Brevet FR2614987A1 — publié le 19881110

La présente invention est relative à une struc- ture de condensateur pour utilisation dans des capteurs de pression, comprenant: - une plaque support de substrat consistant en une pastille de silicium et une pastille de verre fixée sur la pastille de silicium par un procécé de liaison électrostatique, cette pastille de verre étant essentiel- lement plus fine que la pastille de silicium; - une première plaque fixe du condensateur adaptée sur la plaque de substrat; - une plaque de silicium adaptée sur la plaque de substrat, pour entourer la plaque fixe du condensa- teur, ayant une partie centrale amincie pour jouer le rôle d'un diaphragme agissant comme plaque mobile du condensateur de sorte que des cavités bien formées sont constituées au-dessus et au-dessous de la structure de diaphragme pour l'introduction du milieu sous pression à mesurer; et - une plaque supérieure adaptée sur la plaque de silicium consistant en une pastille de silicium et une pastille de verre fixée sur la pastille de silicium et placée contre la plaque de silicium, cette pastille de verre étant essentiellement plus fine que la pastille de silicium. Les références à la technique antérieure comprennent les publications des brevets suivants: [1] US 4589054 (Kuisma) [2] US 4597027 (Lehto) [3] US 3397278 (Pomerantz) [4] US 4609966 (Kuisma) [5] US 4599906 (Freud et autres) [6] US 4542435 (Freud et autres) [7] US 4257274 (Shimada et autres) [8] US 4628403 (Kuisma) Un inconvénient des structures de la technique antérieure est qu'elles sont difficiles à mettre en oeuvre en production de masse. De plus, l'élimination des erreurs dépendant de la température jusqu'à un niveau raisonnable a jusqu'alors échoué. Le but de la présente invention est de surmon- ter les inconvénients de la technologie antérieure et de réaliser un type de structure de condensateurs totalement nouveau pour l'utilisation dans les capteurs de pression. L'invention est basée sur l'utilisation d'un second condensateur intégré dans la structure du conden- sateur pour compenser l'effet de température sur le capteur. Un endroit particulièrement avantageux pour placer la plaque fixe du condensateur de compensation se trouve près de la plaque fixe du condensateur de détec- tion, et sur le même substrat. Plus particulièrement, la structure de conden- sateur conforme à l'invention est caractérisée en ce qu'une seconde plaque du condensateur est adaptée sur la plaque support de substrat entre la première plaque du condensateur et la plaque de silicium entourant la première plaque du condensateur de telle sorte qu'elle enferme pratiquement la première plaque du condensateur, ce qui fait que la seconde plaque du condensateur forme avec la partie centrale de la plaque de silicium un condensateur de compensation, dont la capacité est formée par la première plaque du condensateur et la partie centrale de la plaque de silicium. L'invention donne des avantages très impor- tants, comprenant: - une compensation précise des effets de température par la conception de l'élément de compensa- tion dans la structure du détecteur; - une adaptabilité améliorée à la production de masse, et une facilité-d'assemblage meilleure qu'avec les condensateurs différentiels fabriqués avec des maté- riaux analogues ([6], [7]); - comme il est indiqué dans la référence [8], la dépendance avantageuse de la sensibilité d'un conden- sateur à la pression est telle qu'il en résulte une sensibilité plus élevée aux basses pressions qu'aux hautes pressions. Cette propriété peut aussi être utili- sée avec un détecteur différentiel de pression, dans lequel la pression Pl dans le canal 22 doit être plus grande que la pression P2 dans le cana 23 (figure 3). Par rapport à des structures symétriques de condensateurs différentiels [6], [7], nous atteignons maintenant une gamme de mesure utilisable plus large avec un élément sensible unique. On notera que la structure conforme à l'inven- - tion offre non seulement la compensation de l'effet des variations de température sur les propriétés diélectri- ques du matériau isolant, mais élimine aussi d'autres causes d'erreurs dues aux variations de température, telles que celles qui sont dues aux propriétés des contraintes élastiques et aux caractéristiques d'expan- sion thermique, ainsi qu'à l'expansion thermique du milieu constitué par l'huile au silicone sous pression si les diaphragmes d'isolement sont situés près de l'élément sensible et en bon contact thermique