WO2024028209A1 - Détecteur thermique de rayonnement - Google Patents

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WO2024028209A1
WO2024028209A1 PCT/EP2023/070916 EP2023070916W WO2024028209A1 WO 2024028209 A1 WO2024028209 A1 WO 2024028209A1 EP 2023070916 W EP2023070916 W EP 2023070916W WO 2024028209 A1 WO2024028209 A1 WO 2024028209A1
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WO
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layers
microsensor
pair
layer
metal layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/070916
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English (en)
Inventor
Jean-Luc Garden
Charlotte LATARGEZ
Daniel Bourgault
Gaël MOIROUX
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/04—Casings
    • G01J5/046—Materials; Selection of thermal materials

Definitions

  • the present invention relates to the field of high-resolution thermoelectric sensors for measuring low-power thermal radiation.
  • thermoelectric detection based on the principle of thermoelectric detection are known in the state of the art. However, these detectors are too insensitive and cannot measure powers below one microwatt.
  • the thermal detector according to the invention makes it possible to overcome this problem by offering high sensitivity and a low detection threshold. Indeed, the thermal detector according to the invention is capable of measuring temperature variations of between a few microkelvins and a few tens of millikelvins or variations of thermal radiation of between a few nanowatts and a few hundred microwatts.
  • High resolution detectors based on photodiodes whose measurement principle is quantum are also known in the state of the art.
  • a problem with such sensors lies in the fact that detection is focused only on a small range of wavelengths which is specific to each photodiode.
  • Another problem with photodiode detectors is their complexity of use and the need to calibrate the detector each time it is used.
  • the thermal detector according to the invention makes it possible to overcome these problems by making it possible to measure radiation over a wide band of wavelengths ranging from ultraviolet to medium and far infrared. Furthermore, the thermal detector according to the invention is very easy to use.
  • microbolometers are known in the state of the art, the measurement principle of which is based on the variation of electrical resistance as a function of temperature.
  • Microbolometers have high detection sensitivity. On the other hand, they are very expensive and to have high sensitivity, they require complex conditions of use with cooling of the measurement electronics and the detector. They can be adapted to radiation measurements at room temperature but in this case they lack sensitivity.
  • the thermal detector according to the invention has a low manufacturing cost. It can operate over a wide range of temperatures and, in particular, at room temperature while maintaining an exceptional level of sensitivity. Finally, the thermal detector according to the invention does not require cooling of the detector or the measurement electronics.
  • Another aim of the invention is, furthermore, to propose a rapid response thermal detector, that is to say having a response time of the order of a second up to a few milliseconds.
  • thermoelectric microsensor for measuring low-power thermal radiation, called a microsensor, formed by a stack of layers comprising, from a lower face to an upper face of the microsensor:
  • the at least one pair of layers is, preferably, arranged so that a trench separates, preferably completely or only partially, the two layers of the at least one pair of layers with a minimum distance greater than 500 nm,
  • the metal layer comprises two annular portions per pair of layers and for each thermocouple one of the two annular portions covers a peripheral portion of one of the two layers of the at least one pair of layers and the other of the two annular portions covers a peripheral portion of the other layer of the at least one pair of layers.
  • the microsensor is preferably arranged so that and/or the at least one pair of layers is preferably arranged so that the metal layer is preferably arranged so that the metal layer preferably comprises a central portion which covers, at least, a portion, preferably an upper surface, of each of the two layers of the at least one pair of layers which is adjacent to the trench.
  • the microsensor is preferably arranged so that and/or the at least one pair of layers is preferably arranged so that and/or the metal layer is preferably arranged so that a central portion of one of the two layers of the at least one pair of layers covers, at least, a central portion of the other layer of the at least one pair of layers.
  • the microsensor presents, for a given measurement temperature interval, denoted [Tmin, Tmax], an effective ZT parameter of between 0.1 and 1.9, ZT is the figure of merit of the microsensor and T is the measurement temperature.
  • the materials constituting the two layers of the at least one pair of layers are chosen so that, preferably the arrangement of the microsensor according to the invention associated with the choice of the materials constituting the two layers of the at least one pair of layers are such that, for a given measurement temperature interval denoted [Tmin, Tmax], said microsensor has an effective ZT parameter of between 0.1 and 1.9, ZT is the figure of merit of the microsensor and T is the measurement temperature.
  • Microsensor can be understood as a sensor, a detector or a microdetector.
  • the thermally conductive material support may be a metal, for example copper, aluminum, silver or stainless steel, or glass or ceramic.
  • a layer of a pair of layers forming a thermocouple may comprise or be made of several different materials.
  • a layer of a pair of layers forming a thermocouple may comprise several portions or segments each comprising or being made of a different material.
  • a considered layer of a pair of layers may comprise a first segment extending from an end, called the proximal end, located on the side of the center of the microsensor of the layer considered up to half the distance separating the proximal end from the the end, called the distal end, located on the side of the external edge, of the layer considered and a second segment extending from the distal end of the layer considered to the first segment.
  • the first segment can be made of a material making it possible to obtain a high temperature gradient along the first segment and the second segment can be made of a material making it possible to obtain a temperature gradient lower than the first segment, or even a low temperature gradient.
  • the trench separates, only partially, the two layers of the at least one pair of layers by a minimum distance greater than 500 nm.
  • the proximal end of the layers of the at least one pair of layers corresponds to the central part of the layers of the at least one pair of layers.
  • a trench distinct from the trench separating, completely or only in part, the two layers of the at least one pair of layers, separates two adjacent layers of two pairs of different layers by a minimum distance greater than 500 nm .
  • the center of the microsensor constitutes the detection zone or sensitive zone of the microsensor.
  • the metal layer can also cover the central portion of the layer of the at least one pair of layers covering the central portion of the other layer of the at least one pair of layers.
  • the metal layer does not extend over the entire upper face of the microsensor.
  • the metal layer is a discontinuous layer.
  • the metal layer can extend in all or part of the trench separating the two layers of the at least one pair of layers.
  • the term “pair of layers” corresponds to a pair of layers of a thermocouple of the microsensor.
  • the operating principle of a thermoelectric sensor can be defined as consisting of converting, successively, a radiation power into thermal power then the thermal power into a temperature gradient then the temperature gradient into an electrical signal.
  • low-power thermal radiation can be understood as radiation whose power is between a few tens of micro Watts and a few tens of nano Watts.
  • the layers of the stack of layers forming the microsensor are stacked along an axis extending between the lower face and the upper face of the microsensor.
  • the upper face of the microsensor can be understood as the face or surface of the microsensor comprising, at least in part, the metal layer.
  • the bottom face of the microsensor can be understood as the face of the microsensor which is opposite the upper face of the microsensor.
  • face or upper surface in particular of a layer of the stack of layers, the surface or face oriented towards the upper face of the microsensor.
  • face or lower surface in particular of a layer of the stack of layers, the surface or face opposite to the upper face or surface.
  • the upper face or the lower face of the microsensor can be oriented in the direction of the thermal radiation to be measured.
  • the dielectric material has an electrical conductivity of less than 1.10' 11 S.nr 1 .
  • the dielectric material has a thermal conductivity of less than 1 Wm ⁇ .K' 1 .
  • the dielectric material is a polyimide membrane.
  • the two layers of a pair of layers are adjacent or neighboring, in particular at the center of the microsensor.
  • the two layers of a pair of layers are not in contact, preferably, and in particular, at the center of the microsensor.
  • a given layer of a pair of layers is separated from a layer of another pair of layers which is neighboring or adjacent to the given layer.
  • no layer of the at least one pair of layers is in contact with another layer of the at least one pair of layers.
  • trench By trench can be understood a furrow or a space.
  • a distance separating two adjacent layers of the same pair of layers extends in a direction perpendicular to the direction of the stack of layers of the microsensor.
  • a given layer of a pair of layers is separated by a trench or space from a layer of another pair of layers which is close to or adjacent to the given layer.
  • a distance separating two adjacent layers of two pairs of different layers extends in a direction perpendicular to the direction of the stack of layers of the microsensor.
  • a distance separating two adjacent layers of two pairs of different layers extends along the length of the layers of the pairs of layers.
  • the distance separating two layers which can be defined as a width of the trench or the space, is between 0.5 pm and 100 pm.
  • the sensitivity of the microsensor is proportional to the number of thermocouples, or pairs of layers, that the microsensor comprises.
  • the metal layer partially covers an upper surface of the at least one pair of layers.
  • the metal layer may comprise or consist of one or more metallic chemical elements.
  • the function of the central portion of the metal layer is to ensure an electrical connection between the two layers of the at least one pair of layers of semiconductor material.
  • the function of the central portion of the metal layer is to allow better absorption of the thermal radiation to be measured.
  • the metal layer has a thermal conductivity greater than or equal to 10 W.nrTK' 1 .
  • the metal layer has an electrical conductivity greater than or equal to 1.10 6 S.nr 1 .
  • the portion of the layers of the at least one pair of layers which is adjacent to the trench does not coincide with a geometric center of the microsensor.
  • the geometric center of the microsensor can coincide with a geometric center of the layer of dielectric material.
  • the center of the microsensor can be included in an axis of revolution of the microsensor.
  • the axis of revolution of the microsensor can be parallel to the direction of the stack of layers of the microsensor.
  • the geometric center of the microsensor coincides with the central portion of the layer of the at least one pair of layers covering the central portion of the other layer of the at least one pair of layers.
  • the effective ZT of the microsensor is greater than or equal to 0.1, more preferably 0.2, more preferably 0.3, more preferably 0.4, more preferably 0.5, even more preferably at 0.6, particularly preferably at 0.7, particularly advantageously at 0.8 and most particularly advantageously at 0.9.
  • the ZTeffective of the microsensor is equal to 1.
  • the effective ZT of the microsensor is less than or equal to 1.9, more preferably 1.8, more preferably 1.7, more preferably 1.6, more preferably 1.5, even more preferably at 1.4, particularly preferably at 1.3, particularly preferably at 1.2, most preferably at 1.1 and most preferably at 1.05.
  • the effective figure of merit ZT of the microsensor can be defined as the thermoelectric figure of merit.
  • the thermoelectric figure of merit is used to evaluate the efficiency of thermoelectric refrigeration modules, typically the efficiency of Peltier modules. In this area, it is always sought to maximize the effective figure of merit ZT of the device to obtain maximum conversion efficiency.
  • the inventors have observed that the design of a thermal sensor arranged so that its effective ZT is close to 1 or equal to 1 makes it possible to obtain the best sensitivity and the best detection threshold.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as described above makes it possible to obtain a microsensor whose ZTeffective is close to 1 or equal to 1.
  • a thermal conductivity of the microsensor is less than or equal to 10 W.nrTK' 1 .
  • the thermal conductivity of the microsensor means the thermal conductivity measured between the two annular portions of the metal layer.
  • the thermal conductivity of the microsensor means the thermal conductivity measured between the two annular portions of each of the pairs of layers of the at least one pair of layers.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above makes it possible to minimize thermal losses between the layers of the stack of layers of the microsensor but also between the microsensor and its environment.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above makes it possible to minimize thermal losses along the stack axis of the layers of the microsensor.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above makes it possible to increase the sensitivity and the detection threshold of the microsensor.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above although constituting an improvement of the invention, can contribute to obtaining an effective ZT close to or equal to 1.
  • a thermal time constant, denoted tau, of the microsensor is less than or equal to 10 s, tau is equal to the ratio between a heat capacity of the microsensor and the thermal conductivity of the microsensor.
  • the heat capacity of the microsensor means the heat capacity in a central zone of the microsensor. More preferably, the heat capacity of the microsensor means the heat capacity of a central zone and/or a portion of the layers of the stack of layers.
  • the central area of the microsensor can be defined as the area of the microsensor where the power of thermal radiation is absorbed.
  • the heat capacity of the microsensor means the heat capacity measured between the central portion of the metal layer and the portion of the layers of the at least one pair of layers covered by the central portion.
  • the heat capacity of the microsensor means the heat capacity measured between the central portion of the layer of the at least one pair of layers covering the central portion of the other layer of the at least one pair of layers. minus a pair of diapers.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above makes it possible to obtain such a thermal time constant.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor as defined above making it possible to obtain such a thermal time constant makes it possible to reduce the response time of the microsensor.
  • the arrangement of the microsensor according to the invention, more preferably the microsensor according to the invention whose effective ZT is between 0.1 and 1.9 and/or whose thermal conductivity of the microsensor is less than or equal to 10 W.nr ⁇ K' 1 and/or whose thermal time constant, denoted tau, of the microsensor is less than or equal to 10 s makes it possible to obtain a specific detectivity greater than the detectors of the state of the art.
  • the specific detectivity of the microsensor according to the invention is greater than or equal to 1.10 9 cm.Hz°' 5.W 1 , preferably 5.10 9 , more preferably 1.10 10 , more preferably 5.1O 10 and even more preferably at 1.10 11 cm.Hz°' 5.W 1 .
  • each of the layers of the at least one pair of layers has a ZT parameter of between 0.1 and 1.9.
  • the ZT of each of the layers of the at least one pair of layers of semiconductor material is greater than or equal to 0.1, more preferably 0.2, preferably 0.3, more preferably at 0.4, more preferably at 0.5, even more preferably at 0.6, particularly preferably at 0.7, particularly advantageously at 0.8, very particularly advantageously at 0, 9.
  • the ZT of each of the layers of the at least one pair of layers of semiconductor material is equal to 1.
  • the ZT of each of the layers of the at least one pair of layers of semiconductor material is less than or equal to 1.9, more preferably 1.8, of preferably at 1.7, more preferably at 1.6, more preferably at 1.5, even more preferably at 1.4, particularly preferably at 1.3, particularly advantageously at 1 ,2, very particularly advantageously at 1.1 and most preferably at 1.05.
