes avant. Dans cette configuration, le dispositif est peu sensible aux interférences de mode commun telles que la sensibilité à l'accélération provoquée par la vibration mécanique, car les directions de la polarisation induite dans les deux éléments de détection sont opposées. Un tel dispositif permet donc d'améliorer la capacité de détection. Toutefois, cette amélioration de la capacité de détection nécessite la réalisation de deux éléments de détection côte à côte, ce qui est encombrant et coûteux à réaliser.
Dans le document « Pyroelectric devices and materials » de R. Whatmore, Rep. Prog. Phys. 49 (1986), pages 1335-1386, d'autres solutions sont également proposées pour minimiser le bruit lié à cet effet piézoélectrique dans les dispositifs de détection infrarouge à matériau pyroélectrique. Chacune des différentes solutions proposées dans ce document présente toutefois au moins l'un des inconvénients suivants :
- besoin d'un packaging très rigide dans lequel le détecteur pyroélectrique est disposé ;
- besoin d'utiliser une structure de compensation ;
- besoin de suspendre le détecteur sur un film polymère qui tendrait à découpler le détecteur vis-à-vis des déformations liées au packaging ;
- besoin d'utiliser un matériau pyroélectrique présentant des faibles coefficients piézoélectriques.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de détection pyroélectrique permettant d'éviter ou réduire les courants parasites générés par effet microphonique et ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur exposés ci-dessus.
Pour cela, il est proposé un dispositif de détection pyroélectrique, comprenant un empilement comportant au moins :
- une membrane suspendue ;
- un élément de détection pyroélectrique disposé sur la membrane suspendue ou formant au moins une partie de la membrane suspendue, et comprenant au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre des première et deuxième électrodes ;
et dans lequel l'empilement est configuré tel que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans la portion de matériau pyroélectrique.
Il est donc proposé une structure membrane pyroélectrique à base de matériau piézoélectrique qui permette de réduire voire éliminer le bruit piézoélectrique, c'est-à-dire les charges électriques générées par effet piézoélectrique direct lorsque la membrane vibre (sous l'effet d'un choc par exemple). Pour cela, l'empilement formé de la membrane suspendue et de l'élément de détection pyroélectrique est configuré tel que la position de la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans la portion de matériau pyroélectrique. Un tel positionnement de la ligne neutre de l'empilement permet de diminuer voire annuler le moment de flexion piézoélectrique auquel est soumis le matériau pyroélectrique lorsque la membrane est soumise à des contraintes ou des vibrations mécaniques, ce qui réduit ou supprime les courants parasites générés. Les charges électriques éventuellement générées par un choc sont idéalement nulles ou en tout cas très faibles voire négligeables.
La ligne neutre, également appelée axe neutre ou plan neutre ou fibre neutre, d'un empilement désigne la ligne (ou l'axe ou le plan) au niveau de laquelle, en cas de flexion, la contrainte mécanique et la variation de dimension (par exemple la variation de longueur) sont nulles.
La ligne neutre de l'empilement est positionnée dans la portion de matériau pyroélectrique, ce qui signifie que la ligne neutre de l'empilement passe par la portion de matériau pyroélectrique, ou est disposée à un niveau inclus dans la portion de matériau pyroélectrique.
Le dispositif de détection pyroélectrique peut correspondre à un capteur pyroélectrique infrarouge, utilisé par exemple pour réaliser une détection de gaz, ou un imageur infrarouge.
La membrane suspendue, qui comprend par exemple une ou plusieurs couches dite(s) élastique(s), permet la tenue mécanique de l'élément de détection pyroélectrique.
L'élément de détection pyroélectrique forme un condensateur à base de matériau pyroélectrique disposé entre deux électrodes.
Dans l'ensemble du document, le terme « sur » est utilisé sans distinction de l'orientation dans l'espace de l'élément auquel ce rapporte ce terme. Par exemple, dans la caractéristique « un élément de détection pyroélectrique disposé sur la membrane suspendue », la face de la membrane sur laquelle l'élément de détection pyroélectrique est disposé n'est pas nécessairement orientée vers le haut mais peut correspondre à une face orientée selon n'importe quelle direction. En outre, la disposition d'un premier élément sur un deuxième élément doit être comprise comme pouvant correspondre à la disposition du premier élément directement contre le deuxième élément, sans aucun élément intermédiaire entre les premier et deuxième éléments, ou bien comme pouvant correspondre à la disposition du premier élément sur le deuxième élément avec un ou plusieurs éléments intermédiaires disposés entre les premier et deuxième éléments.
