Brevet FR2594546A1 — publié le 19870821

Dispositif de mesure de la température du diaphragme d'un capteur de pression La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure de la température du diaphragme plan déformable d'un capteur de pression, ce diaphragme étant réalisé en un monocristal de semi-conducteur qui cristallise dans le système cubique (tel que le silicium et le germanium) et comportant, outre au moins un élément sensible aux déformations du diaphragme causées par les variations de pression qu'il subit, un élément sensible à la température, formé par une portion linéaire dudit monocristal isolée électriquement de oelui-ci, lequel lui sert de substrat; ce dernier élément, orienté sur la surface du diaphragme de façon à être peu sensible aux contraintes de pression qui lui sont appliquées, fournit, par la valeur de sa résistance électrique longitudinale, une mesure de la température du diaphragme permettant d'effectuer une compensation de l'influence de la température sur l'élément ou les éléments de mesure de pression que comporte le diaphragme, par exemple sous la forme décrite ci-dessus d'une portion linéaire isolée du monocristal de semiconducteur. Un tel élément résistif de mesure de température est naturellement sensible non seulement aux variations de température du diaphragme, mais aux contraintes mécaniques qu'il subit lorsque celui-ci se déforme sous l'effet d'une variation de pression. L'invention a pour but de permettre, à l'aide d'un tel élément, une mesure précise de la température du diaphragme grâce à laquelle pourra être effectuée une correction de la mesure de pression pour en éliminer l'influence de la température. A cet effet, selon l'invention, l'élément de mesure de la température est un élément rectiligne très petit, disposé en un point déterminé de coordonnées x, y par rapport à des axes de référence Ox, Oy portés par cette surface, laxe Oy étant parallèle à la direction longitudinale de l'élément, de sorte que la variation relative de la résistance R de eet élément en fonction des contraintes mécaniques qu'il subit peut s'écrire AR/R S r, aX + sy C" - 7rz p où a x' a et p sont des composantes de contrainte suivant les axes Ox, Oy et suivant un axe Oz perpendiculaire aux précédents, et oxt sy et sz sont les constantes piézo-résistives de l'élément suivant les axes Ox, Oy et Oz. La position sur le diaphragme du point ou est placé l'élément de mesure de la température et l'orientation de ce dernier par rapport aux axes Ou, v, w du système cristallin du semi-conducteur sont alors choisies, compte tenu de l'orientation cristallographique du plan du diaphragme, de manière à minimiser la quantité BRIS. L'invention permet ainsi une mesure de température directement sur le diaphragme déformable; cette mesure fournit donc la température exacte de l'élément ou des éléments de mesure de pression que le diaphragme comporte, sans que les déformations de celui-ci dues aux variations de pression perturbent la mesure de température. La mesure de pression peut ainsi être corrigée de l'effet de la température d'une manière très précise. En outre, lorsque les éléments de mesure de pression et de température ont une structure identique, ils présentent la même réponse aux variations de température du diaphragme, ce qui facilite l'obtention d'une exacte compensation de l'effet de température sur l'élément ou les éléments de mesure de pression.Par ailleurs, en assurant une excellente compensation en température des valeurs de pression mesurées, l'invention permet de pleinement bénéficier de la gamme étendue de température de fonctionnement qu'offrent les éléments piézorésistifs isolés électriquement du substrat par une barrière non conductrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. La figure 1 représente schématiquement, en perspective, un capteur de pression à diaphragme déformable doté de deux éléments piézo-résistifs destinés respectivement à la mesure de la pression que subit le diaphragme et à la mesure de la température de ce