Brevet FR2559898A1 — publié le 19850823

Détecteur capacitif de pression absolue La présente invention se rapporte à un détecteur capacitif de pression absolue du type comprenant un socle, une plaque de condensateur fixe disposée sur le socle et une capsule anérofde placée en liaison avec le socle, ladite capsule comportant une zone formant une plaque de condensa- teur mobile, qui est tournée vers le socle et dont la distance par rapport à la plaque de condensateur fixe varie en fonction de la pression. Dans un détecteur de pression capacitif, la différence de pres- sion provoque la déformation d'une membrane élastique et modifie la distance séparant une plaque de condensateur, fixée à la membrane, d'une plaque de condensateur fixe solidaire du bâti de l'appareil ou d'une plaque mobile fixée à une seconde membrane. La relation entre la variation de pression et le mouvement des plaques est soit telle qu'une augmentation de la pres- sion éloigne les plaques l'une de l'autre, soit telle que cette. augmentation rapproche les plaques l'une de l'autre. Si l'amplitude du mouvement de la plaque est proportionnelle à la pression, la sensibilité à la pression de la capacité électrique du dé- tecteur est plus élevée à une pression pour laquelle les plaques sont rela- tivement proches l'une de l'autre qu'à une pression pour laquelle elles sont- plus éloignées l'une de l'autre. A partir de cette considération, on a fait en sorte que, dans les détecteurs de pression travaillant à l'intérieur d'une large plage de pressions, les plaques soient disposées le plus près l'une de l'autre à une faible pression et s'éloignent l'une de l'autre au fur et à mesure que la pression augmente. Les figures 1 et 2 représentent des détecteurs de pression de l'état antérieur de la technique présentant cette structure. Dans le détec- teur de la figure 1, les plaques de condensateur sont disposées à l'extérieur de la capsule anérofde, tandis que, dans le détecteur de la figure 2, elles se trouvent à l'intérieur de cette capsule. Pour avoir connaissance de l'état antérieur de la technique, on se référera aux publications suivantes 1)K.E. Bean, "Anisotropic Etching of Silicon", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.ED.25 (1978) n 10 p. 1185-93. 2) Brevet américain n 4 386 453 (Giachino et al.) 3) Brevet américain n 4 257 274 (Shimada et al.) 4) Brevet américain n 4 332 000 (Petersen) ) Brevet américain n 4 390 925 (Freud) 6) Brevet américain n 3 397 278 (Pomerantz) Comme on le sait, les détecteurs de pression capacitifs minia- turisés peuvent également être réalisés à partir de silicium et de verre par mise en oeuvre de procédés de micro-photolithographie et de décapage (voir la publication (1) susmentionnée). La publication (2) décrit un détec- teur de pression absolue dans lequel les plaques de condensateur sont dis- posées à l'intérieur de la capsule anérolde et se rapprochent l'une de l'autre au fur et à mesure que la pression augmente. Le but premier de la présente invention est la conception d'un détecteur de pression absolue qui, tout en étant réalisé selon la technique de fabrication décrite dans les publications (1) à (6) susmentionnées, puisse fonctionner de la même façon que les détecteurs représentés sur les figures 1 et 2. -Conformément à l'invention, cette structure avantageuse peut être obtenue dans un détecteur qui est réalisé comme suit: - il comprend deux plaquettes de verre et une plaquette de sili- cium ajustéesentre elles; - les plaquettes de silicium et de verre ont été traitées de telle façon que, sur l'une des faces de la plaquette de sili- cium, soit formée une capsule anérofde et, sur l'autre face, un condensateur isolé vis-à-vis de l'air; - l'une des plaquettes de verre porte une plaque de condensateur fixe; - la seconde plaquette de verre obture la capsule arnéroïde; et - la plaquette de silicium présente une zone amincie qui est déformée sous l'effet de la pression et à laquelle est fixée la plaque de condensateur mobile. Plus précisément, le détecteur conforme