Détecteur térahertz hautes performances pour l'imagerie passive - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

High performance terahertz detector for passive imaging

Détecteur térahertz hautes performances pour l'imagerie passive

Résumé

The passive stand-off submillimeter-wave (SMMW) imaging is suitable to detect hidden objects (weapons, explosives) through clothes or bags and also to image through Degraded Visual Environment (DVE) like brown-out clouds. However, the required detectable power under one picowatt is very challenging to obtain. Current available systems are hampered by their very low temperature cryogenics, near liquid helium, which increase their size.This PhD project aims to assess the performance of a detector based on antenna-coupled microbolometer, with intermediate cooling, compatible with CMOS process flow and thus convenient for focal plane array integration.The thermometer element of the bolometer is based on a cooled silicon lateral diode, whose thermal properties have been studied theoretically and experimentally. A temperature coefficient of current exceeding 20 %/K at 80 K in low injection forward bias is reported, i.e. ten times higher than regular uncooled thermistor materials. In addition, an analytical modeling of the measured low frequency noise both at 300 K and 80 K has been proposed. The diffusion regime is found to be the most relevant to minimize the thermal resolution of such silicon p-n junction thermometer.In a second time, a sub-THz pixel has been designed thanks to 3D finite element simulations. An optimized coupling between a patch antenna and a resistive dipole, with a 250-µm pixel pitch, led to near 90 % absorption at 350 GHz with a 120 GHz bandwidth for linearly polarized waves. A consistent material stack have been proposed to build the microbolometer. The resulting thermal time constant complies with a maximum rate of 20 frames per second in global shutter mode.All the obtained results have been combined to set up an electrothermal model of the microbolometer, associated with a differential read-out. The minimum detectable power could be as low as 300 fW for an effective rate of 10 frames per second, i.e. a noise equivalent temperature difference less than 0.4 K, near the typical target value to achieve passive imaging in the SMMW range.
L'imagerie passive en temps réel et à distance dans la gamme sub-térahertz (THz) ouvre la voie vers des applications comme la détection d'objets cachés (armes, explosifs) sous les vêtements ou dans les colis et la vision en environnement dégradé à travers des obscurants (nuage de poussières ou de sable). Elle est cependant très exigeante car elle requiert une puissance minimale détectable inférieure au picowatt. Les détecteurs actuels assurant ce niveau de sensibilité sont pénalisés par l'emploi de systèmes de refroidissement à très basse température, proche de l’hélium liquide, qui rend problématique la réalisation d'un système transportable.Ce travail de thèse a donc pour objectif d'évaluer la faisabilité d'un détecteur sub-THz hautes performances, fonctionnant dans une gamme de température intermédiaire, réalisé sur la base d'un micro-bolomètre à antennes et compatible avec une filière CMOS silicium, susceptible d'être facilement intégrable en une matrice de plan focal.Ce détecteur s'appuie sur un transducteur thermique constitué d'une jonction PN latérale en silicium refroidie à 80 K, qui a été étudiée de manière théorique et expérimentale. Son coefficient de température en courant dépasse 20 %/K en régime de faible injection directe, soit un gain de presque une décade par rapport aux thermistances usuelles des micro-bolomètres non refroidis. Un modèle analytique du bruit basse fréquence a aussi été proposé pour rendre compte des mesures effectuées à 300 K et à 80 K. Le régime de diffusion de la diode s'est révélé comme le meilleur compromis pour optimiser sa résolution thermique.Dans un second temps, un pixel bolométrique sub-THz a été proposé et a fait l'objet d'un dimensionnement à partir de simulations 3D par éléments finis. Une architecture d'antenne patch couplée à un dipôle résistif a été optimisée pour atteindre une absorption en polarisation linéaire proche de 90 % à 350 GHz avec une bande passante de 120 GHz et un pas pixel de 250 µm. La structure complète du micro-bolomètre a été définie avec une intégration technologique cohérente. La constante de temps thermique résultante permet une cadence maximale de 20 images par seconde en utilisant une lecture par obturation globale.Ces valeurs, associées aux résultats obtenus pour le transducteur thermique, ont permis de réaliser un modèle électrothermique du micro-bolomètre en fonctionnement et de proposer une architecture de lecture différentielle. Une puissance minimale détectable de 300 fW pourrait être théoriquement atteinte à une cadence effective de 10 images par seconde, soit une résolution en température sur une scène inférieure à 0.4 K , valeur proche des spécifications typiques requises pour l'imagerie passive en gamme sub-THz.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03514032 , version 1 (06-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03514032 , version 1

Citer

Jérémy Blond. Détecteur térahertz hautes performances pour l'imagerie passive. Optique / photonique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. Français. ⟨NNT : 2021GRALT062⟩. ⟨tel-03514032⟩
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