Brevet FR2644897A1 — publié le 19900928

MICROMAGNETOMETRE A POUTRE FLECHISSANTE La présente invention concerne un micromagnétonètre. Il est connu, par exemple à partir du brevet français 2 542 453 du Centre Electronique Horloger, de fabriquer des micro- magnétomètres en utilisant les technologies mises au point dans le domaine de la fabrication des circuits intégrés sur silicium. L'élément sensible de ces micromagnétomètres est constitué à par- tir d'une aile ou volet gravé dans un bloc de silicium et solidai- re de parties restantes de ce bloc de silicium. Dans le cas du brevet susmentionné, la liaison entre le volet et le bloc de sili- cium est une liaison par des attaches ou bras de torsion en sili- cium. Une partie au moins d'un bobinage est formée sur le volet. Le volet est donc soumis à une force quand un courant parcourt le bobinage et qu'un champ magnétique externe est appliqué. A courant constant, la rotation du volet (qui ne se déforme pas) est indica- tive de l'intensité du champ magnétique. Ce dispositif de l'art antérieur nécessite pour la dé- tection du déplacement du volet une détection de type capacitif qui impose des conditions difficiles à satisfaire dans un disposi- tif pratique qui aura notamment des bras de dimensions réduites, ce qui rend le dispositif fragile. Ainsi, la présente invention a pour objet de prévoir un micromagnétomètre plus simple à fabriquer, plus robuste, et dans lequel la détection d'un déplacement est réalisée plus simplement. Ces objets de la présente invention sont atteints en prévoyant un micromagngtomètre comprenant au moins une poutre encastrée dont une surface principale porte une partie d'un enrou- lement, constitué d'une métallisation, et dont une surface princi- pale comprend des moyens pitzorésistifs de détection de contrainte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ladite poutre est encastrée dans un pied formi d'une seule pièce avec elle à partir d'un bloc de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit enroulement est parcouru par un courant alternatif de fré- quence égale à la fréquence de résonance mécanique de la poutre obtenu par un circuit d'asservissement en utilisant la sortie des moyens piézorésistifs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque poutre comprend une région amincie en forme de bande le long de sa liane d'encastrement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est prévu un circuit d'asservissenent constitué de conducteurs disposés en regard des. poutres et parcourus par un courant pour fournir un champ de contreréaction propre à s'opposer au champ extérieur à mesurer. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'enroulement est constitué de plusieurs enroulements élémentaires formés dans des plans superposés et isolés entre eux. Ainsi, le micromagnétomètre selon l'invention est basé sur l'utilisation d'une poutre fléchissante et non pas sur la tor- sion d'un bras support. Ceci entralne un avantage de robustesse et permet une détection par des sondes piézorésistives incorporées dans la poutre ou aile fléchissante réalisée en un matériau semi- conducteur. L'un des avantages résultant d'une détection piézoré- sistive, plutêt que d'une détection capacitive, est que l'on s'affranchit de nombreuses contraintes liées 3 la distance entre le volet mobile et une plaque de référence, distance qui doit être aussi faible que possible dans le cas d'une détection capacitive, pour augmenter la valeur de la capacité. De plus, dans le cas d'une détection capacitive, si on arrive à réaliser une distance plaque/volet très faible, on est conduit à faire fonctionner le dispositif sous vide pour éviter l'amortissement produit par la mince couche d'air existant entre le volet et la plaque de réfé- rence. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront illustrés plus en détail dans la description sui- vante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA et lB représentent des vues en coupe extrêmement schématiques d'un aspect général de la présente inven- tion; les figures 2A et 2B représentent des vues en perspective d'un mode de réalisation de la présente invention en ce qui con- cerne la structure mécanique; la figure 3 représente une vue de dessus d'un dispositif tel que celui des figures 2A et 2B; la figure 4 représente de façon plus détaillée un exem- ple de détecteur piézorésistif adapté à la présente invention; la figure 5 représente un exemple de circuits électri- ques d'un magnétomètre selon la présente invention; et la figure 6 représente en A-E des vues de dessus de di- verses variantes de structures selon la présente invention. Les figures lA et lB sont des vues de c8té et de dessus, respectivement, destinées à illustrer