Dans le dispositif de détection pyroélectrique, la membrane est qualifiée de suspendue car elle comporte une ou plusieurs parties, par exemple des bords, solidaires d'une partie fixe du dispositif, et une ou plusieurs autres parties, disposée entre les bords de la membrane, mobile vis-à-vis de cette partie fixe du dispositif. Selon un autre exemple de réalisation, la membrane peut être suspendue par des bras, c'est-à-dire que la membrane est solidaire de la partie fixe (formée par exemple par un substrat) de manière discontinue.
Le dispositif de détection pyroélectrique est par exemple de type MEMS (microsystème électromécanique) ou NEMS (nanosystème électromécanique).
La membrane comporte une ou plusieurs couches de matériaux.
L'empilement peut être configuré tel que la ligne neutre de l'empilement passe par le milieu, ou le centre, de la portion de matériau pyroélectrique (c'est-à-dire passe par un niveau se trouvant à égale distance de faces supérieure et inférieure de la portion de matériau pyroélectrique) et/ou que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans, ou passe par, une partie centrale de la portion de matériau pyroélectrique dont l'épaisseur correspond à environ 10 % ou moins de 10 % de l'épaisseur totale de la portion de matériau pyroélectrique.
Selon un premier mode de réalisation, l'élément de détection pyroélectrique peut être disposé sur la membrane suspendue qui comporte au moins une couche de matériau distincte de l'élément de détection pyroélectrique.
Dans ce cas, la couche de matériau de la membrane suspendue peut comporter du S1O2 et/ou du Si et/ou du Si N.
Selon un deuxième mode de réalisation, la membrane suspendue peut faire partie de l'élément de détection pyroélectrique et être formée au moins par la première électrode sur laquelle repose la portion de matériau piézoélectrique.
Le dispositif peut comporter en outre un substrat dans lequel est formée au moins une cavité, la membrane pouvant comporter des bords solidaires du substrat et au moins une partie suspendue disposée en regard de la cavité. Le substrat fait dans ce cas partie de la partie fixe du dispositif à laquelle la membrane est suspendue.
L'élément de détection pyroélectrique peut comporter un corps noir formé par la deuxième électrode qui est configurée pour recevoir un rayonnement infrarouge incident destiné à être détecté par le dispositif et/ou par une portion de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge telle que la deuxième électrode soit disposée entre la portion de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge et la portion de matériau pyroélectrique.
Ainsi, la deuxième électrode peut servir à la fois d'électrode et d'absorbeur de rayonnement infrarouge. Le matériau de la deuxième électrode peut être différent de celui de la première électrode, et/ou l'épaisseur de la deuxième électrode peut être différente de celle de la première électrode, notamment lorsque la deuxième électrode sert à la fois d'électrode et d'absorbeur de rayonnement infrarouge. Par exemple, la première électrode peut comporter du platine, et la deuxième électrode peut comporter un matériau configuré pour que la deuxième électrode remplisse les fonctions d'électrode et d'absorbeur de rayonnement infrarouge, comme par exemple du Ni, du Ni-Cr ou du TiN.
Le corps noir correspond à un élément absorbant l'énergie électromagnétique reçue par le dispositif de détection pyroélectrique.
Le matériau absorbeur de rayonnement infrarouge peut comporter du TiN et/ou du Ni-Cr et/ou du Ni et/ou du métal noir (noir de platine, or noir,...).
