Brevet FR2290658A1 — publié le 19760604

La présente invention concerne un capteur de pression comportant un élément sensible à la pression en silicium monocristallin, élément qi présente une membrane de faible épaisseur et dont la face externe comporte un bord épaissi, des résistances réa- gissant à la traction étant incorporées à la membrane. Un tel capteur de pression connu est décrit, par exea- pie, dans le brevet français n0 2 023 255. L'élément sensible à la pression comporte une membrane plane, le bord épaissi servant à faciliter la fixation de l'organe sensible a' la pression. Les résistances sont, par exemple, groupées en un pont de Wheatstone ; la tension de sortie du pont peut, par exemple, être appliquée à un circuit intégré. Lorsque la membrane est relativement épaisse, la tension de sortie variera sensiblement de ma- nière linéaire avec la pression. Pour obtenir une sensibilité élevée, il est toutefois souhaitable d'utiliser une membrane aussi mince que possible. Ceci entraîne cependant une forte déviation de la rel#tion- linéaire souhaitée entre la pression et la tension de sortie. L'invention a pour but de procurer un capteur de pression de grande sensibilité, dans lequel le rapport entre la pression et la tension de sortie soit donc sensiblement linéaire. Pour atteindre ce but, conformément à l'invention, la membrane présente une pièce centrale en étoile qui est constituée par une surépaisseur d'un diamètre de l'ordre de 0,5 à 0,7 fois le diamètre intérieur du bord épaissi. Il semble, que moyennant cette mesure, pour une linéarité supérieure à 1 %, itépaisseur de la membrane peut être réduite dans une mesure telle que le capteur de pression ait une sensibilité de 4 à 5 fois supérieure à celle qui serait la sienne avec une membrane dépourvue de la pièce en étoile. D'autre part, pour une meme épaisseur des membranes, la linéarité du capteur de pression suivant l'invention est notablement meilleure que celle du capteur de pression connu. Il est a' noter que les éléments sensibles à la pression présentant une pièce centrale épaissie sont connus par euxmemes dans les accéléromètres. Dans ce cas, il n'est en général pas question d'une membrane, mais la partie épaissie est reliée par des rayons à un anneau extérieur. Le but est d'obtenir un organe réagissant aux accélérations et non d'améliorer la linéarité. De plus, le rapport du diamètre de la pièce centrale au diamètre intérieur du bord épaissi, s'écarte notablement, dans des réalisations connues, de la valeur souhaitée de l'invention. Dans une forme d'exécution préférée conforme à 1'in- vention, la membrane est faite d'une couche épitaxiale qui est formée par croissance sur un substrat en silicium, substrat dans lequel le bord épaissi et la pièce centrale épaissie sont tous deux formés. Le capteur de pression peut trouver un domaine d'application très favorable dans la mesure du débit de gaz, par exemple dans la mesure de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne. Dans cette mesure volumétrique de l'air, le flux massique est inversement proportionnel à la température absolue.Pour obtenir une adaptation adéquate du capteur de pression, il faut que cette influence de la température soit compensée de quelque façon que ce soit, ce qui se produit dans une autre forme d'exécution de l'invention, lorsque les résistances travaillant en traction sont formées par diffusion d'un accepteur dans une couche épitaxiale de type n, de telle sorte que la concentration de la diffusion soit d'un ordre de grandeur de 5 x 1018 atomes par cm3. Le coefficient de# résistance pié#o-électrique du silicium de type p formant les résistances, dépend de la température ; on a constaté que, pour ladite concentration, ce coefficient est à peu près inversement proportionnel à la température absolue, dans un domaine de températures compris entre -40 et +1200C, de sorte qu'une compensation complète est réalisée. Une forme d'exécution de l'invention sera décrite ciaprès, à titre d'exemple, avec référence au dessin annexé, dans lequel la Fig. 1 est une vue en coupe d'un élément sensible à la pression suivant la ligne I-I de la Fig. 2 la Fig. 2 est une vue du dessus de l'élément sensible à la pression. Les Fig. 1 et 2 illustrent une forme d'exécution d'un élément sensible à la pression conforme à l'invention. Une couche épitaxiale 5, de type n, est appliquée sur un substrat, par exemple une couche de silicium monocristallin de type n. Un évidement annulaire 1 est ménagé dans le substrat et s'enfonce jusqu'à la couche épitaxiale. L'évidement 1 peut, par exemple, être formé par