  • a distance (R.1-R.2) between the central portion of the metal layer covering the layer considered and the annular portion of the metal layer covering the layer considered is less than 0.1% , preferably at 0.05%, more preferably at 0.01%, or
  • a distance (R.1-R.2) between the central portion of the layer considered and the annular portion of the metal layer covering the layer considered is less than 0.1%, preferably 0 .05%, more preferably 0.01%; the distance (R.1-R.2) is included in a plane perpendicular to the stacking axis of the layers of the microsensor.
  • the thickness of the at least one pair of layers is less than or equal to 10 ⁇ m.
  • edge for example of the microsensor or of a layer, a border, a peripheral end, a contour or a periphery of the microsensor.
  • the microsensor more preferably each of the layers of the stack of layers forming the microsensor, has a spherical geometry.
  • the length of the layers of the at least one pair of layers more preferably a length of each of the layers of the stack of layers forming the microsensor, extends radially from a center of the microsensor towards the edge of the microsensor .
  • the microsensor more preferably each of the layers of the stack of layers forming the microsensor, can have a rectangular or square geometry.
  • the length of the layers of the at least one pair of layers, more preferably a length of each of the layers of the stack of layers forming the microsensor extends along a length or width of the square or rectangle, preferably from a center of the microsensor towards the edge of the microsensor.
  • the arrangement of the layers of the at least one pair of layers respecting this ratio makes it possible to maximize the temperature gradient, in each of the layers of the at least one pair of layers, between the central portion of the layer of metal and the annular portions of the metal layer, for the first configuration, and between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers and the annular portions of the metal layer.
  • the arrangement of the layers of the at least one pair of layers respecting this ratio makes it possible to minimize the temperature gradient, in each of the layers of the at least one pair of layers, between the metal layer and the layer of dielectric material.
  • the arrangement of the layers of at least one pair of layers respecting this ratio although constituting an improvement of the invention, can contribute to obtaining an effective ZT close to or equal to 1.
  • a contact surface between the central portion of the metal layer and the at least one pair of layers is greater than 0.1%, more preferably greater than 0.25%, so preferred at 0.5%, more preferably at 0.75%, more preferably at 1%, even more preferably at 2%, particularly preferred at 4%, particularly advantageously at 6%, very particularly advantageously at 8% and most preferably at 10%, of a total surface area of one face of the at least one pair of layers which faces the metal layer.
  • the contact surface between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers is greater than 0.1%, more preferably greater than 0.25%, more preferably at 0.5%, more preferably at 0.75%, more preferably at 1%, even more preferably at 2%, particularly preferably at 4%, particularly advantageously at 6%, very particularly advantageous manner at 8% and most preferably at 10%, of a total surface area of one face of the layer of the at least one pair of layers whose central portion covers the central portion of the other layer of the at least one pair of layers and/or a total surface of one face of the layer of the at least one pair of layers whose central portion is covered by the central portion of the other layer of at least one pair of layers.
  • a contact surface between the two annular portions of the metal layer and the at least one pair of layers is greater than 10%, more preferably 20%, more preferably 30%, more preferably more than 30%. 40%, more preferably 50%, even more preferably 55%, particularly preferably 60%, particularly advantageously 70%, most particularly advantageously 80% and most preferably at 90%, of a total surface area of one side of the at least one pair of layers which faces the metal layer.
  • such an arrangement of the contact surfaces between the metal layer and the at least one pair of layers, associated with the high thermal and electrical conductivity of the metal layer makes it possible to reduce the contact resistances between the metal layer and the at least one pair of layers and, in addition, for the second configuration such an arrangement of the contact surface between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers makes it possible to reduce the contact resistances at the level of the contact surface between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers.
  • such an arrangement of the contact surfaces between the metal layer and the at least one pair of layers associated with the high thermal and electrical conductivity of the metal layer makes it possible to homogenize the temperature at the proximal end and the distal end of the layers of the at least one pair of layers .
  • such an arrangement of the contact surfaces between the metal layer and the at least one pair of layers, associated with the high thermal and electrical conductivity of the metal layer makes it possible to obtain an optimal compromise between a reduction in contact resistances between the metal layer and the at least one pair of layers, and good homogenization of the temperature between the metal layer and the at least one pair of layers and, in addition, for the second configuration such an arrangement of the surface of contact between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers, makes it possible to obtain an optimal compromise between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers, and good homogenization of the temperature between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers.
  • the arrangement of the contact surfaces between the metal layer and the at least one pair of layers and, in addition, for the second configuration the arrangement of the contact surface between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers, as described above, associated with the high thermal and electrical conductivity of the metal layer can contribute to obtaining an effective ZT close to 1 or equal to 1.
  • the microsensor may comprise, at the contact surface between the central portion of the metal layer and the at least one pair of layers, and, for the second configuration, between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers, a thin intermediate layer aimed at reducing the contact resistance between the metal layer and the at least one pair of layers, and, for the second configuration, between the central portions of the two layers of the at least one pair of diapers.
  • the metallic layer and/or the at least one pair of layers of semiconductor material may comprise chemical elements constituting the thin intermediate layer having diffused in the metallic layer and/or in the at least one pair of layers in semiconductor material.
  • the materials constituting the layers of the at least one pair of layers are:
  • the semiconductor material constituting the at least one pair of layers comprises, or is made up of at least 90%, in atomic percentage, of Bismuth Telluride or Germanium Telluride or Lead Telluride or Antimony Telluride. or an Antimony-Lead alloy or a Silicon-Germanium alloy.
  • the semiconductor material is Bismuth Tellurium.
  • the semiconductor material is an alloy comprising Tellurium, Antimony, Germanium and Silver or an alloy comprising Lead and Tellurium.
  • the semiconductor material is an alloy comprising Zinc and Anitmony or its derivatives or skutterude.
  • the semiconductor material is an alloy comprising Silicon and Germanium.
  • the at least one pair of layers rests entirely on the layer of dielectric material.
  • the entire surface or face of the at least one pair of layers which faces the layer of dielectric material is in contact with the dielectric material.
  • the characteristic of the microsensor according to which all of the layers of the at least one pair of layers is in contact with the layer of dielectric material makes it possible to reduce the electrical losses or exchanges and/or the thermal losses or exchanges of the layers of the at least one pair of layers with the environment of the microsensor.
  • Such an arrangement of the layers of the at least one pair of layers although constituting an improvement of the invention, can contribute to obtaining an effective ZT close to or equal to 1.
  • the microsensor comprises a layer of absorbent material covering, preferably covering only:
  • the layer of absorbent material covers an upper surface of the central portion of the metal layer or an upper surface of the layer of the at least one pair of layers covering the central portion of the other layer of the at least one pair of layers. minus a pair of diapers.
  • a wide wavelength range can be understood as wavelengths between a hundred nanometers and a few hundred microns.
  • the absorbent material may be a dielectric material.
  • the absorbent material may be carbon black, black gold or platinum black.
  • the microsensor is arranged and/or comprises fixing means intended or capable of cooperating with a vacuum chamber so that the at least one pair of layers of semiconductor material and the metal layer and/or the layer of material absorbent and/or the layer of dielectric material and/or the support material of thermal conductor are maintained under primary or secondary vacuum.
  • the use of the microsensor under ambient pressure conditions offers sensitivities and detection thresholds lower than those of the state of the art.
  • the use of the microsensor under vacuum is not necessary but allows the sensitivity and detection threshold of the microsensor to be further improved.
  • a thickness, extending along the stacking axis of the layers of the microsensor, of the layers of the at least one pair of layers and/or a thickness, extending along the stacking axis of the layers of the microsensor, the central portion and/or the annular portions of the metal layer is between 0.01 and 10 pm and/or a thickness, extending along the stacking axis of the layers of the microsensor, of the layer of absorbent material is between 0.1 and 10 ⁇ m.
  • the thicknesses of the layers of the stack of layers of the microsensor as described above make it possible to reduce, preferably to make negligible, the temperature gradient, in each of the layers of the stack of layers of the microsensor, according to the stacking axis of the layers of the microsensor.
  • the thicknesses of the layers of the stack of layers of the microsensor as described above make it possible to maximize the temperature gradient, in each of the layers of the at least one pair of layers, between the central portion of the layer of metal and the annular portions of the metal layer, for the first configuration, or between the central portions of the two layers of the at least one pair of layers and the annular portions of the metal layer, for the second configuration.
  • the thicknesses of the layers of the stack of layers of the microsensor as described above although constituting an improvement of the invention, can contribute to obtaining an effective ZT close to or equal to 1.
  • the support made of thermally conductive material is annular and extends along a periphery of the lower face of the microsensor.
  • the effect of the support in annular thermal conductive material extending along the periphery of the lower face of the microsensor makes it possible to generate a temperature gradient extending radially or from the center of the microsensor, where the power of the thermal radiation is absorbed, towards the periphery or the periphery of the microsensor.
  • a thickness, extending along the stacking axis of the layers of the microsensor, of the part of the layer of dielectric material which is opposite the support of annular thermal conductive material is greater than the thickness of remainder of the layer of dielectric material.
  • a thickness of the layer of dielectric material varies in the plane perpendicular to the stacking axis of the layers of the microsensor.
  • the layer of dielectric material comprises a part, called a central part, and an annular part which extends along a periphery of the layer of dielectric material.
  • the remainder of the layer of dielectric material corresponds to the central part of the layer of dielectric material.
  • the annular part of the layer of dielectric material corresponds to the part of the layer of dielectric material which faces the support of annular thermal conductive material.
  • the central part of the layer of dielectric material extends from a center of the layer of dielectric material to the annular part of the layer of dielectric material.
  • the center of the layer of dielectric material coincides or coincides with the axis of revolution of the microsensor.
  • the thickness of the annular part of the layer of dielectric material has a thickness greater than the thickness of the central part of the layer of dielectric material.
  • the thickness of the remainder of the layer of dielectric material is less than 20 pm, more preferably 18 pm, more preferably 16 pm, more preferably 14 pm, more preferably 12 pm, even more preferably at 10 pm.
  • the thickness of the remainder of the layer of dielectric material is less than 9 pm, more preferably 8 pm, more preferably 7 pm, more preferably 6 pm, more preferably 5 pm, even more preferably at 4 pm, particularly preferably at 3 pm, particularly preferably at 2 pm and most preferably at 1 pm.
  • the dielectric material may comprise only an annular part.
  • the dielectric material may not include a central part.
  • the thickness of the part of the layer of dielectric material which faces the support of annular thermal conductive material is between 1 and 100 pm, more preferably between 12.5 and 50 pm.
  • a length of the layer of dielectric material and/or a length of the support of thermal conductive material is greater than a length of the other layers of the stack of layers of the microsensor; for each of layers of the stack of layers of the microsensor, the length of a layer considered of the stack of layers of the microsensor is included in a plane perpendicular to the stacking axis of the layers of the microsensor and extends between a central portion and an edge, preferably an external edge, of the layer considered.
  • the length of a layer considered of the stack of layers of the microsensor extends between an end, called proximal, located on the side of the center of the microsensor and an end, called distal, located on the side of the external edge, of the layer considered.
  • the layer of dielectric material and/or the support of thermal conductive material extend, radially or in the direction connecting the center of the microsensor to the edges of the microsensor, beyond the other layers of the stack so as to prevent a short circuit between the at least one pair of layers and/or the metal layer and the support made of thermally conductive material.
  • a method of manufacturing a microsensor according to the invention comprises the steps consisting of:
  • the metal layer comprises two annular portions per pair of layers, one of the two annular portions covers a peripheral portion of one of the two layers of the pair of layers and the other of the two annular portions covers a peripheral portion of the other of the two layers of the pair of layers; in a first configuration of the microsensor, the metal layer comprises a central portion which covers, at least, a portion of each of the two layers of the pair of layers which is adjacent to the trench, and in a second configuration of the microsensor, a central portion of the second layer of the pair of layers covers a central portion of the first layer of the pair of layers.
  • the method of obtaining the microsensor may also include one or more steps of processing the contact surface between the metal layer and the pair of layers making it possible to reduce the contact resistances between the metal layer and the pair of layers of semiconductor material.
  • a treatment aims to reduce the contact resistance between the metal layer and the layers of semiconductor material.
  • the method according to the invention is particularly suitable, preferably even specially designed, for implementing the microsensor according to the invention.
  • any characteristic of the microsensor according to the invention can be integrated into the method according to the invention and vice versa.
  • FIGURE 1 is a schematic representation in top view of a first embodiment of the thermoelectric microsensor according to the invention
  • FIGURE is a schematic representation in sectional view of the microsensor illustrated in FIGURE 1,
  • FIGURE 3 is a schematic representation in sectional view of the microsensor illustrated in FIGURE 1,
  • FIGURE 4 is a schematic representation in sectional view of the microsensor illustrated in FIGURE 1,
  • FIGURE 5 is a schematic representation in top view of a second embodiment of a thermoelectric microsensor according to the invention
  • FIGURE 6 is a schematic representation in sectional view of the microsensor illustrated in FIGURE 5
  • FIGURE 7 is a schematic representation in sectional view of the microsensor illustrated in FIGURE 5,
  • FIGURE 8 is a graph illustrating the temperature variations over time of a black body measured by the microsensor
  • FIGURE 9 is a graph illustrating the temperature variations over time of a black body measured by the microsensor
  • FIGURE 10 is a graph illustrating the variations in thermal power over time of a light-emitting diode measured by the microsensor
  • FIGURE 11 is a graph illustrating the variations in thermal power over time of a light-emitting diode measured by the microsensor
  • FIGURE 12 is a graph illustrating the variations in thermal power over time of a light-emitting diode measured by the microsensor
  • FIGURE 13 is a graph illustrating the thermal power variations over time of a light-emitting diode measured by the microsensor. Description of embodiments
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection includes at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. .
  • thermoelectric microsensor 1 is formed by a stack of layers.
  • the microsensor 1 is circular according to the embodiment presented. This geometry is not limiting and the arrangement currently described can be transposed directly to a microsensor 1 of any geometry, for example square or rectangular.