un aspect fondamental de la présente invention. Celle-ci prévoit d'utiliser un bloc de sili- cium unique comprenant un pied 1 et une aile 2. Dans ce qui précè- de, l'expression bloc de silicium désigne en fait un bloc de très petites dimensions formé à partir d'une plaquette de silicium tel- le que l'on en utilise dans le domaine des circuits intégrés, c'est-àdire une plaquette ayant une épaisseur de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm. La hauteur totale du pied 1 correspond sensiblement a l'épaisseur de la plaquette de silicium, c'est-à-dire qu'elle est de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm. En utilisant les techniques usuelles de fabrication des circuits intégrés, et des techniques dérivées, de nombreux dispositifs identiques pourront être fabriqués à par- tir d'une mIme plaquette, des lots de plaquettes étant traités si- multanément. Comme le représente la figure lB, la face supérieure de la structure de la figure lA est recouverte d'un enroulement 3 constitué normalement d'une métallisation telle qu'une métal- lisation d'aluminium. Ainsi, si des portions parallèles de l'en- roulement sont traversées par un courant marqué par la fl&che i normalement à un champ B, une force s'exercera sur l'aile 2 qui se déformera selon les règles applicables aux poutres fltchissan- tes encastrées. Une zone 4 de l'aile 2 est munie de moyens de dé- tection de la déflexion, ces moyens pouvant être de façon clas- sique un pont piézorésistif constitue de 4 zones dopées du type de polarité opposé à celui du substrat de silicium. Des contacts pris sur la surface supérieure du pied permettent l'alimentation de l'enroulement 3 et la connexion des bornes du pont de détection. C'est là un avantage des systèmes à poutres fléchissantes que de permettre cette détection par des voies pi6zor6sistives. En outre, pour obtenir des déplacements de plus grande amplitude de la poutre, le courant électrique circulant dans l'enroulement sera de préférence à une fréquence correspondant à la fréquence de résonance de la poutre. De préférence, comme le montre la vue en perspective de la figure 2A, on utilisera un système à deux poutres encastrées symétriquement 5 et 6 pour permettre d'améliorer la détection et notamment de s'affranchir des effets d'accélération parasites éventuels qui auraient des effets identiques sur chacune des deux poutres. La figure 2B est une vue en perspective analogue à la figure 2A représentant un état de déformation pris par la poutre quand un courant passe et qu'un champ est appliqué (on notera qu'en cas d'accélération, les déplacements des deux moitiés de poutre seraient dans le même sens). Cet état de déformation résul- te des orientations du champ B, du courant I et des forces F indi- quées en figure 2A. A titre d'exemple d'un dispositif pratique, comme cela a été indiqué précédemment, le pied 1 peut avoir une hauteur de 0,3 à 0,5 mm, chacune des ailes sensibles peut avoir une épaisseur de l'ordre de 15 micromètres, chacune de ces ailes 5 et 6 peut avoir une longueur en débordement par rapport au pied de l'ordre du millimètre et une largeur de l'ordre de 2 millimètres, le pied lui-même ayant une longueur, c'est-àdire une distance entre les encastrements des poutres, de l'ordre du millim&tre. L'encombre- ment total du dispositif est donc de 2x3 mm. Avec de telles dimen- sions, la fréquence de résonance mécanique des ailes est de l'ordre de la vingtaine de kilohertz. Plusieurs dispositifs de ce type peuvent être formés simultanément sur une plaquette de cir- cuit intégré par gravure anisotrope. Des dispositifs de dimensions nettement inférieures pourront également être réalisés par l'homme de l'art. La figure 3 représente un exemple d'une vue de dessus d'une structure telle que celle de la figure 2A. Les pointillés 11 et 12 représentent la limite de chacune des ailes 5, 6 ou en d'autres termes leurs zones d'encastrement avec le pied 1. Une métallisation 13 est enroulée entre un plot externe 14 et un plot interne 15. Dans la zone centrale de la structure, à la limite de chaque encastrement d'aile, sont formés des détecteurs piézorésis- tifs en pont 16 et 17 qui seront décrits plus en détail ci-après et dont les bornes d'accès sont reliées à des plots 18 et 19, res- pectivement, ces plots, comme les plots 14 et 15, étant formés sur le pied central 1 de la structure. Les piézorésistances sont cons- tituées de zones diffusées de type de conductivité opposé à celui du substrat de silicium constituant la structure. La figure 4 représente un exemple de réalisation de dé- tecteur en pont selon la présente invention dont la structure pré- sente par rapport à une structure classique en carra l'avantage de limiter l'influence des courants