Brevet FR2657170A1 — publié le 19910719

Capteur d'accélération destiné à la mesure d'oscillations, et procédé pour sa mise en oeuvre" L'invention part d'un capteur destiné à la mesure d'oscillations, notamment de mesure d'accé- lération réalisé dans un support en matière monocristalline, dans lequel est dégagé par mordançage au moins une languette vibrante, et dispose de moyens pour l'évaluation de la déviation d'au moins une languette On connaît déjà d'après la demande de brevet P 38 14 952 des capteurs d'accélération à base de micromécanique de silicium, sur lesquels une languette, qui est suspendue à une ou plusieurs barrettes, est déviée perpendiculairement à la surface de la microplaquette L'allongement des barrettes est déterminé à l'aide de piézorésistances disposées dans un pont de Wheatstone La masse séismique des capteurs opérant de manière piézorésistive exige une surface relativement grande pour les microplaquettes Compte tenu de la masse séismique constituée par une languette et de sa direction d'oscillation perpendiculairement à la surface de la microplaquette, un capsulage du capteur est souvent nécessaire ainsi qu'une diminution de pression à l'intérieur du capteur, sinon l'oscillation de la languette est trop amortie Par ailleurs des capteurs travaillant de manière piézorésistive présentent une forte sensibilité à la température. On connaît d'après la demande de brevet P 39 27 163 non précisément publiée la possibilité d'obtenir par mordançage des structure dans des pastilles de semi-conducteurs. Le capteur est caractérisé en ce que la languette est disposée verticalement par rapport à la surface du support en ce que la languette est disposée en regard d'une électrode, en ce que la languette et l'électrode sont isolées électriquement entre elles et en ce que la variation de capacité entre la languette et l'électrode est mesurable et a pour avantage que le dispositif verticale des languettes permet de réaliser des capteurs avec une surface des microplaquettes très réduite Cette disposition permet également l'exploi- tation du capteur avec une pression normale De même, il s'avère avantageux que les languettes oscillent dans le plan de la microplaquette et soient protégées par la microplaquette elle-même en cas de surcharge. On peut considérer comme un autre avantage le fait que l'évaluation capacitive des signaux du capteur n'exige que des languettes à faible épaisseur, car il ne doit pas y être intégré de piézorésistances. D'autres améliorations de l'invention sont caractérisées en ce que: le support présente une couche inférieure et une couche supérieure, qui, en raison de leur dopage négatif ou positif, constituent un passage pn ou np et en ce que l'isolement de la languette et de l'électrode réalisées dans la couche supérieure est constitué par des tranchées creusées par mordançage qui traversent entièrement la couche supérieure. le support présente une couche inférieure et une couche supérieure, qui, en raison de leur dopage négatif ou positif, constituent un passage pn ou bien np et en ce que l'isolement de la languette et de l'électrode réalisées dans la couche supérieure est effectuée au moyen de diffusion isolantes, qui pénètrent entièrement dans la couche supérieure. plusieurs languettes sont respectivement en regard d'une électrode correspondante. il est adjoint à chaque languette avec l'électrode correspondante une autre languette avec une autre électrode, cette autre languette ayant par rapport à l'autre électrode une direction de déplacement opposée à celle de la languette avec l'électrode. les électrodes partent en forme de peigne d'un socle d'électrodes et en ce que les languettes partent en forme de peigne d'au moins un socle de languettes. il est adjoint à chaque languette une autre électrode et en ce que la languette a, par rapport à l'autre électrode, une direction de déplacement opposée à la direction de déplacement par rapport à l'électrode. la tranchée du capteur creusée par mordançage est corrodée dans le support à l'aide de la technique de masquage photographique avec des surfaces de délimitation latérales s'étendant de manière essentiellement perpendiculaire aux deux surfaces principales du support et une surface de base s'étendant de manière essentiellement parallèle aux deux surfaces principales à partir de la surface du support en opérant par mordançage anisotrope, par exemple par mordançage ionique réactif ou par mordançage chimique humide, de telle sorte que la couche supérieure soit entièrement décapée et qu'ensuite, pour constituer au moins une languette, la partie de tranchée corrodée qui entoure la languette à dégager soit pourvue à proximité de sa surface de base d'un sous-mordançage latérale. la tranchée corrodée du capteur est corrodée dans le support à l'aide de la technique de masquage photographique avec des surfaces de délimitation latérales s'étendant de manière essentiellement perpendiculaire aux deux surfaces principales