dernier. La figure 2 représente une coupe par un plan radial du capteur de la figure 1. Les figures 3 à 8 illustrent schématiquement, en plan, différentes dispositions de l'élément de mesure de température sur le diaphragme, celui-ci ayant un contour circulaire. Les figures 9 à 13, correspondant respectivement aux figures 3 à 5, 7 et 8, sont relatives à un diaphragme carré. On voit sur les figures 1 et 2 un capteur de pression comprenant un diaphragme plan 1, d'épaisseur h, fixé par un rebord épaissi 2 à une embase 3. Sous l'action d'une pression exercée sur sa face supérieure, le diaphragme 1 se déforme en prenant une configuration bombée 1'. Le diaphragme 1, réalisé en un monocristal de silicium, comporte au moins un élément piézrésistif 5 de faibles dimensions, situé en un point P de sa surface. Cet élément, de forme oblongue, est réalisé au sein même du monocristal du diaphragme 5, dont il est toutefois isolé électriquement soit par un dopage différent (élément dopé P avec un substrat de type N par exemple), soit par une barrière isolante, par exemple en silice, s'étendant sur toute cette interface (cf la demande de brevet anglais No 85/17 813). Lorsque le diaphragme 1 se déforme, l'élément 5 est soumis à des contraintes mécaniques qui font varier sa résistance, laquelle est mesurée par injection d'un courant électrique i à l'aide de deux électrodes 6 connectées à ses extrémités. De cette mesure est déduite la différence de pression appliquée au diaphragme 1. Généralement, le diaphragme comporte quatre éléments de mesure de pression 5, qui sont connectées en pont de Wheatstone dans un circuit électrique extérieur (cf brevet français No 82/18 540). La mesure de pression ainsi effectuée est entachée d'erreurs en raison des variations de résistance de l'élément 5 en fonction de la température. Afin de permettre la prise en compte de ce paramètre, le diaphragme est doté d'un élément 7 semblable à l'élément 5, disposé de façon à être peu influencé par les contraintes mécaniques dues aux déformations du diaphragme. La connaissance de la température du diaphragme fournie par l'élément 7 rend possible une correction précise de l'effet de température affectant la mesure de pression. L'élément 7 présente de très petites dimensions par rapport à celles du diaphragme 1. Pour fixer les idées, sa longueur doit être inférieure au dixième du diamètre 2r de ce dernier, supposé circulaire. A titre d'exemple, on peut utiliser un élément de dimensions 100 Pm x 15 P.m x 0,5 Pm (longueur x largeur x épaisseur) sur un diaphragme dont le diamètre est de l'ordre de quelques millimètres. Ledit élément est placé en un point T de la surface du diaphragme, de coordonnées x, y dans un système d'axes rectangulaires Ox, Oy situés dans le plan de cette surface, l'axe Oy étant parallèle à la direction longitudinale de l'élément, c'est-à-dire à la direction du courant i qui le traverse via ses électrodes 8. En cas de déformation du diaphragme 1, l'élément 7 est soumis à des composantes de contrainte o,et suivant lesdits axes, et p suivant un axe Oz perpendiculaire à ces derniers, donc au plan du diaphragme. I1 en résulte une variation "R de la résistance R de l'élément 7, donnée par la relation AR/R = sx #x + Try ay - rz p (1) où ry est la constante piézo-résistive longitudinale et x et vz sont les constantes piézcrésistives transversales dudit élément. L'élément 7 étant de dimension réduite, on peut considérer que les deux composantes du tenseur des contraintes ax et ay sont uniformes sur toute la surface dudit élément. Afin de rendre la résistance R de l'élément pratiquement indépendante des contraintes mécaniques, donc dépendant seulement de la température, la quantité 4R/R est minimisée grâce à un choix judicieux de la position de l'élément sur le diaphragme 1 et de son orientation par rapport aux directions cristallographiques du monocristal qui le constitue, notées , et et formant un trièdre trirectangle Ou, v, w. La figure 3 est relative au cas d'un diaphragme 1 en silicium de type P, de contour