Brevet FR2622975A1 — publié le 19890512

La présente invention se rapporte à un accélé- romètre capacitif en silicium, comportant - deux structures formant électrodes latérales, espacées l'une de l'autre, et parallèles, essentiellement planes comme des plaquettes, positionnées face à face et compor- tant les électrodes latérales fixes, et - une structure formant électrode centrale uniforme, essentiellement comme une plaquette, disposée entre les structures formant électrodes latérales et comportant - un élément formant corps jouxtant les structures formant électrodes latérales, et - au moins une électrode centrale, placée au voisi- nage des électrodes latérales et comprenant une section formant tige et un embout tels que la tige de l'élec- trode centrale réunit l'électrode centrale à l'élément formant corps, qui, lui-même enclôt l'électrode centrale par les côtés, et étant précisé que la section formant tige est sensiblement plus mince que l'embout. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un accéléromètre. L'accéléromètre est en fait un détecteur de force de dimension miniature, dont la principale appli- cation, est la détection d'une accélération. Le disposi- tif peut également s'utiliser pour d'autre emploi, par exemple pour la détection d'un angle- d'inclinaison. Les accéléromètres de dimension miniature connus dans l'art sont pour la plupart basés sur le principe d'un fonctionnement piézoélectrique ou piézo- résistant. Un cristal piézoélectrique crée une charge de surface dont la valeur dépend de la source appliquée à la surface. On mesure alors cette charge en utilisant un amplificateur sensible à la charge. L'impédance élevée de l'amplificateur utilisé dans la mesure rend l'amplificateur sensible à une perturbation électrosta- tique. Les charges créées sur la surface se déchargent spontanément par l'intermédiaire de courants de fuite de surface, ce qui rend impossible d'utiliser ce type d'accéléromètre pour la mesure d'accélérations statiques ou à basse fréquence. Un accéléromètre piézorésistif est typique- ment fabriqué en un matériau semi-conducteur, par exem- ple en silicium, dans lequel des résistances sont créées par diffusion dans des directions appropriées du cristal. Lorsque le cristal fléchit, les contraintes induites provoquent des changements dans les valeurs de la résis- tance, ce qui permet de détecter la valeur de la flexion. La valeur de la flexion est proportionnelle à la force appliquée et par conséquent à l'accélération. On peut fabriquer des accéléromètres piézoré- sistifs de dimension miniature, par exemple, en sili- cium en utilisant les procédés de fabrication de la microélectronique et du microusinage. Pour obtenir la sensibilité maximale, les valeurs maximales de contrainte doivent s'appliquer dans la zone des résistances. Il en résulte que le déplacement de la partie élastique devient excessivement important en amplitude par rapport à l'épaisseur de la structure; à quoi s'ajoute que les accéléromètres sensibles doivent être équipés de poids auxiliaires agissant comme masses sismiques, ou masses sensibles à l'accélération, de l'accéléromètre, du fait que le silicium par lui-même est d'une densité relative- ment faible. La fabrication des masses auxiliaires rend difficile le procédé de réalisation. En outre l'accélé- romètre piézorésistif est de loin plus sensible aux variations brutales de température que, par exemple un accéléromètre capacitif. En outre, ce que l'on appelle le facteur d'étalonnage est moindre pour l'accéléromètre piézorésistif que pour l'accéléromètre capacitif. Depuis la fin des années 1960, on a utilisé du silicium monocristallin dans la fabrication des accé- léromètres. Certaines de ces solutions sont publiées dans des articles scientifiques et certaines sont égale- ment brevetées. Des accéléromètres piézorésistifs sont décrits, entre autres, dans les publications suivantes: [1] L.M. Roylance et J.B. Angell, "A batch fabricated silicon accelerometer, /un accéléromètre en sili- cium fabriqué par lots" IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26, pages 1911...1920 (1979) [2] W. Benecke et collaborateurs, "A frequency selec- tive, piezoresistive -silicon vibration sensor/ un détecteur de vibration en silicium piézorésis- tif, sélectif à l'égard de la fréquence", Transducers '87, pages 406... 