avec lui. La structure de condensateur conforme à l'invention offre des avantages appréciables quand l'élément sensible est fixé entre les deux coquilles métalliques du boîtier de détecteur en utilisant un élastomère de sorte que le condensateur de détection flotte entre les coussins en élastomère. En raison de sa grande élasticité, l'élastomère ne transmet pas au condensateur de détection l'effort mécanique provoqué par la déformation du boîtier métallique ou par l'expansion thermique différentielle due aux différences de coefficients de dilatation du matériau du condensateur de détection et du boîtier métallique. L'emplacement du condensateur de détection entre les deux surfaces qui le soutiennent est fixé de sorte que la différence de pressions donnée à mesurer ne puisse pas étirer excessi- vement la couche d'élastomère dans le sens de son épais- seur. La résistance au cisaillement de l'élastomère est augmentée jusqu'à un niveau suffisant en utilisant une couche fine conjuguée avec une grande surface. L'invention va être examinée en détail à l'aide du mode de réalisation suivant, donné à titre d'exemple, et illustré par les figures jointes. La figure 1 est une vue latérale en coupe d'une structure de condensateur conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe le long du plan A-A de la figure 1. La figure 3 est une vue latérale en coupe d'un capteur de pression utilisant la structure de condensateur conforme à l'invention. Les figures 1 et 2 montrent la partie sensible à la pression de la structure du condensateur de détec- tion. Elle est analogue à la structure des figures 3 et 4 dans la référence [1]. Le condensateur proprement dit est constitué de couches de différentes épaisseurs de silicium et de verre au borosilicate ayant un coeffi- cient de dilatation adapté. Dans la figure 1, le matériau de la pastille 1 est du silicium. La pastille de silicium 1 est fixée à une pastille de verre 4 en utilisant des procédés classiques, tels que ceux qui sont décrits dans les références [1] et [2]. De la même manière, une pastille 2 est fabriquée avec du silicium et fixée à une pastille de verre 5. Entre ces structures de pastilles il y a un élément 3, en silicium. L'élément en silicium 3 est fabriqué avantageusement avec des bords plus épais entourant une surface centrale plus mince 6. L'élément en silicium 3 est fixé aux surfaces des pas- tilles de verre des structures de pastilles 1, 4 et 2, par ses bords plus épais en utilisant par exemple, un procédé de liaison anodique décrit dans la référence [3]. L'élément en silicium 3 est travaillé sur le côté- de la pastille de verre 5 de façon à avoir une' cavité 12 bien formée, qui constitue l'intervalle dié- iectrique du condensateur de détection. La cavité 12 communique avec une pression externe par des canaux 10 et 11. L'autre côté du diaphragme aminci en silicium 6 a une seconde cavité bien formée 7B, qui communique avec la pression externe par un trou 7 taillé dans la struc- ture de pastilles 1, 4. Si une pression externe P1 est appliquée par l'intermédiaire du trou 7 en utilisant un milieu liquide ou gazeux sous pression, tandis qu'une pression P2 est appliquée par l'intermédiaire des canaux 10 et 11, le diaphragme de silicium 6 fléchira en fonction de la différence des pressions P2 - PI. Conformément à la figure 2, des surfaces métalliques en fils minces 15, 16, 17, associées à leurs surfaces conductrices 8, 9 et aux surfaces de plot de connexion 14, sont réalisées sur la surface de la pas- tille de verre 5. La surface de connexion anodique porte la référence 13. La surface 15 forme un dontact électrique avec l'élément en silicium 3 et ensuite, grâce à une conductibilité appropriée du matériau de 261498? silicium, avec le diaphragme mince en silicium 6. Les surfaces 17 et 16 du film métallique sont placées de façon appropriée pour couvrir la cavité 12 et le diaphragme de silicium 6 de sorte que la surface 17 soit située au milieu de la structure o le fléchisse- ment du diaphragme de silicium 6 induit par la diffé- rence des pressions est le plus grand, tandis que la surface 16 est située sur les bords, là o le fléchisse- ment du diaphragme de silicium 6 est très petit. La structure contient ainsi deux condensateurs: l'un formé par la surface 17 et le diaphragme de silicium 6, et l'autre formé par la surface 16 et le diaphragme de silicium 6. La cavité 12 constitue l'intervalle'isolant pour les deux condensateurs. La capacité du condensateur formé par la surface 17 et le