Le dispositif peut être tel que :
- le matériau pyroélectrique correspond à au moins l'un des matériaux suivants : PZT (Titano-Zirconate de Plomb, ou Pb(Zrx,Tii_x)O3), PZT dopé (Mn, La, Nb,...), AIN, KNN ((K, Na)NbO3), NBT-BT ((l-x)Na0,5Bio,5Ti03- xBaTiO3), PMN-PT (Pb(Mgi/3Nb2/3)O3PbTiCh), LTO (Tantalate de lithium, ou LiTaCh), LNO (Niobate de lithium, ou LiNbCh), PVDF, et/ou
- la première électrode comporte un métal (avantageusement du platine, notamment lorsque le matériau pyroélectrique comporte du PZT car le platine permet dans ce cas d'assurer une bonne croissance du matériau PZT) et/ou un oxyde métallique, et/ou
- la deuxième électrode comporte au moins l'un des matériaux suivants : Pt, Ru, Ir, TiW, Au, Ni, Ni-Cr, TiN.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif de détection pyroélectrique, comportant au moins :
- réalisation d'un empilement comportant au moins une membrane suspendue et un élément de détection pyroélectrique tel qu'il soit disposé sur la membrane suspendue ou qu'il forme au moins une partie de la membrane suspendue, et comprenant au moins une portion de matériau pyroélectrique disposée entre des première et deuxième électrodes ;
et dans lequel l'empilement est configuré tel que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans la portion de matériau pyroélectrique.
A titre d'exemple, pour un empilement de type poutre encastrée, la position z de la ligne neutre de l'empilement, qui est considéré comme un empilement successif de n couches de matériau, peut être définie par l'équation suivante :
ΣΓ=1 /ιή - 2 ΣΓ=1 h,} Σhj z =---,--------r---------------2yn I wi jA
Zji=i le . J avec w, correspondant à la largeur, ou au diamètre, de la poutre formée par la ième couche de l'empilement ;
Su,, correspondant au coefficient d'élasticité du matériau de la ième couche de l'empilement ;
h, correspondant à l'épaisseur de la ième couche de l'empilement ;
hj correspondant à l'épaisseur de la jème couche de l'empilement ;
et dans lequel, avant la réalisation de l'empilement, les dimensions et les matériaux de chacun des éléments formant l'empilement sont choisis tels que la position z de la ligne neutre de l'empilement soit localisée dans la portion de matériau pyroélectrique.
Cette position z de la ligne neutre de l'empilement correspond à une hauteur définie depuis la base de l'empilement.
Lorsque l'empilement a une géométrie de type disque encastré, la dimension w, peut correspondre au rayon du disque formé par la ième couche de l'empilement.
De manière générale, notamment lorsque l'empilement a une géométrie plus complexe que celle d'une poutre encastrée ou d'un disque encastré et que des formules analytiques ne sont pas disponibles, la position z de la ligne neutre de l'empilement peut être déterminée en utilisant une méthode de calcul par éléments finis.
Dans l'équation ci-dessus, l'épaisseur d'une couche correspond à la dimension de cette couche qui est sensiblement perpendiculaire aux interfaces entre les couches.
Le coefficient d'élasticité d'un matériau correspond à l'inverse du module d'Young de ce matériau, et peut être exprimé en GPa_1.
Selon un premier mode de réalisation, la membrane suspendue peut être obtenue en réalisant, sur un substrat, au moins une couche de matériau destinée à former la membrane suspendue, puis en réalisant, après la réalisation de l'élément de détection pyroélectrique sur la couche de matériau, au moins une cavité dans le substrat, libérant au moins une partie de la membrane qui se retrouve suspendue en regard de la cavité.
Dans ce cas, la couche de matériau peut être réalisée par oxydation thermique du substrat qui comporte au moins un semi-conducteur, et/ou par dépôt de S1O2 sur le substrat.
De plus, la réalisation de l'élément de détection pyroélectrique peut comporter la mise en œuvre des étapes suivantes :
- réalisation d'au moins une première couche d'électrode sur la couche de matériau ;
- réalisation d'au moins une couche du matériau pyroélectrique sur la première couche d'électrode ;
- réalisation d'au moins une deuxième couche d'électrode sur la couche du matériau pyroélectrique ;
- structuration de chacune des première et deuxième couches d'électrodes et de la couche du matériau pyroélectrique telle que des portions restantes de ces couches forment l'élément de détection pyroélectrique.
Selon un deuxième mode de réalisation, la membrane suspendue peut être obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :
- réalisation, sur un substrat, d'au moins une première couche d'électrode ;
- réalisation d'au moins une couche du matériau pyroélectrique sur la première couche d'électrode ;
- réalisation d'au moins une deuxième couche d'électrode sur la couche de matériau pyroélectrique ;
- structuration de la deuxième couche d'électrode et de la couche du matériau pyroélectrique telle que des portions restantes de la deuxième couche d'électrode et de la couche du matériau pyroélectrique forment, avec la première couche d'électrode, l'élément de détection pyroélectrique ;
- réalisation d'au moins une cavité dans le substrat, libérant au moins une partie de la première couche d'électrode qui se retrouve suspendue en regard de la cavité.
