Brevet FR2571855A1 — publié le 19860418

Transducteur de pression absolue L'invention concerne un transducteur capacitif de pres- sion absolue, du type comportant une plaque de base constituée en un matériau isolant, par exemple du verre, une électrode fi5 xe de condensateur disposée sur la plaque de base, un diaphragme formant l'électrode mobile du condensateur et constitué en si- licium et qui est au moins partiellement aligné avec l'électro- de fixe du condensateur et qui est distante de cette dernière de telle sorte qu'une chambre fermée de façon hermétique est 10 formée entre l'électrode fixe et l'électrode en forme de dia- phragme mobile, et des contacts électriques fixés respective- ment à l'électrode fixe et à l'électrode en forme de diaphragme mobile. En ce qui concerne la technologie de l'art antérieur, 15 on se réfère aux publications suivantes : (1) C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-27 (1980) N 5 pp. 927...930 (2) Publication du brevet US 4.261.086 (3) Publication du brevet US 4 386 453 20 (4) Publication du brevet US 4 384 899 (5) Publication du brevet US 4 405 970 (6) Publication du brevet US 3 397 278 (7) K.E. Bean, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-25 (1978) n 10 pp. 1185...1193 25 La publication (1) concerne un transducteur capacitif de pression absolue, qui comporte un organe élastique réalisé en silicium et un substrat en verre,réunisen utilisant le pro- cédé décrit dans le document (6). L'espace subsistant entre l'or- gane élastique et le substrat en verre agit en tant que chambre 30 à vide du transducteur. Une capacité sensible à la pression est formée entre l'organe élastique etlapelicule métallique sur le substrat en verre. Le raccord électrique à la pellicule mé- tallique située sur le substrat en verre est formé par un con- ducteur diffusé déposé sur le silicium, moyennant l'utilisation 35 d'un matériau possédant un type de conduction différent. L'incon- 2 vénient majeur,qui dépend fortement de la température,du transduc- teur est la capacité élevée de la région d'appauvrissement,qui est branchée en parallèle avec la capacité sensible à la pression du transducteur. Ceci réduit la plage dynamique relative du trans- 5 ducteur et accroît sa dépendance vis-à-vis de la température. Les documents (2), (3) et (4) décrivent une autre forme de réalisation d'un transducteur de pression, analogue dans son principe à celle décrite ci-dessus. Le passage ou la traversée du conducteur est différente. Cette traversée est réalisée au mo- 10 yen d'un trou percé dans le substrat en verre, métallisé intérieurement et fermé d'une manière hermétique grâce à un remplis- sage avec un métal fondu (soudure). La traversée ne présente au- cune capacité parasite. Cependant l'étanchéité des trous dans la fabrication en grande série pose quelques problèmes. 15 Le document (5) décrit un transducteur dans lequel le substrat en silicium et l'organe élastique sont fixés à une pel- licule de verre mince fabriquée par pulvérisation ou par dépôt par évaporation sous vide. L'épaisseur de la pellicule de verre règle également l'espace existant entre les électrodes du con- 20 densateur. L'avantage de cette construction réside dans le fait que le matériau de fabrication est presque entièrement du sili- cium. Ceci garantit de bonnes caractéristiques de stabilité en température. Mais les capacités parasites associées au joint en verre altèrent la performance du transducteur. Dans le cas des 25 systèmes indiqués ci-dessus, l'épaisseur du substrat en verre peut être égale au maximum à 10 pm, ce qui correspond du point de vue de sa capacité à un condensateur diélectrique à air pos- sédant un écartement de 2 pm entre les électrodes. Par conséquent la surface d'étanchéité est prédominante pour la capacité du 30 transducteur sauf si la surface de ce dernier est très importante. Le document (5) décrit également une construction dans laquelle une paroi en verre élevée sépare les deux composants en silicium mentionnés ci-dessus. Cet agencement évite le problème de la capacité parasite. D'autre part les tolérances dimension- 35 nelles concernant l'interstice d'air du condensateur sont faibles. 