Brevet FR2497346A1 — publié le 19820702

Transducteur extensométrique à semi-conducteurs. La présente invention concerne le domaine des dispositifs à semi-conducteurs, et elle a plus particulièrement pour objet un transducteur extensométrique à semi-conducteurs de grandes de thermotechnique et mecaniques, utilisable pour la mesure des forces, des pressions, des déplacements, des accélérations, etc. On connait un transducteur piézorésistif à semiconducteurs décrit dans une fiche technique, publiée en Mai 1976 par la société Schlumberger, comportant un élément sensible constitué sar une plaquette mono- cristalline de silicium de type N dans laquelle sont implantées, par diffusion d'une impureté accetrice, des résistances extensométriques. L'isolement entre les résistances extensométriques se fait par des jonctions PN diffusées. Les résistances extensométriques sont montées en pont ou en dérivateur dont le signal de sortie varie avec le paramètre à mesurer (par exemple, avec la pression).Comme le signal de sortie du circuit extensométrique est fonction tant de la grandeur à mesurer que de la température (ce qui est à l'origine d'une erreur de mesure sWtplémen- taire), le transducteur existant comprend un compensateur de température électronique à réglage individuel. La plage de température ambiante dans laquelle ce transducteur extensométrique est utilisable ne peut dépasser 1200C, car au-delà, les jonctions PN dans le silicium perdent leurs propriétés de blocage. De plus, cet extensomètre a une sensibilité relativement basse, la tension d'alimentation du circuit extensométrique à laquelle est proportionnel le signal de sortie étant limitée à la tension Ub de claquage ou de percement de la jonction PN (Ub étant générale ment de quelques volts. Il faut aussi remarquer que les circuits à réglage individuel existants ne donnent pas la précision de conversion requise au-dessus de 1200C. La raison en est que le signal de sortie du transducteur extensométrique varie fortement et de façon non linéaire avec la variation de la température ambiante, ce qui tient à l'influence exercée par la température sur les paramètres électriques des résistances extensométriques à semiconducteurs dont celles à silicium.Or, les propriétés des matériaux semi-conducteurs actuels sont telles qu'il est impossible de staffranchir de l'effet de la température sur le signal de sortie d'un extensomètre à résistance réalisé avec ces matériaux. Le certificat d'auteur SU 193.796 décrit également un élément sensible (résistance extensométrique) pour extensomètre, en carbure de silicium, dont la concentration en azote est de 7,3.1015cm-3 et qui possède des caractéristiques extensométriques stables jusqu'à une température de 8000C. Mais la valeur de la-résistance de cet élément sensible dépend largement de la température (ce qui est caractérist;- que dll carbure de silicium à ceste teneur en azote) et son signal de sortie varie donc avec la temDéra- ture. Le fait que ledit élément sensible représente une résistance extensométrique individuelle oblige à fixer cet élément sensible à l'élément élastique du transducteur, d'où une hystérésis et un fluage dûs à la couche de raccordement intermédiaire. I1 existe aussi un transducteur piézorésistif à semi-conducteurs ("Technique électronique", série 11, fascicule 2, 1976, p.43) comportant un élément sensible sous forme d'un substrat de saphir monocristallin sur lequel sont épitaxiées des résistances extensométriques en film monocristallin de silicium P, reliées en pont dont la sortie est réunie à l'entrée d'un convertisseur de signal.Dans ledit transducteur, le film de silicium constituant les résistances extensométriques a une résistivité comprise entre 0,005 et 0,009 Obm. cm (ce qui correspond à une concentration de trouspde3,2,1019 à 1,4.1019 cl 5). Ce transducteur extensométrioue est affranchi des inconvénients dus à la présence de la Jonction PN. Pourtant dans ledit transducteur les résistances extensométriques formant le pont possèdent des coefficients de température de résistance (CTR) différents ce qui conduit à une forte influence de la température sur la tension de déséquilibre initial du pont et à la perte de précision de conversion. I1 est à noter de plus que le transducteur extensométrique existant a ce désavantage que son signal de sortie est largement dépendant de la température ce qui nécessite, pour des raisons de fidélité de conversion, l'adjonction d'un compensateur de température élec- tronique compliqué à réglage individuel et limite sa gamme de températures utiles (en l'occurence de 20 