Brevet FR2656687A1 — publié le 19910705

PROCEDE DE MONTAGE D'UNE PIECE MECANIQUE COMPORTANT UN ELEMENT SENSIBLE DEFINISSANT, AVEC UN SUPPORT, UN CONDENSATEUR VARIABLE, PIECE MECANIQUE ET OUTIL POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention est relative au domaine technique des méthodes ou des procédés de montage sur un support, d'une pièce mécanique comportant un élément flexible définissant, avec le support, un condensateur variable. De telles pièces sont destinées à constituer, de préférence mais non exclusivement, une membrane ou un capteur de grandeurs mécaniques, du type capacitif. Dans des domaines d'application spécifiques, il apparaît nécessaire d'utiliser un capteur capacitif de grandeurs mécaniques, telles que force, pression ou accélération, destiné à délivrer des signaux électriques représentatifs des grandeurs mesurées et devant être appliqués à des chaînes électroniques de traitement, afin de permettre des mesures, contrôles, régulations ou asservissements automatiques. Selon une application préférée, un tel capteur capacitif se présente sous la forme d'une poutre en porte-à-faux, réalisée en un substrat semi-conducteur monolithique et comporte, au moins, un élément flexible d'épaisseur déterminée, rattaché à un pied d'ancrage sur le substrat. L'élément flexible détermine une armature mobile d'un condensateur variable dont l'armature fixe est constituée par une zone conductrice formée dans le substrat. L'espace interarmatures est constitué par l'intervalle dégagé qui sépare l'élément flexible du substrat. La technique de fabrication de ces capteurs présente une première difficulté particulière qui est celle de déterminer, avec précision, l'épaisseur de l'élément flexible. Cette caractéristique dimensionnelle doit être déterminée avec précision, de manière à permettre l'obtention d'un capteur de sensibilité donnée. Une seconde difficulté de réalisation réside dans le respect de la différence de niveau existant entre le substrat et L'élément flexible, dans la mesure où cette différence constitue l'espace interarmatures déterminant la capacité initiale du condensateur variable ainsi formé. Un premier procédé de fabrication de ces capteurs consiste, conformément au brevet US 4 670 092, à attaquer un substrat de base sur une profondeur déterminée, en relation avec l'épaisseur intiale du substrat, de manière à laisser subsister un élément flexible d'épaisseur correspondante. Un inconvénient de cette technique réside dans le fait que l'élément flexible ne peut pas présenter des épaisseurs réduites, dans la mesure où le substrat doit comporter une épaisseur relativement grande pour présenter une tenue mécanique suffisante. De plus, il s'avère que cette technique ne permet pas d'obtenir des épaisseurs déterminées pour l'élément flexible, dans la mesure où les substrats de base possèdent des épaisseurs initiales différentes dues aux tolérances de fabrication. Pour remédier partiellement à cet inconvénient, il peut être envisagé de fabriquer les capteurs à partir de susbrats de base comportant des tolérances de fabrication plus réduites. Cette solution a pour conséquence d'augmenter, de manière prohibitive, le coût de fabrication de ces capteurs. Un second procédé de fabrication, connu par le document "Extended abstracts of the electrochemical Society", vol. 82-1, o mai 1982, abstract n 120, p. 188-189, PENNINGTON, NEW JERSEY, US, consiste à former une couche épitaxiale servant de couche diarrêt d'attaque chimique et permettant de délimiter l'épaisseur de l'élément flexible. Ce procédé présente des inconvénients, dans la mesure où, du fait de l'attaque chimique anisotrope, les contours de l'élément flexible sont mal délimités. Par ailleurs, un tel procédé nécessite la réalisation d'une couche épitaxiale d'une épaisseur donnée et précise, ce qui augmente, de manière non négligeable, le coût de fabrication de ces capteurs. Un troisième procédé de fabrication a été mis au point, selon la demande de brevet EP 89-420 370.2, pour s'affranchir