électroérosion. On obtient ainsi un élément sensible à la pression comportant une membrane mince 2, un bord épaissi 3 et une pièce centrale épaissie en étoile 4. Dans la couche épitaxiale 5 des résistances travaillant en traction 6 sont placées, par exemple par diffusion d'un accepteur, comme du bord ; les résistances 6 sont alors faites de silicium de type p.En principe, le substrat et la couche épitaxiale pourraient également être faits en silicium de type p dans lequel des résistances de type n seraient incorporées par diffusion, ou bien les résistances peuvent être formées par implantation dotions. La Fig. 2 donne un exemple d'un motif des résistances 6 qui sont branchées ou interconnectées selon un pont de Wheatstone, Dans cette forme d'exécution, deux résistances sont chaque fois placées l'une près de l'autre, une près du bord épaissi 3 et une autre près de la pièce centrale 4. Les incurvations de ces résistances lors d'une flexion de la membrane sont ainsi opposées (-le bord épaissi 3 étant fixé à demeure dans un bottier et la pièce centrale en étoile 4 se déplaçant avec la membrane)0 La couche épitaxiale est recouverte d'une couche élec triquement isolante 7, par exemple de l'oxyde de silicium.Sur cette couche, sont fixés les conducteurs 8 qui sont connectés électriquement aux résistances 5 en 9 dans une ouverture de la couche isolante 7. A partir des conducteurs 8, des connexions électriques peuvent être amenées à des éléments de commutation électroniques qui ne sont pas représentés. L'élément sensible à la pression peut être incorporé à n'importe quel habillage désiré. Comme mentionné plus haut, le bord épaissi 3 sert à assurer une bonne fixation dans l'habillage ou le bottier. Du conté de la couche épitaxiale, un vide peut etre établi dans le bottier, tandis qu'une pression de gaz ou de fluide agit sur l'autre face. L'élément sensible à la pression peut cependant également être utilisé pour mesurer les différences de pression. A titre d'exemple''d'une mesure d'une pression de fluide, on peut par exemple mentionner la mesure de la pression sanguine. Une application très intéressante dans la mesure d'une pression de gaz réside, entre autres, dans la mesure de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne. En dosant convenablement l'air d'admis- sion et le carburant, on peut obtenir une combustion très favorable et ainsi combattre la pollution atmosphérique. Dans une forme d'exécution avantageuse, l'élément sensible à la pression comporte une pièce centrale 4 dont le diamètre extérieur est de 0,5 mm et un bord épaissi 3 dont le diamètre intérieur est de 1 mm. L'épaisseur de la couche épitaxiale 5 est de 10 microns. Cette épaisseur très faible de la membrane lui confère une sensibilité élevée ; avec la pièce centrale en étoile 4 dans les dimensions que l'on vient de citer, on arrive à rendre la li néarité de la pression par rapport à la tension de sortie du pont de Wheatstone inférieure à 0,5 , Il est intéressant, en particulier lors de la mesure de l'air destiné à des moteurs à combustion interne, de choisir la concentration de diffusion des résistances de type p 6 selon un ordre de grandeur de 5 x 1018 atomes par cm3, en lieu et place de la valeur habituelle de 1020. On constate que l'influence de la température sur la valeur des résistances est ainsi inversement proportionnelle à la température absolue. Comme le flux massique de l'air est également inversement proportionnel à la température absolue, avec ladite concentration, aucune mesure de compensation de température supplémentaire ne doit être prise. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression comportant un élément sensible à la pression en silicium monocristallin, qui présente une membrane de faible épaisseur et dont la face externe comporte un bord épaissi, des résistances réagissant à la traction étant incorporées à la membrane, caractérisé en ce que la membrane présente une pièce centrale en étoile qui a la forme d'une surépaisseur d'un diamètre de 0,5 à 0,7 fois le diastetre intérieur du bord épaissi. 2. Capteur de pression suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane comprend une couche épitaxiale qui est appliquée par croissance sur un substrat en silicium, le bord épaissi et la surépaisseur centrale étant formés dans ce substrat. 3. Capteur de pression suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce que les résistances réagissant à la traction sont formées par diffusion d'un accepteur dans une couche épitaxiale de type n, la concentration de la diffusion étant d'un ordre de grandeur de 5 x 1018 atomes par cm3.