Le procédé peut comporter en outre, entre l'étape de dépôt de la deuxième couche d'électrode et l'étape de structuration, une étape de dépôt d'au moins une couche de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge sur la deuxième couche d'électrode, et l'étape de structuration peut également être mise en œuvre pour la couche de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge telle qu'une portion restante de cette couche de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge disposée sur la deuxième électrode fasse partie d'un corps noir de l'élément de détection pyroélectrique.
La deuxième couche d'électrode peut comporter une épaisseur et un matériau tels que la deuxième électrode fasse partie du corps noir de l'élément de détection pyroélectrique.
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 :
- la figure 1 représente un dispositif de détection pyroélectrique selon un premier mode de réalisation ;
- les figures 2 et 3 représentent des étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif de détection pyroélectrique selon le premier mode de réalisation ;
- la figure 4 représente un dispositif de détection pyroélectrique selon un deuxième mode de réalisation.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère à la figure 1 qui représente un dispositif 100 de détection pyroélectrique selon un premier mode de réalisation.
Le dispositif 100 comporte un substrat 102. Le substrat 102 comporte avantageusement du semi-conducteur, par exemple du silicium.
Le dispositif 100 comporte également une membrane suspendue 104. Dans le premier mode de réalisation décrit ici, la membrane 104 comporte une ou plusieurs couches 105 dites élastiques comprenant au moins l'un des matériaux suivants : S1O2, Si, SiN. La membrane 104 est qualifiée de suspendue car elle comporte des bords 106, ou extrémités, solidaires du substrat 102, et une partie 108 libre, c'est-à-dire qui n'est pas en contact avec le substrat 102, disposée en regard d'une cavité 110 formée à travers le substrat 102. Par exemple, la membrane 104 peut être formée par une couche 105 de S1O2, ou un bicouche SiOz/SiN, dont l'épaisseur est par exemple comprise entre environ 10 nm et 100 pm.
En variante, il est possible que la membrane 104 soit suspendue au substrat 102 par l'intermédiaire de bras par exemple formés par des portions de matériau s'étendant entre certaines parties de la membrane 104 et la partie fixe du substrat 102.
Le dispositif 100 comporte également un élément de détection pyroélectrique 112 disposé sur la membrane 104. La membrane 104 assure la tenue mécanique de l'élément 112. Cet élément 112 comporte :
- une électrode inférieure 114, également appelée première électrode ;
- une portion 116 de matériau pyroélectrique ;
- une électrode supérieure 118, également appelée deuxième électrode ;
- une portion 120 de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge.
L'électrode inférieure 114 est disposée sur la membrane 104. La portion 116 de matériau pyroélectrique est disposée entre les électrodes inférieure et supérieure 114, 118. La portion 120 de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge est disposée sur l'électrode supérieure 118.
L'électrode inférieure 114 comporte avantageusement du platine, ce qui facilite la croissance du matériau pyroélectrique de la portion 116 lors de sa réalisation. De manière plus générale, l'électrode inférieure 114 peut comporter un métal et/ou un oxyde métallique. L'électrode supérieure 118 comporte par exemple au moins l'un des matériaux suivants : Pt, Ru, Ir, TiW, Au. Chacune des électrodes inférieure 114 et supérieure 118 a une épaisseur par exemple comprise entre environ 2 nm et 500 nm. Bien que non visible, une couche d'adhésion peut être disposée entre la membrane 104 et l'électrode inférieure 114. Cette couche d'adhésion comprend par exemple du TiCL ou tout autre matériau adapté pour que l'électrode inférieure 114 adhère bien à la membrane 104, et a par exemple une épaisseur comprise entre environ 2 nm et 40 nm.
La portion 116 de matériau pyroélectrique comporte avantageusement du PZT, mais peut comporter plus généralement au moins l'un des matériaux suivants : PZT, AIN, KNN, NBT-BT, PMN-PT, LTO, LNO, PVDF. Le PZT peut être dopé, par exemple avec du Nb, du Mn ou du La. L'épaisseur de la portion 116 de matériau pyroélectrique est par exemple comprise entre environ 50 nm et 2 μιτι.