  • the center or the central part of the microsensor 1 constitutes the detection zone onto which the thermal radiation to be detected is directed.
  • the detection zone is located on the upper face of the microsensor 1. The detection zone could very well be located in the center of the lower face of the microsensor 1.
  • the stack of layers comprises a support 2 made of thermally conductive material.
  • Support 2 constitutes the lower layer of microsensor 1.
  • support 2 is made of copper.
  • the stack of layers comprises a layer 3 made of a dielectric material which rests on the support 2 made of copper.
  • Layer 3 of dielectric material is made of Kapton according to the embodiment.
  • the stack of layers comprises at least one pair of layers, two pairs 51, 52 and 53, 54 of layers 51, 52, 53, 54 according to the embodiment, forming a thermocouple, two thermocouples 61, 62 according to the mode of realization.
  • Each layer of a pair 51, 52 and 53, 54 of layers is separated by a trench 83 from a layer of another pair 51, 52 and 53, 54 of layers.
  • layer 51 of thermocouple 61 is separated by trench 83 from layer 53 of thermocouple 62 and layer 52 of thermocouple 61 is separated by trench 83 from layer 54 of thermocouple 62.
  • the stack of layers comprises a metal layer 71, 72, 74, 75, 76 covering partially the two pairs 51, 52 and 53, 54 of layers 51, 52, 53, 54.
  • the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 comprises two annular portions 71, 72 and 71, 74 per pair 51, 52 and 53, 54 of layers 51, 52, 53, 54.
  • the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 therefore comprises three annular portions 71, 72, 74.
  • thermocouple 61, 62 For each thermocouple 61, 62 , one of the two annular portions 71, 72 or 71, 74 of a thermocouple 61, 62 covers a peripheral portion of one of the two layers 51 or 52 and 53 or 54 of one of the two pairs 51, 52 and 53, 54 of layers and the other of the two annular portions 71, 72 or 71, 74 covers a peripheral portion of the other layer 51 or 52 and 53 or 54 of the two pairs 51, 52 or 53, 54 of layers.
  • the thickness of the metal layer is 1 ⁇ m according to the non-limiting embodiment.
  • the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 is a Nickel-Platinum bilayer according to the non-limiting embodiment.
  • thermocouple 61, 62 or each pair 51, 52 and 53, 54 of layers is arranged so that a trench 81, 82 separates the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62.
  • the width of the trench 81, 82, denoted d, or the distance separating the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62 is 500 pm according to the non-limiting embodiment.
  • the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 comprises two central portions 75, 76.
  • the microsensor 1 comprises a central portion 75, 76 by thermocouple 61, 62.
  • Each of the central portions 75, 76 covers a portion, which is adjacent to the trench 81, 82, of each of the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62.
  • the central portions 75, 76 of the metal layer have the effect of electrically connecting the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62.
  • the central portions 75, 76 of the metal layer are located in the detection zone of the microsensor 1.
  • central portions 75, 76 of the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 also have the effect of homogenizing the temperature at the level of each portion adjacent to the trench 81, 82, of each of the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62.
  • the central portions 75, 76 of the metal layer 71, 72, 74, 75, 76 also have the effect of allowing better absorption of thermal radiation.
  • a second configuration of the microsensor 1 differs from the first configuration of the microsensor 1 only in the central zone of the microsensor 1 and only with regard to the two layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62. Only the differences between the two configurations are therefore presented. In the absence of contrary indication, all of the characteristics described apply to the two configurations of the microsensor 1.
  • a central portion 91, 93 of a layer 51, 54 among the two layers 51, 52 and 53, 54 of each thermocouple 61, 62 cover a central portion 92, 94 of the other layer 52, 53.
  • the covering of the central portions 91, 92 and 93, 94 of the layers 51, 52 and 53, 54 of each thermocouple 61, 62 has the effect of electrically connecting the two layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62.
  • the central portions 91, 92, 93, 94 of the layers 51, 52 and 53 , 54 are located in the detection zone of the microsensor.
  • the covering of the central portions 91, 92, 93, 94 of the layers 51, 52 and 53, 54 of each thermocouple 61, 62 also has the effect of homogenizing the temperature at each of the portions of the central portions 91, 92.
  • the materials constituting each of the two layers 51, 52, 53, 54 of each thermocouple 61, 62 are chosen so that, for a given measurement temperature interval, denoted [Tmin, Tmax], the microsensor 1 has an effective ZT parameter between 0.1 and 1.9, ZT is the figure of merit and T is the measurement temperature. It has been observed that the design of a microsensor 1 respecting the arrangement as described above, the effective ZT of which is close to 1 or equal to 1, makes it possible to obtain the best sensitivity and the best detection threshold. The arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor 1 modifies the effective ZT of the microsensor 1.
  • the arrangement of the layers of the stack of layers modifies, among other things, the thermal conductivity and the electrical conductivity of the layers 51 , 52 and 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and therefore their figure of merit.
  • the choice of materials constituting the layers 51, 52 and 53, 54 of the thermocouple 61, 62 takes into account the arrangement of the stack of layers of the microsensor 1 as a whole.
  • this effect is not, and cannot be, obtained by simply choosing the materials constituting the layers 51, 52 and 53, 54 of a thermocouple 61, 62 so that the figure of merit of the pairs of layers 51, 52 and 53, 54 of thermocouples 61, 62 either as high as possible or as small as possible.
  • thermocouples 61, 62 the material used for layers 51 and 54 of thermocouples 61, 62 is Bismuth (III) tellurium, (BizTez.ySeo.s), p-doped and layers 52 and 53 of thermocouples 61, 62 are made of Bismuth tellurium (III), (Bio.5Sb1.5Te3), n-doped.
  • III Bismuth tellurium
  • the figure of merit of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 is of the order of 1 and the figure of merit of the microsensor 1 is of the order of 1.
  • the temperature measurement is carried out by measuring the potential difference which is established between the annular portions 72 and 74.
  • the measured potential difference therefore corresponds to the difference potential across the two thermocouples 61, 62 connected in series.
  • the central portion 75 connects the layer 52 to the layer 51 of the pair of layers 51, 52 of the thermocouple 61
  • the annular portion 71 connects the thermocouple 61 to the thermocouple 62
  • the central portion 76 connects the layer 53 to the layer 54 of the pair of layers 53, 54 of the thermocouple 62.
  • the central portions 93, 94 connect the layer 52 to the layer 51 of the pair of layers 51, 52 of the thermocouple 61
  • the annular portion 71 connects the thermocouple 61 to the thermocouple 62
  • the central portions 91, 92 connect layer 53 to layer 54 of the pair of layers 53, 54 of the thermocouple 62.
  • This operating mode can be transposed and adapted to the number of thermocouples constituting the microsensor.
  • the microsensor will comprise a number of annular portions connecting two adjacent layers each belonging to a pair of distinct layers is equal to ((N-2)/2).
  • Such a microsensor will include a number denoted M of thermocouples which is equal to (N/2) and a number of annular portions N' which is equal to 2M + 1.
  • the support 2 is annular.
  • the thickness of support 2 is 2 mm depending on the embodiment. Such a thickness makes it possible to have a significant thermal mass at the level of the support which defines a constant temperature.
  • the arrangement of the support 2 makes it possible to maximize the radial temperature gradient, denoted AT2, extending laterally or perpendicularly relative to the layer stacking axis 4, establishing itself in the microsensor 1 when thermal radiation is absorbed in the center of the microsensor 1.
  • thermocouples 61, 62 Optimization of the temperature gradient AT2 will induce an increase in the potential difference, denoted AV, measured across the thermocouples 61, 62, that is to say between the portions annular rings 71, 72 and 71, 74 of the metal layer of a thermocouple 61, 62, and will therefore make it possible to increase the sensitivity and reduce the detection threshold of the microsensor 1.
  • the layer 3 has a thickness which varies laterally or radially.
  • the thickness Z of the part of the layer 3 facing the annular support 2 is 25 ⁇ m. This thickness must be sufficient to ensure electrical insulation between the metal layer 71, 72 and 71, 74 and 75, 76 and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and the support 2.
  • Such an arrangement of the layer 3 makes it possible to reduce the temperature gradient AT3 between the support 2 and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 so as to maximize the temperature gradient AT2.
  • the thickness p of the part of the layer 3 extending from the center of the microsensor 1 to the interior or proximal edge of the support 2, that is to say the part having a diameter equal to twice that of Ri, is 1 pm.
  • This thickness must be as small as possible to reduce the lateral temperature gradient AT'2 within layer 3 so as to maximize the lateral temperature gradient AT2 in layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62.
  • layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62 are suspended and layer 3 is annular.
  • the length or the radius R4 of the layer 3 is equal to the length R4 of the support 2.
  • the radius 4 of the layer 3 is greater than the radius 3 of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and at the radius of the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer.
  • the distal end of layer 3 extends radially beyond the distal end of layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62 and from the distal end to radius R3-R1 of the portions annular rings 71, 72 and 71, 74 of the metal layer. This has the effect of preventing a short circuit between layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and/or the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer and the copper support 2 .
  • a ratio between the thickness A of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and the length, equal to R1-R2, of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61 , 62 is less than 0.1%.
  • the ratio is of the order of 0.01% depending on the embodiment.
  • An arrangement respecting such a ratio makes it possible to maximize the lateral temperature gradient AT2 in layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62.
  • an arrangement respecting such a ratio makes it possible to minimize the vertical temperature gradient AT3 between layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62 and layer 3.
  • an arrangement respecting such a ratio makes it possible to minimize the vertical temperature gradient ATI between the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and the central portions 75, 76 of the metal layer.
  • the thermal time constant, denoted tau, of the microsensor 1 is less than or equal to 10 s.
  • Such a time constant is obtained thanks to the arrangement of the layers of the stack of layers of the microsensor 1 as defined above.
  • Such a thermal time constant makes it possible to reduce the response time of the microsensor 1.
  • the arrangement of the microsensor according to the invention makes it possible to obtain a specific detectivity greater than the detector of the state of the art.
  • This specific detectivity is between 1.10 9 and 1.10 11 cm.Hz°' 5 .W 1 depending on the embodiment.
  • the specific detectivity of the microsensor 1 according to the invention depends only on the thickness A of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and is inversely proportional to the thickness A of layers 51, 52, 53, 54 of thermocouples 61, 62. Consequently, the more the thickness A is reduced, the higher the specific detectivity of the microsensor 1 will be.
  • a contact surface between the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 is greater than 10% of the total surface. of the upper face of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 which is facing the metal layer.
  • thermocouples 61, 62 which faces the metal layer is 55% depending on the embodiment.
  • Such a ratio has the effect of reducing the contact resistances between the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • Such a ratio also has the effect of effect of homogenizing the temperature at the distal end of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61,
  • Such a ratio also makes it possible to obtain an optimal compromise between a reduction contact resistances between the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and good thermal transfer between the annular portions 71, 72 and 71, 74 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • the contact surface between the central portions 75, 76 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 is greater than 0.1% of the total surface of the upper face layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • the ratio is of the order of 2% depending on the embodiment. Such a ratio has the effect of reducing the contact resistances between the central portions 75, 76 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62. Such a ratio also has the effect of homogeneity. - ser the temperature at the proximal end of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • Such a ratio also makes it possible to obtain an optimal compromise between a reduction in the contact resistances between the central portions 75, 76 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and good thermal transfer between the central portions 75, 76 of the metal layer and the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • the contact surface between the central portions 91, 92 and 93, 94 of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 is greater than 0.1% of the surface total of an upper face of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • the ratio between the contact surface between the central portions 91, 92 and 93, 94 of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 and the total surface area of an upper face of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62 is 2% according to the embodiment.
  • Such a ratio has the effect of reducing the contact resistances between the central portions 91, 92 and 93, 94 of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • Such a ratio also has the effect of homogenizing the temperature at the level of the central portions 91, 92 and 93, 94 of the layers 51, 52, 53, 54 of the thermocouples 61, 62.
  • the method comprises the step of depositing the Kapton layer on the annular copper support 2.
  • the Kapton is glued to the copper support 2, preferably previously cleaned with ethanol.
  • a press is placed on the copper ring and it is heated for around ten hours at 120°C in order to dry the glue.
  • the method then comprises the step of carrying out a first succession of microfabrication steps to form layers 51 and 54 each covering a first part of layer 3 in Kapton.
  • the first succession of steps comprising a spreading, by spin-coating, of positive resin S1818 at a rotation speed of between 6000 rpm/s and 4000 rpm/s for a duration of 30 s.
  • the resin is then developed for 1 min in a 1:1 solution of microposit developer and deionized water.
  • the resin is then exposed.
  • a p-type BizTes film is deposited by magnetron-assisted cathode sputtering over the entire surface.
  • the resin is then removed by immersing the sample for 5 min in acetone then 5 min in ethanol to obtain layers 51 and 54.
  • the method then comprises the step of carrying out a second succession of microfabrication steps to form layers 52 and 53 of n-type BizTes covering a second part of layer 3 of Kapton.
  • the microfabrication steps implemented are identical to those of the first succession of steps.
  • the process further comprises annealing the layers 51, 52, 53, 54 under argon at a pressure of 600 mbar. Layers 51, 52, 53, 54 are annealed at 270°C between 2 hours and 3 hours.
  • the method then comprises the step of carrying out a third succession of microfabrication steps to form the three annular portions 71, 72, 74.
  • the third succession of microfabrication steps further comprises the production of the central portions 75, 76 of the metal layer which cover a portion of each of the two layers of the pair of layers which is adjacent to the trench.
  • the microfabrication steps implemented during the third succession of steps are identical to those of the first and second successions of steps.
  • the deposition of the Nickel-Platinum bilayer is carried out by X-ray magnetron-assisted cathode sputtering.
  • the first and second successions of microfabrication steps to form the layers 51, 52, 53 and 54 are carried out so that the central portions 91, 93 of the second layer of the pair of layers covers the central portion 92, 94 of the first layer of the pair of layers.