du support et une surface de base s'étendant de manière essentiellement parallèle avec deux surfaces principales, à partir de la surface du support, en opérant par mordançage ionique anisotrope réactif ou par mordançage chimique humide anisotrope, de telle sorte que la couche supérieure soit entièrement décapée et que le dégagement d'au moins une languette soit effectué par mordançage de la face arrière, de manière à ce qu'en partant d'une fenêtre corrodée produite par une technique de photomasquage sur la face inférieure non encore structurée du support, la couche inférieure soit entièrement décapée par un processus de mordançage anisotrope. la fenêtre corrodée soit choisie de telle sorte que les électrodes fixes reposent, au moins par leurs deux extrémités, sur la matière support. Un avantage particulier du capteur d'après l'invention réside en ce que le passage pn ou np contre la couche supérieure et la couche inférieure ne sert pas seulement à l'isolement de la languette et de l'électrode par rapport à la couche inférieure, mais aussi comme limite d'arrêt du mordançage lors du sous- mordançage électrochimique de la languette à partir de la surface support ou pour le mordançage de la face arrière qui sert à l'isolement de la languette mobile par rapport à l'électrode fixe Il est avantageux que la capacité de repos du capteur puisse être augmentée de manière particulièrement simple par le montage en parallèle de plusieurs capacités respectivement constituées par une languette et par une électrode fixe Un autre avantage réside dans l'augmentation de sensibilité du capteur grâce à l'évaluation de la différence de capacité de deux dispositions languette- électrode, qui réagissent mutuellement par une variation de capacité opposée lors de l'accélération en raison de la position des languettes respectives mobiles par rapport à leurs électrodes fixes. Un autre avantage réside en ce que le capteur peut être réalisé avec les méthodes standard de la technique de mordançage. Des exemples d'exécution de l'invention seront expliqués en détail dans la description ci- après, et représentée aux dessins dans lesquels: la figure 1 montre une vue de-dessus d'un capteur. la figure 2 montre une coupe du capteur d'après la figure 1 dans le plan A-A. la figure 3 et la figure 4 montrent des vues d'en-dessus respectives d'un autre capteur d'après la figure 1. On a désigné par 10 à la figure 1 un support en matière monocristalline qui est utilisé par exemple pour une pastille de silicium Toutefois une pastille dans une autre matière de semi-conducteur, telle que l'arséniure de gallium ou le germanium convient également Le support est constitué par une couche inférieure 21 et par une couche supérieure 20, comme représenté à la figure 2 Il s'agit habituellement pour la couche inférieure 21 d'un substrat dopé de type p et pour la couche supérieure 20 d'une couche d'épitaxie de type N appliqué sur celui-ci autant que possible, il est procédé à un dopage inverse des couches, car un passage pn de même que np exerce un effet isolant pour un montage en direction du barrage. Une tranchée effectuée par mordançage 11, qui est décapée dans la surface du support 16 au moyen d'un procédé de mordançage anisotrope ou d'autre procédé approprié produisant des tranchées verticales, traverse entièrement la couche supérieure 20 et donne lieu à deux domaines isolés électriquement l'un de l'autre L'une des domaines comprend un socle de languette 14 avec une languette 12 vibrant dans le plan du support et l'autre domaine comprend un socle d'électrode 15 avec l'électrode 13 non mobile La languette 12 a, par exemple une largeur de 5 pm, une longueur de 1 à 2 mm et une hauteur de 10 à 15 pmu Le grand côté de la languette 12 est situé en regard du grand côté de l'électrode 13, à une distance de 2 pi, par exemple, cette distance variant lors de la vibration de la languette 12 Le socle de la languette 14 et le socle de l'électrode 15 servent de connexions électriques de la capacité constituée par la languette 12 et par l'électrode 13 La figure 2 montre que la languette 12 et dégagée par un mordançage inférieur 22 Un mordançage inférieur de la languette 12 peut être obtenue par exemple, par attaque chimique de la face arrière ou bien par un mordançage inférieur partant de la face avant Il est également possible de dégager par mordançage plusieurs languettes et plusieurs électrodes avec leur socle dans une surface support 16 et de les regrouper, par exemple, en un montage en parallèle de capteurs à fonctionnement capacitif, comme le montre par exemple la moitié supérieure à la figure 3 Ici deux languettes 121 vibrant dans le plan du support partent d'un socle de languettes 141 perpendiculairement à celui- ci et constituent avec les électrodes 131 non mobiles montées en regard, qui partent d'un socle d'électrodes , deux capacités montées en parallèle. Le capteur représenté à la figure 3 est constitué à nouveau par un support à deux couches 