induits. Ce détecteur comprend quatre zones diffusées sensiblement rectilignes, deux à deux othogonales, et deux a deux parallèles , 21 et 22, 23. Ces zones sont reliées les unes aux autres et à des plots d'accès 18 par des métallisations 24. Ces zones et les métallisations sont disposées pour qu'il n'existe pas entre elles d'étendue fermée de surface importante. Ainsi, dans la figure 4, les régions parallèles 20 et 21 sont très proches l'une de l'autre. Comme on l'a indiqué précédemment, la structure selon.la présente invention fonctionne de préférence avec un courant alter- natif dans l'enroulement 3, 13, à une fréquence correspondant à la fréquence de résonance mécanique des poutres. Un asservissement sur la fréquence de résonance peut être obtenu avec un circuit du type de celui représenté en figure 5, qui correspond au cas sim- plifié de la structure des figures lA et lB. La sortie du détec- teur 4 est reboucl&e sur l'enroulement capteur 3 par l'intermé- médiaire d'un amplificateur 31, d'un circuit correcteur de phase 32 et d'un circuit de contr8le d'amplitude 33. On obtient ainsi un oscillateur dont la fréquence se centre sur la ou l'une des fré- quences de résonance nacanique de la poutre. En outre, la sensibilité du système étant iélevée, on pour- ra préférer asservir le champ magnétique au niveau du capteur à une valeur très faible en criant un champ de contre-réaction voi- sin du champ extérieur à mesurer et de signe opposé. La mesure consistera alors à déterminer la valeur du champ de contre- réaction, par exemple par la mesure du courant qui lui a donné naissance. Le champ de contre-réaction résulte par exemple du courant fourni par un ou plusieurs conducteurs formés sur le support sur lequel est disposée la structure selon l'invention. Ce support est par exemple une plaque de céramique 7 (voir figure 2A) sur laquelle est collée la base du pied 1 de la structure selon l'in- vention. Ces conducteurs s'étendent parallèlement à la ligne d'encastrement de la poutre, c'est-à-dire parallalèlement aux conducteurs de l'enroulement 3 de la figure lB de façon à produire au niveau de l'aile un champ sensiblement parallèle et opposé au champ extérieur à mesurer. Les conducteurs de contre-réaction sont schématisés en figure 5 par l'enroulement 41. Le circuit de contre- réaction utilise la sortie de l'amplificateur 31 et l'applique à la bobine 31 par l'intermédiaire d'un détecteur d'amplitude 42, d'un correcteur de phase 43 et d'un intégrateur 44. Les circuits de la figure 5 seront simplement mis en oeu- vre par l'homme de l'art qui pourra en réaliser de nombreuses va- riantes. Notamment, dans le cas d'un capteur du type de celui des figures 2A, 28 et 3, on utilisera de préférence des circuits symé- triques permettant de doubler la sensibilité et de s'affranchir de divers artéfacts. Une structure selon la présente invention sera en pratique montée de sorte que le pied est fixé à un substrat 7 et qu'un ca- pot supérieur (non représenté) vient en particulier reprendre le contact sur les plots 14, 15, 1S et 19 apparaissant sur la surface supérieure du pied de la structure. Ce capot sera de préférence un capot étanche permettant de placer la structure dans une atmosphè- re contr8lée. Toutefois, avec une structure selon l'invention, les ailes fléchissantes peuvent être relativement éloignées du support et l'amortissement dû à la lame d'air interstitielle est négligea- ble. Il n'est donc pas nécessaire dans le cas général de mettre la structure sous vide. Une étude théorique du fonctionnement des poutres fléchi- santes montre que les détecteurs piézorésistifs doivent de préfé- rence être placés comme cela a été représenté au voisinage de la zone d'encastrement de chacune des poutres car c'est l'emplacement oh l'allongement est maximal quand la poutre oscille. 264489 7 On peut aussi montrer que le signal électrique recueilli et le rapport signal sur bruit sont inversement proportionnels à l'épaisseur de la poutre et ne dépendent pratiquement d'aucune au- tre dimension. Il en résulte, d'une part, qu'un dispositif selon l'invention est simple à fabriquer et peu sensible à des fluctua- tions des paramètres de fabrication et, d'autre part, que le dis- positif peut être considérablement miniaturisé. La figure 6 illustre divers exemples de vues de dessus d'un capteur selon la présente invention. Dans la vue de dessus A, on retrouve le capteur quia été précédemment décrit. Un inconvé- nient de cette structure pourrait être que, s'il existe de lég&res différences entre les dimensions des deux ailes symétriques 5 et 6, celles-ci vont avoir des fréquences propres différentes. Il est donc prévu de réaliser un couplage mécanique entre les deuix ailes pour obtenir une