à 420C seulement). L'invention vise à mettre au point un transduc teur extensométrique à semi-conducteurs dont les résistances extensométriques soient réalisées avec un matériau semi-conducteur capable d'assurer la stabilité thermique de son signal de sortie dans une gamme étendue de températures ambiantes. té but est atteint par le fait que,dans un transducteur extensométrique à semi-conducteurs comportant un élément sensible sous forme d'un substrat monoscristallin de saphir portant des résistances extensométriques épitaxiales en silicium P, reliées entre elles de manière à former un pont ou un dérivateur extensométriques qui ont leur sortie reliée à l'entrée d'un convertisseur de signal, selon l'inven- tion, la concentration des trous dans le silicium va de 3,5rai1019 à 3.102 cl 3. Il est bon gue, lorsque le circuit extensométrigue est alimenté à partir d'une source de courant continu, la concentration des trous dans le silicium soit de 3,5 à 9 .1019 cm3 si l'alimentation du circuit extensomètrique s'effectue par une source de tension continue, il est utile que la concentration des trous dans le silicium soit de (1,8 à 3).102 cs 3 . Le problème des mesures dans une plage étendue de températures positives et négatives peut trouver une solution technologique relativement simple Si le substrat de saphir du transducteur extensométrique à semi-conducteurs comporte, en plus d'un circuit extensométrique alimenté par une source de courant continu, un second circuit extensométrique alimenté par une source de tension continue et que les sorties des deux circuits extensométriques soient reliées à l'entrée d'un convertisseur de signal par un élément de commutation de type "tout ou rien" commandé à travers une thermistance épitaxiée de silicium à une concentration de trous de 3,5.1019 à 5.102 cm 3, dis- posée dans une zone indéformable ou/et orientée dans une direction d'insensibilité extensométrioue du substrat de saphir Le transducteur extensométrique à semi-conducteurs selon l'invention présente les avantages suivants. La gamme de températures utiles subit une extension substantielle (-200 à +2000C) et la précision de conversion se trouve améliorée. Le signal de sortie du circuit extensométrique ne dépendant pas de la tempéra ture, le compensateur de température électronique de vient inutile et le circuit électronique du convertis seur de signal s'en trouve simplifié. Dans ce qui suit on décrira, en vue de dégager l'idée de l'invention, quelques formes particulières de sa réalisation en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente une coupe longitudinale d1un transducteur extensométrique à semi-conducteurs piézo résistif; la fig. 2, la vue de dessus du transducteur de la figure 1; la figure 3, le schéma d'un transducteur à pont de résistances extensométriques; la figure 4, la variation du coefficient de tem pérature de résistance des films de silicium de tyne P sur saphir en fonction de la résistivité; la figure 5 , la variation de la somme des coef ficients de température de résistance et de sensibi lité extensométrique des films de silicium sur saphir, de type P, en fonction de la résistivité;; la figure 6, la variation du coefficient de tem pérature do sensibilité extensométrique des films de silicium sur saphir, de type P, en fonction de la ré sistivité; la fig. 7 ,une coupe longitudinale d1un élément sensible du transducteur extensométrique à semi-conduc teurs piézorésistif à deux circuits extensométrique; la la figure 8, la vue de dessus de l'élément sensible ditransducteur de la figure 7; la figure 9, le schéma synoptique du transducteur extensométrique à semi-conducteurs des figures 7 et 8; la figure 10, la variation relative de résistance de la thermistance en fonction de la température; la figure Il, la variation des signaux de sortie des circuits extensométriques et du commutateur commandé en fonction de la température. Les figures 1 et 2 présentent une forme de réalisation particulière d'un transducteur extensométrique à semi-conducteurs selon l'invention, en ltoccurence, d'un transducteur extensométrique piézorésistif, dont le boitier cylindrique 1 possède, sur l'une de ses faces, une tubulure 2 d1amenée de pression P. L'autre face du boitier 1 porte l'élément sensible 3, fixé d'une manière connue, par exemple par soudure, et composé d'un substrat de saphir 4 en forme de membrane renforcée 7 sa périphérie et de résistances extensométriques en silicium, épitaxiées Sur la périphérie de la membrane de façon à etre situées deux à deux parallèles perpendiculairement au rayon de la membrane.Le