3 En ce qui concerne le procédé de fixation du silicium et des éléments en verre, on se reportera au document (6). La technologie de l'art antérieur utilisée pour la fabrication de l'organe élastique est décrite dans le document (7). 5 Le but de la présente invention est de résoudre les inconvénients rencontrés dans la technologie de l'art antérieur et décrits ci-dessus et de fournir un nouveau type de transducteurs capacitifs de pression absolue. On utilise de préférence du si- licium et du verre au borosilicate en tant que matériaux de fa- 10 brication du transducteur. La construction du transducteur est telle que les électrodes du condensateur sensible à la pression sont incorporées dans une chambre à vide, qui est protégée de tout contact avec le milieu produisant le signal de pression. Cette construction permet de mesurer la capacité entre les pla- 15 ques du condensateur à l'intérieur de la chambre à vide, de l'ex- térieur du transducteur. Le transducteur conforme à l'invention est basé sur les idées suivantes : - Dans un transducteur de pression capacitif, la capacité sensi- 20 ble à la pression est formée entre un organe élastique, réali- sé en silicium, et une pellicule métallique située sur un substrat. - L'espace compris entre les plaques du condensateur sensible à la pression est formé par une fosse ou une cavité réalisée soit 25 dans l'organe élastique, soit dans le substrat. - Une chambre est formée entre le substrat et l'organe élastique et est remplie lors de la phase d'étanchéité avec une pression ou un vide de référence désiré, le condensateur sensible à la pression étant formé à l'intérieur de cette chambre. 30 - Le substrat est réalisé grâce au dépôt l'une sur l'autre d'une plaque de verre mince et d'une pastille en silicium plus épaisse. La partie en forme de plaque de verre du substrat comporte, à l'lntérieur de la zone de la chambre à vide, une cavité ou un trcu qui traverse la plaque de verre et qui est recouvert au 35 moins en partie par la pellicule métallique constituant l'au- 4 tre électrode du condensateur, ou bien par son prolongement, de sorte que la pellicule métallique mentionnée précédemment forme un contact électrique avec la partie en silicium du subs- trat, par l'intermédiaire de la cavité ou du trou mentionné 5 précédemment. - Une pellicule métallique est formée sur le substrat sous la forme d'un anneau fermé ou d'une structure semblable presque fermée qui sépare l'organe élastique situé sur le substrat et les zones associées à cet organe sur le substrat, des zones con- 10 ductrices situées sur le substrat, qui sont en contact avec la partie formant plaque de verre du substrat. - Le diaphragme en silicium de l'organe élastique, qui estfléchi par le signal de pression appliqué, possède la forme d'un an- neau et la structure de silicium subsistant à l'intérieur de 15 l'anneau possède essentiellement la même épaisseur que la pas- tille de silicium utilisée dans le processus et est au moins cinq fois plus épaisse que la partie en forme de diaphragme en silicium souple. De façon plus spécifique le transducteur de pression con- 20 forme à la présente invention est caractérisé en ce que la plaque de base est reliée à une pastille constituée en un matériau conducteur de manière à former un substrat stratifié, l'électro- de en forme de diaphragme du condensateur est essentiellement une structure intégrée munie d'une partie enveloppante en forme d'an- 25 neau, nettement plus épaisse, et la voie électrique aboutissant à l'électrode fixe du condensateur dans la zone de la chambre à vide est formée au moyen d'une traversée pénétrant dans la pla- que de base pour aboutir à la pastille conductrice. Grâce à la présente invention, on obtient des avantages 30 considérables. Ainsi le contact électrique avec la plaque du condensateur à l'intérieur de la chambre à vide est tel que les avan- tages suivants sont évités : - jonction pn parasite (voir référence (1)), remplissage difficile de trous (documents (2), (3), (4) et (5)), 35 capacité en parallèle élevée établie par l'intermédiaire de la 5 surface de contact (document (5)), et - problèmes liés à l'existence de coefficients de dilatation ther- mique différents des matériaux étant donné que le substrat est presque entièrement constitué par le même matériau que l'orga- 5 ne élastique (voir les documents (1)...