oscillation à la même fréquence. Les vues de des- sus B, C, D et E représentent des exemples de tels couplages, qui impliquent une liaison par une ou plusieurs plaques de liaison 50 entre les deux ailes 51 et 52. Ces plaques de liaison sont latéra- les dans le cas B, latérales et centrale dans le cas C, latérales mais interrompues par une largeur de pied restante très faible dans le cas D et latérales et séparées du pied central par un évi- dement 53 dans le cas E. Dans ce qui a été décrit précédemment, le dispositif était utilisé en micromagnétomètre, les indications des deux dé- tecteurs piézorésistifs étant combinées pour éliminer les flexions de même sens. Le dispositif selon la présente invention peut é&ga- lement fonctionner en accéléromètre si au contraire les indica- tions de sortie des détecteurs piézorésistifs sont combinées de façon additive quand les deux poutres se déplacent dans le même sens. Un tel accélérom&tre sera peu sensible puisqu'on a sélec- tionné des ailes de faible masse pour une bonne détection de l'influence des champs magnétiques sur un bobinage mais permettra néanmoins de détecter une accélération importante. Bien entendu, de nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaltront à l'homme de l'art. Par exemple, au lieu d'un enroulement en une seule couche tel que dé- crit précédemment, on pourra prévoir un premier dépôt d'aluminium configuré en bobine comme cela a été décrit, puis un revêtement de l'ensemble de la structure par un isolant et la formation d'une deuxième spire d'aluminium déposée. Des modifications de forme pourront aussi être apportées aux ailes constituant les poutres encastrées. Par exemple, ces ai- les pourront avoir une première épaisseur dans leurs parties éloi- gnées de l'encastrement et une deuxième épaisseur, plus faible, dans une région en forme de bande longeant la région d'encastre- ment et comprenant des détecteurs piézor6sistifs. A titre d'exemple, la premi&re épaisseur pourrait être de l'ordre de 30 micromètres et la deuxième de l'ordre de 10 micromètres. On ob- tient ainsi une structure très sensible tout en conservant une bonne rigidité aux ailes. 26448 97 REVENDIC.ATIONS 1. Micromagnatomêtre caractérisé en ce qu'il comprend au moins une poutre encastrée (2; 5, 6) dont une surface principale porte une partie d'un enroulement (3), constitué d'une métallisa- tion, et dont une surface principale comprend des moyens piézor4- sistifs de détection de contrainte (4; 20-23). 2. Micromagnitomètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite poutre est encastrée dans un pied (1) formé d'une seule pièce avec elle à partir d'un bloc de silicium. 3. Micromagnétomètre selon la revendication 1, caracté- ris& en ce que ledit enroulement est parcouru par un courant al- ternatif de fréquence égale à la fréquence de résonance mécanique de la poutre obtenu par un circuit d'asservissement (31-33) en utilisant la sortie des moyens pi&zorésistifs. 4. Micromagnétomêtre selon la revendication 1, caractc- risé en ce que chaque poutre comprend une région amincie en forme de bande le long de sa ligne d'encastrement. 5. Micromagnétomètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que deux poutres symétriques (5, 6) s'itendent de part et d'autre d'un pied (1), un même enroulement (13) étant formé sur l'ensemble des deux poutres. 6. Micromagnétomètre selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les poutres s'étendent latéralement de part et d'autre du pied, sur une faible étendue, et se rejoignent, de façon à assurer un couplage des poutres (Figures 6B-E). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est associé à un circuit d'asser- vissement constitué de conducteurs disposés en regard des poutres et parcourus par un courant pour fournir un champ de contre- réaction propre à s'opposer au champ extérieur à mesurer. 8. Micromagn&tomètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le détecteur piézorésistif est constitué d'un pont de résistances formées par diffusion d'un dopant du type de conductivité opposé dans le silicium formant les poutres, en ce que ce détecteur est disposé au voisinage du pied, et en ce qu'il comprend quatre résistances disposées deux I deux parallèlement et reliées de façon à délimiter une région de surface minimale. 9. Micromagnétomètre selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'enroulement est une métallisation d'aluminium disposée selon des spires concentriques, la spire la plus externe allant d'une poutre I l'autre, au bord de ces poutres. 10. Micromagn&tomètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que l'enroulement est constitué de plusieurs enroulements élémentaires formés dans des plans su- perposés et isolés entre eux.