Brevet FR2565687A1 — publié le 19851213

Détecteur de pression capacitif et procédé pour sa fabrication - La présente invention concerne un détecteur de pression capacitif qui comprend: - un substrat constitué en un matériau conducteur de l'électricité et présentant une face supérieure qui inclut une première plaque de con- densateur en forme de disque; - une couche d'isolation électrique présentant une face supérieure et entourant la première plaque de condensateur en forme de disque; et - un élément élastique conducteur de l'électricité en forme de plaque, qui est fixé, par une liaison étanche, à la face supérieure de la couche d'isolation électrique et qui inclut une deuxième plaque de condensa- teur en forme de disque délimitant une cavité avec la première plaque de condensateur en forme de disque. La présente invention a trait également à un procédé pour fabriquer un tel détecteur. Pour prendre connaissance de l'état antérieur de la technique, on va tout d'abord se référer aux publications suivantes: El[1] C.S Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE Transactions on Electron Devices Vol ED-27 (1980) NO. 5, P. 927-930 [2] Fascicule de brevet américain N 4 261 086 [3] Fascicule de brevet américain N 4 386 453 [4] Fascicule de brevet américain N 4 384 899 [5] Fascicule de brevet américain N 4 405 970 [6] Fascicule de brevet américain N 3 397 278 La publication (1) susmentionnée décrit un détecteur capacitif de pression absolue, composé d'un élément élastique en silicium et d'une plaquette de verre qui ont été fixés l'un à l'autre par mise en oeuvre du procédé cité dans la publication (6) susmentionnée. Entre l'élément élasti- que et la plaquette de verre, subsiste une cavité qui constitue la capsule à vide du détecteur. Une capacité électrique dépendant de la pression s'&ablit entre l'élément élastique et un film métallique déposé sur la plaquette de verre. La connexion électrique du film métallique déposé sur la plaquette de verre est réalisé, depuis l'extérieur du détecteur,par un con- ducteur qui est formé par diffusion dans le silicium et qui présente un type de conductivité différent de celui de l'élément élastique. Un incon- vénient majeur de ce détecteur est qu'il présente une capacité de jonction élevée et dépendant fortement de la température, entre le conducteur obtenu par diffusion et l'élément élastique, cette capacité de jonction apparaissant sur le côté de la capacité du détecteur dépendant de la pression. La sensibi- lité relative du détecteur s'en trouve affectée et sa dépendance vis-àvis de la température augmente. Les publications (2), (3) et (4) susmentionnées décrivent un détec- teur de pression ayant une structure similaire à celle du détecteur qui vient d'être décrit. Son câblage est toutefois différent. Ce câblage est réalisé à travers un trou foré dans le verre, ce trou étant pourvu intérieure- ment d'un revêtement métallique. On ferme le trou en y introduisant du métal en fusion ou de la soudure. Ce câblage n'engendre aucun parasite. Toutefois, l'obturation des trous est relativement malaisée à mettre en oeuvre dans le cadre d'une production en grandes séries. La publication (5) susmentionnée décrit un détecteur dans lequel des plaquettes de support en silicium et l'élément élastique sont "collés" les uns sur les autres au moyen d'un mince film de verre qui est produit par une pulvérisation ou une-vaporisation sous vide. En jouant sur l'épaisseur du film de verre, on peut ainsi ajuster la distance séparant les plaques de condensateur. Un aspect avantageux de la structure de ce détecteur réside dans le fait que le matériau utilisé pour sa fabrication est presque entière- ment du silicium. Ceci garantit une bonne stabilité vis-à-vis des variations de température. Les capacités parasites liées au joint de verre affectent toutefois les propriétés du détecteur. En mettant en oeuvre les procédés susmentionnés, on peut obtenir au mieux pour le verre une épaisseur de 10#T qui développe une capacité électrique correspondant à un écartement de pla- ques de 2/A. On voit donc que la zone de jonction est d'une influence pré- pondérante sur la capacité électrique du détecteur, à moins que la surface de ce dernier soit très grande. La publication (5) susmentionnée décrit également