La portion 120 de matériau absorbeur comporte au moins l'un des matériaux suivants : TiN et/ou du Ni-Cr et/ou du Ni et/ou du métal noir (noir de platine, or noir, ...). L'épaisseur de la portion 120 est par exemple comprise entre environ 1 nm et 5 μιτι.
Le matériau pyroélectrique de la portion 116 étant aussi piézoélectrique, il peut générer des charges par effet piézoélectrique direct, par exemple sous l'effet d'une contrainte mécanique, d'un choc, voire lors d'un changement de température entraînant une déformation de ce matériau. Ces charges peuvent parasiter le fonctionnement d'un élément de détection pyroélectrique car elles vont s'ajouter aux charges générées par l'effet pyroélectrique lors de la détection d'un rayonnement incident par cet élément.
Pour éviter la génération de ces charges parasites, ou du moins les réduire, l'empilement formé de la membrane 104 et de l'élément 112 est configuré tel que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans la portion 116.
Le calcul de la position de la ligne neutre dans un empilement multi couches est par exemple donné dans le document « Modelling of non-symmetric piezoelectric bimorphs » de Michel Brissaud, J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 15071518, ou dans l'ouvrage « Piezoelectric multilayer beam bending actuators » de Rüdiger G. Ballas, pp. 51-54.
La position z de la ligne neutre de l'empilement, formé de la membrane 104 et de l'élément 112, et qui est considéré comme un empilement successif de n couches de matériau et de type poutre encastrée, est définie par l'équation suivante :
Σ=ι (Atf) - 2 Σ=ι \ûn,i / \ûn,i / J
Z =--------r-----------2yn [ wi fo. |
Zj(.= 1 ç . J \°ll,l / avec Wi correspondant à la largeur de la ième couche de l'empilement ;
Su,, correspondant au coefficient d'élasticité du matériau de la ième couche de l'empilement ;
h, correspondant à l'épaisseur de la ième couche de l'empilement ;
hj correspondant à l'épaisseur de la jème couche de l'empilement.
Le coefficient d'élasticité Su d'un matériau est égal à l'inverse du module d'Young E de ce matériau.
La position z de la ligne neutre est exprimée par l'équation ci-dessus comme correspondant à une distance par rapport à la base de l'empilement. Sur la figure 1, la position z de la ligne neutre est représentée positionnée dans la portion 116, c'est-àdire correspond à un niveau passant par la portion 116, et la base de l'empilement par rapport à laquelle cette position est calculée correspond à la face inférieure de la membrane 104 (face opposée à celle sur laquelle se trouve l'élément 112) et qui forme l'interface entre la membrane 104 et le substrat 102.
En positionnant la ligne neutre dans la portion 116, il n'y a pas ou peu de charges générées par effet piézoélectrique direct, c'est-à-dire engendrées par l'application d'une contrainte mécanique sur la portion 116, car le moment de flexion dans la portion 116 est nul ou très faible. Le moment de flexion piézoélectrique peut être exprimé par l'équation suivante :
Mx = My = M = aptphe/f avec σρ correspondant à la contrainte piézoélectrique dans le plan, tp correspondant à l'épaisseur de la couche piézoélectrique et heff correspondant à la distance entre le centre de la portion 116 et la ligne neutre de l'empilement.
De manière avantageuse, la ligne neutre de l'empilement passe par le milieu, ou le centre, de la portion 116. Ainsi, la valeur de heff est nulle, et le moment de flexion piézoélectrique l'est également. En variante, il est également possible que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans une partie centrale de la portion de matériau pyroélectrique dont l'épaisseur correspond à environ 10 % ou moins de 10 % de l'épaisseur totale de la portion de matériau pyroélectrique, ce qui réduit très fortement le moment de flexion, et donc également le nombre de charges électriques générées par effet piézoélectrique direct.
Un exemple d'un procédé de réalisation du dispositif 100 est décrit cidessous en lien avec les figures 2 et 3.