des inconvénients énoncés ci-dessus et permettant la réalisation d'un capteur dont l'élément sensible présente une épaisseur pouvant être déterminée, à volonté et de façon précise, quelle que soit l'épaisseur initiale du substrat de base. Ce procédé de fabrication consiste à réaliser des opérations de photogravure de couches sensibles déposées sur les faces opposées du substrat, de manière, d'une part, à former une zone périphérique délimitant le contour du capteur et, d'autre part, à délimiter le contour du pied d'ancrage. La zone périphérique est attaquée pour former un sillon de profondeur déterminée par rapport à la face correspondante et égale à L'épaisseur de l'élément flexible. Le substrat est, également, attaqué selon sa face opposée jusqu'au fond du sillon, de manière que le capteur se détache du substrat pour être placé dans une zone de non-attaque permettent d'obtenir un élément flexible d'épaisseur déterminée. Si un tel procédé de fabrication permet la réalisation d'un capteur comportant un élément flexible d'épaisseur déterminée, il apparaît un problème qui est celui du montage du capteur ainsi formé sur un support. L'invention vise à résoudre ce problème en proposant un procédé de montage sur un support d'une pièce mécanique, comportant au moins un élément flexible définissant, avec le support, au moins un condensateur variable permettant de définir, avec précision, l'intervalle d'interarmatures intervenant entre l'élément flexible de la pièce et le support. L'invention vise, également, à offrir un procédé de montage d'une pièce mécanique sur un support assurant un positionnement des armatures selon des plans sensiblement parallèles. Pour atteindre les objectifs énoncés ci-dessus, le procédé de montage selon l'invention, sur un support, d'une pièce mécanique, telle qu'un capteur ou une membrane, constituée, d'une part, par un pied d'ancrage comportant une face de liaison s'étendant dans un plan de référence et, d'autre part, par au moins un élément flexible rattaché au pied d'ancrage et s'étendant selon une face déterminant une armature mobile dans un plan situé en retrait du plan de référence, de manière à constituer, en relation d'une armature fixe correspondante portée par le support, un intervalle libre définissant, avec les armatures, un condensateur variable, comprend les étapes suivantes - réaliser une surépaisseur saillante située sensiblement à L'aplomb de la face de liaison du pied d'ancrage, - procéder au dépôt d'une couche de l'un des constituants d'un eutectique sur au moins une zone de fixation du support destinée à recevoir la face de liaison du pied d'ancrage, - amener la pièce mécanique à l'aide d'un outil de préhension adapté pour maintenir la pièce par sa surépaisseur, à coopérer, par sa face de liaison, avec la zone de fixation du support, - procéder à une élévation de température jusqu'à un point d'eutexie de L'eutectique dont le second constituant est formé par la pièce, - exercer un effort localisé sur la surépaisseur pour assurer un contact plan entre la face de liaison et la zone de fixation, - et soumettre, simultanément à L'application de L'effort localisé, la pièce ou le support à des sollicitations mécaniques permettant d'obtenir, par brasure, un ancrage de la pièce sur le support. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. La fig. 1 est une vue en perspective illustrant un exemple de réalisation d'une pièce mécanique adaptée pour la mise en oeuvre du procédé de montage conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue en coupe prise sensiblement selon la ligne II-II de la fig. 1. Les fig. 3A à 3H sont des vues en coupe montrant un exemple des différentes phases de réalisation d'une pièce mécanique selon L'invention. La fig. 4 est une vue en coupe partielle explicitant le procédé de montage conforme à l'invention. La fig. 5 est une vue en coupe montrant une pièce mécanique montée sur un support. La fig. 6 est une vue en coupe montrant un autre exemple de réalisation d'une pièce mécanique adaptée pour être montée sur un support par l'intermédiaire duprocédé selon l'invention. La fig. 7 est une vue en coupe montrant un autre exemple de réalisation d'une pièce mécanique permettant de mettre en oeuvre le procédé de montage selon l'invention. Les fig. 