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La détection infrarouge avec les détecteurs non refroidis
ASPROM - 2010/12/07 La détection Infrarouge en non refroidi Un état des lieux Cyrille Trouilleau Propriété ULIS 1 Sommaire 1. Détecteurs IR non refroidis 2. Acteurs en non refroidi 3. Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 4. Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 2 1 Sommaire 1/ Détecteurs IR non refroidis Principe physique Technologie des microbolomètres Intégration en boîtier Circuit de lecture Intégration en Caméra Exemple de réalisations 2/ Acteurs en non refroidi 3/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 4/ Exemples d’ d’applications 3 Propriété ULIS Principes physiques IR Microbolometer Pyroelectric Ferroelectric Thermoelectric Elastic (µ-cantilever) … ABSORBER ABSORBER THERMOMETER THERMOMETER THERMAL THERMALINSULATION INSULATION READOUT READOUTCIRCUIT CIRCUIT SIGNAL Thermal detector Uncooled detector Propriété ULIS 4 2 Principes physiques Bolomètre Ö R électrique = f(Θ) Absorption IR Ö augmentation de la Température Ö Variation de la résistance électrique ∆R = αR ∆T IR ABSORPTION ABSORPTION Resistive Resistivethermometer thermometer THERMAL THERMALINSULATION INSULATION α = (1/R) 1/R) dR/dT = TCR READOUT READOUTCIRCUIT CIRCUIT SIGNAL Métaux TCR = 0,2 %/K taux : Semiconducteu eur r s : TCR = - 2 %/K Semiconduct 5 Propriété ULIS Principes physiques µBolom Bolomè ètre Ferroé Ferroélectrique Thermopiles Physique mobilité de porteurs Polarisation diélectrique Effet Seebeck Object Température Variation de température Gradient de Température Signal Résistance ∆R Polarisation ∆Q pas nécessaire Nécessaire Pas nécessaire Technologie silicium Recuit hte. température Difficulté pour dessiner des petits pixels Chopper Commentaire Tension ∆V Propriété ULIS 6 3 Principes physiques IR T ABSORBEUR ∆ = T-To Rth THERMOMETRE Cth ISOLATION THERMIQUE To CIRCUIT DE LECTURE SIGNAL τ = Rth Cth αSi:H : τ typique < 10 ms VOx : τ typique > 17 ms Analogie électrique Propriété ULIS 7 Principes physiques τ th: compromis : Sensibilité et vitesse de réponse t/τ) T(t) = To + Rth Q(1Q(1-e-t/τ τ = Rth Cth Ö Figure de Mérite pour les détecteurs non refroidis NETD x τth En fait peu utilisée, car désavantage les technologies américaines Propriété ULIS 8 4 Sommaire 1/ Détecteurs IR non refroidis Principe physique Technologie des microbolomètres Intégration en boîtier Circuit de lecture Intégration en Caméra Exemple de réalisations 2/ Acteurs en non refroidi 3/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 4/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 9 Technologie des microbolomètres Principaux Paramètre de la technologie ULIS IR 9 Cavité ¼ d’onde (λp = 10 µm) ABSORBEUR 9 Thermomètre: Silicium amorphe THERMOMETRE 9 Structure en micro-ponts ISOLATION THERMIQUE 9 Construction sur CMOS CIRCUIT DE LECTURE SIGNAL Propriété ULIS 10 5 Technologie des microbolomètres n CAO E ND F RON T o technologie p Découpe Circuit de lecture Microbolomètre Des puces q Packaging B A Cr K E Ns D Mise sous vide tlivraisons Tests 11 Propriété ULIS Technologie des microbolomètres Propriété thermométrique du silicium amorphe R (a.u.) 16 12 TCR = 2.4 %/K 8 4 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Température du plan Focal (°C) TCR = -Ea/kT² Propriété ULIS 12 6 Amorphous silicon background Amorphous silicon detector technology presents important advantages for uncooled systems • Uniformity • Temperature behavior • Thermal time constant 13 Propriété ULIS Amorphous silicon background Uniformity Amorphous silicon technology presents the advantage of being made from a simple material instead of an alloy Every αSi:H bolometer Pixels follow the same Arrhenius law Rpixel = R0 exp(qEa/kT) The only source of non uniformity is the resistance geometry which is temperature independent Propriété ULIS 14 7 Amorphous silicon background Uniformity Ea distribution histogram αSi:H 320x240 array Ea σ/m < 0.4% Ea (eV) 15 Propriété ULIS Amorphous silicon background Uniformity Evolution of Ea with FPA temperature Ea (eV) 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 -40 -20 0 20 40 60 80 Bolometer temperature in °C In addition to being very uniform over an array, Ea is extremely stable with FPA temperature. Easier TEC-less operation Propriété ULIS 16 8 Amorphous silicon background TECTEC-less operation FPA Temperature: 35°C FPA Temperature: 22°C Ambient temp. increase: +13°C Same operating parameters TECTEC-less for αSi:H = 1 calibration table + 1 algorithm for offset