Comme représenté sur la figure 2, une (ou plusieurs) couche 105 de matériau destinée à former la membrane suspendue est réalisée sur une face avant 103 du substrat 102. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, le substrat 102 comporte du silicium et la couche 105 comporte du S1O2. Selon un premier exemple, la couche 105 peut être réalisée par oxydation thermique depuis la face avant 103 du substrat 102. Selon un deuxième exemple, la couche 105 peut être formée par un dépôt, par exemple PECVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma), de S1O2, avantageusement suivi d'une densification correspondant par exemple à un recuit dans un four sous oxygène, à une température par exemple égale à environ 800°C et pendant une durée égale à environ 3 heures.
Au moins une première couche d'électrode 122 destinée à former l'électrode inférieure 114 est ensuite déposée sur la couche 105. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, la première couche d'électrode 122 comporte du platine. De manière avantageuse, le dépôt de cette première couche d'électrode 122 est précédé d'un dépôt d'une couche d'accroche (non visible sur la figure 2) correspondant par exemple à une couche de T1O2 déposée sur la couche 105, la première couche d'électrode 122 étant ensuite déposée sur cette couche d'accroche.
Au moins une couche 124 du matériau pyroélectrique destinée à former la portion 116 de matériau pyroélectrique est ensuite déposée sur la première couche d'électrode 122. Cette couche 124 est par exemple formée par un procédé de type sol-gel ou par pulvérisation cathodique ou encore par ablation laser pulsé.
Au moins une deuxième couche d'électrode 126, comprenant par exemple du platine, destinée à former l'électrode supérieure 118 est ensuite déposée sur la couche 124.
Une couche 128 de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge destinée à former la portion 120 est ensuite déposée sur la deuxième couche d'électrode 126.
Une structuration de chacune des couches 122, 124, 126 et 128 est ensuite mise en œuvre, par exemple par lithographie, gravure et stripping, telle que les portions restantes 114,116,118 et 120 de ces couches forment l'élément 112 de détection pyroélectrique (voir figure 3).
Le dispositif 100 est achevé en formant, depuis une face arrière 107 du substrat 102, la cavité 110 permettant de libérer la partie 108 de la membrane 104. Cette gravure correspond par exemple à une gravure ionique réactive profonde (DRIE). Le dispositif 100 obtenu correspond à celui représenté sur la figure 1.
Préalablement à la mise en œuvre des étapes décrites ci-dessus en lien avec les figures 2 et 3, il convient de choisir judicieusement les matériaux et les dimensions des différents éléments qui formeront la membrane 104 et l'élément 112. Le choix des matériaux constituant l'empilement (membrane 104 + élément 112) se fait suivant la fonctionnalité (pyroélectrique, électrodes, absorbeur IR, mécanique) et les performances associées. Il est ensuite possible d'ajuster les épaisseurs de couches destinées à former ces différents éléments afin de positionner la ligne neutre dans la portion piézoélectrique 116, et idéalement au milieu de celle-ci. Un exemple d'empilement (matériau et épaisseur) permettant d'avoir la ligne neutre au milieu de la portion 116 est donné ci-dessous :
Absorbeur 120 :100 nm de TiN (E= 357 GPa) ;
Electrode supérieure 118 : 10 nm de Pt (E=180 GPa) ;
Portion pyroélectrique 116 : 1 pm de PZT (E= 80 GPa) ;
Electrode inférieure 114 : 50 nm de Pt (E= 180 GPa) ;
Couche 105 : 300 nm de SiO2 (E= 70 GPa).
Dans le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la largeur (dimension selon l'axe X représenté sur la figure 1), ou le diamètre, de l'élément 112 est inférieure à celle de la cavité 110. Les bords de l'élément 112 ne reposent pas sur le substrat 102 et sont disposés en regard de la cavité 110 et non du substrat 102. Cette configuration est avantageuse car elle permet d'obtenir une bonne isolation thermique de l'élément 112 vis-à-vis du substrat 102.
En variante, il est toutefois possible que la largeur, ou le diamètre, de l'élément 112 soit supérieure à celle de la cavité 110. Dans ce cas, les bords de l'élément 112 reposent sur le substrat 102 et sont disposés en regard du substrat 102.
Dans le premier mode de réalisation précédemment décrit, le dispositif 100 comporte un élément absorbeur formé par la portion 120. En variante, il est possible que l'électrode supérieure 118 serve d'élément absorbeur de rayonnement infrarouge. Dans ce cas, l'électrode supérieure 118 comporte avantageusement du Ni et/ou du NiCr et/ou du TiN.