à la présente invention se caractérise en ce que le socle comprend un premier élément plat sur lequel est disposée une plaquette de silicium dont une partie centrale a été usinée pour former une membrane qui constitue la plaque de condensateur mobile, tandis qu'un deuxième élément plat est placé, en formant une étanchéité, sur la plaquette de silicium de façon à délimiter avec celle-ci l'espace intérieur en forme de cuvette de la capsule anéroúde, dont le fond est dé- fini par ladite partie centrale formant la membrane. Grâce à l'invention, on obtient toute une série d'avantages particulièrement intéressants. C'est ainsi que, par rapport à la structure décrite dans la publication (2) susmentionnée, celle du détecteur conforme à l'invention présente comme avantage le fait qu'une meilleure sensibilité est obtenue aux basses pressions, que le volume de la capsule anéroúde est plus grand (la distance entre les plaques de condensateur est en général égale au 1/100e de la profondeur de l'espace en forme de cuvette), et qu'il n'est pas nécessaire que des fils conducteurs traversent la paroi de la capsule dans laquelle règne le vide. Par ailleurs, les avantages obtenus vis-à-vis des structures classiques des figures 1 et 2 sont une réduction des dimensions, une meilleure stabilité des matériaux constitutifs, une réponse rapide, de faibles différences internes de températures et une bonne aptitude à une fabrication en grandes séries. La présente invention va maintenant être décrite plus en détails dans ce qui suit, à l'aide de trois modes de réalisation exemplifiés, sans aucun caractère limitatif, en référence aux figures 3 à 5 des dessins an- nexés: - - la figure 3a est une vue latérale en coupe du premier de ces modes de réalisation du détecteur objet de l'invention; - la figure 3b est une vue en coupe du détecteur de la figure 3a, effectuée suivant la ligne A-A; la figure 4 est une vue latérale en coupe du deuxième mode de réalisation du détecteur conforme à l'invention; - la figure 5 est une vue latérale en coupe du troisième mode de réalisation de ce même détecteur. Quand on fabrique un détecteur de- pression absolue capable de travailler dans une large plage de pressions, on doit faire en sorte que le mouvement des plaques soit inverse de celui décrit dans la publication (2) susmentionnée. Les figures 3à et 31 illustrent un détecteur de pression présentant une telle structure. Ce détecteur comprend une première plaquette de verre 1, une plaquette de silicium 2 et une deuxième plaquette de verre 3. Ces composants sont réunis l'un à l'autre au moyen par exemple du procédé décrit dans la publication (6) susmentionnée. Dans l'une des faces de la plaquette de silicium 2, un évidement en forme de cuvette 4 a été formé par décapage, cet évidement ayant été recouvert sous vide par la plaquette de verre 1 de manière à être hermétiquement obturé par celle-ci. L'évidement 4 obturé par la plaquette de verre 1 forme la capsule anérofde du détecteur de pression. La seconde face de la plaquette de silicium 2 a également été usinée. pour que soit définie une partie 5 formant une membrane et présentant une zone centrale plus épaisse 6. La partie 5 formant la membrane est sensible à la pression et sa zone centrale 6 joue le rôle d'une plaque de condensation mobile. Sur la deuxième plaquette de verre 3, repose une plaque de conden- sateur fixe 7 que l'on a formée en déposant un mince film métallique sur la plaquette de verre et en lui donnant la configuration voulue. La plaque 7 est électriquement connectée à une borne 10 par une bande conductrice 12. Une seconde borne 11 est connectée par une liaison conductrice à la plaquette de silicium 2. La bande conductrice 12 passe à travers une gorge 9 usinée dans la plaquette de silicium 2, la pression à mesurer pouvant s'exercer sur la membrane 5 le long de cette gorge. Les bornes 10 et 11 et la bande conduc- trice 12 sont réalisées de la même façon que la plaque de condensateur 7. Une capacité électrique variant avec la pression apparaît entre la