une structure de détecteur dans laquelle une paroi de verre d'une certaine hauteur sépare les deux pièces de silicium susmentionnées. Dans ce cas, on n'est pas con- fronté au problème des capacités parasites. En contrepartie toutefois, la précision dimensionnelle de l'écartement des plaques du condensateur sera médiocre. La présente invention propose un détecteur de pression capacitif d'un type entièrement nouveau ainsi qu'un procédé pour sa fabrication, qui éliminent les inconvénients que l'on rencontre dans les détecteurs de l'état antérieur de la technique décrits ci-dessus. L'invention repose sur le fait qu'une couche de matière isolante, par exemple une couche de verre, est fondue ou moulée sur un substrat fait d'un matériau conducteur et usinable, tel que le silicium, Plus précisément, la présente invention a pour objet un détecteur de pression capacitif du type spécifié en préambule qui se caractérise en ce que la couche d'isolation électrique est formée dans un premier renfonce- ment ménagé dans le substrat, de telle façon que les faces supérieures du substrat et de la couche d'isolation s'étendent sensiblement dans un même plan et en ce que ladite cavité est constituée essentiellement par un deuxième renfoncement ménagé dans la face de l'élément en forme de plaque qui est tournée vers la première plaque de condensateur en forme de disque. Grâce à ces dispositions, l'épaisseur de la couche d'isolation est plus importante sur les renfoncements ménagés dans le substrat que sur les autres parties de celui-ci. Quand la couche d'isolation ainsi qu'une partie du substrat sont rectifiés pour que les parties supérieures du substrat et les parties subsistantes de la couche d'isolation forment une face plane uniforme, un passage direct pour le courant électrique est dé- fini, ce passage s'étendant de la face inférieure du substrat jusqu'à sa face supérieure, c'est-à-dire jusqu'à son extrémité supérieure entourée par une couche isolante. La présente invention a également pour objet un procédé pour fabriquer un détecteur de pression capacitif comportant un substrat con- ducteur de l'électricité, un élément en forme de plaque également condue- teur de l'électricité et disposé à distance du substrat, et une couche d'isolation électrique réunissant l'un à l'autre le substrat et ledit élément, en réalisant une liaison étanche entre eux, de sorte qu'une cavité de condensateur est formée entre le substrat et l'élément, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: - à usiner au moins un renfoncement dans l'une des faces du substrat - à appliquer une couche de matière électriquement isolante à l'état fondu sur la face usinée du substrat, de telle façon que ladite couche recouvre la face usinée du substrat; - à laisser durcir ladite couche; et - à enlever de la matière de la surface de la structure produite de cette façon, pour obtenir une surface sensiblement plane, conjointement avec au moins une partie conductrice tronconique du substrat entourée'par au moins une partie de la couche d'isolation. De préférence, on recouvre complètement le substrat de la couche de matière isolante. En outre, il est possible d'usiner, par exemple par une attaque chimique, un perçage mécanique transversal à travers la partie tronconique du substrat dans laquelle est défini le passage direct pour le courant électrique. Un premier avantage de l'invention est que l'on obtient une struc- ture dans laquelle la capacité électrique parasite qui se développe entre l'élément élastique et la partie en silicium du substrat est très nettement inférieure à la capacité électrique du détecteur. De plus, cette capacité parasite est très peu dépendante de la température. Un deuxième avantage de l'invention est que l'on obtient une structure qui est hermétiquement fermée et dont les déformations, consécu- tives aux variations de température, sont faibles. Par ailleurs, la structure obtenue grâce à l'invention se caracté- rise en ce que la distance de quelques microns, qui sépare les plaques de condensateur, est déterminée à partir de l'élément élastique, avec comme résultat avantageux la possibilité de réaliser un dimensionnement très précis. Il est encore à noter, à titre de caractéristique de la structure de condensateur conforme à