Un dispositif 100 de détection pyroélectrique selon un deuxième mode de réalisation est décrit ci-dessous en lien avec la figure 4.
Par rapport au dispositif 100 selon le premier mode de réalisation précédemment décrit, le dispositif 100 selon le deuxième mode de réalisation ne comporte pas la couche 105 servant à former la membrane 104. Dans ce deuxième mode de réalisation, la couche formant l'électrode inférieure 114 forme également la membrane 104. En variante, il est possible que d'autres parties de l'élément 112 (portion 116 et/ou électrode supérieure 118) forment la membrane 104.
Comme dans le premier mode de réalisation, la ligne neutre de l'empilement réalisé sur le substrat 102 est positionnée dans la portion 116. Dans ce deuxième mode de réalisation, la position de la ligne neutre est définie par rapport à la surface inférieure de l'électrode inférieure 114 qui est en contact avec le substrat 102. Un exemple d'empilement (matériau et épaisseur) selon ce deuxième mode de réalisation permettant d'avoir la ligne neutre au milieu de la portion 116 est donné ci-dessous :
Absorbeur 120 : 50 nm de TiN (E= 357 GPa)
Electrode supérieure 118 : 100 nm de Pt (E=180 GPa)
Portion pyroélectrique 116 : 1 pm de PZT (E= 80 GPa)
Electrode inférieure 114 : 200 nm de Pt (E= 180 GPa)
Les différentes variantes décrites précédemment en lien avec le premier mode de réalisation peuvent s'appliquer à ce deuxième mode de réalisation.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (100) de détection pyroélectrique, comprenant un empilement comportant au moins :- une membrane (104) suspendue ;- un élément (112) de détection pyroélectrique disposé sur la membrane (104) suspendue ou formant au moins une partie de la membrane (104) suspendue, et comprenant au moins une portion (116) de matériau pyroélectrique disposée entre des première et deuxième électrodes (114,118) ;et dans lequel les matériaux et les dimensions de chacun des éléments (104, 112) de l'empilement sont choisis tels que la position de la ligne neutre de l'empilement soit localisée dans la portion (116) de matériau pyroélectrique.
- 2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel l'empilement est configuré tel que la ligne neutre de l'empilement passe par le milieu de la portion (116) de matériau pyroélectrique et/ou que la ligne neutre de l'empilement soit positionnée dans une partie centrale de la portion (116) de matériau pyroélectrique dont l'épaisseur correspond à environ 10 % ou moins de 10 % de l'épaisseur totale de la portion (116) de matériau pyroélectrique.
- 3. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément (112) de détection pyroélectrique est disposé sur la membrane (104) suspendue qui comporte au moins une couche (105) de matériau distincte de l'élément (112) de détection pyroélectrique.
- 4. Dispositif (100) selon la revendication 3, dans lequel la couche (105) de matériau de la membrane (104) suspendue comporte du S1O2 et/ou du Si et/ou du SiN.
- 5. Dispositif (100) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la membrane (104) suspendue fait partie de l'élément (112) de détection pyroélectrique et est formée au moins par la première électrode (114) sur laquelle repose la portion (116) de matériau piézoélectrique.
- 6. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un substrat (102) dans lequel est formée au moins une cavité (110), la membrane (104) comprenant des bords (106) solidaires du substrat (102) et au moins une partie (108) suspendue disposée en regard de la cavité (110).
- 7. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément (112) de détection pyroélectrique comporte un corps noir formé par la deuxième électrode (118) qui est configurée pour recevoir un rayonnement infrarouge incident destiné à être détecté par le dispositif (100) et/ou par une portion (120) de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge telle que la deuxième électrode (118) soit disposée entre la portion (120) de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge et la portion (116) de matériau pyroélectrique.
- 8. Dispositif (100) selon la revendication 7, dans lequel le matériau absorbeur de rayonnement infrarouge comporte du TiN et/ou du Ni-Cr et/ou du Ni et/ou du métal noir.