circulaire, situé dans le plan cristallographique (100), c'est-àdire le plan perpendiculaire à l'axe Ou du monocristal de direction , et contenant les axes Ov et Ow, de directions respectives et . L'axe Oy, qui définit l'orientation longitudinale de l'élément 7, est choisi parallèle à l'une ou à l'autre des bissectrices desdits axes Ov, Ow, les directions de celles-ci étant et . Ainsi, l'élément peut être placé suivant deux orientations perpendiculaires, comme il est indiqué en 7a, 7b. Dans ces conditions, les coefficients #x, 1Iy et 712 de l'expression (1) donnant la variation relative de la résistance R de l'élément de mesure de température ont pour valeur = = - #44 / 2 + (#12 + #11) / 2 #y = #44 / 2 + (s12 + s11) / 2 z = #12 , #11, #12et #44 étant les trois coefficients indépendants qui suffisent pour exprimer le tenseur du quatrième ordre de piézo-résistivité d'un élément cristallisant dans le système cubique (cas du silicium). Etant donné que, pour le silicium P, on a #11 #x # - #44 / 2 #y # #44 / 2 #z Par suite, l'orientation donnée à l'élément 7 conduit à des valeurs de et sensiblement égales et opposées et à une valeur très faible pour tz. I1 en résulte que lorsque l'élément est placé au centre 0 du diaphragme 1, ou en un point quelconque T des axes Ov, Ow, bissectrices des axes Ox, Oy, où #x = ay, la somme des deux premiers termes de l'expression (1) est sensiblement nulle, ainsi que le troisième terme. Donc AR / R - O ce qui signifie que la résistance R de l'élément 7 est pratiquement insensible aux contraintes mécaniques dont celui-ci est l'objet. Outre le point 0, la meilleure position du point T sur lesdites bissectrices est à leur intersection avec le cercle d'inflexion C du diaphragme. Ce cercle de rayon r, situé dans le plan du diaphragme et centré en 0, est le lieu des points de celui-ci où, lorsqu'il se déforme, il n'y a sensiblement dans ledit plan ni élongation, ni contraction, de sorte que au et oy y ont des valeurs très faibles. Ainsi, le choix du point T sur le cercle C conduit à une nouvelle diminution de la somme des deux premiers termes de 1' expression (1). Le diaphragme 1 étant encastré sur son pourtour par son rebord périphérique épaissi 2 fixé à l'embase 3, la valeur du rayon r du cercle d'inflexion, rapporté au rayon a du diaphragme 1, peut être déduite du tableau suivant en fonction de l'épaisseur h de ce dernier h/a h/a = 0,05 r/a = 0,60 h/a = 0,15 r/a = 0,67 h/a = 0,30 r/a = 0,72 De la même manière, lorsque le diaphragme est réalisé en silicium de type N et est taillé dans le plan (111), les axes Ox, 0y étant choisis parallèles aux directions et (figure 4), on obtient Trx ( 11 + 5 n 12 44) / 6 #y = (#11 + #12 + 44) I 2 #z = 11 + 2 12 - n44) / 3. Or, pour le silicium N, n - 2 12 (3a) #44 #11 (3b) D'où #x # + #11 / 4 #y # - n11 / 4 0 n11 Ici encore, on obtient la quasi-annulation du troisième terme et de la somme des deux premiers termes de l'expression (1). L'élément 7 pourra donc être disposé, comme représenté sur la figure 4, suivant deux orientations perpendiculaires et , en un point des bissectrices de ces directions, de préférence au centre 0 du diaphragme ou en un point T du cercle d'inflexion C. La figure 5 représente un diaphragme 1 en silicium P, situé dans un plan (Oab) du monocristal, a et b étant des entiers, ctest-à-dire un plan auquel appartient l'axe Ou de direction . L'élément 7 de mesure de température est disposé dans ce cas parallèlement audit axe. Avec ces hypothèses, on trouve nx = 12 = = 711 rz = 12 112 Or, on a vu que, pour le silicium P, les coefficients 811 et 312 sont très inférieurs à r44 (équations 2a et 2b). L'expression (1) est donc minimisée par réduction de la valeur de chacun des coefficients de ses trois termes, pris individuellement. Cette réduction est encore accentuée si l'on place l'élément 7 sur le cercle d'inflexion C. La figure 6 montre un cas particulier intéressant de la disposition précédente, correspondant à a = b = 1. Le diaphragme est donc dans le plan (011) d'un monocristal de silicium