plan du substrat de saphir 4 est orienté en direction (1012) , les résistances extensométriques 5 épitaxiées du silicium sont placées dans le plan (100) du cilisium suivant les directions [011] et [011] et possèdent des aires de contact 6. Les résistances extensométriques 5 sont reliées dans un montage en pont (E e 3). le pont a l'une de ses diagonales raccordée a l'alimentation 7 dont le rôle peut être tenu soit par une source de courant continu io soit par une source de tension continu U0. L'autre diagonale du pont, qui constitue la sortie du circuit extensométrique, est reliée à l'entrée du convertls- seur de signal 8. Le fonctionnement du transducteur extensométri que à semi-conducteurs se fait comme suit. Dans le cas où l'alimentation du pont est établie et que la pression P manque, la membrane 4 ne subit aucune déformation, la valeur des résistances extensométriques 5 ne change pas et le signal de sortie du pont en équilibre est nul. A l'application d'une pression P le substrat de saphir 4 (membrane) fléchit et déforme les résistances extensométriques en silicium 5. La déformation a pour effet de modifier la valeur R des résistances extensométriques 5, le signe de cette variation étant fonction de l'orientation des résistances extensométriques 5 par rapport au rayon de la membrane. La relation entre la valeur ohmique R d'une résistance extensométrique, la température T et la déformation S peut s'écrire: P(T > E) = R(T) [1+K(T)#] > (1) où IC (T) est le coefficient de sensibilité extensomé trique. Le signal de sortie U d'un pont alimenté en tension continue U0 aura pour expression U (T, 8 ) - Uo K (T) (2) et celui d'un pont alimenté en courant continu io U(T,#)=ioR(T)K(T)# (2') Comme la déformation des résistances extensométriques disposées sur l'élément sensible du transducteur extensométricue est proportionnelle au paramètre à mesurer S (en l'occurence, à la pression P), soit #=A(T)S (3) le signal de sortie U prend la forme respectivement en alimentation en tension continue U0 et en courant continu io. Les conditions obligatoires de stabilité thermique (c'est-à-dire d'indépendance vis-à-vis de la température) du signal de sortie sont respectivement, en alimentation en tension continue et en courant continu. En notant le coefficient de température de résistance (CTR) des résistances extensométriques, le coefficient de température de sensibilité extensométrique (C?SE) et le coefficient de température d'élasticité du transducteur extensométrique, les conditions (5) et (5') peuvent s'écrire comme suit: étant généralement négligeable, les conditions de stabilité thermique du signal de sortie du pont deviennent et respectivement, en alimentation du montage en tension continue et en courant continu. Les conditions de stabilité thermique (6), (6') et (7), (7') restent également vraies pour le cas où les résistances extensométriques sont montées en dérivateur. La couche monocristalline de silicium épitaxiée sur un substrat de saphir (SOS) est extrêmement dissemblable dans ses caractéristiques du silicium en volume obtenu par croissance en bain fondu, par diffusion ou par auto-épitaxie. Les SOS ont ceci de particulier ou'en raison des coefficients de dilatation thermique différents du silicium et du saphire le film de silicium sur saphir éprouve une forte compression. A cause de 11 effet extensométrique en résistance dû à ladite compression du film le point de fonctionnement initial d'un extensomètre à base de SOS se déplace p & rapport au point de fonctionnement initial d'une résistance extensométrique réalisée à partir de silicium en volume, diffusé ou auto-épitaxial. Ce déplacement du point de fonctionnement fait varier tant le coefficient de sensibilité extensométrique K = R R que le coefficient de température de sensibilité extensométrique (TEE), le déplacement du point de fonctionnement étant fonction de la température. Il est à noter de plus que l'effet extensométrique en résistance résultant de ladite compression thermique du film de silicium sur saphir est également à ltorigine de la variation de la valeur ohmique R de la résistance extensométrique (en comparaison du silicium non déformé) et du coefficient de température de résistance (CTR)iR du fait que la compression thermique dépend de la température. Ainsi, les valeurs des CTR (&alpha; R) et CTSE (&alpha;K) du film SOS diffèrent des valeurs respectives du silicium en volume.Les résistances extensométrioues 5 de l'élément sensible du transducteur extensometricue des figures 1 et 2 sont en film SOS dopé au Bore a co;Jcentration des trous de 3,5.1019 à 