correction FPA temp. 35°C + aSi:H TEC-less algorithm Propriété ULIS 17 Technologie des microbolomètres Fonction absorption Absorbeur IR e étriqu bolom e n a r Memb cteur Réfle λ p /4 R=1 Détection à 10 µm Ö λ/4 = 2,5 µm Propriété ULIS 18 9 Technologie des microbolomètres Structure d’un pixel Isolation thermique interconnexion Dimension pixel Membran e Bolométri que Silicium am orphe 0.1 µm 2.5 µm réflecteur Entrée du Circuit de lecture z z Circuit intégré CMOS Epaisseur membrane: 0,1 µm Structure mécanique robuste Propriété ULIS 19 Amorphous silicon background Thermal time constant Only active layers in pixel structure ; Smaller suspended mass = Smaller thermal time constant + High thermal insulation (shorter leg length Ö higher Fill Factor) + Low defect density & high uniformity Propriété ULIS 20 10 Technologie des microbolomètres 5 µm 50 m 50 µµm Détail d’une interconnexion Matrice au pas de 50 µm Propriété ULIS 21 Technologie des microbolomètres Expression de base du microbolomè microbolomètre Propriété ULIS 22 11 Technologie des microbolomètres ℜ(AW ) = ff .ε G.TCR.R.V bias Étude Technologie: th Nécessité d’amélioration de la résolution photo lithographique 2 µm 10 µm 2010 2002 Ö Amélioration de l’isolation thermique Rth Ö Amélioration du facteur de remplissage ff 23 Propriété ULIS Technologie des microbolomètres ℜ(AW ) = ff .ε G.TCR.R.V bias Étude Technologie: th Nécessité d’amélioration de la résolution photo lithographique Pixel pitch Design rule (min) Thermal insulation 45 µm 1.5 µm 14 MK.W-1 35 µm 1.2 µm 32 MK.W-1 25 µm 0.8 µm 55 MK.W-1 17 µm 0.5 µm 100 MK.W-1 12 µm 0.3 µm Next generation Observations Previous generations of uncooled a-Si technology Advanced 8” wafer photolithography facilities Propriété ULIS 24 12 Roadmap Technologies 45 µm Mass Production 1st Generation Development Mass Production 35 µm 2nd Generation Development 25 µm 3rd Generation Development Mass Production 17 µm 4th Generation Development 12 µm 5th Generation Development 1991 2000 2003 2005 20082008-09 25 Propriété ULIS Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Détecteurs IR non refroidis Principe physique Technologie des microbolomètres Intégration en boîtier Circuit de lecture Intégration en Caméra Exemple de réalisations 3/ Acteurs en non refroidi 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 26 13 Intégration en boîtier Isolation thermique Ö Inté Intégration sous vide Sensibilité 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 10-3 10-2 10-1 Pression résiduelle (Torr) Inté Intégration en boî boîtier des dé détecteurs non refroidis 27 Propriété ULIS Intégration en boîtier Les développements ont pour but de simplifier cette étape pour en réduire les coûts Fenêtre IR getter IRFPA Structure d’un composant Propriété ULIS 28 14 Intégration en boîtier Étude d’une technologie de packaging innovante: Mono-pixel micro-capsule Le boîtier fabriqué en front end reflector Propriété ULIS 29 Intégration en boîtier c Couche sacrificielle d Gravure de la couche sacrificielle e Construction de la micro-capsule f Évacuation de la micro-capsule g Fermeture de la micro-capsule Contact Circuit CMOS Membrane microbolomètre Réflecteur Propriété ULIS 30 15 Intégration en boîtier 31 Propriété ULIS Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Détecteurs IR non refroidis Principe physique Technologie des microbolomètres Intégration en boîtier Circuit de lecture Intégration en Caméra Exemple de réalisations 3/ Acteurs en non refroidi 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 32 16 Circuit de lecture Comparaison entre « refroidi » et « non refroidi » Photodiodes et photo résistances IR IR I I obscurité Vco V « obscurité » V1 V2 V Icc Idéalement Signal = f(IR) Idéalement Signal = f(IR & polarisation) Propriété ULIS 33 Circuit de lecture Challenge: signal effectif < 0.5% du courant total c Ebasage en courant Matrice d Conversion courant – tension c d e e Echantillonnage f Multiplexage vers l’étage de sortie f Circuit de lecture Propriété ULIS 34 17 Circuit de lecture GSK VSK RESET Blind Bolometer CALIBRE 1 CALIBRE 2 CALIBRE 3 CTIA GFID Active Bolometer Pixel VDET To Sampling VDDA VBUS Skimming Current-Voltage Conversion & Integration • Fonction ébasage 35 Propriété ULIS Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Détecteurs IR non refroidis Principe physique Technologie des microbolomètres Intégration en boîtier Circuit de lecture Intégration en Caméra Exemple de réalisations 3/ Acteurs en non refroidi 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 36 18 Intégration