409 (1987) [3] M. Tsugai et M. Bessho, "Semiconductor accelerometer for automotive controls/accéléromètre à semi- conducteur pour commandes automobiles" Transducers '87, pages 403...405 (1987) [4] E.J. Evans, brevet US 3 478 604 (1968) [5] A.J. Yerman, brevet US 3 572 109 (1971). Les réalisations en accord avec les publications [4] et [5] concernent un accéléromètre du type "en porte- à-faux"flexible. Les accéléromètres capacitifs sont respective- ment décrits dans les publications suivantes: [6] H.W. Fischer, brevet US 3 911 738 (1975) [7] W.H. Ficken, brevet US 4 009 607 (1977) [8] F.V. Holdren et collaborateurs, brevet US 4 094 199 (1978) [9] H.E. Aine, brevet US 4 144 516 (1979) [10] K.E. Petersen et collaborateurs, brevet US 3 342 227 (1982) [11] R.F. Colton, brevet US 4 435 737 (1984) [12] F. Rudolf, brevet US 4 483 194 (1984) [13] L.B. Wilner, brevet US 4 574 327 (1986) La publication [6] décrit un accéléromètre utilisant deux capacités, sans décrire la construction physique. La publication [7] est en principe identique à la publication [6] à l'exception d'une réalisation électrique différente. La publication [8] concerne également le principe de double capacité d'un accéléromètre. La publication [9] décrit un accéléromètre micromécanique dans lequel la masse sismique est suspen- due sur des ressorts à lame. La publication [10] décrit un accéléromètre 1s du type en porte-à-faux flexible, dans lequel la poudre en porte-à-faux se déplace en plan horizontal et présente une construction électriquement non symétrique. La publication [11] se rapporte à une construc- tion annulaire. La publication [12] se rapporte à une plaquette suspendue en torsion, dans laquelle la capacité n'est placée que d'un côté de la plaquette. La publication [13] décrit une construction dans laquelle la masse sismique est suspendue sur une membrane élastique. Le but de la présente invention est de surmonter des inconvénients de la technologie de l'art antérieur précitée et de proposer un type complè- tement nouveau d'accéléromètre capacitif et un procédé pour sa fabrication. L'invention est basée sur la construction de l'accéléromètre du type capacitif à partir de deux condensateurs qui possèdent une électrode mobile commune agissant comme masse sensible à l'accélération, ou masse sismique, de l'accéléromètre. L'électrode centrale forme une construction monolithique avec une poutre fabriquée en le même matériau. Il est possible d'utiliser un ou plusieurs de ces éléments élastiques. Par suite de l'accé- lération qu'on lui applique, la masse sismique se déplace de quelques microns, et l'on détecte le déplacement à partir des modifications de la valeur de la capacité. La construction de l'accéléromètre est à double face et symétrique. De façon plus spécifique, l'accéléromètre conforme à l'invention se caractérise - en ce que la structure formant électrode centrale est symétrique par rapport au plan médian des structures formant électrode latérale, - en ce que l'électrode centrale a la forme d'une poutre et est entourée par une rainure en forme de U qui s'étend à travers l'élément formant corps, - en ce que l'embout de l'électrode centrale a une épaisseur proche de celle de l'élément formant corps, de sorte qu'il se forme, entre les électrodes latérales et l'électrode centrale, des jeux fins, avec un espacement déterminé par l'épaisseur de l'embout, et - en ce que les structures formant électrodes latérales sont montées, de façon hermétiquement étanche, sur l'élément formant corps de la structure formant électrode centrale par l'intermédiaire d'une couche électriquement isolante, étant précisé que chaque électrode centrale se trouve dans un espace hermétiquement clos et que les structures formant électrodes sont, dans les conditions normales, galvaniquement isolées l'une de l'autre s'il n'y a pas de liaison électrique extérieure. En outre, le procédé de fabrication conforme à l'invention se caractérise en ce qu'en liaison avec le montage des électrodes latérales sur la structure formant électrode centrale, on crée une pression correcte de gaz dans un espace hermétiquement enclos par les électrodes latérales, de façon à obtenir une réponse en fréquence avantageuse du détecteur. La construction conforme à l'invention offre les avantages suivants: - le principe