  • the dimensions of the microsensor 1 are reduced, in particular the dimensions Ri, 2, 3, R4 are reduced, by way of non-limiting example, so that the distance 2. i is between 1 mm and 0.01 mm.
  • it is planned to form a network or matrix of microsensors 1, distributed over a two-dimensional surface, thus constituting a thermal camera.
  • FIGURES 8 to 13 the performances of the microsensor 1 according to the invention are illustrated.
  • FIGURE 8 shows the temperature variations, measured by the microsensor 1, of a black body of constant temperature which is placed a few centimeters from the microsensor 1.
  • the microsensor 1 displays a peak-to-peak noise of less than 10 microkelvins.
  • the drifts are linked to variations in temperature of the room in which the microsensor 1 and the black body are placed. They are less than 80 microkelvins over the three hours of the experiment. Each experimental point is a measurement per second of the temperature.
  • FIGURE 9 shows the temperature variations, measured by the microsensor 1, of a black body placed a few centimeters from the microsensor 1.
  • the temperature variations of the black body are a few hundred microkelvins and are imposed by the experimenter .
  • Each experimental point is a measurement per second of the temperature.
  • FIGURE 10 shows the variations, measured by the microsensor 1, of the thermal power supplied by a light-emitting diode (LED) emitting at a wavelength of 680 nm.
  • the light emitted by the LED is collimated to the center of microsensor 1.
  • the power signal is recorded as a function of time with a point every 1.3 seconds.
  • the microsensor 1 is capable of measuring variations in the power of the LED of 200 nW, 1 .W, 10pW, 100
  • the dynamic measurement over time is presented in logarithmic scale. It was observed that microsensor 1 has an upper limit of measurable power of 600 mW.
  • the variations, measured by the microsensor 1, of the value of the thermal power supplied by LED diodes emitting respectively at 680, 1050 and 1650 nm are illustrated.
  • the light emitted by the LEDs is collimated to the center of microsensor 1.
  • the power signal is illustrated as a function of time with a point recorded every 0.64, 1.3 and 1.3 seconds respectively.
  • the microsensor 1 is capable of measuring a variation in the power of the LED of approximately 250 nW with a peak-to-peak noise of approximately 50 nW.
  • the microsensor 1 is capable of measuring a variation in the power of the LED of approximately 250 nW with a peak-to-peak noise of approximately 50 nW.
  • the microsensor 1 is capable of measuring a variation in the power of the LED of approximately 350 nW with a peak-to-peak noise of approximately 50 nW.
  • the metal layer also covers the central portions 91, 93 of the layers 51, 54, and/or
  • the microsensor 1 comprises a layer of absorbent material covering the central portions 91, 93 of the layers 51, 54 or covering the layer of metal which covers the central portions 91, 93 of the layers 51, 54, and/or
  • the microsensor 1 comprises a layer of absorbent material covering the central portions 75, 76 of the metal layer.

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Abstract

Microcapteur thermoélectrique formé par un empilement de couches compre- nant, depuis une face inférieure vers une face supérieure du microcapteur un support en matériau conducteur thermique, une couche constituée d'un matériau diélectrique, au moins une paire de couches, formant un thermocouple, dont les deux couches sont séparées, par une tranchée, d'une distance minimale supérieure à 500 nm, une couche de métal recouvrant partiellement l'au moins une paire de couches. Dans une première configuration du microcapteur, la couche de métal comprend une portion centrale qui recouvre, au moins, une portion de chacune des deux couches de l'au moins une paire de couches qui est adjacente à la tranchée. Dans une seconde configuration du micro- capteur, une portion centrale d'une des deux couches de l'au moins une paire de couches recouvre, au moins, une portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches. Le microcapteur présente, pour un intervalle de températures de mesure donné, noté [Tmin, Tmax], un paramètre ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9, ZT est le facteur de mérite du microcapteur et T est la température de mesure.

Description

DESCRIPTION
Détecteur thermique de rayonnement
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des capteurs thermoélectriques à haute résolution pour la mesure de rayonnements thermiques de faible puissance.
Etat de la technique antérieure
On connait dans l'état de la technique les détecteurs thermiques basés sur le principe de détection thermoélectrique. Toutefois, ces détecteurs sont trop peu sensibles et ne permettent pas de mesurer des puissances inférieures au microwatt.
Le détecteur thermique selon l'invention permet de pallier ce problème en offrant une grande sensibilité et un faible seuil de détection. En effet, le détecteur thermique selon l'invention est apte à mesurer des variations de température comprises entre quelques microkelvins et quelques dizaines de millikelvins ou des variations de rayonnements thermiques comprises entre quelques nanowatts et quelques centaines de microwatts.
On connait également dans l'état de la technique des détecteurs à haute résolution à base de photodiodes dont le principe de mesure est quantique. Un problème de tels capteurs réside dans le fait que la détection est centrée uniquement sur une faible gamme de longueurs d'ondes qui est propre à chaque photodiode. Un autre problème des détecteurs à photodiodes est leur complexité d'utilisation et la nécessité de calibrer le détecteur à chaque utilisation.
Le détecteur thermique selon l'invention permet de pallier ces problèmes en permettant de mesurer des rayonnements sur une large bande de longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen et lointain. En outre, le détecteur thermique selon l'invention présente une grande facilité d'utilisation.
Enfin, on connait dans l'état de la technique les microbolomètres dont le principe de mesure est basé sur la variation de résistance électrique en fonction de la température. Les microbolomètres présentent une grande sensibilité de détection. En revanche, ils sont très coûteux et pour présenter une grande sensibilité, ils requièrent des conditions d'utilisation complexes avec un refroidissement de l'électronique de mesure et du détecteur. Ils peuvent être adaptés à des mesures de rayonnements à température ambiante mais dans ce cas ils manquent de sensibilité. Le détecteur thermique selon l'invention présente quant à lui un faible coût de fabrication. Il peut fonctionner dans une large gamme de températures et, en particulier, à température ambiante tout en gardant un niveau exceptionnel de sensibilité. Enfin, le détecteur thermique selon l'invention ne nécessite pas de refroidissement du détecteur ni de l'électronique de mesure.
Un autre but de l'invention est, en outre, de proposer un détecteur thermique à réponse rapide, c'est-à-dire présentant un temps de réponse de l'ordre de la seconde jusqu'à quelques millisecondes.
Présentation de l'invention
A cet effet, il est proposé un microcapteur thermoélectrique pour mesure de rayonnements thermiques de faible puissance, dit microcapteur, formé par un empilement de couches comprenant, depuis une face inférieure vers une face supérieure du microcapteur :
- un support en matériau conducteur thermique,
- une couche constituée d'un matériau diélectrique,
- au moins une paire de couches formant un thermocouple, l'au moins une paire de couches est, de préférence, agencée de sorte qu'une tranchée sépare, de préférence complètement ou en partie seulement, les deux couches de l'au moins une paire de couches d'une distance minimale supérieure à 500 nm,
- une couche de métal recouvrant partiellement l'au moins une paire de couches, la couche de métal comprend deux portions annulaires par paire de couches et pour chaque thermocouple une des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique d'une des deux couches de l'au moins une paire de couches et l'autre des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
Dans une première configuration du microcapteur, le microcapteur est, de préférence, agencé pour et/ou l'au moins une paire de couches est, de préférence, agencée pour et/ou la couche de métal est, de préférence, agencée pour que la couche de métal comprend, de préférence, une portion centrale qui recouvre, au moins, une portion, de préférence une surface supérieure, de chacune des deux couches de l'au moins une paire de couches qui est adjacente à la tranchée.
Dans une seconde configuration du microcapteur, le microcapteur est, de préférence, agencé pour et/ou l'au moins une paire de couches est, de préférence, agencée pour et/ou la couche de métal est, de préférence, agencée pour que une portion centrale d'une des deux couches de l'au moins une paire de couches recouvre, au moins, une portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
Le microcapteur présente, pour un intervalle de températures de mesure donné, noté [Tmin, Tmax ] , un paramètre ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9, ZT est le facteur de mérite du microcapteur et T est la température de mesure.
De préférence, les matériaux constituant les deux couches de l'au moins une paire de couches sont choisis de sorte que, de préférence l'agencement du microcapteur selon l'invention associé au choix des matériaux constituant les deux couches de l'au moins une paire de couches sont tels que, pour un intervalle de températures de mesure donné noté [Tmin, Tmax] , ledit microcapteur présente un paramètre ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9, ZT est le facteur de mérite du microcapteur et T est la température de mesure.
A défaut d'indication contraire, l'ensemble de la description s'applique à la première et à la seconde configuration du microcapteur.
Il peut être entendu par microcapteur un capteur, un détecteur ou un microdétecteur.
Le support en matériau conducteur thermique peut être un métal, par exemple du cuivre, de l'aluminium, de l'argent ou de l'acier inoxydable, ou du verre ou de la céramique.
Une couche d'une paire de couches formant un thermocouple peut comprendre ou être constituée de plusieurs matériaux différents. Une couche d'une paire de couches formant un thermocouple peut comprendre plusieurs portions ou segments comprenant ou étant constitués chacun d'un matériau différent. Une couche considérée d'une paire de couches peut comprendre un premier segment s'étendant depuis une extrémité, dite proximale, située du côté du centre du microcapteur de la couche considérée jusqu' à la moitié de la distance séparant l'extrémité proximale de l'extrémité, dite distale, située du côté du bord externe, de la couche considérée et un second segment s'étendant depuis l'extrémité distale de la couche considérée jusqu'au premier segment. Le premier segment peut être constitué d'un matériau permettant d'obtenir un gradient de température élevée le long du premier segment et le second segment peut être constitué d'un matériau permettant d'obtenir un gradient de température inférieur au premier segment, voire un gradient de température faible.
De préférence, pour la seconde configuration, la tranchée sépare, en partie uniquement, les deux couches de l'au moins une paire de couches d'une distance minimale supérieure à 500 nm. De préférence, pour la seconde configuration, l'extrémité proximale des couches de l'au moins une paire de couches correspond à la partie centrale des couches de l'au moins une paire de couches.
De préférence, une tranchée, distincte de la tranchée séparant, complètement ou en partie seulement, les deux couches de l'au moins une paire de couches, sépare deux couches adjacentes de deux paires de couches différentes d'une distance minimale supérieure à 500 nm.
De préférence, le centre du microcapteur constitue la zone de détection ou zone sensible du microcapteur.
Dans la seconde configuration, la couche de métal peut recouvrir, en outre, la portion centrale de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
De préférence, la couche de métal ne s'étend pas sur l'ensemble de la face supérieure du microcapteur. De préférence, la couche de métal est une couche discontinue.
De préférence, la couche de métal peut s'étendre dans tout ou partie de la tranchée séparant les deux couches de l'au moins une paire de couches.
Selon l'invention, le terme « paire de couches » correspond à une paire de couches d'un thermocouple du microcapteur.
Selon l'invention, le principe de fonctionnement d'un capteur thermoélectrique peut être défini comme consistant à convertir, successivement, une puissance de rayonnement en puissance thermique puis la puissance thermique en gradient de température puis le gradient de température en signal électrique.
Selon l'invention, il peut être entendu par rayonnements thermiques de faible puissance, des rayonnements dont la puissance est comprise entre quelques dizaines de micro Watts et quelques dizaines de nano watts.
De préférence, les couches de l'empilement de couches formant le microcapteur sont empilées selon un axe s'étendant entre la face inférieure et la face supérieure du microcapteur.
Selon l'invention, il peut être entendu par face supérieure du microcapteur la face ou la surface du microcapteur comprenant, au moins en partie, la couche de métal. Selon l'invention, il peut être entendu par face inférieure du microcapteur la face du microcapteur qui est opposée à la face supérieure du microcapteur.
Il peut être entendu par face ou surface supérieure, en particulier d'une couche de l'empilement de couches, la surface ou la face orientée en direction de la face supérieure du microcapteur. Il peut être entendu par face ou surface inférieure, en particulier d'une couche de l'empilement de couches, la surface ou la face opposée à la face ou surface supérieure.
La face supérieure ou la face inférieure du microcapteur peut être orientée en direction du rayonnement thermique à mesurer.
De préférence, le matériau diélectrique présente une conductivité électrique inférieure à 1.10’11 S.nr1.
De préférence, le matériau diélectrique présente une conductivité thermique inférieure à 1 W.m^.K’1.
De préférence, le matériau diélectrique est une membrane en Polyimide.
De préférence, dans la première configuration, les deux couches d'une paire de couches sont adjacentes ou voisines, en particulier au niveau du centre du microcapteur. De préférence, dans la première configuration, les deux couches d'une paire de couches ne sont pas en contact, de préférence, et en particulier, au niveau du centre du microcapteur.
De préférence, une couche donnée d'une paire de couches est séparée d'une couche d'une autre paire de couches qui est voisine de ou adjacente à la couche donnée. De préférence, aucune couche de l'au moins une paire de couches n'est en contact avec une autre couche de l'au moins une paire de couches.
Il peut être entendu par tranchée un sillon ou un espace.
De préférence, dans la première configuration, une distance séparant deux couches adjacentes d'une même paire de couches s'étend selon une direction perpendiculaire à la direction de l'empilement de couches du microcapteur.
De préférence, une couche donnée d'une paire de couches est séparée par une tranchée ou un espace d'une couche d'une autre paire de couches qui est voisine de ou adjacente à la couche donnée. De préférence, une distance séparant deux couches adjacentes de deux paires de couches différentes s'étend selon une direction perpendiculaire à la direction de l'empilement de couches du microcapteur. De préférence, une distance séparant deux couches adjacentes de deux paires de couches différentes s'étend selon la longueur des couches des paires de couches. De préférence, la distance séparant deux couches, pouvant être définie comme une largeur de la tranchée ou de l'espace, est comprise entre 0,5 pm et 100 pm.
De préférence, la sensibilité du microcapteur est proportionnelle au nombre de thermocouple, ou de paires de couches, que comprend le microcapteur.