P. Dans cet exemple, l'élément 7 est placé sur le cercle d'inflexion C, tandis que les éléments 6 de mesure de pression, au nombre de quatre, sont placés en des points P proches du contour du diaphragme, situés aux sommets d'un carré dont l'une des diagonales est parallèle à la direction , avec une orientation parallèle à cette même diection (pour une sensibilité optimale aux variations de pression). Sur les figures 7 et 8 est représenté un diaphragme circulaire 1 réalisé dans un monocristal de silicium N. l'élément de mesure de température 7 est placé en un point T du cercle d'inflexion C, et est orienté dans la direction . cette disposition est applicable à un diaphragme de plan (011) (figure 7) o-u de plan (112) (figure 8). Les figures 9 à 13 représentent les solutions relatives à un diaphragme 1 de contour carré. Ce sont les mêmes que celles du diaphragme circulaire précédemment considéré, à cette différence près que les points du cercle d'inflexion C sont maintenant remplacés par quatre points situés sur les diagonales dudit contour carré, à une distance d du centre O d = 0,45 Q, Q étant la longueur du côté du contour. Dans les cas correspondant aux figures 9 et 10 diaphragmes en silicium respectivement de type P dans le plan (100) et de type N dans le plan (111) -, les côtés du carré sont parallèles aux axes Ox, Oy définissant les orientations perpendiculaires wa, 7b que 1 'on peut donner à l'élément de mesure de température 7. Les quatre points T de positionnement dudit élément ont alors pour coordonnées dans ce système de référence Ox, oy: XT = t 0,32 Q YT = + 0,32 l (tandis que le centre O a pour coordonnées x = O, y = O). Sur la figure 9 ont été représentés les quatre éléments 5 de mesure de pression, disposés en des points P proches du contour du diaphragme, sur les axes Ox et Oy de directions et , et orientés parallèlement à cette dernière direction. Dans les exemples des figures ll à 13, les côtés du carré délimitant le diaphrame 1 sont parallèles aux bissectrices des axes Ox, Cy, avec lesquels coincident les diagonales du carré. Dans le cas illustré à la figure 11, une solution intéressante est, comme dans le cas correspondant à la figure 5, obtenue en donnant à a et b la valeur 1. On remarquera que, dans un cristal appartenant au système cubique, il y a équivalence de propriétés pour des directions dérivées l'une de l'autre par changement du signe de l'un ou de plusieurs de leurs cosinus directeurs ou par permutation de ces derniers. Ainsi, les direction , et sont équivalentes. En conséquence, chacune des directions cristallographiques mentionnées dans la présente description peut être remplacée par une direction équivalente sans sortir du cadre de l'invention, à condition de faire subir la même transformation (permutation ou changement de signe) à toutes les directions caractérisant chaque solution particulière considérée. L'invention peut également être mise en oeuvre avec d'autres matériaux semi-conducteurs que le silicium, pourvu qu'ils présentent la symétrie cristallographique cubique comme ce dernier corps. Plus précisément, si les coefficientsn11 ,r2 et744 d'un tel semi-conducteur satisfont aux conditions (2a), (2b) ou (3a), (3b), les solutions décrites en correspondance restent valables pour celui-ci. Ainsi, étant donné que le germanium P e t le germanium N ont des coefficients qui satisfont aux conditions (2a), (2b), le germanium de l'un ou l'autre type peut remplacer le silicium P dans les solutions illustrées aux figures 3, 5, 6, 9 et 11. I1 est précisé que, dans tous les cas, l'élément 7 de mesure de température peut avantageusement être placé au centre O du diaphragme 1. Revendications 1. Dispositif de mesure de la température du diaphragme plan déformable d'un capteur de pression, ce diaphragme étant réalisé en un monocristal de semi-conducteur qui cristallise dans le système cubique et comportant, outre au moins un élément sensible aux déformations du diaphragme causées par les variations de pression qu'il subit, un élément sensible à la