5.1 o20 cm-3 (ce qui correspond à une ré- sistivité p =0,0045 à 0,0006 Ohm.cm). La fig. 4 représente la variation du CTR (&alpha;R) des films SOS en fonction de la résistivité p pour diverses va- leurs de température T. On voit que dans la gamme adoptée de valeurs p la variation du CTR des résistances extensométriques avec la température (qui, elle, varie dans des proportions importantes) est faible et n'est guère plus grande avec la résistivité du film épitaxiale de silicium.Avec la concentration des trous ci-dessus les dispersions technologiques inévitables de la résistivité, d'une résistance extensométrigue à l'autre, ont peu d'influence sur leurs CTR; aussi la tension de déséquilibre initial du pont est-elle pra tiouement indépendante de la température. Il est à re marquer également qu'une telle concentration des trous fait améliorer, par 11 effet de saturation en impuretés acceptrices,/du silicium, l'homogénéité des propriétés électriques de la couche épitaxiale ce qui a pour conséquence de réduire davantage la dispersion du CTR des résistances extensométriques et d'abaisser de plus en plus la dépendance de la tension de déséquilibre initial vis-à-vis de la température. Dans l'une des formes de réalisation particulières du transducteur extensométrique des figures 1 et 2 les résistances extensométriaues 5 ont été réalisées en film SOS dopé au Bore à concentration de trous de (3,5 à 9).1019 cm 3 (ce qui correspond à p = 0,0045 à 0,002 Ohm.cm), le pont extensométrique étant alimenté en courant continu io (fig. 3). Dans ce cas la condition de stabilité thermique du signal de sortie a pour expression la formule (6'). La fig. 5 représente la variation de la somme du CTR et du CTSE des films SOS de type P en fonction de la résistivité p des films. Il en ressort que , la condition (6') est vérifiée chaque rois qu'on adopte des résistivités de films SOS dans une gamme étendue de températures (au moins dans l'intervalle de -100 à +2000 C) de sorte que le signal de sortie du circuit extensométrique est indépendant de la température dans ladite gamme (courbe 9 en trait interrompu à la fig. 11). Dans une autre forme de réalisation particulière du transducteur extensométrique des figures 1 et 2 les résistances extensométriques 5 sont en film SOS dopé au Bore à concentration de trous de 1,8 à 3 .1020cm-3 (ce qui correspond à une résistivité p de 0,0009 à 0,00(j6 Ohm.cm), le pont extensométrique étant alimenté en tension continue UO (fig. 3). Dans ce cas la condition de stabilité thermique du signal de sortie se laisse représenter par l'expression (6). La fig. 6 montre la variation du CTSE des films SOS de type P en fonction de la résistivité F du film. Comme on peut le voir, dans la plage adoptée de résistivités la condition (6) est à peu près satisfaite dans une gamme étendue de températures basees (au moins de -200 à OOC) de sorte que le signal de sa tue du circuit extensométrique dans ladite gamme est presque indépendant de la température (courbe 10 en traits mixtes de la fig. 11). Une autre forme de réalisation particulière du transducteur extensométrique à semi-conducteurs est visible aux fig. 7 et 8. Dans cette forme de réalisation particulière,une membrane métallique 11 est solidaire du bottier 12 comportant une enceinte d'admission de pression P (la tubulure disposée au fond du bottier 12 est invisible à la figure 7), et le substrat de saphire 13 découpé suivant le plan cristallographique (1012) est fixé à la membrane 17 d'une manière connue (par exemple, soudé).. Le substrat 13 porte les résistances extensométrioues 14 épitaxiées de silicium dopé au Bore à concentration de trous de 3,5 à 9 .10 cm disposées près du bord extérieur de la membrane Il deux par deux en long, transversalement au rayon de la membrane 11 et orientéesdans les directions cristallographiques [110] et [110] du silicium de manière à former un pont I doté de contacts 15. Le substrat 13 porte de plus des résistances extensométriques 16 formées par diffusion sélective du Bore dans le film épitaxial de silicium à concentration de trous de (1,8 à 3).1020cm3, disposées, elles aussi, près du bord extérieur de la membrane 11 deux par deux le long et en travers du rayon de la membrane et orien tées dans les directions cristallographique 0110] et [110] de façon à constituer un pont II doté de contacts 17.Le substrat 13 est également doté en surface d'une thermistance 18 à contacts 19 épitaxiée en silicium dopé au Bore à concentration de trous de 3,5.1019 à 3.1020 cm 3 et placée dans notre cas sur la partie indéformable du substrat 13, en dessus de la