De préférence, la couche de métal recouvre partiellement une surface supérieure de l'au moins une paire de couches. La couche de métal peut comprendre ou être constituée d'un ou plusieurs éléments chimiques métalliques. De préférence, dans la première configuration, la fonction de la portion centrale de la couche de métal est d'assurer une connexion électrique entre les deux couches de l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur.
De préférence, la fonction de la portion centrale de la couche de métal est de permettre une meilleure absorption du rayonnement thermique à mesurer.
De préférence, la couche de métal présente une conductivité thermique supérieure ou égale à 10 W.nrTK'1. De préférence, la couche de métal présente une conductivité électrique supérieure ou égale à 1.106 S.nr1.
De préférence, dans la première configuration, la portion des couches de l'au moins une paire de couches qui est adjacente à la tranchée ne coïncident pas avec un centre géométrique du microcapteur. Le centre géométrique du microcapteur peut coïncider avec un centre géométrique de la couche en matériau diélectrique. Le centre du microcapteur peut être compris dans un axe de révolution du microcapteur. L'axe de révolution du microcapteur peut être parallèle à la direction de l'empilement de couches du microcapteur.
De préférence, dans la seconde configuration, le centre géométrique du microcapteur coïncide avec la portion centrale de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
De préférence, le ZTeffectif d u microcapteur est supérieur ou égal à 0,1, de préférence encore à 0,2, de manière préférée à 0,3, de manière encore préférée à 0,4, de manière davantage préférée à 0,5, de manière encore davantage préférée à 0,6, de manière particulièrement préférée à 0,7, de manière particulièrement avantageuse à 0,8 et de manière tout particulièrement avantageuse à 0,9. De manière avantageuse, le ZTeffectif d u microcapteur est égal à 1.
De préférence, le ZTeffectif d u microcapteur est inférieur ou égal à 1,9, de préférence encore à 1,8, de manière préférée à 1,7, de manière encore préférée à 1,6, de manière davantage préférée à 1,5, de manière encore davantage préférée à 1,4, de manière particulièrement préférée à 1,3, de manière particulièrement avantageuse à 1,2, de manière tout particulièrement avantageuse à 1,1 et de manière préférée entre toutes à 1,05.
Le facteur de mérite ZTeffectif d u microcapteur peut être défini comme le facteur de mérite thermoélectrique. Dans l'état de l'art, le facteur de mérite thermoélectrique est utilisé pour évaluer l'efficacité des modules de réfrigération thermoélectrique, typiquement l'efficacité des modules Peltier. Dans ce domaine, il est toujours cherché à maximiser le facteur de mérite ZTeffectif du dispositif pour obtenir un rendement de conversion maximal.
Selon l'invention, les inventeurs ont observé que la conception d'un capteur thermique agencé de sorte que son ZTeffectif soit proche de 1 ou égale à 1 permet d'obtenir la meilleure sensibilité et le meilleur seuil de détection. L'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que décrit ci-dessus permet d'obtenir un microcapteur dont le ZTeffectif est proche de 1 ou égale à 1.
De préférence, une conductivité thermique du microcapteur est inférieure ou égale à 10 W.nrTK'1.
De préférence, la conductivité thermique du microcapteur s'entend de la conductivité thermique mesurée entre les deux portions annulaires de la couche métallique. De préférence, la conductivité thermique du microcapteur s'entend de la conductivité thermique mesurée entre les deux portions annulaires de chacune des paires de couches de l'au moins une paire de couches.
De préférence, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus permet de minimiser les pertes thermiques entre les couches de l'empilement de couches du microcapteur mais également entre le microcapteur et son environnement. De préférence, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus permet de minimiser les pertes thermiques le long de l'axe d'empilement des couches du microcapteur. De préférence, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus permet d'augmenter la sensibilité et le seuil de détection du microcapteur. En outre, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus, bien que constituant une amélioration de l'invention, peut contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1.
De préférence, une constante de temps thermique, notée tau, du microcapteur est inférieure ou égale à 10 s, tau est égal au rapport entre une capacité calorifique du microcapteur et la conductivité thermique du microcapteur.
De préférence, la capacité calorifique du microcapteur s'entend de la capacité calorifique dans une zone centrale du microcapteur. De préférence encore, la capacité calorifique du microcapteur s'entend de la capacité calorifique d'une zone centrale et/ou d'une portion des couches de l'empilement de couches. La zone centrale du microcapteur peut être définie comme la zone du microcapteur où la puissance du rayonnement thermique est absorbée. De préférence, dans la première configuration, la capacité calorifique du microcapteur s'entend de la capacité calorifique mesurée entre la portion centrale de la couche métallique et la portion des couches de l'au moins une paire de couches recouvertes par la portion centrale.
De préférence, dans la seconde configuration, la capacité calorifique du microcapteur s'entend de la capacité calorifique mesurée entre la portion centrale de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
De préférence, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus permet d'obtenir une telle constante de temps thermique. De préférence, l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur tel que défini ci-dessus permettant d'obtenir une telle constante de temps thermique permet de diminuer le temps de réponse du microcapteur.
De préférence encore, l'agencement du microcapteur selon l'invention, de préférence encore le microcapteur selon l'invention dont le ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9 et/ou dont la conductivité thermique du microcapteur est inférieure ou égale à 10 W.nr ^K’1 et/ou dont la constante de temps thermique, notée tau, du microcapteur est inférieure ou égale à 10 s permet d'obtenir une détectivité spécifique supérieure aux détecteurs de l'état de la technique. De préférence, la détectivité spécifique du microcapteur selon l'invention est supérieure ou égale à 1.109 cm.Hz°'5.W1, de préférence à 5.109, de préférence encore à 1.1010, de manière davantage préférée à 5.1O10 et de manière encore davantage préférée à 1.1011 cm.Hz°'5.W1.
De préférence, chacune des couches de l'au moins une paire de couches présente un paramètre ZT compris entre 0,1 et 1,9.
De préférence, le ZT de chacune des couches de l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur est supérieur ou égal à 0, 1, de préférence encore à 0,2, de manière préférée à 0,3, de manière encore préférée à 0,4, de manière davantage préférée à 0,5, de manière encore davantage préférée à 0,6, de manière particulièrement préférée à 0,7, de manière particulièrement avantageuse à 0,8, de manière tout particulièrement avantageuse à 0,9. De manière avantage le ZT de chacune des couches de l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur est égal à 1.
De préférence, le ZT de chacune des couches de l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur est inférieur ou égal à 1,9, de préférence encore à 1,8, de manière préférée à 1,7, de manière encore préférée à 1,6, de manière davantage préférée à 1,5, de manière encore davantage préférée à 1,4, de manière particulièrement préférée à 1,3, de manière particulièrement avantageuse à 1,2, de manière tout particulièrement avantageuse à 1,1 et de manière préférée entre toutes à 1,05.
Des couches de l'au moins une paire de couches présentant un paramètre ZT compris entre 0,1 et 1,9, bien que constituant une amélioration de l'invention, peuvent contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1.
De préférence, un ratio entre une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, d'une couche ou des couches de l'au moins une paire de couches et, pour une couche considérée de l'au moins une paire de couches :
- dans la première configuration, une distance (R.1-R.2) entre la portion centrale de la couche de métal recouvrant la couche considérée et la portion annulaire de la couche de métal recouvrant la couche considérée est inférieur à 0,1 %, de préférence à 0,05 %, de préférence encore à 0,01 %, ou
- dans la seconde configuration, une distance (R.1-R.2) entre la portion centrale de la couche considérée et la portion annulaire de la couche de métal recouvrant la couche considérée est inférieur à 0,1 %, de préférence à 0,05 %, de préférence encore à 0,01 % ; la distance (R.1-R.2) est comprise dans un plan perpendiculaire à l'axe d'empilement des couches du microcapteur.
De préférence, l'épaisseur de l'au moins une paire de couche est inférieure ou égale à 10 pm.
Il peut être entendu par bord, par exemple du microcapteur ou d'une couche, une bordure, une extrémité périphérique, un contour ou un pourtour du microcapteur.
De préférence, le microcapteur, de préférence encore chacune des couches de l'empilement de couches formant le microcapteur, présente une géométrie sphérique. De préférence, la longueur des couches de l'au moins une paire de couches, de préférence encore une longueur de chacune des couches de l'empilement de couches formant le microcapteur, s'étend radialement depuis un centre du microcapteur vers le bord du microcapteur.
Le microcapteur, de préférence encore chacune des couches de l'empilement de couches formant le microcapteur, peut présenter une géométrie rectangulaire ou carré. De préférence, la longueur des couches de l'au moins une paire de couches, de préférence encore une longueur de chacune des couches de l'empilement de couches formant le microcapteur, s'étend selon une longueur ou une largeur du carré ou du rectangle, de préférence depuis un centre du microcapteur vers le bord du microcapteur.
De préférence, l'agencement des couches de l'au moins une paire de couches respectant ce ratio permet de maximiser le gradient de température, dans chacune des couches de l'au moins une paire de couches, entre la portion centrale de la couche de métal et les portions annulaires de la couche de métal, pour la première configuration, et entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches et les portions annulaires de la couche de métal. De préférence, l'agencement des couches de l'au moins une paire de couches respectant ce ratio permet de minimiser le gradient de température, dans chacune des couches de l'au moins une paire de couches, entre la couche de métal et la couche de matériau diélectrique. L'agencement des couches de l'au moins une paire de couches respectant ce ratio, bien que constituant une amélioration de l'invention, peut contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1.
De préférence, dans la première configuration du microcapteur, une surface de contact entre la portion centrale de la couche métallique et l'au moins une paire de couches est supérieure à 0,1 %, de préférence encore à 0,25 %, de manière préférée à 0,5 %, de manière encore préférée à 0,75 %, de manière davantage préférée à 1 %, de manière encore davantage préférée à 2 %, de manière particulièrement préférée à 4 %, de manière particulièrement avantageuse à 6 %, de manière tout particulièrement avantageuse à 8 % et de manière préférée entre toutes à 10 %, d'une surface totale d'une face de l'au moins une paire de couches qui est en regard de la couche métallique.
De préférence, dans la seconde configuration du microcapteur, la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches est supérieure à 0,1 %, de préférence encore à 0,25 %, de manière préférée à 0,5 %, de manière encore préférée à 0,75 %, de manière davantage préférée à 1 %, de manière encore davantage préférée à 2 %, de manière particulièrement préférée à 4 %, de manière particulièrement avantageuse à 6 %, de manière tout particulièrement avantageuse à 8 % et de manière préférée entre toutes à 10 %, d'une surface totale d'une face de la couche de l'au moins une paire de couches dont la portion centrale recouvre la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches et/ou d'une surface totale d'une face de la couche de l'au moins une paire de couches dont la portion centrale est recouverte par la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches. De préférence, une surface de contact entre les deux portions annulaires de la couche métallique et l'au moins une paire de couches est supérieure à 10 %, de préférence encore à 20 %, de manière préférée à 30 %, de manière encore préférée à 40 %, de manière davantage préférée à 50 %, de manière encore davantage préférée à 55 %, de manière particulièrement préférée à 60 %, de manière particulièrement avantageuse à 70 %, de manière tout particulièrement avantageuse à 80 % et de manière préférée entre toutes à 90 %, d'une surface totale d'une face de l'au moins une paire de couches qui est en regard de la couche métallique.
De préférence, un tel agencement des surfaces de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches, associé à la forte conductivité thermique et électrique de la couche métallique, permet de diminuer les résistances de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches et, en outre, pour la seconde configuration un tel agencement de la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches permet de diminuer les résistances de contact au niveau de la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches. De préférence, un tel agencement des surfaces de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches associé à la forte conductivité thermique et électrique de la couche métallique, et, en outre, pour la seconde configuration un tel agencement de la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches, permet d'homogénéiser la température au niveau de l'extrémité proximale et de l'extrémité distale des couches de l'au moins une paire de couches. De préférence, un tel agencement des surfaces de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches, associé à la forte conductivité thermique et électrique de la couche métallique permet d'obtenir un compromis optimal entre une diminution des résistances de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches, et une bonne homogénéisation de la température entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches et, en outre, pour la seconde configuration un tel agencement de la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches, permet d'obtenir un compromis optimal entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches, et une bonne homogénéisation de la température entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches. Bien que constituant une amélioration de l'invention, l'agencement des surfaces de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches, et, en outre, pour la seconde configuration l'agencement de la surface de contact entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches, tels que décrits ci-dessus, associé à la forte conductivité thermique et électrique de la couche métallique peut contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche de 1 ou égal à 1.
Le microcapteur peut comprendre, au niveau de la surface de contact entre la portion centrale de la couche métallique et l'au moins une paire de couches, et, pour la seconde configuration, entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches, une couche mince intermédiaire visant à diminuer la résistance de contact entre la couche métallique et l'au moins une paire de couches, et, pour la seconde configuration, entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches. De préférence, la couche métallique et/ou l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur peut comprendre des éléments chimiques constitutifs de la couche mince intermédiaire ayant diffusés dans la couche métallique et/ou dans l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur.
De préférence, les matériaux constituant les couches de l'au moins une paire de couches sont :
- des matériaux semiconducteurs comprenant du Tellurure et/ou du Bismuth et/ou du Germanium et/ou de l'antimoine, et/ou
- des alliages de Heusler.
De préférence, le matériau semiconducteur constituant l'au moins une paire de couches comprend, ou est constitué à au moins 90 %, en pourcentage atomique, du Tellurure de Bismuth ou du Tellurure de Germanium ou du Tellure de Plomb ou du Tellure d'Antimoine ou un alliage d'Antimoine-Plomb ou un alliage de Silicium-Germanium.
De préférence, pour une température de mesure avoisinant les 300 K, le matériau semiconducteur est en Tellure de Bismuth.