en caméra Comparaison entre « Refroidi » et « non refroidi » Camera “Non refroidi” Caméra “refroidi” IR Signal = f(IR) IR = f(temp de scène) Température FPA = Cte Signal = f(IR) + f(temp. environmt.) + f(température FPA) IR = f(temp de scène) Propriété ULIS 37 Intégration en caméra Le signal de sortie du détecteur est composé du : • Signal venant de la scène • Signal venant des variations de temp. de la caméra • Offset venant des variations de temp. du FPA • Offset venant de la non uniformité des pixels Seul le signal venant de la scène est intéressant La mise en oeuvre du circuit de lecture doit prendre en compte ces considérations Propriété ULIS 38 19 Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Dé Détecteurs IR non refroidis 3/ Acteurs en non refroidi Monde France: ULIS 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 39 Acteurs en non refroidi Propriété ULIS 40 20 Acteurs en non refroidi Cooled detector • HgCdTe 1980 Uncooled detector •amorphous Si •hybrid BST/PLZT • Uncooled VOx Texas TexasInstruments Instruments Honeywell Honeywell Licenses 1990-94 IR activity sale 1997 cooled 2000 Hughes Amber Rockwell Rockwell Loral Loral Hughes Amber uncooled Raytheon Raytheon 1996 Commercial IR - Dallas Commercial IR - Dallas ITC ITC 2001 2004 2010 DRS DRS • Uncooled VOx • Cooled detector 1996 1996 1997 Boeing Boeing Lockheed Lockheed Indigo Martin Indigo Martin 2005 L3 L3 Infrared Products Infrared Products • aSi:H • BST/PLZT Given up in 2008 • Uncooled VOx 2001 Raytheon Raytheon Vision System Santa Barbara Vision System Santa Barbara • Uncooled VOx License 2001 2004 BAE BAESystems Systems FLIR FLIR INDIGO INDIGO • Uncooled VOx Propriété ULIS • Uncooled VOx 41 Acteurs en non refroidi Propriété ULIS 42 21 Market background Thermography Surveillance & Security & Police Military In Firefighter e d si 43 Propriété ULIS Catalogue ULIS 1024 x 768 High performances UL 05 25 1 640 x 480 UL 04 17 1 UL 04 27 2 384 x 288 320 x 240 UL 03 19 1 UL 03 16 2 UL 03 26 2 UL 0x yy z 160 x 120 Large volume XxY 45 m 45 µµm UL 02 15 2 Pre development phase 35 m 35 µµm 25 m 25 µµm 17 m 17 µµm 12 m 12 µµm Pixel pitch decrease Propriété ULIS 44 22 Exemples de réalisation Matrice 640 x 480 pixels au pas de 25 µm Résolution thermique < 50 mK (< 0,05 °C) Propriété ULIS 45 Exemples de réalisation Matrice 640 x 480 pixels au pas de 17 µm 10 20 30 40 50 60 70 80 NETD (mK) RFPN = 295 µV = 75% of rms noise Mean NETD : 46 mK (f/1, 300 K, 30 Hz) Thermal time constant : ≤ 10 ms Propriété ULIS 46 23 IR image Propriété ULIS 47 Exemples de réalisation Matrice 1024 x 768 pixels au pas de 17 µm Courtesy Safran Résolution thermique < 50 mK Propriété ULIS 48 24 Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Dé Détecteurs IR non refroidis 3/ Acteurs en non refroidi 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications 49 Propriété ULIS Marché Marché mondial Systè Systèmes Non Refroidi / 2009 Marché Total des systèmes Non Refroidi 1,9 Md$ Marché Amériques Marché RoW 1,3 Md$ 0,58 Md$ Military 64% Thermography 20% Automotive Security / Firefighting 5% 0% surveillance 11% Thermography 49% Military 26% Automotive 6% Security / surveillance 13% Firefighting 6% Marché américain = 68 % du marché mondial Militaire américain = 85% du militaire mondial Selon Maxtech international Propriété ULIS 50 25 Positionnement ULIS Parts de marché (Volume) 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% DRS FLIR/Indigo 2006 ULIS 2007 BAE 2008 L-3 Autres 2009 Informations from MAXTECH International Inc. Propriété ULIS 51 Sommaire 1/ Rappel sur l’ l’infrarouge 2/ Dé Détecteurs IR non refroidis 3/ Acteurs en non refroidi 4/ Marché Marché de l’ l’IR non refroidi 5/ Exemples d’ d’applications Propriété ULIS 52 26 Applications sur le Marché Marché militaire Propriété ULIS 53 Applications sur le Marché Marché civil Propriété ULIS 54 27 Conclusion Les technologies de détection IR en non refroidi ont révolutionné le marché des systèmes infrarouge en apportant une solution abordable Les développements se poursuivent pour en réduire encore le coût par: • La réduction de la dimension des pixels • La simplification du packaging • L’intégration de fonctions destinées à faciliter la mise en œuvre des plans focaux Ces développements permettent d’envisager l’ouverture de nouveaux marchés: • de la haute résolution avec des matrices SXGA • à la domotique avec des capteurs permettant le comptage de personnes Propriété ULIS Merci de votre attention 55 ULIS Core Values INTEGRITY SOLIDARITY INNOVATION PERFORMANCE Propriété ULIS 56 28