(4)). La construction de l'organe élastique fournit les carac- téristiques suivantes : - sensibilité élevée, - bonne linéarité I/C, et 10 - absence de contrainte de flexion, dépendant de la température, étant donné que la partie centrale de l'organe peut être agen- cée en étant suffisamment épaisse et rigide par rapport & la partie flexible. Par conséquent les zones fabriquées en utilisant une 15 pellicule métallique fournissent les avantages suivants : - impossibilité que des courants de fuite superficiels sur la plaque de verre influencent les résultats de mesure (les cou- rants de fuite posent un problème en particulier dans le cas o l'humidité relative de l'environnnantdépasse 50 %), et 20 - possibilité de disposer tous les conducteurs du transducteur dans le même plan, sur une surface. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 25 - les figures 1A et lB représentent respectivement une vue en coupe en élévation latérale et une vue en coupe en plan d'une forme de réalisation du transducteur conforme à la présente invention ; - la figure 2 représente une vue en élévation latérale 30 en coupe d'une autre forme de réalisation du transducteur con- forme à l'invention ; - la figure 3 représente une vue en élévation latérale en coupe d'une troisième forme de réalisation du transducteur con- forme à l'invention ; 35 - les figures 4A et 4B représentent respectivement une 6 vue en plan et une vue en élévation latérale en coupe d'une qua- trième forme de réalisation du transducteur conforme à la pré- sente invention ; - la figure 5 représente une vue en élévation latérale 5 en coupe d'une cinquième forme de réalisation du transducteur con- forme à l'invention ; et - la figure 6 représente une vue en élévation latérale en coupe d'une sixième forme de réalisation du transducteur con- forme à l'invention. 10 Le transducteur conforme aux figures lA et lB comporte deux éléments de base : un organe élastique 1 et un substrat 2. L'organe élastique 1 est réalisé au moyen de procédés chimiques (document (7)) à partir d'une pastille de silicium, qui est découpée conformément au plan l100 à partir d'un monocris- 15 tal de silicium. On fait subir une attaque chimique à la pastil- le de silicium 1 au niveau de ses deux faces de manière à former des cavités 3 et 4, qui sont entourées par une partie en forme d'anneau 18. La cavité 3 possède une profondeur comprise entre 1...10 pm, ce qui forme un interstice d'air et une chambre à vi- 20 de pour un condensateur sensible à la pression. La cavité 4, qui est aménagée par attaque chimique sur l'autre face de la pastil- le de silicium, est de façon typique beaucoup plus profonde (200 ... 400 um). Dans des cas particuliers (pour la mesure d'une pres- sion extrêmement élevée), la cavité 4 peut être plus mince ou 25 être supprimée. Entre les cavités 3 et 4 il subsiste, lors du pro- cessus, un diaphragme en silicium 5 qui possède une épaisseur comprise entre 10 et 400 um, conformément à la gamme de pression dé- tectée par le transducteur. Le diaphragme en silicium 1 fléchit lorsqu'une différence de pression existe entre les deux faces. 30 Les dimensions de l'organe élastique sont comprises de préférence entre 2 x 2 ... 10 mm2. L'organe élastique 1 est fixé au substrat 2 sur la face comportant la cavité 3, moyennant l'utilisation d'un procédé dé- crit dans le document (6). La liaison est située dans une zone 35 d'étanchéité 6 qui étanchéifie une chambre hermétique 7 définie 7 par la cavité 3 et par le substrat 2. Si les éléments sont réu- nis sous vide, la chambre 7 forme la chambre à vide du transduc- teur et ce dernier fonctionne à la manière d'un transducteur de pression absolue. 