diaphragme de silicium 6 porte la référence Cp, tandis que la capacité du conden- sateur formé par la surface 16 et le diaphragme de silicium 6 porte la référence Ct. La capacité Cp dépend fortement de la diffé- rence des pressions, car les variations de la différence de pressions fléchissent le diaphragme de silicium 6, provoquant des variations de la distance mutuelle entre les plaques 6 et 17 du condensateur, et par conséquent des changements de capacité. La capacité Ct est par essence moins dépendante de la pression, car les varia- -tions de la différence de pressions provoquent un changement négligeable de la distance mutuelle entre les plaques 6 et 16 du condensateur. Les deux capacités Cp et Ct dépendant des propriétés diélectriques du milieu isolant remplissant l'intervalle 12 de façons sensiblement égales. Les figures 1 et 2 sont simplifiées pour illustrer les détails-les plus essentiels d'un condensa- teur sensible aux différences de pressions et concernant son fonctionnement. Differentes modifications dans les structures de ses éléments sont possibles, comme illustré, par exemple dans les figures 1... 6 de la référence [4], et sont même fréquemment avantageuses. En plus des formes métalliques illustrées dans les figures 1 et 2, la surface de la pastille de verre 5 peut avoir des anneaux de garde tels que ceux qui sont représentés dans la figure lB de la référence [4], ou bien la pastille de silicium 2 peut être fixée à la surface métallisée au moyen d'une structure traversante pénétrant la pastille de verre 5 conformément aux procé- dés décrits dans les références [2] ou [4]. Les dimensions du condensateur sensible aux différences de pression peuvent varier dans une large gamme. La largeur des éléments 1, 2 et 3 est générale- ment de 2 à 20 mm, de préférence de 5 à 7 mm. Les épaisseurs des éléments 1 et 2 sont généralement de 0,2 à 2 mm, de préférence environ 1 mm. L'épaisseur de l'élément 3 peut être de 0,1 à 0,5 mm, de préférence 0,38 mm. Les épaisseurs des pastilles de verre 4 et 5 sont généralement de 0,01 à 0,2 mm, de préférence 0,05 mm. L'épaisseur du diaphragme aminci en silicium 6 peut varier dans la gamme de 0,0G5 à 0,2 mm, de préférence, suivant la gamme de pressions, de 0,01 à 0,1 mm, et la longueur du côté du diaphragme en silicium 6 (ou du diamètre correspondant du diaphragme circulaire) est de 1 à 10 mm, de préférence 2 à 4 mm. L'épaisseur de l'iso- lant diélectrique 12 est généralement dans la gamme de 0,001 à 0,02 mm, de préférence 0,004 à 0,008 mm. - L'utilisation du-condensateur des figures 1 et 2 dans un élément sensible à la pression d'un capteur est illustrée sur la figure 3. Le condensateur est monté, par la pastille de silicium 2, avec une couche fine appropriée 18 d'un élastomère convenable, par exemple du caoutchouc au silicone, sur une base métallique 20. La base 20 est munie de moyens de traversée, dans lesquels des conducteurs métalliques 27 sont isolés de la base 20 par des manchons en verre 28. Les manchons en verre sont coulés à leur place pour assurer l'étan- chéité des traversées. Les surfaces de fixation 14 du condensateur sont fixées de façon appropriée aux conducteurs correspondants 27 au moyen de fils métalli- ques fins 26. La base métallique 20 est fixée par exem- ple par soudure le long d'une gorge 25 à une autre partie 21 du bottier, qui peut d'ailleurs être une partie d'une structure plus importante. La partie 21 du boîtier comporte un espace 24 pour le condensateur. Le condensateur est monté, par la pastille de silicium 1, avec une couche fine d'élastomère 19, sur la partie 21 du bottier métallique. Ainsi, le condensateur flotte entre deux coussins d'élastomère. Les couches d'élasto- mère ont une épaisseur de 0,05 à 0,3 mm, de préférence 0,1 mm. La partie 21 du boîtier Métallique possède deux trous 22 et 23, à travers lesquels les pressions mesurées sont appliquées au condensateur. Le trou 22 communique avec l'espace 24, tandis que le trou 23 est aligné avec un trou 7 dans la plaque 1 du condensateur. Une couche d'élastomère 19 isole ces deux canaux de pressions l'un de l'autre. L'espace 24 est rempli par un milieu liquide sous pression, par exemple de l'huile au silicone, de sorte que ce milieu remplit aussi l'inter- valle diélectrique en forme de cavité 12 à travers les canaux 10 et 11. Le trou 23 et la cavité 7B qui communi- que lui par le trou 7 sont aussi remplis par un milieu pouvant être liquide ou gazeux, par exemple de l'air. Les trous 22 et 23 peuvent de plus communiquer