paroi latérale du boîtier 12. La thermistance 18 peut aussi être orientée dans une direction d' insensibi- lité extensométrique du substrat de saphir 13. Le pont extensométrique il (fig. 9) est alimenté sur une source 20 de tension continue Uo; le pont extensométrique I est alimenté, lui, sur une source 21 de courant continu io, les valeurs de U0 et i0 étant adoptées de manière à avoir pour une certaine température t0 comprise dans la plage de -100 à O C (par exemple, pour to = -500C) l'identité des signaux de sortie des deux circuits extensométriques I et II à une certaine pression P, c'est-à-dire UI(P) = UII(P). Les sorties des circuits extensométriques I et II sont reliées aux entrées d'un élément de comnutation commandé du type "tout ou rien", par exemple d'une bascule, dont la sortie est réunie à l'entrée d'un convertisseur de signal 23. Le circuit de commande de l'élément de commutation 22 comporte unethermistance 18 dont la valeur ohmique R(t) est telle que,pour to = -50 C, R(tO) = Ro, Ro étant la résistance de basculement de l'élément de commutation 22. le transducteur extensométrique à semi-conducteurs niézorésistif, représenté aux fig. 7, 8 et 9, fonctionne comme suit. Une fois soumis à le pression P (fig. 7), le substrat de saphir 13 se courbe avec la membrane Il et déforme les résistances extensométriques en silicium 14 et 16 avec comme effet l'apparition de signaux de sortie UI(P) et UII(P) aux sorties des circuits extensométriques I et il. Etant donné qu'aux températures basses, par exemple dans une plage de -200 à -50 C, la résistance R (t) de la thermistance 18 reste inférieure à Ro(fig. 10), l'état de l'élément de commutation 22 est tel que le convertisseur de signal 23 reçoit en entrée le signal de sortie UII(P) du circuit extensométrique II, constant avec la température dans cette plage (courbe 10 à la fig. 11). Lorsque la température du milieu à mesurer passe à -500C la résistance de la thermistance 18 devient égale à Ro (fig. 10) et ltélément de commutation 22 bascule vers un autre état stable tel que l'entrée du convertisseur de signal 23 se trouve raccordée au circuit extensométrique I dont le signal de sortie UI(P) ne sera pas, lui aussi, influencé par la température lors de la croissance, par exemple, de - 50 à +2000C (courbe 9 à la fig. 11). Vu le fait que dans cette plage de températures la résistance de la thermistance 18 reste au-dessus de Ro (fig. 10), l'élément de commutation 22 garde son état. A l'abaissement de température l'6lé- ment de commutation 22 passe dans un autre état stable pour R(t) = Ro , c'est-à-dire pour t0=-5000. De cette façon, le signal de sortie de l'élément de commutation 22 prend les valeurs UI(P) pour -50 C # t # t +200 C U(P)= # UII(P) pour -200 C # t # -50 C, c'est-à-dire quTil reste indépendant des variations de température dans toute la plage de températures utiles (ligne en trait continu 24 å la fig. 11). REVENDICATIONS 1. Transducteur extensométrique à semi-conducteurs comportant un élément sensible (3) formé d'un substrat monocristallin de saphir portant des résistances extensométriques épitaxiées de silicium de type P, reliées entre elles de manière à former un pont ou un dérivateur extensométrique qui a sa sortie reliée à l'entrée d'un convertisseur de signal (8), caractérisé par le fait que la concentration des trous dans le silicium est'de 3,5.1019 à 3.102Ocm~3. 2. Transducteur extensométrique à semi-conducteurs selon la revendication 1, utilisant comme source d'alimentation du circuit extensométrique une source de courant continu, caractérisé car le fait que la concentration des trous dans le silicium est de 3,5 à 9.1019cm-3. 3. Transducteur extensométrique à semi-conducteurs selon la revendication 1 utilisant comme source d'alimentation du circuit extensométrique une source de tension continue, caractérisé par le fait que la concentration des trous dans le silicium est de 1,8 à 3.1020cm-3 4. Transducteur extensométrique à semi-conducteurs selon la revendication 2, caractérisé par le fait que son substrat de saphir porte un circuit extensométrique supplémentaire, réalisé selon la revendication 3, que dans ce cas les sorties des deux circuits extensométriques sont reliées à l'entrée d'un convertisseur de signal à travers un élément de commutation fonctionnant en "tout ou rien" dont le circuit de commande comporte une thermistance épitaxiée Se silicium -: : concentration des trous de 3,5 1019 à 3.102Ocm disposée dans une zone ne subissant pas de déformation et/et orientée dans une direction d'insensibilité extensométrique du substrat de saphir.