5 Le substrat 2 est réalisé par dépôt superposé d'une pas- tille de silicium 8 et d'une plaque de verre 9. L'épaisseur uti- lisée de préférence est comprise entre 300 et 1000 pum pour la pastille de silicium et entre 100 et 500 pm pour la plaque de verre. La pastille 8 et la plaque 9 sont réunies l'une à l'autre 10 moyennant l'utilisation du procédé électrostatique décrit dans le document (6). Le matériau de la plaque de verre 9 est de pré- férence un verre à base de borosilicate alcalin (du type connu dans le commerce sous les marques déposées Corning Glas 7070 et Schott 8284), qui possède un facteur de dilatation thermique pro- 15 che de celui du silicium et présente de bonnes caractéristiques électriques (coefficient de pertes faible et faible coefficient de température du matériau diélectrique). Au moins la face de la pastille de silicium tournée vers la plaque de verre possède un dopage fortement conducteur. 20 La surface du substrat 2, qui est tournée vers la pla- que de verre 9, on aménage une zone conductrice 10 constituée par une mince pellicule métallique. Cette zone est située à l'inté- rieur de la surface entourée par la zone d'étanchéité 6. Sa for- me peut être carrée, circulaire, polygonale ou analogue. Le dia- 25 mètre de la zone conductrice 10 est de façon typique compris en- tre 1 et 5 mm. La zone conductrice 10 forme l'autre électrode du condensateur sensible à la pression. La zone définie par la zone d'étanchéité 6 inclut une cavité 11, ménagée dans le substrat 2 et s'étendant à travers la 30 plaque de verre 9 jusqu'à la pastille en silicium 8. Une partie de la pellicule conductrice métallique 10 est située au-dessus de la zone de la cavité 11, en étant adaptée à la surface de cet- te dernière. A la base de la cavité 11, au niveau des points 12, la pellicule métallique 10 contacte la pellicule de silicium 8 35 de manière à former une voie électriquement conductrice. La ca- 8 vité 11 peut être aménagée par perçage, meulage, sciage, abra- sion par sablage, usinage laser, usinage mécanique ou un procédé similaire connu dans la technique. La forme de la cavité peut être circulaire/en forme de point, allongée/en forme de fente, 5 refermée en anneau, etc, et entoure de tous côtés la zone conduc- trice 10. Le diamètre ( la largeur) de cavité peut être compris entre 100 et 1000 Fm. Une zone conductrice 13 constituée par une pellicule mé- tallique mince est réalisée en partie à l'intérieur de la zone 10 d'étanchéité 6, en partie à l'extérieur de cette zone, sur la sur- face du substrat 2. La zone conductrice 13 établit un contact électrique avec l'organe élastique en silicium à l'intérieur de la zone d'étanchéité 6 sans s'étendre à travers la zone d'étan- chéité 6 jusqu'à la zone de la chambre à vide 7. La partie prin- 15 cipale de la zone conductrice 13 est située à l'extérieur de la zone d'étanchéité 6. Le conducteur servant à fixer l'électrode du transducteur au système électronique de mesure est fixé à la zone 13. Les dimensions du conducteur varient entre 0,1 x 0,1 mm2 et 2 x 22 mm2, en fonction du procédé de fixation. 20 Sur la surface du substrat 2, onfabrique également une zone conductrice 14 constituée par une pellicule métallique min- ce qui entoure, à la manière d'un anneau fermé, l'organe élas- tique 1 et la zone conductrice 13. La zone 14 comporte une par- tie élargie 14b servant à la fixation d'un conducteur de la ma- 25 nière décrite ci-dessus pour la zone 13. Le rôle de la zone con- ductrice 14 est d'empêcher qu'un courant de fuite ne circule en- tre les bornes actives du transducteur en travers de la surface et sur les bords de la plaque de verre 9 entre l'organe élastique 1 et le substrat en silicium 8. Lorsque la surface 14 est mi- 30 se à la masse, les courants de fuite sont acheminés depuis les bornes actives du transducteur jusqu'à la borne de masse. En outre une zone conductrice 15 est disposée sur la sur- face du substrat. En-dehors de la cavité mentionnée 11, la zone 15 possède une cavité 16 semblable, qui s'étend à travers la pla- 35 que de verre 9 jusqu'à atteindre la pastille de silicium 8. La 9 pellicule métallique 15 s'étend, avec une forme adaptée, sur la surface de la cavité 16 et établit un contact électrique avec la pastille de silicium 8 au niveau du point 17. Par conséquent un trajet électrique est formé entre les pellicules métalliques 10 5 et 15 par l'intermédiaire de