De préférence, pour une température de mesure avoisinant les 700 K, le matériau semiconducteur est un alliage comprenant du Tellure, de l'Antimoine, du Germanium et de l'Argent ou un alliage comprenant du Plomb et du Tellure.
De préférence, pour une température de mesure avoisinant les 900 K, le matériau semiconducteur est un alliage comprenant du Zinc et de l'Anitmoine ou ses dérivés ou de la skuttérudite.
De préférence, pour une température de mesure avoisinant les 1200 K, le matériau semiconducteur est un alliage comprenant du Silicum et du Germanium. De préférence, l'au moins une paire de couches repose intégralement sur la couche en matériau diélectrique.
De préférence, la totalité d'une surface ou d'une face de l'au moins une paire de couches qui est en regard de la couche en matériau diélectrique est en contact avec le matériau diélectrique.
De préférence, la caractéristique du microcapteur selon laquelle la totalité des couches de l'au moins une paire de couches est en contact avec la couche en matériau diélectrique permet de diminuer les pertes ou échanges électriques et/ou les pertes ou échanges thermiques des couches de l'au moins une paire de couches avec l'environnement du microcapteur. Un tel agencement des couches de l'au moins une paire de couches, bien que constituant une amélioration de l'invention, peut contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1.
De préférence, le microcapteur comprend une couche de matériau absorbant recouvrant, de préférence recouvrant uniquement :
- dans la première configuration, la portion centrale de la couche de métal, ou
- dans la seconde configuration, la portion centrale de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches, ladite couche de matériau absorbant est apte à absorber la chaleur sur une large gamme de longueur d'onde.
De préférence, la couche en matériau absorbant recouvre une surface supérieure de la portion centrale de la couche de métal ou une surface supérieure de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches.
Il peut être entendu par large gamme de longueur d'onde des longueurs d'ondes comprises entre la centaine de nanomètres et quelques centaines de microns.
Le matériau absorbant peut être un matériau diélectrique. Le matériau absorbant peut être du noir de carbone, de l'or noir ou du noir de platine.
De préférence, le microcapteur est agencé et/ou comprend des moyens de fixation destinés ou aptes à coopérer avec une chambre à vide pour que l'au moins une paire de couches en matériau semiconducteur et la couche de métal et/ou la couche de matériau absorbant et/ou la couche en matériau diélectrique et/ou le support matériau en conducteur thermique soient maintenus sous vide primaire ou secondaire. De préférence, l'utilisation du microcapteur sous conditions ambiantes de pressions offre des sensibilités et des seuils de détection inférieurs à ceux de l'état de la technique. L'utilisation du microcapteur sous vide n'est pas nécessaire mais permet d'améliorer encore davantage la sensibilité et le seuil de détection du microcapteur.
De préférence, une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, des couches de l'au moins une paire de couches et/ou une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, de la portion centrale et/ou des portions annulaires de la couche de métal est comprise entre 0,01 et 10 pm et/ou une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, de la couche de matériau absorbant est comprise entre 0,1 et 10 pm.
De préférence, les épaisseurs des couches de l'empilement de couches du microcapteur telles que décrites ci-dessus permettent de diminuer, de préférence de rendre négligeable, le gradient de température, dans chacune des couches de l'empilement de couches du microcapteur, selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur. De préférence, les épaisseurs des couches de l'empilement de couches du microcapteur telles que décrites ci-dessus permettent de maximiser le gradient de température, dans chacune des couches de l'au moins une paire de couches, entre la portion centrale de la couche de métal et les portions annulaires de la couche de métal, pour la première configuration, ou entre les portions centrales des deux couches de l'au moins une paire de couches et les portions annulaires de la couche de métal, pour la seconde configuration. Les épaisseurs des couches de l'empilement de couches du microcapteur telles que décrites ci-dessus, bien que constituant une amélioration de l'invention, peuvent contribuer à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1.
De préférence, le support en matériau conducteur thermique est annulaire et s'étend le long d'un pourtour de la face inférieure du microcapteur.
De préférence, l'effet du support en matériau conducteur thermique annulaire s'étendant le long du pourtour de la face inférieure du microcapteur permet de générer un gradient de température s'étendant radialement ou depuis le centre du microcapteur, où la puissance du rayonnement thermique est absorbée, vers la périphérie ou le pourtour du microcapteur.
De préférence, une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, de la partie de la couche en matériau diélectrique qui est en vis-à-vis du support en matériau conducteur thermique annulaire est supérieure à l'épaisseur du reste de la couche en matériau diélectrique. Autrement dit, de préférence, une épaisseur de la couche en matériau diélectrique varie dans le plan perpendiculaire à l'axe d'empilement des couches du microcapteur. De préférence, la couche en matériau diélectrique comprend une partie, dite centrale, et une partie annulaire qui s'étend le long d'un pourtour de la couche en matériau diélectrique. De préférence, le reste de la couche en matériau diélectrique correspond à la partie centrale de la couche en matériau diélectrique. De préférence, la partie annulaire de la couche en matériau diélectrique correspond à la partie de la couche en matériau diélectrique qui est en vis-à-vis du support en matériau conducteur thermique annulaire. De préférence, la partie centrale de la couche en matériau diélectrique s'étend depuis un centre de la couche en matériau diélectrique jusqu'à la partie annulaire de la couche en matériau diélectrique. De préférence, le centre de la couche en matériau diélectrique coïncide ou est confondu avec l'axe de révolution du microcapteur.
De préférence, l'épaisseur de la partie annulaire de la couche en matériau diélectrique présente une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la partie centrale de la couche en matériau diélectrique.
De préférence, l'épaisseur du reste de la couche en matériau diélectrique est inférieure à 20 pm, de préférence encore à 18 pm, de manière préférée à 16 pm, de manière encore préférée à 14 pm, de manière davantage préférée à 12 pm, de manière encore davantage préférée à 10 pm. De préférence, l'épaisseur du reste de la couche en matériau diélectrique est inférieure à 9 pm, de préférence encore à 8 pm, de manière préférée à 7 pm, de manière encore préférée à 6 pm, de manière davantage préférée à 5 pm, de manière encore davantage préférée à 4 pm, de manière particulièrement préférée à 3 pm, de manière particulièrement avantageuse à 2 pm et de manière préférée entre toutes à 1 pm.
De préférence, le matériau diélectrique peut comprendre uniquement une partie annulaire. Autrement dit, le matériau diélectrique peut ne pas comprendre de partie centrale.
De préférence, l'épaisseur de la partie de la couche en matériau diélectrique qui est en vis-à-vis du support en matériau conducteur thermique annulaire est comprise entre 1 et 100 pm, de préférence encore entre 12,5 et 50 pm.
De préférence, une longueur de la couche en matériau diélectrique et/ou une longueur du support en matériau conducteur thermique est supérieure à une longueur des autres couches de l'empilement de couches du microcapteur ; pour chacune des couches de l'empilement de couches du microcapteur, la longueur d'une couche considérée de l'empilement de couches du microcapteur est comprise dans un plan perpendiculaire à l'axe d'empilement des couches du microcapteur et s'étend entre une portion centrale et un bord, de préférence un bord externe, de la couche considérée.
De préférence, la longueur d'une couche considérée de l'empilement de couches du microcapteur s'étend entre une extrémité, dite proximale, située du côté du centre du microcapteur et une extrémité, dite distale, située du côté du bord externe, de la couche considérée.
De préférence, la couche en matériau diélectrique et/ou le support en matériau conducteur thermique s'étendent, radialement ou selon la direction reliant le centre du microcapteur aux bords du microcapteur, au-delà des autres couches de l'empilement de manière à empêcher un court-circuit entre l'au moins une paire de couches et/ou la couche de métal et le support en matériau conducteur thermique.
Selon l'invention, il est également proposé un procédé de fabrication d'un microcapteur selon l'invention. Le procédé comprend les étapes consistant à :
- déposer une couche constituée d'un matériau diélectrique sur un support en matériau conducteur thermique,
- réaliser une première succession d'étapes de microfabrication pour former une première couche d'une paire de couches, destinées à former un thermocouple, recouvrant une première partie de la couche en matériau diélectrique,
- réaliser une deuxième succession d'étapes de microfabrication pour former une deuxième couche de la paire de couches, destinées à former le thermocouple, recouvrant une deuxième partie de la couche en matériau diélectrique, les première et deuxième couches de la paire de couches sont séparées, par une tranchée, d'une distance minimale supérieure à 500 nm,
- réaliser une troisième succession d'étapes de microfabrication pour former une couche de métal recouvrant partiellement la paire de couches, la couche de métal comprend deux portions annulaires par paire de couches, une des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique d'une des deux couches de la paire de couches et l'autre des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique de l'autre des deux couches de la paire de couches ; dans une première configuration du microcapteur, la couche de métal comprend une portion centrale qui recouvre, au moins, une portion de chacune des deux couches de la paire de couches qui est adjacente à la tranchée, et dans une seconde configuration du microcapteur, une portion centrale de la deuxième couche de la paire de couches recouvre une portion centrale de la première couche de la paire de couches.
Le procédé d'obtention du microcapteur peut également comprendre une ou des étapes de traitement de la surface de contact entre la couche métallique et la paire de couches permettant de diminuer les résistances de contact entre la couche métallique et la paire de couches en matériau semiconducteur. De préférence, un tel traitement vise à diminuer la résistance de contact entre la couche métallique et la de couches en matériau semiconducteur.
Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté, de préférence encore spécialement conçu, pour mettre en œuvre le microcapteur selon l'invention. Ainsi, toute caractéristique du microcapteur selon l'invention peut être intégrée dans le procédé selon l'invention et inversement.
Description des figures
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[Fig. 1] la FIGURE 1 est une représentation schématique en vue de dessus d'un premier mode de réalisation du microcapteur thermoélectrique selon l'invention,
[Fig. 2] la FIGURE est une représentation schématique en vue en coupe du microcapteur illustré sur la FIGURE 1,
[Fig. 3] la FIGURE 3 est une représentation schématique en vue en coupe du microcapteur illustré sur la FIGURE 1,
[Fig. 4] la FIGURE 4 est une représentation schématique en vue en coupe du microcapteur illustré sur la FIGURE 1,
[Fig. 5] la FIGURE 5 est une représentation schématique en vue de dessus d'un deuxième mode de réalisation d'un microcapteur thermoélectrique selon l'invention, [Fig. 6] la FIGURE 6 est une représentation schématique en vue en coupe du microcapteur illustré sur la FIGURE 5,
[Fig. 7] la FIGURE 7 est une représentation schématique en vue en coupe du microcapteur illustré sur la FIGURE 5,
[Fig. 8] la FIGURE 8 est un graphique illustrant les variations de températures dans le temps d'un corps noir mesurées par le microcapteur,
[Fig. 9] la FIGURE 9 est un graphique illustrant les variations de températures dans le temps d'un corps noir mesurées par le microcapteur,
[Fig. 10] la FIGURE 10 est un graphique illustrant les variations de puissances thermiques dans le temps d'une diode électroluminescente mesurées par le microcapteur,
[Fig. 11] la FIGURE 11 est un graphique illustrant les variations de puissances thermiques dans le temps d'une diode électroluminescente mesurées par le microcapteur,
[Fig. 12] la FIGURE 12 est un graphique illustrant les variations de puissances thermiques dans le temps d'une diode électroluminescente mesurées par le microcapteur,
[Fig. 13] la FIGURE 13 est un graphique illustrant les variations de puissances thermiques dans le temps d'une diode électroluminescente mesurées par le microcapteur. Description des modes de réalisation
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En référence aux FIGURES 1 à 7, il est présenté un microcapteur thermoélectrique 1 selon l'invention. Le microcapteur 1 est formé par un empilement de couches. Le microcapteur 1 est circulaire selon le mode de réalisation présenté. Cette géométrie n'est pas limitative et l'agencement présentement décrit est transposable directement à un microcapteur 1 de géométrie quelconque, par exemple carré ou rectangulaire. Tel que décrit ci-dessous, le centre ou la partie centrale du microcapteur 1 constitue la zone de détection sur laquelle le rayonnement thermique à détecter est dirigé. Selon le mode de réalisation non limitatif, la zone de détection est située sur la face supérieure du microcapteur 1. La zone de détection pourrait très bien être située au centre de la face inférieure du microcapteur 1.
L'empilement de couches comprend un support 2 en matériau conducteur thermique. Le support 2 constitue la couche inférieure du microcapteur 1. Selon le mode de réalisation, le support 2 est en cuivre. L'empilement de couches comprend une couche 3 constituée d'un matériau diélectrique qui repose sur le support 2 en cuivre. La couche 3 en matériau diélectrique est en Kapton selon le mode de réalisation. L'empilement de couches comprend au moins une paire de couches, deux paires 51, 52 et 53, 54 de couches 51, 52, 53, 54 selon le mode de réalisation, formant un thermocouple, deux thermocouples 61, 62 selon le mode de réalisation. Chaque couche d'une paire 51, 52 et 53, 54 de couches est séparée par une tranchée 83 d'une couche d'une autre paire 51, 52 et 53, 54 de couches. Autrement dit, la couche 51 du thermocouple 61 est séparée par la tranchée 83 de la couche 53 du thermocouple 62 et la couche 52 du thermocouple 61 est séparée par la tranchée 83 de la couche 54 du thermocouple 62. L'empilement de couches comprend une couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 recouvrant partiellement les deux paires 51, 52 et 53, 54 de couches 51, 52, 53, 54. La couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 comprend deux portions annulaires 71, 72 et 71, 74 par paire 51, 52 et 53, 54 de couches 51, 52, 53, 54. Selon le mode de réalisation, la couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 comprend donc trois portions annulaires 71, 72, 74. Pour chaque thermocouple 61, 62, une des deux portions annulaires 71, 72 ou 71, 74 d'un thermocouple 61, 62 recouvre une portion périphérique d'une des deux couches 51 ou 52 et 53 ou 54 d'une des deux paires 51, 52 et 53, 54 de couches et l'autre des deux portions annulaires 71, 72 ou 71, 74 recouvre une portion périphérique de l'autre couche 51 ou 52 et 53 ou 54 des deux paires 51, 52 ou 53, 54 de couches. L'épaisseur de la couche de métal est de 1 pm selon le mode de réalisation non limitatif. La couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 est une bicouche de Nickel-Platine selon le mode de réalisation non limitatif.
