Conception, modélisation et caractérisation de détecteurs microbolométriques pour l’imagerie sub-terahertz

par Jérôme Meilhan

Thèse de doctorat en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Jean-Louis Coutaz et de Olivier Gravrand.

Le président du jury était Pascale Roy.

Le jury était composé de Laurent Hespel, Ingmar Kallfass.

Les rapporteurs étaient Carlo Sirtori, Jean-François Lampin.


  • Résumé

    Cette thèse présente l’analyse, la caractérisation, et l’optimisation des performances d’imageurs microbolométriques dans la gamme de fréquence sub-THz. Ce domaine non ionisant du spectre électromagnétique est en pleine expansion et la mise au point d’imageurs performants, fonctionnant à température ambiante, ouvre la voie à de nombreuses applications. Le contrôle non destructif est une de ces applications privilégiées en raison des propriétés de pénétrations de ce rayonnement au travers de nombreux matériaux, en particulier en deçà de 1 THz. Nous dressons alors à travers une analyse radiométrique en imagerie active, les performances de détection requises d’un imageur THz répondant à ce besoin.Dans ce contexte, nous avons analysé les performances électrothermiques des imageurs THz microbolométriques à l’état de l’art du CEA-LETI. Le développement d’un modèle détaillé du pont bolométrique de ces imageurs a permis de mettre en évidence les facteurs limitant leurs performances. Des voies d’améliorations ont alors été proposées dont l’intégration d’un nouveau matériau thermomètre. Les gains en performances apportés par ces optimisations ont été évalués au travers de ce modèle, démontrant que des sensibilités proches du pW sont accessibles sur ces imageurs.Un important travail expérimental a également été mené afin de déterminer les performances électromagnétiques sub-THz de la structure d’antenne de ces microbolomètres. L’accent a été mis sur la métrologie du banc expérimental développé afin de résoudre précisément les figures de mérite des dispositifs. Ces résultats de mesure ont également validé les simulations électromagnétiques de l’absorption du pixel qui ont mis en évidence un couplage avec la circuiterie du CMOS de lecture. La conséquence de ce couplage sur la qualité d’un système d’imagerie intégrant cette matrice de détection a alors été évaluée. La mesure de la Fonction de Transfert de Modulation a ainsi permis d’estimer cet impact du point de vue de la résolution du système.Afin d’améliorer les faibles rendements d’absorption de ces détecteurs, mesurés dans la gamme sub-THz, nous avons étudié l’intégration de surfaces hautes impédances au sein des pixels microbolométriques THz. Le dimensionnement de ces structures a été réalisé par la mise en œuvre de métamodèles afin d’obtenir des structures optimales en un nombre limité de simulations 3D. Des architectures de pixels associées à ces surfaces hautes impédances, réalisables sur les imageurs actuels, ont été proposées. Elles démontrent par simulation que des rendements d’absorption pics de plus de 60 % peuvent être atteint à 670 GHz malgré un pas pixel de 50 µm bien plus petit que la longueur d’onde visée. La compacité et efficacité de ces surfaces hautes impédances ont enfin été améliorées par l’utilisation d’algorithmes d’optimisation particulaires spécifiquement développés.

  • Titre traduit

    Design, modelization and characterization of microbolometric sensors for sub-terahertz imaging


  • Résumé

    This PhD dissertation presents the analysis, characterization and optimization of the performances of microbolometric imagers in the sub-THz frequency range. This non ionizing span of the electromagnetic spectrum is currently a booming field of research. Development of high-performance and room temperature imagers, opens the path towards many applications. One of such promising application is non-destructive screening enabled by the good penetrating power of these radiations through many materials, especially at frequencies lower than 1 THz. Through a radiometric analysis of an active imaging system, we assess the required performances of an imager suited for this application.In this context, we have analyzed the electrothermal performances of the cutting-edge THz imagers based on microbolometer developed at CEA-Leti. Thanks to a detailed model of the bolometer bridge of these detection arrays, we have brought into focus the limiting factors of the current devices. Technological improvement have been considered such as the integration of a new thermometer material. The performance improvements brought by these optimizations have been quantified thanks to the modeling tool we have developed and it is showed that sensitivity close to the pW range can be reached on these imagers.An intensive experimental work have also been carried out in order to assess the sub-THz electromagnetic performances of the microbolometer antenna structure. Particular emphasis was placed on the metrology of the optical bench that has been built, aiming at the precise measurement of the figure of merit of the detectors. These experimental results have validated the electromagnetic simulations of the detector absorption efficiency that have exposed the coupling with the CMOS circuitry that arises at low frequencies. The consequences of this coupling on the quality of an imaging system using this detection array has been estimated. Modulation Transfer Function of the pixel has been quantified and the impact on the system resolution estimated.In order to improve the absorption efficiency of the detectors measured in the sub-THz range, we have studied the integration of high impedance surfaces within the microbolometer stack. The sizing of the high impedance surfaces has been carried out with metamodeling, leading to optimal designs with a limited number of full-wave simulations. New pixel architectures that are compatible with current imagers have been investigated. Simulations demonstrated that peak absorption efficiency higher than 60 % can be reached at 670 GHz despite a 50 µm pixel pitch, much smaller than targeted wavelength. Finally, compactness and efficiency of the high impedance surfaces have been improved by particular swarm optimization algorithm that have been specifically developed.


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