10, dont la couche supérieure 20 présente plusieurs domaines en forme de peigne isolés électriquement entre eux par une tranchée creusée par mordançage 11. Un socle de languettes 141 en forme de barre avec deux languettes 121 vibrant dans le plan du support, qui sont perpendiculaires au socle de languettes 141, est disposé parallèlement au socle de languettes 142 structuré de manière identique et pourvu également de deux languettes 122 vibrant dans le plan du support, de telle sorte que les languettes 121 et 122 se trouvent en regard Dans l'intervalle se trouve le socle d'électrodes 15, situé parallèlement avec deux socles de languettes 141 et 142, dont partent deux électrodes 131 non mobiles en direction du socle de languettes 141, de même que deux électrodes non mobiles 132 en direction du socle de languettes 142. Le nombre des languettes et des électrodes peut varier à volonté La distance du socle de languettes 141 au socle d'électrodes 15 et celle du socle d'électrodes 15 au socle de languettes 142 sont, ainsi que la longueur des languettes et des électrodes, choisies, de telle que les grands côtés des languettes 121 se trouvent en regard des grands côtés des électrodes 131, à une distance de 2 pm, par exemple, et que les grands côtés des languettes 122 se trouvent en regard des grands côtés des électrodes 132, à une distance analogue Les deux languettes 121 constituent avec les deux électrodes 131 deux capacités montées en parallèle, qui sont en regard des deux capacités également montées en parallèle, qui sont constituées par les deux languettes 122 en corrélation avec les deux électrodes 132 Par ailleurs, la disposition des languettes 121 par rapport à leurs électrodes 131 est opposée à celle des languettes 122 par rapport à leurs électrodes 132, afin qu'une accélération déviant les languettes provoque, avec les capacités en regard des variations de distance opposées entre languettes et électrodes Avec cette disposition, la capacité de repos du capteur est influencée par le montage en parallèle de plusieurs capacités; et par ailleurs la sensibilité est augmentée par l'évaluation de la différence de capacités variant en sens opposé A la figure 3, on a désigne par 30 le bord inférieur d'une fenêtre 30 obtenue par mordançage de la face arrière. Sa position doit être choisie de manière à ce que les languettes soient certes reliées rigidement au socle de languettes, mais que leurs pointes puissent osciller librement Par contre, les électrodes ne doivent pas seulement être reliées rigidement au socle d'électrodes mais être aussi, en plus, reliées au moins en un autre endroit à la couche inférieure 21. La figure 4 représente un capteur dégagé par mordançage dans un support 10 à deux couches, dont une couche inférieure 21 et une couche supérieure 20, ces deux couches constituant un passage pn ou np en raison de leurs dopages différents qui isole, lors d'une mise en circulation en direction du blocage, la couche supérieure 20 par rapport à la couche inférieure 21. Grâce à deux tranchées 11 creusées par mordançage en forme d'U, qui traversent entièrement la couche supérieure 26, associées respectivement à un mordançage inférieur 22 latéral, on obtient dans la couche supérieure deux languettes 12, partant d'un socle de languettes 14, qui peuvent osciller dans le plan du support Une telle languette 12 sert d'électrode mobile d'un condensateur à plaques différentiel pourvu de deux électrodes fixes 131 et 132 qui sont constituées par les parties de la bordure des tranchées 11 creuses en forme d'U, qui subsistent parallèlement aux languettes 12 L'isolement des languettes 12 et des électrodes 131 et 132 entre elles est effectué dans la couche supérieure 20 par une diffusion isolante 23, qui pénètre entièrement dans la couche supérieure 20 Il s'agit ici d'une diffusion p, si la couche supérieure 20 est dopée négativement, ou d'une diffusion n, si la couche supérieure 20 est dopée positivement Les languettes 12 et les électrodes 131 et 132 sont ainsi aussi bien isolées entre elles que par rapport à la couche inférieure 21 par les passages pn Afin de pouvoir évaluer les variations de capacité des condensateurs à plaques différentiels lors de la déviation des languettes 12 au moyen d'une mise en circuit, il se trouve respectivement sur les extrémités des languettes 12 et des électrodes 131 et 132 situées du côté du socle de languettes une connexion métallique 24 sur la surface du support 16 Par suite de la déviation des languettes 12, la capacité entre la languette 12 et l'électrode 131, par exemple, augmente, tandis que la capacité entre la languette 12 et l'électrode 132 diminue Avec le montage en parallèle de plusieurs condensateurs à plaques différentiels de ce type, les électrodes voisines fixes 131 et 132 doivent être isolées entre elles, afin de ne pas compenser l'augmentation de capacité d'un côté par une réduction de capacité de l'autre côté Sur l'exemple d'exécution représenté, cela