Chaque thermocouple 61, 62 ou chaque paire 51, 52 et 53, 54 de couches, est agencée de sorte qu'une tranchée 81, 82 sépare les deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62. La largeur de la tranchée 81, 82, notée d, ou la distance séparant les deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62 est de 500 pm selon le mode de réalisation non limitatif.
En référence aux FIGURES 1 à 4, dans une première configuration du microcapteur 1 selon le mode de réalisation, la couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 comprend deux portions centrales 75, 76. En pratique, le microcapteur 1 comprend une portion centrale 75 ,76 par thermocouple 61, 62. Chacune des portions centrales 75, 76 recouvre une portion, qui est adjacente à la tranchée 81, 82, de chacune des deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62. Les portions centrales 75, 76 de la couche de métal ont pour effet de connecter électriquement les deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62. Les portions centrales 75, 76 de la couche de métal sont situées dans la zone de détection du microcapteur 1. En outre, les portions centrales 75, 76 de la couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 ont également pour effet d'ho- mogénéiser la température au niveau de chaque portion adjacente à la tranchée 81, 82, de chacune des deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62. Enfin, les portions centrales 75, 76 de la couche de métal 71, 72, 74, 75, 76 ont également pour effet de permettre une meilleure absorption du rayonnement thermique.
En référence aux FIGURES 5 à 7, il est illustré une seconde configuration du microcapteur 1 selon le mode de réalisation. La seconde configuration du microcapteur 1 diffère de la première configuration du microcapteur 1 uniquement dans la zone centrale du microcapteur 1 et uniquement en ce qui concerne les deux couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Seule les différences entre les deux configurations sont donc présentées. A défaut d'indication contraire, l'ensemble des caractéristiques décrites s'appliquent aux deux configurations du microcapteur 1. Dans la seconde configuration du microcapteur 1 selon le mode de réalisation, une portion centrale 91, 93 d'une couche 51, 54 parmi les deux couches 51, 52 et 53, 54 de chaque thermocouple 61, 62 recouvre une portion centrale 92, 94 de l'autre couche 52, 53. Le recouvrement des portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52 et 53, 54 de chaque thermocouple 61, 62 a pour effet de connecter électriquement les deux couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62. Les portions centrales 91, 92, 93, 94 des couches 51, 52 et 53, 54 sont situées dans la zone de détection du microcapteur En outre, le recouvrement des portions centrales 91, 92, 93, 94 des couches 51, 52 et 53, 54 de chaque thermocouple 61, 62 a également pour effet pour effet d'homogénéiser la température au niveau de chacune des portions des portions centrales 91, 92.
Selon l'invention, les matériaux constituant chacune des couches deux couches 51, 52, 53, 54 de chaque thermocouple 61, 62 sont choisis de sorte que, pour un intervalle de températures de mesure donné, noté [Tmin, Tmax], le microcapteur 1 présente un paramètre ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9, ZT est le facteur de mérite et T est la température de mesure. Il a été observé que la conception d'un microcapteur 1 respectant l'agencement tel que décrit ci-dessus dont le ZTeffectif soit proche de 1 ou égale à 1 permet d'obtenir la meilleure sensibilité et le meilleur seuil de détection. L'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur 1 modifie le ZTeffectif du microcapteur 1. En particulier, l'agencement des couches de l'empilement de couches modifie, entre autres, la conductivité thermique et la conductivité électrique des couches 51, 52 et 53, 54 des thermocouples 61, 62 et donc leur facteur de mérite. Aussi, il est nécessaire que le choix des matériaux constituant les couches 51, 52 et 53, 54 des thermocouple 61, 62 tienne compte de l'agencement de l'empilement de couches du microcapteur 1 dans son ensemble. Aussi, cet effet n'est pas, et ne pas être, obtenu en choisissant simplement les matériaux constituant les couches 51, 52 et 53, 54 d'un thermocouple 61, 62 de sorte que le facteur de mérite des paires de couches 51, 52 et 53, 54 des thermocouples 61, 62 soit le plus élevé possible ou le plus petite possible. Aussi, à titre d'exemple non limitatif, selon le mode de réalisation, et pour une température de fonctionnement voisine de 300 kelvins, le matériau utilisé pour les couches 51 et 54 des thermocouples 61, 62 est du tellure de Bismuth (III), (BizTez.ySeo.s), dopée p et les couches 52 et 53 des thermocouples 61, 62 sont en tellure de Bismuth (III), (Bio.5Sb1.5Te3), dopées n. Dans le cas du tellure de Bismuth, le facteur de mérite des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est de l'ordre de 1 et le facteur de mérite du microcapteur 1 est de l'ordre de 1.
En pratique, selon le mode de réalisation à deux thermocouples 61, 62, la mesure de température s'effectue en mesurant la différence de potentiel qui s'établie entre les portions annulaires 72 et 74. La différence de potentiel mesurée correspond donc à la différence de potentiel aux bornes des deux thermocouples 61, 62 montés en série.
Pour la première configuration, la portions centrale 75 connecte la couche 52 à la couche 51 de la paire de couches 51, 52 du thermocouple 61, la portion annulaire 71 connecte le thermocouple 61 au thermocouple 62 et la portion centrale 76 connecte la couche 53 à la couche 54 de la paire de couches 53, 54 du thermocouple 62.
Pour la deuxième configuration, les portions centrales 93, 94 connectent la couche 52 à la couche 51 de la paire de couches 51, 52 du thermocouple 61, la portion annulaire 71 connecte le thermocouple 61 au thermocouple 62 et les portions centrales 91, 92 connectent la couche 53 à la couche 54 de la paire de couches 53, 54 du thermocouple 62.
Ce mode de fonctionnement est transposable et adapté aux nombres de thermocouples constituant le microcapteur. En particulier, pour un microcapteur comprenant deux thermocouples ou plus et comprenant un nombre total N de couches formant les paires de couches du microcapteur, le microcapteur comprendra un nombre de portions annulaires connectant deux couches adjacentes appartenant chacune à une paire de couches distinctes est égal à ((N-2)/2). Un tel microcapteur comprendra un nombre noté M de thermocouples qui est égal à (N/2) et un nombre de portions annulaires N' qui est égal à 2M + 1.
Dans une amélioration du microcapteur 1, le support 2 est annulaire. L'épaisseur du support 2 est de 2 mm selon le mode de réalisation. Une telle épaisseur permet d'avoir au niveau du support une masse thermique importante qui définit une température constante. L'agencement du support 2 permet de maximiser le gradient de température radial, noté AT2, s'étendant latéralement ou perpendiculairement par rapport à l'axe 4 d'empilement de couches, s'établissant dans le microcapteur 1 lorsqu'un rayonnement thermique est absorbée au centre du microcapteur 1. L'optimisation du gradient de température AT2 induira une augmentation de la différence de potentiel, notée AV, mesurée aux bornes des thermocouples 61, 62, c'est-à-dire entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal d'un thermocouple 61, 62, et permettra donc d'augmenter la sensibilité et de diminuer le seuil de détection du microcapteur 1.
Dans une amélioration du microcapteur 1, la couche 3 présente une épaisseur qui varie latéralement ou radialement. L'épaisseur Z de la partie de la couche 3 en vis- à-vis du support 2 annulaire est de 25 pm. Cette épaisseur doit être suffisante pour assurer une isolation électrique entre la couche métallique 71, 72 et 71, 74 et 75, 76 et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et le support 2. Un tel agencement de la couche 3 permet de diminuer le gradient de température AT3 entre le support 2 et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 de sorte à maximiser le gradient de température AT2.
En outre, l'épaisseur p de la partie de la couche 3 s'étendant depuis le centre du microcapteur 1 jusqu'au bord intérieur ou proximal du support 2, c'est-à-dire la partie présentant un diamètre égal au double de Ri, est de 1 pm. Cette épaisseur doit être la plus faible possible pour diminuer le gradient de température latéral AT'2 au sein de la couche 3 de sorte à maximiser le gradient de température latéral AT2 dans les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Idéalement, les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 sont suspendues et la couche 3 est annulaire.
Dans une amélioration du microcapteur 1, la longueur ou le rayon R4 de la couche 3 est égale à la longueur R4 du support 2. Le rayon 4 de la couche 3 est supérieure au rayon 3 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et au rayon des portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal. Autrement dit, l'extrémité distale de la couche 3 s'étend radialement au-delà de l'extrémité distale des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et de l'extrémité distale au rayon R3-R1 des portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal. Cela a pour effet d'empêcher un court- circuit entre des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et/ou les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et le support 2 en cuivre.
Dans une amélioration du microcapteur 1, un ratio entre l'épaisseur À des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et la longueur, égale à R1-R2, des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est inférieur à 0,1 %. Le ratio est de l'ordre de 0,01 % selon le mode de réalisation. Un agencement respectant un tel ratio permet de maximiser le gradient de température latéral AT2 dans les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. De plus, un agencement respectant un tel ratio permet de minimiser le gradient de température vertical AT3 entre les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et la couche 3. En outre, pour la première configuration, un agencement respectant un tel ratio permet de minimiser le gradient de température vertical ATI entre les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et les portions centrales 75, 76 de la couche de métal.
Dans une amélioration du microcapteur 1, la constante de temps thermique, notée tau, du microcapteur 1 est inférieure ou égale à 10 s. Une telle constante de temps est obtenue grâce à l'agencement des couches de l'empilement de couches du microcapteur 1 tel que défini ci-dessus. Une telle constante de temps thermique permet de diminuer le temps de réponse du microcapteur 1.
Dans une amélioration du microcapteur 1, l'agencement du microcapteur selon l'invention, permet d'obtenir une détectivité spécifique supérieure au détecteur de l'état de la technique. Cette détectivité spécifique est comprise entre 1.109 et 1.1011 cm.Hz°'5.W1 selon le mode de réalisation. Contrairement au détecteur de l'état de l'art, la détectivité spécifique du microcapteur 1 selon l'invention ne dépend que de l'épaisseur À des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et est inversement proportionnelle à l'épaisseur À des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Par conséquent, au plus l'épaisseur À sera réduite au plus la détectivité spécifique du microcapteur 1 sera élevée.
Dans une amélioration du microcapteur 1, une surface de contact entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est supérieure à 10 % la surface totale de la face supérieure des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 qui est en regard de la couche métallique. Le ratio entre la surface de contact entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et la surface totale de la face supérieure des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples
61, 62 qui est en regard de la couche métallique est de 55 % selon le mode de réalisation. Un tel ratio a pour effet de diminuer les résistances de contact entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Un tel ratio a également pour effet d'homogénéiser la température au niveau de l'extrémité distale des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61,
62. Un tel ratio permet également d'obtenir un compromis optimal entre une diminution des résistances de contact entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et un bon transfert thermique entre les portions annulaires 71, 72 et 71, 74 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62.
Dans une amélioration de la première configuration du microcapteur 1, la surface de contact entre les portions centrales 75, 76 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est supérieure à 0,1 % de la surface totale de la face supérieure couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Le ratio est de l'ordre de 2 % selon le mode de réalisation. Un tel ratio a pour effet de diminuer les résistances de contact entre les portions centrales 75, 76 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Un tel ratio a également pour effet d'homogénéi- ser la température au niveau de l'extrémité proximale des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Un tel ratio permet également d'obtenir un compromis optimal entre une diminution des résistances de contact entre les portions centrales 75, 76 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et un bon transfert thermique entre les portions centrales 75, 76 de la couche de métal et les couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62.
Dans une amélioration de la seconde configuration du microcapteur 1, la surface de contact entre les portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est supérieure à 0,1 % de la surface totale d'une face supérieure des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Le ratio entre la surface de contact entre les portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et la surface totale d'une face supérieure des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 est de 2 % selon le mode de réalisation. Un tel ratio a pour effet de diminuer les résistances de contact entre les portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Un tel ratio a également pour effet d'homogénéiser la température au niveau des portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Un tel ratio permet également d'obtenir un compromis optimal entre une diminution des résistances de contact entre les portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62 et un bon transfert thermique entre les portions centrales 91, 92 et 93, 94 des couches 51, 52, 53, 54 des thermocouples 61, 62. Enfin, bien que non nécessaires à l'obtention d'un ZTeffectif du microcapteur 1 proche ou égal à 1, chacune des améliorations décrites ci-dessus contribuent à l'obtention d'un ZTeffectif proche ou égal à 1 en diminuant l'écart entre le facteur de mérite ZT des paires de couches 51, 52 et 53, 54 des thermocouples 61, 62 et le facteur de mérite ZTeffectif du microcapteur 1.
Il est également décrit un mode de réalisation du procédé de fabrication du microcapteur 1 selon l'invention. Le procédé comprend l'étape consistant à déposer la couche en Kapton sur le support 2 annulaire en cuivre. Selon le mode de réalisation non limitatif, le Kapton est collé sur le support 2 en cuivre, de préférence préalablement nettoyé à l'éthanol. Une presse est placée sur la bague de cuivre et celle-ci est chauffée pendant une dizaine d'heures à 120°C afin de sécher la colle.
Le procédé comprend ensuite l'étape consistant à réaliser une première succession d'étapes de microfabrication pour former les couches 51 et 54 recouvrant chacune une première partie de la couche 3 en Kapton. Selon le mode de réalisation non limitatif, la première succession d'étapes comprenant un étalement, par spin-coating, de résine positive S1818 à une vitesse de rotation comprise entre 6000 rpm/s et 4000 rpm/s pendant une durée de 30s. La résine est ensuite développée pendant 1min dans une solution 1 : 1 de microposit développeur et eau déionisée. La résine est ensuite insolée. Un film en BizTes type p est déposé par pulvérisation cathodique assistée par magnétron sur l'ensemble de la surface. La résine est ensuite retirée en immergeant l'échantillon 5 min dans de l'acétone puis 5 min dans de l'éthanol pour obtenir les couches 51 et 54.