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation d'une pièce mécanique 1 adaptée pour constituer, dans cet exemple, un capteur intégré de grandeurs mécaniques et apte à fournir un signal de niveau compatible avec les techniques de traitement électronique. Le capteur 1, qui peut, notamment, constituer un accéléromètre, est réalisé, de préférence mais non exclusivement, en un substrat de base en silicium monocristallin. Le capteur 1 est constitué par au moins un pied d'ancrage 2 présentant une face plane 3 de liaison s'étendant dans un plan de référence P. Le capteur 1 comporte, également, au moins un et, dans l'exemple illustré, deux éléments 4 déformables en flexion et rattachés au pied d'ancrage 2 en s'étendant en porte-à-faux à partir de ce dernier. Les éléments flexibles 4 se trouvent reliés ensemble, à leur extrémité libre, par une partie terminale 5.Chaque élément flexible 4 comporte une face 6 s'étendant dans un plan P1 situé en retrait du plan de référence P et définissant, en relation de la partie terminale 5, une armature 7 d'un condensateur dont la fonction et la constitution seront détaillées dans la suite de la description. Il est à noter que les éléments flexibles 4 sont réalisés en un matériau suffisamment dopé pour former des électrodes ou des armatures conductrices. De plus, il doit être considéré que chaque élément flexible 4 présente une épaisseur déterminée E comprise entre 10 et 100 microns, tandis que la mesure e, séparant les plans P et P1, est de L'ordre de quelques microns. Conformément à L'invention, Le capteur 1 est muni d'une surépaisseur 8 située sensiblement à l'aplomb de la face de liaison 3 du pied d'ancrage. La surépaisseur 8, dont la fonction apparaîtra plus clairement dans la suite de la description, est prévue pour présenter au moins une partie s'établissant à l'aplomb de la face de liaison 3 et, pour être saillante par rapport à la face 9 des éléments flexibles 4, opposée à la face 6. Dans L'exemple illustré, la surépaisseur 8 comporte une face plane 11 s'étendant dans un plan sensiblement parallèle aux plans P, P1 et s'établissant pratiquement complètement en relation de la face de liaison 3. Le capteur 1 décrit ci-dessus est, de préférence, réalisé par le procédé de fabrication illustré aux fig. 3A à 3H. A partir d'un substrat 12 de nature adaptée à la pièce à réaliser, tel que du silicium monocristallin dans l'exemple illustré, une couche sensible 13 est déposée sur la face de référence A du substrat tfig. 3A). La couche sensible 13 est soumise à une opération de photogravure (fig. 3B), destinée à délimiter le contour S de la face de liaison 3 du pied d'ancrage 2. La face A est alors attaquée sur une profondeur déterminée correspondant à la mesure e (fig. 3C). Une couche sensible 14 est alors déposée sur la face du substrat venant d'être attaquée (fig. 3D). La couche sensible 14 est alors soumise à une opération de photogravure (fig. 3E) permettant de former une zone périphérique c délimitant le contour en plan du capteur, tel que défini au niveau du plan P1. La zone périphérique c est soumise à une attaque de gravure, de manière qu'apparaisse un sillon 15 de profondeur déterminée correspondant à l'épaisseur E des éléments flexibles 4 (fig. 3F). Après le dépôt d'une couche sensible 15 sur la face A1 du substrat, opposée à la face A (fig. 3G), une opération de photogravure de cette couche 15 est réalisée pour délimiter, en plan, La face 11 de la surépaisseur 8 (fig. 3H). La face A1 est soumise à une attaque de gravure qui est poursuivie jusqu'au fond du sillon 15, de manière à obtenir la découpe du capteur à partir du substrat 12. Le capteur ainsi découpé, correspondant à celui illustré sur les fig. 1 et 2, est immédiatement placé dans une zone d'arrêt de