Un capteur infrarouge sensible au millième de degré

Associée au Laboratoire d’Électronique des Technologies de l’Information du CEA (LETI), la société industrielle Sofradir a créé avec le soutien de la DGA et de l’ONERA un laboratoire commun appelé DEFIR (pour Développons Ensemble le Futur de l’Infra Rouge), de façon à rapprocher chercheurs et industriels et réduire le « time to market » des nouvelles technologies.

Leurs travaux ont abouti dernièrement à la mise au point d’une matrice à imagerie infrarouge innovante par sa haute sensibilité, de 1 à 2 mK, soit un gain d’un facteur 10 à 20 par rapport à ce qui est habituellement accessible pour des conditions d’observation identiques avec des composants conventionnels. La caméra infrarouge devient alors beaucoup plus sensible aux écarts de température entre deux points, ce qui permet d’obtenir une meilleure résolution et ainsi une meilleure qualité d’image.

Image avec un grande dynamique

Optronique: optique + électronique

Ces recherches illustrent la définition même de l’optronique, liée à l’hybridation de l’électronique à l’optique pour en améliorer les performances. Elles ont consisté à coupler une matrice de détecteurs infrarouge réalisée en HgCdTe (Mercure, Cadmium et Tellure) de 320×256 pixels tous les 25 µm à un circuit de lecture spécifique, réalisé en filière CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 0,18 µm. Il faut souligner la maîtrise technique des 325 transistors CMOS par pixel pour arriver à quelques 27 millions de transistors CMOS par matrice. Ce circuit, conçu par le CEA-LETI, comporte dans chaque pixel (soit tous les 25µm) un système de compteur sur 15 bits de paquets élémentaires de charges intégrées. On atteint ainsi une charge équivalente de 3 Giga électrons par pixel, un rapport signal/bruit supérieur à 90dB, tout en bénéficiant d’une conversion analogique/numérique directe au niveau pixel.

Cette matrice est refroidie par un cryostat d’azote liquide à 77 K (-196°C) afin de réduire de manière significative les bruits dus à son fonctionnement. L’assemblage de ces deux technologies aurait ainsi permis de restituer une image avec une résolution thermique de 1 à 2 mK pour une image observée à température ambiante et à une cadence classique de 25-50 Hz.

Adaptation de la dynamique,dernier pas avant la fusion d'image

La technologie de détecteurs infrarouge à base de HgCdTe , fonctionnant dans la bande de longueur d’ondes de 8 à 10 µm et développée par le CEA-Leti est en production industrielle chez SOFRADIR, sous licence exclusive du CEA. Elle consiste en la croissance épitaxiale de la couche active de HgCdTe par Epitaxie en Phase Liquide sur un substrat CdZnTe de grande qualité, lui même obtenu par croissance cristalline.

Ces résultats sont donc dus aux progrès réalisés sur la partie « détecteur » mais aussi sur la partie « circuit de lecture » de ce composant hybride. En particulier, un nouveau circuit de lecture numérique a été conçu pour lire avec très peu de bruit le signal issu des diodes Photo-Voltaïques N/P réalisées dans le matériau sensible HgCdTe (jusqu’à des formats > 1000² pixels associés à des pas 15 µm).

senseur CMOS

L’avenir

Il s’agit pour l’instant d’un prototype, mais nul doute qu’on pourra bientôt comparer des images entre ce détecteur et un détecteur standard pour une même scène observée dans les mêmes conditions. Ces études, menées conjointement par le CEA-LETI et SOFRADIR, l’ont été dans le cadre du Plan d’Etude Amont EXEMAT (pour EXcEllence des MATériaux, comprenant également un aspect étude de matériaux important) financé par la DGA.

Ces résultats ont été présentés par le CEA-LETI à la conférence Internationale Defense, Security and Sensing qui s’est tenue à Orlando du 5 au 9 avril 2010, puis dans le cadre d’une communication invitée, lors de la conférence Internationale SPIE Security and Defense à Toulouse du 20 au 23 septembre dernier.

Sources:
- actualité du 22 octobre 2010 sur le site du CEA
- publication « A 25µm pitch LWIR focal plane array with pixel-level 15-bit ADC providing high well capacity and targeting 2mK NETD » du SPIE du 5 avril 2010
- publication « A 25µm pitch LWIR staring focal plane array with pixel-level 15-bit ADC ROIC achieving 2mK NETD«  du SPIE du 22 septembre 2010