de fonctionnement capacitif permet d'atteindre une sensibilité élevée AC/C pour un petit déplacement de la masse sismique, - du fait de la construction symétrique, l'accéléromètre présente une sensibilité extrêmement faible à un change- ment de température non compensé, - du fait que la masse sismique est en le même matériau que l'élément flexible, par exemple en silicium, une masse sismique auxiliaire n'est pas nécessaire, - on peut modifier le facteur d'amortissement de l'accéléromètre en fabriquant des rainures sur les élec- trodes des condensateurs ou en établissant une pression correcte dans la construction de l'accéléromètre au cours du procédé de fabrication, - les variations de la capacité sont symétriques autour de la valeur zéro de l'accélération, - l'accélérateur peut se fabriquer en production de masse, - l'accélérateur présente une tolérance remarquablement élevée à la surcharge, du fait que la masse sismique ne se déplace que de quelques microns avant de s'appuyer sur les électrodes latérales. On va examiner ci-dessous l'invention plus en détail au moyen de réalisations prises à titre d'exemple, en accord avec les dessins joints. - la figure 1 est une vue latérale en coupe longitudinale d'une réalisation d'accéléromètre conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue latérale en coupe longitudinale d'une autre réalisation d'accéléromètre conforme à l'invention; - les figures 3a... 3c sont des vues perspectives des différentes parties de la réalisation de l'accéléro- mètre illustrée sur la figure 1; - les figures 4a...4c sont des vues perspectives des différentes parties de la construction de l'accélé- romètre illustrée sur la figure 2; - la figure 5 est une vue perspective, partiel- lement en coupe longitudinale, de la réalisation de l'accéléromètre illustrée sur la figure 2; - la figure 6 est une vue latérale en coupe longitudinale d'une troisième réalisation de l'accéléro- mètre conforme à l'invention; - la figure 7a est une vue de dessus d'une première phase de masquage de la réalisation de l'accé- léromètre conforme à l'invention; - la figure 7b est une vue de dessus du résul- tat final obtenu par la phase de masquage illustrée sur la figure 7; - la figure 8a est une vue de dessus d'une seconde phase de masquage de la réalisation d'accéléro- mètre conforme à l'invention; - la figure 8b est une vue de dessus- du résul- tat final obtenu par la phase de masquage illustrée sur la figure 8a; - - la figure 9a est une vue de dessus d'une troisième phase de masquage de la réalisation d'accéléro- mètre conforme à l'invention; - la figure 9b est une vue de dessus du résul- tat final obtenu par la phase de masquage illustrée sur la figure 9a. On peut fabriquer l'accéléromètre conforme à l'invention, par exemple, en silicium monocristallin, en utilisant les procédés conventionnels connus en fabrica- tion micromécanique. La figure 1 illustre la construc- tion de base de l'accéléromètre. L'accéléromètre peut être rendu hermétiquement étanche de façon que le boîtier de l'accéléromètre puisse être rempli, avec l'étanchéité, de gaz sous une faible dépression appropriée. On peut faire varier la pression du gaz de remplissage pour obte- nir le facteur d'amortissement désiré de la masse sismi- que de l'accéléromètre. Le gaz de remplissage utilisé peut être par exemple de l'air sec. Un facteur d'amortis- sement correctement choisi se traduit en une réponse en fréquence avantageuse de l'accéléromètre. Toutefois, on obtient une construction plus simple de l'accéléromètre en réalisant un accéléromètre ouvert comme représenté sur la figure 2, de sorte que la pression intérieure du gaz de l'accéléromètre soit égale à la pression ambiante. La communication entre l'espace gazeux intérieur et l'ambiance se fait au moyen d'un canal 8. Alors, le facteur d'amortissement de la masse sismique est, toutefois, extrêmement élevé, ce qui ne permet d'utiliser ce type d'accéléromètre que pour des mesures d'accélération à basse fréquence (c'est-à-dire quelques Hz) et d'accélération statique uniquement. La figure 1 représente la construction de l'accéléromètre hermétiquement étanche. L'accéléromètre est une structure multicouche comportant des structures , formant électrodes latérales, électriquement inter- connectées, et, entre elles, une structure 16 