gravure, permettant d'obtenir des éléments flexibles 4 d'épaisseur déterminée E. Il doit être noté que le procédé de fabrication du capteur décrit ci-dessus peut mettre en oeuvre une attaque par plasma ou un bain liquide d'attaque anisotropique ou isotropique. Tel que cela apparaît plus précisément aux fig. 4 et 5, le capteur 1 ainsi fabriqué est destiné à être monté, conformément à L'invention, sur un support 18, de manière que chaque armature mobile 7 d'un élément flexible 4 soit positionnée en relation de distance d'une armature fixe 19, pour former un condensateur. L'intervalle, séparant la face de L'armature fixe 19 et la face 6, constitue le diélectrique des condensateurs ainsi formés. Dans l'exemple illutré, Le support 18 est constitué par un substrat d'alumine présentant une épaisseur de L'ordre de 0,6 à 1 millimètre. Préalablement au montage proprement dit du capteur 1 sur le support 18, ce dernier est pourvu d'un constituant d'un eutectique, déposé selon une couche, sur une zone 21, destinée à recevoir la face de liaison 3 du pied d'ancrage 2. Par exemple, le constituant de L'eutectique déposé est de l'or, dont L'épaisseur de la couche est de L'ordre du micron. Bien entendu, l'armature fixe 12 est également réalisée sur le support, de préférence par l'intermédiaire du dépôt d'une couche d'or. De plus, il doit être considéré que la zone 21 et l'armature fixe 19 sont reliées par des chemins conducteurs, non représentés, à des connexions permettant d'accéder aux bornes des armatures fixes et mobiles. Le capteur 1 est destiné à être déplacé, par l'intermédiaire d'un outil de préhension 22 coopérant avec la surépaisseur 8, de manière que la face de liaison 3 du pied d'ancrage 2 vienne coopérer avec la zone de fixation 21 du support. Par ailleurs, L'outil de préhension 22 exerce un effort localisé sur la face 11 de la surépaisseur 8, de manière à assurer un contact plan, entre la face de liaison 3 et le support 18. Le positionnement plan du pied d'ancrage 2 sur le support 18 permet de garantir une valeur donnée à l'intervalle existant entre les armatures 7, 19. Le capteur 1 et le support 18 qui peut être posé sur un plateau chauffant 24, sont soumis à une élévation de température jusqu a un point d'eutexie de L'eutectique, dont le premier constituant est formé par l'or déposé dans la zone 21 et le second constituant par le matériau constituant le capteur. Le support 18 et/ou le capteur 1 est simultanément soumis à des sollicitations mécaniques permettant d'obtenir une interdiffusion entre les deux constituants de l'eutectique. Un tel montage par brasure assure une fixation efficace de la pièce sur le support. Le procédé de montage conforme à l'invention permet donc, à partir d'un capteur présentant au moins un élément flexible 4, d'épaisseur E donnée, d'obtenir un intervalle déterminé entre l'armature fixe 19 et L'armature mobile 7 d'un condensateur, puisque la mesure e du capteur correspond exactement à cet intervalle interarmatures, en raison du mode de fixation utilisé qui assure le positionnement de la face de liaison 3 directement au niveau de la surface 18a du support, à l'épaisseur près de la zone 21 et de l'armature 19. De plus, l'appui plan obtenu, entre la face de liaison 3 et la surface 18a du support, permet de positionner les armatures 7, 19 dans des plans parallèles. Le respect des deux caractéristiques énoncées ci-dessus assure une détermination précise de la capacité du ou des condensateurs ainsi formés. Le procédé de montage qui vient d'être décrit pour fabriquer un capteur capacitif, constitué sous la forme d'une poutre en porte-à-faux comportant deux éléments flexibles rattachés à un pied d'ancrage, peut être, bien entendu, mis en oeuvre pour réaliser un capteur å un ou plusieurs condensateurs et comportant plusieurs pieds d'ancrage et/ou divers éléments flexibles d'épaisseur déterminée, égale ou non. De plus, il peut être prévu de munir ces capteurs de surcharges localisées, positionnées, par exemple, à L'aplomb de L'armature mobile de