Capteur infrarouge CMOS à thermopiles

Capteur infrarouge CMOS à thermopiles comportant
des fonctions de self-test
TIMA Laboratory,46 avenue Félix Viallet,
38 000 Grenoble, France
F. PARRAIN1, B. CHARLOT1, S. MIR1, B. COURTOIS1
1 -TIMA Laboratory, 46 avenue Félix Viallet, 38 000 Grenoble France
ISSN 1292-8062

Capteur infrarouge CMOS à thermopiles
comportant des fonctions de self-test
Fabien PARRAIN – Benoît CHARLOT – Salvador MIR
Bernard COURTOIS
Laboratoire TIMA
46, avenue Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
[email protected]
RESUME. Dans cet article, nous présentons un capteur infrarouge réalisé à partir d'une
technologie CMOS standard pouvant être utilisé pour de multiples applications comme la
détection de surchauffe, la détection thermique de mouvements, la vision nocturne, ou encore,
le positionnement de satellites. Ce capteur se compose d'une matrice de pixels permettant la
mesure du flux infrarouge incident grâce à l'élévation de température d'une membrane
réalisée par un procédé de micro-usinage en volume, suspendue par quatre bras contenant
des thermocouples PolySi/Al. Des fonctions de self-test ont été implémentées en vue de la
validation après fabrication et de la maintenance, sans modification importante du pixel.
Dans ce prototype, chaque pixel occupe une surface de 200x200 µm2 avec une membrane de
90x90 µm2 (facteur de remplissage de 0.2) pour une sensibilité calculée de 138 V/W.
ABSTRACT. This paper describes a CMOS-compatible self-testable uncooled infrared (IR)
imager that can be used in multiple applications such as overheating detection, thermal
tracking, night vision, or even earth tracking for satellite positioning. The imager consists of
an array of thermal pixels that sense an incoming infrared radiation. Each pixel is
implemented as a front-side bulk micromachined membrane suspended over the bulk by four
arms, each arm containing a thermopile made of PolySi/Al thermocouples. This sensor has
pixel self-test functions that can be activated off-line in the field for validation and
maintenance purposes, with an on-chip test signal generation that requires only slight
modifications in the pixel design. In this prototype, each pixel occupies an area of 200x200
µm2, with a membrane size of 90x90 µm2 (fill factor of 0.2) giving a calculated responsivity of
138 V/W.
MOTS-CLES : capteur infrarouge, thermopile, micro-usinage en volume, self-test
KEY WORDS : infrared imager, thermopile, bulk micromachining, self-test

NMT Microcapteurs et microsystémes intégrés2
1. Introduction
Les récents progrès des techniques microélectroniques permettent aujourd’hui la
fabrication de systèmes monolithiques comportant sur la même puce les composants
sensoriels ainsi que l’électronique de traitement numérique et analogique
(modulateurs, amplificateurs, filtres, convertisseurs …) [ITR 99]. Ce haut niveau
d’intégration permet la miniaturisation, la reproductibilité et une performance accrue
des systèmes tout en abaissant significativement les coûts de production. En contre
partie, cette évolution augmente considérablement le besoin d’inclure des fonctions
de self-test. Ces fonctions, qui sont intégrées lors de la conception du système,
permettent de vérifier le bon fonctionnement et le bon niveau de performances du
capteur.
Dans la plupart des applications, la partie microsystème est utilisée comme
capteur transduisant le phénomène physique à capter en signaux électriques, les
fonctions de self-test permettant de vérifier si les données recueillies sont correctes.
La phase de self-test doit pouvoir s’effectuer à différents moments du cycle de vie
de la puce, non seulement après sa fabrication, mais également durant son utilisation
(maintenance) ou encore avant une mesure critique.
Des techniques de self-test ont déjà été utilisées avec succès dans le cas
de microsystèmes commerciaux comme l’accéléromètre pour airbag [TER 89]. Dans
ce cas, le bon fonctionnement du système est vital et les accès périodiques en vue de
vérifications extrêmement difficiles et coûteux. En ce qui concerne ce microsystème,
l'architecture permettait d’imposer une force électrostatique à la masse mobile qui le
composait, donnant ainsi la possibilité de conclure sur le bon fonctionnement de
celui-ci suivant les déplacements mesurés [TER 89] [ZIM 95].
Dans cet article, nous présentons un capteur infrarouge réalisé à partir d'une
technologie CMOS standard (Austria Mikro Systeme CMOS 0.6 µm CUP) pouvant
être utilisé pour de multiples applications comme la détection de surchauffe, la
capture thermique de mouvements, la vision nocturne, ou encore, le positionnement
de satellites. Ce prototype est composé d’une matrice de 8x8 pixels contenant des
fonctions de self-test permettant de les calibrer et d’auto-tester leur fonctionnalité à
différents moments. Ceci est rendu possible grâce à la génération de stimuli de test
in situ simulant un flux infrarouge incident sans avoir besoin de sources externes et
d’optiques associées. Notons que ce capteur n’a en aucun cas le besoin d’être
refroidi.
2. Capteurs infrarouges intégrés : état de l’art
Traditionnellement, les capteurs infrarouge à semi-conducteurs utilisent des
jonctions de type InSb ou HgCdTe à faible largeur de bande où l’énergie d’un