qui forme l'électrode centrale, parallèle et alignée, et dont la masse sismique 1 est fournie par l'embout d'une poutre en porte-à-faux 17. On donne à la poutre en porte- à-faux 17 la structure 16 de l'électrode centrale en usinant dans la poutre une rainure en forme de U qui s'étend sur toute la structure de l'électrode centrale 16. De plus, on a enlevé de la poutre 17 du matériau pour former un jeu 7 qui réalise une capacité et en outre on a réduit la largeur de la section 2 formant la tige de la poutre 17 pour obtenir de la souplesse à cette section. Par conséquent la structure 16, qui forme l'électrode centrale d'une seule pièce, comporte la poutre 17, qui comprend en outre la masse sismique 1 et la section 2 formant tige flexible, ainsi qu'un élément 3 qui forme le corps de l'accéléromètre et qui entoure la poutre en porte-à- faux 17. Il est avantageux que la masse sismique 1 soit fabriquée quelques microns plus fine que l'élément 3 formant le corps. On peut fabriquer la structure 16 for- mant l'électrode centrale, par exemple, en le même sili- cium monocristallin. Les capacités de l'accéléromètre sont formées entre l'électrode commune mobile 1 de la structure 16 formant l'électrode centrale et les électro- des latérales fixes 4 des structures 15 formant électrodes latérales. On fabrique les électrodes latérales 4, par exemple, en silicium monocristallin en attaquant les sur- faces correspondantes pour donner une couche isolante 5 de façon à laisser dans le silicium une zone débordante en face de la masse sismique 1 ainsi qu'à l'endroit de la liaison électrique 6. La couche isolante 5 peut par exemple être en verre. On peut relier hermétiquement l'une à l'autre la zone 5 revêtue de verre et l'élément 3 formant le corps en utilisant par exemple une liaison anodique. La réalisation de la structure 16 formant l'électrode centrale est symétrique par rapport au plan s (plan xy) représenté sur la figure 1. La masse sismique 1 est mobile dans la direction z. La construction de l'accéléromètre selon la figure 1 est représentée en détail sur les figures 3a...3c. Lesschémas supérieurs 3a et 4a des figures 3 et 4 sont représentés en position intervertie, pour rendre mieux visibles les zones métallisées 6 et 6' ainsi que la zone en silicium 4. La figure 2 représente une construction d'accé- léromètre ouvert. Cette construction diffère de la cons- truction fermée par les détails suivants: - la structure 15 formant électrode latérale est fabriquée entièrement en verre dont la surface est recouverte par les zones.métallisées 6 et 6' pour assu- rer les fonctions électriques de l'accéléromètre, - la zone métallisée 6 est placée, de façon continue, dans un canal 8 dans le but d'éviter un court-circuit entre la zone métallisée 6 et l'élément 3 formant le corps. La construction de l'accéléromètre selon la figure 2 est représentée en détail sur les figures 4a...4c. Dans les deux constructions représentées, les zones 6 de contact électrique sont de préférence fabriquées dans le même plan, ce qui rend nécessaire d'utiliser un trou métallisé électrique 10 représenté sur les figures 3 et 4. Ce détail est exécuté en le même matériau que l'élément 3 formant le corps, toutefois il est électriquement isolé de l'élément formant le corps. La structure de l'élément est en outre détaillée sur la figure 5. Le rôle du tampon 9 représenté sur la figure 4b est de former un contact électrique entre l'élément 3 formant le corps et la zone médiane de contact 6. La structure de l'accéléro- mètre est représentée sur la figure 5. On peut améliorer la résistance au choc des accéléromètres en attaquant l'élément flexible 2 de façon à y laisser des saillies 11 comme représenté sur la figure 6 pour éviter une flexion excessive de l'élé- ment 2 sous un choc puissant. Le dimensionnement de l'accéléromètre dépend fortement de la sensibilité dési- rée et des capacités. Les dimensions typiques sont par exemple 2 x 0,5 x 4 mm pour la masse sismique 1 et 2 x 0,07 x 4 mm pour la poutre en porteà-faux 2. Les dimensions extérieures de l'accéléromètre sont d'environ 4 x 3 x 12 mm (largeur x hauteur x longueur). Les phases de fabrication décrites ci-dessous peuvent s'appliquer pour traiter les deux faces de ce matériau de base qui est un semi-conducteur monocristallin par exemple une microplaquette de silicium polie sur les deux faces. 