- 9. Procédé de réalisation d'un dispositif (100) de détection pyroélectrique, comprenant au moins :- réalisation d'un empilement comportant au moins une membrane (104) suspendue et un élément (112) de détection pyroélectrique tel qu'il soit disposé sur la membrane (104) suspendue ou qu'il forme au moins une partie de la membrane (104) suspendue, et comprenant au moins une portion (116) de matériau pyroélectrique disposée entre des première et deuxième électrodes (114,118) ;et dans lequel les matériaux et les dimensions de chacun des éléments (104, 112) de l'empilement sont choisis tels que la position de la ligne neutre de l'empilement soit localisée dans la portion (116) de matériau pyroélectrique.
- 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel, lorsque l'empilement est de type poutre encastrée, une position z de la ligne neutre de l'empilement, qui est considéré comme un empilement successif de n couches de matériau, est définie par l'équation suivante :Σ=ι - 2 Σ=ι(ΑΛι) Σι,, Λ, \ûll,i / \Ρ11,ί / JZ =---,--------r---------------2yn [ wi ft.]Zji=i le . 'η I avec Wi correspondant à la largeur ou au diamètre de la poutre formée par la ième couche de l'empilement ;Su,, correspondant au coefficient d'élasticité du matériau de la ième couche de l'empilement ;h, correspondant à l'épaisseur de la ième couche de l'empilement ;hj correspondant à l'épaisseur de la jème couche de l'empilement ;et dans lequel, avant la réalisation de l'empilement, les dimensions et les matériaux de chacun des éléments formant l'empilement sont choisis tels que la position z de la ligne neutre de l'empilement soit localisée dans la portion (116) de matériau pyroélectrique.
- 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel la membrane (104) suspendue est obtenue en réalisant, sur un substrat (102), au moins une couche (105) de matériau destinée à former la membrane (104) suspendue, puis en réalisant, après la réalisation de l'élément (112) de détection pyroélectrique sur la couche (105) de matériau, au moins une cavité (110) dans le substrat (102), libérant au moins une partie (108) de la membrane (104) qui se retrouve suspendue en regard de la cavité (110).
- 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la couche (105) de matériau est réalisée par oxydation thermique du substrat (102) qui comporte au moins un semi-conducteur, et/ou par dépôt de S1O2 sur le substrat (102).
- 13. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel la réalisation de l'élément (112) de détection pyroélectrique comporte la mise en œuvre des étapes suivantes :- réalisation d'au moins une première couche d'électrode (122) sur la couche (105) de matériau ;- réalisation d'au moins une couche (124) du matériau pyroélectrique sur la première couche d'électrode (122) ;- réalisation d'au moins une deuxième couche d'électrode (126) sur la couche (124) du matériau pyroélectrique ;- structuration de chacune des première et deuxième couches d'électrodes (122, 126) et de la couche (124) du matériau pyroélectrique telle que des portions restantes (114,116, 118) de ces couches (122,124, 126) forment l'élément (112) de détection pyroélectrique.
- 14. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, dans lequel la membrane (104) suspendue est obtenue par la mise en œuvre des étapes suivantes :- réalisation, sur un substrat (102), d'au moins une première couche d'électrode (122);- réalisation d'au moins une couche (124) du matériau pyroélectrique sur la première couche d'électrode (122) ;- réalisation d'au moins une deuxième couche d'électrode (126) sur la couche (124) de matériau pyroélectrique ;- structuration de la deuxième couche d'électrode (126) et de la couche (124) du matériau pyroélectrique telle que des portions restantes (116, 118) de la deuxième couche d'électrode (126) et de la couche (124) du matériau pyroélectrique forment, avec la première couche d'électrode (122), l'élément (112) de détection pyroélectrique ;- réalisation d'au moins une cavité (110) dans le substrat (102), libérant au moins une partie de la première couche d'électrode (122) qui se retrouve suspendue en regard de la cavité (110).
- 15. Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, comportant en outre, entre l'étape de dépôt de la deuxième couche d'électrode (126) et l'étape de structuration, une étape de dépôt d'au moins une couche (128) de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge sur la deuxième couche d'électrode (126), et dans lequel l'étape 5 de structuration est également mise en œuvre pour la couche (128) de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge telle qu'une portion restante (120) de cette couche (128) de matériau absorbeur de rayonnement infrarouge disposée sur la deuxième électrode (118) fasse partie d'un corps noir de l'élément (112) de détection pyroélectrique.
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