l'invention, le fait que la plaque de condensa- teur la plus proche du substrat est électriquement positionnée à l'extérieur de la cavité renfermant le vide, sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre une quelconque opération supplémentaire. Enfin, un autre avantage de la structure de détecteur obtenue grâce à l'invention est qu'elle est bien adaptée pour une production en grandes séries. Un mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit plus en détails, mais uniquement à titre d'exemple non- limitatif, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe transversaled'un substrat nu réalisé en un matériau conducteur usinable; - la figure 2 représente une structure selon la figure 1, sur laquelle une couche de matière isolante a été moulée. - la figure 3 représente la structure de la figure 2 après que sa face supérieure a été rectifiée sous la forme d'une surface plane; - la figure 4 représente une structure conforme à la figure 3, sur laquelle une capsule, faite en un matériau usinable, a été fixée par une liaison étanche; et - la figure 5 représente une structure conforme à la figure 3, à travers la partie entièrement conductrice de laquelle a été usiné un perçage mécanique la traversant de part en part. La partie en silicium 1 du substrat est constituée par un disque de silicium présentant typiquement une épaisseur d'environ 1,3 mm. Les autres dimensions typiques sont approximativement de 5 x 6 mm. Le renfon- cement 5 est réalisé par mise en oeuvre d'une technique connue de micro- usinage de silicium et sa profondeur est d'environ 200/t-. Au centre du substrat, subsiste une zone tronconique 6 dont l'aire est d'environ 5 mm, cette zone formant l'une des plaques de condensateur du détecteur. Un él1- ment élastique 3 sensible à la pression constitue la seconde plaque de con- densateur. Cet élément élastique doit être fixé au substrat par une liaison étanche, mais il doit en même temps être isolé électriquement de ce dernier. A cette fin, une couche de verre 2 d'environ 300/,wd'épaisseur est fixée par fusion sur la partie en silicium 1, comme représenté sur la figure 2. Pour réaliser la couche 2, on choisit une qualité de verre dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du silicium. Il s'ensuit que les déformations du substrat fini, dues aux variations de température, sont réduites à un minimum. La constante diélectrique du verre ne doit pas, elle non plus, être fortement dépendante de la température. Des verres de ce type sont, par exemple, les verres7740 et 7070 de "Corning" et le verre 8248 de "Schott". Après la fusion, le verre est meulé jusqu'au niveau A de telle façon que les sommets de zones tronconiques 6 soient découverts. Après cela, la surface résultant du meulage est polie avec suffisamment de soin pour que l'élément élastique 3 puisse être fixé au verre 2', par exemple par une liaison anodique. Des contacts électriques sont réalisés sur l'élé- ment élastique 3 et sur le substrat 1,2' par mise en oeuvre de procédés connus. L'invention est parfaitement bien adaptée pour être mise en pratique dans un détecteur de pression absolue, mais aussi dans un détecteur de pression différentielle si un trou 4 est réalisé dans le substrat de la manière représentée sur la figure 5. Les substrats 1,2' peuvent être obtenus par un découpage à la scie dans une plaque de grandes dimensions fabriquée de la manière décrite ci- dessus et présentant un diamètre de 7,6 cm par exemple. Les zones en sili- cium de la surface polie A peuvent être pourvues d'un revêtement métallique par des procédés connus, en vue de la fixation, en des emplacements appro- priés, de conducteurs électriques extérieurs. Le trou 4 peutêtre formé par une attaque chimique réalisée depuis le bas, ou le haut et son dia- mètre peut être de 10 à 300,k suivant les besoins, tandis que les dimen- sions de la surface supérieure de la partie tronconique 6 sont, dans l'exemple représenté, d'environ 2 mm x 2 mm. Les matériaux constitutifs du détecteur selon l'invention sont de préférence le silicium et le verre de borosilicate. Ce détecteur est cons- truit de telle façon que les plaques de condensateur sensibles à la pres- sion soient placées à l'intérieur d'une capsule à vide pour ne pas être en contact avec le milieu