zone centrale 6 de la membrane 5 et la plaque de condensateur 7, à travers la lame d'air 8 formée entre elles. Cette capacité électrique peut être - mesurée électriquement entre les bornes 10 et 11 ou entre des conducteurs connectés à celles-ci. Les dimensions les plus courantes du détecteur sont 4 mm x 2,5 mm. L'épaisseur de la membrane 5 est de 10 à 100 W/m. La largeur de la lame d'air 8 est de 1 à 10 >Mm. L'aire des plaques de condensateur 6 et 7 est de 1 à mm. Dans les variantes de réalisation représentées sur les figures 4 et 5, des références numériques analogues à celles portées sur les figures 3a et 3b sont utilisées. Dans la variante de réalisation de la figure 4, la zone centrale rigide 6 a été supprimée et la totalité de la partie 5 d'épaisseur uniforme constituant la membrane, joue le r8le d'une plaque de condensateur. La figure 5 représente une variante de structure du détecteur des figures 3a et 3b, selon laquelle l'évidement 4 de la capsule anéroúde ainsi que la lame d'air 8 sont ménagés dans les plaquettes de verre 1 et 3 et non pas dans la plaquette de silicium 2. Tout en restant dans le cadre de la présente invention, il est également possible de concevoir d'autres structures de détecteur différentes de celles des modes de réalisation exemplifiés ci-dessus. C'est ainsi que l'on peut, par exemple, ménager l'évidement 4 dans la première plaquette de verre 1 et la lame d'air 8 dans la plaquette de silicium 2 ou bien ménager l'évidement 4 dans la plaquette de silicium 2 et la lame d'air 8 dans la deuxième plaquette de verre 3. REVENDICATIONS 1. Détecteur capacitif de pression absolue du type comprenant un socle (3) , une plaque de condensateur fixe (7) disposée sur le socle (3) et une capsule anéroïde (4) placée en liaison avec le socle (3), ladite capsule comportant une zone (5, 6) formant une plaque de condensateur mobile, qui est tournée vers le socle (3) et dont la distance par rapport à la pla- que de condensateur fixe (7) varie en fonction de la pression, caractérisé en ce que le socle comprend un premier élément plat (3) sur lequel est dis- posée une plaquette de silicium (2) dont une partie centrale (5, 6) a été usinée pour former une membrane qui constitue la plaque de condensateur mobile, tandis qu'un deuxième élément plat (1) est placé, en formant une étanchéité, sur la plaquette de silicium (2), de façon à délimiter avec celle-ci l'espace intérieur en forme de cuvette (4) de la capsule anéroúde, dont le fond est défini par ladite partie centrale formant la membrane (5, 6). 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le deuxième éléments plats (3, 1) sont constitués par des plaquet- tes de verre. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie (5, 6) qui forme la-membrane présente une zone centrale rigide (6) (Figures 3a et 5). 4. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie (5, 6) qui forme la membrane est au moins sensiblement, d'é- paisseur uniforme (Figure 4). 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,- caractérisé en ce que l'espace intérieur en forme de cuvette (4) de la capsule anéroide est, au moins en partie, ménagé dans la face de la plaquet- te de silicium (2) qui est tournée vers le deuxième élément plat (1) (Figures 3a et 4). 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'espace intérieur en forme de cuvette (4) de la capsule anéroúde est, au moins en partie, ménagé dans la face du deuxième élément plat (1), qui est tournée vers la plaquette de silicium (2) (Figure 5). 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la lame d'air (8) délimitée par les plaques de con- densateur (6, 7) est au moins en partie, ménagée dans la face de la plaquette de silicium (2), qui est tournée vers le premier élément plat (3) (Figures 3a et 4). 8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la lame d'air (8) délimitée par les plaques de con- densateur (6, 7) est, au moins en partie,-ménagée dans la face du premier élément plat (3), qui est tournée vers la plaquette de silicium (2) (Figure 5).