Le procédé comprend ensuite l'étape consistant à réaliser une deuxième succession d'étapes de microfabrication pour former les couches 52 et 53 en BizTes type n recouvrant une deuxième partie de la couche 3 en Kapton. Les étapes de microfabrication mises en œuvre sont identiques à celles de la première succession d'étapes.
Le procédé comprend, en outre, un recuit des couches 51, 52, 53, 54 sous argon à une pression de 600 mbar. Les couches 51, 52, 53, 54 sont recuites à 270°C entre 2 heures et 3 heures.
Le procédé comprend ensuite l'étape consistant réaliser une troisième succession d'étapes de microfabrication pour former les trois portions annulaires 71, 72, 74.
Pour la mise en œuvre du microcapteur 1 selon la première configuration, la troisième succession d'étapes de microfabrication comprend, en outre, la réalisation des portions central 75, 76 de la couche de métal qui recouvrent une portion de chacune des deux couches de la paire de couches qui est adjacente à la tranchée. Les étapes de microfabrication mises en œuvre lors de la troisième succession d'étapes sont identiques à celles des première et deuxième successions d'étapes. Le dépôt de la bicouche de Nickel-Platine est réalisée par pulvérisation cathodique assistée par magnétron X.
Pour la mise en œuvre du microcapteur 1 selon la seconde configuration, les première et deuxième successions d'étapes de microfabrication pour former les couches 51, 52, 53 et 54 sont réaliser de sorte que les portions centrales 91, 93 de la deuxième couche de la paire de couches recouvre la portion centrale 92, 94 de la première couche de la paire de couche.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les dimensions du microcapteur 1 sont réduites, en particulier les dimensions Ri, 2, 3, R4 sont réduites, à titre d'exemple non limitatif, de sorte que la distance 2. i soit comprise entre 1 mm et 0,01 mm. Ainsi, il est prévu de former un réseau ou une matrice de microcapteurs 1, répartis sur une surface à deux dimensions, constituant ainsi une caméra thermique.
En référence aux FIGURES 8 à 13, il est illustré les performances du microcapteur 1 selon l'invention.
Sur la FIGURE 8 est présenté les variations de températures, mesurées par le microcpateur 1, d'un corps noir de température constante qui est placé à quelques centimètres du microcapteur 1. Le microcapteur 1 affiche un bruit pic à pic inférieur à 10 microkelvins. Les dérives sont liées aux variations de température de la pièce dans laquelle est placé le microcapteur 1 et le corps noir. Elles sont inférieures à 80 microkelvins sur les trois heures de l'expérience. Chaque point expérimental est une mesure par seconde de la température.
Sur la FIGURE 9 est présenté les variations de températures, mesurées par le microcapteur 1, d'un corps noir placé à quelques centimètres du microcapteur 1. Les variations de températures du corps noir sont de quelques centaines de microkelvins et sont imposées par l'expérimentateur. Chaque point expérimental est une mesure par seconde de la température.
Sur la FIGURE 10 est présenté les variations, mesurées par le microcapteur 1, de la puissance thermique fournie par une diode électroluminescente (LED) émettant une à une longueur d'onde de 680 nm. La lumière émise par la LED est colimatée jusqu'au centre du microcapteur 1. Le signal de puissance est enregistré en fonction du temps avec un point toute les 1,3 secondes. Le microcapteur 1 est apte à mesurer des variations de la puissance de la LED de 200 nW, 1 .W, 10pW, 100 |_iW et 1 mW. La dynamique de mesure dans le temps est présentée en échelle logarithmique. Il a été observé que le microcapteur 1 a une limite haute de puissance mesurable de 600 mW.
En référence aux FIGURES 11, 12 et 13 respectivement, il est illustré les variations, mesurées par le microcapteur 1, de la valeur de la puissance thermique fournie par des diodes LEDs émettant respectivement à 680, 1050 et 1650 nm. La lumière émise par les LEDs est colimatée jusqu'au centre du microcapteur 1. Le signal de puissance est illustré en fonction du temps avec un point enregistré toute les 0,64, 1,3 et 1,3 secondes respectivement. En référence à la FIGURE 11, le microcapteur 1 est capable de mesurer une variation de la puissance de la LED de 250 nW environ avec un bruit pic à pic de 50 nW environ. En référence à la FIGURE 12, le microcapteur 1 est capable de mesurer une variation de la puissance de la LED de 250 nW environ avec un bruit pic à pic de 50 nW environ. En référence à la FIGURE 13, le microcapteur 1 est capable de mesurer une variation de la puissance de la LED de 350 nW environ avec un bruit pic à pic de 50 nW environ.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, dans des variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits :
- dans la seconde configuration du microcapteur 1, la couche de métal recouvre, en outre, les portions centrales 91, 93 des couches 51, 54, et/ou
- dans la seconde configuration, le microcapteur 1 comprend une couche de matériau absorbant recouvrant les portions centrales 91, 93 des couches 51, 54 ou recouvrant la couche de métal qui recouvre les portions centrales 91, 93 des couches 51, 54, et/ou
- dans la première configuration, le microcapteur 1 comprend une couche de matériau absorbant recouvrant les portions centrales 75, 76 de la couche de métal.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Microcapteur thermoélectrique (1) pour mesure de rayonnements thermiques de faible puissance, dit microcapteur, formé par un empilement de couches comprenant, depuis une face inférieure vers une face supérieure du microcapteur :
- un support 2 en matériau conducteur thermique,
- une couche 3 constituée d'un matériau diélectrique,
- au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches (51, 52, 53, 54) formant un thermocouple (61, 62), l'au moins une paire de couches est séparée d'une distance minimale supérieure à 500 nm par une tranchée (81, 82),
- une couche de métal (71, 72, 74, 75, 76) recouvrant partiellement l'au moins une paire de couches, la couche de métal comprend deux portions annulaires (71, 72, 74) par paire de couches et pour chaque thermocouple considéré une des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique d'une des deux couches de l'au moins une paire de couches et l'autre des deux portions annulaires :
■ recouvre une portion périphérique de l'autre couche de l'au moins une paire de couches, et
■ pour un nombre de thermocouple supérieur ou égal à 2, est connectée à une portion périphérique d'une couche adjacente appartenant à un thermocouple distinct ;
• dans une première configuration du microcapteur, la couche de métal comprend une portion centrale (75, 76) qui recouvre, au moins, une portion de chacune des deux couches de l'au moins une paire de couches qui est adjacente à la tranchée, ou
• dans une seconde configuration du microcapteur, une portion centrale (91, 93) d'une des deux couches de l'au moins une paire de couches recouvre, au moins, une portion centrale (92, 94) de l'autre couche de l'au moins une paire de couches ; ledit microcapteur présente, pour un intervalle de températures de mesure donné, noté [Tmin, Tmax ] , un paramètre ZTeffectif compris entre 0,1 et 1,9, ZT est le facteur de mérite du microcapteur et T est la température de mesure.
2. Microcapteur (1) selon la revendication 1, dans lequel une conductivité thermique du microcapteur est inférieure ou égale à 10 W.nrTK'1.
3. Microcapteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel une constante de temps thermique, notée tau, du microcapteur est inférieure ou égale à 10 s, tau est égal au rapport entre une capacité calorifique du microcapteur et la conductivité thermique du microcapteur.
4. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des couches (51, 52, 53, 54) de l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches présente un paramètre ZT compris entre 0,1 et 1,9.
5. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un ratio entre une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement 4 des couches du microcapteur, des couches de l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches (51, 52, 53, 54) et, pour une couche considérée de l'au moins au moins une paire de couches :
- dans la première configuration, une distance (R.1-R.2) entre la portion centrale de la couche de métal recouvrant la couche considérée et la portion annulaire de la couche de métal recouvrant la couche considérée est inférieur à 0,1 %, de préférence à 0,05 %, de préférence encore à 0,01 %, ou
- dans la seconde configuration, une distance (R.1-R.2) entre la portion centrale de la couche de la couche considérée et la portion annulaire de la couche de métal recouvrant la couche considérée est inférieur à 0,1 %, de préférence à 0,05 %, de préférence encore à 0,01 % est inférieur à 0,1 % ; la distance (Ri-R.2)est comprise dans un plan perpendiculaire (x, y) à l'axe d'empilement des couches du microcapteur.
6. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- dans la première configuration du microcapteur, une surface de contact entre la portion centrale (75, 76) de la couche métallique et l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches (51, 52, 53, 54) est supérieure à 0,1 % d'une surface totale d'une face de l'au moins une paire de couches qui est en regard de la couche métallique (71, 72, 74, 76), ou
- dans la seconde configuration du microcapteur, la surface de contact entre les portions centrales (91, 92) des deux couches de l'au moins une paire de couches est supérieure à 0,1 % d'une surface totale d'une face de la couche de l'au moins une paire de couches dont la portion centrale recouvre la portion centrale de l'autre couche de l'au moins une paire de couches, et/ou
- une surface de contact entre les deux portions annulaires (71, 72, 74) de la couche métallique et l'au moins une paire de couches est supérieure à 10 % d'une surface totale d'une face de l'au moins une paire de couches qui est en regard de la couche métallique.
7. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les matériaux constituant les couches (51, 52, 53, 54) de l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches sont :
- des matériaux semiconducteurs comprenant du Tellurure et/ou du Bismuth et/ou du Germanium et/ou de l'antimoine, et/ou
- des alliages de Heusler.
8. Microcapteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau semi- conducteur comprend du Tellurure de Bismuth ou du Tellurure de Germanium ou du Tellure de Plomb ou du Tellure d'Antimoine ou un alliage d'Antimoine-Plomb ou un alliage de Silicium-Germanium.
9. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches (51, 52, 53, 54) repose intégralement sur la couche 3 en matériau diélectrique.
10. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une couche de matériau absorbant recouvrant :
- dans la première configuration, la portion centrale (75, 76) de la couche de métal, ou
- dans la seconde configuration, la portion centrale (91, 93) de la couche de l'au moins une paire de couches recouvrant la portion centrale (92, 94) de l'autre couche de l'au moins une paire de couches, ladite couche de matériau absorbant est apte à absorber la chaleur sur une large gamme de longueur d'onde.
11. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6 à 10, dans lequel une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement 4 des couches du microcapteur, des couches (51, 52, 53, 54) de l'au moins une paire (51, 52), (53, 54) de couches est comprise entre 0,01 et 10 pm.
12. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6 à 10, dans lequel une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, de la portion centrale (75, 76) et/ou des portions annulaires (71, 72, 74) de la couche de métal est comprise entre 0,01 et 10 pm.
13. Microcapteur (1) selon la revendication 10 ou selon l'une des revendications 11 ou 12 prise en combinaison avec la revendication 10, dans lequel une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement des couches du microcapteur, de la couche de matériau absorbant est comprise entre 0,1 et 10 pm.
14. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (2) en matériau conducteur thermique est annulaire et s'étend le long d'un pourtour de la face inférieure du microcapteur.
15. Microcapteur (1) selon la revendication précédente, dans lequel une épaisseur, s'étendant selon l'axe d'empilement (4) des couches du microcapteur, de la partie de la couche (3) en matériau diélectrique qui est en vis-à-vis du support (2) en matériau conducteur thermique annulaire est supérieure à l'épaisseur du reste de la couche en matériau diélectrique.
16. Microcapteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une longueur de la couche (3) en matériau diélectrique et/ou une longueur du support (2) en matériau conducteur thermique est supérieure à une longueur des autres couches de l'empilement de couches du microcapteur ; pour chacune des couches de l'empilement de couches du microcapteur, la longueur d'une couche considérée de l'empilement de couches du microcapteur est comprise dans un plan perpendiculaire (x,y) à l'axe d'empilement (4) des couches du microcapteur et s'étend entre une portion centrale et un bord de la couche considérée.
17. Procédé de fabrication d'un microcapteur (1) selon l'une des revendications 1 à 16, ledit procédé comprend les étapes consistant à :
- déposer une couche (3) constituée d'un matériau diélectrique sur un support (2) en matériau conducteur thermique,
- réaliser une première succession d'étapes de microfabrication pour former une première couche d'une paire (51, 52), (53, 54) de couches (51, 52, 53, 54) destinées à former un thermocouple (61, 62) recouvrant une première partie de la couche en matériau diélectrique,
- réaliser une deuxième succession d'étapes de microfabrication pour former une deuxième couche de la paire de couches destinées à former le thermocouple recouvrant une deuxième partie de la couche en matériau diélectrique, les première et deuxième couches de la paire de couches sont séparées d'une distance minimale, par une tranchée (81, 82), supérieure à 500 nm,
- réaliser une troisième succession d'étapes de microfabrication pour former une couche de métal (71, 72, 74, 75, 76) recouvrant partiellement la paire de couches, la couche de métal comprend deux portions annulaires (71, 72, 74) par paire de couches et pour chaque thermocouple considéré une des deux portions annulaires recouvre une portion périphérique d'une des deux couches de la paire de couches et l'autre des deux portions annulaires :
■ recouvre une portion périphérique de l'autre des deux couches de la paire de couches, et
■ pour un nombre de thermocouple supérieur ou égal à 2, est connectée à une portion périphérique d'une couche adjacente appartenant à un thermocouple distinct ; dans une première configuration du microcapteur, la couche de métal comprend une portion centrale (75, 76) qui recouvre, au moins, une portion de chacune des deux couches de la paire de couches qui est adjacente à la tranchée, et dans une seconde configuration du microcapteur, une portion centrale (91, 93) de la deuxième couche de la paire de couches recouvre une portion centrale (92, 94) de la première couche de la paire de couches.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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