la pastille de silicium 8. Les dé- tails de fabrication, la forme et les dimensions de la cavité 16 sont identiques à ceux décrits pour la cavité 11. La forme de la zone 15 est telle qu'elle recouvre au moins partiellement la ca- vité 16 et fournit en outre un plot servant à la fixation d'un 10 conducteur de la même-manière qu'en ce qui concerne les zones 13 et 15. Dans le cadre de l'invention, il est également possible de fabriquer d'autres formes de réalisation qui diffèrent de cel- les représentées sur les figures 1A et lB. Les figures 2, 3, 4A, 15 4B et 5 montrent de telles formes de réalisation que l'on peut envisager pour l'organe élastique (c'est-à-dire la partie flé- chie sous l'action de la pression et les structures de support qui y sont directement associées) d'un transducteur conforme à la présente invention. Les variantes 2 et 3 sont classiques en 20 ce qui concerne l'organe élastique et ont déjà été décrites dans les documents (1)...(4). Les chiffres de référence de numérota- tion des éléments sont partiellement analogues à ceux utilisés sur les figures 1A et lB. Les réalisations représentées sur les figures 4A, 4B et 25 5 sont plus complexes à fabriquer et leurs dimensionnements sont plus larges que celles des réalisations représentées-sur les figures 2 et 3. Cependant ces formes de réalisation présentent cer- tains avantages comme par exemple : sensibilité plus que doublée de la capacité à la pression, avec les mêmes dimensions de base 30 et les mêmes tolérances de fabrication, et amélioration plus que décuplée en ce qui concerne l'erreur de non linéarité, par rap- port aux réalisations représentées sur les figures 2 et 3. L'organe élastique représenté sur les figures 4A et 4B est fabriqué moyennant l'utilisation des procédés de traitement 35 chimique décrits dans le document (7) -ou moyennant l'utilisation 10 d'un procédé semblable. Le matériau de base est une pastille de silicium 1 possédant une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm. En utilisant des procédés photolithographiques, on définit une zone 19 sur la surface de cette pastille et on lui fait subir une 5 attaque chimique jusqu'à une profondeur désirée. La profondeur de la zone 19 aménagée par attaque chimique détermine l'écarte- ment des électrodes du condensateur. A nouveau en utilisant la photolithographie, on définit sur l'autre face de la pastille de silicium 1 une zone annulaire 20 à laquelle on fait également su- 10 bir une attaque chimique jusqu'à une profondeur désirée. Entre les bases des zones 19 et 20 il subsiste un diaphragme en sili- cium 21 qui possède une épaisseur égale au maximum à un cinquième de l'épaisseur du matériau de base. Le diaphragme en silicium 21 est annulaire. Au niveau de son centre il subsiste une zone 22 15 possédant une épaisseur égale à celle de la pastille en silicium 18 et la rigidité de cette zone est au moins cent fois supérieu- re à celle du diaphragme en silicium 21. La largeur de la zone 22 est de l'ordre de 0,5... 5 mm. La largeur de l'anneau 20 (dia- phragme en silicium 21) est de l'ordre de 0,2... 2 mm. Le dia- 20 phragme en silicium 21 fléchit lorsqu'une différence de pression est appliquée entre les surfaces de la pastille en silicium 1. L'élément rigide en silicium 22 ne fléchit pas mais, au lieu de cela, il se déplace sans déformation lors du fléchissement du diaphragme en silicium 21. 25 L'organe élastique représenté sur la figure 5 est d'une construction presque identique à celle de l'organe élastique représenté sur la figure 4. La seule différence réside dans le fait que la zone définissant l'interstice d'air 19 du condensateur est prévue sur la même surface de la pastille de silicium 1 que la 30 zone en forme d'anneau 20. L'autre surface du diaphragme en si- licium 21 est alors formée par la surface initiale de la pastil- le de silicium 1. La liaison de l'organe élastique au substrat 23 est réalisée à partir de la face opposée de la pastille de si- licium 1, par rapport à l'agencement représenté sur les figures 35 4A, 4B. 11 Les organes élastiques représentés sur les figures 2, 3, 4A, 4B et 5 peuvent être également fixés au substrat