1. On oxyde les deux faces de la plaquette en silicium jusqu'à une profondeur d'environ 250 nm. L'épaisseur de la plaquette peut être par exemple 500 Nm. 2. On revêt la plaquette d'un produit photorésistant et on l'expose comme représenté sur la figure 7a pour obte- nir les zones 12 formant l'électrode centrale, d'o il faut enlever l'oxyde par attaque. La figure 7 représente une plaquette de silicium. 3. On attaque ensuite la zone 12 formant l'électrode centrale, représentée sur la figure 7b, jusqu'à une pro- fondeur d'environ 4 Nm dans, par exemple une solution aqueuse de KOH. 4. On enlève par attaque la couche d'oxyde de la pla- quette en utilisant de l'acide HF tamponnée et on oxyde la plaquette jusqu'à une profondeur d'environ 0,8 -m. 5. On revêt la plaquette d'un produit photorésistant et on en expose les bords de la zone 12 formant l'électrode centrale pour obtenir une zone de bordure 13 et une zone de contact 13' représentées sur la figure 8a, zones o l'oxyde s'en va. Puis on enlève le produit phQtorésistant. 6. On attaque les zones 13 et 13' jusqu'à une profondeur d'environ 50 gm, ce qui donne le motif 17' formant l'électrode centrale suivant la figure 8b. 7. On revêt à nouveau la plaquette avec un produit photorésistant et on en expose la section, formant la tige, du motif 17' formant l'électrode centrale pour obtenir une zone 14, conforme à la figure 9a, o l'oxyde s'en va. 8. On poursuit l'attaque de la plaquette dans, par exem- ple, une solution aqueuse de KOH, jusqu'à obtenir une profondeur désirée de la zone 14, typiquement jusqu'à une profondeur de 40...100 Am, ce qui donne une péné- tration de la zone 13 comme représenté sur la figure 9b. Ce procédé donne finalement l'élément 16 conforme à la figure 3b. On fabrique les structures 15 formant électrodes latérales conformes aux figures 3a et 3c en utilisant la technique décrite ci-dessus par attaque d'une surface de la plaquette de silicium jusqu'à une profondeur d'envi- ron 150 Dm en ne laissant à la hauteur d'origine qu'une petite zone (hachurée) 4 représentée sur les figures 3a et 3c, ainsi que la zone 6 (hachurée) communiquant élec- triquement avec la zone 4. Puis on revêt la surface attaquée de la plaquette en y déposant par fusion une couche de verre appropriée de, par exemple, verre qualité Schott Tempax, Corning 7070 ou Corning 7740, que l'on amène par abrasion au même niveau que la surface d'ori- gine de la plaquette et que l'on polit. Ce procédé est connu dans l'art à partir du brevet US 4 597 027 (A. Lehto). On traite alors la.plaquette revêtue de verre pour obtenir les métallisations 6 à l'aide d'un procédé par enlevage ou par attaque chimique. Ces pro- cédés sont des procédés conventionnels et on peut en omettre la description détaillée. Finalement, on réunit ensemble les trois plaquettes par ce que l'on appelle la liaison anodique sous pression appropriée. La valeur de la pression utilisée dépend du facteur d'amortissement désiré de l'accéléromètre et elle est typiquement de l'ordre de quelques hPa. On trouvera une description détaillée des procédés utilisés (ainsi que d'autres pro- cédés) dans l'ouvrage Ivor Brodie et Julius J. Muray, The Physics of Microfabrication, Plenum Press, New York, 1983. Les structures 16, formant l'électrode centrale, conformes aux figures 4a. 4c se fabriquent en utilisant..DTD: des procédés presque identiques à ceux décrits ci-dessus. La différence se trouve dans une zone que l'on fait plus large au cours de la phase d'attaque à 4 gm, aux sections du canal 8 et à la zone de contact 9. Les structures 15, formant électrode centrale, conformes aux figures 4a... 4c sont fabriquées en verre, par exemple en verre qualité Schott Tempax, Corning 7070 ou Corning 7740. On métallise les zones 6 et 6' en utili- sant le procédé décrit ci-dessus. On effectue l'assem- blage de l'accéléromètre en utilisant la liaison anodique sous pression ambiante normale. Dans les deux réalisations de l'accéléromètre, on peut découper les plaquettes en les brisant à l'aide de rainures prédécoupées. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre capacitif en silicium, compor- tant - deux structures formant électrodes latérales, espacées l'une de l'autre, et parallèles, essentiellement planes comme des plaquettes, positionnées face à face et compor- tant les électrodes latérales fixes (4, 6') et - une structure formant électrode centrale (16) uniforme, essentiellement comme une plaquette, disposée entre les structures formant électrodes latérales (15) et compor- tant - un élément formant corps (3) jouxtant les structures formant électrodes latérales (15) et - au moins une électrode centrale (17), placée au voisi- nage des électrodes latérales (4, 6') et comprenant une section formant tige (2) et un embout (1) tels que la tige (2) de l'électrode centrale (17) réunit l'électrode centrale (17) à l'élément formant corps (3), qui, lui- même, enclôt l'électrode centrale (17) par les côtés, et étant précisé que la section formant tige (2) est sensible- ment plus minceque l'embout (1), caractérisé - en ce que la structure formant électrode centrale (16) est symétrique par rapport au plan médian (s) des structures formant électrodeslatérales(15), - en ce que l'électrode centrale (17) a la forme d'une poutre et est entourée par une rainure en forme de U qui s'étend à travers l'élément formant corps (3), en ce que l'embout (1) de l'électrode centrale (17) a une épaisseur proche de celle de l'élément formant corps (3), de sorte qu'il se forme, entre les électrodes latérales (4, 6') et l'électrode centrale (17), des jeux fins (7), avec un espacement déterminé par l'épais- seur de l'embout (1), et - en ce que les structures formant électrodes latérales (15) sont montées, de façon hermétiquement étanche, sur l'élément formant corps (3) de la structure formant électrode centrale (16) par l'intermédiaire d'une couche (5) électriquement isolante, étant précisé que chaque électrode centrale (16) se trouve dans un espace hermé- tiquement clos et que les structures formant électrodes (15, 16) sont, dans les conditions normales, galvanique- ment isolées l'une de l'autre s'il n'y a pas de liaison électrique extérieure. 2. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la structure formant électrode centrale (16) a une forme rectangulaire. 3. Accéléromètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que-la structure formant élec- trode centrale (16) est traitée pour former une struc- ture de liaison électrique (1) du type colonne, électri- quement isolée du reste de la structure formant électrode centrale (16), étant précisé que les zones (6) de liaison électrique des électrodes latérales (15) sont disposées dans le même plan. 4. Procédé de fabrication d'un accéléromètre capacitif, dans lequel - sont formées deux structures (15) formant électrodes latérales constituées d'électrodes latérales fixes (4, 6'), et - une structure formant électrode centrale (16) consti- tuée d'une électrode centrale (17) est disposée entre les structures (15) formant électrodes latérales, caractérisé - en ce que la structure formant électrode centrale (16) est fabriquée à partir d'une microplaquette de semi-conducteur monocristallin homogène par attaque, au cours de la phase I du procédé, d'une zone (12) formant électrode centrale des deux côtés de la section médiane de la microplaquette, - en ce qu'au cours de la phase II du procédé, on atta- que ensuite les zones de bordure (13) de la zone (12) formant électrode centrale, des deux côtés de la microplaquette à semi-conducteur, de façon à laisser dans la zone formant électrode centrale (12) un motif (17'), formant électrode centrale en forme de poutre, d'une épaisseur définie au cours de la phase I et restant solidaire de la partie non attaquée de la microplaquette à semi-conducteur, - en ce qu'au cours de la phase III du procédé,, on attaque ensuite, des deux côtés, une section (14), formant tige, du motif (17') formant électrode centrale, juqu'à.ce que la zone de bordure (16) soit attaquée à travers tout et que la section (14) formant tige atteigne une épaisseur désirée, et - en ce que l'on monte les électrodes latérales (15), de façon hermétiquement étanche, sur la structure (16) formant électrode centrale. 5. Procédé suivant la revendication 4, caracté- risé en ce qu'en liaison avec le montage des électrodes latérales (15) sur la structure (16) formant électrode centrale, on crée une pression correcte de gaz dans un espace (7) hermétiquement clos par les électrodes latérales (15), de façon à obtenir une réponse en fré- quence avantageuse du détecteur.