température, formé par une portion linéaire dudit monocristal isolée électriquement de celui-ci, lequel lui sert de substrat, ce dernier élément, orienté sur la surface du diaphragme de façon à être peu sensible aux contraintes de pression qui lui sont appliquées, fournissant, par la valeur de sa résistance électrique longitudinale, une mesure de la température du diaphragme, caractérisé par le fait que l'élément (7) de mesure de la température est un élément rectiligne très petit, disposé en un point (T). déterminé de coordonnées x, y par rapport à des axes de référence Ox, Oy portés par cette surface l'axe Oy étant parallèle à la direction longitudinale de l'élément (7), de sorte que la variation relative de la résistance R de cet élément en fonction des contraintes mécaniques qu'il subit peut s'écrire = = x x + y ~y~ z P où sx a et p sont des composantes de contrainte suivant y les axes Ox, Oy et suivant un axe Oz perpendiculaire aux précédents, et , ryet ezsont les constantes piézo-résistives de l'élément suivant les axes Ox, Oy et Oz, et que la position sur le diaphragme (1) du point (T) ou est placé l'élément (7) de mesure de la température et l'orientation de ce dernier par rapport aux axes Ou, v, w du système cristallin du semi-conducteur sont choisies, compte tenu de l'orientation cristallographique du plan du diaphragme, de manière à minimiser la quantité AR/R. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le semiconducteur de l'élément (7) de mesure de température est du type P, que le diaphragme (1) est réalisé dans le plan (100) du cristal, que l'axe Oy est parallèle à l'une des deux directions cristallographiques et et , des directions susdites. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le semi-conducteur de l'élément (7) de mesure de température est du type N, que le diaphragme (1) est réalisé dans le plan (111) du cristal, que l'axe Oy est parallèle à l'une des deux directions cristallographiques . et et que le point (T) ou est placé ledit élément (7) est choisi sur les bissectrices des directions susdites. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le semi-conducteur de l'élément de mesure de température est du type P, que le diaphragme (1) est réalisé dans un plan (Oab) du cristal . 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les entiers a et b sont égaux à 1. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le semiconducteur de l'élément (7) de mesure de température est du type N, que le diaphragme (1) est réalisé dans le plan (011) ou le plan (112) du cristal, et que l'axe Oy est parallèle à la direction cristallographique . 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le contour du diaphragme (1) a une forme géométrique admettant un centre 0, telle qu'une forme circulaire ou carrée, et que le point (T) où est placé l'élément (7) de mesure de température est confondu avec ledit centre. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le diaphragme (1) présente un contour circulaire de rayon a et de centre O et est monté par liaison d'encastrement sur son pourtour, et qúe le point (T) où est placé l'élément (7) de mesure de température est choisi sur son cercle d'inflexion (C), c'est-à-dire le cercle de centre O et de rayon r égal à environ 0,65 a. 9. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le diaphragme (1) présente un contour carré de côté t et de centre 0, ses côtés étant parallèles aux axes Ox, Oy, et est monté par liaison d'encastrement sur son pourtour, et que le point (T) où est placé l'élément (7) de mesure de température est choisi sur l'une de ses diagonales, à une distance d= 0,4si du centre 0. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que le diaphragme (1) présente un contour carré de côté Q et de centre 0, ses côtés étant parallèles aux bissectrices des axes Ox, Oy, et est monté par liaison d'encastrement sur son pourtour, et que le point (T) ou est placé l'élément (7) de mesure de température est choisi sur l'une de ses diagonales, à une distance d = 0,45 i du centre 0.