soumis à la mesure. Grâce à la structure du substrat, la capacité électrique développée entre les plaques de condensateur à l'intérieur de la capsule à vide, peut être mesurée depuis l'extérieur du détecteur. Ainsi, la dépendance vis-à- vis de la température de la capacité électrique du détecteur peut être fortement réduite. Tout en restant dans le cadre de la présente invention, il est également possible de concevoir des modes de réalisation différents de celui qui a été décrit ci-dessus. C'est ainsi que, si le besoin s'en fait sentir, une couche isolante (non représentée) peut être formée sur le subs- trat, par une pulvérisation, un dépôt ou un autre moyen, afin d'empêcher des réactionschimiques indésirables entre la matière à mouler et le substrat. Un résultat de telles réactions est, par exemple, l'apparition de bulles dans la matière à mouler. La couche isolante peut être par exemple une couche de SiO2 ou de Si3N4 présentant une épaisseur de 10 à 100 nm par exemple. Cette couche est bien entendu éliminée par meulage aux emplace- ments correspondant au passage direct pour le courant électrique. REVENDICATIONS 1. Détecteur de pression capacitif comprenant: - un substrat (1) constitué en un matériau conducteur de l'électri- cité et présentant une face supérieure qui inclut une première plaque de condensateur en forme de disque (6'); - une couche d'isolation électrique (2') présentant une face su- périeure et entourant la première plaque de condensateur en forme de disque; et - un élément élastique conducteur de l'électricité en forme de plaque (3), qui est fixé, par une liaison étanche, à la face supérieure de la couche d'isolation électrique (2') et qui inclut une deuxième plaque de condensateur en forme de disque délimitant une cavité avec la première plaque de condensateur en forme de disque (6'), caractérisé en ce que la couche d'isolation électrique (2') est formée dans un premier renfoncement (5) ménagé dans le substrat (1), de telle façon que les faces supérieures du substrat (1) et de la couche d'isolation (2') s'étendent sensiblement dans un même plan et en ce que ladite cavité est constituée essentiellement par un deuxième renfoncement ménagé dans la face de l'élément en forme de plaque (3) qui est tournée vers la première plaque de condensateur en forme de disque (6'). 2. Procédé pour fabriquer un détecteur de pression capacitif com- portant un substrat (1) conducteur de l'électricité, un élément en forme de plaque (3) également conducteur de l'électricité et disposé à distance du substrat, et une couche d'isolation électrique (2') réunissant l'un à l'autre le substrat (1) et l'élément (3), en réalisant une liaison étanche entre eux, de sorte qu'une cavité de condensateur est formée entre le substrat (1) et l'élément (3), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: - à usiner au moinsun renfoncement (5) dans l'une des faces du substrat (1); - à appliquer une couche (2) de matière électriquement isolante à l'état fondu sur la face usinée du substrat (1), de telle façon que la- dite couche (2) recouvre la face usinée du substrat; - à laisser durcir ladite couche (2); et* - à enlever de la matière de la surface de la structure produite. de cette façon, pour obtenir une surface sensiblement plane, avec au moins une partie conductrice tronconique (6) du substrat (1) entourée par au moins une partie de la couche d'isolation (2'). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme substrat (1) destiné à être usiné, un substrat en silicium. 4; Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise du verre en tant que matière isolante (2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, carac- térisé en ce que l'on moule la couche (2) de matière isolante sur la face usinée du substrat (1). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, carac- térisé en ce que l'on fond la couche (2) de matière isolante sur la face usinée du substrat (1). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, earac- térisé en ce que l'on recouvre complètement le substrat (1) de la couche (2) de matière isolante. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que l'on usine, par exemple par une attaque chimique, un per- çage mécanique transversal (4) à travers la partie tronconique (6v).