confor- mément à la figure 6, de telle sorte que l'espacement entre les électrodes et le condensateur est déterminé par une cavité 24 for- 5 mée par attaque chimique sur une plaque de verre 23. REVENDICATIONS .CLMF: 1. Transducteur capacitif de pression absolue, du type comportant - une plaque de base (9) constituée en un matériau isolant, par 5 exemple du verre, - une électrode fixe de condensateur (10) disposée sur la pla- que de base, - un diaphragme (5, 21) formant l'électrode mobile du condensa- teur et constitué en silicium et qui est au moins partielle- 10 ment aligné avec l'électrode fixe (10) du condensateur et qui est distante de cette dernière de telle sorte qu'une chambre (7) fermée de façon hermétique est formée entre l'électrode fixe (10) et l'électrode en forme de diaphragme mobile (5, 21), et 15 - des contacts électriques (12 et 13) fixés respectivement à l'électrode fixe (10) et à l'électrode en forme de diaphragme mobile (5), caractérisé en ce que - la plaque de base (9) est reliée à une pastille (8) consti- 20 tuée en un matériau conducteur de manière à former un subs- trat stratifié (2), - l'électrode en forme de diaphragme (5) du condensateur est essentiellement une structure intégrée munie d'une partie enve- loppante (18) en forme d'anneau, nettement plus épaisse, et 25 - la voie électrique aboutissant à l'électrode fixe (10) du con- densateur dans la zone de la chambre à vide (7) est formée au moyen d'une traversée (11, 12) pénétrant dans la plaque de ba- se (9) pour aboutir à la pastille conductrice (8). 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé 30 en ce que la pastille conductrice (8) est en silicium et est net- tement plus épaisse que la plaque de base (9). 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie en forme d'anneau (18) s'étend a partir de l'électrode en forme de diaphragme mobile (5) du condensateur 35 en direction de la plaque de base (9). 4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie en forme d'anneau (18) s'étend vers l'exté- rieur à partir de l'électrode en forme de diaphragme mobile (5) du condensateur de telle sorte que la surface extérieure de ce 5 diaphragme (5) et la surface intérieure de la partie en forme d'anneau (18) définissent un espace (4) bien conformé. 5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie en forme d'anneau (18) s'étend à la fois vers l'extérieur et vers l'intérieur à partir de l'électrode en 10 forme de diaphragme mobile (5). 6. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'électrode en forme de diaphragme mobile (21) com- porte, dans sa zone centrale, une partie rigide (22), qui est nettement plus épaisse que la partie en forme de diaphragme et 15 est entourée par une cavité annulaire (20). 7. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la plaque de base (9) tournée vers l'é- lectrode en forme de diaphragme (21) comporte une cavité (24) servant à réaliserune chambre à vide. 20 8. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la traversée prévue pour le contact électrique est un trou conique (11) qui traverse la plaque de base (9) en se ré- trécissant en direction de la pastille (8) et dont la surface est métallisée. 25 9. Transducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la métallisation de la traversée (11, 12) est réali- sée d'un seul tenant avec l'électrode fixe (10) du condensateur. 10. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électrique constitué par la traversée (11, 30 12) présente entre l'électrode fixe (10) du condensateur et la pastille (8) est complété par une autre traversée (16, 17) réa- lisée avec une surface extérieure conductrice (15) qui traverse la pastille (8) pour aboutir à la chambre à dépression (7). 11. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé 35 en ce que la surface de la pastille (8) tournée vers la plaque de base (9) possède un dopage fortement conducteur. 12. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface de la plaque de base (9) comporte une struc- ture enveloppante (14) formée d'une pellicule métallique mise 5 à la masse et qui entoure à distance la partie en forme d'an- neau (18).