s'effectue au moyen d'une diffusion isolante 23, qui pénètre entièrement dans la couche Une tranchée isolante, telle que représentée aux figures 1 et 3, convient également. REVENDICATIONS 1 ) Capteur de mesure d'oscillations, notamment de mesure d'accélération réalisé dans un support ( 10) en matière monocristalline, dans lequel est dégagé par mordançage au moins une languette ( 12) vibrante, et dispose de moyens pour l'évaluation de la déviation d'au moins une languette ( 12) , caractérisé en ce que la languette ( 12) est disposée verticalement par rapport à la surface du support ( 16) en ce que la languette ( 12) est disposée en regard d'une électrode ( 13), en ce que la languette ( 12) et l'électrode ( 13) sont isolées électriquement entre elles et en ce que la variation de capacité entre la languette ( 12) et l'électrode ( 13) est mesurable. 20) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support ( 10) présente une couche inférieure ( 21) et une couche supérieure ( 20), qui, en raison de leur dopage négatif ou positif, constituent un passage pn ou np et en ce que l'isolement de la languette ( 12) et de l'électrode ( 13) réalisées dans la couche supérieure ( 20) est constitué par des tranchées ( 11) creusées par mordançage, qui traversent entièrement la couche supérieure ( 20). 30) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support ( 10) présente une couche inférieure ( 21) et une couche supérieure ( 20), qui, en raison de leur dopage négatif ou positif, constituent un passage pn ou bien np et en ce que l'isolement de la languette ( 12) et de l'électrode ( 13) réalisées dans la couche supérieure est effectuée au moyen de diffusion isolantes ( 23), qui pénètrent entièrement dans la couche supérieure ( 20). ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que plusieurs languettes sont respectivement en regard d'une électrode ( 13) correspondante. ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est adjoint à chaque languette ( 12) avec l'électrode correspondante ( 13) une autre languette avec une autre électrode, cette autre languette ayant par rapport à l'autre électrode une direction de déplacement opposée à celle de la languette ( 12) avec l'électrode ( 13). 6 ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les électrodes ( 131, 132) partent en forme de peigne d'un socle d'électrodes ( 15) et en ce que les languettes ( 121, 122) partent en forme de peigne d'au moins un socle de languettes ( 141, 142). ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est adjoint à chaque languette ( 12) une autre électrode ( 132) et en ce que la languette ( 12) a, par rapport à l'autre électrode ( 132), une direction de déplacement opposée à la direction de déplacement par rapport à l'électrode ( 131). 8 D) Procédé de fabrication d'un capteur pour la mesure d'oscillations selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tranchée ( 11) du capteur creusée par mordançage est corrodée dans le support ( 10) à l'aide de la technique de masquage photographique avec des surfaces de délimitation latérales s'étendant de manière essentiellement perpendiculaire aux deux surfaces principales du support et une surface de base s'étendant de manière essentiellement parallèle aux deux surfaces principales à partir de la surface du support ( 10) en opérant par mordançage anisotrope, par exemple par mordançage ionique réactif ou par mordançage chimique humide, de telle sorte que la couche supérieure ( 20) soit entièrement décapée et qu'ensuite, pour constituer au moins une languette ( 12), la partie de tranchée corrodée ( 11) qui entoure la languette à dégager soit pourvue à proximité de sa surface de base d'un mordançage inférieur latéral ( 22). ) Procédé de fabrication d'un capteur pour la mesure d'oscillations selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tranchée corrodée ( 11) du capteur est corrodée dans le support ( 10) à l'aide de la technique de masquage photographique avec des surfaces de délimitation latérales s'étendant de manière essentiellement perpendiculaire aux deux surfaces principales du support et une surface de base s'étendant de manière essentiellement parallèle avec deux surfaces principales, à partir de la surface du support ( 16), en opérant par mordançage ionique anisotrope réactif ou par mordançage chimique humide anisotrope, de telle sorte que la couche supérieure ( 20) soit entièrement décapée et que le dégagement d'au moins une languette ( 12) soit effectué par mordançage de la face arrière, de manière à ce qu'en partant d'une fenêtre corrodée ( 30) produite par une technique de photomasquage sur la face inférieure non encore structurée du support ( 10), la couche inférieure ( 21) soit entièrement décapée par un processus de mordançage anisotrope. ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fenêtre corrodée soit choisie de telle sorte que les électrodes fixes reposent, au moins par leurs deux extrémités, sur la matière support.