Capteur infrarouge CMOS à thermopiles 3
photon IR est directement convertie en signal électrique. Cette solution présente de
nombreux avantages comme une grande sensibilité, une forte intégration ou un
temps de réponse très court mais ces capteurs imposent l’utilisation d’un système de
refroidissement (modules Peltier) afin d’éviter la génération de porteurs induits
thermiquement. La nécessité d’un tel équipement limite l’usage de ce type de
capteurs dans le cas de nombreuses utilisations commerciales principalement du fait
de l’augmentation importante du prix de fabrication.
Les récentes technologies microsystèmes comme le micro-usinage en volume ou
en surface permettent d’entrevoir le développement de capteurs infrarouges non
refroidis grâce à l’exploitation des phénomènes phoniques. La mesure du flux
infrarouge incident se fait alors par l’intermédiaire de la mesure de la chaleur induite
dans une structure isolée thermiquement du reste du système.
Différentes techniques sont exploitées afin de déterminer la génération de
chaleur induite par le flux infrarouge incident. Les bolomètres exploitent la variation
de résistance électrique d’un corps avec la température [MAR 96] [AMI96]
[STE 98] alors que d’autres systèmes mettent à profit la variation de capacité
électrique dans des matériaux pyroélectriques ou dans des structures déformées sous
l’effet de bras bimétalliques [SAR 00]. Beaucoup de capteurs matriciels utilisent une
matrice de bolomètres placée sur une membrane suspendue, permettant d’obtenir
une très bonne sensibilité et une forte intégrabilité mais ces systèmes souffrent de
non linéarités et d’une dépendance à la température absolue de l’équipement. Afin
de pallier à ce défaut, deux bolomètres sont souvent utilisés en configuration de pont
(l'un subissant le rayonnement infrarouge et pas l’autre) pour supprimer la
dépendance envers la température absolue du système.
Une autre solution repose sur l’exploitation de l’effet Seebeck en utilisant des
thermocouples. Un thermocouple est un circuit formé de deux matériaux ayant des
coefficients Seebeck différents entre les jonctions desquels (les jonctions froide et
chaude) il existe un gradient de température qui se traduit par l'apparition d'une
différence de potentiel (figure 1).
Afin d'augmenter la sensibilité, les thermocouples peuvent être disposés en série
pour former des thermopiles. Les avantages des thermopiles sont nombreux. Nous
pouvons citer, par exemple, une grande linéarité, l'absence totale de tension
résiduelle (offset) et l'indépendance par rapport à la température absolue du système
qui est généralement prise comme température de référence pour les jonctions
froides des thermocouples. Généralement, les thermocouples utilisés à l'heure
actuelle sont formés par les couples Al/Si ou Al/PolySi présentant certes de bons
coefficients Seebeck mais induisant du bruit thermique (bruit dit Johnson) du fait de
leur résistivité électrique et une perte de sensibilité à cause de leur grande
conductibilité thermique.

NMT Microcapteurs et microsystémes intégrés4
Figure 1. Exploitation de l'effet Seebeck grâce à l'utilisation d'un thermocouple
Finalement, citons une dernière solution peu utilisée dans le domaine des
capteurs infrarouges microsystèmes qui est basée sur l'exploitation de la variation de
la charge électrique dans une capacité comportant un diélectrique pyroélectrique.
Avec cette approche, le principal désavantage vient du fait qu'il faut moduler le flux
infrarouge incident par un moyen mécanique afin d'induire une variation de capacité
électrique (due aux changements de polarisation électrique du matériau
pyroélectrique sous l'effet des changements de température) et donc une variation de
charge électrique pouvant être mesurée.
3. Pixel infrarouge comportant des fonctions de self-test
3.1. Description du pixel
Les pixels infrarouges constituant le capteur seront composés d'une membrane
formée des différentes couches résultantes du process CMOS utilisé. La structure
sera suspendue au dessus du substrat de silicium par quatre bras longs et fins
contenant les thermocouples. L'ensemble sera réalisé par un procédé de micro-
usinage en volume (gravure anisotropique au TMAH, voir figures 2 et 3).
La faible conductivité thermique des bras de suspension, qui maintiennent la
structure, est utilisée pour mesurer le flux infrarouge reçu par l'intermédiaire de
l'échauffement que la membrane subit. Chaque bras de suspension contient trois
thermocouples Al/PolySi (PolySilicium dopé N) dont la jonction froide est placée
sur le substrat de silicium (considéré comme puits thermique à température
ambiante) et la jonction chaude sur la membrane. Ces thermocouples sont tels que
les lignes de silicium polycristallin soient les plus larges possibles et les lignes
d'aluminium les plus fines possibles afin d'augmenter la résistance thermique et
réduire la résistance électrique (réduction du bruit thermique Johnson). Dans la