ltélément flexible. Par ailleurs, le procédé selon L'invention est adapté pour le montage de pièces de formes et de fonctions diverses. A cet égard, la fig. 6 illustre une pièce mécanique 1 formant une membrane constituée d'un élément flexible 4 rattaché à deux pieds d'ancrage 2 munis chacun d'une surépaisseur 8. Par ailleurs, les pièces mécaniques peuvent être réalisées dans un matériau donné, tel que du silicium ou du cuivre, en fonction de L'application visée. De plus, il doit être considéré que le matériau constitutif du support 18 est choisi de manière que le coefficient de dilatation de ce matériau soit sensiblement du même ordre que celui du matériau constituant la pièce mécanique 1. Bien entendu, un tel matériau constitutif du support doit assurer, également, une isolation entre la zone 21 de fixation du pied d'ancrage et l'armature fixe 19. Egalement, Le support 18 doit permettre le dépôt de couches d'un matériau destinées à former la zone de fixation 21 et l'armature fixe 19. Un matériau convenant particulièrement bien pour assumer toutes ces fonctions attachées au support 18 est l'alumine. La fig. 4 illustre, de façon simplifiée, un exemple de réalisation d'un outil de préhension 22 permettant la mise en oeuvre du procédé de montage selon l'invention. L'outil 22 comporte une tête de préhension 26 dans laquelle est ménagé, sur sa face transversale 26a, un évidement ouvert 28 délimité par un bord périphérique 28a, de préférence en dépouille, assurant une fonction d'appui et de centrage de la surépaisseur 3 du capteur 1. L'évidement 28 présente, par exemple, une section droite de forme polygonale pour assurer un centrage de la surépaisseur 8 présentant un contour, au moins partiellement, complémentaire. La tête 26 est pourvue, également, d'au moins un conduit d'aspiration 31 débouchant dans l'évidement 28 pour créer une dépression, entre le fond de l'évidement 28 et la face 11 de la surépaisseur, de manière à assurer le maintien du capteur coopérant avec le bord périphérique 28a de l'évidement. La tête de préhension 26 est équipée, également, d'un organe presseur 32 débouchant dans L'évidement 28 pour être en mesure d'exercer un effort localisé sur la surépaisseur 8. De préférence, l'organe presseur 32 est pourvu d'une partie terminale pointue 32a et se trouve monté de façon amovible dans la tête 26, tout en offrant une possibilité de réglage de la hauteur de la partie terminale 32a en saillie à l'intérieur de l'évidement 28. La tête de préhension 26 est adaptée sur une machine classique, non représentée, apte à assurer le déplacement du capteur à partir de son aire de stockage jusqu'au support 18 de montage. La tête de préhension peut, également, être animée de mouvements alternatifs linéaires et/ou de rotation pour soumettre le capteur à des sollicitations mécaniques lorsqu'il est en contact avec le support. De la même façon, Le plateau 24 peut être également animé de mouvements alternatifs linéaires et/ou rotatifs pour soumettre le support à des vibrations. De préférence, Les sollicitations mécaniques, exercées sur le support ou le capteur pour obtenir une interdiffusion convenable entre les constituants de l'eutectique, sont engendrées par des ultrasons générés par une source non représentée. La fig. 7 illustre un autre exemple de réalisation d'un outil de préhension permettant de mettre en oeuvre le procédé de montage selon l'invention. Dans cet exemple, la tête de préhension 26 est équipée d'un tenon 34 pourvu de conduits d'aspiration 31 et d'un organe presseur 32, tel qu'une pointe. Le tenon 34 est destiné à coopérer avec une mortaise 35 ménagée dans la surépaisseur 8 du capteur, selon un axe sensiblement perpendiculaire à La face 11. Le tenon 34 possède un bord externe d'appui et de centrage 34a destiné à coopérer avec le bord périphérique 35a de la mortaise. Avantageusement, la mortaise 35 est réalisée par un procédé de photogravure classique. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé de montage sur un support (18), d'une pièce mécanique (1), telle qu'un capteur ou une membrane constituée, d'une part, par un pied d'ancrage (2) comportant une face de liaison (3) s'étendant dans un plan de référence (P) et, d'autre part, par au moins un élément flexible (4) rattaché au pied d'ancrage et s'étendant selon une face (6) déterminant une armature mobile (7) dans un plan (P1) situé en retrait du plan de référence, de manière à constituer, en relation d'une armature fixe (19) correspondante portée par le support, un intervalle libre (e) définissant, avec les armatures, un condensateur variable, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - réaliser une surépaisseur saillante (8) située sensiblement à l'aplomb de la face de liaison (3) du pied d'ancrage, - procéder au dépôt d'une couche de l'un des constituants d'un eutectique sur au moins une zone de fixation (21) du support destinée à recevoir la face de liaison (3) du pied d'ancrage, - amener la pièce mécanique à l'aide d'un outil de préhension (22) adapté pour maintenir la pièce par sa surépaisseur (8), à coopérer, par sa face de liaison (3), avec la zone de fixation (21) du support, - procéder à une élévation de température jusqu'à un point d'eutexie de l'eutectique dont le second constituant est formé par la pièce, - exercer un effort localisé sur la surépaisseur (8) pour assurer un contact plan entre la face de liaison (3) et la zone de fixation (21), - et soumettre, simultanément å l'application de l'effort localisé, la pièce ou le support à des sollicitations mécaniques permettant d'obtenir, par brasure, un ancrage de la pièce sur le support. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à amener la pièce mécanique à venir en contact avec la zone de fixation (21), par l'intermédiaire de L'outil de préhension présentant un tenon (34) destiné à coopérer avec une mortaise (35) ménagée dans la surépaisseur (8) de la pièce. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser la surépaisseur (8) par l'intermédiaire d'une photogravure d'une couche sensible, préalablement à une attaque chimique. 4 - Pièce mécanique adaptée pour la mise en oeuvre du procédé conforme à L'une des revendications 1 å 3, du type comportant, d'une part, un pied d'ancrage (2) comportant une face de liaison (3) s'étendant dans un plan de référence (P) et, d'autre part, au moins un élément flexible (4) rattaché au pied d'ancrage et s'étendant selon une face (6) destiné à supporter une armature mobile (7) dans un plan situé en retrait du plan de référence, caractérisée en ce qu'elle comporte une surépaisseur sailante (8) située sensiblement à l'aplomb de la face de liaison (3) du pied d'ancrage. 5 - Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que la surépaisseur (8) comporte une mortaise (35) d'axe sensiblement perpendiculaire à la face de liaison (3). 6 - Outil de préhension d'une pièce mécanique conforme à la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte une tête de préhension (26) comprenant - un bord périphérique (28a, 34a) d'appui et de centrage de la surépaisseur (8) de la pièce mécanique, - au moins un conduit d'aspiration (31) débouchant pour créer une dépression entre la tête et la face de la surépaisseur (8) pour assurer le maintien de la pièce cooperant avec le bord périphérique d'appui, - et un organe presseur (32) débouchant pour assurer L'application d'un effort localisé sur la surépaisseur. 7 - Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe presseur (32) est pourvu d'une partie terminale pointue (32a). 8 - Outil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'organe presseur (32) est monté de façon amovible à l'intérieur de la tête de préhension. 9 - Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bord d'appui et de centrage (28a) délimite un évidement (28) ménagé dans la tête de préhension. 10 - Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bord d'appui et de centrage (34a) est porté par un ténon (34) destiné à coopérer avec une mortaise (35) réalisée dans la surépaisseur (8) de la pièce mécanique.