Détecteurs bolométriques THz
Patrick Agnèse, François Simoens, Valerie Nguyen, Eric Mottin
CEA-LETI 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble cedex 9
Abstract - Until 1999, nowhere in the world could imagery systems based on bolometry for the detection of
millimetric wave ambient temperature in atmospheric windows having central frequencies of 35, 94, 140, 220
GHz, or even 350 GHz and more, be produced. As part of a working thesis at Leti, an antenna bolometer concept
operating in the millimetric field was investigated, using SOI substrates to produce temperature probes. The
work resulted in the production of mono-elements in atmospheric transmission windows. This led to the
innovative approach to construct the THz bolometer based on a standard silicon technology with the quarter
wave cavity built from a specific dielectric.
Etat de l’art dans le domaine de la
détection millimétrique
Il n’existait pas dans le monde jusqu’en 1999 de
réalisation de systèmes d’imagerie basés sur la
bolomètrie pour la détection à température ambiante
d’onde millimétrique dans les fenêtres
atmosphériques de fréquences centrales 35, 94, 140,
220 GHz, voire 350 GHz.
La détection directe comprend la réception du
signal par une antenne et son amplification dans la
même bande passante. L’amplification du signal est
assurée par plusieurs étages de transistors. La
technologie des transistors HEMT (transistor à haute
mobilité électronique) sur InP a les meilleures
performances en terme de bande passante (fréquence
de coupure de 200 GHz pour une longueur de grille de
0.1 µm) et de bruit avec un facteur de bruit inférieur à
1.4 dB à 94 GHz (le facteur de bruit d’un
amplificateur représente la dégradation du rapport
signal sur bruit f=(S/B)entrée/(S/B)sortie exprimé en dB).
Les transistors HEMT mettent à profit les propriétés
de haute mobilité d’un gaz bidimensionnel d’électrons
formé à l’interface d’une hétéro jonction. Ces
détecteurs nécessitent près de 40 à 50 dB de gain sur
le signal récolté par l’antenne, ce qui impose 4 étages
d’amplification pour l’InP. La nécessité de plusieurs
étages a contribué au développement de l’intégration,
de l’hybridation et finalement à l’apparition de
circuits intégrés spécifiques : les MMIC (MilliMeter
Integrated Circuit). Ils permettent une diminution des
pertes par couplage et une miniaturisation laissant
envisager l’intégration dans un plan focal. La
détection hétérodyne consiste à multiplier le signal
d’entrée par un signal de fréquence pure. Cette
multiplication est effectuée par un dispositif non
linéaire appelé mélangeur qui multiplie le signal avec
celui de l’oscillateur local obtenu avec une diode
‘’gunn’’. Le signal résultant est alors le signal
d’entrée translaté en fréquence de la fréquence de
l’OL (figure 5). L’amplification autour d’une
fréquence plus basse est donc facilitée. La détection
hétérodyne en millimétrique est très utilisée en
interférométrie (radio-astronomie) car elle conserve
l’information de phase.
Figure 1: Synoptique du détecteur hétérodyne
Les principaux défauts des détecteurs hétérodynes
sont leur encombrement et leur consommation
excessive car ils nécessitent plusieurs dispositifs :
deux contraintes qui en font de piètres candidats pour
une caméra millimétrique. TRW est sûrement
actuellement l’entreprise américaine la plus avancée
dans la réalisation de systèmes d’imagerie
millimétrique passive. Elle travaille sous contrat avec
la NASA qui demandait une caméra millimétrique
passive d’aide au pilotage ayant pour cahier des
charges une cadence de 17 Hz, une NEDT (Noise
Equivalent Différence Température : écart de
température minimum détectable) inférieure à 4 K et
une couverture de champ de 15°*10. TRW utilise une
technologie basée sur les détecteurs à détection
directe MMIC en GaAs (bientôt en InP pour pouvoir
atteindre la bande de 140 GHz). Une seule puce fait 2
mm par 7 mm et possède 7 étages d’amplification
faible bruit (facteur de bruit inférieur à 5.5 dB) pour
un gain total supérieur à 40 dB. La réception du signal
se fait avec une antenne planaire Vivaldi sur chaque
puce.