avec les espaces à milieu huileux, qui sont isolés du milieu sous pression à mesurer par un diaphragme métalli- - que mince de la façon décrite par exemple dans les réfé- rences [5] et [6].. Si le capteur n'est pas utilisé pour une mesure de pressions différentielles, mais au contraire pour un étalonnage, le trou 23 n'a pas besoin d'être rempli par un milieu liquide, et le diaphragme isolant associé n'est pas non plus nécessaire. L'espace 24 peut être formé de manière appropriée en fonction des dimensions du condensateur de détection pour minimiser le volume du milieu. La structure du condensateur décrite ci-dessus met en jeu deux capacitésmesurables, Cp et Ct. L'une d'elles, Cp, dépend fortement de la différence de pres- sions, tandis que Ct en dépend faiblement, les deux capacités dépendant des propriétés diélectriques du milieu. Si le milieu remplissant la cavité 12 est de l'huile au silicone, le coefficient de température de la constante diélectrique est élevé, approximativement 1000 ppm/ K. Ceci provoque une forte dépendance de la température pour les capacités Cp et Ct, qui pourrait induire des erreurs dues aux variations de température dans la mesure de la pression, dans le cas o la capa- cité Cp serait utilisée seule pour la mesure de la différence de pressions. Du fait qu'une seconde capa- cité Ct dépendant de la pression de façon différente de Cp existe aussi, avec également une forte dépendance de la température, des fonctions mathématiques peuvent être formulées pour déterminer, à partir des valeurs des capacités, aussi bien la différence de pressions que la température, avec une précision suffisante: P2 - P1 = p(Cp, Ct) t = t(Cp, Ct) Les fonctions p et t peuvent être formulées, par exemple, sous forme polynomiale.Les coefficients des polynômes peuvent être déterminés en mesurant les deux capacités, Cp et Ct, avec un nombre suffisant de valeurs de-différences de pressions et de températures. 26149.87 REVENDICATIONS 1. Une structure de condensateur pour utilisa- tior dans des capteurs de pression, comprenant: - - une plaque support de substrat (2, 5) consis- tant en une pastille de silicium (2) et une pastille de verre (5) fixée sur la pastille de silicium (2) par un procédé de liaison électrostatique, cette pastille de verre (5) étant essentiellement plus fine que la pas- tille de silicium (2); - une première plaque fixe du condensateur (17) adaptée sur la plaque de substrat (2, 5); - une plaque de silicium (3) adaptée sur la plaque de substrat (2, 5), pour entourer la plaque fixe (17) du condensateur, ayant une partie centrale amincie pour jouer le rôle d'un diaphragme (6) agissant comme plaque mobile du condensateur de sorte que des cavités bien formées (12, 7B) sont constituées au-dessus et au-dessous de la structure.de diaphragme (6) pour l'in- troduction du milieu sous pression à mesurer; et - une plaque supérieure (1, 4) adaptée sur la plaque de silicium (3), consistant en une pastille de silicium (1) et une pastille de verre (4) fixée sur la pastille de silicium (1) et placée contre la plaque de silicium (3), cette pastille de verre étant essentielle- ment plus fine que la pastille de silicium (1), caractérisée ence qu'une seconde'plaque (16) du condensa- teur est adaptée sur la plaque support de substrat (2, 5) entre la première plaque (17) du condensateur et la plaque de silicium (3), entourant la première plaque du condensateur de telle sorte qu'elle enferme pratique- ment la première plaque (17) du condensateur, ce qui fait que la seconde plaque (16) du condensateur forme avec la partie centrale (6) de la plaque de silicium (3) un condensateur de compensation, dont la capacité (Ct) est beaucoup moins dépendante du.déplacement de la partie centrale (6) de la plaque de silicium (3) que la capacité (Cp) formée par la première plaque (17) du condensateur et la partie centrale (6) de la plaque de silicium (3). 2. Une structure de condensateur conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la forme de la seconde plaque du condensateur (16) est essentiel- lement celle du périmètre d'un rectangle. 3. Une structure de condensateur conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque supérieure (1, 4) est munie d'un canal (7) traversant la pastille de silicium (1) et la pastille de verre (4) de sorte que le milieu sous.pression à mesurer puisse être introduit par ce canal dans la cavité supérieure (7B) formée au-dessus du diaphragme (6) en vue de per- mettre la mesure de la différence de pressions.